一种管材内径、外径、壁厚在线检测系统

一种管材内径、外径、壁厚在线检测系统

    摘  要：本文介绍了一种用于管材内径、外径、壁厚的在线检测系统，详细说明了其检测系统的结构组成，测量原理，硬件电路和软件设计。
    关键词：内径  外径  壁厚  在线检测  位移传感器

1 引言
    在锅炉压力容器等行业中，管材是常用的原材料，目前对其内径、外径及壁厚的检测主要是使用卡尺等计量器具，该种方法主要缺点是人为因素使其测量误差较大、劳动强度高、效率低?本文介绍了一种用于管材内径、外径及壁厚的在线检测系统，该系统实现了检测自动化，提高了检测精度。
2 结构组成
    该检测装置组成结构如图l所示，在一个固定的支架上，在同一个竖轴方向安装4个相同电感位移传感器A、B、C、D，通过支架上的圆孔用导线接到一个控制盒中。在控制盒装有放大器、A／D转换器，单片机系统、微型打印机、显示器、键盘等。检测时把被测管材送入支架槽内，此时电感位移传感器输出信号通过放大器放大、A／D转换器转换后送入单片机系统，单片机系统采集到信号后经进行处理，显示及打印。

3 检测原理
    检测装置的支架尺寸根据被检测管材内外径所确定，在进行检测之前需对检测装置进行标定，方法是根据被测管材内径、外径、管壁的尺寸来加工一个精密管材作为本检测装置的标准管材，把标准管材送入支架内，检测装置对此进行检测后，在显示器或打印机上有一个标准参数值，同时此参数值存入单片机内作为其标准值。在实际检测被测管材时，检测系统同样检测其参数值，并把被测管材值与标准值管材相比较可求出被测管材的内径、外径、管壁值。
    设标准管材的内径为d０，外径为D０，支架槽内圆柱直径为m０，支架槽内径为材M０，被测管材的内径为d，外径为D，将标准管材送入支架槽内对检测装置进行时，如图2、3所示，则标准管材内径：

式中rB、rＣ——电感位移传感器B、C在标准管材同一直径方向上的位移量。

    则标准管材外径：

式中rＡ、rＤ——电感位移传感器Ａ、Ｄ在标准管材中同一直径方向上的位移量。
    同理将被测管材送入支架槽内检测时，如图4、5所示，则被测管材内径：

    则被测材外径：

(8)
    综上所述由(6)式、(8)式可知只要检测出被测管材内径、外径相对于标准管材内径、外径的位移量，加上标准管材内径、外径就可得到被测管材的内径、外径值。

    则(6)式可得为：

    这里C—一电感位移传感器输出信号与数字量的转换系数。
    由(9)、(10)式可以看出，只要把电感位移传感器在标准管材中位移量ΔＵ1、ΔＵ3，电感位移传感器在被测管材中的位移量ΔＵ2、ΔＵ4和标准管材的内径、外径就可由(9)、(10)计算出被测管材的内径和外径值。由(10)－（９）式得被测管材的壁厚：

    由式(11)可以看出只被测管材内径、外径时直接计算出被测管材壁厚或直接测得。
4 硬件电路?
4.1 单片机系统?
    单片机是微计算机中一个重要分支，它把?CPU、I/O接口、定时器、计数器、存贮器都做在一个芯片上，且随着微电子技术飞速发展其价格已经很便宜，且种类繁多，这里选择应用很多的一种单片机ATMEL 89C51作为检测控制核心。
        89C51具有4个I/O接口，2个定时计数器，有5个中断级，128个字节数据存贮器，4K程序存贮器(可电擦除)，与MCS-51系统单片机兼容。
4.2 微型打印机
    微型打印机是单片机应用系统中常用外部设备。通常使用有TPMP40A／16A、GPl6、PP40等，这种微型打印机都能满足本检测系统打印要求，但选择微型打印机首先要考虑其使用寿命。本检测系统选用PP40绘图打印机不但可以打印数字、字母、字符等，还可以打印图形，而且其使用寿命较长。
4.3 A／D转换器
    由于本检测系统共有4个电感位移传感器，选择A／D转换器时要求A／D转换器内有模拟电子开关，这里选择ADC0809 8路逐次逼近式A／D转换器，转换速度、精度都能满足本检测系统的要求。
4.4 放大器
    放大器是把电感位移传感器输出的毫伏级电压信号转换成几伏的电压信号，要求放大器是低漂移、低失调、满足精度要求。这里选用7650运算放大器，其电路非常简单，在很多资料中均能查到。
5 软件设计
    检测系统程序框图如图6所示，整个检测控制均由检测系统的键盘来控制，系统上电时，首先进行初始化，再对检测系统输入标准管材的内径d0和外径D0值，再对标准管材进行检测，求出ΔU１，和ΔU3值，最后进行对被测管材的检测，求出ΔU２，和ΔU4值。为了提高检测系统的精度，需对标准管材和被测管材的ΔU１、ΔU3、ΔU2、ΔU4进行连续10次测量，求出取平均值作为准确值代入(9)、(10)、(11)中计算出被测管材的内径d、外径D和壁厚δ值，同时在显示器上显示和打印此值。

6 结束语
    本检测系统由于体积小，结构简单，精度高，可制作成便携式现场在线检测管材的内径、外径、壁厚，尤其适用于大量检测管材，另外由于采用标准管材与被测管材进行比较的方法和计算机对检测数据进行处理，只要传感器、放大器、A／D转换器、支架等对其影响测量结果的参数稳定，这样就大大降低了元器件、机加件等参数的要求，也使本检测系统的成本降到最低。所以本检测系统具有很高性能价格比，完全满足了各种管材的检测需要。

参考文献：

［１］张新义，等．用于精密孔径测量的数字塞规［Ｊ］．《工具技术》，2002?3
［２］何立民．《MCS-51单片机应用系统设计—系统配置与接口技术》［Ｍ］．北京航空航天大学出版杜，1992
［３］张毅刚，等．《MCS-51单片机应用系统设计》［Ｍ］．哈尔滨工业大学出版社，1997