基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法
阅读说明：本技术 基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法 (Pipeline stress detection probe and method based on magnetostrictive inverse effect ) 是由 王宇楠 徐义忠 徐春风 宋华东 宋云鹏 诸海博 郭晓婷 张文强 汤银龙 蔡军 刘 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法中,检测探头为非接触式,线圈、磁铁、磁轭在电路板上一体化集成,能够显著提高测量结果的灵敏度。本申请将激发线圈和采集线圈合为一个线圈,优化线圈及磁路设计,能够降低检测探头的体积,使得检测探头小型化。另外,本申请中的激励采用调频谐振处理,降低了功耗。本申请提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头不仅可用于管道外检测,也可搭载内检测设备进行管道内检测,解决了已经深埋的油气水管道检测应力难的问题。非接触式检测也适用于恶劣工况或环境。本申请提供的检测探头响应速度快,灵敏度高,功耗低,可以在工程上应用推广。(In the pipeline stress detection probe and the pipeline stress detection method based on the magnetostrictive inverse effect, the detection probe is in a non-contact type, and the coil, the magnet and the magnetic yoke are integrated on the circuit board, so that the sensitivity of a measurement result can be obviously improved. This application closes exciting coil and collection coil into a coil, optimizes coil and magnetic circuit design, can reduce test probe's volume for test probe is miniaturized. In addition, the excitation in the application adopts frequency modulation resonance processing, so that the power consumption is reduced. The application provides a pipeline stress test probe based on magnetostriction reverse effect not only can be used to the pipeline and detect outward, also can carry on interior check out test set and carry out the interior detection of pipeline, has solved the difficult problem of oil gas water pipeline detection stress that has buried deeply. Non-contact detection is also suitable for harsh conditions or environments. The detection probe provided by the application has the advantages of high response speed, high sensitivity and low power consumption, and can be applied and popularized in engineering.)
技术领域
本发明涉及管道内检测技术领域，尤其涉及基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法。
背景技术
管线为联结泵、阀或控制系统等的管道，用于传送液体、气体或研成粉末的固体。对于复杂线路，其可能存在压力、重力、温度、风、海浪、土壤约束，同时还存在地震、动设备的震动、阀门关闭/开启导致的水锤气锤等外力载荷作用，其中，外力载荷是管道产生应力问题的主要原因。管道产生应力问题后，易出现管道破裂，引发管道泄漏、断裂甚至爆炸等事故，造成生命财产损失。
基于此，需要对管道应力进行检测，以通过应力值大小，分析可能存在隐患的区域或者因素，以便及时整改，避免发生事故。对管道进行应力检测时，通常对一些关键位置的应力值进行验证，从而保证管道自身和与其相连的机械、设备、土建结构的安全。目前，国际上对应力检测研究起步较晚，国内更是没有对应的管道内检测产品进入市场，因此，需要一种检测管道应力的产品。
发明内容
本发明提供一种基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法，以检测管道内应力。
