CN113316705A - 用于确定细长或延伸结构的厚度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种使用弹性波确定细长或延伸结构(2；图8)的厚度的方法。该方法包括从换能器(12)接收至少一个时域信号；根据至少一个时域信号生成频域信号；降低频域信号中的噪声，以提供去噪的频域信号；将去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较，每个参考信号对应于相应的厚度；以及根据去噪的频域信号与至少一个参考信号的比较，确定细长或延伸结构的厚度。

Description

用于确定细长或延伸结构的厚度的方法和系统

技术领域

本发明涉及使用弹性导波确定细长或延伸结构(诸如管或板的壁)的厚度。

背景技术

导波可以被用于检查管、轨道、杆、板和其他类型的结构是否存在腐蚀型缺陷、裂纹和其他类型的瑕疵。

导波可以被用于在从单个传感器位置延伸例如数十米或数百米的长距离上对结构进行快速筛选。此外，导波可以被用于检查被涂覆或绝缘的结构，这些结构难以接近(例如，由于被掩埋或在水下)和/或在它们在使用中时。

远程导波测试系统的能力的概述可以在M.Lowe和P.Cawley中找到:"Long RangeGuided Wave Inspection Usage-Current Commercial Capabilities and ResearchDirections(远程导波检查用途-当前商业能力和研究方向)"(2006)

(http://www3.imperial.ac.Uk/pls/portallive/docs/1/55745699.PDF)。

导波测试通常使用扭转(T(o,l))模式或纵向(L(o,2))模式，采用低于100kHz的频率。使用这些模式是因为它们在这些频率下对穿过管壁厚度或围绕圆周的任何位置处的截面损耗是敏感的、可能会易于激励、以及通常在宽频带上不频散。远程导波方法传统上仅提供由缺陷(例如，随后的腐蚀)导致的所述管壁内存在不规则性的定性信息。

参考US 2006/203086 A1，其描述了合成用于导波测试的宽带信号。

除了导波测试外，通常还需要测量结构(诸如管壁)的厚度，以帮助减少或避免泄漏(在管的情况下)、评估结构的剩余寿命，或为了其他原因。典型地，这是使用在数兆赫范围内操作的脉冲回波双元件换能器来执行的，例如，如C.Lebowitz和L.Brown中所描述的："Ultrasonic Measurement of Pipe Thickness",Review of Progress in QuantitativeNondestructive Evaluation,volume 12,page 1987,(Plenum Press,New York 1993)(管厚度的超声波测量”，《定量无损评价的进展评论》，第12卷，第1987页，(普莱纽姆出版社，纽约，1993))。使用单独的测厚仪可能会增加成本和复杂性。大多数测厚仪往往是手持式设备，不旨在进行安装。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种使用弹性波确定细长结构(诸如管或轨道)或延伸结构(诸如板)的厚度的方法。该方法包括从换能器(例如超声波换能器，诸如压电换能器或EMAT换能器)接收至少一个时域信号；根据至少一个时域信号生成频域信号；降低频域信号中的噪声，以提供去噪的频域信号；将去噪的频域信号与至少一个参考频域信号(或“参考信号”)进行比较，每个参考信号对应于相应的壁厚度；以及根据去噪的频域信号与至少一个参考信号的比较，确定壁的厚度。可以合成参考信号。换能器可以是超声波换能器。

该方法可以包括从换能器接收至少两个时域信号。生成频域信号可以包括在时域或频域中组合信号。例如，生成频域信号可以包括组合至少两个时域信号。生成频域信号可以包括将至少两个时域信号组合成单个组合时域信号，并且将单个组合时域信号转换成频域信号。可替代地，生成频域信号可以包括将至少两个时域信号转换成至少两个频域信号，并且将至少两个频域信号组合成(单个)频域信号。

至少两个时域信号可以包括三个时域信号。三个时域信号可以包括第一时域信号、第二时域信号和第三时域信号，该第一时域信号、该第二时域信号和该第三时域信号分别对应于第一频率下的第一激励测量值、第二频率下的第二激励测量值和第三频率下的第三激励测量值。

降低频域信号中的噪声优选地包括降低相干噪声(例如，其可以由其他模式产生)。降低频域信号中的噪声可以包括对时域信号执行Welch法。降低频域信号中的噪声可以包括执行单频谱分析。降低频域信号中的噪声可以包括降低或消除频域信号中的非相干噪声。

该方法可以进一步包括：在生成频域信号之前，对至少两个时域信号中的每一者加窗。

将去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较可以包括执行去噪的频域信号与至少一个参考信号中的每一者的卷积。将去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较可以包括执行去噪的频域信号与至少一个参考信号中的每一者的互相关。

将去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较可以包括执行矩阵乘法，该矩阵乘法包括将包括一组至少一个参考信号(本文也称为一组掩码)的矩阵(可以标记为M)乘以包含针对不同频率的测量信号值的第一矢量(可以标记为P)，以获得第二矢量(可以标记为C)。每个掩码包含沿第一方向(例如行)延伸的、对应于不同频率下的值的一系列值。掩码沿着第二正交维度(例如列)布置。第一矢量包含沿所述第二方向(例如列)延伸的一系列测量信号值。例如，矩阵可以是包含p个掩码的(p×q)矩阵，并且每个掩码包含q个值，第一矢量可以是(q×l)(即列矢量)，以及第二矢量可以是(p×l)矢量(即行矢量)。第二矢量中每个值的大小可以被用于确定匹配的紧密度。特别地，最高值可以指示最接近的匹配。矩阵乘法可以实现与互相关基本相同的结果，但是可以使用更少的计算来实现，因此可以更快地执行和/或使用更少的计算资源。

