本發(fā)明屬于油氣管道應(yīng)力檢測領(lǐng)域，具體地，涉及管線鋼金屬在線應(yīng)力超聲測量裝置，該裝置以聲彈性理論為基礎(chǔ)，能夠通過測量超聲臨界折射縱波(LCR波)在金屬內(nèi)表層的飛行時間，進而計算出金屬內(nèi)部的應(yīng)力大小。該測量裝置精巧，可實現(xiàn)無損檢測，并且測量精度高，測量速度快。

技術(shù)背景

隨著國內(nèi)外對石油、天然氣的需求不斷提高，油氣管道向著大口徑、高壓力、高強度和高設(shè)計系數(shù)的方向發(fā)展，但是隨著使用年限的逐年增長，管道缺陷也隨之增多，油氣管道進入一個事故多發(fā)階段。在所有的油氣管道設(shè)備中，金屬承受載荷十分大。這些管道內(nèi)部應(yīng)力的大小及其變化是衡量其可靠性的主要參考指標(biāo)。管道金屬內(nèi)部應(yīng)力的大小變化除了與其受力情況有關(guān)外，還與其加工過程，形變及周圍的溫度有關(guān)。為了維護、檢查和延長管道的使用壽命，長期以來人們很關(guān)注管道應(yīng)力的檢測。應(yīng)力的測量方法有很多，如x射線法、磁力法、應(yīng)變片法、超聲方法等。傳統(tǒng)的測量方法，如x射線法、磁力法等需要的設(shè)備體積龐大，價格昂貴，不適宜室外大規(guī)模測量。而超聲波所固有的特性，如穿透能力強、儀器設(shè)備簡單、測量速度快、低成本等，因此利用超聲波無損檢測金屬材料表面和內(nèi)部的應(yīng)力狀況具有極大的潛力。

然而傳統(tǒng)的超聲測量應(yīng)力裝置相對較大，不可手持，測量方式一般為對信號采樣測量，其低采樣頻率決定了其測量精度低，其采樣頻率很難做到1GHz以上，故其時間測量精度往往只能達到10^-8-10^-9S。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種體積小，可手持，精度高的獨立超聲應(yīng)力測量系統(tǒng)，能夠通過測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地繪制出金屬管道的應(yīng)力分布情況。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案：

油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置，包括：低功耗處理器、超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、時間測量電路模塊、液晶顯示及交互模塊、電源管理模塊；其中：超聲發(fā)射模塊發(fā)射高電壓脈沖，超聲接收模塊用于接收信號的波形放大及整形；時間測量電路模塊測量超聲發(fā)射起始信號和截止信號的時間間隔；液晶顯示及交互模塊用于系統(tǒng)管理及測量結(jié)果顯示；電源管理模塊用于為低功耗處理器、超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、時間測量電路模塊、液晶顯示及交互模塊供電。低功耗處理器用于系統(tǒng)管理、電源控制、采集測量結(jié)果、處理測量結(jié)果并控制將結(jié)果顯示出來。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：

1、時間測量采用區(qū)別于傳統(tǒng)的采樣方式，以門延遲替代采樣，時間測量精度為55ps，最終系統(tǒng)的時間測量精度為100ps，對應(yīng)的測距精度達到了1um以內(nèi)，相當(dāng)于使用20GHz的采樣速率所獲取的采樣精度，而傳統(tǒng)方案的采樣速率很難做到1GHz以上，故而大大提高了檢測的精度。

2、發(fā)射部分電源采用光電倍增壓升壓，輸出電壓穩(wěn)定、集成化、模塊小巧安全、封裝完整。

3、發(fā)射和接收隔離設(shè)計，很大程度上降低了發(fā)射波形對接收波形的干擾，從電路上來說，發(fā)射部分和接收部分的地相隔離；從結(jié)構(gòu)設(shè)計上來說，采用金屬屏蔽罩將發(fā)射部分完全罩住屏蔽，防止電磁干擾。

4、采用各種低功耗的傳感器和微處理器芯片，大大降低了系統(tǒng)的功耗；采用鋰電池充放電電路，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，使得系統(tǒng)可以連續(xù)、長期、穩(wěn)定地在野外工作。

