技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于磁力层析技术的多通道地磁探测仪，属于
无损检测领域。
背景技术
[0002]
铁磁性材料具有极佳的机械特性，是石油工业领域中使用最为广泛的材料之一。
铁磁性金属
输油管道在使用过程中受到各种
应力的作用，当应力集中到一定程度时，构件会出现局部形变，甚至发展成宏观
缺陷，引起构件失效，导致安全事故的发生。目前我国输
油气管道铺设量大，长期掩埋地下，开挖困难，因此实现非开挖条件下埋地管道应力集中区检测是安全性能检测中一项亟需解决的问题。
[0003] 传统的管道检测方法虽然较为成熟，但存在很大的局限性。若要实现管道外检测需要将埋地管道挖掘出来进行
接触性检测或提离很小高度的非接触检测，而管道内检测则必须借助于管道
机器人，目前我国的管道
机器人技术尚不完善，不但对管道的直径和管道内的液位有要求，而且需将管道部分破损方能将机器人植入。因此，传统检测技术还不适用于埋地管道的地面非接触检测。
[0004] 近年来新兴的磁记忆检测技术是众多无损检测技术中的一种，与传统的无损检测技术相比，它的优越性非常显著。由于铁磁性材料
磁场分布与应力
载荷有一定的对应关系，因此可以运用金属磁记忆检测方法进行有效的金属表面或近表面的应力检测，该方法也是目前一种能有效进行早期诊断的无损检测方法，即可以在事故发生之前作出预判，可见金属磁记忆检测的研究对无损检测尤为重要。
[0005] 在
地磁场作用下，埋设在
土壤中的管道如果存在缺陷，同时管道中有周期性变化的负荷压力，那么在压力变化增大的过程中，管体的缺陷处就会形成较大的内应力。由于铁磁物质的磁弹性效应，在管道内部产生的应力作用下，管道缺陷处形成外漏磁场。随着周期性应力的作用，管道缺陷处漏磁场不断增强。如果使用高
精度磁力计沿管道路由方向进行测量，管道缺陷处的漏磁场分布具有如下特征：在测量的
水平方向上，即Hp(x)方向漏磁场存在最大值，在垂直管道的Hp(y)方向漏磁场存在零值。通过检测铁磁构件表面磁场分布情况，可对应力集中或缺陷进行准确推断。
[0006] 最新的磁力层析检测技术应用的正是铁磁性材料的磁记忆现象，其本质是铁磁性物质的磁弹性效应。在非开挖的情况下对新建和长期运行的铁磁性管道进行由未融合、气孔、裂纹、
腐蚀等引起的应力集中等缺陷进行检测。根据缺陷异常等级针对性地提出维修建议，
预防管道穿孔、开裂等事故的发生，从而提高油气管道安全运行能力与完整性管理水平。因此开发一种基于磁力层析技术的非接触便携式多通道地磁探测系统用于石油领域中铁磁性材料的应力检测，对铁性磁性材料的安全性能检测、防止安全事故发生具有重大意义。实用新型内容
[0007] 本实用新型的目的在于弥补现有磁记忆检测设备的不足，提供一种操作方便，检测精准的非接触便携式多通道地磁探测装置。
[0008] 本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0009] 一种基于磁力层析技术的多通道地磁探测仪，包括非金属移动机械平台以及其上安装的探测系统；所述探测系统包括：
[0010] 三维磁
探头，所述三维磁探头用于采集金属管道表面产生的X、Y和Z方向三维磁场
信号；
[0011]
数据采集模
块，所述数据采集模块与三维磁探头连接，用于将三维磁场强度信号由
模拟信号转换为
数字信号并传输至
单片机模块；
[0012] 计步
编码器以及计步器模块，所述计步编码器与计步器模块连接，用于实现对非金属移动机械平台移动距离的计算；
[0013] GPS模块，所述GPS模块用于
定位并传输
位置信息数据；
[0014] 供电模块，所述供电模块用于对探测系统供电；
[0015] 单片机模块，所述单片机模块分别与数据采集模块、计步器模块以及GPS模块连接，用于分别接收三维磁场强度信号、非金属移动机械平台移动距离数据以及位置信息数据，并对数据进行运算、处理以及通过通信串口将数据发送给上位机pad处理显示模块；