根据本发明的第二方面，提供了一种方法，包括：使用单个弹性波测量系统，包括使用第一组换能器中的至少一个换能器执行细长或延伸结构中的参考特征的导波测距测量，以确定到参考特征的距离值；使用距离值计算导波速度的倍增因子，以及使用调整后的速度执行该方法。换能器可以是超声波换能器。

执行导波测距测量优选地包括使用T(o,l)模式(例如，对于管)或使用SHo模式(例如，对于板)。

根据本发明的第三方面，提供了一种方法，包括：接收细长或延伸结构的厚度的标称值；将激励信号提供至第一组换能器中的至少一个换能器；以及使用不同的第二组换能器中的至少一个换能器接收(一个或多个)导波。激励信号具有频率范围，该频率范围包含在细长或延伸结构中的频散导波模式的截止频率(即，根据厚度的标称值选择频率范围)。换能器可以是超声波换能器。

根据本发明的第四方面，提供了一种方法，包括：从检查环中的一组换能器中的至少一个换能器(当被安装时，换能器可以均匀地分布在管的周围)接收信号，信号具有位于100kHz至800kHz之间的频率范围；测量包含在信号中的特性特征的频率；以及使用特性特征的频率，确定细长或延伸结构的厚度。换能器优选地是超声波换能器。

根据本发明的第五方面，提供了一种方法，包括：将至少一个激励信号提供至第一组换能器中的至少一个换能器，至少一个激励信号覆盖足够广的频率范围，以包含针对细长或延伸结构中的至少两种频散导波模式的截止频率；以及使用不同的第二组换能器中的至少一个换能器接收导波。换能器可以是超声波换能器。

足够广的频率范围被包含在50kHz到800kHz之间的范围内，并且足够广的频率范围的至少一部分延伸到100kHz以上。

根据本发明的第六方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序在由至少一个处理器执行时使至少一个处理器执行本发明的第一方面、第二方面、第三方面、第四方面和/或第五方面的方法。

根据本发明的第七方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读介质，该计算机可读介质存储本发明的第六方面的计算机程序。

根据本发明的第八方面，提供了一种使用弹性波确定细长或延伸结构的壁的厚度的装置。该装置包括至少一个处理器以及存储器。至少一个处理器被配置为执行本发明的第一方面、第二方面、第三方面、第四方面和/或第五方面的方法。

根据本发明的第九方面，提供了一种用于确定细长或延伸结构的厚度、诸如管或板的壁的厚度的弹性导波系统。该系统包括第一组和第二组(或“行”)换能器(例如，超声波换能器，诸如压电换能器或EMAT换能器)，这些换能器被安装在细长结构(诸如管或轨道)或延伸结构(诸如板)上，或可安装在细长或延伸结构上，使得当被安装时，第一组和第二组换能器沿该结构或横跨该结构间隔开。该系统还包括导波仪器，该导波仪器被配置为将至少一个激励信号提供至第一组换能器中的至少一个换能器，该至少一个激励信号覆盖足够广的频率范围，以包含针对细长结构中的至少两种频散导波模式的截止频率，并且使用该第二组换能器中的至少一个换能器接收导波。换能器可以是超声波换能器。

该结构的区段或部分可以沿着三维空间中的线或路径延伸，该线或路径可以是直的或弯曲的。线或路径可以是直的，因此定义纵向轴线或中心轴线。线或路径可以包括弧形部分，例如管或轨道中的弯曲部。沿着线或路径，该结构可以具有均匀的截面(例如，它可以是具有相同内径和外径的管或具有相同轮廓和尺寸的轨道)。可替代地，该结构不需要具有均匀的截面。在沿线或路径的给定点处，该结构可以具有旋转对称性(诸如管)，或者也可以不具有旋转对称性(诸如轨道)。

用于远程导波测试的系统也可以被用于确定细长或延伸结构的壁的厚度。

导波仪器优选地被配置为以一发一收配置来激励信号并且接收一组一个或多个激励。然而，导波仪器可以被配置为以脉冲回波配置来激励信号和接收激励。

该系统可以包括检查环，该检查环包括第一行换能器和第二行换能器，即，可以使用单个检查环。然而，可以使用包括第一行换能器和第二行换能器的两个单独的检查环。检查环可以包括多于两行的换能器，例如三行或更多行。

导波仪器可以被配置为使用第一组换能器或第一行换能器中的至少一个换能器沿着结构的扇区(或“圆周的一部分”)、区段或侧面传输导波，从而允许确定该结构在该扇区、区段或侧面中的厚度。导波仪器被配置为使用第一组换能器中的至少一个换能器在另一不同的扇区、区段或侧面(优选地在不同的时间)传输导波，从而允许确定该结构在该另一不同的扇区、区段或侧面中的厚度。

导波仪器可以被配置为使用第二组换能器或第二行换能器中的至少一个换能器沿着结构的扇区(或“圆周的一部分”)、区段或侧面接收导波，从而允许确定该结构在该扇区、区段或侧面中的厚度。导波仪器可以被配置为使用第二组换能器中的至少一个换能器在另一不同的扇区、区段或侧面(优选地在不同的时间)接收导波，从而允许确定该结构在该另一不同的扇区、区段或侧面中的厚度。

足够广的频率范围可以被包含在50kHz到800kHz之间的范围内，并且足够广的频率范围的至少一部分延伸到100kHz以上、或130kHz以上。使用较低的频率，例如低于1MHz、低于500kHz或低于100kHz，可以有助于降低对表面粗糙度的敏感性。

