一种管道损伤声子能量波诊断系统及定位方法

技术领域

本发明属于针对特种设备钢质管道的无损检测领域，专利涉及固体物理学、电磁学、信息传输与收集、信号处理、数学统计与样本学等多学科领域，所涉及的管道损伤声子能量波诊断定位检测系统可用于钢质管道的缺陷检测，根据管道管径和长度可自由调节检测距离，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

油气管线检测方面已有了多种检测技术，其中无损检测技术因其相对成熟的体系被广泛应用于管道缺陷检测中。无损检测是非破坏性检测技术，基于不损伤或不影响检测对象使用性能的前提，利用光、热、磁、声学等领域理论知识结合相应仪器检测材料表面及内部缺陷，从而确定检测对象的状态。常用于管道的无损检测方法包括：超声波检测技术、漏磁检测技术、涡流检测技术、射线检测技术等方法，其对检测对象以及对象缺陷类型敏感，不适合所有管道缺陷检测，并且全方位检测非开挖管道的运行成本高、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。

不同的检测技术根据其原理的差异，检测特点也各不相同。在实际应用中，往往对于较大的损伤比较敏感，损伤的初期萌生阶段的识别效果不是很好。声子能量波的材料损伤检测方法有效填补了这方面的空白，它能检测到材料细微损伤产生的声子能量波，做到早期识别提前预防的作用。在固体物理理论体系中，声子能量是指晶格原子间键的能量，即固有在物体材料内部的能量。其在外界的碰撞、加载、拆卸过程中使材料内部晶格振动，能量局部集聚激发管体材料原子键间的声子格波能，产生声子辐射场，利用管道损伤声子能量波诊断定位检测系统通过检测声子能量波从而监测材料状态，通过数学统计法计算管道缺陷位置与声子信号发射模块距离的数学特征关系从而判断并定位缺陷。

发明内容

本发明公开了一种管道损伤声子能量波诊断技术及定位方法，该诊断系统及定位方法结合固体物理学声子理论、电磁学及数学统计等多学科相关知识体系，其数据采集与处理方法科学严谨，缺陷检测准确。由两组声子信号收发模块贴合于管道管体两侧，可自由调节安装方式以适应不同管径与长度的管道检测需求，调节检测探头分布方式以达到最佳检测效果。

材料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，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；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，对采集的数据进行分组处理与对比，经数学统计与样本法计算管道缺陷位置与声子信号发射模块距离的数学特征从而判断并定位缺陷，达到检测和监测目的。

固定管体一侧的收发模块贴片天线并测量其相对缺陷的距离L

计算在同一频率下不等距离所对应的幅值之间的数学关系，由公式(1)计算均值，公式(2)计算数学标准差，并作为此工况下的对比样本。在进行管道检测时用相同数据处理方法计算其数学标准差S'，测量两组声子信号收发模块之间的距离，选取与之距离L相等的样本标准差S，根据公式(3)分别计算出两组声子信号发射模块相对缺陷的距离L1'和L2'从而定位缺陷，其中L'约等于L1'与L2'之和，进而对缺陷位置计算的得以验证。

一种管道损伤声子能量波诊断及定位系统，其特征在于，包括：第二信号接收探头1、第一激励信号发射探头2、数字信号发生器3、待检测管道4、数据处理计算机5、电压转换集成板6、数据采集计算机7、数据采集卡8、数字示波器9、第一信号接收探头10、第二激励信号发射探头11。

