引言

從20世紀70年代開始，我國油氣管道大規模建設到現在為止，相繼建成了原油管道、天然氣管道、成品油管道、海底油氣管道。陸上原油管道主要分布在西北、華東、東北、華北地區。陸上天然氣管道有西氣東輸干線管網、陜京輸氣管網、中國石化山東天然氣管網(一、二、三期)、忠武線、澀寧蘭管道等。其中西氣東輸管線是我國輸送距離最長、輸氣壓力最高、管徑最大、鋼材等級最高的長輸管線。成品油輸送管道有蘭成渝管道。隨著中俄之間達成石油輸送協議，東西伯利亞至太平洋中俄石油管道也正在緊張的鋪設施工中。我國處于經濟高速增長的建設時期，保證長輸油氣管線的正常工作具有極其重要的經濟和戰略意義[1-2]。

隨著海域和水深的不斷擴大，海底石油管線已成為油氣集輸與儲運系統的一個重要組成部分。海底油氣管道是投資高、風險大的海洋工程，它對海上油氣田開發、生產與產品外輸起著至關重要的作用，被喻為海上油氣田的生命線。海底管道的各種損傷缺陷都有可能導致原油的泄漏，造成海洋環境的污染并嚴重影響作業的安全，甚至造成停產。因此，海底管道的在線檢測十分必要[3]。

1硬件框架

本系統下位機硬件電路由傳感器部分、信號調理電路、數據采集電路、基于PC104總線的CPU模塊等部分組成。系統使用鋰離子電池組統一供電，使用無線遙控開關控制電源的開合。檢測儀所采集的數據存儲在存儲器中，課題選用CompactFlash存儲卡。CF卡通過讀卡器直接與上層PC機系統連接，然后上位機對CF卡中的數據處理做進一步的處理。系統的功能框圖如圖1-1所示。

圖1-1 硬件系統功能框圖

2PC/104CPU模塊[4]

PC/104是一種工業控制總線，是國際上最早的嵌入式計算機總線標準，由美國的AmPro公司于1980年開發，1992年被IEEE協會定義為IEEE-P996.1。PC104采用ISA總線架構，與標準臺式PC/AT體系結構在硬件和軟件上完全兼容。PC104總線標準被廣泛應用于嵌入式領域，構成一種優化的、小型、堆棧式結構的嵌入式系統。

PC104模塊的特點有：

(1)體積小。3.6x3.8英寸(96x90mm)

(2)功耗低。大多數PC104模塊采用單+5V電源，6mA總線驅動可使模塊正常工作，無須散熱。

(3)開發簡單。由于與PC機兼容，該模塊可外接顯示器、鍵盤、硬盤等構成最基本的計算機系統，從而利用傳統的已有的軟件硬件開發方法進行開發，從而縮短產品開發周期，降低開發成本。

(4)可靠性高。該模塊采用電磁兼容抗干擾技術、疊層棧接抗震技術、高精度多層板技術、高精度雙面SMT技術，大大提高了可靠性。

(5)接口豐富。強化了并行口和串行口，常規PC機的所有通用接口均得以實現。

由于PC104模塊的優良品質，目前被廣泛地應用于工業控制、航空航天、軍事、醫療、電子、機械、等各個領域。根據實際配置和應用的不同，PC104模塊的應用可分為三類：

(1)CPU模塊。

(2)擴展功能模塊。該應用充分發揮了PC104模塊接口豐富的特點，應用于磁盤接口控制、顯示控制、通訊控制、網絡控制等各種產品。

(3)數據采集與控制模塊。該應用可提供從16路到18路的數字I/O，可提供12位、14位、16位等不同分辨率的A/D、D/A。

3.傳感器選型[6-7]

要實現對油氣管道內形變位置和形變大小的確定就要選擇合適的傳感器完成對這些參數的采集，本課題使用了兩種傳感器分別用來檢測管道的形變、檢測儀在管道內前行過程中所在的位置。

（1）行程檢測

本文選用磁傳感器來實現對計程輪滾動圈數的檢測，計程輪轉動時將產生脈沖信號，CPU通過對脈沖信號的分析得出計程輪滾動的相關信息，最終換算成檢測儀在管道內的位置。磁傳感器是一種對磁感應強度、磁場強度和磁通量敏感，并能把這些磁學量信息轉換成電信息的傳感器。

本文所選磁敏傳感器是基于霍爾效應的原理設計的。霍爾效應原理如圖3-1所示[5]：

圖3-3霍爾效應原理圖

一塊長為l、寬為ω、厚為d的N型半導體薄片，位于磁感應強度為B的磁場中，B垂直于l-ω平面。沿l通以電流I，N型半導體中的多數載流子及電子將受到洛倫茲力FB的作用，有：

(3-1)

式中，e為電子電量，v為電子速度。當B不垂直于l-ω平面，而是與l方向的電流夾角為α時，則FB=-evBsinα。在力FB的作用下，電子向半導體片的一個側面偏轉，在該側面上形成電子的積累，而在相對的另一側面上則因缺少電子而出現等量的正電荷。在這兩個側面上產生霍爾電場EH，所以電子在受到磁場作用力FB的同時，在ω方向還將受到霍爾電場EH的作用力FH=-eEH，FH與FB方向相反，以阻止FB對電子產生的偏移運動。當霍爾電場力FH增大到與FB數值相等時，電子的積累將達到動態平衡，有

