CN103380386B - 超声波测量 - Google Patents

Abstract

方法和装置涉及诸如工件（12）的厚度（11）的尺寸的超声波测量，所述工件通过与工件（14）接触随时间被损耗。超声波收发器（18）将超声波耦合进入工件（12）。外发超声波i导致返回收发器（18）的回声r。这允许计算飞行时间来产生用于厚度（11）的值。在描述的示例中，在指定期间内重复所述测量多次以从每个接收的信号中提取信息。使用从多个接收的信号中提取的信息来产生表征工件（12）在指定期间上的尺寸的单个值。

Description

超声波测量

技术领域

本发明涉及超声波测量，尤其但不唯一涉及用于尺寸的超声波测量的装置和方法。

背景技术

在许多情况下，例如，为了提高效率，有益的是确定工件上的损耗影响或发现重大损耗即将发生的时点。例如，在使用中和另一工件保持日常接触的工件的尺寸可能随时间发生变化，因为其被所述接触所损耗。在不接触情况下也可能发生损耗，例如通过腐蚀损耗。确定工件上的损耗影响在计算工件的预期寿命上会很重要，所述确定使得能够在工件出现故障或引起破坏之前更换掉所述工件。在诸如车辆引擎部件或轴承的机器部件方面，理解损耗影响特别重要。确定损耗影响在测试相关联部分（例如，润滑剂）的性能方面也会很有益。

申请人已知当前存在两种主要的测量损耗的方法。第一种测量损耗的方法要求在所讨论的工件经受损耗影响前后对该工件表面进行分析，例如使用坐标测量系统。这种方法不理想，因为它要求损耗已经发生。也不可能在损耗随时间发生的同时检测损耗图形的变化。

另一种测量损耗的方法是放射性同位素测量（RNT），也称作表层激活（SLA）或薄层激活（TLA）。所述方法包括对工件的表层辐射。随着损耗发生，受辐射的金属原子被冲洗到润滑剂中，润滑剂再流通经过闪烁计数器。因此，检测到的受辐射原子的个数表征损耗率。这种方法能够接近实时地测量损耗，仅具有由金属原子流通所花费的时间造成的短时间的滞后。然而，由于使用辐射，这种方法仅可以用于受控的实验室环境。由于仅能有限地获得辐射同位素（它们中的一些具有有限的半衰期），难以同时测量多个部件的损耗。而且，被测损耗率常常不同于实际的损耗率，因为不是所有被驱逐原子必然被流通。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种超声波测量方法，所述方法包括下述步骤：

发送超声波信号进入工件，

从所述工件接收超声波信号，所述接收的信号包括来自工件的边界处的所发送的信号的反射，

以指定的周期重复发送和接收步骤多次，

从每个接收的信号中提取表征工件尺寸的信息，以及

使用从多个所接收的信号中提取的信息产生表征指定期间上工件尺寸的单个值，

这些步骤不必按照上述顺序进行，而是可以以任何适当的顺序被执行。

所述单个值可以是用于工件尺寸的值。所述单个值可以是飞行时间值。

工件可以包括下述中一个或多个：金属、合金、塑料、混凝土、陶瓷、涂覆材料及复合材料。当工件包括金属时，所述金属可以从钢、铝、铜、黄铜、锡、铅、铋及上述金属的合金中选择。工件可以包括氧化铝和/或硅酸铝。

所述方法可以包括步骤：根据从各个接收的超声波信号中提取的信息确定飞行时间值。可以产生包括多个飞行时间值的集合。所述集合中的每个飞行时间可以对应于各个接收的信号。

产生用于尺寸的值可以包括将所述多个飞行时间组合起来产生复合飞行时间值，并且可以包括使用所述复合飞行时间值确定用于工件尺寸的值。

产生复合飞行时间值可以包括执行统计操作，例如，取飞行时间值的平均，例如，平均值、中值或截尾平均值（典型的为平均值）。

产生复合飞行时间值可以包括下述步骤：产生多个飞行时间亚值（sub-value），并将飞行时间亚值组合起来产生所述复合飞行时间值。每个飞行时间亚值可以从飞行时间值的一个子集产生。

产生用于尺寸的值可以包括从信息中产生复合飞行时间值——所述信息从多个接收的信息中提取，所述复合飞行时间表征平均飞行时间——以及可以包括使用复合飞行时间值来确定用于工件尺寸的值。

发送和接收步骤可以在指定期间重复2到1000000次，指定期间可以是1秒，或1秒的一小部分，例如，0.2秒或0.5秒。发送和接收步骤可以在指定期间重复2到450000次，以及可以重复1000到100000次。在所述期间为3秒的情况下，发送和接收步骤可以重复40000次。在所述期间为0.2秒的情况下，发送和接收步骤可以重复4005次。

当工件包括金属时，上述范围可能是适当的。当工件包括非金属时，发送和接收步骤的次数可以根据材料的声学特性保持相同、增加或减少。例如，发送和接收步骤的次数可以减半、或减少到上述范围的三分之一、四分之一或五分之一。

所述方法还可以包括以某时间间隔重复所述方法以产生多个复合尺寸值的步骤。时间间隔可以是定期的时间间隔，例如，一分钟重复一次所述方法，或每两分钟、十分钟、一小时等重复一次。在一个实施例中，可以将所述方法应用于被测量工件经受损耗的情况中，其中通过比较多个尺寸值评价所述损耗。

确定飞行时间值的步骤可以包括识别反射的信号的零幅度发生的时间。零幅度可以包括过零点（interceptzero），例如，跟随峰值幅度后面的零点。所述零可以包括第一过零点。

