畢業(yè)設(shè)計題目石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院機械工程學(xué)院專業(yè)機械工程及自動化班級機自1022班學(xué)生李文禎學(xué)號20100421173指導(dǎo)教師馬玉真二〇一四年五月十四日摘要現(xiàn)今石油和危險氣體大都通過管道進(jìn)行運輸，而80%的管道使用已接近20年或已超過20年，這些管道已進(jìn)入了故障頻發(fā)的壽命階段。對石油和危險氣體運輸管道的全面檢測成為如今管道安全的重要項目。管道的潛在故障基本都出現(xiàn)在其內(nèi)表面生，因此，對運輸管道內(nèi)表面的檢測最為重要。對管道進(jìn)行內(nèi)檢測，對檢測到的問題進(jìn)行及時的排出和檢修就能避免因管道自身問題而引發(fā)的事故，減少財產(chǎn)損失。本設(shè)計就是通過機械設(shè)備對石油管道過渡帶的內(nèi)表面情況進(jìn)行詳細(xì)的檢測，達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)問題，減少因管道問題造成的不必要的損失。本設(shè)計通過一種專門設(shè)計的檢測平臺將檢測傳感器以及攝像頭同時送入到石油管道過渡帶處，進(jìn)行細(xì)致的檢測。攝像頭跟隨傳感器的檢測將圖像信息實時傳輸?shù)诫娔X上顯示出來，這樣能更好的分析缺陷的程度和確定修復(fù)缺陷的方法。關(guān)鍵詞：石油管道；檢測平臺，傳感器ABSTRACTPipelinestransportinghazardousliquidsandgasesarethemostsafeandeffectiveway.Withtheextensionofhoursofoperationofthepipeline,thepipelineagingissueshavebecomeincreasinglyprominent,thesafeoperationofthepipelineproblemisgettingpeople'sattention.InChina,mostpipesaremorethan20years,hasreachedahighincidenceofaccidents,wemusttakeappropriatemeasurestopreventaccidents.Therefore,theimplementationofthepipelineinspection,willbeabletoaccuratelygraspthesituationinsidethepipe,andinaccordancewiththeappropriatepreferredprinciplesforsomeseriousdeficienciesorpotentialproblemstimelymaintenance,pipelineaccidentscanbeavoided,butalsocangreatlyextendthelifeofthepipeline.Thedesignisbymechanicalequipmentontheinnersurfaceofthesituationoftheoilpipelinetransitionaldetailedtesting,todetectproblems,reduceunnecessarylossesduetoproblemscausedbythepipeline.Thisdesignisdetectedbymeansofaspeciallydesignedplatformwillsimultaneouslydetectingsensorsandcamerasatthetransitionintotheoilpipeline,carefultesting.Sensordetectscamerawillfollowthereal-timetransmissionofimageinformationtobedisplayedonacomputermethodforrepairingdefectscanbetteranalyzetheextentofsuchdefects.Keywords：Oilpipelines;detectionplatforms,sensors目錄摘要……………..…….….……………...=1\*ROMANIABSTRACT…….………………….……..…………….=2\*ROMANII1前言11.1國內(nèi)外管道檢測技術(shù)發(fā)展情況11.2管道內(nèi)表面檢測的必要性11.3管道內(nèi)表面檢測研究現(xiàn)狀2超聲檢測21.3.2漏測檢測渦流檢測31.4管道內(nèi)表面缺陷檢測技術(shù)的發(fā)展前景32石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案42.1設(shè)計內(nèi)容42.2檢測方案42.3測試系統(tǒng)52.4數(shù)據(jù)處理6多點擬合法73石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計93.1滾珠絲杠副的設(shè)計9滾珠絲杠副的主要尺寸93.1.2滾珠絲桿副精度等級以及標(biāo)注的方法滾珠絲桿副的選擇10滾珠絲桿螺母副的優(yōu)點113.2步進(jìn)電機的選擇11步進(jìn)電機工作原理11步進(jìn)電機驅(qū)動控制12步進(jìn)電機的選擇133.3傳感器的選擇13傳感器的選用原則144石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷監(jiān)測系統(tǒng)的電路設(shè)計184.180C52單片機184.2A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計194.3外部存儲設(shè)計205結(jié)論22參考文獻(xiàn)......................…………….…..….…..……………….