CN1028905C - 用超声波识别材料和设备的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一个识别材料和设备的系统，包括许多小的金属板，识别是通过测试装设到材料上的板的内表面进行的，识别装置包括刻痕或盲孔，采用扫描方法或多路复用技术用超声波传感器进行探测，该传感器发射超声波并接收被隐藏表面反射回来的超声波信号，并将反馈信号作为装设到材料上的小板的隐藏表面上的标志的函数，从而为其建立一个不同的二进制编码序列。

Description

本发明涉及材料和设备的识别方法及装置，具体地说，涉及用超声波识别材料和设备的方法和装置。

在本说明书中，我们以石油钻探设备为对象进行说明，但本发明的方法和装置可以用于其它工业部门的别的材料和设备，只要其识别的要求与采矿业，尤其是石油工业相似。

石油钻探设备的识别，由于其设备工作条件的恶劣以及构成该设备的数量巨大的零配件，使之成为本发明最困难的应用之一。尽管如此，为保证其设备运行的可靠性，仍然需要识别系统，否则在经济上会造成十分严重的后果。在采矿业、石油钻台，不论是勘探还是开采，所用设备都包括由大量依次相连的钻杆和钻头构成的钻机，它由地面上的设备在一定距离内驱动，通常有几千米长。转动的力矩在构成钻机的钻杆上产生巨大的扭矩，向前的推力由钻机自身重量和悬挂系统产生，它可能是一部分或全部施加到钻头上，由钻杆组件的长度可知所说重量是十分巨大的。

钻杆上还包括钻探机构，当钻探向深处进行时，可以逐渐地增加其长度。

钻机是在十分恶劣的条件下，如极大的机械和环境应力，逐渐增高的温度和压力，以及振动等条件下操作的。在钻探过程中，钻杆组件要废弃和重新钻入许多次，为了能连续钻探，就要在钻杆断裂之前 重新装配。

如果钻机的某一部分钻杆毁坏了，就会产生严重的后果，在断掉的钻杆以下的部分完全报废，还要放弃已钻探了一部分的钻孔。

构成钻机的各个部分是彼此不同的，除前面已提到的钻头以外，钻杆除具有的标准长度，其类型，重量、材料、直径、以及补接管、异径接头，配重件等都是不同的。所有的配件，均根据要钻的孔的技术要求，按非常精确的顺序，依次连接构成钻机。

这些组件在不同的井和不同地点上要使用多次，其间要进行周期性的检查，可能的再分类和维修。

可以把已经在较“艰难”的地方钻探使用过的设备用在条件较好的地可再使用，而同时，那些尚未强烈受力的设备则可被用在“艰难”的钻探工作中。

这些配件的每个都必须准确地识别，不仅要测量上述的参数，而且要了解其使用和维修方面的完整的既往历史。

每个配件的工作寿命以内的所有经历及其结构特征都被记录在计算机处理过的文件里。

当需要使用它时，在安装在钻机上之前先从库中提出，这个材料必须加以识别以确定它是否符合其将要担负的新的工作的要求。识别满足各种要求：识别的结果既要确保所有配件在钻机上的顺序满足要求，还要将各组件的详细数据贮存起来，这对于钻探工程的管理来说最终是需要的。

在检查和作任何维修时都进行同样的识别和记录的工作。

很显然，常规的识别装置，例如留割痕带有数标的识别板或外用条形识别装置，虽然是放在不易损毁的位置，但在钻探过程中，设备 要经受冲击、振动、腐蚀、积垢，因此，在使用一定时期后，就不再可能识别它们。在这种情况下，常规的识别方法是不实用的。而钻杆使用钢铁材料又意味着无法使用磁性特性来识别它们。