[0016] 上位机pad处理显示模块，所述上位机pad处理显示模块用于接收来自于单片机模块的数据，并进行数据计算存储与显示。
[0017] 进一步的，所述非金属移动机械平台包括滚轮、探头
支架、显示屏支架以及伸缩
推杆，其中所述伸缩推杆的底端安装滚轮、顶端安装把手；所述探头支架的中部固定在伸缩推杆的下部且与伸缩推杆垂直；所述显示屏支架固定在伸缩推杆的上部。
[0018] 进一步的，所述计步编码器安装在滚轮上，所述三维磁探头为三个，分别平行布置在探头支架的两端和中间，用于采集金属管道三个不同位置的X、Y、Z三轴向的磁场强度信号。
[0019] 进一步的，所述数据采集模块选用ADS1248高精度集成
模数转换器，其能够将采集的差分模拟信号转换为单端数字
信号传输至单片机模块。
[0020] 进一步的，所述供电模块为LDO供电模块，其能够将锂
电池电源供应的7V
电压转换为稳定的5V和3.3V供系统各部分使用。
[0021] 进一步的，所述单片机模块选用C8051芯片。
[0022] 进一步的，所述三维磁探头采用三分量高精度巨磁
电阻传感器。
[0023] 进一步的，所述GPS模块（5）采用U-BLOX NEO-6M模组。
[0024] 进一步的，所述上位机pad处理显示模块使用装有Windows系统的便携式pad机。
[0025] 本实用新型通过对油气管道上方磁场分布进行的层析检测,查找出金属管道存在的非正常应力,并对导致非正常应力的缺陷的大小、位置进行解算,发现管道存在的不安全因素,确定需要进行维护的管段位置,并预测未来一段时间可能会出现问题、需要重点关注的管段等,给出在役油气管道本体结构完整性和运行安全性的等级评价。防止突发性的损坏,是无损检测领域的一种新的检测手段。
附图说明
[0026] 图1是本实用新型中非金属移动机械平台结构示意图；
[0027] 图2是本实用新型中探测系统的整体
硬件构架
框图；
[0029] 图4上层系统工作框图；
[0030] 图1中：1为滚轮，2为计步编码器，3、4、5为高精度三维磁探头，6为探头支架，7为伸缩推杆，8为显示屏支架，9为把手。
具体实施方式
[0031] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体
实施例结合附图对本方案进行进一步的阐述。
[0032] 实施例1
[0033] 一种基于磁力层析技术的多通道地磁探测仪，包括非金属移动机械平台以及其上安装的探测系统。
[0034] 参见图1，非金属移动机械平台包括滚轮1、探头支架6、显示屏支架8以及伸缩推杆7，其中伸缩推杆9的底端安装滚轮1、顶端安装把手9；探头支架6的中部固定在伸缩推杆7的下部且与伸缩推杆7垂直；显示屏支架8固定在伸缩推杆7的上部。位机pad安装在显示屏支架8上便于检测者实时观察磁场信息
[0035] 参见图2，探测系统包括三维磁探头、数据采集模块、数据采集模块、计步编码器以及计步器模块、GPS模块、LDO供电模块，单片机模块以及上位机pad处理显示模块，其中三维磁探头用于采集金属管道表面产生的X、Y和Z方向三维磁场强度信号；数据采集模块与三维磁探头连接，用于将三维磁场强度信号由模拟信号转换为数字信号并传输至单片机模块；计步编码器与计步器模块连接，用于实现对非金属移动机械平台移动距离的计算；GPS模块用于定位并传输位置信息数据；LDO供电模块用于对探测系统供电；单片机模块分别与数据采集模块、计步器模块以及GPS模块连接，用于分别接收三维磁场强度信号、非金属移动机械平台移动距离数据以及位置信息数据，并对数据进行运算、处理以及通过通信串口将数据发送给上位机pad处理显示模块；上位机pad处理显示模块用于接收来自于单片机模块的数据，并进行数据计算存储与显示。
[0036] 实施例2
[0037] 参见图1-2，一种基于磁力层析技术的多通道地磁探测仪，在实施例1结构的
基础上，还包括如下如下优选方案：
[0038] 计步编码器安装在滚轮上，对转动圈数进行脉冲记录，实现距离的计算。
