CN101632002B - 超声波表面监控 - Google Patents

Abstract

一种使用安装在物体(2)的表面(3)上的超声波换能器(4，5)对该表面进行建模的方法，该方法包括以下步骤：提供表面的模型，该模型包括表示表面的高度的一组表面点，将脉冲波从第一换能器(4)发射至一个或多个第二换能器(5)，第一换能器和每个第二换能器限定沿表面的相应路径，测量脉冲波沿每条路径的传播时间，基于表面的模型计算传播时间，响应于测量得到的传播时间与计算得到的传播时间之间的任何差异，调节表面的模型，以及重复发射、测量、计算和调节的步骤，直到差异比预定阈值小。计算传播时间的步骤包括对一组表面点进行内插以获得扩展的一组表面点的子步骤，使用扩展的一组表面点计算传播时间。因此，基本上减少了要确定的表面点的数量。

Description

超声波表面监控

技术领域

本发明涉及超声波表面监控。更具体地，本发明涉及用于使用超声波换能器对物体的表面进行建模的方法和装置。

背景技术

众所周知，使用超声波能获得关于物体(例如，杆或管)的表面的信息。通常，向物体发射超声波脉冲，所反射的脉冲被接收到并且脉冲的传播时间被记录。脉冲的传播时间(“飞行时间”)的任何差异都表示表面的相对高度的差异，由此来表示物体的壁厚的差异。在美国专利US 3930404中披露了这种已知技术的一个实例。这种类型的方法具有测量极其受局限的缺点：仅在超声波的撞击(和反射)点处探测该表面。为了获得关于表面的剩余部分的信息，超声波换能器必须相对于物体移动，并且必须在许多其他表面点测量传播时间。

国际专利申请WO 2006/000668公开了一种圆柱形物体的维度表征的方法。在物体的表面上面向测量点的探针将脉冲超声波发射至这些测量点并接收所反射的脉冲波。为了在不需要无数多个测量点的情况下获得关于物体的整个表面的维度信息，通过内插法获得该表面的特征曲线。虽然可以通过内插法获得关于其他表面点的信息，但是此信息的详细程度受测量点数量的限制。因此这种已知方法的主要缺点在于，表面信息仅从少量测量点获得，并且较大量的探针和/或探针相对于物体的移动对于获得详细的维度信息是必须的。

美国申请US 5965818公开了一种使用超声兰姆波来测量由于管架的局部侵蚀而导致壁厚减小的方法。两个换能器用于使兰姆波在圆周方向上沿管壁传播。通过对所测量得到的飞行时间数据进行比较，可以量化由于侵蚀而导致的飞行时间的变化。其仅在管的圆周方向上检测侵蚀，而不在纵向上检测。

美国专利US 5767408公开了一种通过产生包括多个分量的宽带超声瑞利波来获得材料的近表面特性的方法。在所选的频率处确定瑞利波的所选分量的速度。然而，波轨迹非常受限，因此，关于所测试的表面的信息也是有限的。

英国专利申请GB 2383413公开了一种用于通过使用表面声波的速度、衰减、散射、共振和频率吸收特性来检测轨道缺陷的系统。这种已知系统特定的针对铁路线并且使用电声技术来沿轨道的纵向测试轨道。

日本专利申请JP 57187609公开了另一种传统的方法，该方法通过使用具有增大的频率的表面波并检测传播时间来测量壁厚。表面波具有仅一个方向上的有限轨迹，因此，仅提供有限的信息。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的这些和其他问题，以提供用于通过使用超声波换能器来对物体的表面进行建模的方法和装置，该方法和装置使用有限数量的换能器提供了更多表面的细节。