接收步骤可以包括接收所发送信号的第一反射。接收步骤可以包括接收更高阶反射，例如，第二反射，第三反射或其它多阶（multiple）反射。

所述方法还可以包括测量工件内的一个或多个温度的步骤。可以在指定期间上测量这些温度。所述方法可以包括下述步骤：调整复合尺寸值（如果需要的话）以使用温度校准所述值。

根据本发明的第二方面，提供一种装置，所述装置用于确定工件尺寸，其中，所述装置可操作以执行本发明的第一方面的方法。所述装置可以可操作地以任何适当顺序执行以上本发明的第一方面所指的方法步骤的任何组合。

所述装置可以包括超声波发送器和超声波接收器，所述超声波发送器可操作地发送超声波信号进入工件，所述超声波接收器可操作地从工件接收超声波信号。超声波发送器和超声波接收器可以一起组成超声波收发器。超声波收发器可以可操作地产生宽带超声波脉冲或频率在1到100MHz——例如2到50MHz、3到50MHz、或5到20MHz——的超声波脉冲。超声波收发器可以包括基本20MHz的频率。超声波收发器可以包括基本10MHz的频率。超声波收发器可以包括压电换能器。

所述装置可以包括控制系统，所述控制系统可操作地提供电信号至超声波收发器以使超声波收发器发送超声波信号。所述控制系统还可以可操作地从超声波收发器接收电信号，所接收的电信号包括表征工件尺寸的信息。

控制系统可以可操作地使超声波收发器在指定期间发送多个超声波信号，并且可以可操作地在指定期间从超声波收发器接收多个电信号。

控制系统可以可操作地提供电压脉冲至超声波收发器。控制系统可以包括可操作地提供电压脉冲的脉冲生成模块。电压脉冲可以被整形，并且可以包括方波、三角波、正弦波或它们的一部分。也可以用宽带（多频率）波激励收发器。所述波可以包括1到100MHz的频率，例如，2到50MHz、3到50MHz、或5到20MHz。所述波可以包括基本20MHz的频率。所述波可以包括基本10MHz的频率。

电压脉冲可以具有低于200V的峰值幅度，以及可以具有2到100V之间的峰值幅度，例如5V和20V。电压脉冲可以具有大约10V的峰值幅度。

脉冲生成模块可以包括脉冲生成器和放大器，所述脉冲生成器可操作地生成初始电压脉冲，所述放大器可操作地放大所述初始电压脉冲以产生放大的脉冲。脉冲生成模块可以进一步包括信号阻止器（blocker），所述信号阻止器可操作地屏蔽脉冲生成器免受所放大的脉冲的影响。信号阻止器可以包括场效应晶体管。所述信号阻止器可以与所述放大器同步，使得信号阻止器仅在所述放大器发送所放大的脉冲的时候可操作，其它情况下不可操作。

可以分开实施超声波发送器和超声波接收器以将所述接收器从所述发送器提供的激励隔离。

控制系统可以可操作地从所接收的超声波信号中提取表征工件尺寸的信息，并且可以可操作地使用从多个所接收的信息中提取的信息确定指定期间上用于工件尺寸的单个值。控制系统可以可操作地确定对于各个电信号的飞行时间值，以及将多个这样的飞行时间值组合起来产生复合飞行时间值。控制系统可以使用复合飞行时间值来产生尺寸值。

所述装置还包括一个或多个温度传感器，其中，所述传感器可以包括一个或多个热电偶。控制系统可以可操作地使用温度传感器提供的温度测量值校准用于尺寸的值。

根据本发明的第三方面，提供一种工件，所述工件包括根据本发明的第二方面的装置。工件可以是诸如车辆的机器、或可以被包含在机器——例如车辆部件（例如，引擎元件）——内。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例方式描述本发明，其中：

图1是用于测量工件尺寸的装置的示意图；

图2示意地图示在第一工件（A）中和第二工件（B）中的飞行时间之间的差；

图3示意地将可由包括电容器堆（bank）的系统生成的信号和理想信号进行比较；

图4图示幅度上有差异的两个反射的信号；

图5图示温度变化对外表厚度的影响；

图6示意地示出用于测量工件尺寸的可替换的系统；

图7是绘出用于测量尺寸的方法的流程图；以及

图8图示两个超声波，所述两个超声波具有不同的频率，但以相同速率被采样。

具体实施方式

首先参考图1，示出用于使用超声波测量工件12的尺寸的装置。

超声波指人类听力以上的声音频谱部分，它通常被认为包括具有超过20kHz的频率的声音。超声波脉冲以由固体的材料性质确定的速度穿过固体。当发生声学性质改变时，超声波脉冲通常从界面或边界被反射。

从边界反射的超声波信号包括关于所述边界的信息。例如，通过测量发送进工件的超声波脉冲穿过工件到达边界并作为反射返回所用的时间，可以确定关于到所述边界的距离的信息。根据所述测量时间，能够（已知制作工件的材料中的声音速度）计算反射的波行进的距离。所述距离表征工件尺寸，具体地，是表征到所述边界的距离。当边界是表面时，所述尺寸表征工件的厚度。

图2中更清晰地图示了所述方法。图2A示出耦合到工件12的超声波收发器18。当通过适当电脉冲激励收发器18时，收发器发射超声波信号i。所述信号沿大体上垂直于收发器所固定至的表面的平面的方向被发送穿过所述工件。当所述信号到达边界时，例如工件的测试表面28，至少信号的一部分被反射。反射的信号r在超声波收发器18处被检测并转换成电信号。

图2A还示出发送的脉冲i和反射的脉冲r随时间而变的幅度变化的图形表示30。反射的信号具有与被发射的信号大体相似的形状，但幅度减小，因为损失了一些信号能量（由于衰减，以及因为不是全部信号必然被反射）。

