CN113924485A - 超声装置 - Google Patents

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大卫·休斯
丹尼尔·欧文
希瑟·特洛登
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Abstract

一种超声装置，该装置包括至少一个柔性超声换能器；以及夹具，该夹具被配置为将该至少一个换能器安装到测试对象。可选地，夹具可以包括一个或多个带，并且其中，该一个或多个带可以可选地是金属的或者该一个或多个带的至少一部分可以由适形材料形成，以使得该一个或多个带包括适形带或适形带部分。

Description

超声装置
技术领域
本公开涉及超声装置和其他压电装置。
背景技术
超声波跨越比人类可以听到的范围更高的声音频率范围，并且通常具有大于20kHz的频率。典型的工作范围从100kHz扩展到几千兆赫。由于所涉及的频率高得多，超声装置通常与通常用于听觉应用的超声装置非常不同。
使用超声波的分析在一系列应用中(特别是在诸如医学成像的成像中，但也在诸如无损检测(Non-Destructive Testing，NDT)的领域中(特别是在工业NDT中)、以及在诸如管壁厚度的测量、腐蚀和侵蚀监测以及资产完整性管理中的其它挑战的测量中)显示出很大的前景。然而，超声波具有广泛的用途，并且超声波的应用不限于这些示例。
超声换能器可操作以产生被传输到对象中的超声波，并检测从样品的层之间的界面或从样品内的缺陷和对象反射的超声波。通过使用诸如飞行时间和其他分析的技术，可以对样品的层进行成像并由此对样品进行表征。
传统的超声换能器通常由块体陶瓷材料形成，块体陶瓷材料可以是高成本、大体积且难以制造的，特别是难以制造出许多应用所期望的形状和性能。用于超声的传统陶瓷材料通常不适于非常高温的操作，使得它们不适于某些应用。特别地，对于许多传统的超声换能器来说，能够在高温和具有足够分辨率的情况下操作的组合是有困难的。在高温下记录超声测量的能力进一步受限于对传感器与对象之间的耦合剂材料的要求。此外，传统的超声换能器不容易使用自动化技术制造，并且经常需要高度的手动操作。因此，期望改进的超声换能器和用于制造它们的方法。
发明内容
本发明的各个方面在独立权利要求中限定。从属权利要求中限定了一些优选特征。
根据本公开的第一方面是压电装置和/或超声装置，所述装置包括：
至少一个换能器；以及
夹具，被配置为将所述至少一个换能器安装到测试对象。
至少一个换能器可以是压电换能器。至少一个换能器可以是超声换能器。至少一个换能器可以是柔性换能器。至少一个换能器可以是薄膜换能器。
测试对象可以是管线、导管或其他圆柱形构件或包括管线、导管或其他圆柱形构件。
装置可以是被配置为在高温下操作的高温装置。例如，装置可以被配置为在高于30℃、例如在高于50℃、例如在高于100℃操作。装置可以被配置成在30℃和500℃之间、例如在100℃和500℃之间的温度下操作。装置可以被配置成在低于30℃的温度下操作，例如在低于30℃、例如低于-10℃、例如低至-100℃的温度下操作。
装置可以被配置成测量温度或其性能代表，例如被配置成测量装置的温度和/或直接邻近装置的区域的温度。装置可以是、包括或被包括在组合的超声和温度测量装置中。装置可以包括一个或多个温度传感器，该一个或多个温度传感器可以是附加于压电换能器的，或者一个或多个压电换能器可以具有双温度测量和超声波生成和/或接收能力，以使得它们既可以作为温度传感器也可以作为超声换能器来操作。换能器可既具有压电性能也具有热电性能。
夹具可以包括一个或多个带。虽然夹具有利地可以包括带，但是应当理解，可以使用其他夹紧机构，诸如抓握构件(例如，可调节或可弹性变形的抓握构件等)。夹具的选择可以取决于应用和所需的固定力的量。
一个或多个带的至少部分或全部可以是适形的和/或柔性的。一个或多个带可以由适形材料形成或包括适形材料，例如，一个或多个带可以包括适形的和/或柔性的带或带部分。
