不规则内孔轨迹自动测试系统的设计.doc

济南大学毕业设计
1 前言
在工业生产和日常生活中，常常有些管体内部形状复杂且孔径较小，这不规则区域的参数直接影响到整个管体的性能。以输油管道为例，在使用管道进行远距离运输时，管道与管道之间用接头连接，为了改善该区域的受力情况，将该区域做成直径渐变的过渡地带，这个不规则区域称为“过渡带”。在实际使用过程中，由于受到运输液体的参数，管道的工作环境，人为安装等因素的影响，过渡带需承受多种力的综合作用，并且由于过渡带在形成过程中的不规则性，常在薄弱环节处发生断裂或产生蚀洞，造成管道的漏油事件，进而造成严重的经济损失。为此，有关国际会议对过渡带的质量给予极大重视，并对其质量参数做了相应规定。
1.1 管道运输现状
管道运输利于环保，具有一次性投资少、运输成本低、安全性高等独特优势，尤其适合远距离运输易燃、易爆的石油天然气[1]。随着世界经济的稳步增长和世界各国对能源需求的快速发展，并且在新能源技术还不完善的条件下，油气管道的建设在世界各国范围内呈现高速发展趋势，并且建设规模、建设水平都有质的飞跃。其中管道按类别划分如下：
1.1.1 原油管道
⑴ 国外原油管道技术现状[2]
国外原油管道技术现状的长、短距离输送工艺正朝着创新化、多元化、自动化、信息化的方向发展，主要表现在以下6个方面：
① 广泛的采用密闭输送工艺，出现了冷热原油、成品油的顺序输送工艺；
② 对高凝原油采用减阻降凝和热处理工艺；
③ 研发高效、环保、节能的管道设备，使泵效超过85%；
④ 采用直接加热炉，简化加热程序，进一步提高工艺效率，使炉效超过90%；
⑤ 运用PC仿真模拟管道事故工况，进行泄露检测，优化管道的调度管理；
⑥ 对现役管道进行完整性评价及信息化管理。
⑵ 国内原油管道技术现状
自20世纪70年代以来，随着原油长距离输送管道的建设，我国的原油管输技术有了不断发展，并且经过不断的技术攻关和技术改造，已逐渐缩小了与国外先进国家的差距，甚至在一些研究及应用领域已达到或接近世界水平，主要成果如下
① 易凝、高粘度原油添加降凝剂改性输送技术具有世界同等水平；
② 低量运行的加热、加剂处理技术输送工艺具已达到国际领先水平；
③ 除马惠宁输油干线外，国内主要输油干线已实现了密闭输送；
④ 降凝剂的工艺性能已达到国外同类产品的水平；
⑤ 管道用钢材料等级达到X65；
⑥ 自行设计制造的长、短距输送管道用高效输油泵的泵效可达到84%；
⑦ 原油直接加热炉热效率已达91%；
⑧ 节能降耗配套技术攻关取得显著成果，输油管道综合能耗从1995年556kj／（t·km）降至目前437kj／（t·km）；
⑨ 20世纪90年代后期建设的管道均采用SCADA系统，管道自动化控制技术与管道系统同步投产。“九五”期间建成的库尔勒至鄯善输油管道综合显示了我国原油管道的技术现状，此管道全长475 km，管径610 mm，设计输量500×104—1 000×104 t／a，其技术特点表现为，采用API X65等级钢材料。采用加降凝剂经常温输送工艺；管道自动化控制技术采用SCADA系统，并合理设置减压站以解决大落差等突出问题，其综合能耗表现为176kj／(t·km)，用人指标仅为0.18人／km。
1.1.2 成品油管道
⑴ 国外成品油管道技术
国外成品油管道输送技术是面向用户及消费中心的多批次、多品种的出口商业管道，其管道运行的自动化管理水平较高，并可以实现运行参数、混油浓度的检测、输送泄露的检测、界面跟踪以及油品切割的自动控制[3]。
⑵ 国内成品油管道技术现状
20世纪90年代后期，随着成品油管道的建设，我国成品油管道输送技术迅速发展，先后在成品油顺序输送水力的计算、批量跟踪等方面以及运行管理软件额的项目开发上都有了较大改观，但和国外技术水平相比，依旧存在较大差距。
3) 天然气管道
⑴ 国外天然气管道的技术现状
目前，国外输气管道技术主要以远距离、大口径及高压力为标志的世界天然气管道发展为主流；采用内涂层减阻的技术用来提高输送能力，减少输送过程中的磨损量及清管次数、材料以高钢级钢管和完善的调峰技术为发展方向。
⑵ 国内天然气管道的技术现状
我国大部分输气管道建设于20世纪60~70年代，与国外发达国家和地区完善的供气管网相比在建设能力、其技术、输气量等标准上存在很大差距；其主要表现在管道少，管道分布不均，未形成全国性的管网，输气管口直径较小，设计压力较低，输气量较少，由于存在诸多的技术缺像，输气管道应用技术还不能满足市场的需求。[4]
1.2 管道测试技术现状
