燃氣管道內(nèi)部缺陷智能檢測器的設計.doc

哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文摘要本課題來源于實際科研項目燃氣管道內(nèi)部缺陷智能檢測器的設計，并為其子項目之一。管道內(nèi)部缺陷檢測機器人的設計涉及電子、計算機、信息處理、模式識別、探傷、管道等。目前，管道無損檢測的方法很多，利用漏磁管道檢測的方法通用性廣，本課題因此應運而生。本課題利用實驗室環(huán)境建立管道模型，進行運載體管道定位技術(shù)研究，完成運行體及檢測電路設計。第一章緒論介紹課題的背景意義，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章說明管道檢測的基本原理及對缺陷漏磁場分析出的三種理論模型，并列舉漏磁場的三個影響因素。第三章說明了霍爾傳感器功能及應用，并進行硬件電路的的設計。第四章簡要說明了運載體管內(nèi)定位方法，并進行運載體的外形設計。通過本課題的研究，自己對管道漏磁檢測有了更為深入的理解，對管道定位技術(shù)有了新的認識，自己解決問題的能力也得到了提高。關(guān)鍵詞：管道機器人；漏磁檢測；霍爾傳感器；定位技術(shù)；運載體設計哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文ABSTRACTThepaperstemsfromoneofsub-projectsoftheactualscientificresearchproject-gaspipelineofinternaldefectsinthedesignofintelligentdetector.Thedesignofpipelineinternaldefectinspectionrobotisinvolvedinelectronics,computer,informationprocessing,patternrecognition,flawdetection,pipeandother.Atpresent,therearealotofpipelinenon-destructivetestingmethods.Magneticfluxleakagepipelineinspectionisusedwidely,thesubjectthuscomesintobeing.Thepipemodelwasestablishedbasedonlaboratoryenvironment,throughtheresearchofpipelinecarrierpositioningtechnology,thepapercompleteddetectioncircuitoperationanddesignofbody.InthispaperChapterIintroducesthebackgroundandsignificationoftheinspection,andthedevelopmentoftheprojectathomeandabroad.ChapterIIintroducestothebasicprinciplesofpipelineinspectionandthreetheoreticalmodelsofdetectionanalysisofleakagemagneticfield,andliststhethreemagneticfieldleakagefactor.ThethirdchapterdescribesthefunctionandapplicationofHallsensorandthedesignofhardwarecircuits.ChapterIVprovidesabriefdescriptionaboutthetransportertubepositioningmethods,anddesignmethodofthecarrierisgiven.Throughthestudyofthesubject,basicunderstandingtopipelinemagneticfluxleakagetestingtechniquecanbegiventome,andabilitytosolveactualproblemalsohasbeenimproved.Keywords:pipelinerobot；magneticfluxleakagetesting；hallsensor；positioningtechnology；carrierdesign哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文目錄第1章緒論11.1課題的背景及意義11.2管道機器人的發(fā)展概況31.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀41.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀61.3課題的主要工作7第2章漏磁檢測的理論分析82.1管道漏磁檢測原理82.1.1管道漏磁檢測基本原理82.1.2管道檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)102.2缺陷漏磁場分析122.2.1點偶極子模型132.2.2帶偶極子模型142.2.3面偶極子模型172.3缺陷漏磁場的有限元分析172.4漏磁場的影響因素192.4.1磁化場對漏磁場的影響192.4.2缺陷方向、大小和位置對漏磁場的影響192.4.3工件材質(zhì)及工況對漏磁場的影響202.5本章小結(jié)20第3章基于霍爾傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊設計213.1霍爾傳感器及其應用213.1.1霍爾效應和霍爾元件213.1.2霍爾傳感器典型應用電路253.2基于霍爾傳感器的漏磁檢測電路設計283.2.1霍爾傳感器的選擇28哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3.2.2硬件電路具體設計與調(diào)試313.3本章小結(jié)32第4章運載體定位方法研究及外形設計334.1運載體定位方法研究334.1.1視覺傳感器方法334.1.2低頻電磁波方法及應用344.1.3計程輪方法354.2計程輪的應用設計354.2.1里程電路組成的部件霍爾開關(guān)364.2.2里程電路的計數(shù)器原理374.2.3位置誤差校正方法374.3運載體外形設計384.3.1鋼管選擇384.3.2磁鐵選擇394.3.3導磁體選擇404.3.4運載體結(jié)構(gòu)整體計算414.4本章小結(jié)43結(jié)論44參考文獻45致謝48哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文1第1章緒論1.1課題的背景及意義機器人是一種自動化的機器，具備一些與人或生物相似的能力，如感知、規(guī)劃、運動及動作能力的協(xié)作等，機器人技術(shù)被視為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一。