CN109839433A - 基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置及方法，属于管道无损检测技术领域，装置包括：永磁体、光纤磁敏感探头阵列、信号连接光缆、光纤耦合模块、传感光源模块、光电转换模块、三维空间定位模块和信号处理模块。方法包括：以集磁面扫描待测金属管道，测量返回光光功率的大小，若返回光光功率的大小发生变化，则待测金属管道存在缺陷，否则，待测金属管道不存在缺陷。本发明具有安全性高、应用范围宽、灵敏度高、空间分辨率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及管道无损检测技术领域，尤其涉及基于集磁面扫描的油气输送金属管道缺陷检测及缺陷定位装置及方法。
背景技术
管道是运输石油、天然气和成品油最经济、最安全有效的方式之一，广泛应用于原油、成品油和天然气的运输。管道运输已经成为我国国民经济的命脉，且每年都以很高的速度在增长，但是随着管道的增多，管龄的增长，管道因腐蚀破坏而造成的穿孔泄漏事故频发，不仅带来了巨大的经济损失，还会严重地污染环境并破坏生态，甚至发生火灾***，威胁人民的生命安全。因此，需要采用管道缺陷检测相关技术来定期对管道进行缺陷检测，最终达到对油气管道的保修和维护目的。
根据缺陷性质和产生的部位，采用超声、磁粉、涡流、漏磁等无损检测方法对管道缺陷进行检测，其中漏磁检测是比较好的检测方法，可检测管体的裂纹、孔洞、磨损等缺陷。漏磁检测是以自动化为目的而发展起来的一种自动无损检测技术，与磁粉检测类似，漏磁检测常用的传感器有感应线圈、磁敏二极管(SMD)、磁带、磁通门、磁探头、霍尔元件等，在实际使用中这些传感器还存在如下问题：
1.这些传感器的灵敏度较低，为实现对微弱的漏磁信号探测，往往需要紧贴套管壁，传感器因运动磨损严重，传感器使用寿命非常短。
2.纵向空间分辨由探测模块体积、运动速度和数据采样速度决定，在阵列探测下，很难实现高采样率，即很难获得纵向高空间分辨缺陷检测。
3.感应线圈的原理是电磁感应原理，即闭合电路的导体在磁场切割磁力线运动时会产生电流，从而将磁信号转化为电信号，会产生电打火现象，安全程度低；
4.磁敏二极管因其温度系数和输出的非线性在一定程度上降低了测量精度；
5.磁带检测法装置复杂性程度高；
6.磁通门传感器只能检测缓变磁场和静态磁场，应用范围窄；
7.磁探头测量范围窄、磁导率非线性使其不能得到广泛应用；
8.霍尔元件器件比较脆、易损，灵敏度不够高。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了基于磁致旋光效应的油气输送金属管道缺陷检测方法及装置，以解决现有装置传感器使用寿命短、空间分辨率不高，安全性不够高、应用范围窄等问题。
本发明提供的技术方案是：基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，装置包括：
永磁体、光纤磁敏感探头阵列、信号连接光缆、传感光源模块和光电转换模块；传感光源模块输出的光源经信号连接光缆传输到光纤磁敏感探头阵列，光纤磁敏感探头阵列输出返回光经信号连接光缆传输到光电转换模块；
所述永磁体包括至少一个第一永磁体和第二永磁体，两个永磁体以同极性相对放置，通过磁铁强度和距离的调整形成集磁面；所述光纤敏感探头阵列设于两个永磁体之间，位于集磁面上。
所述光纤磁敏感探头阵列包括至少两个光纤磁敏感探头，呈一定的周向空间排列；光纤磁敏感探头包括光纤准直器、起偏器、磁光晶体、检偏器、反射镜，所述光纤准直器一端连接信号连接光缆，另一端经起偏器与磁光晶体一端粘接，磁光晶体另一端通过检偏器与反射镜粘接构成光传输回路。
具体地，装置还包括同轴封装固定梁，所述第一永磁体和第二永磁体贯穿于所述同轴封装固定梁。
具体地，装置还包括光纤耦合模块，光纤耦合模块包括至少一个光纤耦合器。