本发明的目的是提供一种用超声波识别那些由于恶劣的工作条件无法用常规方法或装置识别的材料和设备的方法及装置。

上述目的可由本发明的利用超声波识别材料和设备的装置和方法实现。本发明的利用超声波识别材料的设备的装置包括-装设在所述材料上的标志件和一个所述标志的记录装置，其特征在于：该标志件包括一个板，在板的一个表面上预定的位置用切割或其它方式刻出标志，以形成一个与这些位置上有、无刻痕或无、有刻痕相对应的0或1的符号序列，所述板被固定到待识别材料上，使其有刻痕的表面隐藏在下面而相对的表面，其中标志的记录装置由一个或多个超声波传感器构成，放置在板之上与标志相对的位置，该传感器由一个电信号激励以产生一个超声波信号，该信号从板的隐藏表面反射并返回传感器，产生一个不同的反馈电信号，作为所述每个位置有无标志的函数，从而得到一组识别板的隐藏表面上所作标志的二进制数或电信号。

根据本发明，设备和材料的识别是这样完成的，在设备和材料上附加一个小板，在它的隐藏表面上作标记，然后用超声波传感器来“阅读”它。

使用本发明装置和方法能够解决用传统的识别装置和方法无法识别的材料和设备的识别问题。

下面将结合图1，2和3来描述该识别装置和方法，这些附图描述了一个典型的实施例，但只是一种图解，而不起任何限制的作用。

图1A-1C示出了本发明所用的识别板。

图2A-2C示出了阅读本发明所用识别板的传感器装置。

图3A-3B说明识别板上有无刻痕存在时信号反射的图形。

图4公开了本发明的又一实施例。

图5A、5B和5C说明实施本发明的流程图。

识别板1最好是但并不必须是一个规则的形状，例如它可以是圆角的矩形，可由某一种能耐工作条件的材料制成，诸如不锈钢或具有类似机械和工作特性的金属合金。

在所示的板1的某一表面，作出了一系列一样的和在预定位置2上的刻痕，如用机加工的方式或别的方法，在每个位置2上制出刻痕3，在图1所示的实施例中，刻痕3是盲孔的形式，但它与任何其它形式，如直线铣槽作用是一样的。然而盲孔是一最佳实施方式，它易于机加工，而且在板1上可以有较大的密度。

标志位置2之间的距离如后面将图示的，取决于构成记录装置的传感器的大小和精确度，孔3的轴线间距为几毫米。

孔的底部最好是锥形、球面或其它不是平面的形状，

在位置2上的一系列孔3，其有或无构成一个用于识别该材料或设备的二进制码数器。对于N个有效的位置，可能的组合等于2N个，举例来说16位二进制数的十进制值相当于序数从0到65535，若是32位，则其十进制数值将超过40亿。

板1加以标志后固定到材料4上，材料4上有一空腔5，它的形状正与板1的形状匹配。空腔5的底部必须与板1的表面尽可能平行，以使板被刻记的表面能与空腔5底部平行放置。板1刻有标记的表面向内放置以保护之，而未刻有标记的表面则朝外。

板要固定在空腔内不能移动。可以采用传统焊接，或利用激光产 生许多小焊点的方式来固定，也可以在空腔加热状态下用力将板压入或用在钻探过程中能承受这些工作条件的胶来固定。既使由于各部分接合处的不严密而渗入一些液体、固体或悬浮物到空隙中，对记录数据也不会产生本质的影响。空腔5的深度大于板的1的厚度，使其在装配板1之后，仍留有一导向口以准确地为记录装置定位。

沿空腔5边沿上还可以设置一隆起的部分7，从而为空腔5提供了更厚的保护层。

如上所述，对于板1或空腔5，并不必须是具有规则的形状，尽管这是使本发明构造简单、容易实现的条件。采用非对移形式，使从机械方面避免不同部分的镜面位置需加以识别成为可能，而在对称形板的情况，就需要测试仪器测试板上一个或多个有效的位置或标志来加以区分。

根据本发明，“阅读”固定在空腔5中的板1是利用可发射超声波并记录从空腔中反对的回声的传感器发射的超声波，一个位置挨着一个位置地进行扫描而完成的。

在无孔处-不论孔是槽形还是任何其它种类的刻痕时现象均相同-信号反射到板的平坦的隐藏表面又返回传感器产生一很强的回声，而如果有孔，孔的锥形或球面形底部向各个方面发散信号，因此返回到传感器的回声强度仅比本底“噪声”大一点。