………….23致謝......................….……..…….…………...…………….24附錄......................…..……....…...…...…...…….………251前言1.1國內(nèi)外管道檢測技術(shù)發(fā)展情況管道的管狀結(jié)構(gòu),用于運輸石油和其他液體。石油是重要的工業(yè)用料,而大多數(shù)的石油和天然氣又是通過管道運輸。這種運輸管道要求高水平的安全責(zé)任,因為管道故障可以引起重大事故。最近幾年和管道泄漏相關(guān)的重大事故發(fā)生都產(chǎn)生可怕的后果,從生態(tài)環(huán)境到損害人類生存壞境?，F(xiàn)在人們對這種事故容忍度很低,很容易和公司達(dá)成妥協(xié)。一般石油管道的壽命大約是20年,近年,據(jù)估計,全球的40%管道已達(dá)到最大壽命。惡化的主要原因是管道通常暴露在腐蝕性元素(如鹽水和沙子)中,甚至運輸?shù)囊后w也會導(dǎo)致腐蝕。努力延長管道的剩余壽命,能夠降低管道更換的巨大成本。因此,石油管道的檢測工作是非常重要的。通過此設(shè)備來尋找裂縫、腐蝕點等最終可能導(dǎo)致泄漏的地方。由于管道的直徑相對較小(200毫米到500毫米)，管道可以有幾千公里的長度,一個現(xiàn)場檢查是不可能的。為了解決這個問題,石油工業(yè)使用特殊設(shè)備,可以插入管道,被稱為內(nèi)檢測器。內(nèi)檢測器是設(shè)備攜帶傳感器和其他儀器在內(nèi)部管道進(jìn)行工作,收集不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,來得到管道的實際情況。類似的傳感器所使用的是電磁式，接觸式和超聲波式傳感器。普通內(nèi)檢測器已應(yīng)用40多年,新世代內(nèi)檢測器技術(shù)開發(fā)遵循新的檢驗法規(guī)。1.2管道內(nèi)表面檢測的必要性一般石油管道的壽命大約是20年,近年,據(jù)估計,全球的40%管道已達(dá)到最大壽命。惡化的主要原因是管道通常暴露在腐蝕性元素(如鹽水和沙子)中,甚至運輸?shù)囊后w也會導(dǎo)致腐蝕。努力延長管道的剩余壽命,能夠降低管道更換的巨大成本。因此,石油管道的檢測工作是非常重要的。通過此設(shè)備來尋找裂縫、腐蝕點等最終可能導(dǎo)致泄漏的地方。管道的管狀結(jié)構(gòu),用于運輸石油和其他液體。石油是重要的工業(yè)用料,而大多數(shù)的石油和天然氣又是通過管道運輸。這種運輸管道要求高水平的安全責(zé)任,因為管道故障可以引起重大事故。最近幾年和管道泄漏相關(guān)的重大事故發(fā)生都產(chǎn)生可怕的后果,從生態(tài)環(huán)境到損害人類生存壞境(Papadakis,1999)?，F(xiàn)在人們對這種事故容忍度很低,很容易和公司達(dá)成妥協(xié)。管道的潛在故障基本都出現(xiàn)在其內(nèi)表面生，因此，對運輸管道內(nèi)表面的檢測最為重要。對管道進(jìn)行內(nèi)檢測，對檢測到的問題進(jìn)行及時的排出和檢修就能避免因管道自身問題而引發(fā)的事故，減少財產(chǎn)損失。本設(shè)計就是通過機械設(shè)備對石油管道過渡帶的內(nèi)表面情況進(jìn)行詳細(xì)的檢測，達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)問題，減少因管道問題造成的不必要的損失。管道內(nèi)檢測是一種對管道內(nèi)表面進(jìn)行無損檢測的現(xiàn)代技術(shù)。通過進(jìn)入管道內(nèi)部的傳感器對管道的內(nèi)表面進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠康奶幚硐到y(tǒng)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得到管道內(nèi)表面的情況，及時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在的問題，對問題進(jìn)行檢修，避免管道事故的發(fā)生。管道內(nèi)檢測技術(shù)有較多的優(yōu)點：一是其的自動化，能對管道進(jìn)行全自動的檢測和數(shù)據(jù)采集分析；二是精確化，能對管道存在的問題進(jìn)行精確的分析；三是其經(jīng)濟化，內(nèi)檢測設(shè)備造價大部分都能被建設(shè)投資方所接受，比人力檢測消耗資金少。以上三個優(yōu)點足以讓管道內(nèi)檢測技術(shù)在將來的管道檢修中占有不可代替的地位。1.3管道內(nèi)表面檢測研究現(xiàn)狀超聲檢測超聲波檢測（UT）分為被動探測和主動檢測兩類。在被動式檢測技術(shù)中，超聲是受負(fù)荷試驗片自行發(fā)出的，有時也被稱為聲發(fā)射（AE），由超聲波探頭發(fā)射的超聲波，通常被稱為超聲無損檢測技術(shù)的主動檢測。與其它檢測技術(shù)，超聲檢測具有廣泛的被測量物體，缺陷的定位精度高，靈敏度高，成本低，對人體無害且易于在現(xiàn)場使用等進(jìn)行了。因此在國內(nèi)和國外超聲波檢測技術(shù)是使用最廣泛的，使用和最快的無損檢測技術(shù)之一的發(fā)展速度最快的。但是，探針和需要連續(xù)超聲耦合劑，該氣體管線的當(dāng)前應(yīng)用程序之間還存在著一些困難。由于超聲技術(shù)對身體的影響是利用超聲波從超聲波信號中提取信息，然后推導(dǎo)出的過程，所以其測試結(jié)果是間接的，難免有統(tǒng)計上的誤差，所以探索試驗的可能性，并提高了檢測結(jié)果的可靠性始終是超聲波檢測的核心問題。圖1.超聲波裂痕檢測原理圖漏磁檢測從漏磁檢測方法演變磁粉探傷是建立在這個鋼管，鋼筋等鐵磁性物質(zhì)上的。漏磁檢測原理是，當(dāng)磁場施加到測量磁性鐵管，如果被測鐵磁性的管子有缺陷，則會有磁力線從管中泄漏出來。通過分析傳感器的測試結(jié)果可以是獲得缺陷的位置。