发送的脉冲和接收的脉冲之间的时间31是信号的“飞行时间”。所述飞行时间31表征信号行进的距离，所述距离等于工件厚度的两倍。

图2B图示与图2A相似的情形，但工件112比图2A示出的工件12更薄。在这个示例中，工件112是工件12在其经历了一些损耗之后的工件。将可看出，图2B中朝外的脉冲i和反射的脉冲r之间的时间31少于图2A中的对等时间，因为行进的距离更短。

测量尺寸——尤其是实时测量尺寸变化——以提供损耗表示的一个困难在于，尺寸测量必然包括一些不确定度。

如在此所用，术语“不确定度（uncertainty）”（也称作U）意味着厚度的单个测量值（X）是这样的值：X±U对于样本厚度的真实的、基础的平均值形成95%的置信区间。假定s是在稳定状态下（无损耗发生）在恒定温度下在短的时间期间内从对同一样本的大量样本的重复厚度测量中将会获得的标准偏差。假定对于采样过程，各个测量值不是自动互相关。则不确定度被限定为1.96·s。

也可以基于以下标准偏差来限定与温度调节的厚度测量值（temperature-adjustedthicknessmeasurement）相关的不确定度，所述标准偏差是没有损耗发生时、在不同温度下对同一样本获取的各个测量值之间的标准偏差——假定选择采样过程使得温度被随机选择并且测量值是独立的。这种不确定度将比来自恒定温度下的不确定度更大，因为在估计校准等式的参数时将存在不确定度。

所述不确定度区别于所述方法的可重复度，因为所述不确定度是故意没有考虑各次运行之间的变化或由于样本准备导致的变化，更确切而言，所述不确定度是由于测量中的短期变化引起的与特定时间的特定测量相关联的不确定度。

损耗测量的不确定度被定义为在损耗发生前后对同一样本各个测量之间的差的95%置信区间宽度的1/2，并且等于1.96·s·。所用的s的值可以根据需要基于原始厚度测量值或温度调节的厚度测量值。

为了提供有用的损耗表示，需要能够以很低的不确定度测量尺寸，以便可以检测厚度上的小变化（例如，少量损耗）。通常可取的是，能够以低于1μm——优选地10nm或更小——的不确定度检测损耗。例如，在1秒的时间期间上测量时，1nm到5nm的不确定度可能比较可取。

为了以这种精确程度确定距离，要求测量超声波的飞行时间到皮秒。当前这既困难又昂贵，并且在非实验室环境下不切实际。

我们已经发现，可以从多个不太精确的飞行时间测量中产生低不确定度的测量，而不是从单个很精确的飞行时间测量中产生尺寸测量值。

附图1中示出的装置10可操作地在指定期间（例如，1秒）内快速连续地测量多个飞行时间值。这些多个值被统计地组合以产生用于确定工件在所述指定期间的尺寸的值的复合飞行时间值。

在示出的示例中，待测工件12和第二工件14接触，两个工件之间发生相对运动，图1中通过箭头16表示。随着时间的推移，工件12与14之间的相对运动对两个工件都造成损耗。可以在工件之间设置润滑剂——例如，基于油的润滑剂——以改变（尤其是降低）损耗影响。

装置10包括两个主要的部件，即超声波收发器18和控制系统20。超声波收发器采取能够将超声波脉冲发送进待测工件12并从工件12接收超声波脉冲的压电换能器的形式。超声波收发器物理地被耦合至工件12，例如，通过将换能器粘贴至工件的表面22，或通过在工件原位上沉积一些形成换能器的压电晶体。

控制系统20和超声波换能器通信，所述控制系统可操作地使超声波换能器18发射超声波信号。所述控制系统20还可操作地解释所述换能器检测的超声波信号。

控制系统20包括脉冲生成模块24和控制器模块26。脉冲生成模块24可操作地响应于来自控制器模块26的指令而生成激励超声波换能器的电信号。当受到电脉冲激励时，超声波换能器发射超声波脉冲。

脉冲生成模块24还可操作地接收超声波换能器生成的电信号。当超声波入射到超声波换能器时，所述电信号被生成。脉冲生成模块可操作地将接收的电信号传送至控制器模块用于解释和分析。

在使用中，图1所示的装置实现图7中阐释的方法以确定待测工件12的尺寸11的值。

在步骤S1，将超声波脉冲发送穿过待测工件12。具体地，控制器模块使脉冲生成模块生成电压脉冲，所述电压脉冲进而使超声波换能器生成超声波脉冲。超声波脉冲被发送进工件12，因为超声波换能器被耦合——在本示例中为永久耦合——到工件。

所发送的超声波脉冲随后从工件的测试表面28被反射，在步骤S2处反射的脉冲被接收。反射的脉冲在发送原始脉冲的同一位置处被接收，具体地，是在产生所述脉冲的超声波换能器处。通过超声波收发器，超声波脉冲被转换成电信号，所述电信号被转发至控制器模块用于解释。接收的超声波脉冲和转换的电信号都包含关于到所述表面的距离的信息。

在步骤S3，根据所述电信号确定脉冲的飞行时间。通常可以以不确定度±1μm确定单个飞行时间值，这对于量化损耗这个目的而言总体上还具有太大的不确定度。在装置10中，飞行时间值由控制系统——具体地是控制器模块——确定，并被存储在存储器中。

在步骤S4，重复步骤S1至S3直到收集到充足数量的飞行时间值。在本示例中，充足是指基于超声波测量的可变性而以期望的不确定度代表工件厚度的足够的数据点。所述数量通常被预先确定，但不是必须得预先确定。重复的数量可以为任何大于1的自然数（例如2、10、100、1000、10000、1000000等）。一般地，收集的值的数量越大，获得的精确度越高。

在示例装置10中，控制系统可操作地使步骤S1至S3重复预先确定的次数。控制系统将所确定的多个飞行时间值存储在存储器中，直到其存储器包括在数量上等于所述预先所确定的值的飞行时间值的集合(set)。