本发明的另一个目的在于提供用于通过使用超声波换能器来对物体的表面进行建模的方法和装置，该方法和装置提供了关于表面的详细信息，同时需要进行有限的计算。

因此，本发明提供了一种使用安装在物体的表面上的超声波换能器对表面进行建模的方法，该方法包括以下步骤：

●提供该表面的模型，该模型包括表示表面的高度的一组表面点，

●将脉冲波从第一换能器发射到一个或多个第二换能器，第一换能器和每个第二换能器限定沿表面的相应路径，

●测量脉冲波沿每条路径的传播时间，

●基于表面的模型计算传播时间，

●响应于测量得到的传播时间与计算得到的传播时间之间的任何差异，调节表面的模型，以及

●重复发射、测量、计算和调节的步骤，直到差异比预定阈值小，

其中，计算传播时间的步骤包括对该一组表面点进行内插以获得扩展的一组表面点的子步骤，使用该扩展的一组表面点计算传播时间。

通过将脉冲波从安装在表面上的第一换能器发射到安装按照在表面上的第二换能器，每个脉冲波的传播时间取决于波在表面之上和/或之下的路径，并因此包含比上述基于反射而不是表面路径的现有技术中的单个点测量更多的信息。

重复地调节表面模型以更好地将计算得到的和测量得到的传播时间进行匹配得到精确地预测脉冲波的传播时间的最佳表面模型。这样的技术本身是已知的，并且通常被称为层析成像反演或者层析成像重建。所得到的模型可以显示在合适的显示屏幕上和/或被分析，例如以确定管壁的较薄部分。

本发明的重要优点在于，在模型中仅仅使用了有限数量的表面点，从而限制了该方法中所涉及的计算量。由于通过内插法来补偿模型中所使用的少量表面点，所以模型的精确度不受影响。因此，用于调节模型的扩展的一组表面点远大于实际模型的一组表面点。在有益的实施例中，例如，一组表面点由小于100个点构成，优选地，小于50个点，而扩展的一组表面点由大于200个点构成，优选地，大于500个点。其他数目也是可以的。例如，模型可以使用仅20个表面点的集合，同时扩展的一组表面点具有超过1000个表面点。

本发明所建模的表面的高度在大多数实施例中是相对于换能器的高度。即，本发明对表面的相对高度进行建模，将换能器的(绝对)高度作为参考点。由于物体的壁的表面高度与壁的厚度相关，所以本发明还提供了物体的壁厚的模型。

可以在本发明中使用几种类型的超声波脉冲波。在第一实施例中，脉冲波是瑞利波。由于瑞利波沿物体的表面传播，所以其传播时间将受到表面的(相对)高度变化的影响。这样的变化可能由例如损坏和/或侵蚀引起。这些表面波的测量得到的传播时间的变化使得物体的模型被相应调节。

在第二实施例中，脉冲波是导波。由于这样的波的速度取决于物体的壁厚，所以这些波适合于对物体进行建模，尤其是对于中空的物体。当分散的脉冲波被使用时，提高了脉冲波的壁厚依赖性。

一些类型的波(尤其是分散波)在沿其路径传播时会失真。此失真可能导致错误的传播时间测量。因此，本发明的优选实施例还包括将相位校正应用于脉冲波的测量得到的传播时间的步骤。

本发明的方法可以仅使用单个第一换能器来实现。然而，使用多个第一换能器是优选的。为了有效测量脉冲波的各个传播时间，优选地，连续地对于至少两个第一换能器执行发射脉冲波和测量传播时间的步骤。通过连续地激活第一换能器，可单独地检测它们所发射的波。第一换能器的连续发射之间的时间间隔将与传播时间的最大可能偏移有关。

虽然可以使用任意数量的(例如，一个，二个，三个，四个或六个)第一换能器而与第二换能器的数量无关，但是第一换能器的数量等于第二换能器的数量是优选的。

在以上限定的建模方法中，可以使用导波和/或瑞利波。发明人已实现了瑞利波还可以用于在没有进行上述建模的情况下进行表面扫描和/或检测。因此，本发明也提供了一种使用安装在物体的表面上的超声波换能器来提高表面的平坦性度量(measure)的方法，该方法包括以下步骤：

