CN109564196A - 用于发射超声波信号到测试材料和从测试材料接收超声波信号的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于向测试材料发射和从测试材料接收超声波信号的装置、系统和方法，其中该装置包括一个或多个轮组件(1)，其中每个轮组件(1)还包括：一个或多个换能器(20)，所述一个或多个换能器(20)布置成部分或完全嵌入联接介质/部分或完整内环(52、21)中，轮组件还包括轨道外环(23)，并且其中联接介质/部分或完整内环(52、21)以非旋转方式连接到轴(22)，并且一个或多个换能器(20)固定地指向测试材料(15)，并且轨道外环(23)的面向内的表面(26)和/或联接介质/部分或完整内环(52、21)的面向外的表面(25)之间的界面包括低摩擦材料，所述低摩擦材料具有与轨道外环(23)的顺序相同的顺序的声阻抗。

Description

用于发射超声波信号到测试材料和从测试材料接收超声波信 号的装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于模块的装置，用于所反射的超声波信号的超声波信号发射和接收，使得能够对诸如道路、桥梁、建筑物、管道、坦克、海上和陆上、航空航天、太空和海底中的固体材料进行非破坏性分析。

背景技术

问题是促进用于材料本身以及用于建筑材料的内部结构(诸如，增强件和/或缺陷和故障)的成像的数据收集的令人满意的检查方法和装置。

已经为检查诸如管道、集装箱、铁路轨道等设施提供了便利的解决方案，以收集数据并且映射潜在的弱点和故障。这些的共同点是检查工具难以适应于要检查的材料的各种材料、表面和环境。

已知解决方案的另一个问题是，仪器严重依赖于使用联接流体，无论是在仪器内部还是在仪器表面和待测材料表面之间的内部和外部。在这些情况下，难以促进不提供向上指向表面的地表面的可靠测量。

当使用超声波信号发射和接收来测量用于地下成像的大型结构时也会出现问题，因为可用的工具更适合于小区域的随机采样，或者工具不是为任务定制的。结果是时间消耗将是不可接受的高或接近100％的覆盖率，并且不能实现对建筑材料的分析。

更进一步的问题是被测材料表面的不平坦将导致仪器与待测材料的表面松散接触，因此没有记录有效的测量结果。

本发明提供了一种用于发射和接收超声波信号的装置，用于分析大型测试材料结构，包括具有不平坦表面的测试材料，以及超声波数据采集。本发明是灵活和可定制的，因为它可以适应于待测表面的拓扑结构，同时数据收集要求的量，低维护和对表面结构不敏感的高覆盖特性。

该装置适用于在不同深度分析地下，深度范围还包括从表面到最多15-20cm的层到测试材料中，但不排除其他深埋层。根据对所接收的数据的S/N比的要求，换能器发射的信号的频率和强度，采样率，测试材料分析的深度范围可以显著变化。目的是能够识别建筑/测试材料地下的薄弱点和断层，诸如混凝土结构中的有缺陷或恶化的加固，由于木结构中隐藏的树枝或腐烂部分导致的薄弱点或在这样的结构或类似物中的其他错误参数。本发明使用超声换能器技术提供有效的数据收集，能够利用低频超声kHz范围内的低频发射，优选地在25kHz和500kHz之间，或更优选地在75kHz和225kHz之间，以在诸如混凝土和木材等的测试材料中获得更好的性能。

本发明还可用于在高达数MHz范围内，优选在0.5MHz-10MHz之间的较高频率范围内发射超声信号。该装置还可用于从更紧凑的测试材料(诸如钢、碳纤维、玻璃纤维等)收集超声波数据。

尽管在本文件中已经具体讨论了一些频率范围，但是这不应该限制本发明，并且可以容易地选择其他频率。

发明内容

本发明的装置包括至少一个轮组件，该轮组件包括内背衬/部分或完整的轨道环和外可旋转的轨道环，其中内背衬/轨道环可以是非旋转的，该轮组件还包括一个或多个超声换能器以便发射和/或接收反射信号，轮组件还包括不需要或只需很少联接流体的联接装置，并且在使用联接流体的情况下，它在外轨道环的内侧的表面和/或内环外侧的表面上设置为薄膜，或者在背衬/内环和外可旋转轨道环之间的密封层中，其中一个或多个换能器布置在轨道内环上或集成在轨道内环上。