一旦收集了预选数量的值，所述方法继续前进至步骤S5。在步骤S5，多个测量的飞行时间值被组合以产生复合飞行时间值。在示出的示例方法中，使用所述值的正态分布来统计地组合所述值以确定平均值。也可以使用距所述平均值的标准偏差来计算平均值的标准误差。一旦复合飞行时间值已产生，测量的各个单个飞行时间值就可以被丢弃（例如，从存储器删除）——如果需要的话。

在步骤S6，使用复合飞行时间值来产生单个尺寸值，所述单个尺寸值表征每个超声波脉冲在所述多个测量发生的期间上行进的平均距离。选择的时间期间足够短，使得即使在极端损耗的情况下，物理距离也不可能显著变化（例如，小于1nm）。例如，可以在同一秒中进行所述多个测量。

以此方式将许多测量的结果组合起来产生待测尺寸的不确定性较低的值，因为噪声影响在平均步骤中被抵消。

可以使用这样的方法和系统来实时地测量工件尺寸，例如它的厚度。我们已经发现，可以使用在3秒期间上大约40000的飞行时间值的集合以小于10nm（典型地为1-5nm或2-3nm）的不确定度测量尺寸。

如果间隔一段时间——例如定期时间间隔地，每0.2秒一次、每秒一次、每分钟一次、或者每十分钟一次——重复图7中阐释的方法，则可以产生多个尺寸值。所述多个尺寸值可以被存储在控制器模块的存储器中以及/或被发送至远离的位置用于存储和/或分析——视情况而定，因此，这提供损耗速率随时间的精确表示，包括损耗速率的变化。

所述系统和方法稳固，因此可以用于现场以及实验室中。所述系统可以测量厚度的极端变化，且不限于测量薄的放射性表面层的损耗。所述系统可以用于超声波可以被发送穿过的任何材料，例如金属、树脂以及塑料。而且，可以在一个系统10中提供任何数量的超声波换能器，或者并行地使用多个系统10，从而允许同时对多个不同部件进行多个测量——如果需要的话。

当在实际系统中实施在此描述的方法时，我们已经发现许多因素会影响测量精确度，下述将对这些进行更详细说明。

超声波脉冲生成

如果发送的超声波脉冲幅度太低，由于衰减损失和不是全部信号必然被反射，在噪声背景下，反射的返回信号可能难以检测。如果所述系统被用于湿的环境中（例如，诸如油或其它润滑剂的液体出现在测试表面上），则发送的低幅度脉冲有显著的问题。

一般地，外发信号越强，相应的反射信号越强。然而，我们已经发现，发射高幅度的外发脉冲并不必然地提供最好结果，尤其在反射的信号由发射初始脉冲的同一换能器检测的情况下，如以上在示例系统中所描述。

在发射电压脉冲之后，脉冲生成器通常经历一段“释放”期，在所述期间产生显著的噪声。发射的电压脉冲越高，所述噪声量越大，平息所用的时间就越长。如果这个释放期太大，对返回的超声波脉冲的检测可能会困难，因为信号可能丢失在噪声中。

因此考虑这些相对立的因素而选择脉冲生成模块的激励电压。我们已经发现，合适的电压是低于200V，例如，在1-100V的范围内，尤其在3-20V的范围内。下述描述的样本系统使用10V的电压。

我们还已经发现，当生成的电压脉冲（以及与此相应，超声波脉冲）具有可重复的形状时取得良好的结果。使用可重复的脉冲形状简化了重复地测量飞行时间，也降低了噪声对复合飞行时间值的影响。而且，如果脉冲生成可重复（或者至少生成当中的任何变动可预测并且被最小化），则所述系统可更容易地进行温度校准（更详细见下述）。

可以通过提供电压脉冲至压电超声波换能器来激励所述换能器。生成这种电压脉冲的一种方法是使用电容器。另一方法是使用运算放大器。两种方法都产生可合理地重复的脉冲。然而，放大器生成的信号的形状通常比电容器生成的更可控，这允许生成具体的波形状。具体地，使用放大器能够实现生成正弦波（例如，通过产生形状为方波、三角波或正弦波的电压脉冲）。

通常，将超声波换能器最优化以在指定频率工作最有效，因此以所述工作频率或其附近频率产生正弦波形式的激励脉冲可以更为有效。

超声波脉冲生成中的第三个考虑涉及超声波收发器的频率（以及与此相应的超声波脉冲的频率）。一般地，较低的频率信号具有较好的发送特性（例如，衰减减小）。然而，我们已经发现，较高频率的信号更容易以可重复的方式分析（下文将更详细说明）。可以从1-100MHz的范围中选择适当的频率，尤其从3-50MHz的范围。上述系统使用10MHz的频率，尽管发现高达30MHz的频率——例如，20MHz——也能提供良好结果。

飞行时间测量

反射脉冲的飞行时间可以通过记录接收到反射波上预定特征时的时间来测量。可以将该接收时间和外发脉冲上对等特征生成的时间（其可以被测量或已知）相对比以确定所述飞行时间。

选择所述测量所基于的所述特征需要许多切合实际的考虑。通常，通过测量被发送信号的峰值幅度和返回信号的峰值幅度之间的时间计算飞行时间。然而，和测试表面的相互作用会使反射的信号的形状变形，导致测量的反射信号的峰值（与仿真的反射峰值相比）从它被期望的位置移开。这种现象示出于图3中，其中，在34处，仿真的或“理想的”反射的幅度随时间的变化以虚线示出，该虚线和实线表示的所测量的反射相交叠，以便进行对比。可以看出，由于噪声，所测量的反射的形状相对于理想信号被变形。具体地，峰值幅度已经改变，x轴上测量的峰值发生的时间已经改变。