●将脉冲波从第一换能器发射到一个或多个第二换能器，第一换能器和每个第二换能器限定沿表面的相应路径，

●测量脉冲波沿每条路径的传播时间，以及

●基于测量得到的脉冲波计算平坦性度量，其中，脉冲波是瑞利波。

平坦性度量可以以表面的模型来表示，但这不是必需的，平坦性度量可以由表示表面的相对或绝对平坦性的单个数字来构成。

本发明还提供了一种监控管道的方法，监控方法包括根据前述权利要求中的任一项所述的建模方法。监控方法还可以包括当表面的高度降到阈值以下时和/或当模型表示管道已变得不牢固时产生警告的步骤。

本发明还提供了一种用于执行如上所述的方法的计算机程序产品。计算机程序产品可以包括存储在数据载体(诸如CD或DVD)上的一组计算机可执行指令。这一组计算机可执行指令(其允许可编程计算机执行如上所述的方法)还可以用于例如经由互联网从远处服务器进行下载。

另外，本发明提供了一种使用安装在物体的表面上的超声波换能器对物体的表面进行建模的装置，该装置包括：

●存储单元，用于存储表面的模型，该模型包括表示表面的高度的一组表面点，

●第一换能器和至少一个第二换能器，第一换能器和每个第二换能器限定沿表面的相应路径，

●发射单元，用于将脉冲波沿相应路径从第一换能器发射到一个或多个第二换能器，以及

●处理单元，被配置用于：

○测量脉冲波沿每条路径的传播时间，

○基于表面的模型计算传播时间，

○响应于测量得到的传播时间与计算得到的传播时间之间的任何差异，调节所存储的表面的模型，以及

○重复发射、测量、计算和调节的步骤，直到差异小于预定阈值，

其中处理单元还被配置用于对一组表面点的集合进行内插以获得表面点的扩展集合，并且用于使用扩展的一组表面点计算传播时间。

脉冲波可以是导波和/或瑞利波。根据本发明的另一方面，瑞利波还可以在没有进行上述的建模时被使用。因此，本发明还提供了一种使用安装在物体的表面上的超声波换能器来提高表面的平坦性度量的装置，该装置包括：

●第一换能器和至少一个第二换能器，第一换能器和每个第二换能器限定沿表面的相应路径，

●发射单元，用于将脉冲波沿相应路径从第一换能器发射到一个或多个第二换能器，以及

●处理单元，被配置用于：

○测量脉冲波沿每条路径的传播时间，以及

○基于测量得到的传播时间计算平坦性度量，其中，脉冲波是瑞利波。

本发明还提供了一种用于监控管道的系统，该系统包括如上所限定的装置、以及至少一个第一换能器和至少一个第二换能器。优选地，该装置和这些换能器能够进行无线通信。

附图说明

以下，将参考附图中所示的示例性实施例进一步说明本发明，其中：

图1示意性地示出根据本发明的表面被建模的物体。

图2示意性地示出根据本发明的3维物体模型。

图3示意性地示出了根据本发明的2维物体模型。

图4A和图4B示例性地示出了本发明中所使用的超声波脉冲。

图5示例性地示出了根据本发明的表面建模装置。

具体实施方式

通过图1的非限制实例仅示出的管2包括将被建模的表面3。在所示的实例中，表面3具有可能由例如侵蚀引起的凹部6。通过适当地对表面3进行建模，可以确定凹部6的宽度和(相对)高度。

第一换能器单元4和第二换能器单元5在表面3的任一侧上被安装在管2上。虽然第一换能器单元和第二换能器单元能够发射和接收超声波，但是在本发明中，第一换能器单元4用于发射超声脉冲波，同时第二换能器单元5用于接收这些波。换能器单元本身是已知的，并且可以是压电单元。

由第一换能器4产生的脉冲波或脉冲具有所限定的例如几μs(微秒)的持续时间。该实际持续时间取决于特定应用，例如换能器单元的维度和相互距离。换能器的数量可以变化。应该提供至少一个第一换能器4和至少一个第二换能器5，虽然优选的是使用多个第二换能器5，例如，两个、三个、四个、八个第二换能器5。使用多个第二传感器5产生脉冲波所传播的多条路径并因此改进了表面的建模。类似地，优选的是使用多于一个的第一换能器4。在图2和图3的实例中，使用了八个第一换能器4和八个第二换能器5，尽管本发明并不限于这些具体数目。虽然这不是必须的，但是多个第一和/或第二传感器中的传感器优选地被均匀隔开。

