隨著腐蝕大數據的提出，科技工作者們也在不斷致力于基于物聯網下腐蝕大數據監測技術的研究和設備開發。在科技工作者們的不斷努力探索下，已創下了有許多成功的案例。

 

 

1 腐蝕災害不斷，腐蝕基因組和大數據如何發揮作用？

 

引言

 

材料腐蝕造成了重大的經濟損失、人員傷亡和環境災難。材料腐蝕學科是嚴重依賴數據的學科，無論腐蝕機理與規律研究、測試方法確定、工業標準制定，還是腐蝕事故處理，都嚴重依賴腐蝕數據以及與腐蝕相關的環境數據。由于材料腐蝕過程及其與環境作用的復雜性，傳統片斷化的腐蝕數據已經不能適應制造業和社會基礎建設快速發展的需要。

在 2015 年 11 月的《Nature》雜志上，北京科技大學腐蝕與防護中心的國家材料環境腐蝕平臺李曉剛教授團隊提出了“腐蝕大數據”的原創概念，并圍繞這一概念，闡述處理“腐蝕大數據”理論與技術層面的關鍵問題，從而建立腐蝕信息學和腐蝕基因組工程。

2013 年 11 月，青島的一段輸油管道爆炸造成了 62 人死亡和 136 人受傷。8個月后，類似的爆炸事件在高雄發生，造成 32 人死亡和 321 人受傷。兩個管道都是用同樣規格的鋼材制成，并且在相似的環境下使用20多年后發生失效。失效的原因是腐蝕——材料在其使用環境中發生化學或者電化學反應而造成的損耗與破壞。

這些災難是非常普遍的：在中國的城市里平均每平方公里有 30 公里的地下管道，形成了包括油氣管道、給水總管和電氣通訊纜線的錯綜復雜的網絡。腐蝕的代價也是十分昂貴的。根據美國的一項調查，腐蝕造成的損失可達到美國國內生產總值的 6% 之多。按照同樣的比例計算，全球范圍內，每年的腐蝕損失總計超過 4 萬億美元——相當于 40個卡特里娜颶風造成的損失。其中一半的費用直接用于腐蝕預防與控制，另外的一半來源于腐蝕造成的損害和生產力的喪失。

腐蝕相關知識的匱乏使我們沒法對腐蝕失效進行有效的預防。

比如，地下管道的腐蝕受到很多因素的影響，包括管道所用材料的成分、組織結構和設計，同時也包括了一系列的環境因素，比如土壤含氧量、水分、鹽度、pH 值、溫度和土壤中的生物體。

包括油氣、海洋和核能在內的很多工業搜集了大量腐蝕數據，用于識別腐蝕風險，預測組件服役壽命并控制腐蝕的發生，然而，這些數據大多歸企業私有，而分析這些數據所得到的腐蝕控制最佳實踐也很少對外公開。原油泄漏、橋梁塌陷以及其它的腐蝕次生災害仍在持續不斷的發生。

隨著越來越多的先進材料應用于醫療設備、生物傳感器、燃料電池、電池、太陽能板和微電子元件中，對相關腐蝕知識的需求也變得越來越強烈。腐蝕也成為了限制納米科技應用的主要因素。

眾多致力于材料數據共享的舉措，比如材料基因組計劃（Materials GenomeInitiative，MGI），主要關注材料的“誕生”過程，而不是材料的“消亡”過程。人們迫切的需要一個共享腐蝕數據的在線平臺。研究人員需要獲得大量而且多種多樣的腐蝕信息，從而可以借助于數據挖掘和計算機建模等工具進行研究，實現更為準確的腐蝕失效預測和更好的防腐設計。

從微觀腐蝕學的角度看 , 材料腐蝕學是一門依賴于基礎數據的學科，無論是材料腐蝕基礎理論和機理研究，還是發展防護技術和建立實驗技術與方法，建立測試與工程標準，都必須不斷積累材料在各種環境中的腐蝕數據，這些數據才是構成腐蝕學科所有理論、技術、方法和標準的基礎。材料腐蝕數據積累必須采用標準化與規范化的方法采集獲得，只有這樣，這些數據才具有科學性與實用性。從宏觀腐蝕學的角度看 , 腐蝕其實是人類社會中的一切構筑物的毀滅過程 , 須將腐蝕現象作為系統整體研究，考察它與社會環境之間的交互作用以及腐蝕學的社會及經濟效應 , 因此 ,在人類社會步入大數據時代的當今 , 巨量與腐蝕相關的數據已經快速產生，這些數據如何處理 ? 如何儲存 ? 如何挖掘以發揮最大功能 ? 這些問題已經清晰地擺在我們面前，卻又是以往材料腐蝕學研究內容中無法解決的問題。

腐蝕的復雜過程及其與環境的復雜作用：腐蝕數據的“大數據”特質

 

腐蝕研究中存在的最大挑戰，是對指定環境中腐蝕如何發生進行精確預測。這要求全面了解所有相關影響因素及其相互作用。然而，目前很多腐蝕問題還沒有精準的機理模型。在缺乏不同環境下材料失效歷史數據的情況下，預測這些問題是不可能的。在相關環境參數未知的情況下，也無法通過實驗室試驗來評判現場的服役性能。

腐蝕數據來之不易。腐蝕造成的材料損傷可能要經過幾年甚至幾十年的累積才會顯現出來，而任何單一研究僅能獲得反映幾個影響因素的部分信息。我們必須將腐蝕數據集整合起來。例如，早期的海洋腐蝕研究獲得了一些不可靠的結果，因為它們僅僅考慮了物理化學因素（包括 pH、溶氧量和溫度），但是并未考慮到海水中的生物體的作用。目前，在結合基因數據之后，海洋腐蝕的模型得到了改進。

腐蝕的程度還取決于當地環境。例如，在中國干燥的內陸地區可以維持幾十年壽命的鋼結構，如果置于潮濕且含鹽量高的東南亞沿海地區，則可能會在短短數月內失效。一些高分子防腐涂層在緯度較高的地區能夠服役數年，而在赤道附近，高溫和強紫外線的作用會使高分子的化學鍵更迅速地斷開，從而導致涂層于幾周內老化降解。

推斷一般性的腐蝕規律——比如濕度、鹽分或空氣污染對某種鋼材料的影響——需要綜合考慮多種環境下的研究成果。例如，Morcillo 等人曾進行過一項關于耐候鋼腐蝕的調查。這份調查中采用了來自全球 22 個國家、108 個地點、最長達 22 年的現場暴露試驗結果。

隨著全球貿易的增長，油氣、建筑、汽車、電氣和其他工業都需要腐蝕數據在不同國家間進行共享，以保證其產品的質量和安全性。由于未能預知進口國潛在的腐蝕問題，近年來世界范圍內已有數百萬輛汽車被召回。2013 年我國提出的“一帶一路”戰略，將促進連接東西方絲綢之路經濟帶上各國家之間的工業聯系，也同時是帶來了史無前例的挑戰。從亞洲到非洲和歐洲，涉及到建筑、運輸、能源和通訊等領域的多項數十億美元的工程項目即將開始，我們需要對這些項目進行快速的腐蝕評估和材料選擇設計。

先進材料也帶來了全新的腐蝕問題。例如，當鉑、金等貴金屬的尺寸減小到納米級時，它們的電化學穩定性急劇下降。目前，鉑納米顆粒的腐蝕問題是限制燃料電池鉑基催化劑壽命的關鍵障礙。

材料學家已經意識到數據共享的必要性，與這些同行相比，腐蝕科學家顯得慢了一些。在 MGI 的主導下，美國政府機構建立了幾個大型的材料數據倉庫，收集共享了材料的基礎數據，包括物理、化學和微觀結構數據，但并不包括腐蝕數據。然而如果沒有考慮到材料的環境穩定性和持久性的話，任何 MGI 所承諾的先進材料將都將是不切實際的。

通過共享腐蝕數據，每人都可以對腐蝕有更深的理解，并從中獲益。但是，首要的問題就是標準化“腐蝕大數據”倉庫的建設。

標準化的“腐蝕大數據”

 

倉庫不同國家、行業和應用領域都應該建立開放的數據基礎設施，儲存相關的腐蝕數據。通過使用相同的數據和元數據標準格式，可以把這些數據聯系起來，最終形成全球系統，并有可能連接到 MGI。

政府應該起到主導的作用。例如，自 2006 年以來，中國政府已經投入了近 2 億人民幣，建立了國家環境材料腐蝕平臺（www.ecorr.org）。該平臺共享了覆蓋中國不同地區典型環境（大氣，土壤和水）30 個腐蝕野外測試試驗臺站所積累的材料腐蝕基礎數據。其他國家、工業和利益集團應該建立類似的數據基礎設施，來收集、共享其它地區或行業領域的腐蝕數據。

