一种管道缺陷声子诊断系统及实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种管道缺陷声子诊断系统及实现方法，数字式声子诊断检测系统包括声子发射模块、声子接收模块、示波器、信号发生器、工业计算机、采集卡、供电板装置。其中，声子发射模块包括声子发射探头和声子信号发射端，声子接收模块包括声子接收探头和声子信号接收端。所述方法中声子发射探头上集成了GFSK调制方式的调制器，将信号发生器提供的信号调制到433MHz通过声子信号发射端作用于待检测管道上传递到声子接收端，声子接收探头利用解调模块采用GFSK解调信号，并通过数据信号线传递给配有采集卡的工业计算机，完成信号采集。本发明专利技术能够实现管道的缺陷检测，节约成本，及时发现和定位缺陷，是无损检测领域的新分支，具有广阔的应用前景。

A system of acoustic diagnosis for pipeline defects and its implementation

【技术实现步骤摘要】
一种管道缺陷声子诊断系统及实现方法
本专利技术涉及信息收集、电磁载波、固体物理、声子理论、无损检测、信号处理等多学科领域，特别涉及一种数字式声子诊断检测系统，可用于钢质管道的缺陷检测，特别是穿跨越管道，属于特种设备无损检测新领域。
技术介绍
目前，管道缺陷的检测技术主要有外检测和内检测的方式。外检测方式主要以人工巡检为主，对于大型设备其检测困难，过程复杂，并且不利于发现管道内部裂纹、夹渣、气孔等焊接缺陷以及应力集中、腐蚀产生的微观裂纹。因此，对管道进行定期内检测是保障管道安全可靠运行的关键。现阶段，无损检测技术因其相对成熟的理论体系成为内检测常用的检测方式。无损检测属于非接触式检测技术，其主要利用光、热、磁、电在设备中的物理或化学反应，获得设备的状态信息，无损检测方法只针对于特定的缺陷类型，对检测对象以及对象缺陷类型敏感，很难发现材料内部微观状态下的缺陷，不适合所有缺陷类型的检测，并且全方位检测非开挖管道的操作成本高、工艺复杂，不能及时监测材料缺陷的发展，以致产生材料仪器报废的现象，造成经济损失。对于穿跨越管道，如：穿越隧道、河流、高速公路，以及两山峰或河流之间的架空管道、跨越管道，现有的无损检测技术难以实现其缺陷检测。在材料学领域，材料的失效不是一瞬间。物体在外部能量激励下，材料内部晶格振动激发出声子格波，通过检测晶格振动的特征—声子信号可以判断材料的失效状态。为了解决穿跨越式管道缺陷检测技术的空白，基于声子能量波和电磁载波理论，提出了一种管道缺陷声子诊断技术，构建了数字式声子诊断检测系统，以实现管道缺陷检测。
技术实现思路
为解决上述技术问题，提出了一种管道缺陷声子诊断技术及实现方法，该检测方法理论结合了固态物理学中的声子格波以及射频载波信号调制的相关概念，搭建了数字式声子诊断检测系统，利用该诊断系统可以从微观领域检测钢质管道，特别是穿跨越管道中的损伤，操作简单，检测成本低，同时该方法能够做到监测管道缺陷形成过程，实现在役管道实时监测。本专利技术公开了一种管道缺陷声子诊断检测系统及实现方法，构建了微观领域声子格波与电磁波的联系。在固体物理领域中，声子是用来描述晶格振动的物理量，是晶格简正振动的能量量子。声波量子统计表明，在一定的临界温度下或在临界密度以上，激发态的空间位置受到严格的限制，从而使玻色子的宏观粒子数聚集在基态上，这一现象被称为玻色爱因斯坦凝聚。声子作为玻色子，遵循玻色爱因斯坦凝聚规律。原子无时无刻不在平衡位置做微小振动，因原子间相互作用力，原子振动相互关联，并产生格波在晶格中传播。当原子处于格点上时，其具有自身的动能和原子间的相互作用势能，由此，振动系统的拉格朗日函数为其中，Qi为振动系统中第i个原子的简正坐标；为振动系统中第i个原子的简正坐标的一阶导数；ωi为晶格中第i个原子的振动角频率；N为原子总数。根据方程以及系统的正则动量方程得出系统的哈密顿方程为其中，Pi为系统内第i个原子的正则动量；Qi为振动系统中第i个原子的简正坐标；ωi为晶格中第i个原子的振动角频率；N为原子总数。由公式可知，晶体内原子在晶格附近的微小振动可以近似于3N个独立的谐振子在晶格处的振动，振动的原子之间彼此相互关联。基于玻恩卡门周期性边界条件，晶格振动以频率为ωi模式振动时，其谐振子振动的通解可表示为其中，A为晶格振动幅度；ωi为晶格中第i个原子的振动角频率；为晶格原子简谐振动时的初始相位。