[0001] 本发明属于管道检测技术领域，具体涉及一种基于微波反射的聚乙烯管道缺陷检测装置及检测方法。

[0002] 随着全球能源需求的不断增长，天然气作为一种清洁、高效的能源，其运输和供应系统的安全性与可靠性变得尤为重要。天然气管道作为天然气运输的主要载体，其安全性
和完整性直接关系到公共安全、环境保护以及能源供应的稳定性。然而，聚乙烯天然气管道
在运行过程中，由于腐蚀、磨损、材料老化、施工缺陷等多种因素，容易发生泄漏等安全事
故，不仅会造成巨大的经济损失，还可能引发火灾、爆炸等严重后果，对生命财产安全和生
态环境构成严重威胁。在聚乙烯天然气管道服役的过程中有可能会出现缺陷，引发安全问
题，尤其是在管道的焊接接头处容易形成缺陷，但是管道的安装通常较为紧密排布或填埋
地下，在进行检测时需要进行一些挖掘工作从而使需要检测的区域暴露出来，检测作业空
间小，需要小型的检测设备以适应作业环境。传统的聚乙烯天然气管道检测方法主要包括
超声波检测、磁粉检测、X射线检测、漏磁检测、压力测试等，这些方法各有优缺点，但大多存在检测效率低、设备复杂、成本高、实时性差等问题，难以满足现代聚乙烯天然气管道检测
的需求。

[0026] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用
以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

[0028] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0029] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0030] 本发明提供了一种基于微波反射的聚乙烯管道缺陷检测装置，如图1‑3所示，包括：外壳1，外壳1内设置有PCB电路板2和波导天线3，PCB电路板2上设置有依次连接的压控
振荡器4、信号放大器5、带通滤波器6、双向检测器芯片7和单片机8，双向检测器芯片7分别
与波导天线3连接，外壳1上设置有显示器9，单片机8和LCD屏幕9连接，压控振荡器4产生微
波信号，通过信号放大器5放大信号，带通滤波器6进行信号的提取，经波导天线3发射到聚
乙烯管道上，反射回来的微波信号，经波导天线3传输到双向检测器芯片7上，双向检测器芯
片7记录发射微波信号和接收的微波信号，并进行比较运算获得微波衰减量，将微波衰减量
传输给单片机8，单片机8将微波衰减量与储存的标定微波衰减量进行比较获取微波衰减量
差值，当微波衰减量差值大于预设的阈值，LCD屏幕9就会显示缺陷报警。双向检测器芯片7
可以检测双向(发射/接收)的信号。

[0031] 上述技术方案的工作原理及有益技术效果：手持外壳1，将有波导天线3的一端对准聚乙烯天然气管道19的焊缝20或检测区，进行移动扫描，压控振荡器4将微波信号通过波
导天线3发射，如遇缺陷，反射情况会有所改变，反射的信号通过波导天线3传输到双向检测
器芯片7中，在双向检测器芯片7中可以记录下发射出的微波信号和接收到发射的微波信
号，并进行比较运算获得微波衰减量，将微波衰减量传输给单片机8，单片机8将微波衰减量
与储存的标定微波衰减量进行比较获取微波衰减量差值，当微波衰减量差值大于预设的阈
值，LCD屏幕9就会显示缺陷报警。

[0032] 在一个实施例中，双向检测器芯片7与同轴电缆10一端连接，同轴电缆10另一端与SMA接口11连接，SMA接口11与波导天线3连接，SMA接口是同轴线缆的一种接口类型。PCB电
路板2上设置有比较运算器12和数模转换芯片13，双向检测器芯片7和比较运算器12连接，
比较运算器12和数模转换芯片13连接，数模转换芯片13和单片机8连接。双向检测器芯片7
的内部采用双向桥构造使其成为超宽带双向检测器，以在一个信号路径中同时测量正向和
反向回波损耗，比较运算器12对入射和反射的微波信号电压值进行计算，求出其衰减量并
输入到数模转换芯片13中，将电压模拟信号转换成数字信号输入至单片机8内。

[0033] 在一个实施例中，外壳1上设置有电源按键14、微波功率大小调节旋钮15、放大增益调节旋钮16、单片机程序复位按键17和通电指示灯18。电源按键14用于控制检测装置的
供电，通过微波功率大小调节旋钮15，可以调节压控振荡源的控制电压，从而调节微波功率
和频率；通过调节放大增益调节旋钮16，可以调节可变增益放大器VGA的控制电压，从而调
节微波功率的放大增益，获得功率范围更大的微波信号；通电指示灯18可知是否正常通电；
单片机程序复位按键17可以重置控制系统的程序，方便对系统在测试过程中进行检测程序
的复位，也可以在检测过程中出现错误时进行复位重检测。