我們需要協調各方的力量，重點收集那些急迫的或新興行業領域（例如在新能源或納米科技）相關的腐蝕數據。

例如，美國能源部就與 MGI 合作建立材料數據倉庫，以推動清潔新能源領域的發展。撥款機構應鼓勵先進材料和新興科技的腐蝕數據共享，例如將其列為科研項目經費的資助條件，并對相關研究成果在開源期刊上發表提供資金支持。腐蝕科學團體應向其他材 料 科 學 團 體（ 如 Materials ResearchSociety,TheMinerals,Metals & MaterialsSociety and ASM International）學習，召集專家學者指定最佳的數據共享方案和導則。

通過和學術界合作，可以鼓勵工業界廣泛參與腐蝕數據共享。作為貢獻其腐蝕數據的回報，公司可以相關節省研發經費。而且因為腐蝕主要關乎維護與安全，而與行業競爭關系不大，所以企業應該樂意共享此類數據。就像制定行業標準那樣，企業間可以形成數據聯盟來提出共同關注的腐蝕問題進行數據共享，并聯手提出可作為行業基準的解決方案。

腐蝕數據的獲取、管理、挖掘、模擬和仿真都需要更加強大的工具。將這些元素整合在一起，構成了我們所定義的腐蝕大數據與信息學。通過先進監測技術獲取的數據需要“大數據”的分析方法。例如，機器人（俗稱“智能豬”）可攜帶數百個傳感器，在檢查管壁時可一次收集 TB 的數據。而高度準確的腐蝕仿真可以部分或完全地取代耗時、污染環境、復雜而且昂貴的腐蝕試驗研究。例如，量子化學建模方法已被大量應用于評估緩蝕劑的分子結構和電子特性。

“腐蝕大數據”理論層面的關鍵問題

 

“腐蝕大數據”的理論建模與挖掘是揭示存在于腐蝕數據里的模式及數據間的關系的關鍵問題，對大量的復雜腐蝕數據集進行自動探索性分析是“腐蝕大數據”理論的關鍵。目前“大數據”研究中所用的各種先進數學工具，都可以用來建立腐蝕模型，表征數據之間的因果關系，揭示以往傳統片斷腐蝕數據無法闡明的腐蝕機理與規律。

“腐蝕大數據”的可視化是腐蝕數據挖掘中一種重要方法，這種表征腐蝕建模結果的方法能夠觀察到所期望的建模和仿真的計算結果，用多維的形式將腐蝕數據的各個屬性值表示出來，這樣可以從不同的維度觀察腐蝕數據，從而對腐蝕數據進行更深入的觀察和分析。圖 1 就是利用擴散模型，在大量溫度、濕度和硫分布數據的基礎上，得到的山東地區大氣腐蝕等級圖。圖 2 是利用有限元計算方法，得到的應力腐蝕裂尖部位電位分布的數據圖片。

“腐蝕大數據”理論層面上最重要的問題是基于“腐蝕大數據”的腐蝕過程仿真 , 這其實是在以上腐蝕理論建模基礎上加上了時間的因素 , 是腐蝕動力學過程的建模。這是“腐蝕大數據”理論層面的核心問題，可以說是王冠上的明珠。

圖1 山東地區大氣腐蝕等級圖-紅色的腐蝕等級為C5級，黃色為C4級，綠色為C3級

 

圖2 應力腐蝕裂尖部位電位分布的數據圖片

 

圖3 元胞自動機模型計算金屬早期大氣腐蝕形貌和動力學過程

 

圖 3 是利用元胞自動機模型計算得到的金屬早期大氣腐蝕形貌和動力學過程，與邊界條件相同的腐蝕試驗結果符合得很好。十多年來，包括李曉剛教授團隊在內的國內外 5~6 個研究團隊致力于這方面研究，取得了初步的成果。這項研究實際是對材料腐蝕復雜過程的“可視化”的再現，對認識腐蝕這一復雜過程的機理與規律具有重要的意義。

 

來源：知社學術圈

 

2 特別推薦！在線腐蝕監測大數據

腐蝕的常見類型可分為兩大類，即均勻腐蝕和局部腐蝕，后者還可細分為電偶腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞等。其中，應力腐蝕和點腐蝕在設備、管線的使用和運行過程中發生的頻率最高，危害最大。

腐蝕監檢測技術就是利用各種技術手段對材料、設備的腐蝕速率以及腐蝕狀況進行測量調查，包含離線檢測和在線監測兩大類。

 

在線腐蝕監測技術

 

 

在線腐蝕監測技術的分類

 

經過近三、四十年的發展，在線腐蝕監測的應用領域越來越廣泛，其監測技術形式也多種多樣，在生產實際中常用的有掛片法、電阻探針法、電感探針法、電化學探針分析法和化學分析法等等。

掛片法

 

優點：操作簡單、可以同時進行平行實驗，同時進行幾種材料，數據可靠性較高。

缺點：監測的周期比較長，短則至少一個月，長則一兩年，甚至需要更長的時間；所測的腐蝕速率為某一時間段內的平均腐蝕速率，并不能反應設備、材料的即時腐蝕速率；另外，磨蝕等局部腐蝕和冷凝液對腐蝕過程的影響等效應也不能很好的重現。

電阻探針法

 

優點：適用于氣相、液相、導電及不導電的介質，可連續測定某一部位的腐蝕速率，且測量過程與工藝物料的導電性無關，原理直觀，數據穩定可靠。

缺點：數據波動較大，試件加工較嚴格，另外，如果腐蝕產物是導電體（如硫化物），易造成測量結果偏高；測量元件是電阻絲，所以溫度補償元件只能封裝到探針體內，對響應溫度的變化有一定影響；要求腐蝕必須是均勻的，如果出現孔蝕、應力腐蝕破裂或其它局部性腐蝕情況，則測量結果不容易解釋；探針絲處于粘稠介質中，抗沖刷能力較弱。

電感探針法

 

優點：是目前比較流行的在線腐蝕監測方法，由于測量信號采用交流信號，所以抗干擾能力強，測量精度較高；溫度補償試片被包在測試片里面，處于介質中的同一層面，所以其測量結果受溫度影響很小；探針為管狀，與探針體通過焊接方式連接，內部填充有高溫固化膠，抗點蝕和耐沖刷能力比電阻探針強。

缺點：它反映的是一段時間內腐蝕積累的情況，不能測量瞬間的腐蝕速率變化；探針壽命短。

電化學探針法

 

優點：直接測量介質的瞬時腐蝕速率，不需要腐蝕的積累；靈敏度高，數據直觀。

缺點：必須應用于電解質腐蝕體系。

化學分析法

 

優點：在儀表上可直接讀出介質溫度和 pH 值；采用離子選擇性電極可以方便地檢測出腐蝕性離子（如氯離子、硫離子等）的存在，而且通過介質中金屬離子濃度的變化，可粗略估算出設備的腐蝕程度。

缺點：通常監測的數據只能反應該系統的腐蝕程度，是一種均勻腐蝕的概念，另外，當金屬表面生成膜或產生膜的溶解，或者腐蝕是局部腐蝕時，則無法估算出設備的腐蝕速率；不能應用于油氣管線，只能應用于塔頂污水等電解質體系的pH 值測量。

 

 

 

其它方法

 

除了以上較為成熟的技術方法，近幾年又新出現了一些迅速成長的在線腐蝕監測方法，這其中包括：①交流阻抗技術（AC Impedance），對于高阻電解液及范圍廣泛的許多介質條件該技術有較大可靠性。在較寬的頻率范圍內測量交流阻抗需要時間很長，這樣就很難做到實時監測腐蝕速率，不適合于實際的現場腐蝕監測。為了克服這個缺點，技術人員針對大多數腐蝕體系的阻抗特點，通過適當選擇兩個頻率，監測金屬的腐蝕速率，設計和制造了自動交流腐蝕監控器；②電化學噪聲技術，它包括電化學電位噪聲（EPN）以及電化學電流噪聲（ECN），它反映了由于腐蝕發生引起腐蝕電位或電偶電流的微幅波動，可測量點蝕系數，確定初始點蝕及局部腐蝕趨勢；③薄層活化技術（TLA），其優勢在于能直接從構件上測定金屬總損失，且靈敏度高，還有場圖象技術（FSM）應用于海底輸油管線的實時現場監測，該技術還可以對不能觸及部位進行腐蝕監測，例如對具有輻射危害的核能發電廠設備的危險區域裂紋的監測等。此外，新興起的恒電量技術和電感阻抗法等，對腐蝕監測在快速、準確性、應用范圍等方面都有新的突破，但是它們大都剛超越實驗室研究范圍，正在進入實時現場腐蝕監測階段，還沒有形成成熟技術。

來源：網絡

 

3 船載陰極保護遠程監測系統設計

 

引言

 