管道内检测技术能够在保证管道正常运行的状态下，定量的检测出管道内存在的缺陷。该技术的运用为管道事故的预防及合理维护提供了科学依据，对保证管道尤其是远距离输管道的安全运行具有非常重要的作用。使用管道内检测技术有众多的优点：一是有计划地进行管道内检测，不但能识别潜在的管道缺陷，还能够分辨出缺陷的大小、类型以便能早期维护，使其在未达到危险点就被找到，进行维修，减少了大量的损失和对环境的污染。二是应用管道内检测技术，能为管道维修提供科学依据，变抢修为计划检修，有计划地更换个别管段，可大大减少管道维修费用，避免了管道维修的盲目性。三是对管道的承载能力心中有数，适时决定是否增压或减压。四是对管道的管径缺陷情况提供了永久的状况记录，为研发管道和施工提供有益的参考[5]。
管道内检测技术是将各种无损检测（NDT）设备加在岛清管器（PIG）上，将原来用作清扫的非智能改为有信息采集、处理、存储等功能的智能型管道缺陷检测器（SMART PIG），通过清管器在管道内的运动，达到检测管道缺陷的目的。早在1965年美国Tuboscopc公司就已将漏磁通（MFL）无损检测（NDT）技术成功地应用于油气长输管道的内检测，紧接着其他的无损内检测技术也相继产生，并在尝试中发现其广泛的应用前景。
目前国外较有名的监测公司由英国的British Gas、美国的Tuboscopc GE PII、加拿大的Corrpro、德国的Pipetronix，且其产品已基本上达到了多样化和系列化。内检测器按功能可分为用于管道泄漏检测仪、用于检测管道几何变形的测径仪、用于裂纹类平面型缺陷检测的涡流检测仪、用于对因腐蚀产生的体积型缺陷检测的漏磁通检测器、超声波检测仪以及以弹性剪切波为基础的裂纹检测设备等。[6]
a. 测径检测技术
改技术主要用于检测管道因外力引起的几何变形，确定变形具体位置，有的采用磁力感应原理，有的采用机械装置，可检测出内径的几何变化、椭圆度、凹坑以及其他影响管道内有效内径的几何异常现象。
b. 泄漏检测技术
目前较为成熟的技术是声波辐射方法和压差法。前者以声波泄漏检测为基础，利用管道泄漏时产生的20～40 kHz范围内的特有声音，通过带适宜频率选择的电子装置对其进行采集，在通过里程轮和标记系统检测并确定泄漏处的位置；后者由一个带测压装置仪器组成，被检测的管道需要注以适当的液体。泄漏处在管道内形成最低压力区，并在此处设置泄漏检测仪器。
c. 漏磁通过检测技术（MFL）
在所有管道内检测技术中，漏磁通检测历史最长，因为它能够检测出管道内、外腐蚀产生的体积型缺陷，对检测环境要求低，可间接判断涂层状况，可兼用于输油和输气管道，应用范围最为广泛。漏磁通量是一种相对地噪音过程，即使没有对数据采取任何形式的放大，异常信好在数据记录中也很明显，其应用相对较为简单。值得注意的是，使用漏磁通检测仪对管道检测时，需控制清管器的运行速度，漏磁通对其运载工具运行速度相当敏感，虽然目前使用的传感器替代传感器线圈降低了对速度的敏感性，但不能完全消除速度的影响。该技术在对管道进行检测时，要求管壁达到完全磁性饱和。因此测试精度与管壁厚度有关，厚度越大，精度越低，其适用范围通常为管壁厚度不超过12 mm。该技术的精度不如超声波的高，对缺陷准确高度的确定还需依赖操作人员的经验。
d. 压电超声波检测技术
压电超声波检测技术原理类似于传统意义上的超声波检测，传感器通过液体耦合与管壁接触，从而测出管道缺陷。超声波检测对裂纹等平面型缺陷最为敏感，检测精度很高，是目前发现裂纹最好的检测方法。但由于传感器晶体易脆，传感器元件在运行管道环境中易损坏，且传感器晶体需通过液体与管壁保持连续的耦合，对耦合剂清洁度要求较高。因此仅限于液体输送管道。
我国自20世纪80年代开始管道检测技术与设备的研究与应用。先后从国外引进了不同规格的管道腐蚀检测设备。如中国石油天然气管道局先后从德国、美国等国家进口了几种规格的管道腐蚀检测器，并用从德国进口的D720型超声波管道腐蚀检测器和D720型管道通径检测器，并在管道局所属的一些输油管线进行了现场检测。经过十几年的引进、消化吸收和国产化研制，国内现有管道腐蚀检测器已能满足273~720mm各种口径管道的检测需求， 其中自行研制的377mm腐蚀内检测器，1998年研制成功并投入使用，目前已获国家专利， 截止目前，已对20多条共计6612km的油气管道进行了内检测。内检测技术的不断推广应用，降低了管道事故的抢修频率，并逐步转为有计划的检修，大大提高了管道的运行可靠程度。[7]