待检测管道4的一端设有第二信号发射贴片天线12、第一信号接收贴片天线13，另一端设有第一信号发射贴片天线14、第二信号接收贴片天线15；第二信号发射贴片天线12与第二激励信号发射探头11连接，第一信号接收贴片天线13与第一信号接收探头10连接；第一信号发射贴片天线14与第一激励信号发射探头2连接，第二信号接收贴片天线15与第二信号接收探头1连接；第二信号接收探头1、第一激励信号发射探头2、第一信号接收探头10和第二激励信号发射探头11均与电压转换集成板6连接；第一信号接收探头10分别和数据采集卡8、数字示波器9连接；激励信号发射探头电源负极16与电压转换集成板6的GND连接；激励信号输入负相17与数字信号发生器3输出负相连接；激励信号输入正相18与数字信号发生器3输出正相连接；激励信号发射探头电源正极19与电压转换集成板6的+5v连接；信号接收探头电源正极22与电压转换集成板6的+5v连接；信号接收探头输出正相23与数据采集卡8、数字示波器9的正相输入端口连接；信号接收探头电源负极27与电压转换集成板6的GND连接；信号接收探头输出负相28与数据采集卡8、数字示波器9的负相输入端口连接；数据采集卡8通过USB接口与数据采集计算机7连接。

声子信号收发模组Ⅰ由第一信号接收探头10、第一信号接收贴片天线13和第一激励信号发射探头2、第一信号发射贴片天线14组成；声子信号收发模组Ⅱ由第二信号接收探头1、第二信号接收贴片天线15和第二激励信号发射探头11、第二信号发射贴片天线12组成。

所述第一激励信号发射探头2和第二激励信号发射探头11均包括选频拨码开关20、载波调制器21、激励信号输入正相18、激励信号输入负相17、激励信号发射探头电源正极19、激励信号发射探头电源负极16；第二信号接收探头1和第一信号接收探头10均包括载波解调器25、选频切换按键24、信号接收指示灯26、信号接收探头输出正相23、信号接收探头输出负相28、信号接收探头电源正极22、信号接收探头电源负极27。

数字信号发生器3为第一激励信号发射探头2和第二激励信号发射探头11提供原始激励信号，激励信号发射探头将激励信号调制成433MHz射频传输信号，并通过信号发射贴片天线作用于待检测管道4，管体在受到外力作用下发生缺损、产生裂纹等损伤会使材料内部晶格振动，能量局部集聚，激发管体材料原子键间的声子格波能，产生声子辐射场，射频传输信号在待检测管道4损伤处与声子能量波发生电磁耦合为电磁声子，使原始射频信号发生能量变化，第二信号接收探头1和第一信号接收探头10分别通过第二信号接收贴片天线15与第一信号接收贴片天线13将接收到的电磁声子信号解调后通过数据采集卡8保存于数据采集计算机7，从而获取待检测管道4上的声子缺陷信息。

根据权利要求1所述的一种管道损伤声子能量波诊断及定位方法，其特征在于，激励信号发射探头载有选频拨码开关20，信号接收探头载有选频切换按键24，可通过选频按键切换频点以保证两组声子信号收发模块Ⅰ、Ⅱ互不影响。其采样率为44.1KHz，频率响应为20Hz～20KHz可进行低频段激励信号的发射与接收工作。

根据权利要求1所述的一种管道损伤声子能量波诊断及定位方法，其特征在于，第一激励信号发射探头2、第二激励信号发射探头11上携有载波调制器21，第二信号接收探头1、第一信号接收探头10携有载波解调器25，可实现对数字信号发生器3模拟信号的输入与模拟输出，信号发射及接收贴片天线采用内置FPC的柔性贴片天线可与管道管体良好耦合。

根据权利要求1或2所述的一种管道损伤声子能量波诊断及定位方法，其特征在于，数字信号发生器3将不同频率的激励信号经激励信号发射探头和信号接收探头将采的集数据保存到数据采集计算机7，将采集的数据取送到数据处理计算机5进行数据处理。采用数字示波器9连接声子信号接收模块进行实时监测采集过程中信号的变化。

根据权利要求1或4所述的一种管道损伤声子能量波诊断及定位方法，其特征在于，固定管道一端的收发模块，依次改变另一端收发模块相对缺陷的位置，对待测管道4在不同激励频率不等缺陷距离进行样本数据采集，在数据处理计算机5上实现频域下幅值取点，由数学统计法计算管道缺陷位置与信号发射贴片天线距离的特征关系。