船舶、橋梁等的鋼質材料與海水接觸，極易受海水強烈的化學腐蝕以及海洋生物附著的污損，降低了使用壽命，增加了維護、維修的費用，并有可能造成嚴重危害。陰極保護技術的原理就是給被腐蝕金屬結構物表面提供大量電子，被保護結構物成為陰極，抑制金屬腐蝕發生的電子遷移，避免或減弱腐蝕的發生。

陰極保護通常有兩種方法：犧牲陽極和外加電流兩種。犧牲陽極方法由于簡單、經濟，被廣泛采用，但效果欠佳，焊在船體外表面的鋅塊也會增加船體阻力。使用永久性外加電流的陰極保護裝置是目前控制鋼質船體在海水中腐蝕的最有效方法。本文采用的即為外加電流陰極保護的方法。

 

陰極保護技術在 70 年代開始被美國、日本等各國船體保護中應用并取得了很好的經濟效益。在 20 世紀 70 － 80年代，我國陰極保護技術的引進、消化和二次開發才取得了實質性的進展，也就是在這個時期，研制了一批陰極保護的材料和設備，打下了陰極保護在行業市場供需鏈的基礎。近年來，該技術在多個場合如碼頭工程鋼管樁、埋地管道、海洋平臺等也有應用。

李言濤等在《中國海洋腐蝕科研選題與發展戰略》中指出，隨著計算機與自動化技術的發展，陰極保護電位的監測逐步從以前定期人工檢測發展到通過對電位的模 / 數轉換和邏輯運算。電位監測由原來的對單一點、線的監測，逐漸實現對整個系統綜合的監控。通過應用于局域網的 Intranet 技術和應用于廣域網的 Internet 技術或電信通信線路，可以在整個作業海域或企業內甚至于全國各地乃至全球的相關機構方便地實現監測信息共享、系統評價控制和遠程實時監控。本項目中對多個（四個）艦載陰極保護系統進行遠程實時監控，可以認為是對該預測方向的小規模嘗試。

目前陰極保護項目的計算機監控研究項目已經在開展，然而關于在線監測的相關報道較少。孫虎元對長江二橋的陰極保護電路項目論述了監控系統的設計。該項目屬于國家依托類項目，對于小型陰極保護項目的監控設計來說并不實用。

本文依托某公司的艦體外加電流陰極保護監控設計，實現對陰極保護系統的實時監控及人機交互。其核心是通過陰極保護系統主控板 ARM 嵌入式處理器和觸摸屏進行傳感器信號和輸入控制信號的傳遞。

下文首先介紹了系統結構和工作原理，給出了系統主控板和硬件總體設計方案。之后重點闡述了然后介紹了主控板ARM 芯片的通訊過程和人機界面觸摸屏的軟件設計。文末對本文的設計過程進行總結，并給出了下一步的設計思路。

1 外加電流陰極保護測控系統總體構造

 

陰極保護測控系統為船載檢測系統，由多個系統構成。總體結構示意圖如圖 1 所示。

圖1 總體結構示意圖

 

其中圖 1 左邊的 Marimpress 框代表的是多個艦載外加電流陰極保護裝置。圖 1 右側的虛線框內是遠程監控單元。系統總體設計通過遠程監控單元可實現多個艦載陰極電流保護裝置的電流電壓監控。

圖2 單個外加電流陰極保護結構圖

 

單個外加電流陰極保護保護裝置結構圖如圖 2 所示，其中最主要的部分有輔助陽極，參比電極，直流大電流發生器，高電壓變壓裝置以及控制電路板。本文將重點闡述遠程測控單元設計。

2 中央監控單元設計

 

中央監控器是整個系統的監控中心，具備針對下級各個ICCP 設備的實時監控、遠程控制、數據保存等各項功能。但ICCP 設備的工作并不依賴于中央監控器，無論 ICCP 設備是否與中央監控器連接，ICCP 設備都具備獨立工作的能力。當ICCP 設備連接到中央監控器時，ICCP 設備總是執行最后一個輸入的操作指令，而無論該指令是來源于 ICCP 設備本身的操作面板還是來源于中央監控器。若中央監控器的操作和 ICCP設備操作面板上的操作同時發生時，ICCP 設備將只執行本身操作面板的的操作指令，即本地操作指令將優先于遠程操作指令得到響應和執行。

2.1 中央監控器工作原理

 

中央監控器總體機構如圖 3 所示。Arm 芯片 LPC2138 因其性能高、體積小、功耗低、成本低、代碼密度緊湊和供應源多等顯著優點，是監控板采用的處理芯片。它負責完成控制所需所有數據處理以及通信和控制任務。其它電路模塊有些則是將外部信號轉換成芯片能夠接收的信號，有些是提高芯片控制信號的驅動能力，還有一些則負責芯片與其它器件之間的通信，承擔電壓電流設定和調節，數據通信、數據采集、外部存儲、實時顯示等功能。通信接口采用 485 總線與Modbus 協議。外部存儲設計了 SD 和 USB 兩個接口：前者用于運行中保存數據使用，后者用于復制 SD 內存儲的數據。系統中除了正常工作電源外，增設短時后備電源，用于監控器掉電時，保存數據之用。

圖3 監控單元功能模塊圖

 

2.2 MODBUS通信

 

Modbus 協議是一種已廣泛應用于當今工業控制領域的通用通訊協議。通過此協議，控制器相互之間、或控制器經由網絡（如以太網）可以和其它設備之間進行通信。Modbus 協議使用的是主從通訊技術，即由主設備主動查詢和操作從設備。一般將主控設備方所使用的協議稱為 Modbus Master，從設備方使用的協議稱為 Modbus Slave。Modbus 通訊物理接口可以選用串口（包括ＲS232和ＲS485），也可以選擇以太網口。

本系統中，Modbus 命令幀的發送采用了 fifo（先入先出）循環隊列發送機制，而響應幀采用中斷方式接收。為確保整個系統通訊穩定，本系統在發送和接收過程中均進行保護：發送命令幀過程中加入了超時重發、強發；而在接收響應幀過程中，采用了嚴格的預判幀格式的方式，確保非法響應幀不影響整個系統的安全穩定，運行機制如圖 2 所示。

2.2.1 循環隊列發送命令機制

 

系統調用一次發送 Modbus 命令函數即將 Modbus 命令幀依次存入 fifo（二維數組）內，運行機制如下：

（1）初始化時 head 指針與 tail 指針同時指向二維數組頭部 :（2）命令幀存入 fifo 的地址永遠都在 tail 指針處，并且當命令幀進入 fifo 之后，tail 指針自增一次 :（3）當真正準備發送命令幀時，必須從 fifo 的 head 指針處取命令幀，并且當命令幀被發送出去后，head 指針自增一次；當 head 指針與 tail 指針相等的時候，本系統則認為 fifo為空。如果是因為命令幀進入 fifo 過快而引起 tail 指針追上了head 指針，本系統則拋棄原來 fifo 中的所有數據，依然認為fifo 為空。（ 實際上系統每一秒鐘才將十余條命令幀存入 fifo，系統有充足的時間將 fifo 中的命令發空）。

2.2.2 發送過程保護

 

系統每次調用發送 Modbus 的功能函數的時候其實最終都落實到 checkfifo 函數。系統用全局變量 count 在 checkfifo 函數中記錄當前距離上次發送命令幀的時間，若 count 值過大則說明系統沒有接受到響應。當系統沒有接收到響應的時候，系統需要超時重發和強發命令幀。超時重發是指當 count 為 N（N 為測試值）的整數倍的時候，重發上一次發送的命令幀，count 隨后清零；超時強發是指當 count 大于等于 N 的 3 倍的時候則強制發送 fifo 中一下條命令，count 隨后清零。

2.2.3 接受過程保護

 

485 串口通信過程中，由于某些干擾從機會發送錯誤的響應幀。系統為了不被錯誤的響應幀擾亂甚至崩潰，所以在接收響應幀的時候做了非常嚴格的檢測機制。系統在發送命令幀時，已經將當前命令幀保存到了固定的內存地址中，所以系統在接收到響應的時候，會根據該內存中的命令幀迅速預判響應幀的格式以及每個字節的準確范圍。任何沒有通過該檢測機制的響應幀都將被系統拋棄而不做任何處理，確保系統安全穩定。

3 串口觸摸屏界面開發

 

目前便攜式觸摸屏設備的發展較快，該類設備具有非常良好的操作便捷性，大大降低了對于操作者的電腦操作要求，具有反應速度快、節省空間、可視化強等優點，以豐富的嵌入式系統的輸入方式，已逐漸代替鍵盤和鼠標成為嵌入式系統人機交互的首選輸入工具。且該類設備攜帶型非常好，隨著無線通訊模塊的普及，及價格的降低，是艦體陰極保護人機界面的合適的選擇。

市場上主流觸摸屏有四種，分為電阻、電容、表面聲波、紅外線掃描類型。本文選用的是四線電阻串口觸摸屏，為北京迪文科技有限公司產品。這款觸摸屏具有高解析度，高速傳輸反應，一次校正永不漂移，穩定性高。彩色觸摸屏采用 8英寸迪文串口觸摸屏，屏幕分辨率為 800×600，工作電壓范圍 DC3.3 － 6.0V。