目前我国铺设的输油和输气管道已达30×10 km，而且目前正在以1000~2000km/a的速度铺设新管线。现有管道中多数管道服务都已有20多年，已到了事故的高发期，必须大力应用和发展内检测技术，为我国管道事业的发展提供良好的保障。
1.3 管道测试的目的和意义
我国有很大一部分管道使用时间已超过20a，管道强度和涂层完整性都已进入危险期，整个油田网络也进入事故高发期。[8]与此同时，我国油田管道人为穿孔盗油现象十分严重，成为我国油田管道泄漏问题的重点，这不仅会造成巨大的财产损失，污染环境，且威胁人身安全。因此，对管道泄漏检测尤为重要，有必要加强检漏技术的开发和研究。随着管道建设规模的扩大，泄漏检测技术也得到发展。目前已有的检漏方法，从最简单的人工分段沿管段巡视发展到较为复杂的计算机软硬件结合的方法。从陆上检测发展到海底检测，甚至利用飞机进行空中对地下管线的检测。
现代工业中高速、高温（变温）、高真空、高压（变压）、易燃、易爆、深冷、强腐蚀性、剧毒、超大规格等工况日益增多，这些系统中任何部位的泄漏都可能会造成更为严重的危害,并且对这些设备的泄漏防治也相对困难。美国国家环保局(THE UNITED STATES EPA)发现大约12%挥发性有害气体排放量(VHAP)都是由工厂法兰与换热器的泄漏造成的；日本曾对该国化工厂发生的事故进行分析，其中火灾、爆炸、设备破坏、中毒等事故中，有近一半是由于泄漏造成的。泄漏有时只发生在局部很小的地方，不易被发现，但所造成的后果却十分严重，有时甚至是灾难性的。
管道是输送危险气体和液体最为安全有效的方式。随着管道使用时间的延长，管道老化问题日益突出，管道的安全运行问题越来越受到人们的重视。根据国内外管道事故统计资料分析，管道投人运行的早期和后期是事故的高发期，特别是后期，管道因腐蚀破坏而造成的穿孔泄漏事故时有发生，管道事故发生的可能性是随着管道运行时间的增加而急剧增加的。在我国，多数管道都已有20多年，已到了事故的高发期， 必须采取相应的措施以防止事故的发生。目前，对于管道的检测较为普遍的观点是采用智能检测器对管道实施内检测。
如果能够对管道实施内检测，就能够准确地把握管道内部状况，并根据适当的优选原则，对一些严重缺陷或潜在问题进行及时维修,就可以避免管道事故发生，同时也能够大大延长管道寿命。管道内检测技术是通过装有无损检测设备及数据采集、处理和存储系统的智能清管器在管道中运行，完成对管体的逐级扫描，达到对缺陷大小、位置的检测目的。
1.4 选题的意义
伴随着我国加入WTO，经济的快速发展，我国的能源问题将日益突出。随着石油勘探开发技术的不断深入，石油作为不可再生资源，其勘探开发难度越来越大，石油储存量日益减少。我国是石油生产大国，也是消费大国和第二大石油进口国，大型化，跨国性输油管道的建设迫在眉急，提高输油管道的综合化，信息化，数字化管理将成为必然。对输油管道的数字测量，轨迹统计等数据库建立，将有助于对输油管道管理的科学化，规范化，理论化，使输油管道安全，高质量的运行。
1.5 设计要求
该设计题目属于机电一体化系统设计的内容，应用到课程包括：测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。
根据所学专业知识，完成不规则内孔轨迹自动测试系统的整体设计，包括测试系统的机械结构系统、电机驱动系统、传感器的调整和固定系统、自动控制系统等几个部分。
该系统的指标如下：
1．系统最大检测位移为10-15mm；
2．传感器采用电感传感器进行接触测量，并配备机械测头与内孔表面接触；
3．传感器可以在内孔的滑槽内移动，移动范围为500 mm；
4．传感器的测头在不测量时可以收缩。
2 不规则内孔轨迹自动测量系统总体设计
2.1 测量方案设计
2.1.1 内孔槽游标卡尺测量
可以将被测内孔抛开，使用游标卡尺对内孔进行测量。该方法测量简单，但测量精度低，人为误差大，对所测物体破坏大。
游标卡尺（图2.1），是一种测量长度、内外径、深度的量具。游标卡尺由主尺和附在主尺上能滑动的游标两部分构成。主尺一般以毫米为单位，而游标上则有10、20或50个分格，根据分格的不同，游标卡尺可分为十分度游标卡尺、二十分度游标卡尺、五十分度格游标卡尺等。游标卡尺的主尺和游标上有两副活动量爪，分别是内测量爪和外测量爪，内测量爪通常用来测量内径，外测量爪通常用来测量长度和外径。
常用游标卡尺按其精度可分为3种：即0.1毫米、0.05毫米和0.02毫米。精度为0.05毫米和0.02毫米的游标卡尺。它们的工作原理和使用方法与本书介绍的精度为0.1毫米的游标卡尺相同。精度为0.05毫米的游标卡尺的游标上有20个等分刻度，总长为19毫米。