足够广的频率范围可以是至少200kHz、至少300kHz或至少500kHz。

足够广的频率范围Δf_w可以是：

其中壁厚度是壁或板的标称厚度或实际厚度，并且，如果仅考虑剪切水平模式，则c_s/l是结构中的剪切速度c_s，且β＝1，并且如果考虑剪切水平模式以外的模式，则c_s/l是结构中的纵波速度cl，且β＝2。

至少一个激励信号可以由频率范围重叠的至少两个激励信号组成。至少一个激励信号可以由频率范围重叠的三个激励信号组成。至少两个激励信号可以在不同时刻生成。至少一个激励信号可以在细长或延伸的结构中生成剪切水平波。一组一个或多个激励信号可以在细长结构的板状部分中生成剪切竖直、对称和/或反对称模式波。

该系统可以进一步包括使用弹性导波确定管的壁的厚度的装置。该装置可以包括至少一个处理器和存储器。至少一个处理器可以被配置为根据从第二行换能器中的至少一个换能器接收的至少一个时域信号来生成频域信号，以降低频域信号中的噪声来提供去噪的频域信号；将去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较，每个参考频域信号对应于相应的管壁厚度；并且根据去噪的频域信号与至少一个参考信号的比较来确定管的壁的厚度。

根据本发明的第十方面，提供了一种导波系统，该导波系统被配置为在操作的第一模式(或“第一操作模式”或“第一状态”)中执行细长或延伸结构的导波测试，并且在操作的第二模式(或“第二操作模式”或“第二状态”)中使用贯穿厚度谐振测量细长或延伸结构的壁的厚度。该系统是或包括本发明的第一方面的系统。该系统可以被配置为执行本发明的第一方面、第二方面、第三方面、第四方面和/或第五方面的方法。第一组换能器和第二组换能器优选地被永久性地安装在结构上。换能器可以是超声波换能器。

优选地，第一操作模式为脉冲回波，以及第二操作模式为一发一收。

附图说明

现在将通过举例、参考附图描述本发明的某些实施例，在附图中：

图1示出了针对板中的一组导波的频散曲线；

图2示意性地示出了具有带宽Δf_w的宽带激励，该带宽可以被用于在第一壁厚度的管中激励一组剪切水平导波模式、包括第一截止模式；

图3示意性地示出了具有带宽Δf_w的宽带激励，该带宽可以被用于在第二壁厚度的管中激励一组剪切水平导波模式、不包括第一截止模式；

图4示意性地示出了使用三种不同的窄带激励合成具有带宽Δf_w的宽带激励；

图5示出了用于宽带激励的频率范围以及通常用于导波检查的频率范围；

图6示出了去噪的频域信号的示例；

图7示出了频域掩码的示例，该频域掩码可以被用于在去噪的频域信号中搜索导波模式，从而找到管的壁的厚度；

图8是管和导波测试系统的示意图，该导波测试系统包括换能器组件、导波仪器和计算机系统；

图9是通过图8中所示的管和换能器组件的横截面；

图10是图8中所示的计算机系统的示意性框图；

图11示出了用于管的壁的厚度测量的导波的传播；

图12示意性地示出了通过将未知壁厚度的管的频域响应与已知壁厚度的管的参考频域响应进行比较来确定管的壁的厚度；

图13示出了将未知壁厚度的管的频域响应与已知壁厚度的管的频域响应(或“掩码”)进行比较；

图14示出了未知壁厚度的管的频域响应与已知壁厚度的管的频域响应的曲线图；

图15是确定管的壁的厚度的方法的过程流程图；

图16是将一组时域信号预处理成单个去噪的频域信号以便与其他频域信号进行比较的方法的过程流程图；

图17a、图17b和图17c示出了第一时域响应信号、第二时域响应信号和第三时域响应信号；

图18a、图18b和图18c示出了第一加窗的时域响应信号、第二加窗的时域响应信号和第三加窗的时域响应信号；

图19示出了时域信号组合和变换到频域后的频域信号；

图20示出了使用Welch法处理后的去噪的频域信号；以及

图21是波速校准方法的过程流程图。

具体实施方式

介绍

图1示出了可以在板(未示出)中激励的一组导波模式的频散曲线。如果曲率比壁厚度大(例如，直径为168mm的管，壁厚度为7mm)，该频散曲线可以被用作用于在相同厚度的弯曲板上传播的导波模式的频散曲线的良好近似。

在此描述的用于管检查的导波系统的换能器之间传播的导波模式是一个这样的示例。因此，尽管在下面的管中进行了讨论，但是本文参考的是剪切水平、对称和反对称模式，这些模式是板导波模式。结构不必是管，而是可以采用其他形式的细长或延伸结构，诸如板、轨道、梁、柱等。

在图1中，导波模式(以连续粗线示出)是对称和反对称剪切水平模式。然而，以下讨论不限于剪切水平模式。可以使用其他频散导波模式，诸如对称或反对称兰姆波模式(以虚线示出)。

参考图1，所示的每种导波模式(以连续粗线示出)具有相应的截止(贯穿厚度谐振)频率，从具有截止频率f的第一模式开始，随后是由频率f间隔开的用于较高阶模式的一系列截止频率。频率取决于管的壁的厚度。

