CN107110828A - 用于超声信号传感器的装置、方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声信号发射以及反射的超声信号的接收的方法、系统和装置，其能够对诸如公路、桥梁以及其它结构中的固体材料进行非破坏性分析。此装置形成为轮子(1)，其中轮子(1)包括：传感器(20)阵列，其布置在附接到轴(2)的基部(3)上；轮胎部分(10)，其提供围绕传感器(20)阵列的密封外壳(7)，其中轮胎部分包括包含轮胎胎面部分(11，22，24，25)的多个圆形突出部分(12)；以及在密封外壳(7)中的耦合流体(26)，其在传感器阵列与朝向测试材料(15)的轮胎胎面部分(11，24)的接触点(27)之间提供声波透射性。

Description

用于超声信号传感器的装置、方法与系统

技术领域

本发明涉及超声信号发射及反射的超声信号的接收，以便能够对诸如公路、桥梁、结构中的固体材料进行非破坏性分析。

背景技术

提出令人满意的检测方法与装置以便收集用于如公路、桥梁等结构的材料自身以及内部结构(诸如加强件)和/或裂隙与故障进行成像的数据是一个问题。

已经提出了对诸如管道、容器、铁轨等设施进行检测以收集数据并绘制潜在的缺陷与故障图的解决方案。对于这些来说共同之处在于待检测的材料的表面是平滑的并且设施与传感器之间的联接接触可以由仪器与设施之间的持续水流组成，或者例如在执行超声数据收集之前用耦合凝胶准备设施。

由于可获得的工具更适合于小区域的随机采样，因此当利用用于地下成像的超声信号发射与接收对大型结构进行勘测时会出现问题。如果这些工具应用于大型结构，如果需要形成结构材料的完整分析或几乎100％覆盖率分析的数据收集，那么将非常耗时。

另一个问题是用于材料的动态检测的仪器通常制成为用于检测管子、轨道等，其中结构的表面是平滑且均匀的，并且其中因为通过结构的物理形式沿着结构(即沿着铁轨、沿着管子等)引导仪器，待测试结构的表面是容易绘制的。由于仪器与被测试材料之间缺少接触，例如由于表面中的突起、表面上的物体或障碍物、或者非平坦表面，而在仪器与测试表面之间出现气穴，因此在混凝土或其它的典型公路表面等上使用这些类型的仪器将产生大量的故障测量值，这阻止了超声信号前进到测试材料中。

没有已知的解决方案用于提供超声数据收集以便利用大型结构的超声检测装置、测试材料(诸如桥梁与建筑物)产生对地下的完整分析或几乎100％覆盖率分析。测试材料例如可以是在混凝土的埋层中具有钢筋的混凝土基础设施，通常在测试材料的表面以下2-15cm，这容易受到磨损，并且混凝土和加强件的状态指示此结构的能力。混凝土中的未探测到的弱点可能造成整个结构塌陷，对人和财产具有潜在危害。利用具有有限能力的测量技术进行检测是耗时的，并且对结构材料的完整分析或几乎100％覆盖率分析通常是非常昂贵的，并且在许多情形中省略它们，这导致有缺陷的检测。

大型结构的检测通常作为视觉探测来执行，并且如果视觉检测到弱点，那么再利用可获得的仪器。通常此方法涉及从结构自身获取核心样本，并将此核心样本发送到实验室以便进一步测试与评估，这是非常需要时间与资源的。现有的基于超声轮的方法与装置通常以高频信号发射与测量机构为基础，通常在多个MHz范围内。高频信号检测机构不适合于诸如混凝土和木材的材料。

在低频超声kHz范围(25kHz–500kHz)内的现有的低频信号发射与测量机构，限于利用例如布置在可疑弱点处的探头的固定测试装置，然后执行发射超声信号、以及接收与存储/分析针对特定点的接收信号的测试序列。然后，探头移动到另一个点并且重复此过程。此方法非常耗时，并且在所有实际意义上不包括完整或几乎100％覆盖率的大区域检测。

地下结构分析的问题在于探测结构中的竖直裂缝。基于仅从竖直裂缝反射的测量(如果探测到的话)必须进行进一步的详细测试与耗时的分析。

利用可获得的技术测试大型结构的唯一实际替代方案是使用基于雷达的解决方案。基于雷达技术的系统与装置可以覆盖大的区域，但是分辨率不佳代表了这些技术未解决的问题，并且它们不适合于发现故障或者指示涉及针对探测要求高分辨率成像的故障。这些类型的故障可以由加强件开始劣化、混凝土中的小气穴或裂缝、由于石头或加强件后面的阴影区域而躲蔽雷达的区域、含有液体或潮湿或渗透液体的部分、或者结构的其它部件表征。