根据权利要求1或5所述的一种管道损伤声子能量波诊断及定位方法，其特征在于，通过对管道提取数据进行统计分析，对比样本的信号接收贴片天线与管道缺陷距离的特征关系实现缺陷定位。声子信号收发模组Ⅰ、Ⅱ同时作用可提高缺陷定位精度与定位结果验算。

根据权利要求1所述的一种管道损伤声子能量波诊断及定位方法，其特征在于，该管道损伤声子能量波诊断技术及定位检测系统包括以下具体操作步骤：

(1)将声子信号收发模组Ⅰ的第一信号发射贴片天线14与声子信号收发模组Ⅱ的第二信号接收贴片天线15贴合在管道管体同一端，声子信号收发模组Ⅰ的第一信号接收贴片天线13与声子信号收发模组Ⅱ的第二信号发射贴片天线12贴合在管道管体另一端，电压转换集成板6为两组声子信号收发模组提供电源。

(2)调整激励信号发射探头的选频拨码开关20使两组声子信号收发模组分别工作在不同频点，数字信号发生器3通过激励信号发射探头的激励信号输入正相18和激励信号输入负相17相连接，按击信号接收探头的选频切换按键24使两组声子信号收发模组分别配对各自激励信号发射探头，信号接收指示灯26亮起则配对成功。

(3)将信号接收探头利用数据线连接至数据采集卡8，数字示波器9通过声子信号接收模块进行实时监测采集过程中信号的变化，数据采集卡8连接数据采集计算机7进行数据的采集与保存。

(4)在有缺陷管道上测量管道两端的信号收发贴片天线相对于管道缺陷处的距离并记录，利用数字信号发生器3设置输出正弦信号，依次进行20Hz-100Hz的输出频率，在数据采集计算机7中保存采集的这一组实验数据，然后改变管道一端的信号收发天线距缺陷处的位置并测量其距离，再次进行多组不等激励频率下的信号采集工作，如以上实验方式再进行多组不等距离的信号采集和保存。

(5)将以上多组工况下保存的数据拷贝到数据处理计算机5进行数据分析，通过傅里叶变换进行频域下分析，对不同工况下采集的数据进行幅值取点并保存记录，由数学统计法计算管道缺陷位置与声子信号发射贴片天线距离的数学特征关系并以此作为实验对比样本。

(6)在待检测管道4管体两侧随机位置安装声子信号收发模组Ⅰ、Ⅱ，数字信号发生器3作为输出激励源，依次进行多组不等激励频率下的正弦信号，通过数据采集卡8将采集到的不同频率信号记录并保存于数据采集计算机7。

(7)把步骤(6)中采集到的数据拷贝至数据处理计算机5，在频域下把两组声子信号收发模组Ⅰ、Ⅱ通过不同频率采集到的数据进行幅值取点，做数学统计计算并与样本中已知缺陷位置的同频率信号进行对比分析定位缺陷位置。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、所述技术方法受管道管径与长度限制较小，可实现对管道管体任意距离的自由检测，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。

2、所述技术方法利用固体物理学声子理论，对管道缺陷声子能量波的信息收集与处理，经严谨的数学统计和样本法计算并识别缺陷位置。

3、所述技术方法将采集的声子信息经过处理分析能够监测管道缺陷的形成和发展过程，检测到材料细微损伤产生的声子能量波，实现管道缺陷形成过程中的实时诊断和位置判断，做到早期识别和预防事故的发生。

