CN111059479B - 一种管道缺陷声子诊断系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。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。本发明能够实现管道的缺陷检测，节约成本，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及信息收集、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。
背景技术
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。
发明内容
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。
本发明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、第一示波器2、信号发生器4、供电板6、工业计算机8、采集卡11、第二示波器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。
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。
提出了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。
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，其上集成了载波调制发射模块20和载波解调接收模块27，能够实现模拟量输入输出。
提出的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。
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，以实现待检测管道14全断面缺陷检测。
采用4通道示波器2和4通道示波器12，同时检测声子信号发射端18与声子信号接收端17的波形，从而能够监测采集过程中信号波动情况。
采用数字式声子诊断检测系统进行管道缺陷检测包括以下操作步骤：
(1)将声子发射模块1中的声子发射探头19与声子信号发射端18进行配对连接，声子接收模块15中的声子接收探头16与声子信号接收端17进行配对连接；
(2)将一组声子发射模块1沿周向均布放置于待检测管道14的一端，使其在待检测管道14周向断面上成环形阵列，与声子发射模块1相对应的声子接收模块15放于待检测管道14的另一端，采用与声子发射模块1相同的阵列结构形式，声子发射模块1和声子接收模块15的阵列形式根据待检测管道14的管径大小而改变；
(3)利用数据信号线7将声子发射探头19与信号发生器4及采集卡(11)连接，将声子接收探头16与采集卡11相应接口连接；
(4)采集卡11通过USB接口9与工业计算机8相连，采集卡11通过相关程序设置为差分方式采集信号；
(5)采用数据信号线7将示波器2及示波器12分别与声子发射探头19及声子接收探头16连接，示波器2和示波器12用于监视信号采集过程波形变化情况；
(6)声子发射探头19和声子接收探头16通过供电板6供电；
(7)打开电源开关，声子接收模块15中的声子接收探头16上的接收信号电源指示灯26变亮；
(8)打开工业计算机8，设置修改信号采集程序中相应参数，在液晶触摸显示屏10上显示声子发射探头19与声子接收探头16的信号采集窗口；
(9)设置信号发生器4的输出波形，连续输出30Hz-100Hz的方波或正弦信号，声子发射探头19将原始信号调制成433MHz通过声子信号发射端18将信号沿待检测管道14发射到声子信号接收端17，声子接收探头16将声子信号接收端17接收的载有声子缺陷信息的信号进行解调；
(10)运行工业计算机8上的采集程序，在液晶触摸显示屏10上连续采集声子接收探头16解调的信号并将其储存于CSV文件中，同时观察示波器2与示波器12上波形形状；
(11)利用USB接口9将采集的信号拷贝到硬盘中，记录信号，并通过对信号处理分析，识别管道上的缺陷。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、所述技术方法采用声子能量理论和电磁传播理论，实现管道微观缺陷的声子能量激发与载波传送，达到管道缺陷检测目的。
2、所述技术方法能够解决现有检测技术难以实现穿跨越管道缺陷检测的技术难题，填补了技术空白。
3、采集宏观缺陷产生前的声子能量信号，能够提前监测管道缺陷的形成和发展过程，实现管道缺陷的实时诊断和预警，防止事故发生。
4、为实现上述方法，提出的声子诊断系统采用声子发射模块和声子接收探头，探头上集成了解调和调制模块，将数字信号直接转化为响应模拟量，提高了检测效率，检测精度高。
附图说明
图1为本发明专利声子诊断检测系统结构示意图。
图2为本发明专利声子发射与接收探头相关引脚标记图。
图3为本发明专利声子发射接收探头阵列形式侧视图。
图4为本发明专利声子发射接收探头阵列形式俯视图。
图5为本发明实施例所述的示波器监测的接收端方波信号示意图。
图6为本发明实施例所述的示波器监测的接收端正弦信号示意图。
图7为本发明实施例所述的工业计算机采集的发射与接收的方波信号曲线图。
图8为本发明实施例所述的工业计算机采集的发射与接收的正弦信号的曲线图。
图9为本发明实施例所述的工业计算机采集的接收端正弦信号FFT变换曲线图。