[0034] 波导天线3采用矩形波导和喇叭天线结合的形式，增益提高到17.3dB，10GHz时回波损耗降至‑45.6dB，所产生的微波信号足够穿透聚乙烯管壁，且回波信号损耗小，较能反
映出缺陷的真实情况。PCB电路板2与外壳1通过螺钉连接，便于电路板的安装拆卸。

[0035] 数据的采集与分析：

[0036] 信号处理部分主要由双向检测器芯片7、比较运算器12、数模转换芯片13组成。双向检测器芯片7内部采用的双向桥构造使其成为超宽带双向检测器，可以在一个信号路径
中同时测量正向和反向功率级别以及回波损耗。比较运算器可以对入射和反射的微波信号
电压值进行计算，求出其衰减量并输入到数模转换芯片中，将电压模拟信号转换成数字信
号输入至控制部分。

[0037] 控制部分主要由主控芯片模块、LCD显示模块、ESP8266芯片和WiFi模块等电路结构组成。主控芯片模块采用STM32F103ZET6芯片，通过内置编程对输入的数字信号进行处
理，得出相应的微波能量衰减量，LCD屏幕9上进行实时显示，同时可以通过ESP8266芯片和
WiFi模块进行无线传输至上位机。LCD显示模块由LCD1602及其外围电路组成，用于测得电
压值及衰减量的显示。ESP8266芯片和WiFi模块用于与上位机的通信。

[0038] 上位机系统的主要作用是：第一、主要是提供ESP8266芯片和WiFi模块的无线传输入口，接收数据；第二、将数据采集后可以进行储存，通过大量实验扩大检测样品，总结规律进行对比分析，存储数据。第三、数据回放读取上位机中检测过的数据，以便对数据进行后
处理。

[0039] 一种检测方法，适用于所述的一种基于微波反射的聚乙烯管道缺陷检测装置，包括如下步骤：

[0040] 步骤一、调研被检测对象设计的公称直径、壁厚、材料组成、工艺和表面质量，准备设备，评估检测的可能性和价值。现场实测被检测对象的公称直径和壁厚，确定其形态和位置。所检测的天然气管道一般为聚乙烯材料，等级为PE80和PE100级，直径60‑300mm。

[0041] 步骤二、通过聚乙烯天然气管道参考试件进行装置的校准，获取标定微波信号衰减量。

[0042] 步骤三、对待测聚乙烯天然气管道进行清洁或表面处理；使用专用工具从被检测对象外表面去除焊道或者进行表面处理，检测表面探头扫描区应清除凸起、杂物和污垢等
其他有可能干扰微波检测的杂质，必要时进行机械表面处理工艺，保证表面质量，减少检测
误差。

[0043] 步骤四、检测装置的探头对聚乙烯天然气管的检测区进行扫描，获取实际微波信号衰减量；检测装置的探头与检测区的垂直距离保持在3～5mm，扫描速度为15～25mm/s，以
获取更准确的检测结果。

[0044] 步骤五、将实际微波信号衰减量和标定微波信号衰减量进行对比，二者的差值超过预设的阈值，则确定该位置为聚乙烯天然气管道缺陷部位。单片机将检测到的微波能量
衰减通过数字/波形图的形式显示在LCD屏幕上，或者通过无线传输芯片上传至手机/计算
机等上位机中进行显示。

[0045] 步骤六、进行检测结果的评价，需要根据检测到结果对缺陷的位置、大小和种类进行区分，对于检测结果不确定的区域需重复检测，以判断该聚乙烯天然气管道是否能继续
服役。

[0046] 步骤七、对样本的数据保存，通过大量的检测数据，将不同缺陷所呈现的不同检测结果进行采集保存，对比分析，可以校正检测结果，对缺陷的种类区分更加明确。通过横坐
标为距离单位(mm)，纵坐标为信号的衰减量(V)，在有缺陷的地方会产生波峰/波谷，结合横
坐标距离和初始位置即可判断缺陷的位置，通过波峰/波谷的持续时间可以判断缺陷的大
小/长度，通过与步骤二标定的结果进行对比可以判断缺陷的种类。

[0047] 上述技术方案的有益技术效果：该检测方法能快速地对聚乙烯天然气管道进行扫查，获取结果便利，能够有效降低对使用人员的专业性要求，对于庞大复杂的聚乙烯天然气
管道网络检测，减少相应管道事故的发生具有较高的社会意义和经济价值。可以实现检测
数据的无线传输和上位机储存，对于增加检测样本，总结检测结果，进行聚乙烯天然气管道
的对比分析可靠性评价具有较大意义。

[0048] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。