图2.1 游标卡尺测量

2.1.2 机械测径规测量
测径规（图2.2）是用于检测、定位和测量管壁几何形状异常的。常用的测径器使用一定排列的机械抓手或有机械抓手的辐射架。机械抓手压着管道内壁并会因横断面的任何变化引起偏移，这些偏移可能是由于一个凹陷、偏圈、褶皱或附着在管壁上的碎屑引起的。捕捉到的偏移信号被转换为电子信号存储到机载的存储器上，将一次运行后的数据取出并使用合适的软件加以分析和显示，从而确定那些可影响到管道完整性的异常点。目前市场上的测径器提供的被测管径范100~1500mm不等，其灵敏度通常为管段直径的0.2%~1%，精度大约0.1%~2%。

图2.2 机械测径规
2.1.3 激光测径仪测量
激光测径仪（图2.3）是光电一体化的高新技术产品。采用激光扫描方式，对生产线上圆形被测对象实现高速、高精度、非接触测量，由于非接触测量点，对被测对象无任何干扰，因此非常适合热的、软的、运动的和振动的被测对象。
该仪器在测量范围内，可预置外径尺寸的标称值和极限偏差，通过微型计算机对测量信号进行实时处理，测量结果数字显示，超差灯光报警，并标出预置标称值，输出偏差的模拟信号，调节生产设备的有关参数，实现生产线的闭环，提高产品质量，节约原材料。
该仪器具有较强的自检功能，出现故障可自行诊断，由显示器显示故障原因。也可由操作者通过键盘送入诊断命令，进行诊断。该仪器可连续运行稳定可靠。
该仪器可广泛应用于电线、电缆、钢铁线材、橡胶管、橡胶棒、医用玻璃管等生产线，实现外径的自动控制。机械制造业，对大量的需要百分之百检验的零件，该仪器可用于检验生产线，对零件进行测量和分选。

