一種管材內(nèi)徑、外徑、壁厚在線檢測(cè)系統(tǒng)

??? 摘? 要：本文介紹了一種用于管材內(nèi)徑、外徑、壁厚的在線檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)說(shuō)明了其檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，測(cè)量原理，硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。
??? 關(guān)鍵詞：內(nèi)徑? 外徑? 壁厚? 在線檢測(cè)? 位移傳感器

1 引言
??? 在鍋爐壓力容器等行業(yè)中，管材是常用的原材料，目前對(duì)其內(nèi)徑、外徑及壁厚的檢測(cè)主要是使用卡尺等計(jì)量器具，該種方法主要缺點(diǎn)是人為因素使其測(cè)量誤差較大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低?本文介紹了一種用于管材內(nèi)徑、外徑及壁厚的在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)自動(dòng)化，提高了檢測(cè)精度。
2 結(jié)構(gòu)組成
??? 該檢測(cè)裝置組成結(jié)構(gòu)如圖l所示，在一個(gè)固定的支架上，在同一個(gè)豎軸方向安裝4個(gè)相同電感位移傳感器A、B、C、D，通過(guò)支架上的圓孔用導(dǎo)線接到一個(gè)控制盒中。在控制盒裝有放大器、A／D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)系統(tǒng)、微型打印機(jī)、顯示器、鍵盤等。檢測(cè)時(shí)把被測(cè)管材送入支架槽內(nèi)，此時(shí)電感位移傳感器輸出信號(hào)通過(guò)放大器放大、A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)采集到信號(hào)后經(jīng)進(jìn)行處理，顯示及打印。

3 檢測(cè)原理
??? 檢測(cè)裝置的支架尺寸根據(jù)被檢測(cè)管材內(nèi)外徑所確定，在進(jìn)行檢測(cè)之前需對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行標(biāo)定，方法是根據(jù)被測(cè)管材內(nèi)徑、外徑、管壁的尺寸來(lái)加工一個(gè)精密管材作為本檢測(cè)裝置的標(biāo)準(zhǔn)管材，把標(biāo)準(zhǔn)管材送入支架內(nèi)，檢測(cè)裝置對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)后，在顯示器或打印機(jī)上有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值，同時(shí)此參數(shù)值存入單片機(jī)內(nèi)作為其標(biāo)準(zhǔn)值。在實(shí)際檢測(cè)被測(cè)管材時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)同樣檢測(cè)其參數(shù)值，并把被測(cè)管材值與標(biāo)準(zhǔn)值管材相比較可求出被測(cè)管材的內(nèi)徑、外徑、管壁值。
??? 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)管材的內(nèi)徑為d０，外徑為D０，支架槽內(nèi)圓柱直徑為m０，支架槽內(nèi)徑為材M０，被測(cè)管材的內(nèi)徑為d，外徑為D，將標(biāo)準(zhǔn)管材送入支架槽內(nèi)對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行時(shí)，如圖2、3所示，則標(biāo)準(zhǔn)管材內(nèi)徑：

式中rB、rＣ——電感位移傳感器B、C在標(biāo)準(zhǔn)管材同一直徑方向上的位移量。

??? 則標(biāo)準(zhǔn)管材外徑：

式中rＡ、rＤ——電感位移傳感器Ａ、Ｄ在標(biāo)準(zhǔn)管材中同一直徑方向上的位移量。
??? 同理將被測(cè)管材送入支架槽內(nèi)檢測(cè)時(shí)，如圖4、5所示，則被測(cè)管材內(nèi)徑：

??? 則被測(cè)材外徑：

(8)
??? 綜上所述由(6)式、(8)式可知只要檢測(cè)出被測(cè)管材內(nèi)徑、外徑相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)管材內(nèi)徑、外徑的位移量，加上標(biāo)準(zhǔn)管材內(nèi)徑、外徑就可得到被測(cè)管材的內(nèi)徑、外徑值。