适形带或适形带部分可以是被配置为在使用中面对或邻接测试对象的带或带的部分。适形材料可以是弹性材料，例如高温工程聚合物，其在150℃、250℃、300℃或更高的温度下可以是稳定的。适形材料可以可选地为含氟弹性体、全氟弹性体、硅酮共混物、石墨基共混物和/或类似物或者包括含氟弹性体、全氟弹性体、硅酮共混物、石墨基共混物和/或类似物。
通过提供适形带或适形带部分，装置可以在没有耦合剂的情况下操作，这可以特别适合于高温和/或长期应用。
至少一个换能器或换能器阵列可以是至少部分或完全地嵌入或模制到适形带或适形带部分中。至少一个换能器或换能器阵列可被插入或选择性地可插入或可移除到适形带或适形带部分中，例如，至少一个换能器或换能器阵列可被设置为插入到适形带或适形带部分中的插入件。
多个带中的至少一个带或者多个带中的每个带可以是金属带或包括金属带。多个带中的至少一个带或者多个带中的每个带可以是刚性或半刚性带，或包括刚性或半刚性带。
适形带或适形带部分可以贴附到金属带或刚性或半刚性带。适形带或适形带部分可以至少部分地或完全地包围金属带。适形带或适形带部分可以将压电换能器或换能器阵列安装到金属带。
至少一个换能器可以具有可以通过适形材料模制和/或在适形材料和金属带之间引导(channel)的布线。至少一个换能器或换能器阵列可包括连接器，例如表面安装连接器，例如微同轴连接器，用于将换能器连接到输入信号源以用于接收用来驱动换能器的驱动信号和/或将换能器连接到输出系统以用于将来自换能器的输出信号提供给输出系统。这种布置可以允许换能器或换能器阵列与单独的导线连接，这可以允许额外的模块化。
所述至少一个带可配置有固定器，用于将所述带锁定到所述测试对象和/或从所述测试对象选择性地释放所述带和/或用于调节所述带中的张力。固定器可以是棘轮机构、螺钉/螺栓闭合件、蜗轮装置等或包括棘轮机构、螺钉/螺栓闭合件、蜗轮装置等。固定器可以被配置成调节至少一个带的周长，例如以在使用中将至少一个带紧固在测试对象上和/或将至少一个带在测试对象上松开。固定器可以是选择性闭合机构或可以包括在选择性闭合机构中，用于允许带被选择性地放置在测试对象上和/或从测试对象上移除。
除了适形带之外，使用金属带可提供所需的结构强度以将装置牢固地固定到测试对象。
夹具可以包括或不包括适形带或适形带部分或适形材料，例如夹具可以仅包括金属带、仅包括由适形材料形成的适形带或包括具有金属带和由适形材料形成的适形带部分两者的带。然而，在确实包括适形材料的那些实施例中，则适形材料可以在至少一个压电换能器与至少一个金属带之间延伸。适形材料可以是电绝缘的，例如，适形材料可以使至少一个压电换能器与金属带电绝缘。适形材料可以为至少一个换能器提供一些保护。适形材料可以有利地在至少一个换能器上分布力。适形材料还可以为测试对象的运动或者膨胀和收缩提供一定程度的补偿，当测试对象是被设计成输送不同温度的流体的管道或导管时，这可以特别适用。
装置可包括施力机构(urging mechanism)，其可被配置成在使用中将换能器或换能器阵列推向测试对象、推到测试对象上和/或使换能器或换能器阵列与测试对象接触。施力机构可被配置成移动至少一个换能器或换能器阵列和/或在至少一个换能器或换能器阵列上施加力，例如以轴向地移动至少一个换能器或换能器阵列或者在至少一个换能器或换能器阵列上轴向地施加力。施力机构可以被配置成使得至少一个换能器或换能器阵列的位置(例如轴向位置)和/或由施力机构施加在至少一个换能器或换能器阵列上的力例如通过施力机构的操作而选择性地可变或可调节。施力机构可以被手动调节或自动调节。
这种布置可以允许调节至少一个换能器或换能器阵列之间的力或界面，例如用于最佳声学传递。这对于包括柔性换能器或换能器阵列和适形材料或缓冲件的适形装置(特别是被配置成在没有耦合剂的情况下操作的装置)尤其有利，因为施力机构可以在至少一个换能器或换能器阵列与测试对象之间提供原本由耦合剂提供的有利界面。
施力机构可以包括螺钉或其他旋转组件。螺钉或其他旋转组件可以是可操作成为其作用于至少一个换能器或换能器阵列的配置，例如以在使用中将换能器或换能器阵列推向测试对象和/或使换能器或换能器阵列与测试对象接触。装置可以包括装置本体。至少一个换能器或换能器阵列和/或施力机构可容纳在装置本体中或安装在装置本体上。