图10为本发明实施例所述的工业计算机采集的接收端正弦信号FFT变换后梯度处理曲线图。
图中各标号：
1-声子发射模块、2-第一示波器、3-信号发生器的输出通道、4-信号发生器、5-示波器2的输入通道、6-供电板、7-数据信号线、8-工业计算机、9-USB接口、10-液晶触摸显示屏、11-采集卡、12-第二示波器、13-示波器12的输入通道、14-待检测管道、15-声子接收模块、16-声子接收探头、17-声子信号接收端、18-声子信号发射端、19-声子发射探头、20-载波调制发射模块、21-声子发射探头信号输入正极、22-声子发射探头信号输入负极、23-声子发射探头电源正极、24-声子发射探头电源负极、25-声子接收探头信号输出负极、26-接收信号电源指示灯、27-载波解调接收模块、28-声子接收探头电源正极、29-声子接收探头电源负极、30-声子接收探头信号输出正极。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
将使用以下实施例公开数字式声子诊断检测系统的应用可能性。如图1所示，所描述的实验装置系统包括：声子发射模块1、示波器2、信号发生器4、供电板6、数据信号线7、工业计算机8、USB接口9、液晶触摸显示屏10、采集卡11、示波器12、3m钢质管道14、声子接收模块15、声子接收探头16、声子信号接收端17、声子信号发射端18、声子发射探头19。
为了检测中间带小孔两端开放的3m埋地钢质管道，将按照以下步骤进行：
步骤一，将声子发射模块1中的声子发射探头19与声子信号发射端18进行配对连接，声子接收模块15中的声子接收探头16与声子信号接收端17进行配对连接；
步骤二，将一对声子发射模块1和声子接收模块15分别放置于3m长管道14外表面的两端，使声子信号发射端18与声子信号接收端17处于同一水平线处；
步骤三，利用数据信号线7将信号发生器4的输出通道3红线连接到声子发射探头信号输入正极21引脚，黑线连接声子发射探头信号输入负极22引脚；同时将信号发生器输出通道3的红线与黑线通过数据信号线7连接到采集卡11接口6与接口7；利用数据信号线7将声子接收探头信号输出正极30与声子接收探头信号输出负极25连接到采集卡11接口1与接口2；
步骤四，采集卡11通过USB接口9与工业计算机8相连，采集卡11通过相关程序设置为差分方式采集信号，将采集卡11上的AGND接口与供电板6上的GND连接，使整个采集系统为统一的标准地。
步骤五，将示波器2的输入通道5红线接信号发生器4红线，输入通道5黑线接信号发生器4黑线；将示波器12的输入通道13红线通过数据信号线7与声子接收探头信号输出正极30连接，示波器12的输入通道13黑线采用数据信号线7连接声子接收探头信号输出负极25，示波器2与示波器12用于监视检测过程波形变化，反馈电路状况。
步骤六，采用数据信号线7将声子发射探头电源正极23、声子发射探头电源负极24、声子接收探头电源正极28、声子接收探头电源负极29与供电板6的5V与GND接口连接。
步骤七，打开电源开关，声子接收模块15中的声子接收探头16上的接收信号电源指示灯26变亮；
步骤八，打开工业计算机8，打开设置的相关采集程序，在液晶触摸显示屏10上显示声子发射探头19与声子接收探头16的信号采集窗口。
步骤九，设置信号发生器4的输出波形，连续输出30Hz-100Hz的方波或正弦信号；声子发射探头19上的载波调制发射模块20采用GFSK调制方式将输入信号调制成433MHz通过声子信号发射端18作用于管道并传输到声子信号接收端17，声子接收探头16上的载波解调接收模块27采用GFSK解调方式将433MHz信号解调为载有声子缺陷信息的原频率信号。
步骤十，运行工业计算机8上的采集程序，在液晶触摸显示屏10上连续采集声子接收探头16解调的信号并将其储存于CSV文件中，同时观察示波器2与示波器12上波形形状；
步骤十一，利用USB接口9将采集的信号拷贝到硬盘中，记录信号，并通过对信号处理分析，识别管道上的缺陷。
实施例2
工程实际中，管道两侧均有用螺栓固定的盲板，用于输入流体，如图1所示，实验中以8m侧边带盲孔缺陷管道为例，打开一侧盲板，灌入水以模拟传输的流体，具体将按照以下步骤进行：
步骤一，将声子发射模块1中的声子发射探头19与声子信号发射端18进行配对连接，声子接收模块15中的声子接收探头16与声子信号接收端17进行配对连接；
步骤二，将一对声子发射模块1和声子接收模块15分别放置于8m长管道14外表面的两端，使声子信号发射端18与声子信号接收端17处于同一水平线处；
步骤三，利用数据信号线7将信号发生器4的输出通道3红线连接到声子发射探头信号输入正极21引脚，黑线连接声子发射探头信号输入负极22引脚；同时将信号发生器输出通道3的红线与黑线通过数据信号线7连接到采集卡11接口6与接口7；利用数据信号线7将声子接收探头信号输出正极30与声子接收探头信号输出负极25连接到采集卡11接口1与接口2；
步骤四，采集卡11通过USB接口9与工业计算机8相连，采集卡11通过相关程序设置为差分方式采集信号，将采集卡11上的AGND接口与供电板6上的GND连接，使整个采集系统为统一的标准地。
步骤五，将示波器2的输入通道5红线接信号发生器4红线，输入通道5黑线接信号发生器4黑线；将示波器12的输入通道13红线通过数据信号线7与声子接收探头信号输出正极30连接，示波器12的输入通道13黑线采用数据信号线7连接声子接收探头信号输出负极25，示波器2与示波器12用于监视检测过程波形变化，反馈电路状况。