图2中示出了示例性三维模型，同时通过图3中的二维模型示出了根据本发明的脉冲波所传播的路径和表面点的减少。图2的三维模型基于图3的二维模型72。

图2的模型70代表管(例如，图1的管2)的(外)表面。x轴和y轴在管状模型的横截面上延伸，而z轴在其纵向上延伸。此实例的维度被设置为以米(m)为单位。图2的三维模型实际上是图1的物体的重建。三维重建本身在层析成像领域是已知的。

图2中建模的表面在一组第一换能器4与一组第二换能器5之间延伸。路径71在每个第一换能器4与每个第二换能器5之间延伸。脉冲沿这些路径的传播时间与路径的长度成比例。沿平坦、笔直的表面延伸的路径会比穿过图1的凹部6的路径短。因此，沿这些路径的传播时间将不同，并且脉冲将在不同的时间到达。

该模型将计算脉冲沿相应路径的到达时间。如果该模型最初假定所有的路径具有相等的长度，则对于穿过凹部6的路径，将出现测量得到的传播时间与计算得到的传播时间之间的差异。此差异可以通过调节模型来补偿。模型的初始值可以基于实际物体(诸如管)的测量和/或基于理论研究。

在图3的二维实例中，水平轴沿管状模型的圆周R延伸，而z轴在其纵向上延伸。维度被设置为以米(m)为单位。

如在图3中可以看到的，第一换能器4和第二换能器5沿模型的圆周均匀地隔开。由第一换能器所产生的脉冲将被第二换能器检测。到达时间以及由此而得到的传播时间将至少大约地对应于在每个第一换能器4与多个第二换能器5之间延伸的一组路径71。为了附图的清楚性，图3中仅示出了一组这样的路径71。

如以上所说明的，模型包含关于物体的表面(图1中的3)的信息。此信息可以包括在多个点中表示表面的(相对或绝对)高度的一组值。如图1所示，在凹部6处的表面高度小于在第一换能器4处的高度。为了精确地对表面进行建模，需要大量的表面点，例如几百个或甚至上千个表面点。然而，通过测量得到的传播时间直接确定表面点需要大量的计算。由于这个原因，本发明提供了仅包含有限数量的表面点的更有效的模型，从而显著减少了计算量。

根据本发明，模型仅包含有限的一组表面点73。这些“核心”表面点被存储在模型中，并且在需要与所观察的传播时间进行匹配的情况下被调节。在所示的实例中，仅24个表面点被用在该模型中，从而与上述的成百或上千个点相比，提供了明显的节省。应该理解，“核心”表面点的数码可以根据所建模的表面的维度以及所需要的精确度而变化，并且该数量可以正好大于或小于24，例如，16、30或50。

为了精确地对表面进行建模并计算传播时间，通常需要大量的表面点。根据本发明的另一个方面，通过内插法而获得扩展的一组表面点。即，如果需要，对模型的该组表面点(“核心”表面点)进行内插，以提供用于计算传播时间并提供更详细的表面信息的扩展的一组表面点。以此方式，24个表面点的示例性数目可以被扩展为例如1024个表面点。

因此，本发明中所使用的模型可以被认为是两级模型。在基本级上，有限的一组(例如，24个)表面点被确定并存储。根据测量得到的传播时间调节这些“核心”表面点。在更高级上，扩展的一组(例如，1024个)表面点通过内插法而被确定并(临时或永久地)被存储。因此，这些“扩展”表面点间接通过测量得到的传播时间得到，这不同于直接得到的“核心”表面点。

使用扩展组，可以使用本身已知的多种技术来精确地确定根据该模型的传播时间。通常，每条路径71被分为多个部分。对于每条路径，使用在通过该模型得到的扩展的一组表面点中所包含的高度信息，计算所有路径部分的传播时间。然后，通过将特定路径的各部分的传播时间相加来确定每条路径的传播时间，从而计算得到传播时间。