在一些实施例中，轮组件提供连接装置，用于在安装在诸如仪器滑架的滑架上的轮模块中将多于一个轮组件连接在一起。

一组或多组连接的轮模块可以集成在一组较大的轮模块中，其中所有的换能器都由中央控制器控制，或者与较大的轮组模块一起安装，或者通过有线/无线通信远程连接。

轮模块可以安装在定制的适配轴上，或者连接装置可以提供轴功能，其中轮模块的外部连接装置(由一个或多个轮组件组成)在任一侧构成仪表滑架的连接点。

轮组件之间以及车轮模块和仪表滑架之间的每个连接点可以经由导线、滑环触点、无线通信、感应触点等包括电/信号连接部，用于控制信号、功率、测量数据等的传输。

仪器滑架可包括用于通过将旋转力传递到一个或多个轮模块或传递到专用于沿所需方向驱动滑架的轮组件(未示出)移动仪器滑架的马达功能。

附图说明

在附图中进一步解释本发明，附图应解释为对本发明的可能实施例的说明，但不代表对本发明范围的任何限制。

图1是组合在一起的一组轮组件的概念轮廓。

图2A描述了第一实施例中的轮组件的内部轮廓，也突出了截面。

图2B描述了第二实施例中的轮组件的内部轮廓。

图3示出了如图2A所示的多个轮组件，其布置有图示的轴功能。

图4分别示出了图2B的轮模块的轨道内环的指向外的表面，以及图2B的轮模块的轨道内环的指向内的表面。

图5A示出了图2A的轮模块，包括集成的悬架特征。

图5B示出了具有部分内环的轮组件，该部分内环的直径小于外环的内径。

图5C示出了图5B中的轮布置的截面的斜视图。

图5D示出了轮组件的下部和测试材料、一个换能器的横截面(A-A 5B)侧视图。

图6A示出了轮组件的另一实施例。

图6B和图6C是如图6A所示的轮组件的两个实施例的横截面图。

图7是用于更宽深度范围测量的具有不同特性的多个轮组件的布局图。

图8是双辊单元的顶视图。

图9是手持式三辊单元的侧视图。

图10是手持式三辊单元的底视图。

图11是手持式三辊单元的顶视图。

图12是手持式三辊单元的透视顶部正视图。

图13A和13B是示出换能器的发射和接收阵列的沿轨道和跨轨道几何结构示例的图。

图14是示出与轮和被测材料中的不同阻抗材料组合使用的定向波的图。

图15是移动式三联二辊滑架系统。

图16是移动滑架的跟踪路径场景的概述。

具体实施方式

在如本发明的图2A所示的第一实施例中，轮组件包括一个换能器模块20，换能器模块20包括一个或多个换能器，具有背衬和轴/轮轴22，该背衬和轴/轮轴22将是固定的，而具有固体或粘弹性联接介质(诸如，弹性体)的外环/轨道外环23布置在具有背衬的换能器模块20/轨道内环21的径向外部，并且当轮组件1沿着被测表面滚动时外环/轨道外环23旋转。

换能器模块中的换能器可以是以下形状中的任一种或其组合，例如：圆形、方形、凹形、凸形、单曲线形和双曲线形，以实现不同的换能器光束聚焦/散焦。

一个或多个换能器20完全或部分地嵌入轨道内环21中，使得换能器20的表面与轨道内环21直接接触。轨道内环连接到轮轴22，意味着当轮组件1沿测试表面滚动时，轨道内环不与轨道外环23一起旋转。轨道外环23的面向内的表面26和/或轨道内环21的面向外的表面25之间的界面24包括低摩擦材料或流体24，其具有与轨道外环23的顺序相同的顺序的声阻抗。低摩擦材料25、26可以是聚合物或聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、金属合金、PVDF或强水合刷状聚合物中的一种，但不限于此。目的是提供一种提供低摩擦轴承或接触的干燥界面。在大多数情况下，轮1将以慢速滚动速度动作使用，因此界面不会产生大量热量或抵抗旋转力的阻力。低摩擦材料25、26可以作为单独的层材料附接到轨道外环23的面向内的表面26和/或轨道内环21的面向外的表面25，或者可以通过溅射到轨道外环23的向内表面26和/或轨道内环21的向外表面25上沉积层材料。可以应用其他已知的制造分层的方法来实现相同的结果。

可以选择使用湿界面，其中面向内的表面26和/或面向外的表面25中的任一个或两个具有低摩擦流体的涂覆膜，或者轨道外环23的面向内的表面26和/或面向外的表面25之间的界面24由密封的空间24限定，该空间24由低摩擦流体占据，该低摩擦流体完全填充封闭空间并且提供低摩擦轴承功能。这些流体可选自低摩擦流体，如下所述之一，但不限于：硅基流体、矿物或植物基油、合成油或单独的水或水与其它基础油之一的组合。

在如本发明的图2B所示的第二实施例中，轮组件1'包括背衬21'，其中一个或多个换能器20'安装在背衬21'的面向外的表面上，从背衬21'径向突出。固定轴部分22'和滑环连接器27(多功能)将信号和功率传输到换能器20'和从换能器20'传输信号和功率。诸如弹性体层/轨道外环23'的实心或粘弹性联接介质布置在具有背衬21'的换能器模块20'的径向外侧，并且当轮1'组件沿着待测表面滚动时，所述介质旋转。在该实施例中，当轮1'沿着被测表面滚动时，换能器20'、轨道内环21'和轨道外环23'一起旋转。轨道内环21'和/或轨道外环23'可包括一个或多个传感器(未示出)，用于检测轮组件的哪个部分与被测表面接触。轮还可以包括控制器(未示出)，用于控制激活哪个换能器作为发射器或接收器或两者。控制器可以从用于检测轮组件的哪个部分与被测表面接触的一个或多个传感器接收信号，以便仅激活有限数量的换能器20'，换能器20'最优化地朝向被测材料的表面定向。检测轮组件的哪个部分与被测表面接触的传感器可以是基于陀螺仪，基于压力，基于雷达，基于声纳，基于电导率等。