本发明提供一种基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头，所述探头包括电路板以及均设置在所述电路板同一侧的线圈、磁铁和磁轭；所述电路板上设有顺次电连接的LC振荡电路、转换电路以及MCU控制电路；
其中，所述线圈分别电连接所述LC振荡电路和所述转换电路；
所述磁铁和所述磁轭分别位于所述线圈的四周；
所述线圈与管道的轴向方向相平行。
优选地，所述电路板上相对设置有两个所述磁铁，且两个所述磁铁之间设有所述线圈，所述线圈的上方设有所述磁轭，且所述磁轭与两个所述磁铁相接触。
优选地，所述线圈为多层平绕式工字电感线圈。
优选地，所述LC振荡电路包括微调电容，所述微调电容与所述线圈并联。
优选地，所述转换电路包括驱动模块、RP+L测量模块、高分辨率L测量模块以及寄存器逻辑处理模块，所述寄存器逻辑处理模块分别电连接所述RP+L测量模块和所述高分辨率L测量模块；所述驱动模块分别电连接所述LC振荡电路、所述RP+L测量模块、所述高分辨率L测量模块。
本发明提供一种基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测方法，包括：
时钟初始化后的转换电路将外接电源的电压转化为交流激励信号，并发送至LC振荡电路；
所述LC振荡电路根据所述交流激励信号激发线圈，以磁化管道待检测部位；
所述转换电路测量并存储所述线圈的阻抗、谐振频率和电感，得到所述线圈的感抗；
MCU控制电路按照2.5MHz的固定采样频率采集所述转换电路中存储的感抗，并通过数据输出线路输出。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法中，检测探头为非接触式，线圈、磁铁、磁轭在电路板上一体化集成，能够显著提高测量结果的灵敏度。本申请将激发线圈和采集线圈合为一个线圈，优化线圈及磁路设计，能够降低检测探头的体积，使得检测探头小型化。另外，本申请中的激励采用调频谐振处理，降低了功耗。本申请提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头不仅可用于管道外检测，也可搭载内检测设备进行管道内检测，解决了已经深埋的油气水管道检测应力难的问题。非接触式检测也适用于恶劣工况或环境。本申请提供的检测探头响应速度快，灵敏度高，功耗低，可以在工程上应用推广。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头的主视图；
图3为本发明实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头的电路连接图；
图4为本发明实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头的电路工作图；
图5为本发明实施例提供的MCU控制电路的内部结构图；
图6为本发明实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测方法流程图；
符号表示：
1-电路板，2-线圈，3-磁铁，4-磁轭。
具体实施方式
磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时，其尺寸在磁化方向发生伸长或缩短。磁致伸缩描述了材料磁化强度改变引起的材料尺寸变化，该尺寸变化导致材料的自由应变。当物体因磁致伸缩引起的自由应变在材料受到机械约束时会产生应力，这种现象是磁弹性耦合的一种表现。反过来，通过对材料施加拉应力或压应力，材料的长度会发生变化，则材料内部的磁化状态也会发生变化，即磁致伸缩的逆效应。基于此，本申请实施例提供一种基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头，以检测管道内应力变化，进而发现应力集中区域。
请参考附图1、2，其中，附图1、2分别示出了本申请实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头的立体结构图和主视图。由附图1、2可见，本申请实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头在管道的内部沿周向方向分布，且检测探头的朝向与管道的轴向方向相平行。本申请实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头包括电路板1以及均设置在电路板1同一侧的线圈2、磁铁3和磁轭4。其中，电路板1用于设置线圈2、磁铁3和磁轭4，同时还用于设置各种电路，以通过电路与线圈2的共同作用实现对管道应力的检测。磁铁3和磁轭4分别位于线圈2的四周，以形成磁路。
具体的，电路板1的一侧相对设置有两个磁铁3，且两个磁铁3之间设有线圈2。磁铁3为永磁铁。线圈2的上方设有磁轭4，且磁轭4与两个磁铁3相接触，由此，磁轭4与两个磁铁3之间形成拱形结构，且线圈2位于该拱形结构的内部。较为优选地，本申请实施例中的线圈2为多层平绕式工字电感线圈，该电感线圈即有激发功能也有测量功能。