超声波传感器一记录仪在本领域是熟知的，这些记录仪可以用于本发明，例如，意大利专利第1148549号和欧洲原子能联营申请的法国专利第2570533号中所说的传感器可以作为例子。图2A所示为用于本发明的装置的超声波传感器8的框图。

超声波传感器8的芯部包括一压电陶瓷片9，当它接受一个电脉 冲信号时能够产生一个超声波信号，反过来，当接收到一个超声波脉冲时可以产生一个电信号。举例来说，这种材料可以是铅络盐，诸如锆酸铅和钛酸铅，现在称之为PZT。与片9的一个面（图2A中的上表面）相接触处，有一层导电金属粉末（诸如钨粉）的涂层，其上用树脂，如金属密度很高的环氧树脂覆盖，从而有很好的导电性能。涂层10的作用既是导电体又作为回声阻尼，使信号尖锐而又不会产生不必要的延时。

把带有连接器12的导体11从与片9相对的一侧插入涂层10，以提取和供给电信号，该导体11被封装在不导电的合成树脂（如环氧树脂）构成的一棱柱体13中，露出其端头。另一方面，在片9的另一侧（图2A的下面），有一导电金属板14，它是接地的。

根据本发明的优选实施例，在金属板14上还涂有一层树脂涂层15，经机加工后，使其外凹面形成一超声波透镜，从而将由片9产生的超声波信号聚焦到任何希望的距离处。

传感器是由板14接地的，并由连接器12与一电脉冲产生器相连，以使传感器8产生超声波，还通过连接器12与一仪器相连，以测量当传感器接收到一反射的超声波信号时所产生的电信号的电压或电势。

板的隐藏表面的“阅读”，如上所述，是基于传感器发射的超声波的反射或其它，并将大于某一特定值的反馈信号记录为没有孔洞，而将一弱信号视为有孔洞，有孔洞时回声的幅值小于没有孔洞时回声幅值的十分之一。

这个现象图示在图3中，其中分别表示了没有孔洞和有孔洞时反射信号的波形。

这个“阅读”方法包括按预定的时序，对每个单个的传感器记录在时间门内得到的信号幅度，时间门的设定是指声波从两个方向通过中间的传播时间，现在以“飞行”时间对应于反射列板内藏表面的时间。

所说幅值与传感器标定时预设的一个阈值比较，每一“位”或位置对于回声大于阈值（无孔洞）赋予0值，而对于弱回声（有孔洞）赋予1值，或者反过来。

对从片的可视表面辐射出的回声设定另一时间门，以检验在第一时间门内没有信号不是由于传感器中的任何错误或是与板的连接问题所引起的。在第二时间门内的信号的幅度是噪声电平的50-60倍。

在日常用语上时间门-被理解为进行记录的时间间隔-在这里表示超声波信号从两个板表面（可视表面和隐藏表面）反射的时间信号，那是两个反射信号以相同速度通过不同长度路径的时差。因此反射信号返回传感器的时间是不同的，首先返回的信号是从板的可视表面反射回来的，而第二个返回的信号是从隐藏表面返回的，这个时间延迟量可以作为所穿透的板的厚度的函数。在出现两个连续的反射信号时，它们本身所表示的含义是十分明显的，首先出现的反射信号就是通过最短距离的那一个，当然，是通过同一种介质。

在超声波记录技术中，现在使用“时间门”技术，它是记录仅在一所说信号具有所要求的含义的时间间隔内的信号，而同时滤去在这一时间间隙内出现的具有其它特征的所进行的测量无关的信号。

在本发明中，如图3所示，使用了两个时间门。

按照时序，第一个时间门对应于由板的可视表面反射的超声波信号的返回;根据本发明的一个优选实施例，这个信号被用来确认系统 在正确地工作，确保其它记录能够提供可靠的数据，换句话说，意味着按照出现时间而设定的第二个时间门对应于从板的隐藏表面反射的超声波信号的返回。