图2.3 激光测径仪
2.1.4 超声波技术测量
使用超声波技术测量管道壁厚，通过管道外形可以做出管道内孔轨迹。
超声波测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。
1）一般测量方法
a．在一点处用探头进行两次测厚，在两次测量中探头的分割面要互为90°，取较小值为被测工件厚度值。 　　
b．30mm 多点测量法：当测量值不稳定时，以一个测定点为中心，在直径约为30mm 的圆内进行多次测量，取最小值为被测工件厚度值。
2) 精确测量法
在规定的测量点周围增加测量数目，厚度变化用等厚线表示。
3) 连续测量法
用单点测量法沿指定路线连续测量，间隔不大于5mm。
4) 网格测量法
在指定区域划上网格，按点测厚记录。此方法在高压设备、不锈钢衬里腐蚀监测中广泛使用。
2.1.5 胃镜技术测量
借用医学上胃镜（图2.4）的方法，使用一条一条直径约一公分的黑色塑胶包裹导光纤维的细长管子，前端装有内视镜伸入被测内孔，藉由光源器所发出之强光，经由导光纤维可使光转弯，测试者可以从电脑屏幕上直接观察到内孔轨迹状况。该方法使用简单，可以直观的测试到内孔轨迹形状。但该方法花费较大，不适合实际操作。

图2.4 胃镜
2.1.6 电感传感器技术测量
采用电感传感器进行接触测量，并配备机械测头与内孔表面接触。利用电机驱动丝杠带动传感器装置伸入被测内孔进行测量，由单片机控制信号输出，电感传感器接触式测量的位移数据由单片机返回，再由计算机模拟出所测内孔的轨迹。
该方法切合实际，便于在实验室进行操作，所需仪器可以在实验室中获得。测量方法相对简单，测量精度相对准确，可以将所学知识更好的运用。
2.2 测量系统的设计
2.2.1 数据采集
对于输油管道过渡带内轨迹，需要检测各轨迹上的点的变化规律，采用传感器通入技术过对管道内轨迹进行精密测量。再利用数据线把采集到的信号输送到信息处理中心，通过PC机实现数据的存储和显示，并把采集的数据绘制成曲线，描绘出管道的内孔轨迹图像。
2.2.2 机械结构与固定
对输油管道过渡带内轨迹的检测，需要将数据采集装置深入管道内，并能在管道内沿过渡带平稳连续移动，采用传统的机械传动装置，即整个系统有微型电机带动。工作时，微型电机的运转先通过减速器进行减速，然后再经过丝杠带动侧头做轴运动，利用平行四边行原理的测头连续感受管道的内轨迹的变化位移，实现数据的采集，传输。如图2.5所示

数字显示
电感传感器
电感测微仪
计算机
微型电机
蜗轮
减速器
齿轮减
速机构
螺纹
丝杠
平行四边行转换机构
换机构
定距
信号
CTR打印
输出
霍尔传感器

图 2.5 检测器的整机原理
2.2.3 数据处理
由于通过传感器采集的信号一般是模拟信号不能被计算机识别，且采集到的信号功率较小。所以一般的数据测量系统首先利用传感器技术采集微位移数据信号，将采集到的信号经过测量电路转换为电压信号并进行放大，把放大模拟信号传送给A／D转换器，转换为数字信号后送给单片机，通过单片机进行数据处理，最终在PC机显示器上显示出输油管道每点所测量的微距，经行数据的统计和处理。
2.2.4 支架固定机构
为了确定在装置系统在检测过程中，发生机构移动给测量精度带来的损失，在支架地板采用有真空压力吸合的方式，使机构紧固在实验台上，完成每个检测位置的测量精度的要求。
2.2.5 数据显示与曲线绘制
为了能实时地再现内孔表面的轨迹特征，并能够人为主观的调节测头的测量范围，要实时地跟踪显示传感器测量结果，通过键盘，显示其接口实现该性能的要求，并通过数据总线传输给打印机外设中，绘制出测量轨迹的图线。
2.3 传感器
2.3.1 传感器选择
（1） 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
（2） 灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
（3） 响应特性 （反应时间）
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
（4） 线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
（5） 稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
（6） 精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。
2.3.2 电感式传感器
电感式传感器 inductance type transducer 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器具有以下特点： 　　
（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 　
（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 　　
（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 　　
电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。

a 变间隙型电感传感器结构 b 变面积型电感传感器结构
图2.6 自感式传感器结构
图2.6中介绍的是自感式传感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 　
变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图2.6 a）。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。δ一般取在0.1～0.5毫米之间。 　　
变面积型电感传感器 这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变,从而改变磁阻（图2.6 b）。它的灵敏度为常数，线性度也很好。 　　