(3-2)

(3-3)

由于存在EH，半導體片兩側面間出現電位差UH，稱為霍爾電勢。

霍爾元件是基于霍爾效應即電流磁效應制成的一種磁敏傳感器，如圖3-2所示為采用霍爾元件的檢測電路[6]，磁轉子隨計程輪的轉動而轉動，磁轉子M旋轉的同時，使霍爾元件H的磁極（N、S）產生變化，從而檢測計程輪的轉動。

從霍爾元件結構上看，輸出端包含共模電壓UC，電壓UC與霍爾電壓毫無關系，使用時此電壓必須除去，一般采用差動輸入的運算放大器。該電路就是采用運算放大器除去共模電壓。霍爾元件的輸出端接到差動放大器的輸入端，因此c點電壓等于d點電壓時，運算放大器無輸出；c點電壓大于d點電壓或小于d點電壓時，有差動信號輸入，這時運算放大器輸出端有較大的輸出電壓。輸出為矩形波，電路中的反饋電阻Rf小時，也能獲得平穩的輸出波形。運算放大器有較大的放大作用，霍爾元件輸出很小也不會有問題。

圖3-2采用霍爾元件的檢測電路

（1）形變檢測

油氣管道內形變檢測儀沿管壁需要檢測8路位移信號，從而確定管道的形變情況。西安蘭華傳感器有限公司按照檢測儀的尺寸要求設計了電感調頻式位移傳感器。該傳感器由位于同一基座和殼體內的敏感元件、集成電路和諧振電容構成LC震蕩電路，傳感器的輸出信號頻率約為。其工作原理如圖3-3所示[7]。

圖3-3位移傳感器工作原理圖

敏感元件是由螺管線圈和軟磁鐵芯組成。鐵芯在線圈內的移動會改變磁路的磁阻，從而改變線圈的電感，振蕩電路的輸出信號頻率進而受到影響。通過合理的選配鐵芯材料、線圈工藝結構、電容、電路等，可以使移動距離和輸出信號的頻率變化呈良好的線性關系。該傳感器的性能參數有：

中心頻率：15kHz±4%；

量程：25mm；

耐壓：4MPa；

工作電壓：9±5%VDC；

工作電流：1～10mA；

允許環境溫度：-20～+60℃

滿量程相對頻偏△f/f0（%）：≥6；

抗沖擊加速度：≥100g。

由于傳感器輸出的是頻率信號，而數據采集電路只能通過A/D模塊對模擬信號進行采集，所以需要將頻率信號轉換為電壓信號。該信號調理的功能可被整合在傳感器內，其工作原理如圖3-4所示[8]。

圖3-4頻率/電壓轉換原理圖

頻率/電壓轉換電路由電平比較器、單穩態振蕩器和低通濾波器三個部分組成。頻率輸入信號Fin通過比較器變為窄脈沖信號，窄脈沖信號通過單穩態振蕩器變為固定寬度、固定幅度的脈沖序列，脈沖序列經低通濾波器取平均值即可產生與頻率輸入信號Fin成比例的電壓輸出信號Vo。

4軟件設計

CPU通過程序不斷讀取并測試外部設備狀態，如果輸入外部設備處于已準備好或輸出外部設備為空閑狀態時，則CPU執行傳送信息指令。這種方式是CPU在不斷調查外部設備的當前狀態后才進行信息傳送，所以也稱為“查詢式傳送”[9]。

如圖4-1表示了從外圍設備讀取數據并將其存放在存儲器中的程序流程圖。

圖4-1程序控制I/O流程

輸入設備在數據準備好后便往接口發送一個“準備好”信號，在查詢過程中，CPU先從外部設備中讀取狀態字，檢查數據是否“準備好”，若已準備好，CPU即可通過地址總線選通外部設備的數據寄存器，將數據讀入。

5結論

設計了基于PC104接口的數據采集電路，實現了對模擬量和脈沖量的固定時間間隔循環采集，使用可編程定時器82C54產生定時中斷，避免了軟件中斷不精確和不可靠的弊端，達到了對管道形變位置的精確定位。

5參考文獻

[1]李軍，王洪彬，李燕，影響海底管道壽命的主要因素及防范建議，石油工程建設，2007，33（2）：35-38

[2]李著信,蘇毅,呂宏慶等,管道在線檢測技術及檢測機器人研究,后勤工程學院學報，2006，22（4）：41-45

[3]李羨清，管道檢測技術現狀與動向，管道技術與設備，1994，（6）：34-38

[4]潘春嶺，基于PC104總線的高速硬幣清分機研制，[學位論文]南京：南京航空航天大學，2007

[5]潘春嶺，基于PC104總線的高速硬幣清分機研制，[學位論文]南京：南京航空航天大學，2007

[6]李科杰，現代傳感技術，北京：電子工業出版社，2006。193-194

[7]何希才，任力穎，楊靜，實用傳感器接口電路實例，北京：中國電力出版社，2007。

[8]王德盛，電感調頻式位移傳感器與應用，微型機與應用，1994，（12）：11-13

[9]熊剛，董斌，許曉鳴等，頻率/電壓轉換原理及應用，自動化儀表，1997，18（8）：37-38

[10]吳秀清，周荷琴，微型計算機原理與接口技術，合肥：中國科學技術大學出版社，2002。253-256