但并不是说两次记录仍以相同顺序进行处理，事实上，也可以先记录相应于第二时间门的信号，然后才是相应于第一时间门的信号，按照控制逻辑，先与后是没有区别的，正确地记录从可视表面反射的信号可被用作限制方式或是数据认可。

在图3的反射信号图中，上面的图相当于0值位，换言之即表示没有钻孔，其中，相应于第一时间门记录从板的可视表面反射的信号，与此同时，从隐藏表面反射的信号则在第二时间门被记录下来。

另一方面下面的图表示1值位，即有孔：在第一时间门内总是被可视表面反射的信号，而在第二时间门内没有明显的信号，在两个时间门中间，还有可能观察到一个小幅度的干扰，这是由于入射信号被孔的锥形底部发散形成的。

如果使用的孔或标志的底部是平的，且平行于板表面，孔底部将构成一个壁以反射声波，孔的存在将增强一反射信号，这个信号将在某一时间门进入传感器，并出现在相应于板的两个表面反射回来的信号的两个时间门中间。使用具有扩散型底部的孔构成了一个本发明的非常简单经济的实施例。

记录既可以使用一单焦点传感器，用一机械扫描装置，这就是说，使用一个能够按预定的顺序对各个可能的位置进行探测的传感器，还可以使用一个电扫描多单元传感器，这就是说用与待测位置数相等的记录元件同时探测所有位置，然后，按预定的顺序，收集所有有效位置的数据，也是使用目前称之为“多路复用”的技术。

在以下的描述中，我们要谈及电扫描技术，但明确指出，机械扫描只是本发明方法的概念上等价的方案。

多单元传感器由许多对超声波敏感的单个的传感器构成-如前所述的类型，其数量等于有效位置数，并按同样方法处理数据，这就是说，所说的多元传感器与板相对放置，每个单传感器与一个孔位置对应，并能记载板下面是否有隐藏的钻孔。

传感器定位误差及钻孔深度的变化不超过零点几毫米的量级，则不影响识别的准确度。

参见图2B，其中所示为与图1所示板匹配的传感器，这个多元传感器包括三排平行的，每排分别有11个，13个和11个的单个传感器，这些单个传感器一个挨一个放置，使之能够记录在标志板相应的行列有无孔洞。

传感器的横向尺度可以是颇能被容纳的。可以假定这些值是十分之一英时（2.54mm）-这相应于孔间距-这样32个孔位置才能被容纳在一个小于10Cm²的矩形中，该矩形大小为35×15mm。这个尺度还可以通过缩小配件减小，但这样的孔间距值已保证标志装置的体积较小。

图2A中的单个传感器8被按照图1中的板上的位置一个挨一个定好位，在各个传感器之间留有缝隙16，其中充满树脂从而形成一个稳定的传感器块、其中各个传感器都在固定的位置。

根据本发明的优选实施例，金属板14被胶粘到用上述方法构成的传感器块的整个表面上并接地，从而使块中的所有传感器都具有相同的电势。

多单元传感器的平面配置与板1上的标志位置是一致的。在它的 四个角上有垫片17倚靠在板的可视表面上以确保所有的传感器8的聚焦透镜15都位于板1的可视表面外预定的距离上。

在多元传感器和板1的可视表面之间的间隙18中充满凝胶，这种凝胶具有良好的超声波透过特性。扣边19的表面可与图1中空腔5的边沿配合，以保留住声导凝胶。如前面所解释的，传感器既起一个信号发射器的作用，又起一个信号接收器的作用，它能将电信号转变成超声波信号，或反过来将一个超声波信号转变成电信号。

