[發(fā)明專利]一種管道缺陷聲子診斷系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911385352.2
• 申請(qǐng)日: 2019-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111059479B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王新華;宋艷偉;趙以振;谷雅萍;陳迎春;帥義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F17D5/06
• 分類號(hào): F17D5/06
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開(kāi)了一種管道缺陷聲子診斷系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)字式聲子診斷檢測(cè)系統(tǒng)包括聲子發(fā)射模塊、聲子接收模塊、示波器、信號(hào)發(fā)生器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、采集卡、供電板裝置。其中，聲子發(fā)射模塊包括聲子發(fā)射探頭和聲子信號(hào)發(fā)射端，聲子接收模塊包括聲子接收探頭和聲子信號(hào)接收端。聲子發(fā)射探頭上集成了GFSK調(diào)制方式的調(diào)制器，將信號(hào)發(fā)生器提供的信號(hào)調(diào)制到433MHz通過(guò)聲子信號(hào)發(fā)射端作用于待檢測(cè)管道上傳遞到聲子接收端，聲子接收探頭利用解調(diào)模塊采用GFSK解調(diào)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線傳遞給配有采集卡的工業(yè)計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)采集。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)管道的缺陷檢測(cè)，節(jié)約成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信息收集、電磁載波、固體物理、聲子理論、無(wú)損檢測(cè)、信號(hào)處理等多學(xué)科領(lǐng)域，特別涉及一種數(shù)字式聲子診斷檢測(cè)系統(tǒng)，可用于鋼質(zhì)管道的缺陷檢測(cè)，特別是穿跨越管道，屬于特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)新領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，管道缺陷的檢測(cè)技術(shù)主要有外檢測(cè)和內(nèi)檢測(cè)的方式。外檢測(cè)方式主要以人工巡檢為主，對(duì)于大型設(shè)備其檢測(cè)困難，過(guò)程復(fù)雜，并且不利于發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部裂紋、夾渣、氣孔等焊接缺陷以及應(yīng)力集中、腐蝕產(chǎn)生的微觀裂紋。因此，對(duì)管道進(jìn)行定期內(nèi)檢測(cè)是保障管道安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

現(xiàn)階段，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因其相對(duì)成熟的理論體系成為內(nèi)檢測(cè)常用的檢測(cè)方式。無(wú)損檢測(cè)屬于非接觸式檢測(cè)技術(shù)，其主要利用光、熱、磁、電在設(shè)備中的物理或化學(xué)反應(yīng)，獲得設(shè)備的狀態(tài)信息，無(wú)損檢測(cè)方法只針對(duì)于特定的缺陷類型，對(duì)檢測(cè)對(duì)象以及對(duì)象缺陷類型敏感，很難發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部微觀狀態(tài)下的缺陷，不適合所有缺陷類型的檢測(cè)，并且全方位檢測(cè)非開(kāi)挖管道的操作成本高、工藝復(fù)雜，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)材料缺陷的發(fā)展，以致產(chǎn)生材料儀器報(bào)廢的現(xiàn)象，造成經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于穿跨越管道，如：穿越隧道、河流、高速公路，以及兩山峰或河流之間的架空管道、跨越管道，現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)其缺陷檢測(cè)。

在材料學(xué)領(lǐng)域，材料的失效不是一瞬間。物體在外部能量激勵(lì)下，材料內(nèi)部晶格振動(dòng)激發(fā)出聲子格波，通過(guò)檢測(cè)晶格振動(dòng)的特征—聲子信號(hào)可以判斷材料的失效狀態(tài)。為了解決穿跨越式管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的空白，基于聲子能量波和電磁載波理論，提出了一種管道缺陷聲子診斷技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)字式聲子診斷檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)管道缺陷檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提出了一種管道缺陷聲子診斷技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法，該檢測(cè)方法理論結(jié)合了固態(tài)物理學(xué)中的聲子格波以及射頻載波信號(hào)調(diào)制的相關(guān)概念，搭建了數(shù)字式聲子診斷檢測(cè)系統(tǒng)，利用該診斷系統(tǒng)可以從微觀領(lǐng)域檢測(cè)鋼質(zhì)管道，特別是穿跨越管道中的損傷，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)成本低，同時(shí)該方法能夠做到監(jiān)測(cè)管道缺陷形成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在役管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明公開(kāi)了一種管道缺陷聲子診斷檢測(cè)系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)建了微觀領(lǐng)域聲子格波與電磁波的聯(lián)系。在固體物理領(lǐng)域中，聲子是用來(lái)描述晶格振動(dòng)的物理量，是晶格簡(jiǎn)正振動(dòng)的能量量子。聲波量子統(tǒng)計(jì)表明，在一定的臨界溫度下或在臨界密度以上，激發(fā)態(tài)的空間位置受到嚴(yán)格的限制，從而使玻色子的宏觀粒子數(shù)聚集在基態(tài)上，這一現(xiàn)象被稱為玻色愛(ài)因斯坦凝聚。聲子作為玻色子，遵循玻色愛(ài)因斯坦凝聚規(guī)律。

原子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在平衡位置做微小振動(dòng)，因原子間相互作用力，原子振動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，并產(chǎn)生格波在晶格中傳播。當(dāng)原子處于格點(diǎn)上時(shí)，其具有自身的動(dòng)能和原子間的相互作用勢(shì)能，由此，振動(dòng)系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)為

其中，Q_i為振動(dòng)系統(tǒng)中第i個(gè)原子的簡(jiǎn)正坐標(biāo)；為振動(dòng)系統(tǒng)中第i個(gè)原子的簡(jiǎn)正坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)；ω_i為晶格中第i個(gè)原子的振動(dòng)角頻率；N為原子總數(shù)。根據(jù)方程以及系統(tǒng)的正則動(dòng)量方程得出系統(tǒng)的哈密頓方程為

其中，P_i為系統(tǒng)內(nèi)第i個(gè)原子的正則動(dòng)量；Q_i為振動(dòng)系統(tǒng)中第i個(gè)原子的簡(jiǎn)正坐標(biāo)；ω_i為晶格中第i個(gè)原子的振動(dòng)角頻率；N為原子總數(shù)。