液晶顯示單元和觸控輸入單元是人機界面的輸出界面與輸入界面。作為集成化的顯示器件，它包含中央處理單元、液晶顯示單元、觸控輸入單元、數據存儲單元、通信接口單元等。

觸摸屏內置的存儲單元包括ＲAM單元和Flash存儲單元，其中 ARM 作為處理器緩存。Flash 用于存儲顯示圖形文件及觸控配置文件。通信接口實現串口屏與儀器主控單元之間的信息交互，包括接收儀器主控單元發送過來的指令以及將觸摸屏所獲取的信息上傳給儀器主控單元。

3.1 觸控按鍵操作

 

串口觸摸屏本身為一個相對獨立的系統，所需的硬件資源較少。通過串口，采用中斷接收以及查詢發送的方式實現與主控板 LPC2138 通信。

串口屏支持自動觸控按鍵響應，只需通過調試助手事先對所有觸控按鍵設置雙字節十六進制的指令代碼（如0x0001）。并將串口寄存器配置為單字節觸發方式，串口模式為8n1，即每幀數據格式為1個起始位，8個數據位，1個停止位，無校驗位。串口接收及發送數據流程圖如圖 3 所示。

點擊觸摸屏按鍵（指令代碼有效區域），觸摸屏返回該鍵指令代碼（以 0x0001 為例）：AA 78 00 01 CC 33 C3 3C在串口接收中斷程序中，設置一個接收緩沖區，將觸摸屏返回的所有數據接收完畢，并提取所需鍵值 0x01 轉存給寄存器 key，通過判斷 key 執行相應的子程序片段。

發 送 數 據 程 序 中， 需 要 按 照 迪 文 屏 的 通 信 格 式AACMD……CC 33 C3 3C。為了判斷某串指令是否發送完畢，在每個數據串后面加一個終止符 0xfe。

3.2 觸摸屏應用舉例

 

對觸摸屏的應用不光是要對主控芯片進行編程，還要自己制作觸控界面和設置按鍵鍵碼。將制作好的觸控界面圖片和按鍵鍵碼用專門的軟件按照順序上傳至觸摸屏內存，這樣圖片就有了自己的頁面編號。到時候只需調用圖片的編號就可控制觸摸屏在不同頁面間的切換。

舉一個簡單的觸摸屏應用的例子，如圖 4 所示。

圖4 密碼設置流程圖

 

圖4 是本文在應用觸摸屏當中用到的一個密碼操作的例子。界面 1 是整個外加電流陰極保護系統的主菜單，它上面的每一種按鍵對應不同的功能，包括時鐘設定，密碼操作，SD 卡和 USB 模塊操作等。

當按下寫有 PASSWO Ｒ D 字樣的按鍵之后，觸摸屏將該按鍵對應的鍵碼傳回到主控芯片上，芯片根據此時觸摸屏顯示的頁碼和收到的按鍵鍵碼作出響應，發送命令讓觸摸屏進入界面 2。

該界面是密碼輸入界面，為了安全，在設置新的密碼之前必須要輸入老的密碼。接著芯片又發送一道輸入文本命令，在輸入密碼的位置建立一個文本框，用于顯示輸入了幾位密碼。圖中的數字鍵都被預先設定了相應的默認阿拉伯數字的鍵碼。在按下這些數字按鍵時，觸摸屏并不會回傳鍵碼，但會在文本框顯示星號，用來告訴工作人員已經輸入了幾位。只有當按下OK 鍵后，觸摸屏才會將之前輸入的密碼信息一并回傳至芯片。芯片收到了操作員輸入的密碼后，與原先設定的正確密碼作比對。如果密碼錯誤則跳轉到界面 3，按下界面 3 中的 OK 按鍵，則又返回界面 2，重新輸入密碼。如果密碼正確，芯片會發送命令讓觸摸屏跳轉到界面 4，開始新的密碼設置。

界面 4 中要求對新的密碼設置兩遍，在完成兩次輸入后，芯片會對兩次輸入的密碼進行逐位匹配。如果兩次輸入的密碼不相同則會跳轉到界面 5，提醒操作人員密碼不匹配。如果相同，則新的密碼設置成功，LPC2138 芯片將記錄下新設置的密碼，并跳轉到界面 6。最后再由界面 6 返回到主菜單中。

4 系統測試

 

系統測試采用 TI 的 MSP430 模擬控制 4 臺艦載外加陰極保護系統，通過串口屏界面對系統的參數設置，并回讀設置參數以及實時數據，實時數據讀取頻率為 1s。當設定參數上下限值超出時，在串口屏上會出現相應提示，并能夠產生一條操作記錄數據至實時數據庫。實時數據庫記錄回讀的 ICCP 實時數據，記錄頻率可通過串口屏設置，設置范圍為3－10分鐘。當實時數據超出上下限設定參數，產生警報信息。

5 總結和展望

 

本文文中重點介陰極保護系統的在線監測系統的軟件硬件設計，是實現多艦體監測，云檢測的一項基礎工作。詳細講述了 MODBUS 通信實現的通信過程，及串口屏的人機界面設計。通過調試及應用驗證，該設計是一種運行可靠、性能優良的通用型遠程監控系統，具有廣闊的應用前景，很好的應用價值和市場前瞻性。

目前控制系統雖然能夠發出報警信號，但是不能確定具體的故障位置。可增加關鍵部位數據采集，報告出具體的故障地點，進一步增強系統的實用性。

 

資料來源：知網

 

4 核電站安全殼的微波探地雷達腐蝕檢測

 

混凝土作為一種最重要、用量最大的工程材料，廣泛應用于核電站安全殼結構中，如何將無損檢測技術應用于混凝土材料是人們不斷探索的議題。鄭硯國等在 2009 年發表了核電站預應力混凝土安全殼的老化因素研究。隨著我國核電站的興建，安全殼的防腐檢測技術被提上日程，至于如何測定核電站安全殼體混凝土及其鋼襯的腐蝕性能，還處于探索階段。筆者通過對鋼襯腐蝕進行探地雷達檢測，證明了該方法的可行性。

１ 腐蝕診斷監測技術

 

自從我國 1991 年建成秦山核電工程一期，1994 年與大亞灣核電站商運以來，曾經用鉆探法發現核電站安全殼內部的 6mm 厚鋼板的內襯部分已經腐蝕生銹，并且厚度只剩下3mm。但截至目前，檢測人員尚未利用超聲定點測厚、射頻（RF）掃查儀或者探地雷達對各個核電站進行過定期或不定期的無損檢測，即核電站安全殼內部的腐蝕狀況并不明確。

現今，安全殼結構一般采用目視、敲擊檢查外，而在建造完成之后如何對其診斷監測卻是一大難題。

探地雷達可以確定金屬或非金屬管道、及其地下埋件的位置，但是埋地鋼板鐵銹的成分比較復雜，含有由電解質溶液組成的原電池，其中鐵是負極，加速了鐵的腐蝕；最主要是吸氧腐蝕，生成的是 Fe（OH） 3 ∶ Fe ２ O ３ .XH ２ O。在射頻（RF）掃查儀（探地雷達）照射（掃查）下，透過混凝土保護層，利用氧化皮層與鐵銹層反射率的區別或差異，可以監測出鋼襯表面銹蝕狀況。實際射頻掃查的案例是地下管道 , 微波探地雷達掃查實例如圖１所示。

圖１微波探地雷達掃查實例

 

安全殼的微波探地雷達掃查獲取數據之后，還要進行自動化處理和圖譜生成，且需要注意以下幾點：

（１）各采集數據要和掃查路程或 GPS 坐標準確對應，并相互關聯融合，以準確地對安全殼的鋼襯表面銹蝕狀況或病害等進行分析和定位。

（２）依照《安全殼的鋼襯表面銹蝕狀況評定標準》的要求，生成符合國家規范的混凝土層厚、破損、病害參數等報表或圖譜，并可與核電站在役檢查相關軟件系統進行無縫對接。

陸偉東等為了得到混凝土結構的厚度，采用了探地雷達技術進行檢測。電磁波在混凝土中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電磁屬性（介電常數）和幾何形態的變化而變化。混凝土結構厚度的雷達檢測說明探地雷達的電磁波可以穿透非金屬材料。

２ 微波探地雷達檢測基本原理

 