特别地，频率随着管壁厚度的增加而降低。

本文所描述的确定细长或延伸结构的壁的厚度的一些方法涉及：在一发一收配置中，激励至少两种导波模式而无论管的厚度如何；测量包括来自多种导波模式的贡献的响应；以及使用该响应确定管壁的厚度。厚度确定可以利用以下事实：归因于两种不同模式的特征的间隔取决于管壁的厚度和/或使用一组厚度相关的参考来找到匹配的参考，并且因此确定管壁的厚度(使用本文中称为“掩蔽”的过程)。

至少两种导波模式的激励是通过选择一种激励来实现的，该激励对于一系列预期的管壁厚度(例如，5至25mm)具有足够宽的带宽。因此，相同的宽带激励可以被用于不同的管。

参考图2和图3，如果宽带激励的带宽Δf_w大于第一截止频率f的两倍，则至少应当激励两种导波模式。在某些情况下，第一截止模式被激励(例如，如图2中所示)。在其他情况下，第一截止模式超出激励范围(如图3中所示)。然而，即使当第一截止模式落在激励范围外时，厚度确定仍然是可能的。

特别地参考图3，对于落在激励范围Δf_w内的至少两种模式，应当满足以下标准,Δf_w>2f，其中f是第一截止频率的频率f_b。该标准定义了最小厚度，但是没有定义可以利用该方法测量的最大厚度。然而，在实践中，其他因素(诸如频率区间大小)可以对最大厚度进行限制。

壁或板的厚度t与剪切速度C_s(取决于材料和温度)和第一截止频率f有关:

f＝C_s/(2×t) (1)

因此，可以使用以下等式确定足够广的频率范围：

例如，10mm的钢壁，假设C_s＝3250m/s，Δf_w需要至少325kHz才能保证捕获至少两种模式。

如果处理扩展到包括所有具有截止的模式，而不仅仅是剪切水平模式，则标准变成

其中C_t是纵向速度。在这种情况下，足够广的频率范围可以通过使用以下等式来进行确定:

宽带激励可以以多种不同的方式来实现。例如，可以使用例如啁啾(chirp)形式的单个宽带激励信号。

参考图4，获得宽带激励的另一种方式是使用至少两个分开的激励信号，每个激励具有相应的频率范围，其中每个激励的频率范围与相邻激励的频率范围重叠。

参照图5，具有两行换能器的检查环或各具有一行换能器的两个检查环可以被用于使用本文所描述的方法测量管壁厚度。检查环可以被用于使用频率落在1kHz与100kHz之间的范围内的扭转模式导波进行长距离导波管检查。可以使用其他模式，诸如纵向模式或挠曲模式。可以使用一种以上的不同模式。如将在下文中更详细地解释的，厚度确定方法可以使用具有落在50kHz与800kHz之间的范围内的频率的波。

掩蔽

掩蔽过程被用于“拾取(pick)”壁的厚度，从而采用多种模式来测量管壁厚度。该过程不依赖于任何特定的模式，并且可以具有一个或多个优点，包括增强的抗噪声能力、优化的分辨率(与壁厚度无关)、以及分辨率可能比结果信号大小的频率步长更精细。

参照图6和图7，掩蔽过程获得去噪的宽带频域信号(例如，通过将两个或更多个频域信号组合成单个频域信号，然后对其进行滤波而获得的频域信号)并且返回厚度值。

管的厚度通过将组合的、去噪的频域信号与一组掩码进行比较来进行确定。掩码是人工生成的信号，诸如图7中所示的信号。针对指定搜索范围内的频率f范围(即，上文所描述的频率)构建掩码。每个掩码被构建为与真实信号具有相同的长度，即NFFT。换句话说，掩码被构建在时域中，具有与真实数据相同的时间步长(样本间的采样速率的倒数)dt。这样确保掩码的频率步长与真实数据中的频率步长相同。这可以使操作(诸如掩码与实际数据的乘法)更简单、更容易和更有意义。换句话说，真实数据和掩码共享单个频率轴。

每个掩码在所有掩码的矩阵M中形成行。通过将M与包含真实信号P的列矢量相乘，获得矢量C，该矢量C描述了每个掩码与真实信号的匹配程度，并且C的长度将等于M中掩码(行)的数量。

C＝MP (4)

C中最大值的索引可以针对用于创建相应掩码的f值进行交叉检查。如果剪切速度值是已知的，则频率f可以用于计算厚度。

为了使该过程更有效但是维持期望的分辨率，最初该过程以f的粗略步长运行。然后f的最佳匹配值被用作一系列更精细间隔的掩码的中值。重复该过程，直到分辨率达到预先指定的阈值。

图7中所示的示例性掩码被构造为仅搜索剪切水平模式，但是其他掩码也可以被构造为搜索其他导波模式。

使用掩蔽方法来拾取频率允许使用多种模式来确定壁的尺寸。这可以具有数个益处。第一，不依赖任何单一模式。例如，如果AH₁模式降低至低于激励范围，则仍然可以使用较高阶模式来正确确定壁的尺寸。可以使用的模式越多，测量对噪声的稳健性就越强。

分辨率可以被定义为在两次测量之间可以检测到的壁厚度的最小变化。频率轴上的区间大小是决定分辨率的最重要因素。参考图6，考虑频率步长大小为500Hz，以及壁厚度为27mm的情况。如果仅使用AH₁模式，则峰值将预期在60.2kHz。变化只有在该值变为60.7kHz时才会看到，这对应于26.77mm的厚度，从而导致0.23mm的分辨率。然而，通过使用多种模式，可以利用在较高频率下可用的较高分辨率。对于图6中所示的信号，该过程对所示最高频率模式的变化是敏感的，该最高频率模式对应于0.04mm的分辨率。如果仅使用简单的峰值拾取方法，这将是分辨率。然而，掩蔽方法的另一益处是，它可以对小于频率区间大小的变化是敏感的。