发明内容

本发明提供了用于超声信号的发射与接收的装置，用于分析大型结构的测量材料(包括具有非平坦表面的测试材料)以及超声数据收集。本发明适用于各种深度处的分析，深度范围还包括从表面进入到测试材料中达15-20cm范围内的层，但是不排除其它进一步的掩埋层。根据对接收数据的S/N比率的要求，传感器发射信号的频率与强度、采样率，以及测试材料分析的深度范围可大幅度改变。目的是能够识别结构/测试材料的地下中的弱点和缺陷，诸如混凝土结构中的有缺陷或劣化的加强件，由于木材结构中的隐蔽分支或腐烂部分引起的弱点，或者在这种结构中的其它缺陷参数等。本发明利用超声传感器技术提供了数据的有效收集，具有利用在较低频率超声kHz范围内的低频发射的能力，优选地在25kHz与500kHz之间，或者更优选地在75kHz与225kHz之间，以便在诸如混凝土和木材等的测试材料中获得更好的性能。

本发明还可以用于高达几MHz范围的较高频率范围的超声信号的发射，优选地在0.5MHz–10MHz之间，或者更优选地在2MHz与6MHz之间，或者甚至更优选地在4MHz与5MHz之间，以便从诸如钢、碳纤维、玻璃纤维等的更加紧凑的测试材料收集超声数据。

尽管在本文件中具体地讨论了一些频率范围，但是这不应限制本发明，并且可以容易地选择其它频率。

本发明还提供了包括轮子的装置，包括用于发射及接收反射信号的超声传感器，此轮子包括沿着轮胎胎面方向/滚动方向布置的多个圆形部分，其中每个部分与一个或一组传感器垂直地对齐，并且每个部分包括独特的轮胎胎面部分。在轮子进行滚动运动时遇到障碍物的情形中，障碍物的影响主要是影响与障碍物接触的轮胎胎面部分，而所有其它部分不受影响。

本发明的方面由此可以包括改进由数据收集与分析产生的图像分辨率，并且通过使用干式联接滚动轮构思，提高采样中的S/N比率，以及较少的时间消耗，对覆盖结构/测试材料(诸如桥梁、建筑物或其它结构)的较大区域进行采样/检测。其它结构的示例例如可以是飞机机翼结构，或者被设计为大量输送LPG、LNG或液化化学气体的气罐车/船等。为实现此任务，有必要提高收集数据的速率，以及还进一步将收集数据的速率与提高测量中的S/N比率的机构结合，并且选择性地提供用于绝对位置或相对位置或者两者的特征并且在收集的数据中包括此信息。

本发明被优化，以便即使当材料的表面不平坦，即由于磨损或通过构造造成的，也能够提高超声信号发射以及用于材料分析的超声数据收集的效率。

本发明还提供了用于快速且可靠地勘测大型构造的方法与系统，其中手动地保持跟踪结构的哪些部分已经被收集数据/测试样本覆盖将是不能令人满意或不可能的，由此本发明提出了用于自动地保持跟踪结构的被测试装置覆盖的部分的系统与方法，并且确保以成本和时间高效方式有效地覆盖来自结构/测试材料的所有部分的数据收集。

本发明通过所附的独立权利要求进一步限定，并且本发明的其它实施方式由所附的相关从属权利要求限定。

在本文中测试材料应该理解为包括任何固体材料，诸如矿物、金属、或聚合物、或者这些的合成物。这包括但不限于混凝土、陶瓷、铁、钢、铝、木材、碳纤维、玻璃纤维等。

在本文中超声信号发射应该理解为包括任何声波(包括脉冲)的发射、通过在其中传播的介质的振荡(包括压紧与去压紧)而前行。对于固态介质来说，声波可以呈现不同模式，包括但不限于，纵向压力波、横向剪切波、表面(瑞利)波等。

在本文中超声数据收集应该理解为包括前述发射的超声信号的反射或传输的探测与处理。可以收集并分析信号的不同特性，包括但不限于幅度、传播时间、相位和频率内容。

GPS在本文中表示全球定位系统。

在本文中绝对位置应该理解为包括如通过GPS或天线三角测量等限定的几何位置数据。

在本文中相对位置数据应该理解为包括相对于固定的预定位置点的任意位置限定。相对位置描述可以包括最多3维的距离以及诸如时间与体积的其它参数。

控制逻辑电路在本文中应该理解为包括远程、车载或手持的任何仪器与计算装置，用于：

-控制传感器；

-收集、存储与传输来自传感器的数据；

-控制本发明的系统的位置和移动方向；

-在测试材料部分上方的预定区域中的实际定位；

-上述的状态通信和显示；

-收集数据的处理并且生成分析结果。

在本文中沿着轨道将表示本发明的装置的移动方向。

在本文中跨越轨道将表示与本发明的装置的移动垂直的方向。

在本文中传感器或传感器阵列将表示所有类型的超声传感器，也可以是包括控制逻辑电路和其它特征的现成的或定制的传感器模块。

在本文中加强件应该理解为包括用于强化结构的材料的所有类型的材料，这些材料在出版物中被称为例如螺纹钢、装甲、钢筋等。尽管具有足够抗拉强度的任何材料都能够潜在地用于加强混凝土(玻璃和玄武岩纤也是常见的)，钢和混凝土具有类似的热膨胀系数：用钢加强的混凝土结构构件将经受由于由温度变化造成的两种互连材料的差异膨胀造成的最小应力。