传感器与板之间的耦合是利用几毫米厚的凝胶涂层实现的。为此，多单元传感器是通过势片17在四个边点上与板的可视平面接触的。

透镜15将超声波束从每个传感器聚焦列标志孔洞底部的深度上。多单元传感器的各个单元兼作发射器和接收器。

测量可以通过扫描未完成或利用所谓的多路转换技术，即不同的单元被顺序选择到。

各种“多路转换”方法，或者基于多元传感器的每个单元的发射一接受开关，或者基于纯接收开关，都是可行的，所有单元要电并联连接。

阅读过程包括简单地的收集信号和将收集到的回声译码成有区别的0值和1值。这样规则的值就构成了所要的数据，并贮存在存贮器中，成为对使用者有用的值。

这些装置与微电脑或其它电子器件一起使用是有利的，这样就能将关于钻探材料和设备的所收集的数据存贮起来，显示和重新送回记录文件。

在这装置上使用位置传感器也可能是有利的，它可以告诉操作者，阅读头（由多单元传感器构成）是否正确地放置在板上，也可能使用 监视传感器以确保相对于第一监视门信号能指示传感器在正常工作，也可能使用传感器确保收集数据的存贮，以及使用其它附加件。这装置进一步还可与监视钻机部件性能、完成顺序的仪器相连，以保证它们是依据计划的，完成上没有错误，并依据记录极据。记忆数据的矫正可以是周期性的或实时的。

例1

识别装置已经通过某些钻探材料和设备进行了测试，尤其是对轻重量钻杆，需要：

根据连接类型有8个编码数    （3位）

根据直径和单位长度重量有5个编码数    （3位）

根据材料区分，有4个编码数    （2位）

对重钻杆，需要：

根据标称直径有5个编码数    （3位）

对钻头的配重杆，需要

22个编码数    （5位）

每种配件需识别的样品数量是60，000，所以序数限制为16位，还需2位用来识别设备的类型，另两位用来监视阅读头的正确定位。总起来说，对于轻重量钻杆，除了定位需要的位数，最多需用26位。包含所说数据的板如图4所示。它有三排平行的分别为8个、12和8的有效孔位置。

板由4.5mm厚的AISI    316号钢制成，是一个尺度为36×16mm的有倒角的矩形，其矩边呈圆形。

两个数据点A和B是用来检验阅读头的定位是否正确，特别是在点A有一个锥形底的孔而在点B则没有标志。阅读是按照各位置的数 码顺序进行的。

各行孔相隔5.08mm（十分之二英寸），孔的间距是2.54mm，孔径2mm，深度2.5mm锥角为120°。这可以容易地采用数控自动镗床进行加工，这种机床能够对要生产的各种标识板的钻孔位置编程序。

本发明的装置和方法有利于利用专用微机或微电脑。

例2

图5所示为识别程序的逻辑框图，其中的古英文涉及石油技术：

drill    pipe表示    轻重量钻杆

drill    collar表示    配重套管

hevy    wate表示    重钻杆

sub表示    连接

其它项目都是在程序框图中常用的术语。

这些符号具有下列含义：

S1    在时间门1的信号幅值

S2    在时间门2的信号幅值

M1    在时间门1的信号阈值

M2    在时间门2的信号阈值

A、B    传感器位置的校准

在例1中，连接头没有被加以考虑，但它只需建立2个识别位就能识别4种类型，因此对于连接头，也是足够的。

程序的第一部分是一辅助“循环”以检验阅读头是否已正确地定位在识别板上或者第一传感器是否已定位在点A上（如定位在点B就错了）

如果这些条件满足，那么第二部分自动执行。

对于26个信息点的每一个，按照时序，都会得到相应位的0值或1值，如果不是由于传感器单元出错或其耦合不成功，在时间门1内总能监测到没有回声（这一位的值等于1）。

确定了连接头的可靠性之后，就可以进入程序的第三部分，其中首先识别配件的类型、然后阅读表征色的编码、再计算出表征色的编码序数（从11位到26位）。

本发明的装置和方法适用于需要标志和识别材料和设备的工业中，在应用时，除了认真使用它们，还必须只能由拥有一套阅读仪器并掌握相关编码的有资格的人员来阅读。

本发明也可用于保安领域的识别应用，如果需要，还可记录标志板的载体，可能的话，还包括阅读仪器的载体。

Claims (18)