测量得到的传播时间是通过从脉冲的传播时间减去脉冲的发射时间来确定的。发射时间通常通过记录激活信号被发送至第一换能器单元的时间点来确定，而到达时间通常通过记录从第二换能器单元接收到检测信号的时间点来确定。

然后，将计算得到的传播时间与测量得到的传播时间进行比较，并且记录任何差异。本身已知的优化程序接着被用于优化该模型以使差异被消除。适合的已知优化程序是Levenberg-Marquardt和Guass-Newton程序。

在本发明的方法中，使用了表面波。表面波的有点在于，每个脉冲均获得路径(而不仅是一个点)的信息。已发现，由于瑞利波沿着表面前进，所以瑞利波是非常适合的表面波。从而，瑞利波的传播时间提供了非常精确的关于表面结构的信息。

然而，导波也是非常适合的，尤其是当不仅需要关于表面的信息，而且还需要关于物体的壁厚的信息时。具体地，利用了导波的有利的分散特性(dispersive behaviour)：假定波的频率、传播速度取决于壁厚。因此，任何测量得到的速度变化表示壁厚变化。

还可以使用瑞利(脉冲)波和表面(脉冲)波的结合。

根据本发明的另一方面，瑞利波可以用于提供表面的平坦性度量，同样在缺乏如图2所示的重建模型时。一种通过使用在物体的表面上安装的超声波换能器来提供表面的平坦性度量的方法可以包括以下步骤：将脉冲波从第一换能器发射到一个或多个第二换能器，第一换能器和每个第二换能器限定沿表面的相应路径；测量脉冲波沿每条路径的传播时间；以及基于测量得到的传播时间计算平坦性度量，这些脉冲波是瑞利波。因此，瑞利波可以与或者不与表面的模型一起使用。(不)平坦性度量可以是合适的数字(例如，在从1至10的范围内)或者任何其他的适合度量。

平坦性度量可以是例如与(相对)传播时间成反比例，即，与由不平坦性而引起的延迟反比例。短的延迟将表示高度平坦性(因此，为较高值的平坦性度量)，而较长的延迟表示较低的平坦性。因此，瑞利波的相对时间延迟可以用于确定平坦性度量。代表“理想”平坦性的参考时间延迟可以基于理论研究或者使用非常平坦的表面的实际测量来确定。

根据本发明的另一方面，相位校正可以用于校正分散波。这在图4A和图4B中示意性示出，其中，图4A示出了原始脉冲81(粗线)及其失真的对应部分(counterpart)82(细线)，而图4B示出了重建脉冲83。

在图4A中，脉冲82被示出为由于分散而失真：与原始脉冲81相比，该脉冲的原始相位关系损失，并且脉冲在时间上展开。这就确定了脉冲的到达时间，并因此确定了不太精确的其传播时间。

精确度的损失可以通过应用(可选)相位校正X来避免。在示例性实施例中，相位校正X可以表示为：

$X={\exp }^{-\mathrm{i\ω}(\frac{x}{v\left({\mathrm{\ω}}_c\right)}-\frac{x}{v\left(\mathrm{\ω}\right)})}$

其中，ω是(角)频率，v(ω)是取决于频率的脉冲传播速度，以及x是在表面上没有任何凹部或凸部时的路径长度。

可以通过对失真脉冲(畸变脉冲)82进行快速傅立叶变换(FFT)、将所得到的频谱乘以相位校正X、然后应用傅立叶反变换(IFFT)来应用这种校正，以获得校正脉冲83。在进行校正之后，脉冲的相位以及本来形状被恢复，如图4B所示。此恢复后的脉冲波83允许对其传播时间的精确检测。本领域的技术人员将认识到，可以例如使用预测误差滤波器来应用其他相位校正技术。

图5中示出了一种用于对物体的表面进行建模的装置。装置1包括处理单元(PU)10、存储单元(11)、发射单元(TU)12和显示单元(DU)13。优选地，处理单元10包括微处理器，其能够执行具体化本发明方法的软件程序的指令。存储单元11可以存储此软件程序以及该模型的参数，模型参数包括表面点值的集合。优选地，显示单元13包括能够显示模型(尤其是图2中所示的类型的重建)的显示屏幕。发射单元12能够在处理单元10的控制下产生被供给(多个)第一换能器4的脉冲发射信号。另外，发射单元12能够接收由(多个)第二换能器5产生的脉冲检测信号并将适当的脉冲检测信号供给处理单元10。