在如图2B所述的轮的又一个实施例中，轨道内环21'的面向内的表面可以包括圆形接触区域，用于与电刷连接器/滑环连接器27连接到包括在轮轴中的电线。图4中示出了圆形接触区域41的图案的替代实施例，其中该图案确保滑环连接器27同时仅与一部分换能器接触。每个换能器在与轨道内环上的换能器位置成直线径向排列的点处与圆形接触区域41电接触。一部分换能器可以是单个换能器或更多换能器，适于多少换能器将能够发射和接收来自被测材料的信号。图案化的圆形接触场的使用可以简单地通过不激活在信息收集过程中不能提供有意义信息的多个换能器来节省能量。通常，只有指向待测材料表面的换能器才有助于这种信息收集。

轨道外环23、23’通常被配置成具有与测试材料的顺序相同的的顺序的声阻抗，使得当进入被测材料时输出信号尽可能少地丢失。如果声阻抗相差太大，则当从轨道外环23、23’传输到被测材料中时，许多信号能量将会丢失。

轨道外环和/或轨道内环的材料还可以配置有适合于测试材料表面的不平坦的弹性系数。这样做的目的是，当在图1和图3中所示的同一轮轴上布置多个轮时，并且在被测材料的表面上遇到障碍物时，只有在不平坦处滚动的轮将受到不平坦的影响。轨道环21、21'、23、23’的弹性将适应不平坦性，从而当从地下收集信息时，仅影响遭遇不平坦的实际轮。

对本发明的尺寸参数没有限制。可以使用任何类型的换能器，并且诸如直径和宽度的轮尺寸由测试材料的所需形貌，用于在所需频率范围内操作的换能器类型以及轨道环材料中所需的阻抗决定。

在本发明的又一个实施例中提供了适于被测材料表面的不平坦的另一种机构，其中悬挂特征51集成在轮组件中。在图5A中，这示出为如图2A中所示的轮配置。可以使用其他集成悬架机构。适用于单个轮1、1'的悬架特征51的独立性为对轮模块的路径中的障碍物不敏感的系统提供了进一步改进的特性。如上所述，通过悬架装置51而不是轮的更具弹性的材料来避免障碍物可以改善轮的声学能力。即使一个或多个轮由于被障碍物从地面抬起而可能被禁用，与被测材料15的表面接触的其余的轮将具有可接受的接触和信号响应比。后一种悬挂机构可用于减少与被测材料相比的材料阻抗限制，这是由于需要弹性以便能够测试粗糙测试材料而导致的折衷。

轮组件可以包括部分内环52，其具有比外环23、26的内径小的直径，如图5B和图5C所示。部分内环52可以只是环的一部分。换能器20可以附接到部分内环52的内部，或者可以完全或部分地嵌入部分内环52中。部分内环52的较小外径控制部分内环与外环23、26的内部之间的接触区域54。本发明包括换能器20的替代实施例和与内环的部分不同形式的联接介质/部分内环52，例如在联接介质/部分内环52和外环23的内部26之间呈现限定的接触/联接区域的圆柱形、球形或者锥形形式。

轨道外环23的形状可以以理想的形式提供，用于将来自换能器20的声信号传输到被测材料15，包括但不限于圆形、矩形、锥形或金字塔形，如图5D所示。

换能器20和部分内环52之间，在部分内环52和外环23、26的内部之间，以及外环23和被测材料15之间的界面中的材料、设计和接触区域定义从换能器发射的测试材料15中的声场。

联接介质/部分内环52和外环23、26可以以与上述类似的方式悬挂，其中悬挂特征51联接到外环23、26，并且轮组件保持换能器20和联接介质/部分内环52在朝向被测材料15的恒定径向位置处，同时外环23、26随着轮组件沿被测材料15的表面移动而旋转。仪器钻机的每个轮组件可以单独悬挂，使得与表面的接触最大化，而不管被测材料15的表面是否不平坦。

由外环的内部26和联接介质的外部/部分内环52的外部之间的界面以及外环23的外部和测试材料15的外部之间的界面构成的两个接触区域可以呈现随接触界面的面积、外环23的材料和联接介质/部分内环52而变化的不同声学特性。较小的接触面积使来自换能器20的发射信号的扩散更大。声扩散的要求可以由被测材料15的表面的状态决定。测试材料15的光滑表面可以允许接触界面的更宽的接触面积。图5D示出了外环23和被测材料15之间的界面的锥形形状。

外环的内部26和/或联接介质的外部/部分内环52的外部可以包括润滑配方，或者是具有所需声学特性的低摩擦干燥材料。这种材料可以是例如或任何类型的聚合物或聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、金属合金、PVDF或强水合刷状聚合物等。轮组件的声学特性应适应于测试材料15的成分。