在本文中膜和轮胎胎面部分应理解为包括轮胎的结构，还包括透明带和胎面，以及轮胎支撑的其它构造/部分或者胎面和透明带的一部分。

在本文中耦合流体应该理解为包括对于经过流体的超声传输具有匹配或要求的透明特性的任何流体。可以在多种情形中使用水。

附图说明

在附图中进一步解释本发明，附图应该解释为是本发明的可能实施方式的说明，但是不代表对本发明范围的任何限定。

图1是辊子单元的立体图。

图2A是通过竖直中心线剖切的辊子的剖视图。

图2B是与相应传感器对齐的轮子的部分的实施方式的轮廓细节。

图2C是与相应传感器对齐的轮子的部分的实施方式的轮廓细节。

图3是辊子单元的内部的立体图。

图4是辊子单元的内部的前视图。

图5是辊子单元的前视图。

图6是辊子单元的内部的仰视图。

图7是具有部分透明的轮胎部分的双辊子单元的立体图。

图8是双辊子单元的俯视图。

图9是手持式三辊子单元的侧视图。

图10是手持式三辊子单元的仰视图。

图11是手持式三辊子单元的俯视图。

图12是手持式三辊子单元的立体俯视前视图。

图13是示出发射与接收传感器阵列的沿轨道几何示例的图。

图14是示出发射与接收传感器的跨轨道几何示例的图。

图15是可移动的三重双辊子保持架系统。

图16是用于可移动保持架的跟踪路径场景的概略图。

具体实施方式

本发明是用于超声信号发射及反射信号的接收以便分析测试材料的装置，此装置包括位于轮结构内部的超声传感器阵列，在传感器阵列周围具有柔性自适应分段轮胎，以便提供还作为围绕传感器阵列的密封液体填充外壳的滚动运动特征，以便在传感器与同测试材料滚动接触的轮胎材料之间提供耦合流体。

本发明还提供了一种用于超声信号发射及反射信号的接收以便对测试材料进行非侵入性分析的装置。此装置包括位于单独轮结构内部的一个以上传感器阵列，在传感器阵列周围具有柔性自适应分段轮胎，以便提供还作为围绕传感器阵列的密封流体填充外壳的滚动运动特征，从而在传感器与同测试材料滚动接触的轮胎材料之间提供耦合介质。

本发明还提供了一种利用本发明的装置进行超声信号发射及反射信号的接收以便分析测试材料的方法。

本发明还提供了一种利用本发明的装置进行超声信号发射及反射信号的接收以便分析测试材料的系统。

在附图中示例了本发明。

本发明的一个实施方式的超声装置的轮结构提供了如图1和图2中所示的轮胎10形式的外壳。

超声装置包括轴2，此轴提供了附接到轴的基部3，传感器20的阵列布置在基部上。

传感器20示出为圆柱状的传感器，但是可以使用任何形式的传感器20，并且形状与尺寸可以提供与将由传感器20发射的信号的穿孔方向相关的特定特征。针对发射信号的特定频率范围，可以优化形状。

还可以针对与其是否仅用于发射信号、仅用于从测试材料接收反射信号还是用于两者有关的优化性能来定制传感器20的尺寸和形式。

本发明的工业化阶段将用于发现传感器20的最佳尺寸、形式和技术。前部轮廓可以包括但不限于：圆柱形、矩形、正方形、椭圆形等，同时传感器表面(前面)的形状可以包括但不限于突出球形、凹形、以及凸形、单曲线或双曲线、锥形等。可以选择不同形式的组合。

电力与信号缆线4可以设置为在传感器20的控制逻辑电路(未示出)与诸如电源、仪器、计算机等的外部装置之间联系。缆线可以完全或部分地由无线通信装置或可拆除存储介质替代。

轴2为轴承5(诸如密封球轴承)提供外部附接装置，而且为轮胎/轮胎部分10提供附接基部6。轮胎以密封方式(即通过粘结剂、管夹、焊接等)附接到轮胎附接基部。

轮胎10及轴承5的外部部分将相应于装置在测试材料15上方的运动而旋转，同时轴2、传感器基部3及传感器20将相对于测试材料15保持在固定的角位置，针对超声信号发射及来自测试材料15的反射信号的接收优化该角位置。

传感器阵列位置与方向可以设定在多个预定位置，以提供超声传感器相对于待测试/检测材料的一个以上的可能的角度和/或距离。根据轮材料和形式、测试材料以及传感器是用于发射还是接收还是两者，将设定传感器相对于测试材料的最佳位置与角度。在本发明的一个实施方式中，位置与角度在操作过程中可以在预设位置与角度之间变化或改变。