該方法的主要優(yōu)點在于其在線檢測能力強、自動化程度高、滿足管道運行中的連續(xù)性、快速性。使得漏磁檢測成為迄今為止最廣泛使用于范圍十分廣泛的石油管道檢查的一種磁粉探傷方法。此外，與傳統(tǒng)的磁粉探傷相比，漏磁檢測量化測試結(jié)果，高可靠性，高效率，低污染的特點圖2.漏磁檢測原理圖渦流檢測渦流檢測是基于電磁場的無損檢測的方法，其基本原理是利用通有交流線圈（勵磁線圈）產(chǎn)生一個交變磁場，從而使測得的金屬管表面的渦電流，該電流感應(yīng)出的渦流磁場作用在線圈上，從而改變線圈的電參數(shù)，只要被測管道表面有缺陷，渦環(huán)渦電流傳感器（檢測線圈）能檢測到導(dǎo)致通過勵磁線圈渦流感應(yīng)的變化，分析數(shù)據(jù)后就可以獲取被測管道的表面缺陷和腐蝕狀況。1.4管道內(nèi)表面缺陷檢測技術(shù)的發(fā)展前景管道在運輸過程中起到的重要作用，必定是管道運輸在將來起到更加重要的作用，而對于管道內(nèi)表面缺陷的檢測技術(shù)也將更加的智能化，精確化和人性化，是管道運輸更加的安全，高效。2石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案2.1設(shè)計內(nèi)容通過對石油管道內(nèi)檢測技術(shù)系統(tǒng)的研究結(jié)合現(xiàn)階段我國管道內(nèi)表面缺陷檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，并查閱了相關(guān)研究資料，本次設(shè)計的內(nèi)容是石油管道內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計。該設(shè)計題目屬于機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容，應(yīng)用到課程包括：測試技術(shù)、機電一體化設(shè)計、單片機與接口技術(shù)、機械設(shè)計學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、理論力學(xué)、機電傳動、機械制圖、機械制造及基礎(chǔ)、互換性與技術(shù)測量、數(shù)控技術(shù)、計算機輔助電路設(shè)計、計算機輔助繪圖等。根據(jù)所學(xué)專業(yè)知識，完成石油管道內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計，包括測試系統(tǒng)的電機驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、傳感器的調(diào)整和固定系統(tǒng)等幾個部分。該系統(tǒng)的指標(biāo)如下：1．系統(tǒng)最大檢測軸向位移為101-500mm，最大檢測直徑為90mm；2．傳感器采用電感傳感器進(jìn)行接觸測量，并配備機械測頭與內(nèi)孔表面接觸；3．傳感器可以在內(nèi)孔的滑槽內(nèi)移動，移動范圍為500mm；4．傳感器的測頭在不測量時可以收縮。2.2檢測方案通過一種專門設(shè)計的檢測平臺將檢測傳感器以及攝像頭同時送入到石油管道過渡帶處，進(jìn)行細(xì)致的檢測。攝像頭跟隨傳感器的檢測將圖像信息實時傳輸?shù)诫娔X上顯示出來，這樣能更好的分析缺陷的程度和確定修復(fù)缺陷的方法。檢測平臺如圖2.1所示。圖2.1檢測平臺2.3測試系統(tǒng)對于石油管道過渡帶內(nèi)表面的自動化檢測是一種無損檢測技術(shù)。利用傳感器技術(shù)對管道過渡帶內(nèi)表面的微位移的檢測，將傳感器送到管道過渡帶內(nèi)部進(jìn)行進(jìn)行以管道徑向的圓周運動和沿著徑向的進(jìn)給運動，這樣傳感器能將微位移量轉(zhuǎn)換成電量的物理參數(shù)，通過傳輸?shù)酵獠浚M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變成PC機能處理的信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是單片機，單片機對數(shù)據(jù)行進(jìn)處理分析，再通過仿真軟件對管道過渡帶內(nèi)表面的情況進(jìn)行模擬仿真，更加直觀的得到其內(nèi)表面的情況。此種方法包括：傳感器采集非電量數(shù)據(jù)信息，對信息進(jìn)行處理、通過放大電路，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機，串行通信，PC機系統(tǒng)實現(xiàn)最終功能要求。石油管道過渡帶是兩管道接頭的部分，因為形狀不規(guī)則，不適合直接測量，因此我們利用激光位移傳感器來進(jìn)行非接觸式的測試，這樣就有效的避免直接測量帶來的傳感器損壞問題，并且還可以對過渡帶內(nèi)表面進(jìn)行有效的測量。圖2.2所示的是整個檢測系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)運行是通過單片機發(fā)出一定的脈沖信號，控制步進(jìn)電機按照所設(shè)定的方式轉(zhuǎn)動，帶動絲杠按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動從而帶動滾珠絲杠螺母運動，這樣可以帶動螺母副上第二臺電動機運動，和電動機軸相連接的獨立軸上接有激光傳感器，這樣就能把傳感器運送到管道內(nèi)部需要檢測的指定位置，然后單片機對第二臺電動機發(fā)送脈沖信號，控制傳感器的旋轉(zhuǎn)從而進(jìn)行管道內(nèi)表面圓周方向的檢測。傳感器把檢測得到的信號輸出，并經(jīng)過電感測微儀進(jìn)行放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送到單片機，然后單片機對采集來的信號進(jìn)行即時分析和處理，得到相應(yīng)的結(jié)果。