在换能器20，联接介质/部分内环52和外环23、26之间的界面54中使用低摩擦干燥材料，能够通过轮组件将足够的信号传输到被测材料15中而不需要任何联接流体，因此不需要先进的密封特征来保持联接流体。

因此，测试仪器的结构可以更轻且更紧凑、设计更简单、更易于安装和拆卸，并且可以改变轮组件和换能器的零件和材料以更容易地适应待检查的材料。

轮组件的另一个示例示于图6A、图6B和图6C中。换能器20'径向部分安装或完全嵌入单个轨道环61中，其中换能器外表面代表如上述实施例中所讨论的轨道外环。后一实施例有利于更简单地实施生产并添加信号和电缆63和接触垫62，以及滑环接触部65。轮还可以在没有轴的情况下实施并且经由例如球轴承单元66附接到轴承轮64。轴承轮64还可以具有连接装置67，诸如用于固定到底盘或第二轮组件的螺栓导管。

在另一个实施例中，轮组件可以具有用于每个换能器20'的凹槽68，其将换能器20'完全“掩埋”到单个轨道环61中。换能器包括具有已知声阻抗的耐受材料的外部“胶囊”69，并且因此呈现均匀的外表面并且构成轨道外环23'。

换能器可以具有物理形式，使得当安装在轮组件周围时，它们将在两侧接触相邻换能器，从而表示连续轨道。

各种测量任务，范围包括检测钢板、管道和结构上的腐蚀区域，检测例如Carbone板或框架的复合材料中的裂缝、瑕疵以及检测空隙和分层，或甚至用于轻型船和飞机结构的编织玻璃纤维和玻璃增强塑料。通常需要测试/测量比传统仪器更宽的深度范围。本发明提供了一种解决方案，其中轮组件的设计可以以单轮组件的模块非常灵活地布置成多轮组件，所述多轮组件以安装在轴上或在单独适配的框架连接布置上的阵列的方式布置。在图7中示出了这样的实施例，其中图6中讨论的类型的轮组件分别在相应的滚珠轴承连接器72上布置到框架71，轮被布置为具有不同轮特性的三个模块73、74、75，从而实现可以同时跨越多个深度范围的测量。

通常，为了控制焊缝140，本发明将布置有多个轮组件，如图14中所描述的那样垂直地布置在焊缝140的每一侧上，并且沿着焊缝的路径在方向141上滚动。根据轮的数量和轮组件的个体特性，可以覆盖宽的深度范围分析。

传感器设计也将有助于轮组件的总体特性。换能器的频率和直径越高，光束角度越窄，就更能控制声束的方向性。在相反的范围内，对于测量近表面区域的宽光束要求，希望以较大的扩散操作，因此较低的直径和较低的频率将实现这一点。

也可以使用不同的波导特性，诸如剪切波，并且图8示出了构成两个轮模块的两个轮组件阵列如何布置在联接到框架元件71的两个轮轴22、22'上。

如上所述的本发明的一个或多个轮组件1、1'可以安装在框架70中，如图7-8所示。图8示出了两个轮模块1、1'、100如何安装在支架/框架71中。信号电缆74穿过框架70。

本发明的另一个实施例在图9-12中示出，图9-12示出了安装在手持框架120中的本发明的三个轮模块1、1'、100，其中手柄121安装到框架120。通过由本发明的轮的滚动运动或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)的其他机构在测试材料上记录运动，可以操作本发明的手持装置以存储所接收的信号以及从预定的起始点计算出的位置信息。

手持装置可以具有机载能源、存储器、控制逻辑、输入和输出控制端口、显示器和音频或经由电缆、感应或无线通信接入可附接到：能源、存储器、控制逻辑、输入和输出控制端口、显示器和音频。

指示灯150可以布置在框架上，用于诸如指示装置和测试材料之间的接触状态的目的，如果接收到预设信号模式或者如果特定位置中的接收信号无效，则是报警状态。

指示灯可以是彩色编码的，诸如如果在装置和测试材料之间检测到接触时没有接触或绿光，则为红光。其他颜色和切换模式可用于不同目的。一个这样的目的可以是在每个工作之前运行的自测指标。还可以在校准程序中使用灯，其中例如当换能器发出符合预设测试图案和频率的信号时，该装置可以在具有已知预期测试结果的已知表面的已知测试材料上滚动。如果验证了预期的接收信号，则装置被清除以进行操作。验证装置可以由指示灯150显示的预设光图案识别。

连接的计算机也可以用于存储、校准、测试和评估测试结果的目的。计算机可以通过电缆、无线通信或通过经由存储记忆装置传输数据来连接。存储记忆装置可以可拆卸地安装到装置中的电子电路，或者可以在传输操作时经由接口连接。