具体地，装置还包括三维空间定位模块，三维空间定位模块包括陀螺仪、加速度传感器。
具体地，装置还包括信号处理模块，信号处理模块包括信号放大电路、多通道A/D数据模块、嵌入式计算机、存储模块。
具体地，光电转换模块包括至少一个高灵敏度光电探测器，能够对微弱磁场变化进行探测。
具体地，传感光源模块输出端与光纤耦合模块的端口a连接，光纤耦合模块的端口b经信号连接光缆、三维空间定位模块与光纤磁敏感探头阵列连接，光纤耦合模块的端口c与光电转换模块一端连接，光电转换模块另一端与信号处理模块连接。
进一步地，一种基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测方法，方法包括光数据收集步骤、缺陷检测步骤；所述光数据收集步骤包括以下步骤：
S01：永磁体包括的至少一个第一永磁体和第二永磁体以同极性相对放置形成集磁面，以集磁面扫描待测金属管道；
S02：位于第一永磁体和第二永磁体之间的光纤磁敏感探头阵列接收输入光，输入光经光纤准直器、起偏器、磁光晶体、检偏器和反射镜后输出返回光；
所述缺陷检测步骤包括以下步骤：
S03：测量返回光光功率的大小，若返回光光功率的大小发生变化，则待测金属管道存在缺陷，否则，待测金属管道不存在缺陷。
具体地，测量返回光光功率的大小的具体步骤包括：返回光通过信号连接光缆传输到光电转换模块，光电转换模块测量返回的光光功率的大小。
具体地，光纤磁敏感探头阵列包括至少两个光纤磁敏感探头，所述方法还包括缺陷定位步骤，所述缺陷定位步骤具体包括以下子步骤：
S11：同轴封装一体的永磁铁、光纤磁敏感头阵列和三维空间定位模块在油气输运管道中移动，实现油气输运管道的全方位扫描；
S12：随着沿油气输运管道长度方向的扫描，光纤磁敏感头阵列的每一个光纤磁敏感头均输出一条特性曲线，若曲线出现强烈的信号峰，则待测金属管道存在缺陷，若曲线是平缓则表示管道无缺陷，待测金属管道不存在缺陷。
S13：整个光纤磁敏感头阵列的输出形成二维图像；
S14：信号处理模块经同轴封装一体的永磁铁、光纤磁敏感头阵列和三维空间定位模块的扫描速度、强度信息获得光纤磁敏感头阵列输出的二维图像中的某条特性曲线所体现的缺陷对应的三维空间方位及深度信息。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)通过将两块永磁铁以同极性相对放置，将发出的磁力线压缩形成薄的集磁平面，利用集磁平面扫描油气输运管道，其纵向空间分辨率仅决定于集磁面的厚度，相比现有技术能有效地提高纵向空间分辨率。
(2)采用集磁面扫描，并结合光纤微弱磁场传感器的高灵敏度探测，其磁场敏感元件不需要紧贴管壁，整个测量装置的体积可以做小，一方面增加整个测量装置在油气管道中通过率，可适应多种管径的油气输运管道测试而不需要更换光纤磁敏感阵列，另一方面则可大大增加本装置的使用寿命，降低使用维护成本。
(3)通过磁光晶体将磁场强度信息转化方式转化为安全可靠的光波信号，并将波光信号用光纤进行传输，具有抗电磁干扰能力强，本质安全(不会产生电火花等)可靠以及耐高温等特点。
(4)光纤磁敏感阵列具有体积小、灵敏度高、抗氧化、抗酸碱腐蚀能力强、寿命长的特点，可实现阵列分布式、实时在线、永久性监测。
(5)通过同轴封装一体的永磁铁、光纤磁敏感头阵列和三维空间定位模块在油气输运管道中移动，实现油金属管道的缺陷定位。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1的装置的结构框图；
图2为本发明实施例1的光纤磁敏感头阵列排列示意图；
图3为本发明实施例1的光纤磁敏感探头阵列结构示意图。
图中的标号具体表示：1-同轴封装固定梁、2-永磁体、21-第一永磁体、22-第二永磁体、3-光纤磁敏感探头阵列、31-光纤准直器、32-光偏振片、33-磁光晶体、34-偏振片、35-反射镜、4-待测金属管道、5-信号连接光缆、6-光纤耦合模块、7-传感光源模块、8-光电转换模块、9-三维空间定位模块、10-信号处理模块