3 不规则内孔轨迹自动测量系统机械结构设计
3.1 机械系统概述
3.1.1 工作原理
由机械总装图机械传动部分的工作原理可知，单片机发出脉冲，控制微型电机利用联轴器，通过蜗轮蜗杆啮合，齿轮传动，丝母传动，带动丝杠按一定的速度平动，使安装在丝杠上的平行四边形转换机构带动机械测头以一定的速度平移。通过机械测头的位移变化转换为电感传感器的两极的距离变化，由传感器的工作原理进一步转化为电信号的变化，通过数据线传送到信号处理中心。调节丝杠轴位置，使其中心线与管体接头中心线重合，通过机械测头将径向的变化量通过平行四边形转换机构变为电感传感器的输出，并经电感测微仪放大，有A/D转换器变换为数字信号，送入单片机进行处理。
3.1.2 工作要求
在机械传动系统中[9]，各零件容易发生断裂或不允许的形变，各零件表面受腐蚀、磨损、接触疲劳以及受零件使用寿命的限制，使零件发生失效从而使零件丧失工作能力。因此需对零件的强度，刚度进行校核，让零件能在指定的安全周期范围内工作，以保证系统的工作精度。
3.2 电动机的选型
由工作原理知，内孔过渡带表面的粗糙度差别较大[10]，为使测头在管体内不易被损坏，测头在管道内的平移速度需缓慢稳定，因此丝杠轴的平动速度不能太大，使测头在安全速度范围内稳定工作，以保证测量的精确度。
初选电动机型号为Y801-4，其参数如下表3.1所示
表 3.1 Y801-4技术数据
额定功率/KW
0.55
满载转速/(r/min)
1390
同步转速/(r.min)
1500
堵转转据/N·m
2.4
最大转矩/N·m
2.3
质量/Kg
17
3.3 齿轮传动、蜗轮传动计算
⑴ 传动效率的选择
检测系统的工作环境的阻力较小，其连续工作的功率要求不高，从《机械课程设计手册》书的表1-7中选择机械传动和摩擦副的效率概率值[4]，其选择参数如下：
双头蜗杆传动η：0.75-0.82，选择η3=0.8；滑块联轴器η：0.97-0.99，选择η1=0.98圆柱齿轮齿轮传动η4：0.97(8级精度)； 滚动轴承η2：0.98(一对)。
⑵ 蜗轮传动选择
电动机功率P=0.55KW，则蜗杆功率
P1=P*η1*η2=0.55×0.98×0.98=0.52822 (3.1)
① 蜗杆参数
采用阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)，轴向压力角αa=20°，Z1=2，直径系数q=11，d1=44，da1=52，df1=34
② 蜗轮参数
Z2=27，M2=4 ，x2=0.1，d2=108，da2=116.8，df2=98.8
则蜗杆传动的标准中心距为：
(3.2)
⑶ 齿轮传动选择
① 大齿轮参数
P3= P*η1*η2*η3=0.55×0.98×0.98×0.8=0.422576 (3.3)
Z4=70，m=2.5，d4=135，ha=2.5，hf=3.125，α=20°
② 小齿轮的功率
P4= P*η1*η2*η3*η4=0.55×0.98×0.98×0.8×0.97=0.40989 (3.4)
Z3=35，m=2.5，d3=87.5，da3=100，df3=81.25，α=20°
3.4 零件校核
⑴ 轴的校核
① 强度校核 由于检测系统的轴仅仅是作传动轴，主要用于承受扭矩，因此可以按扭转强度条件计算，且由于该系统的转速不是很高。所以不存在瞬时过载很大火应力循环不对称性等情况，所以不用校核静强度。校核步骤如下
轴的扭转强度条件为
(3.5)
式中：-扭转切应力，Mpa； T-轴所受的扭矩，N·mm；
Wt-轴的抗扭界面系数，mm3； n-轴的转速，r/min；
P-轴传递的功率，KW； d-计算截面处轴的直径，mm；
-许用扭转切应力
由3-5可得轴的直径
(3.6)
式中，,查表15-3，对于系统的轴材料为45号钢时，A0=126-103
蜗轮的功率 P2=P1*0.8=0.422576 (3.7)
轴的转速 (3.8)
代入式3.6得 (mm)
传动轴的轴径分为5部分，其直径分别为：30mm，37mm，45mm，39mm，30mm；均满足要求，则此轴的强度合格，能满足工作要求。
② 扭转刚度校核
轴的扭转变形用每米长的扭转角ψ表示 。圆轴扭转角ψ(度/米)的计算公式为：
阶梯轴 (3.9)
式中：T-轴所受的扭矩，N·mm；
G-轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于刚才，G=8.1*104 MPa；
Ip-轴截面的极惯性矩，mm4，对于圆轴，IP=；
L-阶梯轴受扭矩作用的长度，mm；
Ti，li，IP-分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位为N·mm
轴的扭转刚度条件为
(3.10)
检测系统为一般传动轴，可取
由传动装置：L=175，d=30，Ii=175
(3.11)
代入数据得，