换能器阵列可以以不同的模式使用。图13A和图13B中示出了两种不同的模式。可以使用其他模式。

在图13A中，示出了沿轨道检查的模式。一个换能器阵列，例如本发明的后轮模块1、1'、100用于将信号发射到测试材料的地下，以及一个换能器阵列，例如，本发明的前轮模块1、1'、100用作接收装置，以用于接收已经进入并穿过测试材料并从中反射的发射信号。

在图13B中，示出了用于跨轨道检查的模式。这是通过在用于发射超声信号的一个换能器阵列中分配多个换能器以及在从测试材料反射时接收信号的相同换能器阵列中的多个换能器来实现的。一个换能器可以既发射又接收。在一种情况下，换能器阵列的外围部分中的换能器将信号发射到测试材料的地下，并且换能器阵列的中间部分中的一个或多个换能器接收反射信号。

可以使用多于一个的换能器阵列来接收，即对于上述手持装置：换能器尾阵列中的换能器可以发射，而换能器中的两个前阵列接收，或者如果一个或多个换能器阵列也发射，则甚至所有换能器阵列都可以设置为换能器接收阵列。

在包括3个换能器/轮模块1、1'、100阵列的系统、诸如在上面的手持示例中的一个可能的配置，是使用换能器的中间阵列中的换能器来发射超声信号，以及两个换能器/轮模块1、1'、100外部阵列用于接收来自测试材料的反射信号。

也可以使用本发明的单轮模块1、1'、1001，利用上述的跨轨轨道几何形状。

传感器可仅用于发射或接收，以及超声波信号和反射的发射和接收。用作用于相同超声信号的发射和接收换能器的换能器，(即，换能器发射超声信号然后等待信号的反射，然后接收反射的信号)将仅接收和检测来自物体等或所发射的信号的路径中的材料的反射。如果物体是换能器下方的小垂直裂缝，则反射信号可能非常弱并且难以检测。在本发明中将是一组换能器(其中每个换能器发射或接收超声波信号)，不仅测量反射信号，而且测量通过测试材料传输的信号，因此能够测量反射的缺乏，或者例如飞行时间衍射。这些类型的测量将在测量数据中提供更好的S/N比。这种配置将能够检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塞，并且因此信号传播被严重阻碍，则接收换能器将检测到没有按预期接收到信号，并且结论可以指示在发射和接收换能器之间存在阻挡介质，诸如裂缝、孔、非中继介质等。

如上面图13B所解释的，本发明的单轮换能器装置可以利用上述检测反射遗漏的附加能力。通过将图13B中解释的特征与使用多于一个轮模块1、1'、100的特征相结合，可以通过本发明实现进一步增强分析效果，其中一个示例针对图13A中的换能器设置进行了解释。关于裂缝、障碍物和气穴，可以进一步优化不同的换能器设置以沿着轨道定向的裂缝、气穴、障碍物检测，伴随如上面图13B所解释的跨越轨道检查特征，或者跨越轨道定向的裂缝、气穴、障碍物检测，伴随如图13A所解释的沿轨道检查特征。

在本发明的一个实施例中，本发明可用于发现夹层结构中的焊接缺陷和分层/气穴，诸如用于船舶或机翼(飞机、风力涡轮机)中。这种夹层结构可以由多层不同材料构成。所有具有可能性的不同响应的结构特征在于特定频率的相对超声信号。可以以优化特定夹层接口所在的测试材料的特定深度处的响应的方式来控制本发明。例如，可以在包括内部玻璃纤维层、外部玻璃纤维层和芯聚苯乙烯层的3层结构中检查最里面的玻璃纤维层和芯材料之间的界面。可以使用其他材料和其他数量的层。

实施例的另一个示例是使用本发明来检测建筑瓦片下的分离/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，在两层之间可能具有防水膜结构。

还可以通过执行反射信号的发射和接收方案来最大化检测能力，其中执行动态地转换每个单独换能器的特征为超声数据收集的更复杂模式。一种模式是让每个换能器依次作为超声波信号的唯一发射源，并且让所有轮(如果不止一个)的所有换能器接收发射的信号。这样，可以在垂直于运动方向的许多方向上将地下映射到发射换能器的两侧。在图17中示出了概述一个发射换能器和由箭头170指示的7个接收换能器的一个示例。这里使用三个阵列221、222、223的换能器的轮模块1、1'、100。可以使用所有其他组合从1发射并且1到48(48不是限制，而是图17中使用的数字)接收。可以使用其他换能器组合。

一种可能的模式方案是让所有换能器依次成为发射换能器，并且让所有换能器充当发射信号的所有反射的接收器。通过这种方式，可以从所有角度、侧向、前向、后向、在所有方向和直接下方成角度地映射所有测试材料。使用本发明的装置的运动作为另一个参数，当在测试材料上移动时，可以进行多次这样的测量。例如，将多次从多个方向充分利用混凝土中的气穴，并且不会遗漏“隐藏”的薄弱处。

