一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统论文和设计-刘力

全文摘要

本实用新型公开了一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，它的组成包括：被测船体表面(1)，测厚装置(2)，网关节点(3)，GPRS(4)，Internet(5)，测厚中心(6)。测厚装置(2)安装在被测船体表面(1)上，测厚装置(2)对被船体表面(1)进行测厚，并将测厚结果发送至网关节点(3)，通过GPRS(4)与Internet(5)将测厚信息实时发送到测厚中心(6)的数据库处理系统，其中：测厚装置(2)的组成包括电磁超声换能器(7)，超声发射电路(8)，信号调理电路(9)，ZigBee芯片(10)，电源(11)。本实用新型的有益效果：采用电磁超声换能器具有非接触、无须耦合介质、方便产生水平切波等优点。

主设计要求

1.一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，它的组成包括：被测船体表面(1)，测厚装置(2)，网关节点(3)，GPRS(4)，Internet(5)，测厚中心(6)，其特征在于：测厚装置(2)安装在被测船体表面(1)上，测厚装置(2)对被船体表面(1)进行测厚，并将测厚结果发送至网关节点(3)，通过GPRS(4)与Internet(5)将测厚信息实时发送到测厚中心(6)的数据库处理系统。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，其特征在于：所述测厚装置(2)的组成包括：电磁超声换能器(7)，超声发射电路(8)，信号调理电路(9)，ZigBee芯片(10)，电源(11)。

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，其特征在于：所述电磁超声换能器(7)组成包括：被测船体表面(1)，扁平线圈，永磁体，匹配电路。

4.根据权利要求2所述的一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，其特征在于：所述超声发射电路(8)组成包括：输出滤波调谐电路，激励信号产生电路，驱动控制电路。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于电磁无损检测技术领域，尤其是涉及船舶船体厚度测量的电磁超声导波检测系统。

背景技术

为保证船舶航行安全，减少和避免海上事故发生。近年来各国船级社对船龄较长的各类船舶壳体的测厚工作十分重视。不仅要求测厚人员取证上岗，检测操作规范化，而且对测厚数据的记录、处理及报表也日趋标准化。

一艘船龄15年以上的万吨货轮测厚一般达千余点。船龄越长、吨位越大则测厚点数越多，有的可达数干点。测厚人员既要而对繁重的检测工作量，又要面对庞大的测量数据的计算、整理和填表等最为繁琐的工作。仅靠人工的手记笔算的传统处理方法则花费大量时间和人力，严重影响测厚工作的进度。因此，测厚数据处理工作是关系到测厚工程的效率和整体形象的重要问题。为解决这个现实问题，适应船舶的短周期测厚需要，从根本上克服人工处理所无法避免的数据错漏、速度缓慢的弊病。

实用新型内容

针对上述情况，本实用新型提出的大型船舶船体测厚系统采用电磁超声导波，再加之采用ZigBee无线传感网络，克服上述检测存在的缺陷。

本实用新型采用的技术方案：

一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，它的组成包括：被测船体表面1，测厚装置2，网关节点3，GPRS4，Internet5，测厚中心6。测厚装置2安装在被测船体表面1上，测厚装置2对被船体表面1进行测厚，并将测厚结果发送至网关节点3，通过GPRS4与Internet5 将测厚信息实时发送至测厚中心6的数据库处理系统。

所述测厚装置2的组成包括电磁超声换能器7，超声发射电路8，信号调理电路9，ZigBee 芯片10，电源11。

所述电磁超声换能器7组成包括：被测船体表面1，扁平线圈，永磁体，匹配电路。

所述超声发射电路8组成包括：输出滤波调谐电路，激励信号产生电路，驱动控制电路。

本实用新型的有益效果：

采用电磁超声换能器具有非接触、无须耦合介质、方便产生水平切波等优点；采用ZigBee 无线网络通信，省去布线的麻烦，易于升级维护；节约了成本、避免了有线设备的损坏几率，节省了人力成本。

附图说明

图1为系统组成示意图。

图2为测厚装置组成图。

图3为测厚装置结构图。

图4为超声发射电路组成图。

图中：1为被测船体表面，2为测厚装置，3为网关节点，4为GPRS，5为Internet， 6为检测中心，7为电磁超声换能器，8为超声发射电路，9为信号调理电路，10为ZigBee 芯片，11为电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步的说明。

1.系统的整体情况

(1)一种基于电磁超声导波的大型船舶船体测厚系统，它的组成包括：被测船体表面1，测厚装置2，网关节点3，GPRS4，Internet5，测厚中心6。测厚装置2安装在被测船体表面1 上，测厚装置2对被船体表面1进行测厚，并通过测厚装置2的无线传感网络发射至网关节点3，并通过GPRS4与Internet5将测厚信息实时发射到测厚中心6的数据库处理系统，如图1所示。