施力机构(例如螺钉)可以经由耦合件耦合到至少一个换能器或换能器阵列。耦合件可以适应螺钉或其他旋转机构的旋转运动，而不将旋转运动传递给至少一个换能器或换能器阵列。耦合件可以是球窝接头或包括球窝接头。这可以防止换能器或换能器阵列因摩擦测试对象而损坏，同时仍然允许沿轴向方向行进以允许换能器或换能器阵列压靠测试对象的表面。施力机构(例如螺钉和/或耦合件)可以由刚性材料形成或包括刚性材料，例如金属，例如不锈钢。
可以在耦合件和/或施力机构与至少一个换能器或换能器阵列之间提供适形缓冲件。适形缓冲件可以适应与测试对象的形状适形的柔性换能器或柔性换能器阵列，同时仍将力从施力机构施加到换能器或换能器阵列，例如以将换能器或换能器阵列推向测试对象或推到测试对象上。适形缓冲件可以更均匀地分布推力并且可以帮助避免对换能器或换能器阵列的损坏。适形缓冲件还可以帮助适应测试对象的至少一部分的膨胀和/或收缩和/或其他运动，并且可以帮助维持良好的声学耦合。适形缓冲件可被配置为耐受高温，例如150℃、250℃、300℃或更高。缓冲件可以是非聚合的。缓冲件可以包括石墨、纤维增强材料、诸如软矿物的矿物，例如蛭石、滑石、层状硅酸盐、叶蜡石、云母和/或硅酸钙等。
虽然上面详细描述了螺钉机构形式的施力机构的示例，但是施力机构不限于此。例如，可以提供至少一个适形带或适形带部分或适形材料或其他弹性变形材料，并且该至少一个适形带或适形带部分或适形材料或其他弹性变形材料被配置成执行施力机构的动作，例如以在使用中将换能器或换能器阵列推向测试对象和/或使换能器或换能器阵列与测试对象接触。在这种情况下，在适形带或适形带部分或适形构件或其它弹性变形材料上的力的横向延伸、加长、张紧或施加可能使其在使用中将轴向力施加在换能器或换能器阵列上，这可能将换能器或换能器阵列推向测试对象和/或使换能器或换能器阵列与测试对象接触。可以使用固定器来执行张紧。施力机构的其它示例包括活塞/注射器/摩擦配合(friction fit)布置、快速释放/非对称螺栓和杠杆型机构和/或类似物。
换能器可以被配置成例如响应于驱动信号而产生和发射超声波，和/或接收和检测超声波，例如以接收和检测所发射的超声波的反射。装置可以是用于成像、测量或测试(例如，无损检测)的超声装置。装置可以是医用超声成像器。装置可以是无损检测装置。换能器可以被配置为提供表示所接收的超声波或其一个或多个性能(例如超声波的幅度、频率、波长和/或定时)的输出信号。换能器可以被配置为发射超声波和/或检测和/或测量所接收的超声波的反射。
将温度传感器能力集成到装置中，可以允许受温度效应影响的测量(例如根据飞行时间测量计算的壁厚)具有更大精度。例如，可以使用在传感器表面处的温度测量而不是通过使用通过延迟线或耦合剂的热传递的计算机模型来补偿声速随温度的变化。
装置可以包括换能器阵列，至少一个换能器可以包括在换能器阵列中。换能器阵列可以是柔性换能器阵列。至少一个换能器和/或换能器阵列可以包括设置在基底上(例如直接设置在基底的表面上)的压电材料层。换能器阵列的每个换能器可以包括直接设置在层材料上的一个或多个离散电极。至少一个换能器和/或换能器阵列可以包括沉积在压电层上和/或离散电极之间的电介质材料层，诸如光致抗蚀剂(例如SU-8)。基底可以是对电极、包括对电极或被包括在对电极中。基底可以是导电基底。至少一个换能器和/或换能器阵列可以包括一个或多个电触头，所述一个或多个电触头通过导电迹线耦合到一个或多个电极，例如耦合到相应的电极。所述一个或多个电触头和/或所述导电迹线可以设置在基底上、压电层上和/或电介质材料上。单独的电极和/或换能器可以使用相应的导电迹线来单独地寻址。装置可以包括在GB1803444.7、GB1803257.3、GB2555835、WO2018/087560、PCT/GB2019/050567和/或PCT/050549(所有这些都在本申请人的名下)中公开的超声换能器的一个或多个特征，并且这些文献中的每一者的内容通过引用并入本文，如同在本文中被完整公开那样。