探地雷達（Ground Penetrating Radar,GPR）技術是近幾十年發展起來的一種地下目標的有效探測手段，在國內外已經得到非常廣泛的應用。與電阻率法、低頻電磁感應法及地震法等常規的地下無損檢測方法相比，探地雷達具有檢測速度快、檢測過程連續、分辨率高、操作方便靈活、檢測費用低、檢測范圍廣（能檢測金屬和非金屬）等優點。探地雷達是利用微波反射原理探測各種地下目標的，當波在地下介質中傳播時，其路徑、電磁場強度及波形隨著所通過介質的介電性質而變化；根據接收的雷達信號剖面，利用反射回波的雙程走時、幅度、相位等信息，可對地下介質的結構進行描述，從而實現目標物的檢測或工程質量的評價。探地雷達的檢測原理如圖２所示。反射信號的幅度強弱與界面反射系數、穿透介質的吸收程度、介質的導磁系數、相對介電常數及電導率有關。由于安全殼內部鋼板內襯的腐蝕程度不同，也就是界面反射系數不同，所以，探地雷達反射信號的幅度也會不同。這就是用探地雷達發現安全殼內部鋼板內襯腐蝕程度的理論基礎。

圖2 探地雷達的探測原理示意

 

 

式中 :H 為磁場強度 ;E 為電場強度 ;σ 為電導率 ;ε 為介電常數 ;ε 0 為自由空間介電常數 ;ε′為以電磁場形式儲存的勢能 ;ε″為損耗因子 ;ω 為角頻率 ;a 為衰減常數 ;γ 為常數。

圖 ３ε′r和σ與ω的關系曲線

 

如圖３所示 ,ε r 隨頻率升高而增大 ,σ 隨頻率升高而減小 . 即隨著頻率升高導電性能變差 , 當 ω →∞時 ,σ →０，這時導體變成了不導電的絕緣體 . 一般良導體電導率總是實數，近似等于恒定場中的數值 :

 

如上所述，根據地面接收天線接收到地下反射波的回波特征，鋼板完好的電性能與不同銹蝕程度鋼板的電性能是有差異的，這樣就可判定鋼板表面介質的變化情況。這種混凝土下鋼板介質層之間存在的電性差異，為探地雷達檢測鋼板腐蝕情況提供了前提條件。

３ 微波探地雷達現場測試

 

3.1微波天線選型

 

用探地雷達檢測安全殼內部鋼板內襯的腐蝕程度時 , 發射和接收天線與混凝土板表面密貼 , 由探地雷達主機高速發射雷達脈沖 , 進行快速連續采集 .

⑴微波天線選型針對內襯質量檢測的具體情況 , 主要從分辨率、穿透力和穩定性三個方面綜合衡量 , 選擇 GC1500MHz、GC900MHz 和 GC400MHz 天線。

⑵ GC1500MHz 屏蔽天線 : 時窗 10ns, 掃描速度 64s－ 1 , 采樣點數512,濾波選擇倒數第三檔，道間平均分別為0.5,10次，連續測量方式 ;GC900MHz 屏蔽天線 : 時窗 15ns, 掃描速度64s－ 1 , 采樣點數 512, 濾波選擇倒數第三檔 , 道間平均分別為0.5,10 次 , 連續測量方式 ;GC400MHz 屏蔽天線 : 時窗 30ns,掃描速度 64s－ 1 , 采樣點數 512, 濾波選擇倒數第三檔 , 道間平均分別為 0.5,10 次 , 連續測量方式 （ 道間平均是指 GPR 主機在開始接收到天線信號到結束所花費時間的平均值 ）。

3.2操作程序

 

⑴選擇一個試驗場地，盡量減少周圍設施對檢測設備的一切干擾因素，在適當位置豎立放置被測鋼板。

⑵鋼板放在混凝土塊或普通墻壁后面，在其前方放置探地雷達發射天線和接收天線，并且測定準確間距。

⑶觀測主機設備顯示，記錄電波通過混凝土塊或普通墻壁后遇鋼板反射的信號波形。

3.3測線的布置

 

由于工作面較小，故采用定點連續測量方式進行數據采集。混凝土塊結構俯視圖見圖４，虛線框內為天線放置區域。

圖4 混凝土塊結構俯視圖

 

編號分別為 1，2，3 的不生銹鋼板、生銹鋼板、被腐蝕鋼板的實物如圖 5 所示。其中 1 號板為完好無損鋼板，2 號板為水中弱蝕生銹鋼板，3 號板為強酸腐蝕鋼板。混凝土板的厚度為 20cm, 墻體厚度為 40cm.

圖５ 編號為１,２,３號的鋼板實物

 

４ 微波探地雷達檢測結果

 

GC1500MHz,GC900MHz,GC400MHz屏蔽天線采集界面如圖 6 所示。

圖６ 不同屏蔽天線采集界面

 

微波頻率 1500MHz 檢測結果如圖７所示。

圖７ 微波頻率GC1500MHz檢測結果

 

微波頻率 900MHz 檢測結果如圖８所示。

圖８ 微波頻率GC900MHz檢測結果

 

圖７～９中柱狀圖中的橫坐標１，2，3 分別代表 1 號鋼板、2 號鋼板、３號鋼板，混凝土的厚度為 20cm, 縱坐標為鋼板表層位置反射波振幅最大值與直達波振幅最大值的比值，墻體的厚度統一為 40cm.

 

圖９ 微波頻率GC400MHz檢測結果

 

微波頻率 400MHz 檢測結果如圖９所示。

采用微波頻率為 1500MHz, 道間平均為 5 和 10 時，柱狀圖呈現出的規律性很好。

1 號柱狀圖是高、2 號柱狀圖是中、3 號柱狀圖是低；采用微波頻率 900MHz, 隔墻體時，柱狀圖呈現的規律性很好，1 號柱狀圖是低、2 號柱狀圖是中、3 號柱狀圖是高；但是隔混凝土板時，該頻率柱狀圖呈現出的規律性略差。

采用微波頻率 400MHz 時，1 號柱狀圖是中、2 號柱狀圖是高、3 號柱狀圖是低。隔墻體時，有規律；但是隔混凝土板時，此頻率柱狀圖呈現的規律性也差。

綜上所述，隔著不同厚度的混凝土，需要不同頻率的天線相匹配，以上圖譜中 200mm 厚的混凝土在 1500MHz 天線探測時呈現較好的規律性，圖 7 微波頻率 GC1500MHz 檢測結果 40mm 厚的墻體在 900MHz 天線探測時，呈現較好的規律性。雖然有干擾信號，并且柱狀圖形狀、高度不同是因為頻率不同而造成的，但是總體趨勢都是有規律可循的，反映出不同銹蝕鋼板的差異性。說明現場探地雷達掃描達到預期目的。

混凝土鋼內襯安全殼在微波探地雷達照射下，透過混凝土保護層，利用氧化皮與鐵銹狀態反射率的區別，就可監測出鋼板表面銹蝕狀況及其程度。

其檢測理論是根據反射率與介電常數的不同。建議 5a 或 10a 用 RF/UHF（射頻/超高頻）掃查進行一次非剔鑿法（非破壞的方法）驗證，做安全殼的“體檢”普查。根據 RF/UHF 可視圖像與腐蝕程度之間的圖譜關系，以無損的手段，可檢測出鋼內襯的實際腐蝕程度。

５ 結語

 

通過雷達數據采集和分析，可見反射層位振幅最大值與直達波振幅最大值的比值，會隨著安全殼鋼板腐蝕程度的變化發生變化。實際檢測到的差異，就是３塊鋼板各自的電磁波反射率不同。試驗證明了采用探地雷達射頻技術來定期檢查核電站安全殼的鋼襯腐蝕程序是可行的。同核電站業主協商，可以 5a或 10a 進行一次類似的核電站安全殼全面的“體檢”。

 

來源：知網

 

5 一種輕型碳纖維爬索機器人及其檢測系統研究

 

引言

 

拉索是拱橋、斜拉橋、懸索橋等索類橋梁的核心構件之一。拉索長期暴露在空氣中，經風吹雨淋、日光照射、紫外線照射、人為損傷等因素影響，存在著外 PE 護套、內部鋼絲束或鋼絞線損傷等病害。另一方面，由于風雨振動等因素，拉索內部的鋼絲束相互摩擦，引發鋼絲磨損，嚴重者也會發生斷絲現象。拉索的工作狀態是橋梁是否處于安全狀態的重要標志之一。定期對拉索體系進行檢測是有必要的。

以往在工程中常采用卷揚機拖動檢修車的檢測方式或采用登高車對拉索的人工檢測方法。該類方法容易對拉索 PE保護層造成破壞；且檢測人員處于高空作業，容易造成安全事故，而且需要封閉交通。隨著機器人技術的進步，開發用于橋梁拉索檢測的智能機器人，成為了必然。近年來上海交通大學、東南大學、武漢橋科院等高校、科研院所均對爬索機器人進行了研發，但普遍存在著自重大，續航差，需要外接電源等問題，不能滿足快速檢測的工程應用需求。