在一个使用场景中，能够确保发射信号的角度相对于测试材料垂直将是有利的。从现有技术获得的其它机构可以与本发明结合使用，以确保发射信号总是垂直于测试材料的表面或者相对于测试材料的表面成预定角度。

一种这样的现有技术可以是安装与测试材料的表面保持接触的偏置的传感器轮(未示出)，使得测试材料的位置相对于传感器阵列总是已知的。

在其它场景中，可能期望的是使传感器相对于测试材料的表面成预定角度。这可以通过如上限定的类似机构或者其它机构实现。

本发明的各个实现方式将提供可以与接收的信号数据关联的位置数据。位置数据可以包括：绝对位置，此绝对位置由GPS或能够限定绝对位置的其它装置限定；和/或相对位置，此相对位置通过针对待分析结构特别限定的起始位置以及从限定的起始点测量/计算的移动来限定。例如，这可以使桥的东南角作为起始点，并且使得安装到本发明的保持架的跟踪球(未示出)从起始点测量在表面上的相对移动。然后可以利用来自跟踪球以及来自已知起始点的输入来限定在由接收到的超声反射数据构成的结果分析中描述的每个物体的绝对位置。替代跟踪球，另一个示例将使用激光与陀螺仪技术来测量到已知参考点的距离与移动。还可以通过感测本发明的轮胎的实际移动来测量移动。本文中还包括其它的地理/相对位置限定工具，但在此不明确讨论。

本发明的一个潜在有利方面是能够检测相同的测试材料若干次，其中每次测试在不同时间进行。例如，每5年、每年、每月、或每天以及其它时间间隔。由于位置数据是已知的，因此可以探测与先前分析完全相同的位置的变化。

轮胎10提供了围绕轴、传感器阵列基部和传感器阵列的密封外壳7。外壳被部分地或完全地填充以诸如水的耦合流体25。耦合流体在传感器20与同测试材料15接触的轮胎部分11、22、24、25之间提供改进的信号传输。

通过使用用于轮结构的弹性材料实现了与非平坦表面的无与伦比的联接，其中轮胎部分11、22、24自身的固有弹性特性部分地利用了对表面形貌的适应性。可以通过轮胎部分11、22、24的形状进一步提高适应性。形状可以包括但不限于：圆柱形、矩形、正方形、金字塔形、锥形、突出和/或环绕的球形或者任何其它形式的突起、凹部及凸部。每个轮胎部分可以设计为持续或重复形式的梯形、矩形、三角形及弧形，或者甚至按钮/凸耳基部轮胎可以增强发射与接收的信号性能。当发生信号的发射与接收时，最好确保轮胎与测试材料之间的接触。可以选择不同形状的组合。

弹性材料可以由图2C中所示的较硬材料25支撑。支撑材料可以具有与在其外侧上的弹性联接材料24以及在其内侧上的耦合流体26匹配的声学/透明特性。支撑材料可以是但不限于一种聚合物合成物，诸如一种塑料。

用于联接非平坦表面的另一种方法可以是利用如图2B中示出的隔膜解决方案，其中通过利用由轮胎胎面部分11和透明带22组成的隔膜11、22后面存在耦合流体26对表面形貌进行适应。可以对流体加压。

与测试材料15接触的轮胎胎面部分11、24对于两种耦接方法而言可以是弹性材料。轮胎胎面部分11、24可以是但不限于弹性体或橡胶状材料，诸如聚氨酯或丁腈橡胶，或者其它合成橡胶或天然橡胶，或者其它类型的或具有弹性特性的聚合物材料的合成物。

在轮胎胎面部分11、24中使用的材料以及支撑材料25可以由于根据发射信号的频率的不同特性而变化，使得在要求一个频率范围的一种测试材料上使用的材料与要求另一个频率范围的另一种测试材料相比可以不同。轮胎胎面部分11、24形成为使得轮胎胎面部分11、24的一个部分12对齐，以便在传感器或多个相邻传感器与测试材料之间的直线上与接触点27处的测试材料接触。

轮胎胎面部分11、24的形式在部分12的形状与数量上优化，使得轮胎胎面部分11、24与测试材料15的表面之间的气穴通过挤出可能捕获的空气的形状或者通过轮胎胎面部分中的螺纹图案最小化或消除。

基于测试材料15的表面中的不规则性导致的不良联接，基于轮子的部分12的分段以及轮胎胎面部分11、24的形式和弹性将被最小化。

在一个实施方式中，轮胎10的轮胎胎面部分11形成为圆形部分12的阵列，每个部分12对齐使得当轮胎10在测试材料15上滚动时，每个轮胎胎面部分11提供轮子1的专用部分，其在任何时间点都包括用于传感器与测试材料之间的发射和/或接收的超声信号的自然信号路径。