基底可以是柔性的和/或适形的基底，例如箔，其可以是金属箔，例如铝箔。压电材料可以是金属或过渡金属化合物或包含金属或过渡金属化合物，例如金属氧化物或氮化物，其可以是主要压电材料。压电材料可以是锌或铝化合物或包括锌或铝化合物，例如氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)。压电材料可以可选地掺杂有例如过渡金属或过渡金属化合物，例如钒或钪。压电材料可以是晶体的(例如多晶的)或柱状的压电材料。压电材料可以是非聚合的或可以不包含在聚合物材料中。压电材料可以是具有压电性能的连续材料层或包括具有压电性能的连续材料层，例如，压电材料可以不包括在非压电材料基质内具有压电性能的压电材料的离散域。压电材料层的厚度可以在2μm至20μm的范围内。压电材料的层可以比基底薄。
压电材料可以掺杂有掺杂剂或其它材料，例如过渡金属或其化合物，例如钒。掺杂剂或其它材料可以以相对于重量高达10％(例如从0.01至10％w/w)的水平存在于压电材料中。主要压电材料，例如金属氧化物或金属氮化物，可以以从90％w/w上达99.99％w/w的水平存在于压电材料层中。掺杂剂或其它材料可以被集成、共沉积或反应到主要压电材料中，例如与主要压电材料合金化或掺杂到主要压电材料中，并且可以不与主要压电材料混合或涂覆到主要压电材料上或与主要压电材料在离散域中。
装置本体可以由金属、聚合物材料和/或类似物形成。例如，装置本体可以由不锈钢形成。装置本体可以是刚性的。装置本体可以是中空的，例如以在其中容纳至少一个换能器或换能器阵列和/或施力机构和/或用于操作至少一个换能器或换能器阵列的任何布线、连接器和/或电子器件。夹具，例如一个或多个带，可以穿过装置本体，例如使得装置本体可以使用夹具被牢固地固定到测试对象。
然而，应当理解，装置本体不需要是刚性的。例如，至少一个换能器或换能器阵列的至少一部分(以及可选地，以上或以下标识为容纳在装置本体中的其他部件中的至少一个部件)可以被嵌入或以其他方式设置在适形材料中，以使得适形材料有效地充当装置本体。
例如，可以将多个装置设置为片材，其中片材可以主要由可变形材料形成。至少一个换能器或换能器阵列可以嵌入在片材中或者可以可插入到片材中。片材可被切割成例如可变数目的换能器的长度以适配给定应用。片材可以设置在卷轴或线轴上和/或可从卷轴或线轴馈送。片材可以包括或被配置为接收在换能器之间具有不同的内部换能器间距的多个换能器，这可以进一步允许获得具有各种配置的装置。
装置可以包括电源，例如电池、电容器、感应功率耦合系统或其他电化学、静电或电磁电源。装置可以是有线的或无线的。装置可以接收功率和/或驱动信号和/或可以经由有线或其他物理连接器输出输出信号。可替代地或附加地，装置可以无线地接收驱动信号和/或提供输出信号。装置可以包括无线通信系统，用于与远程和/或单独的装置进行无线通信，例如以接收驱动信号和/或发送输出信号。无线通信系统可以被配置成使用BluetoothRTM、ZigBeeRTM、WiFiRTM、WiMAXRTM、NFC、蜂窝电话和/或数据网络或其他合适的通信信道或机制进行通信。可选地，可以例如经由电感耦合器无线地提供用于装置的功率。驱动信号可以由控制电子器件提供，控制电子器件可以机载在装置上，例如容纳在装置本体中，并且可以使用电源来提供。装置可以包括或被配置成访问数据存储器，并且装置可以被配置成在数据存储器中记录例如随时间变化的输出信号。数据存储器可以是机载的，例如在装置本体内，并且可以由电源供电。数据存储器可以是外部的和/或远离装置的，例如以使得数据例如经由有线或无线通信而从装置输出到数据存储器。
上述布置可以提供各种优点。例如，装置可以更容易和/或更快地安装。装置可以牢固地夹持到测试对象，例如管道。装置可以在至少一个换能器或换能器阵列与测试对象之间实现和维持良好的声学耦合，并且可以在不使用耦合剂(例如凝胶)的情况下实现和维持良好的声学耦合。装置可以更容易围绕测试对象的形状适形。装置可以具有非常低的剖面，这在某些应用中可能是有益的，例如在受限空间中、在拐角周围、在接合处附近、在复杂且封闭的管道网络中、并且特别是在对管线设计具有最小破坏的石油和天然气管线中的部署。