附图说明

图1为本发明专利管道损伤声子能量波诊断定位检测系统示意图。

图2为本发明专利激励信号发射与信号接收探头相关引脚标记图。

图3为本发明实施例所述的声子信号接收模块数字示波器信号显示图。

图4为本发明实施例所述的数据采集计算机采集的曲线图。

图5为本发明实施例所述的信号贴片天线等距移动示意图。

图6为本发明实施例所述的数据处理计算机对不等距离采集的数据经FFT变换后的曲线关系图。

图7为本发明实施例所述对不等距离采集的数据经FFT变换后幅值取点方式图。

图8为本发明实施例所述对幅值数据取点后的数学统计与标准差计算样本表。

图中各标号：

1-信号接收探头、2-激励信号发射探头、3-数字信号发生器、4-待检测管道、5-数据处理计算机、6-电压转换集成板、7-数据采集计算机、8-数据采集卡、9-数字示波器、10-信号接收探头、11-激励信号发射探头、12-信号发射贴片天线、13-信号接收贴片天线、14-信号发射贴片天线、15-信号接收贴片天线、16-激励信号发射探头电源负极、17-激励信号输入负相、18-激励信号输入正相、19-激励信号发射探头电源正极、20-选频拨码开关、21-载波调制器、22-信号接收探头电源正极、23-信号接收探头输出负相、24-选频切换按键、25-载波解调器、26-信号接收指示灯、27-信号接收探头电源负极、28-信号接收探头输出负相。

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。

将使用以下实施实例公开管道损伤声子能量波诊断技术及定位方法的应用可能性。如图1所示，该管道损伤声子能量波诊断定位检测系统包括：信号接收探头1、激励信号发射探头2、数字信号发生器3、10m待检测管道4、数据处理计算机5、电压转换集成板6、数据采集计算机7、数据采集卡8、数字示波器9、信号接收探头10、激励信号发射探头11。

为了检测带缺陷孔的10m埋地钢质管道，将按照以下步骤进行：

步骤一，将声子信号收发模组Ⅰ的信号发射贴片天线14与声子信号收发模组Ⅱ的信号接收贴片天线15贴合在管道管体同一端，声子信号收发模组Ⅰ的信号接收贴片天线13与声子信号收发模组Ⅱ的信号发射贴片天线12贴合在管道管体另一端，电压转换集成板6为两组声子信号收发模组提供电源。

步骤二，调整激励信号发射探头2、11的选频拨码开关20使两组声子信号收发模组分别工作在不同频点，数字信号发生器3通过激励信号发射探头的激励信号输入正相18和激励信号输入负相17相连接，按击信号接收探头的选频切换按键24使两组声子信号收发模组分别配对各自激励信号发射探头，信号接收指示灯26亮起则配对成功。

步骤三，将信号接收探头1、10利用数据线连接至数据采集卡8，数字示波器9连接声子信号接收模块进行实时监测采集过程中信号的变化，数据采集卡8连接数据采集计算机7进行数据的采集与保存。

步骤四，在有缺陷管道上测量管道两端的信号收发贴片天线相对于管道缺陷处的距离为2m并记录，利用数字信号发生器3设置输出正弦信号，依次进行20Hz-100Hz的输出频率，每次采集五分钟，在数据采集计算机7中保存采集的这一组实验数据，然后改变管道一端的信号收发天线距缺陷处的位置并测量其距离，再次进行20Hz-100Hz的激励信号采集工作。如以上实验方式再进行2m、4m、6m、8m、10m不等距离的信号采集和保存。

步骤五，将以上多组工况下保存的数据拷贝到数据处理计算机5进行数据分析，通过傅里叶变换进行频域下分析，对采集的数据进行幅值取点并保存记录，分别计算管道缺陷位置相对声子信号发射天线距离为2m、4m、6m、8m、10m时的幅值数学标准差，并以此作为实验对比样本。

步骤六，进行管体缺陷盲测，在管道管体缺陷两侧随机位置安装声子信号收发模组Ⅰ、Ⅱ，各组声子信号收发天线间相距6m,打开数字信号发生器3，依次激励20Hz-100Hz频率下单次递增10hz的正弦信号，数据采集卡8将采集到的数据分组保存于数据采集计算机7。

步骤七，将采集到的数据在频域下进行分析，对两组声子信号通过不同频率采集到的数据进行幅值取点，做数学标准差计算结果分别为0.0021477、0.006943并与样本中已知6m缺陷位置标准差0.0029403等比计算，经过计算其声子信号发射模块Ⅰ距离缺陷位置约1.55m处，声子信号发射模块Ⅱ距离缺陷位置约4.38m处，两者之和约等于此次试验长度6m从而定位缺陷位置。

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。