本文研究的爬索機器人通過對設計材料的改進，采用自重很輕的碳纖維材料，保證了機器人的續航能力，且方便現場安裝。通過增加索力檢測裝置，爬索機器人攜帶無線加速度傳感器到拉索中間部位后再測量拉索索力，該方法比原先在拉索預埋管上部安裝加速度傳感器測量索力更為精準。機器人搭載高清攝像裝置，可實現拉索表面和橋塔拉索連接處病害的外觀檢測。自帶的漏磁檢測設備可以對拉索內部銹蝕斷絲進行精準檢測。

1 爬索機器人及其檢測系統研制

 

1.1 系統整體結構

 

 

爬索機器人包括一對主動輪和一對從動輪，采用雙邊夾緊 4 輪雙電機驅動形式。利用兩半式輕型碳纖維框架結構，通過 4 對聯接臂進行聯接，不僅方便在拉索上裝卸，而且還可根據拉索不同直徑進行調整。用拉伸彈簧和擺臂支撐組成柔性壓緊機構，始終保持每對滾輪夾緊索體形成爬行所需摩擦力。主、從動輪設計為 U 形，可增大接觸面，自行對中糾偏。并根據不同規格拉索，配套相應規格尺寸的輪子。爬索機器人上、下兩端面四周共有 4 對支撐萬向滾輪，能防止輪體偏離索體造成鎖死現象。在機器人的前端和尾部均安裝有紅外測距裝置，防止機器人在運行中撞擊拉索兩端預埋導管而損壞，將拉索檢測儀器安裝或搭載于爬索機器人上，利用高能鋰電池作為供電電源，提升機器人的續航能力，通過操作控制單元配合各子系統實現橋梁拉索 PE 外觀、內部斷絲銹蝕檢測以及拉索索力測量。爬索機器人示意圖如圖 1 所示。

 

圖1 爬索機器人示意圖

 

使用時，根據被測拉索直徑的大小來相應的調整聯接臂及拉伸彈簧的距離，以提供適合爬行所需的摩擦力 . 爬索機器人可按照上位機軟件系統的指令以及設定的速度在拉索上運行，當到達拉索末端時能自動返回。還能在拉索上通過地面控制自由地移動并到達檢測人員所要觀測的位置，以便進行局部更加細致的觀察和索力測量。利用視頻采集單元采集拉索外部 PE 保護層表面全方位的高清視頻圖像，用漏磁法拉索銹蝕檢測單同步進行拉索內部斷絲銹蝕檢測，采用高分辨率編碼器準確的定位拉索病害位置，通過無線傳輸信號到橋面上位機。再由上位機軟件系統自動識別出 PE 損傷面積，斷絲銹蝕狀態及病害位置。

1.2 動力裝置

 

設計機器人在纜索上運動由兩副（4只）滾輪提供對纜索的附著力，機器人的全部重力（自重和載重）由這 4 只滾輪承載。設機器人處于靜止狀態，分別考慮垂直吊桿監測和有一定角度的斜拉索檢測時，對一只滾動輪進行受力分析。如圖 2 所示。

1.2.1 機器人靜止狀態下受力分析

 

爬索機器人受力情況如以下公示所示：

圖2 滾輪受力示意圖

 

 

式中：F 1 ——由彈簧系統提供的附著力；G 1 ——單只滾輪承載的重力；θ——纜索傾斜角度；μ 1 ——最大靜摩擦因數；N——拉索對滾輪向上的反力

 

1.2.2 機器人向上運動時，機體受力分析

 

在機器人向上運行時，受力情況如下：

 

式中：F 2 ———機器人向上爬行時電機驅動力；μ 2 ———滑動摩擦因數；a———加速度；f 2 ———摩擦力；m———質量。

1.2.3 機器人電機功率設計

 

機器人電機功率，如式（10）所示：

 

式中：V———機器人移動速度；η———減速機傳動效率；K———電機儲備系數。

取 F 2 ＝ 250N，減速機傳動效率 η ＝0.8，電機儲備系數 K ＝ 1.25. 并考慮外觀檢測，視頻拍攝的穩定性，設置爬升最快速度 V max ＝ 12m ／ min. 可以得到 P'=40W. 參照設計所用設備參數，并考慮 3 倍～ 4 倍的安全系數，可以計算出最大電機功率 Pmax ＝ 160W.

1.3 漏磁檢測裝置

 

目前最常采用的拉索斷絲銹蝕檢測方法有磁滯伸縮導波法、漏磁法。本文所設計爬索機器人采用多套漏磁裝置實現對拉索索體內鋼絞線或平行鋼絲缺陷進行檢測。漏磁法檢測裝置設計圖如圖3 所示，主要由銜鐵、永磁鐵、霍爾傳感器等部件構成。

圖3 漏磁法檢測裝置設計圖

 

其測量原理為銜鐵、永磁鐵、被測拉索構成磁化回路，當勵磁裝置將拉索磁化到飽和狀態并相對拉索軸向掃描，當拉索存在斷絲或腐蝕等缺陷時，會導致拉索內部磁場發生變化，部分漏磁信號在空氣場中，霍爾傳感器即可檢測到相應的漏磁信號，通過對漏磁信號的檢測與數據分析可獲的拉索損傷量。

本文設計的單節勵磁傳感器用 2 只尼龍滾輪與拉索表面接觸，其直線移動由滾動完成，避免對 PE 造成損害 . 單節勵磁傳感器裝置示意圖如圖 4 所示。

圖4 單節勵磁傳感器示意圖

 

1.4 索力檢測裝置設計

 

目前通常采用的拉索索力檢測常用的方法有壓力環法、液壓千斤頂拉拔法、磁通量傳感法、以及振動頻率法等測量方法。振動頻率法是一種間接測量索力的方法。依據索力與索的振動頻率之間存在對應關系的特點，在已知索長、拉索兩端的約束情況、分布質量等參數情況下，將高精度的加速度傳感器安裝在拉索上，采集拉索在環境振動激勵下的振動信號，即可獲得拉索的自振頻率，然后由索力與拉索自振頻率之間的關系計算出索力。采集設備示意圖如圖5所示。

圖5 震動頻率法采集設備示意圖

 

索力計算簡化公式為：

 

其中：n———索自振頻率的階數；f n ———索的第 n 階自振頻率；L———拉索的自由或撓曲長度。

由于受到檢測條件的限制，通常的方法是將加速度傳感器固定在拉索預埋管上部某位置，但該位置高頻成分占主導，測試信號低階頻率不突出而高階諧振峰值很大，不利于低階頻率的獲取。加速度傳感器最為理想的安裝位置應是拉索的 L ／ 4 或 3L ／ 4 處，因為這樣傳感器可以避開了支撐點和低階振型的反彎點，各階頻率對應的幅值比較明顯。

本文所采用的方法是將無線加速度傳感器搭載在爬索機器人上，通過機器人將傳感器爬升到拉索的 L ／ 4 或 3L／ 4 處，通過抱死裝置確保機器人和拉索處于一體的狀態。在機器人處于靜止狀態時再測量拉索索力。因機器人本身重量相對拉索重量來說很輕，故機器人自重對測量結果影響較小。

1.5 控制系統設計

 

爬索機器人控制系統采用 ARM 內核CORTEX家族STM32系列CPU根核心，控制系統框圖如圖 6 所示，橋面檢測控制臺電腦可以通過無線模塊與串口通訊電路與單片機系統進行通訊，傳送控制爬升機正向運轉、反向運轉指令，高、中、低三檔速度的控制指令，以及傳送行程位置、電池電壓和電流的實時數據。整個系統按功能分為 5 個部分：單片機系統、編碼信號處理電路、電機控制驅動電路、串口通訊電路、電源控制電路。如圖 6 所示。

圖６爬索機器人控制系統示意圖

 

1.6 上位機軟件設計

 

采用美國 NI 公司的 labwindows 平臺開發的套遠程檢測軟件，可以利用電腦終端無線采集索力、銹蝕斷絲數據， 并 通 過 labwindows 平 臺 的 VisionSoftware 對采集到病害外觀影像資料進行分析處理。軟件界面如圖 7 所示。

圖７檢測系統軟件界面

 

2 試驗及工程應用

 

2.1 漏磁檢測裝置銹蝕斷絲檢測試驗

 

在柳州歐維姆實驗室對拉索斷絲銹蝕檢測裝置進行了試驗，分別對完好拉索和有損傷的拉索進行了檢測 . 如圖 8所示，通過實驗，能夠準確檢測出損傷部位 . 試驗驗證采用該方法對拉索斷絲銹蝕監測的可行 . 但拉索 PE 外護套導致磁信號有一定的衰減 . 理論上，隨著永磁鐵的磁場強度的增大，可以實現大規格索體的斷絲檢測 . 但考慮到斷絲銹蝕檢測裝置的自重，以及配套爬索機器人的使用 . 無源機器人的檢測方式超過180mm 索徑的拉索就比較難實現；但可以采用有源的脈沖信號激勵的方式進行檢測 . 本文所設計機器人在拉索上最大運行速度為 12m ／ min，完全滿足了勵磁裝置對拉索結構的磁化時間，以及霍爾傳感器采集的響應時間。