原子的简谐振动方程可描述为其中，ui为第i个原子的位移；mi为晶格中第i个原子的质量，ai为平衡状态时晶格中第i个原子与其相邻原子间距离，为定值；A为晶格振动幅度；ωi为晶格中第i个原子的振动角频率；为晶格原子简谐振动时的初始相位。在经典理论力学中，晶格的振动模式被认为以特定频率ω、波长λ、一定传播方向的弹性波，其能量是连续的；在量子力学范畴下，晶格振动是格波，将其量子化可得出谐振子的能量。将Pi表示为其中，为普朗克常数；Qi为振动系统中第i个原子的简正坐标。因此，将式带入到得出晶格振动的能量为其中，εi为每一个谐振子的能量；ωj为晶格中第j个原子的振动角频率；Qj为振动系统中第j个原子的简正坐标；为普朗克常数，N为原子总数；ni为晶体中第i个原子中激发出的声子数；ωi为晶格中第i个原子的振动频率。由式(7)可知，就是晶格振动量子化的能量，赋予它声子的概念。实际中，考虑忽略的非简谐效应，3N个谐振子的振动过程相互影响，即声子与声子之间存在能量交换过程，晶体的状态方程应为其中，F为晶格自由能；V为平衡状态时晶格的体积；U为晶格振动势能；为普朗克常数，T为平衡状态时晶格的温度；kB是玻尔兹曼常数；ωi为晶格中第i个原子的振动频率。式被称为格林爱森常数，其值在1-3范围内。用λ表征晶格振动非简谐效应的大小。实际中，晶格振动时产生声学格波和光学格波。其分别对应了声学声子和光学声子。声学格波可近似为弹性波，而光学格波的研究主要以正负离子为主要模型进行分析，由黄昆方程及旋度、散度及麦克斯韦方程组入手，其离子晶体容易产生极化电场，光学横波与电磁场进行耦合，其具有电磁性质，称为电磁声子；而长声学纵波为极化声子。因此，电磁声子可与电磁波相耦合，并影响作用于待检测管道上的电磁波的信号特征，通过采集管道中的电磁波信号，观察电磁波与声子耦合作用下的电磁波的变化特征情况，从而可以获取材料内部能量变化状态，达到缺陷检测和监测目的。一种管道缺陷声子诊断技术及实现方法，数字式声子诊断检测系统包括：声子发射模块1、示波器2、信号发生器4、供电板6、工业计算机8、采集卡11、示波器12、待检测管道14、声子接收模块15；所述声子发射模块1包括声子发射探头19和声子信号发射端18，声子接收模块包括声子接收探头16和声子信号接收端17；所述声子发射探头19包括载波调制发射模块20、声子发射探头信号输入正极21、声子发射探头信号输入负极22、声子发射探头电源正极23、声子发射探头电源负极24；所述声子接收探头包括载波解调接收模块27、接收信号电源指示灯26、声子接收探头信号输出正极30、声子接收探头信号输出负极25、声子接收探头电源正极28、声子接收探头电源负极29。根据权利要求1所述的一种管道缺陷声子诊断技术及实现方法，其特征在于：声子发射探头19将信号发生器4提供的原始信号调制成433MHz射频信号，并通过声子信号发射端18作用于待检测管道14，管道在外界能量信号的激励下，管道内部晶格振动从而激发管道材料原子键间的声子格波，射频电磁波信号传输到待检测管道14缺陷处与声子格波发生电磁耦合，导致发射的原始电磁波产生畸变，声子接收探头16通过声子信号接收端17将携带声子能量波的电磁信号解偶，从而能够获取待检测管道14上的缺陷声子信号，获取材料的缺陷信息。根据权利要求1所述的一种管道缺陷声子诊断技术及实现方法，其特征在于：提出了基于射频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于：包括：声子发射模块(1)、示波器(2)、信号发生器(4)、供电板(6)、工业计算机(8)、采集卡(11)、示波器(12)、待检测管道(14)、声子接收模块(15)；/n所述声子发射模块(1)包括声子发射探头(19)和声子信号发射端(18)，声子接收模块包括声子接收探头(16)和声子信号接收端(17)；/n所述声子发射探头(19)包括载波调制发射模块(20)、声子发射探头信号输入正极(21)、声子发射探头信号输入负极(22)、声子发射探头电源正极(23)、声子发射探头电源负极(24)；/n所述声子接收探头包括载波解调接收模块(27)、接收信号电源指示灯(26)、声子接收探头信号输出正极(30)、声子接收探头信号输出负极(25)、声子接收探头电源正极(28)、声子接收探头电源负极(29)。/n