满足设计要求，由于取轴上最小直径作为轴的扭矩条件，则直径大的直径一定符合要求在相同材料的情况下，因此轴上其它轴端的尺寸也符合工作性能要求传动轴合格。

4 电路与控制系统设计

5 数据处理分析

6 结 论

参 考 文 献
目 录
第1章 项目概况与项目建设的必要性 1
1.1项目概况 1
1.1.1项目名称 1
1.1.2项目主管单位 1
1.1.3 项目建设单位 1
1.1.4项目建设单位负责人 1
1.1.5项目建设性质 1
1.1.6项目建设地点 1
1.1.7项目建设期 2
1.1.8项目建设内容和规模 2
1.1.9项目投资估算 2
1.1.10项目资金筹措方案 3
1.1.11项目建设效益 3
1.2项目建设背景 3
1.2.1地理气候条件 3
1.2.2工业园区发展规划 4
1.2.3工业区已具产业规模 5
1.2.4项目提出的理由与过程 6
1.3项目建设必要性分析 9
1.3.1某某市“十一五发展规划”的要求 9
1.3.2某某市总体规划的要求 10
1.3.3某某市经济发展的要求 11
1.3.4园区发展的要求 12
1.4项目社会效益分析 13
1.4.1扩大内需，促进经济增长 13
1.4.2改善工业园区投资环境 14
1.4.3促进生产发展和提高人民生活水平 15
1.4.4促进园区的可持续发展 15
1.4.5带动园区周边土地增值及房地产发展 16
1.5项目建设可行性分析 17
1.5.1政府支持 17
1.5.2资金支持 17
1.5.3建设条件满足 18
1.6结论 18
第2章 项目建设内容及方案 19
2.1项目建设内容 19
2.1.1项目建设地点 19
2.1.2项目建设内容 19
2.1.3项目建设规模 19
2.2项目建设方案 20
2.2.1项目建设目标 20
2.2.2项目建设方案 20
2.2.3项目功能分析 23
2.3项目建设原则 26
2.3.1以人为本与可持续发展的原则 26
2.3.2集聚发展原则 27
2.3.3因地制宜原则 27
2.3.4环境保护原则 27
2.3.5节能降耗原则 27
2.3.6抗震原则 28
2.4建筑造型 28
第3章 项目建设和进度安排 29
3.1项目工程建设管理 29
3.1.1施工组织管理 29
3.1.2项目资金管理 29
3.1.3严格执行工程监理制度 29
3.2建设期安排与实施计划 30
3.2.1建设工期 30
3.2.2项目实施进度安排 30
3.2.3工程进度表 31
3.3项目建设劳动安全管理 34
第4章 各项建设条件落实情况 35
4.1园区建设规划与现状 35
4.2项目建设基本条件 36
4.2.1地形地貌条件 36
4.2.2工程地质条件 36
4.2.3城镇规划、园区区域规划条件 37
4.2.4交通条件 37
4.2.5社会环境条件 37
4.2.6征地拆迁条件 37
4.2.7施工条件 38
4.2.8资金条件 38
4.3环境保护及节能、消防 38
4.3.1环境保护 38
4.3.2节能降耗 40
4.3.3消防安全 43
4.4结论 44
第5章 投资估算与资金筹措 45
5.1编制范围 45
5.2编制依据 45
5.3单位价格 45
5.4其他费用 46
5.5建设投资估算 46
5.6年度投资计划 46
5.7资金筹措 47
第6章 财务评价 48
6.1概述 48
6.2依据与说明 48
6.3收入预测 48
6.4项目赢利能力分析 49
6.5财务评价 50
第7章 社会风险和融资风险分析 52
7.1项目社会影响分析 52
7.2项目与所在地互适性分析 53
7.3社会风险分析 53
7.4社会评价结论 54
7.5融资风险分析 54
7.5.1融资风