圖2.2測試系統(tǒng)示意圖2.4數(shù)據(jù)處理本作品所設(shè)計的這樣檢測平臺包括兩臺步進(jìn)電機，做兩個運動，這兩個運動都是靠單片機進(jìn)行發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行控制的。第一臺步進(jìn)電機通過絲桿帶動檢測平臺在X軸方向運動，同時，檢測平臺上的第二臺步進(jìn)電機帶動傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動。這樣，兩臺步進(jìn)電機完成了傳感器的X軸方向的進(jìn)給運動和沿X軸向的旋轉(zhuǎn)運動，其中，進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度都是通過單片機所設(shè)定的值所控制。通過檢測系統(tǒng)我們可以得到兩組信號：一是檢測平臺在X軸上等距離運動的位置坐標(biāo)值，這是由第一臺步進(jìn)電機帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動檢測平臺在X軸方向平移得到的；二是傳感器做圓周運動所得到的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是傳感器在管道內(nèi)進(jìn)行圓周運動，傳感器距管道內(nèi)個點的距離。單片機對數(shù)據(jù)行進(jìn)處理分析，再通過仿真軟件對管道過渡帶內(nèi)表面的情況進(jìn)行模擬仿真，更加直觀的得到其內(nèi)表面的情況。我們通過管道過渡帶內(nèi)表面的曲率半徑來分析管道內(nèi)表面的情況，而計算曲率半徑最簡單的方法就是三點擬合法。園的半徑是R，圓心的坐標(biāo)值是，取三個比較相鄰的檢測點的坐標(biāo),其中i=1,2,3。則可得到圓的數(shù)學(xué)模型為：(1)方程解得：(2)(3)R=(4)雖然三點擬合法簡單，僅通過三個點便可計算出曲率半徑，但是，三點擬合法所要求的三個點事相距非常近的三個點，而現(xiàn)實中管道過渡帶內(nèi)表面是非常粗糙的，這樣就會加大在測量過程中的誤差，所得到的檢測結(jié)果也就不是很精確。為了使所得到的結(jié)果更加精確，我們采用多點擬合的法相，這樣就能減小測量誤差，是所得到的值更加接近真實值。多點擬合法多點擬合法計算過程如下：設(shè)圓的半徑為R，圓心的坐標(biāo)值是。取得管道內(nèi)表面檢測點的坐標(biāo)值為,i=1,2,3...n,則可得圓的方程為[12]：(5)展開得到：(6)設(shè)(7)則可以將公式（6）化簡為：(8)因為實際管道過渡帶的內(nèi)表面是不規(guī)則的圓形，實際檢測到的坐標(biāo)值與理想值存在一定的誤差，因此，把實際所測得的數(shù)值帶入理想圓是不正確的，存在相當(dāng)大的誤差。我們可以通過偏差函數(shù)來消除實際圓和理想圓存在的誤差。偏差函數(shù)如下：(9)由最小二乘法知，當(dāng)求得為最小值時，所得到的曲率半徑最接近真實值，也就是我們想要得到的數(shù)值。設(shè)函數(shù),由極值條件的下微分方程：,,(10)令=2[（）-（）2](11)=2[()-（）（）]（12）=-（）（13）=2[（）-]（14）=-（）（15）將（9）式帶入（10）式解方程可得：（16）（17）（18）由以上公式可以得出過渡帶內(nèi)表面缺陷部分的曲率半徑R:（19）在運用最小二乘法進(jìn)行多點擬合過程中，所取得擬合點越多，得到的結(jié)果就越接近真實值，就可以減小在測量過程中因測量不準(zhǔn)確所造成的誤差。這樣的數(shù)值就能反應(yīng)更加真實的管道過渡帶內(nèi)表面的情況。3石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1滾珠絲杠副的設(shè)計滾珠絲杠螺母副是各種類型機床中不可缺少的一部分。滾珠絲杠的作用是把回轉(zhuǎn)運動變換成為直線運動。滾珠在絲槽中的滾動從而帶動螺母副的運動，所以產(chǎn)生摩擦力較小。它是一種比較優(yōu)良的的傳動方式。按滾珠的循環(huán)來分，滾珠絲杠可以分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠絲杠副優(yōu)點：不易因磨損而造成損壞，使用壽命比較長，運動準(zhǔn)確性保持比較好。傳動時摩擦比較小，傳動的效率也比較高，小的轉(zhuǎn)矩即可工作。如果提高軸向剛度和反向運動的精度可通過預(yù)緊或減小間隙措施來提高。傳動的靈敏度較高，傳動平穩(wěn)，在運行的過程中精度和定位精比較高。傳動時摩擦比較小，傳動的效率也比較高，小的轉(zhuǎn)矩即可工作運動是可逆的。滾珠絲杠副的主要尺寸圖3.1滾珠絲杠副的標(biāo)注絲杠大徑d1，絲杠小徑d2，螺母小徑D3，螺母大徑D2。公稱直徑：滾珠中心到絲杠中心線的垂直距離。導(dǎo)程Ph:如果螺母不動，每次絲杠旋轉(zhuǎn)一周時，螺母的在橫向方位的位移。行程λ：當(dāng)絲杠需要旋轉(zhuǎn)一定的角度時，螺母就會相對于是絲杠的軸向移動的距離。滾珠直徑Dw：鑲嵌的滾珠螺母與絲杠之間，滾珠直徑與承載能力成正比。滾珠絲桿副精度等級以及標(biāo)注的方法（1）精度等級有機械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-91可知，滾珠絲杠副精度可以分級為1、2、3、4、5、6、7、和10級8個等級，表示的精度最高的為1級，其余的隨著數(shù)字降低。通常根據(jù)所需要的定位精度對滾珠絲杠的精度要求為1到5級。（2）標(biāo)注方法：現(xiàn)舉例說明,WD2005—2.5×1/C右—800×1200表示調(diào)隙式的雙螺母滾珠絲杠螺母副，滾珠絲杠的具體參數(shù)為公稱直徑為20mm，絲杠導(dǎo)程為5mm，單個螺母的工作滾珠為2.5圈，單列排放，精度為C級，絲杠旋向為右旋，絲杠有螺紋部分總長度為800mm，絲杠的總長度為1200mm。