不同的方案是将一个或多个轮模块分配为发射换能器，并且将其他轮模块分配为接收换能器，然后同时激活多个发射换能器，并且接收所有反射信号，其余换能器以接收模式操作。

传感器阵列或所用轮的尺寸没有限制。

可以选择换能器以用于多个和可变频率。执行方案的示例可以包括但不限于不同的波束形成技术。执行方案的一个示例可以是SAFT(合成孔径聚焦技术)。

收集的检测数据越多，分析数据时分析过程中可以获得更好的S/N比。

对从测试材料接收的数据的分析可以提供用于在测试材料表面下方的不同深度处的测试材料的详细2D和/或3D图像的汇编，通常在测试材料表面下方0-15cm处。

图15示出了一种系统，其中组合了本发明的三对轮模块1、1'、100，以提供用于检查大量测试材料的系统。每对轮模块1、1'、100安装到单独的支架70，并且三个支架安装到滑架200。滑架还包括计算/控制装置204，激光测量装置202和显示单元201。每对轮单独地适应表面，因为每个轮的每个部分12都单独地适应表面。

图15中的装置或本发明的装置的任何变型可以具有机载能源、数据存储、控制逻辑、输入和输出控制端口、显示器和音频，或者通过电缆、感应或无线通信访问可附接到：能源、数据存储、控制逻辑、输入和输出控制端口、显示器和音频。

如上面针对手持装置所描述的指示灯(图16中未示出)可以包括在该系统中以及本发明的所有实施例中，并且用于与上述相同的目的。

滑架可包括用于驱动滑架的装置，例如，电动机(未示出)，远程控制器特征，并且还包括一个或多个能量源，用于手动推动滑架和/或使滑架转向的手柄205和用于与外部控制单元(未示出)进行无线通信的装置。

控制单元可以被预编程以引导滑架覆盖测试材料的所有部分，如图16所示。这里，现实生活表示显示滑架位置200，运动方向211和具有被检测212、213、214/尚未检查215的区域。甚至可以区分先前的检查轨道212、当前的检查轨道213以及当前的检查轨道213相对于先前的212检查轨道的重叠部分214。

通过将所接收的数据及其分析结果与相应的先前执行的检查进行比较，可以检测测试材料的地下变化。例如，可以跟随混凝土桥中钢筋的劣化，并且在劣化的早期阶段启动纠正措施。

激光单元可用于测量距离，以便在测试材料上限定滑架位置。

另一个实施例示例是使用本发明的装置来对涂漆钢结构进行取样。本发明能够收集反射超声信号的样本，使得数据分析能够以空前未有的方式揭示裂缝和缺陷，而无需去除固定在钢结构表面上的油漆或其他保护层。

使用组成具有不同特性的轮模块1、1'、100的仪器的能力可以检测在任何材料或材料组合上更宽的深度范围上的缺陷和不规则，其中不同的轮模块1、1'、100可以优化用于测试材料的特定杠杆上，无论是管道的厚度测量、船体或油箱的劣化、桥梁道路铠装、飞机机翼、无线电桅杆支架焊接还是其他。

虽然上面给出的示例是针对地上使用的仪器，但应该理解，本发明可以适用于海底环境，其中仪器安装在例如ROV上以检查海底安装、管道等等。

尽管上面给出的示例涉及在地面上使用的仪器，但是应该理解，本发明可以适用于航空航天和空间环境，其中仪器被布置成检查例如空间装置和飞机。

本发明进一步由以下装置实施例限定，其中本发明在第一装置实施例中包括用于向测试材料15发射和从测试材料15接收超声信号的装置，该装置包括一个或多个轮组件1，其中每个轮组件1还包括：一个或多个换能器20，其部分或完全嵌入联接介质/部分或完整内环52、21中，所述轮组件还包括轨道外环23，并且其中所述联接介质/部分或完整内环52、21连接到轮轴22，意味着它不旋转，并且一个或多个换能器20固定地指向测试材料15，并且轨道外环23的面向内的表面26和/或联接介质/部分或完整内环52、21的面向外的表面25之间的界面包括具有与轨道外环23的顺序相同的顺序的声阻抗的低摩擦材料。

在本发明的第二装置实施例中，提供了根据第一装置实施例的装置，其中低摩擦材料嵌入在轨道外环23的面向内的表面26和/或联接介质/部分或完整内环52、21的面向外的表面25中。

在本发明的第三装置实施例中，提供了根据第一至第二装置实施例中任一个的装置，其中低摩擦材料是任何类型的聚合物或聚四氟乙烯PTFE、石墨、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、金属合金、PVDF或强水合刷状聚合物之一。

在本发明的第四装置实施例中，提供了根据第一至第三装置实施例中任一个的装置，其中换能器20具有以下形状之一或组合，例如：圆形、方形、凹形、凸形、单曲线形和双曲线形以实现不同的换能器光束聚焦/散焦。

在本发明的第五装置实施例中，提供了根据第一至第四装置实施例中任一个的装置，其中一个或多个轮1布置在轮轴22上。

在本发明的第六装置实施例中，提供了根据第一至第五装置实施例中任一个的装置，其中轮1包括布置在轮轴22和轨道外环23之间的弹性悬挂装置51，使得轨道外环23和联接介质/部分或完整的内环52、21可以独立于轮轴22的位置移动。