发射单元12可以被配置用于例如使用射频(RF)通信或红外线通信来与换能器4和5进行无线通信。另外，处理单元10可以被配置用于应用如上所述的相位校正。用于相位校正的适合程序可以被存储在存储单元11中。

用于提供表面的平坦性度量的装置还可以具有如图5所示的结构。

应该理解，本发明并不限于管或软管，而是还可以应用在其他物体(例如，船体、飞机机身、车身、坦克装甲中的零件)的表面或壁、或其他表面或壁结构(例如，储油罐、杆、钢桥、和建筑中的金属结构)上。

本发明基于以下观点：对表面进行建模的计算负载可以通过使用具有有限数目的表面点的模型而显著地降低，并且模型的精确度可以通过对在模型中所使用的表面点进行内插来保持。本发明受益于瑞利波非常适合于收集表面信息这一观点。

应该注意，在此文档中所使用的任何术语不应被解释为限制本发明的范围。具体地，词语“包括”和“包含”并不是指排除任何没有具体说明的元件。单个元件可以用多个元件或其等同物替换。

本领域的技术人员应该理解，本发明并不限于上述的实施例，并且可以在不背离所附权利要求限定的本发明范围的情况下进行各种变型和增加。

Claims (10)

1.一种使用安装在物体(2)的表面(3)上的超声波换能器(4，5)来确定所述表面在一组表面点处的高度的方法，所述方法包括以下步骤：

●提供所述表面的模型，所述模型包括表示所述表面的高度的一组表面点，

●将脉冲波从第一换能器(4)发射至一个或多个第二换能器(5)，所述第一换能器和每个第二换能器限定沿所述表面的相应路径，

●测量所述脉冲波沿每条路径的传播时间，

●基于所述表面的所述模型计算传播时间，

●响应于测量得到的传播时间与计算得到的传播时间之间的任何差异，调节所述表面的所述模型，以及

●重复发射、测量、计算和调节的步骤，直到所述差异比预定阈值小，

其中，计算传播时间的步骤包括对所述一组表面点进行内插以获得扩展的一组表面点的子步骤，使用所述扩展的一组表面点计算所述传播时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组表面点由小于100个点构成，同时所述扩展的一组表面点由多于200个点构成。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述脉冲波为导波。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述脉冲波为瑞利波。

5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括将相位校正应用于测量得到的所述脉冲波的传播时间的步骤。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，连续地对至少两个所述第一换能器(4)执行发射脉冲波以及测量传播时间的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一换能器(4)的数量等于所述第二换能器(5)的数量。

8.一种管道的监控方法，所述监控方法包括根据前述权利要求中任一项所述的方法。

9.一种使用安装在物体的表面上的超声波换能器来确定所述表面在一组表面点处的高度的装置(1)，所述装置包括：

●存储单元(11)，用于存储所述表面的模型，所述模型包括表示所述表面的高度的一组表面点，

●第一换能器(4)和至少一个第二换能器(5)，所述第一换能器和每个第二换能器限定沿所述表面的相应路径，

●发射单元(12)，用于将脉冲波沿所述相应路径从所述第一换能器(4)发射到一个或多个所述第二换能器(5)，以及

●处理单元(10)，被配置用于：

○测量所述脉冲波沿每条路径的传播时间，

○基于所述表面的所述模型计算所述传播时间，

○响应于测量得到的传播时间与计算得到的传播时间之间的任何差异，调节所存储的所述表面的模型，以及

○重复发射、测量、计算和调节的步骤，直到所述差异小于预定阈值，

其中，所述处理单元(10)还被配置用于对所述一组表面点进行内插以获得扩展的一组表面点，并且用于使用所述扩展的一组表面点计算所述传播时间。

10.一种用于监控管道的系统，包括根据权利要求9所述的装置(11)。

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