电路板1上设有顺次电连接的LC振荡电路(英文名称：LC circuit)、转换电路以及MCU控制电路(中文名称：微控制单元；英文名称：Microcontroller Unit)，其中，线圈2分别电连接LC振荡电路和转换电路，如附图3、4所示。本申请实施例中的LC振荡电路用于激发线圈2，以使管道待检测部位磁化。较为优选地，本申请实施例中的LC振荡电路包括微调电容，该微调电容与线圈2并联。线圈2的电感量L与微调电容C共同形成LC振荡器。
转换电路与外接电源相连接，其主要用于输入信号及输出信号之间的转换处理。本申请实施例中的转换电路包括驱动模块、RP+L测量模块、高分辨率L测量模块和寄存器逻辑处理模块，其中，寄存器逻辑处理模块分别电连接RP+L测量模块和高分辨率L测量模块；驱动模块分别电连接LC振荡电路、RP+L测量模块、高分辨率L测量模块。
驱动模块能够将电压激发震荡为谐振状态，以调节LC振荡电路的谐振频率。具体的，驱动模块与外接电源电连接后，驱动模块能够将电源电压转换为交流激励信号，并将该交流激励信号发送给LC振荡电路。LC振荡电路接收到交流激励信号后能够激发线圈2，进而将管道待检测部位磁化。当管道待检测部位磁化时，管道待检测部位的磁力线发生变化，进而线圈2产生的电流数值发生变化，相应的，线圈2的阻抗及感抗也会发生变化。
RP+L测量模块包括电阻式压力传感器，其能够测量LC振荡电路中线圈2的阻抗和谐振频率，进而通过谐振公式确定RP+L测量模块检测到的线圈2的感抗。其中，谐振公式为：
其中，f为频率；L为感抗；C为LC振荡电路中的微调电容。
较为优选地，外接电源的电压为3.3V。LC振荡电路的谐振频率范围为500kHz至10MHz。
高分辨率L测量模块包括高分辨率电感传感器，其用于测量LC振荡电路中线圈2的电感，并将检测到的数据发送至寄存器逻辑处理模块。寄存器逻辑处理模块用于接收、存储RP+L测量模块和高分辨率L测量模块检测到的各项数据，并根据SPI协议(中文名称：串行外设接口；英文名称：Serial Peripheral Interface)将各项数据转化为可通过SPI进行数据传输的模式。
MCU控制电路又称单片微型计算机或单片机，为芯片级计算机，其能够为不同的应用场合做不同组合控制，如附图5所示。本申请实施例中的MCU控制电路选用STM32主控芯片，其能够采集和存储寄存器逻辑处理模块中的2路信号，并将接受到数据发送到数据输出线路进行信息的输出。
基于上述基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头，本申请实施例还提供一种基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测方法，如附图6所示，该方法包括：
S01：时钟初始化后的转换电路将外接电源的电压转化为交流激励信号，并发送至LC振荡电路；
对转换电路中的时钟进行初始化，以确保采样频率。3.3V的外部电压接入转换电路后，转换电路中的驱动模块将电源电压转换为交流激励信号，并将该交流激励信号发送给LC振荡电路。
S02：所述LC振荡电路根据所述交流激励信号激发线圈，以磁化管道待检测部位；
LC振荡电路接收到交流激励信号后激发线圈，以使得管道待检测部位磁化。当管道待检测部位磁化时，管道待检测部位的磁力线发生变化，进而线圈2产生的电流数值发生变化，相应的，线圈2的阻抗及感抗也会发生变化。
S03：所述转换电路测量并存储所述线圈的阻抗、谐振频率和电感，得到所述线圈的感抗；
管道待检测部位磁化后，转换电路的RP+L测量模块测量线圈的阻抗、谐振频率和电感，进而通过谐振公式确定转换电路中的RP+L测量模块检测到的线圈的感抗，并由寄存器逻辑处理模块进行存储。寄存器逻辑处理模块根据SPI协议将各项数据转化为可通过SPI进行数据传输的模式。
S04：MCU控制电路按照2.5MHz的固定采样频率采集所述转换电路中存储的感抗，并通过数据输出电路输出。
MCU控制电路按照设定好的2.5MHz的固定采样频率采集转换电路中的寄存器逻辑处理模块存储的数据，并将接受到数据发送到数据输出电路进行信息的输出，确定出管道应力变化。
本申请实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法的原理为：通过永磁铁将管道待检测部位磁化处理，使得管道待检测部位的磁畴旋转为同一方向。当磁化未饱和的管道材料内部发生应力变化时，磁畴会受影响，其旋转方向会发生变化，进一步影响管道材料内部的磁通密度大小。线圈2受交流激励信号的影响，在管道待检测部位内形成方向相同、但磁通密度大于磁铁3影响的磁场。当通过管道待检测部位的磁力线变化时，使之影响到线圈2电流大小的变化，从而影响线圈2阻抗及感抗。
本申请实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法中，检测探头为非接触式，线圈、磁铁、磁轭在电路板上一体化集成，能够显著提高测量结果的灵敏度。本申请实施例将激发线圈和采集线圈合为一个线圈，优化线圈及磁路设计，能够降低检测探头的体积，使得检测探头小型化。另外，本申请实施例中的激励采用调频谐振处理，降低了功耗。本申请实施例提供的基于磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头不仅可用于管道外检测，也可搭载内检测设备进行管道内检测，解决了已经深埋的油气水管道检测应力难的问题。非接触式检测也适用于恶劣工况或环境。本申请实施例提供的检测探头响应速度快，灵敏度高，功耗低，可以在工程上应用推广。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。