滾珠絲桿副的選擇滾珠絲杠螺母副的選擇首要確定的是所要選用的結(jié)構(gòu)類型，然后就是確定滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式和螺母副預(yù)緊方式的選用?；瑒勇菪钡淖饔镁褪侵螜z測臺的重量，絲杠選用的強度能達(dá)到支撐平臺的重量即可，同時還要考慮絲杠材料的耐磨度?？紤]以上因素我們選用的絲杠的材料時45鋼。下面是對絲杠精度要求的計算：絲杠中經(jīng)d的計算，單位mm；通過對專業(yè)課本查找，梯形螺紋和矩形螺紋的設(shè)計公式：其中：F是軸向載荷，單位N，假設(shè)F=1000N;P是材料的需用應(yīng)力，單位Mpa，轉(zhuǎn)速為低速，則查《機械設(shè)計》P=10Mpa；整體式螺母，取φ=2；帶入計算故可得但是如果絲杠直徑過小，承受能力低于整個平臺的重量，絲杠可能會發(fā)生彎曲變形，直接影響絲杠傳動的精度，所以絲杠的直徑要比計算所得的大一些。根據(jù)計算數(shù)據(jù)和實際因素，本方案中選用絲杠的公稱直徑為d=25mm；查表可知：基本導(dǎo)程Ph=5mm，齒高為1.5mm。所選絲杠的公稱直徑大于計算所得的值，這樣絲杠一定滿足實際的使用要求。根據(jù)設(shè)計方案的需求選擇W1D2505型滾珠絲杠副，3.5圈1列內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠副，額定動載荷為1230N可以滿足要求，選定絲杠的精度等級為3級。絲杠的公稱直徑為25mm，絲杠大徑是24.5mm,。絲杠長度。對傳動效率的計算，過程如下[5]：（1）滾珠絲桿螺母副的優(yōu)點（1）傳動效率高，在滾珠絲杠副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲杠與螺母之間傳遞。這一傳動方式取代了傳統(tǒng)螺紋絲杠副的絲杠與螺母間直接作用方式，因而以極小滾動摩擦代替了傳統(tǒng)絲杠的滑動摩擦。使?jié)L珠絲杠副傳動效率達(dá)到90%以上，整個傳動副的驅(qū)動力矩減少至滑動絲杠的1/3左右，發(fā)熱率也因此得以大幅降低。（2）定位精度高，滾珠絲杠副發(fā)熱率低，溫升小以及在加工過程中對絲杠采取預(yù)拉伸并預(yù)緊消除軸向間隙等措施，使?jié)L珠絲杠副具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。（3）傳動可逆性，滾珠絲杠副沒有滑動絲杠粘滯摩擦，消除了在傳動過程中可能出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，滾珠絲杠副能夠?qū)崿F(xiàn)兩種傳動方式：將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動并傳遞動力。（4）使用壽命長，由于對絲杠滾道形狀的準(zhǔn)確性、表面硬度、材料的選擇等方面加以嚴(yán)格控制，滾珠絲杠副的實際壽命變長。（5）同步性能好，由于滾珠絲杠副運轉(zhuǎn)順滑，消除軸向間隙以及制造的一致性，采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動同一裝置或相同的部件時，可獲得很好的同步工作。3.2步進(jìn)電機的選擇步進(jìn)電機接收到電脈沖信號然后輸出機械角位移。每當(dāng)電動機接收一個電信號脈沖，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個對應(yīng)的角度，這個角度叫做步距角。因為轉(zhuǎn)子在時間上與輸入脈沖時間同步，并且轉(zhuǎn)子的角位移的大小與輸入的控制電脈沖的數(shù)量成正比，轉(zhuǎn)速分與其頻率大小成正比關(guān)系，所以如果想要實現(xiàn)對步進(jìn)電動機的有效控制，需要堆輸入脈沖的頻率大小、數(shù)量就能實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)角控制。如果控制電機上繞組通電的順序即可實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)向的控制，所以利用微型計算機比較容易對步進(jìn)電機進(jìn)行有效的控制。步進(jìn)電機工作原理我們先來探究一下步進(jìn)電動機的工作原理。如圖3.1，示意了兩相步進(jìn)電機的工作過程，步進(jìn)電動機一共擁有2個繞組。若果其中一個繞組通電后，在步進(jìn)電動機的定子就會產(chǎn)生一定大小的磁場，然后轉(zhuǎn)子受到磁場的作用將會被吸合到此磁極處。對步進(jìn)電機的輸出力矩大小造成直接影響的因素與電動機空間大小、線圈的總匝數(shù)、線圈磁通量大小、線圈中的電流，且成正比關(guān)系，所以說若果電動機的有效體積空間愈大，線圈的匝數(shù)愈多，頂子間的氣隙愈小，那么電動機的力矩也就越大，反之也會成立。如果步進(jìn)電機的步距角愈小，那就意味著能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機的控制達(dá)到的精度越高。圖3.1步進(jìn)電動機步進(jìn)電機的驅(qū)動控制步進(jìn)電動機的運動特性：使用的驅(qū)動電源與步進(jìn)電動機的運行特性與密不可分的關(guān)系。環(huán)形分配器以及功率放大器構(gòu)成了步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源。如圖3.2所示。驅(qū)動電源的作用是將單片機或其他變頻信號源送來的特定脈沖信號和方向信號按照所要求的方式自動地不斷發(fā)送給電動機的各相繞組，從而帶動電動機轉(zhuǎn)子正向反向的旋轉(zhuǎn)。因為單片機發(fā)送的或從環(huán)形分配器傳送的電流信號一般不大，電流只有幾毫安，必須用功率放大器將要輸入的脈沖電流放大，使其增加到能帶動電動機的電流，從而驅(qū)動步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)，所以只要控制輸入電脈沖和頻率就可以較為精確控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的角度和運轉(zhuǎn)的速度。