根据本公开的第二方面，是制造、修理或组装第一方面的装置的方法。该方法可以包括提供夹具和至少一个换能器。换能器可以是压电换能器。换能器可以是超声换能器。至少一个换能器可以是柔性换能器。该方法可以包括在装置本体上或在装置本体中提供至少一个换能器的至少一部分。该方法可以包括将装置本体安装在夹具上，或者夹具可以与装置本体一体形成。
该方法可以包括提供和安装一个或多个温度传感器。一个或多个温度传感器可以是附加于一个或多个换能器的，或者换能器中的一个或多个换能器可以具有双温度测量和超声波生成和/或接收能力，以使得它们既可以作为温度传感器又可以作为超声换能器进行操作。夹具可以包括一个或多个带，其可以包括一个或多个金属带和/或适形带和/或适形带部分。该方法可以包括提供固定器，用于将带锁定到测试对象和/或将带从测试对象选择性地释放。该方法可以包括提供施力机构，其可以被配置成在使用中将换能器或换能器阵列推向测试对象和/或使换能器或换能器阵列与测试对象接触。施力机构可以包括螺钉机构。该方法可以包括在施力机构(例如螺钉)与至少一个换能器或换能器阵列之间提供耦合件。该方法可以包括在耦合件或施力机构与至少一个换能器或换能器阵列之间提供适形缓冲件。
该方法可以包括提供和安装电源，诸如电池、电容器、感应功率耦合系统或其他电化学、静电或电磁电源，其可以被设置在装置本体中。该方法可以包括提供和安装用于与远程和/或单独的装置进行无线通信的无线通信系统。该方法可包括提供和安装可容纳在装置本体中的控制电子器件。该方法可以包括提供和安装数据存储器。
根据本公开的第三方面，是使用第一方面的装置的方法。该方法可以包括获得无损检测(NDT)数据的方法或被包括在获得无损检测(NDT)数据的方法中。该方法可以包括获得诸如超声成像数据(例如医学成像)的成像数据的方法或被包括在获得诸如超声成像数据(例如医学成像)的成像数据的方法中。该方法可以包括获得测量数据(例如测量壁厚)的方法或被包括在获得测量数据(例如测量壁厚)的方法中。
该方法可以包括使用夹具将装置安装到测试对象。该方法可以包括将适形带或适形带部分至少部分或全部放置在测试对象周围。该方法可以包括在测试对象周围至少部分地或全部地提供金属带。该方法可以包括用固定器固定夹具。该方法可以包括操作施力机构以使至少一个换能器或换能器阵列与测试对象接触和/或将换能器或换能器阵列推到测试对象的表面上。该方法可以包括向换能器阵列提供测试信号和/或从超声换能器阵列接收输出信号。
根据本公开的第四方面，是计算机可读代码，其被配置成使得，当由自动化制造系统控制器处理时，使得自动化制造系统生产第一方面的装置的至少一部分和/或执行第二方面的方法。
自动化制造系统可以包括3D打印机、增材制造设备、机器人组装系统、拾取器和放置器(placer)、计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)机器等。
在本发明的任何其他方面或实施例中，以上依据本发明的任何方面或以下关于本发明的任何具体实施例定义的独立特征和/或特征的组合，可以分开地和独立地使用、单独地使用或与任何其他定义的特征组合使用。
此外，本发明旨在覆盖：被配置成执行本文中关于方法描述的任何特征的设备，和/或，使用或生产、使用或制造本文中描述的任何设备特征的方法。
附图说明
现在将仅以示例的方式参照附图描述本公开的这些和其他方面，其中：
图1是超声装置的透视图；
图2是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的透视图；
图3是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的俯视图；
图4是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的侧视图；
图5是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的端视图；