??? 則(6)式可得為：

??? 這里C—一電感位移傳感器輸出信號(hào)與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。
??? 由(9)、(10)式可以看出，只要把電感位移傳感器在標(biāo)準(zhǔn)管材中位移量ΔＵ1、ΔＵ3，電感位移傳感器在被測(cè)管材中的位移量ΔＵ2、ΔＵ4和標(biāo)準(zhǔn)管材的內(nèi)徑、外徑就可由(9)、(10)計(jì)算出被測(cè)管材的內(nèi)徑和外徑值。由(10)－（９）式得被測(cè)管材的壁厚：

??? 由式(11)可以看出只被測(cè)管材內(nèi)徑、外徑時(shí)直接計(jì)算出被測(cè)管材壁厚或直接測(cè)得。
4 硬件電路?
4.1 單片機(jī)系統(tǒng)?
??? 單片機(jī)是微計(jì)算機(jī)中一個(gè)重要分支，它把?CPU、I/O接口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、存貯器都做在一個(gè)芯片上，且隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展其價(jià)格已經(jīng)很便宜，且種類繁多，這里選擇應(yīng)用很多的一種單片機(jī)ATMEL 89C51作為檢測(cè)控制核心。
??????? 89C51具有4個(gè)I/O接口，2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，有5個(gè)中斷級(jí)，128個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器，4K程序存貯器(可電擦除)，與MCS-51系統(tǒng)單片機(jī)兼容。
4.2 微型打印機(jī)
??? 微型打印機(jī)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用外部設(shè)備。通常使用有TPMP40A／16A、GPl6、PP40等，這種微型打印機(jī)都能滿足本檢測(cè)系統(tǒng)打印要求，但選擇微型打印機(jī)首先要考慮其使用壽命。本檢測(cè)系統(tǒng)選用PP40繪圖打印機(jī)不但可以打印數(shù)字、字母、字符等，還可以打印圖形，而且其使用壽命較長(zhǎng)。
4.3 A／D轉(zhuǎn)換器
??? 由于本檢測(cè)系統(tǒng)共有4個(gè)電感位移傳感器，選擇A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)要求A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)有模擬電子開關(guān)，這里選擇ADC0809 8路逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度、精度都能滿足本檢測(cè)系統(tǒng)的要求。
4.4 放大器
??? 放大器是把電感位移傳感器輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成幾伏的電壓信號(hào)，要求放大器是低漂移、低失調(diào)、滿足精度要求。這里選用7650運(yùn)算放大器，其電路非常簡(jiǎn)單，在很多資料中均能查到。
5 軟件設(shè)計(jì)
??? 檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖如圖6所示，整個(gè)檢測(cè)控制均由檢測(cè)系統(tǒng)的鍵盤來(lái)控制，系統(tǒng)上電時(shí)，首先進(jìn)行初始化，再對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)管材的內(nèi)徑d0和外徑D0值，再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管材進(jìn)行檢測(cè)，求出ΔU１，和ΔU3值，最后進(jìn)行對(duì)被測(cè)管材的檢測(cè)，求出ΔU２，和ΔU4值。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的精度，需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管材和被測(cè)管材的ΔU１、ΔU3、ΔU2、ΔU4進(jìn)行連續(xù)10次測(cè)量，求出取平均值作為準(zhǔn)確值代入(9)、(10)、(11)中計(jì)算出被測(cè)管材的內(nèi)徑d、外徑D和壁厚δ值，同時(shí)在顯示器上顯示和打印此值。

6 結(jié)束語(yǔ)
??? 本檢測(cè)系統(tǒng)由于體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，可制作成便攜式現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)管材的內(nèi)徑、外徑、壁厚，尤其適用于大量檢測(cè)管材，另外由于采用標(biāo)準(zhǔn)管材與被測(cè)管材進(jìn)行比較的方法和計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只要傳感器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、支架等對(duì)其影響測(cè)量結(jié)果的參數(shù)穩(wěn)定，這樣就大大降低了元器件、機(jī)加件等參數(shù)的要求，也使本檢測(cè)系統(tǒng)的成本降到最低。所以本檢測(cè)系統(tǒng)具有很高性能價(jià)格比，完全滿足了各種管材的檢測(cè)需要。

參考文獻(xiàn)：

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［３］張毅剛，等．《MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》［Ｍ］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997