圖3.2步進(jìn)電機控制示意圖步進(jìn)電機的選擇通過查閱機械設(shè)計手冊，結(jié)合其工作特點，電動機進(jìn)行選型。（1）連接絲杠的電機最終選擇國產(chǎn)BF系列類型的反應(yīng)式步進(jìn)電動機，型號為130BF001，其具體的參數(shù)如下表:其外形尺寸：長170mm，直徑130mm，電動機軸直徑d=14mm。螺母副載物臺上的電動機選擇國產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電動機，型號為75BF003。其外形尺寸：長79mm，直徑d=8mm3.3傳感器的選擇傳感器是一種檢測裝置，能感受到被檢測的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式的信號輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器作為在測試系統(tǒng)中尤為重要的一分子，它力、位移、速度、溫度等把被檢測的物理量轉(zhuǎn)換成比較容易輸出和容易處理的電信號，然后測試系統(tǒng)的其他部分就會接收到信號，并作出相應(yīng)的動作。傳感器作為測試系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)在測試系統(tǒng)中處于輸入端，所以它會對整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響[15]。作為測試系統(tǒng)結(jié)果的第一手信息，對檢測結(jié)果造成直接影響。在利用信息的過程中，傳感器作為獲取信息的途徑構(gòu)成了重要的組成部分。無論在日常的工業(yè)生產(chǎn)中還是科研中，傳感器的地位是非常重要的，我們對傳感器的類型、原理進(jìn)行深入的研究，從而研制探索出比較新型的新式的傳感器，對以后的工業(yè)自動化，科技創(chuàng)新和發(fā)展有著極大的貢獻(xiàn)。傳感器的選用原則傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的出入量與輸出量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。靜態(tài)特性的傳感器參數(shù)有：重復(fù)性、漂移、線性度、靈敏度、遲滯等。靈敏度一般的來說，傳感器的靈敏度越高測量的結(jié)果越可靠，因為靈敏度高，傳感器可以接收的變換量就越小，所得到測試數(shù)據(jù)就愈加的準(zhǔn)確。但是如果靈敏度過高也會造成其他方面的問題[13]。因為當(dāng)靈敏度高時，在檢測過程中，一些與檢測無關(guān)的外界干擾信號也會被傳感器接收，然后干擾信號再被放大裝置放大，就會對檢測結(jié)果造成一些干擾，影響檢測數(shù)據(jù)。綜合來講，因為傳感器本身帶來的干擾就小，信噪比大，所以想要獲得比較好的測量結(jié)果就必須減少外界的干擾。響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指向傳感器發(fā)送信號，傳感器做出反應(yīng)的快慢。實際上在傳感器工作的情況下傳感器響應(yīng)總會有一定延遲，一般來講我們要求延遲的時間越小，對測試結(jié)果影響越小。線性范圍傳感器有在進(jìn)行工作時會有一個工作范圍，這個工作范圍間接地確定的傳感器量程。傳感器至于在這個范圍內(nèi)工作才會正常。只有在線性范圍內(nèi)傳感器的輸入和輸出才會成正比的關(guān)系。在傳感器在量程內(nèi)測量是傳感器進(jìn)行正常工作的最基本要求。但是也存在有的傳感器也可以在它的近似線性區(qū)域內(nèi)工作?？煽啃钥煽啃允侵競鞲衅髟诮?jīng)過長時間工作之后，它輸出特性不發(fā)生變化的能力。對傳感器可靠性影響的因素有時間、環(huán)境等?？煽啃允莻鞲衅骱鸵磺袦y試裝置的壽命。我們必須選用設(shè)計、制造良好的傳感器，并且在適當(dāng)?shù)氖褂脳l件使用適合的傳感器，才能保證傳感器工作的可靠性，使其可靠性穩(wěn)定在一個較好的范圍之內(nèi)[14]。務(wù)必嚴(yán)格注意傳感器工作使用的條件、環(huán)境和溫度等。盡量減輕工作環(huán)境對傳感器造成的不良影響。精確度傳感器的精確度指的是傳感器的輸出與被檢測的真實值重合程度。傳感器在測試系統(tǒng)第一位，所以傳感器的對整個測試系統(tǒng)的結(jié)果以及準(zhǔn)確度產(chǎn)生直接的影響。一般來說，我們對傳感器的精確度的要求越高越好，同時也對測試數(shù)據(jù)越有利，但是其實也不是傳感器的精確度愈高愈好，因為如果傳感器價格與精確度有直接的關(guān)系。從經(jīng)濟方面考慮，應(yīng)該從實際需求來選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。測量方法傳感器的測量方法也就是傳感器的工作方式。使用傳感器時應(yīng)該加以考慮的一大元素。常見的測量方式有：接觸與非接觸測量、在線、非在線檢測等。傳感器的選用根據(jù)本方案運用激光傳感器測量，這樣測試的過程就會變得更加簡單、方便、快捷以及精確。激光傳感器整個測試系統(tǒng)包括激光器、激光檢測器、測試電路[15][16]。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各個方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此他能檢測機器微弱的光信號，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。常見的激光測距傳感器，它通過記錄并處理光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快。