步骤六，采用数据信号线7将声子发射探头电源正极23、声子发射探头电源负极24、声子接收探头电源正极28、声子接收探头电源负极29与供电板6的5V与GND接口连接。
步骤七，打开电源开关，声子接收模块15中的声子接收探头16上的接收信号电源指示灯26变亮；
步骤八，打开工业计算机8，打开设置的相关采集程序，在液晶触摸显示屏10上显示声子发射探头19与声子接收探头16的信号采集窗口。
步骤九，设置信号发生器4的输出波形，连续输出30Hz-100Hz的方波或正弦信号；声子发射探头19上的载波调制发射模块20采用GFSK调制方式将输入信号调制成433MHz通过声子信号发射端18作用于管道并传输到声子信号接收端17，声子接收探头16上的载波解调接收模块27采用GFSK解调方式将433MHz信号解调为载有声子缺陷信息的原频率信号。
步骤十，运行工业计算机8上的采集程序，在液晶触摸显示屏10上连续采集声子接收探头16解调的信号并将其储存于CSV文件中，同时观察示波器2与示波器12上波形形状；
步骤十一，利用USB接口9将采集的信号拷贝到硬盘中，记录信号，并通过对信号处理分析，识别管道上的缺陷。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
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)、第一示波器(2)、信号发生器(4)、供电板(6)、工业计算机(8)、采集卡(11)、第二示波器(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)；
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；
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。
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，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，其上集成了载波调制发射模块(20)和载波解调接收模块(27)，能够实现模拟量输入输出。
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。
4.根据权利要求1或2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，以实现待检测管道(14)全断面缺陷检测。
5.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，采用4通道的第一示波器(2)和4通道的第二示波器(12)，同时检测声子信号发射端(18)与声子信号接收端(17)的波形，从而能够监测采集过程中信号波动情况。
6.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，包括以下操作步骤：
1)将声子发射模块(1)中的声子发射探头(19)与声子信号发射端(18)进行配对连接，声子接收模块(15)中的声子接收探头(16)与声子信号接收端(17)进行配对连接；
2)将一组声子发射模块(1)沿周向均布放置于待检测管道(14)的一端，使其在待检测管道(14)周向断面上成环形阵列，与声子发射模块(1)相对应的声子接收模块(15)放于待检测管道(14)的另一端，采用与声子发射模块(1)相同的阵列结构形式，声子发射模块(1)和声子接收模块(15)的阵列形式根据待检测管道(14)的管径大小而改变；
3)利用数据信号线(7)将声子发射探头(19)与信号发生器(4)及采集卡(11)连接，将声子接收探头(16)与采集卡(11)相应接口连接；
4)采集卡(11)通过USB接口(9)与工业计算机(8)相连，采集卡(11)通过相关程序设置为差分方式采集信号；
5)采用数据信号线(7)将第一示波器(2)及第二示波器(12)分别与声子发射探头(19)及声子接收探头(16)连接，第一示波器(2)及第二示波器(12)用于监视信号采集过程波形变化情况；
6)声子发射探头(19)和声子接收探头(16)通过供电板(6)供电；
7)打开电源开关，声子接收模块(15)中的声子接收探头(16)上的接收信号电源指示灯(26)变亮；
8)打开工业计算机(8)，设置修改信号采集程序中相应参数，在液晶触摸显示屏(10)上显示声子发射探头(19)与声子接收探头(16)的信号采集窗口；
9)设置信号发生器(4)的输出波形，连续输出30Hz-100Hz的方波或正弦信号，声子发射探头(19)将原始信号调制成433MHz通过声子信号发射端(18)将信号沿待检测管道(14)发射到声子信号接收端(17)，声子接收探头(16)将声子信号接收端(17)接收的载有声子缺陷信息的信号进行解调；
10)运行工业计算机(8)上的采集程序，在液晶触摸显示屏(10)上连续采集声子接收探头(16)解调的信号并将其储存于CSV文件中，同时观察第一示波器(2)及第二示波器(12)上波形形状；
11)利用USB接口(9)将采集的信号拷贝到硬盘中，记录信号，并通过对信号处理分析，识别管道上的缺陷。
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