[发明专利]一种管道缺陷声子诊断系统及实现方法

说明书

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。

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，Q_i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；ω_i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，P_i为系统内第i个原子的正则动量；Q_i为振动系统中第i个原子的简正坐标；ω_i为晶格中第i个原子的振动角频率；N为原子总数。