与现有技术相比，本发明远不容易受到测试材料的表面中的非平坦点的影响，因为在诸如小卵石的障碍物上行进将仅造成样本数据的轻微损失，例如轮子的1/12从地下不接收或者接收弱响应信号。响应数据中的限制取决于轮子的受到卵石影响的圆形部分12的数量。现有技术的仪器将针对相同的卵石示例进行比较，得到测试范围的全部或大部分的错误样本。现有技术中信号响应劣化的主要情形是在仪器膜与测试表面之间存在气穴。对于这种现有技术的仪器的盲点将很大并且取决于卵石的尺寸。根据轮胎胎面部分的材料的柔性，本发明中甚至可以进一步减小在障碍物上行进的负面影响。如果选择柔性材料，则可以在碾压障碍物时保持与用于全部轮子部分的测试材料的表面接触。

轮子1至少部分地填充有耦合流体26到达确保传感器的阵列被完全包封在耦合流体26中的高度，其中耦合流体26还填充轮胎部分的膜11与用于传感器与测试材料之间的发射和/或接收的超声信号的自然信号路径中的相应传感器之间的间隙。

上面描述的本发明的超声装置1可以安装在如图7至图8中所示的框架70中。附图示出了如何通过安装装置71将本发明的两个轮子安装在支架/框架70中。信号缆线74被引导通过框架70。

图9至图12中示出了本发明的另一个实施方式，其示出了本发明的安装在手持框架120中的三个轮子，其中手柄121安装到框架120。本发明的手持装置可以操作为存储所接收的信号连同位置信息，此位置信息通过本发明的轮子或其它机构(诸如例如计算机鼠标装置(未示出)或红外测量装置等(未示出))的滚动运动并通过记录在测试材料上的运动而从预定起始点计算。

手持装置可以具有车载或经由缆线可附接的感应或无线通信接入到：能量源、存储器、控制逻辑电路、输入与输出控制端口、显示器和音频。

指示灯150可以布置在框架上，以便诸如指示装置与测试材料之间的接触状态，如果接收到预设信号图案或者如果在特定位置接收的信号无效时的警报状态。

指示灯可以是彩色编码的，诸如例如如果未接触时是红光，或者当探测到装置与测试材料之间的接触时是绿光。其它颜色的切换图案可以用于不同的目的。一个这样的目的可以是在各项工作之前作为运行的自测指示器。还可能的是在校准程序中使用光，其中例如当传感器根据预设测试图案和频率发射信号时，装置可以在具有已知表面的已知测试材料上滚动，具有已知的期望测试结果。如果期望的接收信号被验证，那么此装置被清除以便操作。可以通过指示灯150显示的预设光图案来识别已验证的装置。

还可以将连接的计算机用于存储、校准、测试和评估测试结果的目的。计算机可以通过缆线、无线通信或者经由存储记忆装置传送数据来连接。存储记忆装置可以可拆除地安装到装置中的电子电路，或者可在传送操作时经由接口连接。

传感器阵列可以以不同模式使用。图13和图14中示出了两种不同的模式。可以使用其它模式。

在图13中，示出了沿轨道检测的模式。一个传感器阵列(例如本发明的后轮)用于将信号发射到测试材料的地下，并且一个传感器阵列(例如本发明的前轮)用作接收装置以接收已进入并通过测试材料且由此反射的发射信号。

在图14中，示出了跨越轨道检测的模式。这通过将多个传感器分配在一个传感器阵列中来发射超声信号以及分配相同传感器阵列中的多个传感器来接收从测试材料反射的信号来实现。一个传感器可以既发射又接收。在一种情形中，传感器阵列的周边部分中的传感器将信号发射到测试材料的地下，并且传感器阵列的中间部分中的一个或多个传感器接收反射的信号。

可以使用多于一个传感器阵列来接收，即用于上述的手持装置：后排传感器阵列中的传感器可以发射，同时两个前排传感器阵列接收，或者甚至所有的传感器阵列可以设置为接收传感器阵列，而一个或多个传感器阵列也发射。

在包括3个传感器阵列/轮子(诸如在上面的手持示例中)的系统中的一个可能构造是利用中间传感器阵列中的传感器来发射超声信号，并且利用两个外部传感器阵列/轮子来接收从测试材料反射的信号。

还可以使用本发明的利用上述跨越轨道几何形状的单个超声装置1。

传感器可以仅用于发射或仅用于接收、以及既发射又接收超声信号与反射。用作对于相同超声信号的发射与接收传感器的传感器，即该传感器发射超声信号并且然后等待信号的反射并且然后接收反射的信号，将仅接收与探测来自物体等或发射信号路径中材料的反射。如果物体是传感器下面的小竖直裂缝，那么反射的信号可能非常弱并且难以探测。在本发明中一组传感器，其中每个传感器或者发射或者接收超声信号，不仅测量反射信号，而且测量传送通过测试材料的信号，并且由此能够测量缺少反射，或者例如衍射时差。这些类型的测量将提供测量数据中的更好的S/N比率。这种构造将能够探测到反射信号的遗漏。例如，如果信号被测试材料中的气穴阻挡，并且由此信号传播严重受阻，那么接收传感器将探测到信号未被如期接收，并且结论然后可以指示在发射与接收传感器之间存在阻挡介质，诸如裂缝、孔、非传播介质等。