反射的峰值的形状的变形从一次测量到下次测量未必一致（例如，表面污染可能随时间消散或增加）。当测量峰值到峰值时，这些幅度变化可能引入可感知的不对应于尺寸的物理变化的飞行时间上的变化，这导致不精确。

我们已经发现，更好的方案是比较两个零幅度点之间的时间。然而，这种方案也具有图3和图4所示的复杂因素。

一种合乎逻辑的方案可能是寻找反射的波的前沿（leadingedge）。如果已经使用电容器堆生成初始脉冲，通常脉冲发射后在达到零幅度的过程中存在延迟，这可能影响（impinge）第一反射。这种影响使得辨别反射发生的时间37（亦即：相当于发送的脉冲的开始时间35的时间）变得困难。图3的36详细图示如何遮掩了理想（无噪声的）反射的开始时间37。如果飞行时间被测量至明显的“零点”38，则引入时间偏移误差。如果使用运算放大器系统，并且在到达零幅度过程中没有存在延迟，则在确定何时前沿阈值被触发上仍存在问题。图4中示出这一点，其中，信号的背景噪声使得识别前沿上升的零幅度点变得困难。

在两个脉冲的产生时间之间进行测量的另一个困难在于，在数据分析上，当识别波形时，通常寻找阈值而不是寻找实际零点本身。因为反射的幅度可以从一个波形到另一个波形而改变，这种方法可能引入进一步的误差，如图4所图示。具体地，要达到所述阈值，具有较低峰值幅度的反射（以虚线示出）要比具有较高峰值幅度（以实线示出）的另一反射用更长时间，这引入两个波之间的明显的飞行时间差，事实上该飞行时间差根本不存在。

由于能够遮掩反射的波的前沿的噪声，替代地，飞行时间被测量为过零点40。过零点40是波形再次与幅度轴（即，具有零幅度，但是是在脉冲的开始时间之后的时间）交叉的零点。此处所述系统中所用的过零点40是第一过零点，或“第二过零点”，但如果需要，可以使用后续的过零点。

在这样的过零点，波基本是线型，使得可以根据在与所述轴交叉之前和之后进行的测量而重复地对所述点的位置进行插值，而最少地受到来自其它噪声的干扰。这个点基本不受波的幅度改变的影响，如图3和图4所示。另外，在所述点处，所述信号内不存在来自其它频率的可能再增加误差的“肩部”。

当考虑在实际测量值之间进行这种线性插值时（零幅度轴的任一侧），信号频率越高，直线斜率越陡，并且测量误差越小。然而，如以上所说明，选择用于所述信号的频率需要和系统的其它要求相平衡，尤其是所述信号需要被发送穿过的材料深度。

此外，在使用较高频率的情况下，可能需要提高数据采样速率。图8图示了具有不同频率的但以相同速率被采样的两种超声波。在图上，点划线表示较高频率的信号，实线表示较低频率的信号。当用零轴线插入交叉点时，尽管高频率直线的斜率更陡，但表示所述斜率的数据更少。在所述示例中，实线表示以100MHz采样的10MHz信号，虚线表示以100MHz采样的20MHz信号。

当信号从测试表面被反射时，所述信号的一部分从超声波换能器耦合至的表面朝向所述测试表面反射回。然后，这个再次反射的信号的一部分再次被反射作为第二反射。理论上，由于这种第二反射行进的距离更大，测量这样的第二反射（或更高阶反射，例如第三、第五或甚至第二十阶反射）的飞行时间将会产生更精确的结果。

然而，不得不同样在反射阶次的选择和以下方面进行平衡，所述方面为反射信号的质量及所述信号被可靠地从背景噪声区分出的能力。通过实验，我们已经确定，尽管有人会认为使用较高阶反射更好，但最好的测量值出现在生成超声波的时间和第一反射之间。

统计分析

如上所说明，存在各种来源的一系列误差，包括可能影响飞行时间测量的精确度的背景噪声。以上说明了降低这些噪声的一些方式，但由于在很短时间期间内测量的困难，每个单独的测量值的精确度有限。

为了较少地产生飞行时间值的不确定性，汇集一系列的测量值（“样本”），并对它们执行统计运算以确定所述材料厚度的复合值。组合的样本越多，所得到的复合值的不确定性就越少。可以被采样的样本数物理上是受限制的，因为在发送第二信号之前有必要等待直到接收到第一反射信号（以及可能的是直到更多反射已经消逝）。

适当的样本集合可以包括在1秒期间上以定期间隔采样的10000到80000个样本。下述描述的示例系统可操作地每三秒收集大约40000样本的一个样本集合。

从这种规模的样本集合中计算平均值（相对于中值或众数（mode））在计算上是高强度的。具体地，我们已经发现，在计算速度方面，生成更多的小数据集合然后对它们进行统计比对单个的更大数据集合统计更好。这是因为，小数据集合可以实时地被处理，但处理大数据集合通常要求写入数据和读出数据—这减缓计算过程。在本系统的一个型式中，一个包含从多个接收的信号中获取的信息的集合被拆开成多个（具体为10个）更小的子集。每个子集被取平均以产生飞行时间“亚值”，然后将所得到的各个亚值组合起来产生复合值。比起简单地产生各个测量的飞行时间值的全集合的平均值，这种两级统计分析可以更迅速而高效地完成。此外，我们已经发现连续采样1秒与在1秒上采样多个样本集合（例如，每0.2秒产生一个样本集合）不一样精确。这是因为在更短时间上温度改变的影响可能更小。

每个子集可以包括范围为2-100000个飞行时间值的样本规模，例如，2-45000、100-10000或3000-5000。在下述描述的示例系统中，每个子集中取4005个样本。选择所述数量作为在0.2秒内采样的离散样本的数量。理论上，更大数量的较小子集可能允许更迅速地确定复合值。然而，难以将跨度短于0.2s的时间期间的子集与温度同步地联系起来。