1、一种利用超声波识别材料和设备的装置，包括一装设在所述材料上的标志件和一个所述标志的记录装置，其特征在于：该标志件包括一个板，在板的一个表面上预定的位置用切割或其它方式刻出标志，以形成一个与这些位置上有、无刻痕或无、有刻痕相对应的0或1的符号序列，所述板被固定到待识别材料上，使其有刻痕的表面隐藏在下面而相对的表面，其中标志的记录装置由一个或多个超声波传感器构成，放置在板之上与标志相对的位置，该传感器由一个电信号激励以产生一个超声波信号，该信号从板的隐藏表面反射并返回传感器，产生一个不同的反馈信号，作为所述每个位置有无标志的函数，从而得到一组识别板的隐藏表面上所作标志的二进制数或电信号。

2、如权利要求1所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：所述板的隐藏表面上的标志是由一系列盲孔形成的，盲孔的底部最好为凹形。

3、如权利要求2所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：其中的盲孔底部是锥形或球面形的。

4、如权利要求2所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：所述板固定在待识别的材料体上的空腔中，该空腔的形状与所述板一致并可容纳它，其深度至少等于，最好是大于板的厚度，以构成一个有效的空间，使所述传感器得以根据标志位置定位。

5、如权利要求2所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：所述传感器设计成一单块形式，其芯部包括压电片、导电金属粉末的树脂涂层、封闭在不导电棱柱体内的导体，以及一金属板，所述导体从棱柱体中露出作为连接器的一端，另一端则与所述涂层电连接，所述金属板则从压电片与涂层相对的那部分引出，作为压电片的一部分并构成接地导体。

6、如权利要求5所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：一个透镜设置在所述金属板上，将传感器发射的超声波聚焦到孔深处的底部。

7、如权利要求6所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：多个传感器按照与板上的标志位置一致的设计组合成一个多单元传感器，从而使每个传感器对着每个标志位置。

8、如权利要求7所述的利用超声波识别材料和设备的装置，其特征在于：在多单元传感器的周边部分有分隔元件靠在板的可视表面上以确保板和聚焦透镜之间有所要求的距离。

9、利用权利要求8所述的装置对材料和设备进行超声波识别的方法，其特征在于：首先将传感器放置到与板对应的每个标志位置的位置上，从而由一个电信号激励传感器以向板发射一个超声波信号，该超声波信号在板的主体之间反射并返回传感器，以便根据按是否存在标志而差动的特定的时间门重建一个电信号，所述电信号是根据传感器输出端和板之间的电压差或电势差而测量的。

10、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：值1被规定为信号或二进制数的幅值大于传感器标定时确定的阈值的情况，而值0则被规定为信号或二进制数的幅值小于所述阈值的情况。

11、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：当所用标志有一凹形底部时，超声波信号被发散，从而使反射信号的幅值小于该阈值。

12、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：使用平底标志和标志底部平行于板的表面的标志，从孔底部反射的超声波信号形成反馈信号被在与又从板的隐藏那个表面反射的信号不同的时间门内记录下来，从而有可能根据信号出现的时间门识别出信号反射的表面，来区别二进制数等于1和等于0的情况。

13、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：传感器的正常工作状态是通过监视对应于从板的可视表面反射的时间门内的反馈信号来检验的，设定该信号幅值大于所述阈值。

14、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：其中多单元传感器相对于板的位置确定后，在透镜和板的可视表面之间留有一自由空间，其中充满能传播超声波的凝胶，所述凝胶在传感器放置前就涂敷到板上。

15、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：用一个或多个标志位置来监视多单元传感器相对于板的正确定位。

16、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：反射信号的记录是按顺序采用电扫描方式进行的。

17、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：反射信号采用多路转换技术进行记录，即对构成多单元传感器的传感器进行开关转换。

18、如权利要求9所述的利用超声波识别材料和设备的方法，其特征在于：为了建立对材料的识别顺序，反射信号的记录是采用严格的定时采集传感器的返回信号的方式进行的。

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