因為激光方向性非常好，同時顏色單一容易分辨，亮度比較高等比較優(yōu)良特點。激光位移傳感器能夠有效的利用這些特點可實現(xiàn)無接觸位移檢測。激光位移傳感器充分驗證了激光的這些優(yōu)良特點，所以他能完成高精度的非接觸位移測量，可靠性同時也比較大[17][18]。由于激光位移傳感器具有較高的測量精度，并且測量方式為非接觸測量，測量比較方便，而且易于操作，這使得激光位移傳感器得到廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，人們對于測試的要求也不斷提高，激光傳感器被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。在各大檢測機械，各個工廠企業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測物的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。按照測量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法，激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測量。激光位移傳感器是目前精度準(zhǔn)度最高的位移傳感器。圖3.1激光三角法測量示意圖圖3.2激光回波法測量示意圖本設(shè)計選用FT50RLA220型激光位移傳感器（如圖3.3）。這個類型的傳感器的優(yōu)點為：(1)外形尺寸比較小，在比較小的空間安裝使用方便(2)操作模式方便設(shè)置，有25種不同類型的操作模式可供選擇(3)可對模擬量的檢測口可以隨便的改變重置以及調(diào)整(4)擁有7um到0.1%分辨率(5)最高0.5ms的快速響應(yīng)時間，比較靈敏(6)擁有2個開關(guān)量輸出，可按鍵進(jìn)行開關(guān)設(shè)置(7)模擬量的傳送大小為0~10V或4~20mA(8)檢測距離220圖3.3FT50-RLA-220類型激光位移傳感器檢測距離線性度分辨率開關(guān)頻率220mm<0.02%<0.1%1000Hz響應(yīng)時間最大輸出容量外形尺寸模擬量輸出0.4ms/4ms/40ms100mA50x50x17mm4—20mA圖3.4傳感器參數(shù)表4石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的電路設(shè)計MCS-51系列單片機是美國Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上改進(jìn)后的產(chǎn)品，它的主要改進(jìn)是集成度高，其系統(tǒng)集片內(nèi)存儲器、片內(nèi)輸入、輸出部件于一體。MCS-51系列單片機包括8031、8051、8751三種單片機，8751單片機具有EPROM，適合開發(fā)樣機，但價格昂貴；8051單片機的EPROM程序是Intel公司制作芯片時為用戶制備的，所以用戶很難使用；而8031單片機內(nèi)沒有ROM，需擴展ROM，而且現(xiàn)在相對來說已經(jīng)過于落后[19][20]?；诒菊n題的設(shè)計要求，所以這里選用MCS-51系列單片機中的80C52單片機。本系統(tǒng)的電路設(shè)計方面主要需用80C52單片機一塊，74LS373一塊，6264三塊，74LS138一塊，8155兩塊。下面主要對重要芯片的引腳及功能進(jìn)行介紹。4.180C52單片機80C52是Intel公司MCS-51系列單片機中基本的產(chǎn)品。它采用Intel公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機。80C52芯片有40根引腳，其引腳如圖4-1所示：圖4-180C521、電源線：2根Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接5V。Vss：低電平。2、晶振：2根XTAL1：振蕩器的反向放大器輸入，使用外部振蕩器時必須接地。XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入，當(dāng)使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。3、I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線。P0口：8位漏極開路雙向并行I/O端口。當(dāng)訪問外部存儲器時，它是地址總線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用；單片應(yīng)用時作雙向I/O口。P2口：8位準(zhǔn)雙向并行I/O口。當(dāng)訪問外部存儲器時作8位地址總線用，不作外部擴展時，作準(zhǔn)雙向并行I/O口用。程序校驗時作8位地址總線用。P3口：具有內(nèi)部上拉電路的8位準(zhǔn)雙向并行I/O口。4、控制線RST/VPD：當(dāng)振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。PSEN:訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。此時的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。EA/VPP：EA為訪問外部或內(nèi)部程序存儲器選擇信號。當(dāng)EA保持高電平時，為訪問內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)程序指針PC值超過片內(nèi)程序存儲器地址時，將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器繼續(xù)運行；當(dāng)EA保持低電平，則只能訪問外部程序存儲器。4.2A\D轉(zhuǎn)換器設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將不太容易直接檢測的模擬量轉(zhuǎn)換成較為方便操作的數(shù)字量，通常也稱為ADC。