因此，在一个示例系统中，在十个连续的0.2秒期间（其可能隔开0.1秒）产生十个子集——每个子集4005个样本。对于每个子集产生飞行时间亚值。然后将那十个亚值组合以产生针对3秒时间期间的飞行时间值。所述复合飞行时间值包括来自大约40000个单独测量值的数据。

一个替换的计算每个子集的平均值的方案是交织（interleave）样本子集（例如，多达20个的相继的样本可以被交织）以产生更精确的单个波。然后，这些交织的波可以被如上所述地统计地组合以产生所述复合值。

温度补偿

温度的变化改变测量的几种性质。其中，这些性质包括（还有其他）：·被测材料的膨胀/收缩，其因此改变所记录的外表厚度

·改变超声波换能器的响应特性

·粘接层的膨胀/收缩

·穿过粘贴剂和被测材料的声音速度的变化

·穿过材料的声音速度的变化

上述影响是可重复的，且很大程度上与温度成线性。因此，在产生尺寸值时可以补偿温度变化。这可以通过使用基于实验校准（其中无损耗发生，但是所述温度被改变）的一阶校正来完成。通过测量经受温度变化但不经受损耗的样本，可以将温度和厚度相关联。

图5示出这种校准的结果。在示出的图表中，在样本被加热和冷却但不经受损耗的实验中，数据点被收集。每个数据点是0.2秒内收集的厚度的4005个测量结果。所述系统以每分钟进行100次收集来运行，并相对于温度绘制出所述厚度。从该处开始，线性关系被假定，并且适当的“直线”函数被计算出来（尽管可以使用其它选择，例如样条函数、查找表或多项式）。然后，使用这种关系使后续的读出值（例如，在一次损耗测试过程中）与原始的相当。例如，测量的厚度可以被校准回到标准温度。

温度变化可以显著地改变所测量的厚度值。因此，理想的是，与超声波的厚度测量几乎同时地获取精确的温度测量，这允许尺寸值被校准。获取精确且可重复的温度读数的一种方法是使用临近所述超声波传感器、安装在待测工件的表面上的热电偶。从其它位置——例如，工件的远端表面（例如，经受损耗的表面）或者工件中的另一深度——提供附加的温度读数可能也是有益的。

实际系统

图6中示意地绘出考虑了以上因素的超声波尺寸测量系统100。所述系统100和装置10具有很多共同特征。具体地，系统100包括超声波收发器18和包括脉冲生成模块124与控制器模块126的控制系统120。

超声波收发器118包括于使用中通过固定件（例如粘贴剂（glue））固定到待测工件（未示出）的压电换能器。如果需要，超声波换能器可以原位被沉积在工件表面上。所选择的固定件主要取决于工件和预期它于使用中将经历的状况，但需要该固定件能够于使用中会出现的温度范围内实现超声波信号的良好传输。当被适当固定后，所述传感器可以用诸如环氧树脂衬背的衬背（backing）覆盖以帮助发送超声波信号至工件，所述环氧树脂例如钢加强环氧树脂。所述收发器118具有大约10MHz的频率，尽管如上所述其它频率也可以。

脉冲生成模块124可操作地生成具有大约10V的峰值幅度的电压脉冲。脉冲生成模块包括脉冲生成器140、放大器142以及信号阻止器（blocker）144。脉冲生成器可操作地生成具有可重复形状的基本1V的电压脉冲。在本示例中，所述脉冲包括具有基本10MHz频率的正弦波，脉冲生成器140包括诸如现场可编程门阵列（FPGA1）的第一可编程元件。除了生成待发送的初始脉冲，FPGA1可操作地接收所反射的信号。

放大器142可操作地将FPGA1产生的整形后的信号放大到大约10V脉冲，而不改变其频率。如果这样的高电压信号被FPGA1接收，则它将破坏FPGA1。因此，当放大器为激活状态（active）时，信号阻断器144（在本示例中，它是场效应晶体管（FET））同时被激活以确保没有任何部分的10V信号可以被发送回FPGA1。一旦放大器已发送所述10V脉冲，信号阻断器144被去活（deactivated）以允许反射的信号通过FPGA1被检测。

控制器模块126包括另外的可编程元件146（诸如第二现场可编程门阵列（FPGA2））、处理器148和存储器149。FPGA2可操作地从诸如热电偶的温度传感器150收集温度数据，温度传感器被布置用于测量待测工件的温度。

处理器148与两个可编程元件140和146都进行信号通信，并从FPGA1接收信号数据，从FPGA2接收温度数据。所述处理器使用接收的信号数据和温度数据产生尺寸测量值。

在操作中，系统100在所述处理器控制下基本同时执行下述两组操作：

首先，可编程元件140生成1V脉冲，持续50ns。激活信号阻断器144，放大器142将1V脉冲放大到10V。然后将信号阻断器去活。通过电缆将10V信号发送至超声波收发器118。超声波收发器将所述信号转换为超声波脉冲，并将所述脉冲发送进待测工件。随后，反射的超声波脉冲被超声波收发器接收，并被转换为电信号，以及被可编程元件140检测。将标识所接收的信号的数据（具体地是一个共同表示所接收的信号的形状的离散测量集合）发送至处理器，用于分析/存储，具体地用于生成飞行时间值。这组操作在指定的时间期间被重复预定次数，在本示例中，在0.2秒内被重复大约4005次。

超声波收发器118可以用分开实施的超声波发送器和超声波接收器代替。这有助于将所述接收器从所述发送器提供的激励隔离，从而使得不需要信号阻止器144。这在图6中通过穿过收发器118的虚线表示，所述虚线表示使用发送器和分开的接收器。

