一種管材內(nèi)徑、外徑、壁厚在線檢測系統(tǒng)

??? 摘? 要：本文介紹了一種用于管材內(nèi)徑、外徑、壁厚的在線檢測系統(tǒng)，詳細說明了其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，測量原理，硬件電路和軟件設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞：內(nèi)徑? 外徑? 壁厚? 在線檢測? 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，目前對其內(nèi)徑、外徑及壁厚的檢測主要是使用卡尺等計量器具，該種方法主要缺點是人為因素使其測量誤差較大、勞動強度高、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系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了檢測自動化，提高了檢測精度。
2 結(jié)構(gòu)組成
??? 該檢測裝置組成結(jié)構(gòu)如圖l所示，在一個固定的支架上，在同一個豎軸方向安裝4個相同電感位移傳感器A、B、C、D，通過支架上的圓孔用導(dǎo)線接到一個控制盒中。在控制盒裝有放大器、A／D轉(zhuǎn)換器，單片機系統(tǒng)、微型打印機、顯示器、鍵盤等。檢測時把被測管材送入支架槽內(nèi)，此時電感位移傳感器輸出信號通過放大器放大、A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)采集到信號后經(jīng)進行處理，顯示及打印。

3 檢測原理
??? 檢測裝置的支架尺寸根據(jù)被檢測管材內(nèi)外徑所確定，在進行檢測之前需對檢測裝置進行標(biāo)定，方法是根據(jù)被測管材內(nèi)徑、外徑、管壁的尺寸來加工一個精密管材作為本檢測裝置的標(biāo)準(zhǔn)管材，把標(biāo)準(zhǔn)管材送入支架內(nèi)，檢測裝置對此進行檢測后，在顯示器或打印機上有一個標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值，同時此參數(shù)值存入單片機內(nèi)作為其標(biāo)準(zhǔn)值。在實際檢測被測管材時，檢測系統(tǒng)同樣檢測其參數(shù)值，并把被測管材值與標(biāo)準(zhǔn)值管材相比較可求出被測管材的內(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)對檢測裝置進行時，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。
??? 同理將被測管材送入支架槽內(nèi)檢測時，如圖4、5所示，則被測管材內(nèi)徑：

??? 則被測材外徑：

(8)
??? 綜上所述由(6)式、(8)式可知只要檢測出被測管材內(nèi)徑、外徑相對于標(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)計算出被測管材的內(nèi)徑和外徑值。由(10)－（９）式得被測管材的壁厚：

??? 由式(11)可以看出只被測管材內(nèi)徑、外徑時直接計算出被測管材壁厚或直接測得。
4 硬件電路?
4.1 單片機系統(tǒng)?
??? 單片機是微計算機中一個重要分支，它把?CPU、I/O接口、定時器、計數(shù)器、存貯器都做在一個芯片上，且隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展其價格已經(jīng)很便宜，且種類繁多，這里選擇應(yīng)用很多的一種單片機ATMEL 89C51作為檢測控制核心。
??????? 89C51具有4個I/O接口，2個定時計數(shù)器，有5個中斷級，128個字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器，4K程序存貯器(可電擦除)，與MCS-51系統(tǒng)單片機兼容。
4.2 微型打印機
??? 微型打印機是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用外部設(shè)備。通常使用有TPMP40A／16A、GPl6、PP40等，這種微型打印機都能滿足本檢測系統(tǒng)打印要求，但選擇微型打印機首先要考慮其使用壽命。本檢測系統(tǒng)選用PP40繪圖打印機不但可以打印數(shù)字、字母、字符等，還可以打印圖形，而且其使用壽命較長。
4.3 A／D轉(zhuǎn)換器
??? 由于本檢測系統(tǒng)共有4個電感位移傳感器，選擇A／D轉(zhuǎn)換器時要求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電壓信號轉(zhuǎn)換成幾伏的電壓信號，要求放大器是低漂移、低失調(diào)、滿足精度要求。這里選用7650運算放大器，其電路非常簡單，在很多資料中均能查到。
5 軟件設(shè)計
??? 檢測系統(tǒng)程序框圖如圖6所示，整個檢測控制均由檢測系統(tǒng)的鍵盤來控制，系統(tǒng)上電時，首先進行初始化，再對檢測系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)管材的內(nèi)徑d0和外徑D0值，再對標(biāo)準(zhǔn)管材進行檢測，求出ΔU１，和ΔU3值，最后進行對被測管材的檢測，求出ΔU２，和ΔU4值。為了提高檢測系統(tǒng)的精度，需對標(biāo)準(zhǔn)管材和被測管材的ΔU１、ΔU3、ΔU2、ΔU4進行連續(xù)10次測量，求出取平均值作為準(zhǔn)確值代入(9)、(10)、(11)中計算出被測管材的內(nèi)徑d、外徑D和壁厚δ值，同時在顯示器上顯示和打印此值。

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

參考文獻：

［１］張新義，等．用于精密孔徑測量的數(shù)字塞規(guī)［Ｊ］．《工具技術(shù)》，2002?3
［２］何立民．《MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計—系統(tǒng)配置與接口技術(shù)》［Ｍ］．北京航空航天大學(xué)出版杜，1992
［３］張毅剛，等．《MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》［Ｍ］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997