可以由上面如图14说明的本发明的单轮传感器设置来使用上面用于探测反射遗漏的额外能力。通过将图14中说明的特征与使用多于一个传感器阵列(轮子)的特征结合，作为针对上面图13中传感器设置说明的一个示例，可以利用本发明实现进一步增强分析效果。关于裂缝、障碍物与气穴，可以进一步优化不同的传感器设置，以沿着轨道定向的裂缝、气穴、障碍物，利用如上面针对图14说明的跨越轨道检测特征，或者跨越轨道定向的裂缝、气穴、障碍物，利用如针对图13中说明的沿轨道检测特征，进行探测。

在本发明的一个实施方式中，本发明可以用于发现在诸如在船或机翼(飞机、风力涡轮机)中使用的夹层结构中的分层/气穴。这种夹层结构可以由多层不同材料构造。所有材料相对于特定频率的超声信号具有潜在的不同响应特征。可以以优化测试材料的特定夹层层界面所定位的特定深度处的响应的方式来控制本发明。人们可以例如检查最内玻璃纤维层与包括内玻璃纤维层、外玻璃纤维层和芯部聚苯乙烯层的3层构造中的芯部材料之间的界面。可以使用其它材料以及其它数量的层。

实施方式的另一个示例是利用本发明来探测建筑瓷砖下面的分离/气穴，诸如在浴室地板中，其中外层是陶瓷，并且内层是混凝土或木材，可能在它们之间具有防水膜结构。

还可以通过执行反射信号的发射与接收规则使探测能力最大化，其中执行超声数据收集时动态地进行各单独传感器的特征的更复杂转换模式。一种模式是允许每个传感器依次用作超声信号的唯一发射源，并且允许所有轮子(如果多于一个)的所有传感器接收发射信号。这样，可以从垂直于运动方向到发射传感器的两侧沿着多个方向绘制地下。在图17中概述了由箭头170表示的一个发射传感器与7个接收传感器的一个示例。这里使用三个传感器阵列221、222、223(轮子)。可以使用1个发射及1到48(48不是限定而是在图17中使用的数量)个接收的所有其它组合。可以使用其它传感器组合。

最终模式是允许所有的传感器依次是发射传感器，并且允许所有的传感器用作用于发射信号的全部反射的接收器。这样可以从所有角度、侧面、向前、向后、沿着全部方向成角度地以及直接在下面绘制全部测试材料。将本发明装置的运动用作另一个参数，当在测试材料上移动时，可以进行几次这种测量。例如，混凝土中的气穴然后将被从多个方向彻底地利用若干次，并且不会忽略“隐蔽”的弱点。

对所使用的传感器阵列或轮子的尺寸没有限制。

执行规则的示例可以包括但不限于不同的光束形成技术。执行规则的一个示例可以是SAFT(合成孔径聚焦技术)。

收集的探测数据越多，那么在分析数据时在分析过程越可能实现好的S/N比率。

对从测试材料接收的数据的分析可以提供测试材料在测试材料表面下方的不同深度处(通常在测试材料表面下方0–15cm)的详细2D和/或3D图像的编绘。

图15示出了结合本发明的三对超声装置1的系统，以提供用于检测大量测试材料的系统。每对轮子安装到单独的支架70，并且三个支架安装到保持架200。保持架还包括计算/控制装置204、激光测量装置202、显示单元201。每对轮子单独地适应表面，因为每个轮子的各部分12单独地适应表面。

图15中的装置或者本发明的装置的任意变型可以具有车载或经由缆线可附接的感应或无线通信接入到：能量源、数据存储器、控制逻辑电路、输入与输出控制端口、显示器和音频。

如上面描述的用于手持装置(在图16中未示出)的指示灯可以包括在此系统中以及本发明的所有类型的实施方式中，并且用于如上所述的相同目的。

保持架可以包括用于驱动此保持架的装置，例如电动机(未示出)、远程控制特征，并且还包括一个或多个能量源、用于手动地推动和/或操纵保持架的手柄205以及用于与外部控制单元(未示出)无线通信的装置。

可以对控制单元预编程，以引导保持架以覆盖测试材料的全部部分，如图16中所示。这里现实生活描述示出了保持架位置200、移动方向211，以及已经检测的区域212、213、214/仍未检测的区域215。甚至可以在先前检测轨迹212、当前检测轨迹213、以及当前检测轨迹213相对于先前检测轨迹212的重叠214之间进行区分。