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种1.基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，如图1所示，装置包括:
永磁体2、光纤磁敏感探头阵列3、信号连接光缆5、传感光源模块7和光电转换模块8；传感光源模块7输出的光源经信号连接光缆5传输到光纤磁敏感探头阵列3，光纤磁敏感探头阵列3输出返回光经信号连接光缆5传输到光电转换模块8；
永磁体2包括至少一个第一永磁体21和第二永磁体22，两个永磁体2两端以同极性相对放置，通过调整磁场强度和间隔距离的形成薄的集磁面，以磁面扫描铁磁性金属管道遇到缺陷时，集磁面因缺失磁力线导致磁场强度发生改变。
光纤磁敏感探头阵列3包括至少两个光纤磁敏感探头，呈一定的周向空间排列，其排列方式如图2所示，但不限于图2的排列方式，以实现油气输运管道各向集磁面磁场强度变化进行全方位探测，保证油气输运管道全向的高空间分辨率检测；光纤磁敏感探头包括光纤准直器31、起偏器32、磁光晶体33、检偏器34、反射镜35，其连接方式如图3所示，光纤准直器31一端连接信号连接光缆4，另一端经起偏器32与磁光晶体33一端粘接，磁光晶体33另一端通过检偏器34与反射镜35粘接构成光传输回路。
作为一选项，光纤磁敏感头阵列3检测不同待测金属管道工件4可以通控制光纤磁敏感头数量以保证三维空间分辨率，满足不同油气输运管道的缺陷检测。
作为一选项，装置还包括同轴封装固定梁1，第一永磁体21和第二永磁体22贯穿于同轴封装固定梁1。
作为一选项，装置还包括光纤耦合模块6，光纤耦合模块6包括至少一个光纤耦合器。
更进一步地，传感光源模块7输出一定功率和波长的光波信号。
更进一步地，光电转换模块8包括至少一个高灵敏度光电探测器，能够对微弱磁场变化进行探测，包括光电导探测器和光伏探测器。
作为一选项，装置还包括三维空间定位模块9，三维空间定位模块9包括陀螺仪、加速度传感器，能够感知某个光纤磁敏感头的周向空间方位，以实现油气管道缺陷三维方位的精确定位。
进一步地，永磁体2、光纤磁敏感探头阵列3和三维空间定位模块9进行同轴封装固定，在油气输运管道中移动，对油气管道进行长度方向扫描。
作为一选项，装置还包括信号处理模块10，信号处理模块10包括信号放大电路、多通道A/D数据模块、嵌入式计算机、存储模块；信号处理模块10中设有磁场信号处理算法、阵列磁探测三维成像算法，对缺陷信号进行处理、分析、判断，从而检测出被测管道缺陷的尺寸和位置信息。
进一步地，传感光源模块7输出端与光纤耦合模块6的端口a连接，光纤耦合模块6的端口b经信号连接光缆5、三维空间定位模块9与光纤磁敏感探头阵列3连接，光纤耦合模块6的端口c与光电转换模块8一端连接，光电转换模块8另一端与信号处理模块10连接。
基于该发明构思的装置一方面通过两块永磁铁2以同极性相对放置形成集磁面，扫描油气输运管道；另一方面则将光纤磁敏感头呈一定阵列化排布，精确地感知集磁面三维空间的磁场强度变化，实现油气输运管道缺陷的高空间分辨精确定位检测。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，提供了一种基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测方法，方法包括光数据收集步骤、缺陷检测步骤。
进一步地，光数据收集步骤包括以下步骤：
S01：永磁体2包括的至少一个第一永磁体21和第二永磁体22以同极性相对放置形成集磁面，以集磁面扫描待测金属管道4；
S02：位于第一永磁体21和第二永磁体22之间的光纤磁敏感探头阵列3接收输入光，输入光经光纤准直器31、起偏器32、磁光晶体33、检偏器和反射镜后输出返回光；