为了说明这一点，考虑区间大小为500Hz，以及中心频率落在100kHz与100.5kHz之间某处的信号的情况。可以构建中心频率的范围在100kHz与100.5kHz之间的许多掩码。虽然掩码和结果都将在100kHz或100.5kHz处具有峰值，但是可以从最佳匹配矢量获得更好的中心频率估计。

使用多种模式有助于减少用于确定壁的厚度的计算量。然而，如果使用单一模式，则零填充可以在从时域转换到频域之前被添加，以改善分辨率，尽管这会增加计算开销。

使用多种模式还利用管的厚度编码在模式之间的间隔中的事实。使用单一模式不会利用这一点。此外，在自动化设置中，在事先不知道壁的大致厚度或不做假设的情况下，将难以测量厚度。

如果测量依赖于特定模式，则有必要确保该模式落在激励范围内。这可能有两个问题。首先，除非使用非常宽带的激励，否则可能有必要改变管间的激励设置，这样增加复杂性。其次，换能系统应当具有可接受的频率响应。例如，外部因素(如换能器本体共振)可能会在关注的频率范围内引入不想要的共振。

在一些实施例中，厚度确定可以通过基于标称厚度选择的100kHz至800kHz范围内的窄范围激励频率来执行。因此，特定模式被激励，并且在100kHz至800kHz范围内的响应中的共振峰值可以用于使用仅包含一个截止频率的较窄频率范围来确定结构的厚度。

检查系统1

参照图8至图10，示出了使用导波检查管2或其他类似结构的系统1。检查系统1包括换能器组件3(或“检查环”)，该换能器组件3(或“检查环”)是永久性地或可移除地附接到管2、导波仪器4和信号处理系统5。

检查环3包括带10(或“套环”)，该带10(或“套环”)支撑换能器12的第一和第二阵列11₁、11₂，用于在管2中产生导波13并检测从缺陷或特征(未示出)反射的波14。如将在下文中更详细解释的，某些频散超声波15(在此也称为“超声波模式”或简称为“模式”)可以由第一阵列11₁中的换能器12产生，并且由第二阵列11₂中的换能器12检测，该第二换能器可以用于测量管2的壁的厚度t。换能器12优选地采用压电换能器的形式，以及合适的换能器的示例可以在GB 2 479 744 A中找到，GB 2 479 744 A通过援引被并入本文。尽管每个阵列11₁、11₂可以包括例如16或32个换能器12，但是换能器12可以少于16个、在16个与32个之间或者多于32个。换能器12被分组为扇区16(或“通道”)，例如八个扇区16，每个扇区16由2至9个或更多个换能器12组成。

每个阵列11₁、11₂被布置成使得当安装检查环3时，换能器12围绕管2的外围设置。第一阵列11₁和第二阵列11₂在带10的宽度上偏移，使得当安装检查环3时，两个阵列11₁、11₂沿管2的纵向轴线17偏移。合适的检测环的示例是从超声超音波有限公司(GuidedUltrasonics Ltd.)(英国伦敦)可获得的

环。也可以使用两个单独的环3，每个环仅具有单个换能器阵列。

导波仪器4包括信号发生器(未示出)，该信号发生器能够产生rf信号18，该rf信号具有合适的频率(该频率通常约为数百千赫兹(kHz))和合适的形状，比如k周期的适当加窗的猝发音或啁啾信号，其中k是等于或大于1的正数，优选地是整数或半整数，优选地取3≤k≤10范围内的值，并且其中适当的加窗函数可以是高斯函数。信号发生器(未示出)将rf信号18馈送到发射器换能器12，该发射器换能器将信号18转换成管壁2中的导波。

接收器换能器12将接收到的导波转换成电信号19。接收器换能器12将电信号19馈送到信号接收器(未示出)。信号接收器(未示出)可以包括放大器(未示出)和产生电信号19的数字化信号的模数转换器(未示出)。

导波仪器4激励第一阵列11₁中的换能器12并且以一发一收模式分别从第二阵列11₂中的换能器接收信号。导波仪器4可以激励第一阵列11₁中的扇区16中的换能器12，并且从第二阵列11₂中的相应扇区16中的相应换能器12接收信号。导波仪器4可以激励第一阵列11₁中的所有换能器12，并且依次对第二阵列11₂中的换能器12进行采样。这可以与多路复用一起使用并且可以用于有助于简化操作。

导波仪器4和信号处理系统5可以被集成到单个单元中。信号处理系统5可以采取膝上型电脑、平板电脑或具有一个或多个CPU以及可选的一个或多个GPU的其他形式的便携式计算机的形式。信号处理系统5可以远程的定位，例如在服务器群中，该服务器群经由通信网络6连接到系统的其余部分，该通信网络可以包括例如互联网或本地连接(例如，USB)。合适的导波仪器的示例包括G4微型(全)、Wavemaker G4、gPIMS微型收集器和从超声超音波有限公司(英国伦敦)可获得的其他仪器。

还参考图10，信号处理系统5由计算机系统20实现，该计算机系统包括由总线系统24互连的至少一个处理器21、存储器22和输入/输出模块23。系统20可以包括图形处理单元25和显示器26。系统20可以包括用户输入设备27，诸如键盘(未示出)和定点设备(未示出)、网络接口28和例如硬盘驱动器和/或固态驱动器形式的储存器29。储存器29存储厚度测量软件30、测量数据31。如果导波仪器4和信号处理系统5位于同一位置(例如，信号处理系统5采用直接连接到仪器4的膝上型计算机的形式)，或者集成到单个单元中，则计算机系统20可以用于控制导波仪器4，因此储存器20可以包括导波测试软件33。