在以上收集飞行时间数据的同时，处理器命令第二可编程元件146从温度传感器150收集温度数据。测量的温度值（其由两个测量值构成）被存储在存储器中，直到FPGA1已经收集预定数量的样本。这些操作被安排为基本同步地开始和结束。

一旦对应于预定数量的测量的信号数据已经被收集，处理器通过如上所述地寻找第一过零点确定每个测量的飞行时间。然后将所述组飞行时间值取平均以产生单个飞行时间值，所述单个飞行时间值被使用温度值校准。然后计算不依赖于温度的尺寸值。所述值表示测量操作发生的0.2秒内待测工件的厚度。

所述系统可操作地重复上述操作预定次数以产生进一步的尺寸值，然后将所述尺寸值组合以产生在更长时间期间（例如1秒）上被平均的更精确的复合尺寸值。具体地，所述系统被布置为重复上述操作10次（例如，以大约0.5秒的时间间隔），和将所得到的十个尺寸值取平均以产生对于5秒时间期间的复合尺寸值。

可以根据需要重复整个方法（包括第二平均步骤）许多次。例如，所述方法可以被定期间隔地重复——例如每分钟或每10分钟——以产生多个复合尺寸值。这样的复合尺寸值的记录，或者还有它们各自的测量次数，可以被存储（存储在存储器149中或存储在另一个可能位于远处的位置中），以产生显示尺寸随时间变化（如果有的话）的记录。

可以用上述系统和方法来测量一系列材料的尺寸（所述材料如金属、塑料或复合材料），材料性质和厚度将影响所生成的信号的质量。通常所述系统能够测量初始尺寸范围在3-400mm或3-300mm——更典型地是3-100或3-30mm——的工件尺寸的变化，这取决于材料的性质。

所述系统可以在一系列条件下工作，具体地，不限于在实验室中使用。例如，所述系统可以安装在待测机器下，待测机器可以是诸如汽车的车辆或航海船只，并且即使车辆在使用时也可产生实时的尺寸测量值。

所述系统可以包括多个超声波换能器，允许同时测量同一车辆上的多个部件。在这种系统中，每个超声波换能器可包括各自的温度敏感装置，但可以共享单个处理器和单个脉冲生成器。

控制系统可以和远程控制集线器通信（例如，无线通信）。尺寸测量值，连同诸如时间和温度数据的其它测量数据一起，可以被控制系统使用无线发送设备发送至所述控制集线器。因此可以从远程位置基本实时地分析系统获取的数据。

可以进行各种其它的改进而不脱离本发明的范围。例如，可以使用不同的脉冲生成装置，和可以使用不同的温度测量方法。将会理解，图1和6示出的图仅仅是图示，不必然表征所提及的部件的物理位置。具体地，第一可编程元件140可以包含在具备第二可编程元件146的壳体中，第二可编程元件可以从具有放大器和信号阻止器的壳体分开。处理器148可以和可编程元件被包括在同一壳体中，或者可以和系统的其余部分远离。

将会理解，所述方法步骤可以以任何适当的顺序进行，具体地，统计地将信号组合的步骤可以在所述方法的任何适当阶段进行。如以上关于图6所描述，为每个接收的信号产生了时间飞行值之后将所述信号信息组合。将会理解，替代地，在将表示接收的电信号的飞行时间数据组合之后，根据组合的数据产生复合飞行时间值。可替换地，可以产生多个单独的尺寸值，每个反射的信号或反射的信号子集对应一个单独的尺寸值。然后可以将那些尺寸值统计地组合以产生复合尺寸值。

将会理解，电压、频率和适当的样本集合规模可以根据待测材料的类型、材料厚度、传感器类型及工作温度而变化。上述围绕图6描述的系统被最优化用于诸如钢的金属。然而，其它材料可能需要比以上所述更大或更小的样本规模、更高或更低的电压，以及更高或更低的频率。而且，其它材料可能不明显受到温度变化的影响，使得并非一直需要温度校准。

尽管在上述说明书中尽力将注意力置于本发明中的那些被认为特别重要的技术特征上，应所述理解，申请人要求保护以上所指和/或附图所示的任何可授予专利权的特征或特征组合，不管是否对其进行特别强调。

Claims (62)

1.一种通过超声波测量来确定损耗影响的方法，所述方法包括以下步骤：

发送超声波信号进入经受损耗的工件，

从所述工件接收超声波信号，所接收的信号包括来自所述工件的边界的所发送的信号的反射，

在指定期间重复所述发送和接收步骤多次，

从每个接收的信号中提取表征所述工件的尺寸的信息，

从每个接收的信号中提取表征所述工件的尺寸的信息，并根据从各个接收的超声波信号中提取的所述信息确定飞行时间值，以及

将从多个所接收的信号中提取的多个飞行时间值组合以产生表征所述工件在所述指定期间上的尺寸的复合飞行时间值，其中产生所述复合飞行时间值包括执行统计运算。

2.根据权利要求1所述的方法，其中产生包括多个飞行时间值的集合，所述集合中的每个飞行时间值对应于各个接收的信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述复合飞行时间值被用于确定所述工件的尺寸的值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述统计运算包括取所述飞行时间值的平均值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中产生所述复合飞行时间值包括以下步骤：产生多个飞行时间亚值，并把所述飞行时间亚值组合以产生所述复合飞行时间值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中每个飞行时间亚值从所述飞行时间值的一个子集中产生。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述复合飞行时间值被用于确定所述工件的尺寸的值，以及其中，所述复合飞行时间值表征平均飞行时间。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述发送和接收步骤在所述指定期间被重复2到1000000次。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述发送和接收步骤在所述指定期间被重复2到450000次。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述发送和接收步骤在所述指定期间被重复1000到100000次。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述指定期间是以下之一：1秒，0.2秒，0.5秒。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述发送和接收步骤在3秒期间被重复40000次。