5、溫度測量和超聲飛行時間測量集成在同一個模塊內(nèi)，降低了硬件設(shè)計上分立元件的復(fù)雜程度，減小了整體設(shè)備的尺寸。溫度測量采用PT1000傳感器，單獨給出一個接口給溫度傳感器，拆卸組裝方便靈活，貼合實際使用場景。

6、基于前期大量的測量數(shù)據(jù)以及相關(guān)研究，在此基礎(chǔ)之上嵌入各種智能算法并集成在單片機內(nèi)，如噪聲濾波算法，使測量結(jié)果更加精確。

7、所有線路信號傳輸均采用同軸線纜，相關(guān)接口采用SMA屏蔽接口，隔絕外界干擾，最終的測量結(jié)果將更加真實可靠。

8、信號前端整形集成化設(shè)計，對接收波形進行可編程控制，確保每次收到的信號均是真實信號，極大程度上降低了噪聲的干擾。

附圖說明

圖1是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置核心信號示意圖；

圖3是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置的部分發(fā)射模塊電路圖；

圖4是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置接收模塊(含溫度測量)電路圖；

圖5是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置接收信號處理示意圖；

圖6是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置的時間測量電路模塊圖；

圖7是油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置的電源模塊示意圖；

圖中，1、低功耗處理器，2、超聲發(fā)射模塊，3、超聲接收模塊，4、時間測量電路模塊，5、液晶顯示模塊，6、電源管理模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1所示，油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置，包括：低功耗處理器1、超聲發(fā)射模塊2、超聲接收模塊3、時間測量電路模塊4、液晶顯示及交互模塊5、電源管理模塊6；其中：超聲發(fā)射模塊用于發(fā)射高電壓脈沖；超聲接收模塊主要用于接收信號的波形放大及整形；時間測量電路模塊用于測量超聲發(fā)射起始信號(START信號)和截止信號(STOP信號)的時間間隔；液晶顯示及交互模塊用于系統(tǒng)管理及測量結(jié)果顯示；電源管理模塊用于為低功耗處理器1、超聲發(fā)射模塊2、超聲接收模塊3、時間測量電路模塊4、液晶顯示及交互模塊5供電。低功耗處理器1作為系統(tǒng)的心臟，用于系統(tǒng)管理、電源控制、采集測量結(jié)果、處理測量結(jié)果并控制將結(jié)果顯示出來。本發(fā)明管道應(yīng)力超聲測量系統(tǒng)采用集成化設(shè)計，收發(fā)隔離設(shè)計，模擬時間測量方式(區(qū)別于采樣測量)，并對測量結(jié)果進行大量統(tǒng)計得出有效的數(shù)據(jù)濾波方法，實現(xiàn)了高效、高精度的測量。

低功耗處理器1作為主控中心，控制超聲發(fā)射模塊2、超聲接收模塊3、時間測量電路模塊4、液晶顯示及交互模塊5的芯片的初始化，控制超聲發(fā)射的頻率，控制超聲接收電路的波形整形以及增益、讀取測量時間結(jié)果、控制發(fā)射電源的開啟和關(guān)閉、控制液晶顯示屏的顯示界面以及讀取操作。

超聲發(fā)射模塊2作用是將發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為一個100V以上的脈沖信號發(fā)送到超聲探頭，經(jīng)過壓電晶片轉(zhuǎn)換為5MHz的超聲波經(jīng)由油氣管道壁發(fā)送到接收探頭；如圖3所示，C37和C38為蓄電電容，L2為電感，隔離發(fā)射信號對前級的影響，R39是C35的充電限流電阻，Q1為高壓大電流開關(guān)MOS管。D4與D5高壓肖特基二極管，R27是阻尼電阻，抑制震蕩，J1為發(fā)射SMA端子。

超聲接收模塊3用于接收信號的放大和整形，將接收的信號經(jīng)過一系列的可編程控制處理之后作門檻鑒定和過零點判別，最終得到STOP數(shù)字信號。超聲接收模塊如圖4所示，為雙通道邏輯信號發(fā)射和超聲信號接收，超聲信號通過RX腳(1，2腳)接收，然后經(jīng)過一級低噪聲固定增益的放大LNA(可編程屏蔽放大)，放大的信號由LNAOUT(4腳)接收，經(jīng)過C27電容高通濾波之后，進入可編程增益放大器PGA，由PGAOUT(6腳)輸出，后經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)由COMPIN(7腳)進入比較單元，通過一系列的可編程信號處理，產(chǎn)生接收數(shù)字信號(STOP信號)。同時，該模塊集成了溫度測量功能，由RTD腳(8、9腳)接入PT1000溫度傳感器，經(jīng)由可編程控制單元，可測得傳感器實時溫度。