通过将接收的数据和此分析结果与相应的先前执行的检测比较，可以探测测试材料的地下的变化。例如，可以跟踪混凝土桥梁中的钢筋的劣化，并且在劣化的早期阶段采取修正措施。

激光单元可以用于测量距离，以便在测试材料上限定保持架位置。

另一个实施方式示例是利用本发明的装置对喷涂的钢结构进行采样。本发明能够收集反射的超声信号的样本，这在无需除去固定在钢构造表面的涂料或其它保护层的情况下，能够以无与伦比的方式进行数据分析以发现裂缝和缺陷。

来自优先权申请的旧权利要求现在包括进来作为说明书的一部分：

1.一种用于超声信号的发射与接收的装置，所述装置形成为轮子(1)，其中所述轮子(1)还包括：

布置在附接到轴(2)的基部(3)上的传感器(20)阵列；

轮胎部分(10)，其提供围绕所述传感器(20)阵列周围的密封外壳(7)，所述轮胎部分包括包含轮胎胎面部分(11，22，24，25)的多个圆形突出部分(12)；以及

在所述密封外壳(7)中的耦合流体(26)，其在所述传感器阵列与所述轮胎胎面部分(11，24)朝向测试材料(15)的接触点(27)之间提供声波透射性。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述轮胎胎面部分(11，22，24，25)由弹性材料制成。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括：

用于布置在所述轴(2)的两个外部端部处的支承装置(5)的附接装置(8)；

支承装置(5)附接到所述附接装置(8)，并且

所述轮胎部分(10)附接到设置在所述支承装置(5)上的附接基部(6)，以便提供所述轮子(1)与所述测试材料(15)滚动接触的滚动能力。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述轮胎胎面部分(11，22)以圆形部分形成，并且其中，每个部分对齐以跨越一个或多个传感器(20)，并且其中，所述轮胎胎面部分(11，22)与面向所述传感器(20)的轮胎胎面部分的内侧上的所述耦合流体(26)直接接触。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述轮胎胎面部分(24，25)包括支撑材料(25)，其包括提供与所述耦合流体(26)接触的接触表面的第一侧以及提供联接材料(24)所附接的表面的第二侧，所述联接材料(24)形成所述轮胎10的圆形部分。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述轴(2)的外部端部具有用于将所述装置附接到框架(70、120)的附接装置(71)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，设置有电缆(74)用于将所述传感器模块连接到电源。

8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，设置有电缆(74)用于将所述传感器(20)连接到控制逻辑电路。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述装置包括用于无线传输控制数据与接收的信号数据的装置。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述传感器(20)阵列包括附接到所述基部(3)或所述轴(2)的可调节的附接装置，以便改变所述传感器(2)阵列相对于所述测试材料(15)的角度和/或距离。

11.一种用于超声信号发射及对从测试材料(15)反射的超声信号进行接收的装置，所述装置包括两个或更多个如在权利要求1至10中任一项所述的轮子(1)，其中所述轮子(1)附接到框架(70，120)。

12.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，在所述传感器(20)阵列中的每个单独传感器(20)或者用作发射传感器，或者用作接收传感器，或者用作发射与接收传感器。

13.一种用于超声信号发射与超声信号接收的系统，所述系统包括：

一个或多个根据权利要求1至12中任一项所述的装置/轮子，所述系统还包括保持架(120，200)，所述一个或多个轮子(1)安装到所述保持架；

控制机构，其用于沿着路径(211)在测试材料(15)的表面上方操纵所述保持架；

控制逻辑电路(204)，其用于控制所述保持架、所述传感器，并存储与传输数据。

14.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括用于提供绝对位置的导航装置(202)。

15.根据权利要求13和14所述的系统，所述系统还包括显示装置(150，201)。

16.根据权利要求13至15所述的系统，所述系统还包括用于提供相对位置的跟踪装置。

17.根据权利要求13至16所述的系统，其中，用于操纵所述保持架的所述控制机构是用于手动地引导的手柄(121，205)或连接到用于移动所述保持架的驱动装置的远程控制电机。

18.根据权利要求13至17所述的系统，所述系统还包括用于接收所接收的超声信号数据以及用于处理所述数据的计算机装置。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述计算机装置是远程计算机装置。

20.一种用于发射与接收超声信号以能够分析测试材料(15)的方法，

所述方法包括步骤：

提供一个或多个根据权利要求13至19中任一项所述的系统，所述方法包括以下步骤：

从传感器(20)发射超声信号；

利用所述传感器(20)阵列中的一个或多个接收从所述测试材料(15)反射的发射超声信号；

存储所接收的超声信号并将其传输到计算机装置并且分析所接收的超声信号。

21.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括步骤：

沿着预定路径(211)移动所述保持架(120，200)；

根据预定发射图案从单独传感器(20)发射超声信号；

利用构造为用于单独发射的超声信号的接收传感器的一个或多个传感器接收从所述测试材料(15)反射的超声信号。

22.根据权利要求20或21所述的方法，所述方法还包括将测试材料的一部分的分析结果与所述测试材料的相同部分的先前分析进行比较，并且识别所述测试材料中的变化。

Claims (21)