图6是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的通过图5上所指示的截面A-A的截面图；
图7是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的通过图8上所指示的截面B-B的截面图；
图8是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图1的超声装置的侧视图；
图9是可用于图1的超声装置中的柔性超声换能器阵列的俯视图；
图10是图9的超声换能器阵列的横截面侧视图；
图11是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的另一超声装置的透视图；
图12是在使用中安装在以管道形式的测试对象上的图11的超声装置的侧视图；
图13是图11中所示的超声装置的透视图；
图14是平坦配置的图11中所示的超声装置的侧视图；
图15是通过图11中所示的超声装置的带的截面图；
图16是组装超声换能器的方法的流程图；以及
图17是使用超声换能器的方法的流程图。
具体实施方式
图1至图8示出了超声装置5的示例，该超声装置5用于发射超声波并接收和测量反射的超声波以产生表示所接收的超声波的一个或多个参数的信号。图2至图8中所示的具体示例示出了为了有利地执行测试对象的无损检测(Non-Destructive Testing，NDT)(例如，壁厚测量)而使用超声装置，在该特定示例中，测试对象是管道，例如油或其它流体或气体的管线。然而，超声装置5不限于该应用，应当理解，它可以用于其它应用(例如成像，例如医学成像等)中。
装置包括装置本体15、夹具20和一个或多个超声换能器(在该示例中，多个超声换能器设置在超声换能器阵列25中，在图6、图7、图9和图10中尤其可见)。
如图9和图10中所示，在一个示例中，超声换能器阵列25是柔性超声换能器阵列，该柔性超声换能器阵列包括柔性导电基底30，该基底30在该示例中为金属箔的形式，在基底30的表面上具有压电层35。在该示例中，压电层35是非聚合的无机压电材料(例如氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN))层的形式，可选地掺杂有过渡金属或过渡金属化合物，例如钒。压电层35可以通过诸如溅射涂覆等方法直接沉积在基底上。在该示例中，基底30在使用中用作对电极并且朝向测试对象10布置。
电极40的阵列设置在压电层35的与基底30相对的一侧的表面上，使得压电层35位于电极40和基底30之间。每个电极40通过相应的导电迹线50电连接到相应的电触头45。每个电极以及压电层35和基底30的相关部分可被认为形成换能器阵列25的换能器。每个电极40可被单独寻址以驱动电极40并读出由电极40收集的信号。电阻性电介质材料，例如光致抗蚀剂(例如SU-8)，可以可选地设置在压电层35与导电迹线50和电触头45之间以及离散电极40、电触头45和导电迹线50之间，以减轻串扰。
例如，控制装置(未示出)可以连接到电触头45以经由相应的导电迹线50向电极40提供交替的驱动信号，以便在压电层35的对应于被驱动的电极40的对应部分的两端产生电位差，从而使得压电层35的对应部分以与驱动信号的频率对应的频率振荡，从而产生具有对应频率的超声波。所发射的超声波的反射也可以由超声换能器阵列25接收，使得压电层35的至少部分振荡，由此产生具有取决于所接收的超声波的频率的频率的电信号。这可以由控制装置经由电极40、导电迹线50和电触头45来接收。
可以在本示例中使用的柔性超声换能器和超声换能器阵列的示例(或至少其特征)在GB1803444.7、GB1803257.3、GB2555835、WO2018/087560、PCT/GB2019/050567和/或PCT/GB2019/050549(所有这些均在本申请人的名下)中进行了描述，并且其中每一者的内容都通过引用并入本文，犹如在本文中被完整公开那样。