一般來說傳感器的輸出信號大部分都是模擬信號如：電壓、電流等。但是計算機只能識別數(shù)字信號，所以傳感器信號一般都得進(jìn)過A\D轉(zhuǎn)換器之后再與計算機相連接。所以A\D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集過程中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在此選擇ADC1143型A/D轉(zhuǎn)換器，ADC1143的工作方式是16位的逐次逼近。它主要部件有寄存器、高質(zhì)量耦合電容、低功耗比較器、內(nèi)部時鐘、以及模擬輸入電阻網(wǎng)絡(luò)和組成的[21]。以下是AD轉(zhuǎn)換器特征：（1）分辨率。用于表現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換器對輸入微小量的敏感程度。（2）轉(zhuǎn)換速率。是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。（3）量化誤差。由于AD的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無線分辨率AD的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。（4）偏移誤差。輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。（5）滿刻度誤差。滿刻度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。4.3外部存儲器設(shè)計基于本課題的使用要求，本課題選用80C52單片機，1片ADC1143，由于用到外部存儲器，故必須是有地址鎖存器和譯碼器，在此選擇74LS373地址鎖存器和74LS138譯碼器。如圖4.2所示:圖4.274LS373引腳圖當(dāng)74LS373用作地址鎖存器時，輸出OE端接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。把OE為低電平狀態(tài)，此時鎖存器端C為高電平狀態(tài)，輸出端Q0-Q7的狀態(tài)與D0-D7端口狀態(tài)相同，當(dāng)C端朝負(fù)方向發(fā)生跳變時，輸入端D0-D7數(shù)據(jù)就會存入Q0-Q7端口。把單片機的ALE端口直接與74LS373的C端連接，輸入端D0-D7與短篇集的P0口相接，輸出端是第8位的地址。圖4.374LS138引腳圖74LS138是3/8類型的譯碼器，即如果輸入3個信號，可以最多得到8個輸出的狀態(tài)。G1、G2A、G2B，是數(shù)據(jù)允許輸出端，G2A,G2B低電平有效。G1高電平有效。A,B,C端口為譯碼信號輸入端，Y0-Y7端口低電平有效且為譯碼輸出端。5結(jié)論本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)石油管道過渡帶內(nèi)表面的自動測量，從而對管道的加工缺陷及時發(fā)現(xiàn)并及時處理。測試系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器的調(diào)整和固定系統(tǒng)等幾個部分，系統(tǒng)利用各個系統(tǒng)的互相合作，完成對石油管道過渡帶內(nèi)表面狀況的測量，對所檢測的結(jié)果進(jìn)行合理分析即可實現(xiàn)石油管道內(nèi)表面缺陷檢測。由于本課題雖然只能對某一種國定直徑的管道過渡帶內(nèi)表面進(jìn)行檢測。如果需要檢測其他直徑的管道需要更換夾具，對于超過傳感器量程的過大直徑的管道還需要更換適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，并把傳感器調(diào)節(jié)到合適的位置就可以。這樣整個系統(tǒng)的工作將會變得更有意義。如果對本系統(tǒng)管道中心進(jìn)行有效的定位，設(shè)計出對不同直徑管道中心有效定位的方案，就可以有效的完善系統(tǒng)，使系統(tǒng)檢測的結(jié)果更加的精準(zhǔn)。雖然這個問題在本方案中沒有得到準(zhǔn)確的解決，但是它對本實驗結(jié)果影響不是很大。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，或者以后同學(xué)的努力，我認(rèn)為如果解決這個問題將變得非常容易。這個檢測系統(tǒng)只是一種管道內(nèi)表面缺陷的檢測提供了方法，而且運用此思路可以擴展到不同直徑或不同類型的管道檢測。如果把夾具以及傳感器的安裝加工定位精度進(jìn)行提高，就能有效的等方面還需進(jìn)行有效地改進(jìn)和提高提高整個系統(tǒng)的測試準(zhǔn)確度，電路設(shè)計部分的一些模小塊需進(jìn)一步完善。鑒于本人所學(xué)習(xí)掌握的專業(yè)知識范圍有限，我所設(shè)計的系統(tǒng)仍然存在許多不足之處。其中測量精度還不是很高，機械結(jié)構(gòu)過于簡單，結(jié)構(gòu)笨重，運行的效率也不是很高，衷心希望老師們能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行指正，我會繼續(xù)努力，爭取把設(shè)計做的更完美。參考文獻(xiàn)[1]沈建中,黎連修.超聲無損檢測的進(jìn)展[J].無損檢測01991(2):312[2]劉松平,陳積懋.模態(tài)聲發(fā)射檢測技術(shù)[J].無損檢測02000(1):31241.[3]吳蔭順,方智等.腐蝕試驗方法與防腐蝕檢測技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社0199Y.[4]劉興來.一種用于管道外照法的.射線探傷儀[J].無