圖８　漏磁檢測裝置試驗圖

 

2.2 工程應用

 

研究所設計機器人分別在柳州文惠大橋、柳州壺西大橋、江西贛東大橋、桂林南洲大橋等橋進行了實際的試驗與檢測 . 通過試驗驗證，其工作速度最大可達 12m ／ min，平均的檢測速度為10m ／ min. 最大承載能力為 120kg，爬升斜度在 0°～ 90°范圍內可調，最大續航 2000m. 最遠無線傳輸距離為500m. 如圖 9 所示。

圖９工程應用

 

3 結論

 

本文設計的爬索機器人經過廠內和現場試驗，得出了以下結論：

1）采用輕型碳纖維材料、直流電機和減速齒輪箱、鋰電池的輕型構建的爬索機器人極大降低了自重，提高了續航能力，實現了在不外接電源的情況下，安全、快速、便捷的檢測拉索病害。

2）采用漏磁法檢測拉索斷絲銹蝕的方法，能夠實現小直徑的拉索檢測，對大直徑的橋梁拉索，受永磁鐵自重的影響，不能完全對索體進行磁化，不能精準的檢測 . 后續可研究以脈沖的磁化方式進行斷絲銹蝕測量。

3）通過爬索機器人攜帶無線加速度傳感器到拉索自由段中間部位后再測量拉索索力，該方法比原先在拉索預埋管上部安裝傳感器測量索力更為精準。

4）在機器人前部搭載高清攝像頭也可以實現對橋塔和拉索連接部位外觀的檢測。

5）鋼絞線拉索外部有環氧、PE 和油脂等四重防護，且鋼絞線之間有空氣間隙，檢測時會比鋼絲成品拉索誤差更大。

 

資料來源：知網

 

6 鐵路車輛板材腐蝕缺陷的相控陣超聲檢測方法研究

 

在鐵路車輛領域，由于貨車車體及油罐車極易發生腐蝕現象，因此需要及時有效地對車體腐蝕情況進行檢測以保證鐵路車輛的運行安全。當前國內學者對車體腐蝕損傷特性開展了一系列的研究，如劉建平對敞車車體腐蝕情況及其防腐措施開展了研究；林興錄對煤礦鐵路貨車車體腐蝕及防腐措施進行了詳細探討；趙洪倫對貨車車體結構腐蝕損傷與疲勞壽命進行了相關研究；謝芬對鐵路罐車的腐蝕防護工藝方法進行了探討。然而，對于已經出現的腐蝕情況，如車體和罐車的腐蝕缺陷，相應的檢測或監測研究十分有限。

目前，對于腐蝕的檢測或監測，通常使用超聲波測厚技術對腐蝕區域的壁厚進行多點檢測，通過測厚值評估腐蝕區域的壁厚減薄情況實現腐蝕特性的評價。然而超聲測厚法并不能獲得腐蝕區域的檢測圖像，因此無法直觀有效評估腐蝕區域的缺陷分布；另外，當腐蝕缺陷出現于超聲探頭無法直接掃描檢測的位置時，該方法則無法使用。因此為了實現鐵路車輛車體或罐車腐蝕缺陷的全方位、快速和有效檢測，發展新的無損檢測技術至關重要。

近年來超聲相控陣檢測技術得到了極大的發展，在腐蝕檢測方面也已得到一定的應用，如相控陣檢測技術已成功應用在鉆桿內壁腐蝕檢測、法蘭密封面腐蝕缺陷檢測、壓力管道加厚彎頭凹坑腐蝕減薄檢測等方面。然而，當前研究并未對成像原理及缺陷定量做出研究，且對位于探頭無法直接掃描區域的腐蝕缺陷檢測并未開展研究。為了充分理解相控陣檢測技術對腐蝕缺陷的檢測原理，并實現該技術在腐蝕缺陷檢測中的應用，本文利用通過具有腐蝕坑缺陷的板材，分別采用相控陣 C 掃描檢測以及相控陣導波 B 成像檢測進行理論和實驗研究，以實現所有缺陷的有效檢測。

1 相控陣檢測方法

 

1.1相控陣縱波C掃描成像方法

 

相控陣超聲的基本概念來源于相控陣雷達技術，相控陣超聲探頭由多個晶片按一定的規律排列，通過軟件可以單獨控制每個晶片的激發時間，從而控制發射超聲波束的形狀和方向，實現超聲波束的掃描、偏轉和聚焦。相控陣超聲的發射和接收原理如圖 1。

圖1 相控陣的發射與接收示意圖

 

發射時，數據采集單元觸發相控陣列單元，相控陣列單元按照設置的延時法則依次觸發激勵方波脈沖激勵探頭，使探頭中的每個晶片發出的超聲波在預定位置實現聚焦；接收時，由缺陷反射回來的超聲波到達每個接收晶片，相控陣列單元根據每個接收晶片的回波信號按照設置的延時法則合成為一個信號送數據采集單元。因此，相控陣每發射并接收一次信號將會獲得一個由多晶片采集并進行合成的A掃描信號。

相控陣超聲具有獨特的電子掃描和聚焦特點，可在不移動探頭的情況下實現工件斷面的掃描檢測。當前相控陣超聲常用掃描方式包括線形掃描（L-Scan）和扇形掃描（S-Scan）。圖 2 為線形掃描原理示意圖。掃描過程中，將具有相同聚集法則的超聲波施加在相控陣探頭的不同晶片組，被激活晶片組將產生特定角度的超聲波束，通過改變被激活晶片組的位置，使該超聲波束沿晶片陣列方向前后移動，以實現類似常規手動超聲波檢測探頭前后移動的檢測效果。圖 3 為扇形掃描原理示意圖。圖中：d 為陣元間距；A 為激勵孔徑（激發晶片組）；N 為探頭陣元數目；f 為焦距；α 為扇掃角度范圍；θ 為角度步進。扇形掃描又稱變角度掃描，用具有特定聚集法則的超聲波激發相控陣探頭中的部分或全部晶片，使被激發晶片組形成的超聲波束在設定的角度范圍內以一定的步進值變換角度掃過扇形區域。

圖2 線形掃描示意圖

 

圖3 扇形掃描示意圖

 

超聲 C 掃描成像可實現對掃描區域缺陷的可視化。常規的單晶探頭掃描成像通常采用鋸齒形的掃查方式；采用相控陣電子掃描不需要移動探頭就可以實現工件一定寬度的斷面掃查，因此，只需單軸直線掃查便可獲得工件的 C 掃描圖像。常規掃查方式與相控陣掃查方式的對比見圖 4，由于相控陣掃查方式僅需在一個方向移動即可實現 C 掃描成像，因此其效率明顯提高。

圖4 常規掃查方式與相控陣掃查方式對比

 

1.2相控陣導波B掃描成像方法

 

超聲相控陣縱波 C 掃描成像技術可簡單直觀地反應腐蝕缺陷的特性，但遇到相控陣探頭無法直接掃描的區域時，如鐵道車輛車體或罐車等的缺陷，超聲縱波 C 掃描檢測技術將無法有效檢測缺陷。因此為了實現板材腐蝕缺陷的全面有效檢測，有必要發展新的相控陣掃描檢測技術。超聲導波可在板材內部傳播，該檢測方法無需探頭位于缺陷上方，因此可配合超聲縱波C掃描檢測方式實現被檢測工件的全方位掃描。

圖5 單晶片導波檢測原理示意圖

 

圖 5 為單晶片導波檢測原理示意圖。單晶片超聲導波探頭發出的超聲波可在工件中激勵出沿工件傳播的導波，當該導波遇到缺陷時，會產生反射，反射回波被探頭接收，然后通過分析回波的信號特征和傳播時間即可實現缺陷大小和位置的判別。通過直線移動探頭，則可形成掃描區域導波 B 的掃描圖像。當采用相控陣導波探頭時，根據相控陣電子掃描原理，相控陣超聲檢測儀每發射接收一次就可形成一條合成超聲波束，因此通過電子掃描獲得的所有導波聲束就可構成導波 B 掃描圖像。導波 B 掃描圖像是指超聲導波數據的二維顯示，由掃查過程中采集的 A 掃描信號連續拼接而成，一個軸代表探頭的移動距離，另一個軸代表水平方向的有效檢測長度。采用相控陣線形掃描方式形成的相控陣導波B掃描圖像，圖 6 為其構成原理示意圖。

圖6 相控陣導波B掃描圖像構成原理示意圖

 