[0039] 三维磁探头为三个，分别平行布置在探头支架的两端和中间，用于采集金属管道三个不同位置的X、Y、Z三轴向的磁场强度信号。三维磁探头选用采用三分量高精度
巨磁电阻传感器（GMR）该传感器是用四个巨磁电阻构成惠更斯电桥，当有外磁场存在时电阻值改变，具有
信噪比高的优点。采集受载铁磁构件表面产生的X、Y和Z方向三维磁场信号基础上,利用矢量合成法进行分析、处理以得到磁记忆切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)信号,并实施判断和存储等操作。
[0040] 数据采集模块选用ADS1248高精度集成模数转换器，该芯片运用了模拟前端技术，集成了可编程增益
放大器，可调节数字
滤波器和3阶
调制器等，将磁探头采集的差分模拟信号转换为单端模拟信号传输至单片机模块。
[0041] LDO供电模块选用低压差线性稳压器，具有微功耗，极低自有噪声较高的电源抑制比等优点，将锂电池电源供应的7V电压转换为稳定的5V和3.3V供传感器和cpu使用。
[0042] GPS模块采用U-BLOX NEO-6M模组，体积小巧，性能优异。模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，使用方便。模块自带SMA
接口，可以连接各种有源天线，模块兼容3.3V/5V电平，方便连接单片机系统并传输位置信息数据。
[0043] 单片机模块选用C8051f120芯片具有多路IO接口，可以同时外接3路数据采集模块一路GPS信息模块一路计步信息模块；具有DSP指令集，可以进行快速复杂的数据运算与处理，然后通过串口将处理的数据传入上位机。
[0044] 上位机pad处理显示模块（8）使用装有Windows系统的便携式pad机，内装有Labview
软件，可设计界面可实现信号采集,数据保存,信号显示及处理功能,并对采集到的X、Y、Z三维磁记忆信号随时间变化显示对应磁场强度,梯度等信息显示,针对于磁记忆信号易受环境磁场干扰,采用矢量合成分析法,消除噪声信号干扰,重新得到梯度值并结合GPS与计步信息以实现磁记忆信号的全信息检测,用于监测所测机器设备运行状态及故障判断。
[0045] 如图2可以看出,本方案包括有数据采集模块、单片机模块、计步信息模块、GPS模块、LDO供电模块和上位机模块。数据采集模块将水平分布的三组高
分辨率的三维磁场传感器采集到的金属管道不同位置的x、y、z三个轴向的弱磁信号进行滤波放大A/D转换，然后将处理后的数据发送到单片机系统。GPS模块将采集到的位置信息实时发送到单片机模块。计步信息模块将安装在滚轮上的编码器获得的脉冲信号传送给单片机处理。最后单片机将所有信号通过串口传送给上位机，上位机进行数据计算存储显示。
[0046] 如图4所示上层系统工作框图，
数据处理，把磁场x轴信号和磁场y轴信号用矢量合成法进行分析、处理以得到磁记忆切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)信号。然后在显示器实时进行磁场强度曲线显示、数字滤波、梯度处理、合成李萨如图,以切向磁场分量X峰值和法向磁场分量Y的过零点来准确判断应力集中部位,及以李萨如图封闭区间大小来判断应力集中程度。
[0047] 采用本方案研制的基于磁力层析技术的多通道地磁探测仪,对油气管道上方磁场分布进行的层析检测,查找出金属管道存在的非正常应力,并对导致非正常应力的缺陷的大小、位置进行解算,发现管道存在的不安全因素,确定需要进行维护的管段位置,并预测未来一段时间可能会出现问题、需要重点关注的管段等,给出在役油气管道本体结构完整性和运行安全性的等级评价。防止突发性的损坏,是无损检测领域的一种新的检测手段。
[0048] 在上述实施例中，实施例2是对实施例1做了进一步的优化设计，但是本实用新型并不限于上述的实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化，变化后的内容仍属于本实用新型的保护范围。