(2)测厚装置2的组成包括电磁超声换能器7，超声发射电路8，信号调理电路9，ZigBee 芯片10，电源11，如图2所示。

(3)电磁超声换能器7组成包括：被测船体表面1，扁平线圈，永磁体，匹配电路，如图3所示。

(4)超声发射电路8组成包括：输出滤波调谐电路，激励信号产生电路，驱动控制电路，如图4所示。

2.电磁超声导波测厚

电磁超声测厚法采用直声束脉冲反射法，而当进行快速扫描和高分辨率检测，或者对薄材料进行检测时，也可以应用斜声束一发一收技术。

超声波在传播的过程中，遇到两种介质交界面会发生反射和透射现象。垂直入射波在工件上下表面来回反射的过程中，在工件和空气的上下交界面会反射和透射。假定工件(金属材料)和空气的声阻抗分别为Z_{1<\/sub>和Z_{2<\/sub>，对于超声波垂直入射的情况，可以得到反射系数R和投射系数T分别如下：}}

由于空气中的声阻抗Z_{2<\/sub>远远小于工件中的声阻抗Z_{1<\/sub>，所以，R近似于1，而T近似于0，超声波在交界面处基本发生全反射，可以在工件的上下表面处来回多次反射。则被测工件的厚度可以用下式计算得出：}}

其中，d为被测工件厚度，T_{n<\/sub>为两个回波信号波峰之间的时间差，即为超声波在被测工件上下表面往返的传播时间，C为电磁超声在被测体中的声速。由于在不同温度下，超声波在工件中的传播速度有所不同，所以，有时还需要对超声波的传播速度进行温度补偿修正。}

永磁体可以提供高达1T的恒定偏置磁场。匹配电路使换能器的转换效率提高。被测工件为铁磁性材料或导体，超声发射电路包括功率放大器、脉冲产生电路和频率调节器。功率放大器为脉冲产生电路进行充电，频率调节器调节产生的窄脉冲的脉宽和正弦波的频率，该电路核心器件是可编程逻辑器件(FPGA)，可以通过在线编程调节任意频率的波形，电磁超声换能器接收超声回波信号后，经过放大、滤波、数据采样，进入PC，经过数字信号滤波，进行厚度的求值运算。放大滤波后的波形也可以通过示波器进行观察。测厚装置结构如图3所示。

3.ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。 ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit\/s、20kbit\/s和40kbit\/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

ZigBee模块是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。该产品采用高性能的工业级ZigBee方案，提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；低功耗设计，最低功耗小于1mA；提供6路I\/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I\/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。

应用设计：采用高性能工业级ZigBee芯片；低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗；电源输入(DC 2.0～3.6V)。稳定可靠：WDT看门狗设计，保证系统稳定；提供TTL串行接口，SPI接口；天线接口防雷保护。

标准易用：采用2.0的SMA与DIP接口，特别适合于不同用户的应用需求；提供TL接口可直接连相同电压的TTL串口设备；智能型数据模块，上电即可进入数据传输状态；使用方便，灵活，多种工作模式选择；方便的系统配置和维护接口；支持串口软件升级和远程维护。

功能强大：支持ZigBee无线短距离数据传输功能；具备中继路由和终端设备功能；支持点对点、点对多点、对等和Mesh网络；

网络容量大：65535个节点；节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可任意设置；发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选；通信距离大；提供6路I\/O，可实现6路数字量输入输出；兼容6路脉冲输出、3路模拟量输入、3路脉冲计数功能。

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit\/s、20kbit\/s和40kbit\/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：(1)低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。(2)成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5-2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4)网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。(5)可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

4.GPRS技术

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS可说是 GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS 的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

GPRS可提供高达115kbps的传输速率(最高值为171.2kbps，不包括FEC)。这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1GPRS 是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务。

数据速率最高可达164kb\/8.GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。要实现 GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。GPRS网络引入GSN(GPRS Surporting Node)节点。移动台则必须是GPRS移动台或GPRS\/GSM双模移动台。

5.Internet接入

业务描述GPRS这是GPRS最普遍的一种应用，利用手机+笔记本接入Internet。用户IP 地址分配及与IP网络连接方案手机+笔记本接入Internet业务的用户地址可以分配公有地址或私有地址，从节约公有地址角度出发，建议采用私有地址。

实现方式为：手机接入经过服务器RADIUS授权后，由GGSN分配私有地址，该私有地址通过NAT转换后接入CMNet。

Internet接入方式选择GGSN接入Internet有透明和非透明两种方式。如果移动运营商作为GPRS运营商的同时，直接作为ISP提供Internet接入服务，建议采用透明方式，用户接入因特网无须进行认证，可由移动用户鉴权替代，这样可加快用户接入速度，减少RADIUS 服务器的投资。也可以采用非透明方式接入Internet，通过RADIUS进行用户认证。

设计图

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