自20世紀60年代工業(yè)機器人問世以來，隨著社會的進步和科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是在信息技術(shù)、控制理論等學科迅速發(fā)展的支持下，機器人的種類日益繁多，性能不斷地改進，工作領(lǐng)域也在不斷地擴大。從深海到宇宙空間，在各種人類所不能承受的極限環(huán)境中都能找到機器人的應用?？梢哉f，現(xiàn)代機器人技術(shù)已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的工業(yè)機器人的范疇，逐步轉(zhuǎn)向應用于各種特殊工況的特種機器人技術(shù)。特種機器人工作于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，即工作無法在事先布置好的條件下進行，而且在工作進行過程中環(huán)境或工作的內(nèi)容可能隨時發(fā)生變化。開發(fā)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的特種機器人，使人脫離危險作業(yè)的生產(chǎn)第一線，減輕人的勞動強度，是機器人發(fā)展的一個必然方向。目前國際上特種機器人技術(shù)的研究和開發(fā)非?；钴S。在研究和開發(fā)的過程中，人們逐步認識到特種機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對特種機器人智能化本質(zhì)認識的加深，特種機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。特種機器人的新機構(gòu)、新結(jié)構(gòu)、新傳感器和新型伺服驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)和先進的控制算法、控制策略的研究已經(jīng)成為機器人研究的一個重要領(lǐng)域。管道運輸乃當今五大運輸手段之一，在石油化工城市輸水與供熱核工業(yè)等部門都用到了大量金屬和非金屬管道。由于許多管道的工作環(huán)境非常惡劣容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在缺陷發(fā)展成破損而引起泄漏事故等。為提高管道運輸?shù)目煽啃院褪褂脡勖?，在重要的管道施工中都要求對管道進行管內(nèi)防腐、噴漆、補口、檢測、探傷、管內(nèi)加工等作業(yè)。管道內(nèi)部檢測極其困難，用傳統(tǒng)的開挖方法進行地下管道檢測往往是一項巨大的工程。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文2而使用管道機器人檢測管道可以消除由于管道泄漏而產(chǎn)生的不安全隱患，保障人民生活及財產(chǎn)安全并大量減少在役煤氣管道的提前報廢，延長在役管道的壽命，為國家節(jié)約了大量資金以及大幅度減少維護管道開挖面積及長度，大大降低了管道維護成本，減少城市污染保護城市環(huán)境衛(wèi)生，減少了由于開挖而產(chǎn)生的城市道路交通的阻塞，為此世界各工業(yè)發(fā)達國家都競相開展了管道檢測機器人的研究。我國油氣管道大多是在6070年代建設的迄今僅在役的長輸管線已逾1.7萬公里正面臨管道進入中老齡期處于事故多發(fā)階段油氣管道的檢測和評價的需求已日趨迫切，我國的天然氣儲量主要分布于中西部地區(qū)和近海海域，因此管道輸送仍將是我國燃氣傳送的主要手段。管道檢測機器人是針對油、氣等輸送管道的檢測、噴涂、接口焊接、異物清理等維護檢修作業(yè)所研制的一種特種機器人，它綜合了智能移動載體技術(shù)和管道缺陷無損檢測技術(shù)。這類機器人能進入人所不及、復雜多變的非結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中，通過攜帶的無損檢測裝置和作業(yè)裝置，對工作中的油氣管道進行在役檢測、清理、維護，以保障管道的安全和暢通無阻地工作。由于管道檢測機器人實施的是管道內(nèi)檢測技術(shù)，它還能夠方便地獲取、傳輸、存儲管道內(nèi)的視頻影像數(shù)據(jù)，作為分析判斷管道內(nèi)壁腐蝕狀況、幾何形狀異常、堵塞、斷裂、泄漏的重要依據(jù)，并可利用機器人自身精確的定位系統(tǒng)對缺陷進行定位，通過攜帶的檢測裝置對關(guān)鍵部位實施進一步的定量檢測。這一技術(shù)特點，使得在對穿越河流、鐵路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位進行有選擇的檢測時，管道檢測機器人具有獨特的優(yōu)勢因此，與管外檢測技術(shù)相比，管道檢測機器人技術(shù)在管道安全管理工程中具有不可替代的作用，是管外檢測技術(shù)的重要補充1。綜上所述，管道檢測機器人的研究為管道的檢測、維護提供了新的技術(shù)手段，改變了傳統(tǒng)管道開挖抽檢的單一模式。這種檢測技術(shù)提高了管道檢側(cè)的準確性，便于管道工程管理維護人員分析了解管道缺陷產(chǎn)生的原因，開展對缺陷的評估，制訂管道維護方案，消除管道安全隱患，在事故發(fā)生前就有計劃地維修或更換管段，從而節(jié)約大量的維修費用，降低管道維護成本，保哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3障人民生活及財產(chǎn)安全，減少有毒氣體或液體泄漏造成的環(huán)境污染。因此，開展管道檢測機器人的研究具有重要的科學意義和明顯的社會經(jīng)濟效益。目前，管道檢測機器人的研究得到了世界各國的高度重視，也得到了我們國家部委和相關(guān)行業(yè)的重視。大量的管道檢測維護需求為管道檢測機器人的研究開發(fā)和應用提供了廣闊的市場空間，將逐漸成為一項十分巨大的產(chǎn)業(yè)工程。因此，管道機器人的研究具有現(xiàn)實意義。在我國國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃先進制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域機器人技術(shù)主題中，就將管道作業(yè)機器人及應用作為發(fā)展重點。1.2管道機器人的發(fā)展概況20世紀70年代以來，石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，各種管道作為一種重要的物料輸送設施，得到了廣泛應用。由于腐蝕、重壓等作用，管道不可避免地會出現(xiàn)裂紋、漏孔等現(xiàn)象。而管道所處的環(huán)境往往是人們不易或不能直接接觸的，因此，對于管道的檢測和維護，成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。傳統(tǒng)的管道檢測方法有全面挖掘法、隨機抽樣法等，這些方法均存在工程量大、準確率低等缺點。目前，管道的檢測和維護多采用管道機器人來進行。管道機器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機械，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作