在本发明的第七装置实施例中，提供了根据第一至第六装置实施例中任一个的装置，其中轨道外环和/或联接介质/部分或完整内环52、21具有适应于试验材料的表面的不平坦的弹性系数，使得当将多个轮1布置在同一轮轴22上时，当一个轮遇到不平坦时，只有在不平坦部分上滚动的轮将受到不平坦性的影响和移位。

在本发明的第八装置实施例中，提供了根据第一至第七先前装置实施例中任一个的装置，其中轨道外环23由具有与测试材料的顺序相同的顺序的声阻抗的材料构成。

在本发明的第九装置实施例中，提供了根据第一至第八装置实施例中的任何一个的装置，还包括用于控制到达和来自换能器的信号的控制器。

在本发明的第十装置实施例中，提供了根据第一至第九先前装置实施例中的任一装置的装置，还包括用于将控制信号传送到换能器和从换能器传送控制信号的通信装置。

在本发明的第十一装置实施例中，提供了根据第一至第十装置实施例中任一装置的装置，其中一个或多个换能器20电连接到电源。

在本发明的第十二装置实施例中，提供了根据第一至第十一装置实施例中任一装置的装置，其中轮组件在旋转轨道外环23的一侧或两侧上具有用于连接到相邻轮组件1或框架71、72的连接装置31、67。

在本发明的第十三装置实施例中，提供了根据第十二装置实施例的装置，其中联接装置31、67还包括用于在轮之间或轮与框架之间传递电功率和/或信号的连接器。

在本发明的第十四装置实施例中，提供了根据第一至第十三装置实施例中任一个的装置，其中轮轴22的一个或两个外周端具有用于将装置附接到框架71、120的附接装置72。

在本发明的第十五装置实施例中，提供了根据第一至第十四装置实施例中任一装置的装置，其中该装置包括用于无线传输控制数据和所接收的信号数据的装置。

在本发明的第十六装置实施例中，提供了根据第一至第十五装置实施例中任一装置的装置，其中每个单独的换能器20作为发射换能器或接收换能器，或既作为发射和接收换能器。

在本发明的第十七装置实施例中，提供了用于超声波信号发射和接收来自测试材料15的反射超声信号的装置模块，该装置包括两个或更多个轮模块100，每个轮模块100包括一个或多个轮组件1，如第一至第十六装置实施例中的任一个所述，其中车轮模块100附接到框架71、120。

本发明进一步由以下系统实施例限定，其中本发明在用于超声波信号发射和接收超声波信号的系统的本发明的第一系统实施例中，该系统包括：根据第一至第十六装置实施例中的任何一个的一个或多个装置/轮，该系统还包括滑架120、200，一个或多个轮组件1安装在滑架120、200上；控制机构，其用于沿着测试材料15的表面上的路径211是滑架转向；控制逻辑204，其用于控制滑架、换能器以及数据的存储和通信。

在本发明的第二系统实施例中，根据第一系统实施例的系统还包括用于提供绝对位置的导航装置202。

在本发明的第三系统实施例中，根据第一或第二系统实施例中任一个的系统还包括显示装置150、201。

在根据第一至第三系统实施例中任一个的本发明的第四系统实施例中，系统还包括用于提供相对位置的跟踪装置。

在根据第一至第四系统实施例中任一个的本发明的第五系统实施例中，其中滑架是远程操作的车辆ROV，诸如用于海底操作的水下ROV。

在根据第一至第四系统实施例中任一个的本发明的第六系统实施例中，用于使滑架转向的控制机构是用于手动引导的手柄121、205或连接到用于使滑架移动的驱动装置的远程控制马达。

在根据第一至第六系统实施例中任一个的本发明的第七系统实施例中，该系统还包括用于接收所接收的超声信号数据和用于处理数据的计算机装置。

在根据第七系统实施例的本发明的第八系统实施例中，计算机装置是远程计算机装置。

本发明通过以下方法实施例进一步限定，其中本发明在本发明的第一方法实施例中包括用于发射和接收超声信号以便能够分析测试材料15的方法，该方法还包括以下步骤：提供根据第一至第八系统实施例中的任一个的一个或多个系统；从一个或多个换能器20发射超声信号；用一个或多个换能器20接收所发射超声信号从测试材料15的反射；存储所接收的超声信号并且将其传送到计算机装置并且分析所接收的超声信号。

在根据本发明第一方法实施例的第二方法实施例中，提供了一种方法，其中该方法还包括以下步骤：沿预定路径211移动滑架120、200；根据预定的发射模式从各个换能器20发射超声信号；利用一个或多个换能器接收来自测试材料15的反射超声信号，所述一个或多个换能器被配置成用于各个发射超声信号的接收换能器。

在根据本发明第一或第二方法实施例的第三方法实施例，提供一种方法，其中该方法还包括将测试材料的一部分的分析结果与该测试材料的相同部分的先前分析进行比较，以及识别测试材料中的变化。

Claims (28)