13.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述发送和接收步骤在0.2秒期间被重复4005次。

14.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括从以下组中选择的材料：所述组包括金属、塑料、混凝土、陶瓷。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据制作所述工件的材料的声学性质选择所述发送和接收步骤的数量。

16.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：以某时间间隔重复所述方法以产生多个尺寸值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述工件经受损耗，通过比较所述多个尺寸值评价所述损耗。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述时间间隔是定期时间间隔。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法以从以下组中选择的时间间隔被执行一次：1秒，1分钟，2分钟，10分钟以及1个小时。

20.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定所述飞行时间值的步骤包括识别反射的信号的零幅度发生的时间。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述零幅度包括过零点。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述零幅度包括第一过零点。

23.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述接收步骤包括接收所发送信号的第一反射。

24.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述接收步骤包括接收更高阶反射。

25.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法进一步包括测量所述工件的温度的步骤。

26.根据权利要求25所述的方法，其中在所述指定期间上测量所述温度。

27.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法包括调整所述尺寸值以使用温度校准所述尺寸值的步骤。

28.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述指定期间是1秒的一小部分。

29.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括从以下组中选择的材料：所述组包括钢、铝、铜、锡、铅、铋。

30.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括黄铜。

31.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括合金。

32.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括复合材料。

33.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括从以下组中选择的材料：所述组包括氧化铝以及硅酸铝。

34.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括经过涂覆的材料。

35.根据权利要求中1或2所述的方法，其中所述工件包括涂料。

36.一种用于通过超声波测量来确定损耗影响的装置，所述装置包括：

超声波发送器，所述超声波发送器可操作地将超声波信号发送进入经受损耗的工件；

超声波接收器，所述超声波接收器可操作地从所述工件接收超声波信号，所接收的信号包括来自所述工件的边界的所发送的信号的反射；

所述发送器和接收器可操作地在指定期间内发送和接收多次，

所述接收器可操作地从每个接收的信号中提取表征所述工件的尺寸的信息，并根据从各个接收的超声波信号中提取的所述信息确定飞行时间值，以及

所述接收器可操作地将从多个所接收的信号中提取的多个飞行时间值组合以产生表征所述工件在所述指定期间上的尺寸的复合飞行时间值，并执行统计运算以产生所述复合飞行时间值。

37.根据权利要求36所述的装置，包括提供所述超声波发送器和所述超声波接收器的超声波收发器。

38.根据权利要求37所述的装置，其中所述超声波收发器可操作地产生频率在1到100MHz的超声波脉冲。

39.根据权利要求38所述的装置，其中所述超声波收发器可操作地产生频率基本为20MHz的超声波脉冲。

40.根据权利要求38所述的装置，其中所述超声波收发器可操作地产生频率基本为10MHz的超声波脉冲。

41.根据权利要求37至40中任一项所述的装置，其中所述超声波收发器包括一个或多个压电换能器。

42.根据权利要求37至40中任一项所述的装置，其中所述装置包括控制系统，所述控制系统可操作地提供电信号至所述超声波收发器以使所述超声波收发器发送所述超声波信号。

43.根据权利要求42所述的装置，其中所述控制系统进一步可操作地从所述超声波收发器接收电信号，所接收的电信号包括表征所述工件的尺寸的信息。

44.根据权利要求42所述的装置，其中所述控制系统可操作地使所述超声波收发器在指定期间发送多个超声波信号。

45.根据权利要求42所述的装置，其中所述控制系统可操作地提供电压脉冲至所述超声波收发器。

46.根据权利要求45所述的装置，其中所述控制系统包括可操作地提供所述电压脉冲的脉冲生成模块。

47.根据权利要求46所述的装置，其中所述脉冲生成模块可操作地对所述电压脉冲整形。

48.根据权利要求47所述的装置，其中所述电压脉冲生成模块可操作地产生方波、三角波、正弦波或其它形状的波。

49.根据权利要求48所述的装置，其中所述脉冲生成模块可操作地产生频率在1到100MHz之间的波。

50.根据权利要求49所述的装置，其中所述波具有基本20MHz的频率。

51.根据权利要求49所述的装置，其中所述波具有基本10MHz的频率。

52.根据权利要求46所述的装置，其中所述脉冲生成模块可操作地产生具有低于200V的峰值幅度的电压脉冲。

53.根据权利要求52所述的装置，其中所述电压脉冲具有5到20V之间的峰值幅度。

54.根据权利要求53所述的装置，其中所述电压脉冲具有大约10V的峰值幅度。

55.根据权利要求46所述的装置，其中所述脉冲生成模块包括脉冲生成器和放大器，所述脉冲生成器可操作地生成初始电压脉冲，所述放大器可操作地将所述初始电压脉冲放大以产生放大的脉冲。

56.根据权利要求55所述的装置，其中所述脉冲生成模块进一步包括信号阻止器，所述信号阻止器可操作地屏蔽所述脉冲生成器免受所放大的脉冲的影响。

57.根据权利要求56所述的装置，其中所述信号阻止器包括场效应晶体管。

58.根据权利要求56所述的装置，其中所述信号阻止器与所述放大器同步，使得所述信号阻止器仅在所述放大器发送所述放大的脉冲时可操作，其它情况下不可操作。

59.根据权利要求43所述的装置，其中所述装置进一步包括一个或多个温度传感器。

60.根据权利要求59所述的装置，其中所述温度传感器包括一个或多个热电偶。

61.根据权利要求59所述的装置，其中所述控制系统可操作地使用所述温度传感器提供的温度测量值校准用于尺寸的值。

62.一种工件，所述工件包括根据权利要求36至61中任一项的装置。