天然气管道缺陷检测系统设计研究

【摘要】：这些年来，由天然气管道泄漏引起的爆炸事故逐年增加，这是由于管道使用时间长、维护保养不到位、管道内壁缺陷发现不及时等原因引起的，因此需要加大对天然气管道内壁缺陷的检测研究。 随着超声波检测理论的成熟、数字信号处理技术以及自动化与智能化技术等学科和技术的迅猛发展，利用超声波检测技术进行管道检测有着检测速度快、效率高、结果准确、没有环境污染和成本小等优势，因此应用范围很广泛。本文以天然气管道为研究对象，利用脉冲反射法检测管道缺陷，以DSP芯片为核心的数字信号处理技术应用到超声波检测系统中，并通过SD卡存储数据。 本文是针对天然气管道内壁进行缺陷识别，首先对机器人本体结构部分进行了设计，包括驱动调速结构、超声波探头的排列方式以及安全性的设计；然后通过对超声波检测理论与技术的分析，提出基于数字信号处理器（DSP）的超声检测系统的总体设计方案；系统的硬件设计主要包括超声波发射电路以及接收电路中的信号限幅保护、放大、滤波设计，DSP应用系统设计包括电源设计、时钟和复位电路、电池的选择以及存储器SD卡接口电路设计。系统的软件设计包含有DSP系统初始化、A/D信号转换的软件实现以及SD存储卡的在SPI模式下实现SD存储卡的底层读写，并建立文件系统实现对SD存储卡的文件操作。 超声回波信号是一种非平稳时变信号，不仅包含很多有用信息，同时还夹杂着大量的噪声信号，最常使用小波阈值去噪法进行降噪，但不同的阈值函数对信号去噪能力是有非常大的差异，通过对软硬阈值函数的分析，构造一个新的阈值函数，它能够避免软阈值处理后某一些有用信息丢失的缺点，也能够避免硬阈值函数在阈值处产生附加振荡的缺点。通过对几种常用的母小波函数进行仿真实验，并结合超声回波信号的特点，确定合适的母小波函数，对实际的超声回波信号使用软硬阈值函数和改进的阈值函数进行去噪实验，通过实验结果验证了：改进的阈值函数能够更好地实现去噪，并且在低信噪比下也具有良好的去噪能力。 【关键词】：天然气管道 超声波检测 SD卡 信号去噪 小波分析 阈值
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP274.53
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题研究的时代背景11-15
• 1.1.1 管道运输的国内外发展状况11-13
• 1.1.2 管道检测的国内外发展状况13-15
• 1.2 国内外管道超声检测技术研究概况15-16
• 1.2.1 超声检测的优点15
• 1.2.2 国内外超声检测技术的研究概况15-16
• 1.3 本论文的研究目的和意义16-17
• 1.4 本文的主要研究内容17-18
• 第2章 超声波检测技术18-28
• 2.1 超声波检测的物理基础18-20
• 2.1.1 机械振动与机械波18-19
• 2.1.2 超声场的特征量19-20
• 2.1.3 超声波的传播特性20
• 2.2 超声波换能器20-21
• 2.3 超声检测的基本方法21-24
• 2.3.1 脉冲反射法21-23
• 2.3.2 穿透法23-24
• 2.4 缺陷的定位和定量24-26
• 2.4.1 缺陷定位24
• 2.4.2 缺陷定量24-26
• 2.5 本章小结26-28
• 第3章 管道超声波检测系统方案设计28-41
• 3.1 超声波检测系统本体结构设计28-29
• 3.2 驱动和调速结构的设计29-33
• 3.3 在线充电方案的研究33-35
• 3.4 检测系统本体的密封性和安全性设计35-36
• 3.5 超声探头的选取36-39
• 3.5.1 超声波探头的结构型式的确定37
• 3.5.2 超声探头的工作频率确定37-38
• 3.5.3 超声探头晶片的尺寸确定38-39
• 3.6 超声探头的排列方式及不漏检的条件39-40
• 3.7 本章小结40-41
• 第4章 超声波检测系统硬件设计41-64
• 4.1 超声波发射电路设计41-46
• 4.1.1 常用超声波发射电路41-42
• 4.1.2 串联谐振式发射电路设计42-46
• 4.2 超声波接收电路设计46-49
• 4.2.1 限幅保护电路46-47
• 4.2.2 信号放大电路47-49
• 4.2.3 带通滤波电路49
• 4.3 控制芯片的选择49-50
• 4.4 DSP 系统的硬件设计50-63
• 4.4.1 电源电路设计51-52
• 4.4.2 时钟以及复位电路设计52-55
• 4.4.3 JTAG 仿真接口设计55-56
• 4.4.4 A/D 转换电路设计56-57
• 4.4.5 SD 卡接口电路设计57-60
• 4.4.6 电池的选择60-61
• 4.4.7 DSP 电路板的设计61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 超声波检测系统软件设计64-77
• 5.1 DSP 系统的软件设计流程64-66
• 5.1.1 软件集成开发环境 CCS64-65
• 5.1.2 系统程序设计流程65-66
• 5.2 A/D 信号采集程序设计66-68
• 5.3 安全数字记忆卡（SD 卡）的软件设计68-76
• 5.3.1 SD 存储卡的上电初始化68-72
• 5.3.2 SD 存储卡数据读写操作72-74
• 5.3.3 SD 存储卡文件系统的实现74-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第6章 超声波检测系统信号分析77-94
• 6.1 信号模型77-78
• 6.2 三种小波去噪方法78-81
• 6.2.1 模极大值去噪法78-79
• 6.2.2 小波变换尺度相关性去噪法79-80
• 6.2.3 小波阈值去噪法80-81
• 6.3 小波去噪效果的评估81-82
• 6.4 改进的阈值去噪法82-89
• 6.4.1 阈值的选取准则83
• 6.4.2 改进的阈值函数83-89
• 6.5 母小波函数的确定89-91
• 6.6 回波信号分析的仿真验证91-93
• 6.7 本章小结93-94
• 结论94-96
• 参考文献96-101
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果101-102
• 致谢102

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