进一步地，所述缺陷检测步骤包括以下步骤：
S03：测量返回光光功率的大小，若返回光光功率的大小发生变化，则待测金属管道4存在缺陷，否则，待测金属管道4不存在缺陷。
进一步地，在步骤S03中，测量返回光光功率的大小的具体步骤包括：返回光通过信号连接光缆5传输到光电转换模块8，光电转换模块8测量返回的光光功率的大小。
更进一步地，本实施例中探测待测金属管道是否存在缺陷的详细工作原理如下：
两块永磁体2以同极性相对放置，通过磁铁强度和距离的调整形成集磁面，当本装置按照一定的速度扫描待测金属管道4，传感光源模块7输出一定功率和波长的光波信号经信号连接光缆5传输到光纤磁敏感探头阵列3，进入光纤磁敏感探头阵列3的输入光经光纤准直器31进行准直得到准直光，准直光经光纤起偏器32进行起偏形成偏振光后进入磁光晶体33，由于永磁体产生的磁场且磁场方向和光传播矢量方向平行时，由于磁光晶体33的法拉第磁致旋光效应，光的偏振方向将要发生旋转，且旋转角度θ和磁场强度H与磁光晶体厚度L的乘积成正比，即：θ＝VHL，式中，V表示费尔德常数，是材料的特性常数。磁光晶体33根据外界磁场强度信息对偏振光偏振方向进行一定角度的旋转，即偏振光的偏振方向发生了旋转角度为θ的旋转，并将发生旋转的偏振光传输到检偏器34，检偏器34选择某一偏振方向的光通过，反射镜35使传输的光反射输出返回光经信号连接光缆5传输到光电转换模块8。在检偏器34选择某一偏振方向的光通过后，根据马吕斯定律就有检偏器两端的光强之比：I2:I1＝COS2θ，式中，I2表示返回光光功率，I1表示输入光光功率，显而易见地，当待测金属管道4表面上方的磁场发生变化时，θ值将发生变化而使返回光光功率I2的大小发生变化，因此光电转换模块8中的高灵敏度光电探测器测量返回光光功率I2的大小判断待测金属管道4是否存在缺陷，若返回光光功率的大小发生变化，则待测金属管道4存在缺陷，否则，待测金属管道4不存在缺陷。
更进一步地，光纤磁敏感探头阵列3包括至少两个光纤磁敏感探头，所述方法还包括缺陷定位步骤，所述缺陷定位步骤具体包括以下子步骤：
S11：同轴封装一体的永磁铁2、光纤磁敏感头阵列3和三维空间定位模块9在油气输运管道中移动，实现油气输运管道的全方位扫描；
S12：随着沿油气输运管道长度方向的扫描，光纤磁敏感头阵列3的每一个光纤磁敏感头均输出一条特性曲线，若曲线出现强烈的信号峰，则待测金属管道4存在缺陷，若曲线是平缓则表示管道无缺陷，待测金属管道4不存在缺陷。
S13：整个光纤磁敏感头阵列3的输出形成二维图像；
S14：信号处理模块10经同轴封装一体的永磁铁2、光纤磁敏感头阵列3和三维空间定位模块9的扫描速度、强度信息获得光纤磁敏感头阵列3输出的二维图像中的某条特性曲线所体现的缺陷对应的三维空间方位及深度信息。
以上具体实施方式是对本实用发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述装置包括：
永磁体(2)、光纤磁敏感探头阵列(3)、信号连接光缆(5)、传感光源模块(7)和光电转换模块(8)；传感光源模块(7)输出的光源经信号连接光缆(5)传输到光纤磁敏感探头阵列(3)，光纤磁敏感探头阵列(3)输出返回光经信号连接光缆(5)传输到光电转换模块(8)；
所述永磁体(2)包括至少一个第一永磁体(21)和第二永磁体(22)，两个永磁体(2)以同极性相对放置，通过磁铁强度和距离的调整形成集磁面；所述光纤敏感探头阵列(3)设于两个永磁体(2)之间，位于集磁面上。
所述光纤磁敏感探头阵列(3)包括至少两个光纤磁敏感探头，呈一定的周向空间排列；光纤磁敏感探头包括光纤准直器(31)、起偏器(32)、磁光晶体(33)、检偏器(34)、反射镜(35)，所述光纤准直器(31)一端连接信号连接光缆(4)，另一端经起偏器(32)与磁光晶体(33)一端粘接，磁光晶体(33)另一端通过检偏器(34)与反射镜(35)粘接构成光传输回路。