1.一种用于超声信号的发射与接收的传感器装置，所述装置形成为轮子(1)，其中所述传感器装置的特征在于所述轮子(1)还包括：

布置在附接到轴(2)的基部(3)上的传感器(20)阵列；

轮胎部分(10)，其提供围绕所述传感器(20)阵列周围的密封外壳(7)，所述轮胎部分包括包含轮胎胎面部分(11，22，24，25)的多个圆形突出部分(12)；

在所述密封外壳(7)中的耦合流体(26)，其在所述传感器阵列与所述轮胎胎面部分(11，24)朝向测试材料(15)的接触点(27)之间提供声波透射性，并且

其中，所述轮胎胎面部分(11，22，24，25)由弹性材料制成。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，还包括：

用于布置在所述轴(2)的两个外部端部处的支承装置(5)的附接装置(8)；

支承装置(5)附接到所述附接装置(8)，并且

所述轮胎部分(10)附接到设置在所述支承装置(5)上的附接基部(6)，以便提供所述轮子(1)与所述测试材料(15)滚动接触的滚动能力。

3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述轮胎胎面部分(11，22)以圆形部分形成，并且其中，每个部分对齐以跨越一个或多个传感器(20)，并且其中，所述轮胎胎面部分(11，22)与面向所述传感器(20)的轮胎胎面部分的内侧上的所述耦合流体(26)直接接触。

4.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述轮胎胎面部分(24，25)包括支撑材料(25)，其包括提供与所述耦合流体(26)接触的接触表面的第一侧以及提供联接材料(24)所附接的表面的第二侧，所述联接材料(24)形成所述轮胎(10)的圆形部分。

5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述轴(2)的外部端部具有用于将所述装置附接到框架(70、120)的附接装置(71)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，设置有电缆(74)用于将所述传感器(20)阵列连接到电源。

7.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，设置有电缆(74)用于将所述传感器(20)连接到控制逻辑电路。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置，其中，所述装置包括用于无线传输控制数据与接收的信号数据的装置。

9.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器(20)阵列包括附接到所述基部(3)或所述轴(2)的可调节的附接装置，以便改变所述传感器(2)阵列相对于所述测试材料(15)的角度和/或距离。

10.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，在所述传感器(20)阵列中的每个单独传感器(20)或者用作发射传感器，或者用作接收传感器，或者用作发射与接收传感器。

11.一种用于超声信号发射及对从测试材料(15)反射的超声信号进行接收的传感器保持架装置，所述装置的特征在于包括两个或更多个如在权利要求1至10中任一项所述的传感器装置(1)，其中所述轮子(1)附接到框架(70，120)。

12.一种用于超声信号发射与超声信号接收的系统，所述系统的特征在于包括：

一个或多个根据权利要求1至11中任一项所述的传感器装置，所述系统还包括保持架(120，200)，所述一个或多个轮子(1)安装到所述保持架；

控制机构，其用于沿着路径(211)在测试材料(15)的表面上方操纵所述保持架；

控制逻辑电路(204)，其用于控制所述保持架、所述传感器，并存储与传输通过所述传感器接收的数据。

13.根据权利要求12所述的系统，所述系统还包括用于提供绝对位置的导航装置(202)。

14.根据权利要求11和12所述的系统，所述系统还包括显示装置(150，201)。

15.根据权利要求11至14所述的系统，所述系统还包括用于提供相对位置的跟踪装置。

16.根据权利要求11至15所述的系统，其中，用于操纵所述保持架的所述控制机构是用于手动地引导的手柄(121，205)或连接到用于移动所述保持架的驱动装置的远程控制电机。

17.根据权利要求11至16所述的系统，所述系统还包括用于接收所接收的超声信号数据以及用于处理所述数据的计算机装置。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述计算机装置是远程计算机装置。

19.一种用于发射与接收超声信号以能够分析测试材料(15)的方法，

所述方法的特征在于包括步骤：

提供一个或多个根据权利要求12至18中任一项所述的系统，所述方法包括以下步骤：

从根据权利要求1至11中任一项的传感器(20)阵列中的至少一个传感器发射超声信号；

利用所述传感器(20)阵列中的一个或多个接收从所述测试材料(15)反射的发射超声信号；

存储所接收的超声信号并将其传输到计算机装置并且分析所接收的超声信号。

20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括步骤：

沿着预定路径(211)移动所述保持架(120，200)；

根据预定发射图案从所述传感器(20)阵列中的单独传感器发射超声信号；

利用所述传感器(20)阵列中的构造为用于单独发射的超声信号的接收传感器的一个或多个传感器接收从所述测试材料(15)反射的超声信号。

21.根据权利要求19或20所述的方法，所述方法还包括将测试材料的一部分的分析结果与所述测试材料的相同部分的先前分析进行比较，并且识别所述测试材料中的变化。