圖 6 中，保留圖像是指探頭移動之后屏幕應繪制的圖像，當前圖像是指相控陣探頭實時的電子掃描圖像。設編碼器移動的掃查步進為 s，超聲波束間距為 d。設當前實時導波掃描圖像的刷新重復頻率為 F，在 1/F 時間內，探頭移動距離小于等于導波探頭超聲波束覆蓋的寬度，若編碼器移動的距離為M 倍掃查步進，探頭移動的電子掃描超聲波束數為 N，則有M*s=N*d。當 s=d 時，則保留圖像為 M 條電子掃描超聲波束。當 s ≠ d 時，需將 N*d 寬度內的超聲波束總數插值或壓縮為M 條：當 s ＜ d 時，需要進行超聲波束插值；當 s ＞ d 時，需要進行超聲波束壓縮，然后再進行圖像繪制。例如：M=20，s=0.5mm，N=10，d=1.0mm，因此需要將電子掃描的 10 條超聲波束插值為 20 條超聲波束。

在實際應用時，一般要求 s 與 d 的關系是整數倍的關系，這樣實現插值和壓縮較為方便。進行相控陣B掃描成像檢測時，為了提高掃查速度，可增大相控陣導波探頭的陣元數目來獲得更大的有效覆蓋寬度。

2 腐蝕檢測實驗及分析

 

2.1實驗設計

 

圖7 腐蝕坑缺陷板材試塊本文試驗檢測對象為具有腐蝕坑缺陷的板材試塊（見圖7），試塊規格為 300mm×120mm×4mm，腐蝕坑缺陷采用數字編號進行編排，其中數字 1，2，3，…7 的位置的位置為密集腐蝕坑缺陷。板材另一側為未出現腐蝕的光滑平面，試驗時以板材試塊未腐蝕的一側作為檢測面進行。

圖7 腐蝕坑缺陷板材試塊

 

根據相控陣檢測原理，為實現板材的腐蝕相控陣 C 掃描檢測，采用相控陣輪式探頭掃查器進行檢測。輪式探頭采用頻率為 7.5Hz，陣元數為 64 個，陣元晶片尺寸為 10mm×1mm的相控陣探頭，陣元間距為 0.8m，輪式探頭掃查器見圖 8。

 

腐蝕檢測相控陣導波探頭掃查器見圖 9。為實現板材腐蝕的導波掃描檢測，相控陣導波探頭掃查器的導波探頭位于掃查器腹部，探頭規格為 2.5L64-1.0×10，探頭頻率為 2.5MHz，陣元數為 64 個，陣元晶片的尺寸為 10mm×1mm，陣元間距為 1.0mm。

圖8 腐蝕檢測相控陣輪式探頭掃查器  圖9 腐蝕檢測相控陣導波探頭掃查器

 

2.2 超聲測厚實驗

 

為了準確地了解腐蝕坑的腐蝕減薄情況，采用單點測量法利用 CTS-400+ 型超聲波測厚儀對編號 1 ～ 7 位置的腐蝕坑缺陷進行腐蝕減薄測厚，即對腐蝕坑缺陷的某一點用探頭進行兩次測厚，兩次測量探頭的分割面夾角為 90°，取較小值為被測工件厚度值。

對位置 8 采用連續測量法，即用單點測量法沿指定路線連續測量，間隔為 5mm，取最小值作為被測工件厚度。對位置 9采用 30mm 區域多點測量法，即以一個測定點為中心，在直徑約為30mm的圓內進行多次測量，取最小值為被測工件厚度值。超聲測厚法的測量結果見表 1。從表 1 可以看出腐蝕坑的減薄情況，但該檢測結果并不能直觀地反應缺陷的位置以及大小。

 

2.3 相控陣縱波C掃描

 

實驗為了確定腐蝕坑的腐蝕面積和缺陷分布情況，通過CTS-2018PA 相控陣超聲檢測儀和輪式探頭掃查器對腐蝕坑缺陷進行相控陣 C 掃描成像檢測。采用線形掃查方式，掃描聚集法則參數如下：激勵孔徑為 8mm，焦距為 5mm，檢測范圍為 10mm，C 掃描成像方式為跟蹤閘門 G 監控界面波變化，成像閘門 A 監控底波變化，當界面波發生偏移時，成像閘門 A根據跟蹤閘門 G 的反饋信息進行隨時調整。

針對 1 號、2 號、3 號腐蝕坑進行相控陣 C 掃描檢測實驗，實驗結果選取 2 號、3 號腐蝕坑的 A+L+C（A 波信號，線型掃描成像和C掃描成像）同步顯示圖（見圖10）。從圖10看到，在 A 波數據中難以得到有效的檢測信息。在 L 描圖中，2 號和3蝕坑的底波完全消失，腐蝕坑表面回波與界面波重疊在一起，可見，試圖通過 L 掃圖像來測量腐蝕坑的深度難度較大。但 C中可以清晰地顯示腐蝕區域的位置和形狀，測量腐蝕坑的面積則較為容易。

10-a 2號腐蝕坑 10-b 3號腐蝕坑

圖10 腐蝕坑相控針A+L+C同步顯示圖

 

由于 C 掃描圖像可以有效實現腐蝕的檢測，因此對所選試塊進行整體 C 描成像。由于板材試塊較寬，使用輪式探頭掃查器無法一次性全覆蓋，故該試驗采用多次掃查并將 C 掃圖像進行合成，合成后的 C 描圖像見圖 11。從圖 11 以看出，1 和 2 腐蝕坑由于間距比較小，兩個腐蝕坑的圖像基本挨在一起；3 號至 7 號腐蝕坑由于間距比較大，顯示均為獨立的腐蝕坑圖像；8 號連續腐蝕坑缺陷相互之間間隙較小，形成的 C 掃圖像為帶狀圖像；9 號密集腐蝕坑圖像顯示為 3 個大腐蝕坑圖像挨在一起。圖 11 的 C 掃描合成圖像可以清晰反映板材腐蝕分布情況，與實際情況的一致性符合。

圖11 板材腐蝕坑C掃描合成圖像

 

2.4 相控陣導波B掃描成像實驗

 

由于相控陣超聲 C 描檢測中，可能存在探頭無法達到缺陷上方的情況，無法實現完整 C 描成像。因此通過 CTS-2108PA 控陣超聲檢測儀和導波探頭掃查器，對腐蝕坑缺陷進行相控陣導波 B 描成像檢測。檢測時線形掃描聚集法則參數如下：激勵孔徑為 24mm，焦距為300mm，檢測范圍為 300mm。本文針對板材試塊的 6 號、7 號、8 號腐蝕坑進行相控陣導波線形掃描。

相控陣導波線形 B 掃描圖像見圖 12，圖像中相控陣線形掃描圖像的超聲波束總數為 34 條，每條超聲波束的間距為 1.0mm。從圖 12-a 中測得 6 號腐蝕坑與探頭入射點距離為 70.4mm，從圖 12-b 測得 7 號腐蝕坑與探頭入射點距離為 100.5mm，從圖 12-c 中測得 8 號腐蝕坑與探頭入射點距離為 124.6mm。由圖 12-a 中的超聲波束 [6 號 ] 與圖 12-b 的超聲波束 [18 號 ] 可以確定 6 號腐蝕坑與 7 號腐蝕坑之間的水平距離為 12mm，同理 7 號腐蝕坑與 8 號腐蝕坑之間的水平距離為12mm，定位距離與實際情況符合。

12-a 6號腐蝕坑 12-b 7號腐蝕坑 12-C 8號腐蝕坑

圖12 腐蝕坑相控陣A+L+C掃描

 

3 結論

 

本文主要通過相控陣縱波 C 和相控陣導波 B對具有腐蝕坑缺陷的薄板試塊進行掃描檢測，從試驗檢測結果得出如下結論。

1）相控陣 A+L+C 同步顯示圖可有效描述腐蝕坑缺陷的分布情況以及測量腐蝕坑的面積，通過監控底波消失形成的腐蝕坑面積與實際腐蝕坑的面積相吻合。

2）相控陣導波線形及扇形 B 掃描圖像均可有效檢測腐蝕坑，較好表征腐蝕坑的位置和了解腐蝕坑的分布情況，但前面腐蝕坑的存在會影響到后面腐蝕的回波，因此當多個腐蝕坑在同一檢測聲超聲波方向時，可以發現處于前面的腐蝕坑，而后面的腐蝕坑容易漏檢。

3）當探頭可布置在檢測對象的腐蝕缺陷上方時，利用相控陣 C 掃描檢測，可以快速測量腐蝕缺陷信息和了解腐蝕缺陷分布。當檢測對象無法在腐蝕缺陷上方放置探頭時，利用相控陣導波 B 掃描檢測是一個比較好的檢測方式，相控陣導波可以檢測距離探頭一定水平距離的特定區域。

 

4）相控陣檢測的多晶片探頭可以一次性覆蓋較寬的檢測區域，通過導波 B 掃描和縱波 C 掃描檢測成像技術能夠實現板材所有區域腐蝕缺陷的檢測。因此利用相控陣檢測方法對板材腐蝕缺陷進行檢測評估具有較大優勢，是一種值得推廣的檢測技術，可以借鑒推廣到貨車車體及油罐車內壁腐蝕的檢測研究。

 

資料來源：知網