2.根据权利要求1所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述装置还包括同轴封装固定梁(1)，所述第一永磁体(21)和第二永磁体(22)贯穿于所述同轴封装固定梁(1)。
3.根据权利要求1所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述装置还包括光纤耦合模块(6)，光纤耦合模块(6)包括至少一个光纤耦合器。
4.根据权利要求1所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述装置还包括三维空间定位模块(9)，三维空间定位模块(9)包括陀螺仪、加速度传感器。
5.根据权利要求1所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述装置还包括信号处理模块(10)，信号处理模块(10)包括信号放大电路、多通道A/D数据模块、嵌入式计算机、存储模块。
6.根据权利要求1所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述光电转换模块(8)包括至少一个高灵敏度光电探测器，能够对微弱磁场变化进行探测。
7.根据权利要求6所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测装置，其特征在于：所述传感光源模块(7)输出端与光纤耦合模块(6)的端口a连接，光纤耦合模块(6)的端口b经信号连接光缆(5)、三维空间定位模块(9)与光纤磁敏感探头阵列(3)连接，光纤耦合模块(6)的端口c与光电转换模块(8)一端连接，光电转换模块(8)另一端与信号处理模块(10)连接。
8.采用权利要求1-7任意一项所述的装置的检测方法，其特征在于：方法包括光数据收集步骤、缺陷检测步骤；所述光数据收集步骤包括以下步骤：
永磁体(2)包括的至少一个第一永磁体(21)和第二永磁体(22)以同极性相对放置形成集磁面，以集磁面扫描待测金属管道(4)；
位于第一永磁体(21)和第二永磁体(22)之间的光纤磁敏感探头阵列(3)接收输入光，输入光经光纤准直器(31)、起偏器(32)、磁光晶体(33)、检偏器和反射镜后输出返回光；
所述缺陷检测步骤包括以下步骤：
测量返回光光功率的大小，若返回光光功率的大小发生变化，则待测金属管道(4)存在缺陷，否则，待测金属管道(4)不存在缺陷。
9.根据权利要求8所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测方法，其特征在于：所述测量返回光光功率的大小的具体步骤包括：
返回光通过信号连接光缆(5)传输到光电转换模块(8)，光电转换模块(8)测量返回的光光功率的大小。
10.根据权利要求9所述的基于集磁面扫描的金属管道缺陷定位检测方法，其特征在于：所述光纤磁敏感探头阵列(3)包括至少两个光纤磁敏感探头，所述方法还包括缺陷定位步骤，所述缺陷定位步骤具体包括以下子步骤：
同轴封装一体的永磁铁(2)、光纤磁敏感头阵列(3)和三维空间定位模块(9)在油气输运管道中移动，实现油气输运管道的全方位扫描；
随着沿油气输运管道长度方向的扫描，光纤磁敏感头阵列(3)的每一个光纤磁敏感头均输出一条特性曲线，若曲线出现强烈的信号峰，则待测金属管道(4)存在缺陷，若曲线是平缓则表示管道无缺陷，待测金属管道(4)不存在缺陷。
整个光纤磁敏感头阵列(3)的输出形成二维图像；
信号处理模块(10)经同轴封装一体的永磁铁(2)、光纤磁敏感头阵列(3)和三维空间定位模块(9)的扫描速度、强度信息获得光纤磁敏感头阵列(3)输出的二维图像中的某条特性曲线所体现的缺陷对应的三维空间方位及深度信息。
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