厚度测量可以通过导波仪器4来实现。

特别地参照图8和图9，系统1可以被用于以脉冲回波模式使用远程导波13、14来检查管2以检测和/或监测管2中裂纹、腐蚀和其他缺陷(未示出)的发展。系统1也可以被用于以一发一收模式使用导波15使用贯穿厚度谐振来测量管2的壁的厚度t。

测量管壁厚度-介绍

参照图8、图9、图11和图12，第一阵列11₁中的换能器12(“发射换能器”)用于在管壁2中以不同频率激励一系列导波15，优选剪切水平波模式15，以及第二阵列11₂中的换能器12(“接收换能器”)用于检测超声波15。换能器12由具有中心频率f₁、f₂、f₃的一系列激励信号激励，其中f₃>f₂>f₁。f₁是110kHz，f₂是220kHz，以及f₃是440kHz。然而，也可以使用其他中心频率。第二中心频率f₂和第三中心频率f₃不需要是第一中心频率f₁的倍数。

特别地参考图11和图12，由接收换能器12产生的、由在给定频率(例如，f₁)下的相应激励信号18产生的每个时域响应19被处理，并且任选地与由在一个或多个其他频率(例如，f₂、f₃)下的激励信号18产生的其他经处理的响应进行组合以提供频域响应41。

时域响应19优选地在它们被组合(或“合并”)之前被转换成相应的频域响应。相干和非相干噪声从频域响应和/或组合频域响应中被减少，例如被去除，以获得更干净(即，噪声更少)的频域响应。相干噪声(诸如瞬态信号)和非相干噪声可以通过执行Welch法、通过单频谱分析、或通过另一种降低频域信号上的相干和非相干噪声的合适方法来降低。

频域响应41可以包括对应于管2中产生的模式15的一个或多个特性特征42₁、42₂、42₃(例如，峰值)。在图12所示的示例中，存在三个特性特征42₁、42₂、42₃，这三个特性特征分别位于第一、第二和第三频率f_α、f_β、f_χ。在这种情况下，特性特征42₁、42₂、42₃通常在频率上等间距，并且对应于三种剪切水平模式。尽管示出三个特性特征42₁、42₂、42₃，但是特性特征42₁、42₂、42₃的数量不需要与激励信号的数量相同。激励信号17可以产生更少或更多的模式，从而产生特性特征。特性特征可以具有不同的振幅，并且可以具有不同的相对位置，这取决于例如模式的类型。特别地，如果存在不同的模式，则特性特征42₁、42₂、42₃不需要等间距。

还参考图13和图14，将响应41与一组一个或多个掩码信号43_i(或“掩码”或“参考频域信号”)进行比较(例如，通过卷积或使用上面的等式(4))，其中i＝1，2，…，m，每个掩码43_i对应于给定厚度的管壁2的频域信号，以获得相应的得分45_i。掩码43_i可以被产生(例如，模拟)或测量。每个掩码43_i包括一个或多个特征44_i,j，其中j＝1，2，…，p。每个掩码43_i优选地包含与频域响应41相同数量的特性特征。

掩码信号43_i不一定需要是预期信号的副本。特别地，掩码振幅不需要是预期的或测量的振幅。然而，可优选使用掩码振幅，这有助于最大化正确测量的概率。

如果响应41和掩码43_i的特性特征的位置更接近，则相应的分数45_i更高。管壁2的厚度被选择为导致最高得分45_i的掩码43_i的厚度。

测量管壁厚度-过程

参考图8至图10和图15至图20，现在将更详细地描述使用超声波确定管的壁的厚度的方法。该方法由处理器21在厚度测量软件30的控制下执行。为了清楚起见，仅使用一个处理器21来描述该过程。对管的每个扇区(即管的圆周的每个部分)执行局部厚度的测量，并因此提供管的圆周周围的几个厚度测量值(例如，与在环的位置获得的管壁的平均值相反)。

对于每个通道，从第一通道、即给定扇区16中的一组换能器12(步骤s1)开始，信号处理单元5接收包括一组时域响应19(或“信号”)的文件(步骤S2)。图17a、图17b和图17c示出分别由110kHz、220kHz和440kHz下的激励信号导致的经测量的时域响应19的示例。

处理器21处理信号19(步骤S3)。

处理器21通过执行加窗来修整每个时域响应19，即，在给定的时间窗51中提取响应19的一部分(步骤S3.1)。图17a、图17b和图17c示出加窗后经测量的时域响应19’的示例。处理器21将每个时域响应19’转换成频域响应(步骤S3.2)。处理器21将频域响应组合成单个组合的(或“合并的”)频域响应(步骤S3.3)。图19示出频域响应40示例。处理器21然后清洁(即去噪)合并的频域响应(步骤S3.4)。图20示出了频域响应41示例。

处理器21然后寻找最佳匹配的掩码，以便确定管壁的厚度(步骤S6)。

处理器21可以使用厚度的种子值(本文简称为“种子”)来帮助减少处理时间和/或增加可靠性(通过减少错误选择的概率)。

处理器21基于所使用的激励频率在宽厚度范围(或“默认范围”)内搜索最佳匹配的厚度。默认范围可以是5mm到25mm。默认范围可以被确定为至少两个目标模式落在管中被激励的频率范围内的厚度范围。