具體的信號處理可參照圖5所示，信號經(jīng)過放大濾波后由VCOM腳進入比較器單元，其中COMPIN所指示的信號為接收實際信號波形的示意圖，當(dāng)信號的低峰值低于VTHLD時，比較器開始起作用，進行過零點比較產(chǎn)生STOP數(shù)字信號。STOP信號脈沖的個數(shù)由發(fā)射信號脈沖個數(shù)決定。

時間測量電路模塊4用于測量飛行時間，當(dāng)收到START信號后開始使用門延遲計時，接收到STOP信號后停止計時，并將結(jié)果存儲在寄存器中。時間測量電路模塊電路圖如圖6所示，具體的工作原理為，通過SPI接口寫入命令，觸發(fā)一次測量之后，由trigger腳(2腳)產(chǎn)生trigger信號，促使發(fā)射模塊發(fā)射信號，然后將發(fā)射的START信號返回給該模塊(3腳)，之后得到的STOP信號亦返還給該模塊(4腳)，當(dāng)模塊收到START信號后便開始進行門延遲計時，當(dāng)STOP信號產(chǎn)生后，統(tǒng)計總共有多少個門被經(jīng)過即可測得最終的時間波形飛行時間，并將結(jié)果存儲在寄存器中待低功耗處理器取得結(jié)果。

液晶顯示及交互模塊5主要是用作結(jié)果顯示以及系統(tǒng)相關(guān)信息的顯示，通過觸控切換不同的功能以及調(diào)出不同的界面。

電源管理模塊6主要用于系統(tǒng)供電。電源管理模塊如圖7所示，系統(tǒng)電源由12V的鋰電池供電，并配置充電管理單元。由鋰電池的12V通過DCDC降壓為4.2V，然后由此電壓采用LDO轉(zhuǎn)換為3.3V的數(shù)字供電和3.6V的模擬供電，原因是DCDC電源效率高，如果用LDO直接轉(zhuǎn)換則會導(dǎo)致效率非常低，而后面采用LDO是因為LDO的供電穩(wěn)定，電源紋波小。而對于發(fā)射部分，先采用DCDC隔離的方式獲取到隔離的12V電壓作為隔離驅(qū)動電路輸出電平的供電，然后通過光電倍增壓的方式升壓到200V為發(fā)射模塊持續(xù)而穩(wěn)定的電壓，采用隔離方式是為了防止發(fā)射模塊的高壓脈沖對超聲接收地的干擾。

油氣管道在線應(yīng)力超聲測量裝置的工作原理如下：工作流程可參考圖2的信號流程圖，首先低功耗處理器1接收到外部的控制信號開始測量，開啟超聲發(fā)射模塊2的電壓，然后開啟定時器，定期發(fā)送測量信號到時間測量電路模塊4。該模塊產(chǎn)生TRIGGER信號發(fā)送到超聲發(fā)射模塊2，超聲發(fā)射模塊2進行時間對齊后開始發(fā)射信號，同時產(chǎn)生一路START信號返還給時間測量電路模塊4并開始計時，超聲發(fā)射模塊2在發(fā)射信號的作用下產(chǎn)生100V以上的脈沖波形經(jīng)由屏蔽線傳輸給發(fā)送探頭的壓電晶片差生超聲波，超聲波經(jīng)過耦合劑斜射入金屬產(chǎn)生LCR波，該超聲波沿著金屬表面?zhèn)鞑ソ?jīng)過接收探頭收到信號，該信號經(jīng)過壓電轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過屏蔽線傳送給超聲接收模塊3，超聲接收模塊3經(jīng)過一系列的可編程控制，整形之后產(chǎn)生相應(yīng)的接收數(shù)字信號(STOP信號)，并將該信號傳達給時間測量電路模塊4，停止計時，并將計時結(jié)果通過SPI接口返回給低功耗處理器1，低功耗處理器1對多次測量結(jié)果進行濾波處理得到準(zhǔn)確時間(100ps精度)，并通過前期的大量實驗擬合的時間應(yīng)力曲線計算得出金屬表面的應(yīng)力。