1.一种用于向测试材料(15)发射和从所述测试材料(15)接收超声波信号的装置，所述装置包括一个或多个轮组件(1)，其中每个轮组件(1)还包括：

一个或多个换能器(20)，所述一个或多个换能器(20)部分或完全嵌入联接介质/部分或完整内环(52，21)中，所述轮组件还包括轨道外环(23)，并且其中所述联接介质/部分或完整内环(52，21)以非旋转的方式连接到轮轴(22)，并且所述一个或多个换能器(20)固定地指向所述测试材料(15)，并且所述轨道外环(23)的面向内的表面(26)和/或所述联接介质/部分或完整内环(52，21)的面向外的表面(25)之间的界面包括具有与所述轨道外环(23)的顺序相同的顺序的声阻抗的低摩擦材料。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述低摩擦材料嵌入在所述轨道外环(23)的所述面向内的表面(26)和/或所述联接介质/部分或完整内环(52，21)的所述面向外的表面(25)中。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述低摩擦材料是任何类型的聚合物或聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、金属合金、PVDF或强水合刷状聚合物之一。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述换能器(20)具有如下形状之一或其组合，诸如：圆形、矩形、凹形、凸形、单曲线形和双曲线形，以实现不同的换能器光束聚焦/散焦。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中一个或多个轮(1)布置在所述轮轴(22)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述轮(1)包括布置在所述轮轴(22)和所述轨道外环(23)之间的弹性悬挂装置(51)，使得所述轨道外环(23)以及联接介质/部分或完整内环(52、21)能够独立于所述轮轴(22)的位置移动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述轨道外环和/或联接介质/部分或完整内环(52，21)具有适合于所述测试材料表面的不平坦部分的弹性系数，使得在多个轮(1)布置在相同的所述轮轴(22)上时，当一个轮遇到不平坦部分时，只有在所述不平坦部分上滚动的轮将受到所述不平坦部分的影响并且移位。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述轨道外环(23)由具有与所述测试材料的顺序相同的顺序的声阻抗的材料构成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括用于控制到达和来自所述换能器的信号的控制器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括通信装置，用于将控制信号传送到所述换能器和从所述换能器传送控制信号。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个换能器(20)电连接到电源。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述轮组件在旋转的所述轨道外环(23)的一侧或两侧上具有用于连接到相邻轮组件(1)或框架(71,72)的联接装置(31，67)。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述联接装置(31，67)还包括用于在所述轮之间或在所述轮和框架之间传递电功率和/或信号的连接器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述轮轴(22)的一个或两个外周端具有用于将所述装置附接到框架(71，120)的附接装置(72)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括用于控制数据和所接收的信号数据的无线传输的装置。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个单独的换能器(20)用作发射换能器或接收换能器，或者用作发射和接收换能器。

17.一种用于超声波信号发射和接收来自测试材料(15)的反射超声信号的装置，所述装置包括两个或更多个轮模块(100)，每个轮模块(100)包括如在前述权利要求中任一项所述的一个或多个轮组件(1)，其中所述轮模块(100)附接到框架(71，120)。

18.一种用于超声信号发射和接收超声信号的系统，所述系统包括：

根据权利要求1至16所述的一个或多个装置/轮组件，所述系统还包括：

滑架(120，200)，所述一个或多个轮组件(1)安装到所述滑架(120，200)，

控制机构，所述控制机构用于沿着测试材料(15)的表面上的路径(211)使所述滑架转向，

控制逻辑单元(204)，所述控制逻辑单元(204)用于控制所述滑架、所述换能器以及数据的存储和通信。

19.根据权利要求18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)。

20.根据权利要求18和19所述的系统，所述系统还包括显示装置(150，201)。

21.根据权利要求18至20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。

22.根据权利要求18至21所述的系统，其中所述滑架是远程操作的车辆ROV，诸如用于海底操作的水下ROV。

23.根据权利要求18至21所述的系统，其中用于使所述滑架转向的控制机构是用于手动引导的手柄(121、205)或连接到用于移动所述滑架的驱动装置的远程控制马达。

24.根据权利要求18至23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和用于处理所述数据的计算机装置。

25.根据权利要求24所述的系统，其中所述计算机装置是远程计算机装置。

26.一种用于发射和接收超声信号以便能够分析测试材料(15)的方法，所述方法包括以下步骤：

提供根据权利要求18至25中任一项所述的一个或多个系统；

从一个或多个换能器(20)发射超声信号；

利用一个或多个换能器(20)接收所发射的超声信号从所述测试材料(15)的反射；

存储所接收的超声信号并且将其传送到计算机装置并且分析所接收的超声信号。

27.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

沿预定路径(211)移动所述滑架(120、200)；

根据预定的发射模式从各个换能器(20)发射超声信号；

利用一个或多个换能器接收来自所述测试材料(15)的反射超声信号，所述一个或多个换能器被配置成用于各个发射超声信号的接收换能器。

28.根据权利要求26或27所述的方法，所述方法还包括将所述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，以及识别所述测试材料中的变化。