搜索范围可以被减小。例如，以8mm的种子为例，处理器21搜索7mm与9mm之间的厚度

默认情况下，给定导波仪器4(图8)的特定通道(即，特定换能器12)的先前测量的厚度可以用作后续测量的种子。因此，导波仪器4(图8)的特定通道的第一次厚度测量是非种子。可以供应用户定义的种子来覆盖默认种子，也可以在默认种子不可用时提供种子。相反，即使这些种子是可用的，也可以覆盖种子以强制进行全范围测试。

处理器21确定其在搜索中是否具有一组掩码，并且如果针对该范围内给定厚度的掩码不存在，则处理器21可以创建一个(步骤S5)。

处理器21然后确定最佳匹配的掩码(步骤S6)。

如果找到掩码并且以足够的分辨率确定管壁2的厚度，例如在20μm内，则该过程结束。然而，如果最佳匹配没有足够的分辨率，则搜索范围增加，并且找到最佳匹配的过程继续(步骤S7)。

温度补偿/速度校准

上文描述的厚度测量过程可以利用以下事实的优点：用于测量壁厚度的装置也可以用于测量沿着细长结构到特征或缺陷的距离，且因此补偿取决于温度的剪切速度的变化。

参照图21，信号处理系统5(图8)可以用于使用剪切速度和密度的初始值为给定的板状结构(即，合适的细长或延伸结构)生成初始的一组频散曲线(步骤S11)。频散曲线51可以针对任何厚度的结构而生成，并且可以用于确定截止频率，并因此确定使用哪个掩码。导波仪器4(图8)被用于执行测距测量，优选地，在管的情况下，使用检查环3与参考特征52之间的扭转模式、诸如焊接或支撑(步骤S12)找到检查环3与参考特征52之间的到达时间执行测距测量。导波仪器4从用户接收检查环3与参考特征52之间的距离值L(步骤S13)。已知距离L和到达时间t，在管壁中扭转模式的速度C_T(0,1)(取决于温度)可以使用C_T(0,1)＝2×L/t从脉冲回波飞行时间测量中提取。该速度C_T(0,1)等于整体剪切速度C_S，其然后可以被用于生成一组校正的频散曲线。

在监测期间，剪切速度C_S的变化(例如，由于温度的变化)可以被校正。可以执行参考飞行时间测量，以找到T_ref和存储的参考值。飞行时间T的后续测量和使用参考值T_ref的测量用于计算倍增因子α(步骤S14)。计算机系统5(图8)使用倍增因子α来校正剪切速度C_S，并因此生成一组新的频散曲线51’(步骤S15)。

虽然描述了扭转模式，但是也可以使用其他模式(诸如纵向或挠曲模式)，尽管确定剪切速度的过程更复杂。对于板，可以使用剪切水平模式。对于杆，可以使用扭转模式。

使用(一个或多个)个体峰值的厚度测量

如较早所解释的，掩蔽过程可以被用于确定细长或延伸结构的厚度(例如，管的壁的厚度)。这不仅可以利用峰值的位置提供的信息，还可以利用峰值的分离提供的信息。

尽管如此，在一些实施例中，细长或延伸结构的厚度可以使用两行换能器来确定，在一发一收模式中，使用一行换能器和位于100和800kHz之间的范围内的激励信号(或复合激励信号)以在管中产生导波，另一行换能器接收导波，并且信号被测量以找到频域信号中的峰值，并且使用t＝v/(2*f)来计算厚度，其中f是测量的频率，以及v是速度。

改型

将理解的是，可以对上文描述的实施例进行各种修改。这样的修改可以包括在设计、制造和使用导波检查系统及其组成部分中已知的等效特征和其他特征，这些等效特征和其他特征可以替代或附加于本文已经描述的特征而使用。一个实施例的特征可以由另一实施例的特征代替或补充。

尽管在本申请中已经将权利要求表述为特定的特征组合，但是应该理解，本发明的公开范围还包括显性或隐含的本文公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合，或其任何概括，无论其是否与任何权利要求中当前要求保护的同一发明有关，并且无论其是否重叠了与本发明相同的任何或全部技术问题。申请人特此通知，在本申请或由此衍生的任何进一步申请的审查进程期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合提出新的权利要求。

Claims (37)

1.一种使用弹性波确定细长或延伸结构的厚度的方法，所述方法包括:

从换能器接收至少一个时域信号；根据所述至少一个时域信号生成频域信号；

降低所述频域信号中的噪声，以提供去噪的频域信号；

将所述去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较，每个参考信号对应于相应的厚度；以及

根据所述去噪的频域信号与所述至少一个参考信号的比较，确定所述细长或延伸结构的所述厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

从所述换能器接收至少两个时域信号；其中，生成所述频域信号包括：

将所述至少两个时域信号转换为至少两个频域信号；以及

将所述至少两个频域信号组合成所述频域信号。

3.根据权利要求1所述的方法，包括：

从所述换能器接收至少两个时域信号；其中，生成所述频域信号包括：

将所述至少两个时域信号组合成单一的组合时域信号；以及

将所述单一的组合时域信号转换为所述频域信号。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述至少两个时域信号包括三个时域信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述三个时域信号包括第一时域信号、第二时域信号和第三时域信号，所述第一时域信号、所述第二时域信号和所述第三时域信号分别对应于第一频率下的第一激励测量值、第二频率下的第二激励测量值和第三频率下的第三激励测量值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，降低所述频域信号中的所述噪声包括:

