基于SOC的管道健康监测系统研究

作     者：聂高乾 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲志刚;王立坤

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：超声导波 SOC技术 无损检测 管道 系统设计 

摘      要：管道在工业运输领域具有及其重要的地位,但是由于管道老化、外力破坏、化学腐蚀等原因造成管道破损,当损坏严重时会导致管道泄漏对人民生命财产安全造成危险。超声导波无损检测技术具有检测距离长、覆盖面广、无损伤等优点,适用于工业管道健康监测。为了监测服役管道的健康状态及时的发现潜在的危险进行维护,需要研制一套检测精准、工作状态稳定的基于超声导波的管道健康监测系统。本文分析了超声导波在管道内的传播物理特性,选择压电陶瓷材质的传感器单元用于导波信号激励和回波信号接收,以超声导波无损检测技术为检测理论基础,采用Zynq-7000系列xc7z045 SOC芯片作为主控,搭建硬件电路、系统控制程序以及上位机软件,通过压电陶瓷传感器阵列激励和接收超声导波,实现对管道健康的实时监测。本系统硬件电路部分主要由SOC FPGA主控模块、系统电源模块、高压放大电路、带通滤波放大电路、混合模拟信号转化电路、信号隔离电路组成。在硬件电路的基础上搭建系统控制程序主要包括SOC FPGA端系统控制程序以及SOC ARM端以太网通信程序。SOC FPGA端利用硬件描述语言实现导波激励信号的产生以及回波信号的采集,输入到SOC FPGA内部的采集数据经过CIC抽取滤波处理后通过AXI总线发送到ARM端的DDR中保存。SOC ARM端搭建轻型网络协议栈实现TCP/IP以太网通信将存储的采集数据发送到PC端。为了方便回波信号的监测使用Lab VIEW软件搭建上位机程序进行实时显示,同时还可通过上位机实现系统工作状态配置。经过软硬件系统的调试和样机性能测试,所设计的管道健康监测系统在收发一体的工作模式下,能够准确定位到管道缺陷位置并且可以监测到缺陷深度的变化。