【技术特征摘要】
1.一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于：包括：声子发射模块(1)、示波器(2)、信号发生器(4)、供电板(6)、工业计算机(8)、采集卡(11)、示波器(12)、待检测管道(14)、声子接收模块(15)；
所述声子发射模块(1)包括声子发射探头(19)和声子信号发射端(18)，声子接收模块包括声子接收探头(16)和声子信号接收端(17)；
所述声子发射探头(19)包括载波调制发射模块(20)、声子发射探头信号输入正极(21)、声子发射探头信号输入负极(22)、声子发射探头电源正极(23)、声子发射探头电源负极(24)；
所述声子接收探头包括载波解调接收模块(27)、接收信号电源指示灯(26)、声子接收探头信号输出正极(30)、声子接收探头信号输出负极(25)、声子接收探头电源正极(28)、声子接收探头电源负极(29)。


2.根据权利要求1所述的一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于，声子发射探头(19)将信号发生器(4)提供的原始信号调制成433MHz射频信号，并通过声子信号发射端(18)作用于待检测管道(14)，管道在外界能量信号的激励下，管道内部晶格振动从而激发管道材料原子键间的声子格波，射频电磁波信号传输到待检测管道(14)缺陷处与声子格波发生电磁耦合，导致发射的原始电磁波产生畸变，声子接收探头(16)通过声子信号接收端(17)将携带声子能量波的电磁信号解偶，从而能够获取待检测管道(14)上的缺陷声子信号，获取材料的缺陷信息。


3.根据权利要求1所述的一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于，基于射频载波理论的声子发射探头(19)和声子接收探头(16)，其频率响应为20Hz～20KHz，能够实现低频段信号的发射与接收。


4.根据权利要求1或3所述的一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于，提出的基于射频载波理论的声子发射探头(19)和声子接收探头(16)的工作频率为433MHz，其上集成了调制模块(20)和解调模块(27)，能够实现模拟量输入输出。


5.根据权利要求1或4所述的一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于，基于射频载波理论的声子发射模块(1)中的声子信号发射端(18)和声子接收模块(15)的声子信号接收端(17)为蜂窝式面型结构，能与待检测管道(14)表面实现可靠耦合，无需使用耦合剂。


6.根据权利要求1或5所述的一种管道缺陷声子诊断系统，其特征在于，放于待检测管道上的声子发射探头(19)和声子接收探头(16)采用阵列结构，其数量根据待检测管道管径大小而改变，从而形成阵列式检测探头，以实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新华，宋艳伟，赵以振，谷雅萍，陈迎春，帅义，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11