降低或消除所述频域信号中的相干噪声。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，降低所述频域信号中的所述噪声包括:

降低或消除所述频域信号中的非相干噪声。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，降低所述频域信号中的所述噪声包括:

对所述频域信号执行Welch法。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，进一步包括：

在生成所述频域信号之前，对所述至少两个时域信号中的每一者加窗。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，将所述去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较包括：

执行所述去噪的频域信号与所述至少一个参考信号中的每一者的卷积。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，将所述去噪的频域信号与至少一个参考信号进行比较包括：

执行所述去噪的频域信号与所述至少一个参考信号中的每一者的互相关。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，将所述去噪的频域信号与所述至少一个参考信号进行比较包括：

将包括一组掩码的矩阵乘以包含针对不同频率的测量信号值的第一矢量，以获得第二矢量，其中每个掩码包含沿第一方向延伸的、对应于不同频率下的值的一系列值，所述掩码沿着第二正交维度布置并且包含沿所述第二方向延伸的一系列测量信号值。

13.一种方法，包括：

使用第一组换能器中的至少一个换能器执行细长或延伸结构中的参考特征的导波测距测量，以确定到所述参考特征的距离值；

使用所述距离值计算导波模式速度的倍增因子；以及

使用通过使用所述导波测距测量调整的速度，执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。

14.根据权利要求14所述的方法，其中，执行所述导波测距测量包括使用T(o,l)模式或SHo模式。

15.一种方法，包括：

接收细长或延伸结构的厚度的标称值；将激励信号提供至第一组换能器中的至少一个换能器，所述激励信号具有频率范围，所述频率范围包含针对具有所述厚度的所述标称值的所述细长或延伸结构中的频散导波模式的截止频率；以及

使用不同的第二组换能器中的至少一个换能器接收(一个或多个)导波。

16.一种方法，包括：

从检查环中的一组换能器中的至少一个换能器接收信号，所述信号具有位于100kHz至800kHz之间的频率范围；

测量包含在所述信号中的特性特征的频率；以及使用所述特性特征的所述频率，确定细长或延伸结构的厚度。

17.一种方法，包括：

将至少一个激励信号提供至第一组换能器中的至少一个换能器，所述至少一个激励信号覆盖足够广的频率范围，以包含针对细长或延伸结构中的至少两种频散导波模式的截止频率；以及

使用不同的第二组换能器中的至少一个换能器接收导波。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述足够广的频率范围被包含在50kHz到800kHz之间的范围内，并且所述足够广的频率范围的至少一部分延伸到100kHz以上。

19.一种计算机程序，所述计算机程序在由至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法。

20.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储根据权利要求19所述的计算机程序。

21.一种使用弹性波确定细长或延伸结构的厚度的装置，所述装置包括:

至少一个处理器；以及

存储器；

其中，所述至少一个处理器被配置成执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法。

22.根据权利要求21所述的装置，所述装置为计算机；其中所述计算机还包括：

网络接口；

其中所述计算机被配置成：

从导波检查系统接收所述至少一个时域信号；以及

根据所述至少一个时域信号确定所述结构的所述厚度。

23.一种用于测量细长或延伸结构的厚度的导波系统，所述系统包括:

第一组换能器和不同的第二组换能器，以及

导波仪器，所述导波仪器被配置成将至少一个激励信号提供至所述第一组换能器中的至少一个换能器，所述至少一个激励信号覆盖足够广的频率范围，以包含针对细长或延伸结构中的至少两种频散导波模式的截止频率，并且使用所述第二组换能器中的至少一个换能器接收导波。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述足够广的频率范围被包含在50kHz到800kHz之间的范围内，并且所述足够广的频率范围的至少一部分延伸到100kHz以上。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述足够广的频率范围为至少300kHz或至少500kHz。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的系统，其中，所述至少一个激励信号由至少两个激励信号组成，所述至少两个激励信号的频率范围重叠。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的系统，其中，所述至少一个激励信号由至少三个激励信号组成，所述至少三个激励信号的频率范围重叠。

28.根据权利要求26或27所述的系统，其中，所述至少两个激励信号在不同时刻生成。

29.根据权利要求23至28中任一项所述的系统，其中，所述至少两种频散导波模式包括至少一个剪切水平模式导波。

30.根据权利要求23至29中任一项所述的系统，其中，所述波仪器被配置成使用所述第二组换能器中的至少一个换能器沿着所述结构的扇区、区段或侧面接收导波，从而允许确定所述结构在所述扇区、区段或侧面中的厚度。

31.根据权利要求23至30中任一项所述的系统，其中，所述导波仪器被配置成使用所述第一组换能器或第一行换能器中的至少一个换能器沿着所述结构的扇区、区段或侧面传输导波，从而允许确定所述结构在所述扇区、区段或侧面中的厚度。

32.根据权利要求23至31中任一项所述的系统，其中，所述细长结构为管，并且所述厚度为所述管的壁的厚度，或者所述延伸结构为板，并且所述厚度为所述板的厚度。

33.根据权利要求23至32中任一项所述的系统，其中，所述换能器为超声波换能器。

34.一种系统，包括：

根据权利要求21或22所述的装置；

导波仪器；以及

检查环，所述检查环用于所述管。

35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述装置是远程定位的。

36.一种导波系统，所述导波系统被配置为在第一操作模式中执行细长或延伸结构的导波测试，并且在第二操作模式中测量所述细长或延伸结构的厚度。

37.根据权利要求36所述的导波系统，其中，所述第一操作模式为脉冲回波，以及所述第二操作模式为一发一收。

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