在该示例中，装置本体15包括容纳超声换能器阵列25和任何相关联的布线和电子器件的中空金属包壳。装置本体15包括电连接器55，该电连接器55用于将超声换能器阵列25的电触头45连接到控制装置。例如，电连接器55可以是微同轴连接器，但不限于此。装置本体15包括多个脚60，这些脚60被设计成与测试对象10接合，以便将装置5牢固地安装到测试对象10上。
例如通过使夹具20的一部分穿过装置本体中的通道、通过物理连接和/或类似而使装置本体15安装在夹具10上。在该示例中，夹具20包括多个带65。在这种情况下，为了强度和安全性，带65是金属带，但不限于此。带65被配置成在使用中围绕测试对象的至少一部分延伸，并且被选择性地打开和关闭。例如，带65可以被配置成穿过装置本体15中的通道，并被通过螺钉、棘轮或其他单向机构、锁定杆、过盈配合或压配合、夹子和/或类似物而固定。
如可特别在图6和图7中看到的，柔性超声换能器阵列25设置在装置本体15中，并且被布置成使得在超声装置5的被配置成在使用中与测试对象10邻接和交界的内表面处设置有作用(例如发射/接收)表面70或设置有设置在其上的涂层(诸如电介质涂层或膜)。在上述示例中，作用表面是与基底的在其上设置有压电材料层35的表面相对的基底30的表面。装置包括施力机构75，该施力机构75用于将超声换能器阵列25的作用表面推到测试对象10的外表面上。
在图1至图8的示例中，施力机构75包括螺钉80，螺钉80螺纹连接到装置本体15顶部中的互补的螺纹通道中，以便螺钉80在使用中能够被朝向测试对象10地旋入装置本体，以及被远离测试对象10地从装置主体15旋出。螺钉80的近端85设置有转动辅助装置，例如手指抓握装置和/或槽、六角凹槽或其它工具接口，以允许螺钉80易于转动。
螺钉80的远端90与设置在螺钉80和换能器阵列25之间的耦合件95接合。耦合件95适应螺钉80的旋转运动而不将旋转运动传递给换能器阵列25。合适的耦合件95的示例包括球窝接头(socket joint)、轴承机构等。
耦合件95还设置有适形缓冲件100，适形缓冲件100坐落于耦合件95的其余部分和超声换能器25之间。缓冲件100可弹性变形。适形缓冲件100可以帮助柔性超声换能器阵列25与测试对象的弯曲表面适形，同时在换能器阵列25上均匀地分布力，从而减轻对换能器阵列25的损坏。适形缓冲件100还提供对测试对象在加热时的膨胀/收缩的一定程度的补偿。然而，适形缓冲件100优选地构造成耐受高温，这可能限制材料选择，排除传统工程聚合物和弹性体。因此，高温材料如石墨、纤维增强材料或某些矿物如蛭石可用于缓冲件100以提供所期望的温度和适应性能。
以这种方式，在使用中，可以操作施力机构75的螺钉80以便施加和改变换能器阵列25的作用于将换能器阵列25的作用表面70推到测试对象10的相应表面上的轴向力。因此，施力机构75可操作以在换能器阵列25和测试对象10之间实现所期望的声学耦合，优选地不使用可能不利于或不适合高温或长期使用的耦合剂，例如凝胶。
在图11-15中示出了超声装置205的另一示例。与图1至图8中所示的装置5上的特征相对应的装置205的特征给出类似的附图标记，但增加了200。
装置205包括夹具220和位于夹具220中的一个或多个超声换能器(在该示例中，多个超声换能器设置在多个超声换能器阵列225中，这特别在图9、图10和图13中可以看到)。超声换能器阵列225可以是例如关于图9和图10中示出和描述的那些，或者如在GB1803444.7、GB 1803257.3、GB2555835、WO2018/087560、PCT/GB2019/050567和/或PCT/GB2019/050549(所有这些都在本申请人的名下)中的任何一者中描述的那些，并且其中每一者的内容通过引用并入本文，犹如在本文中被完全公开那样。
与图1的装置5中的夹具20一样，图11至图15中的夹具220包括带265。然而，装置205中的带265的一部分由诸如弹性体的适形材料形成，优选地由能够耐受高温(例如高达200℃、250℃或甚至300℃)的弹性体形成。合适的弹性体可以包括但不限于：含氟弹性体；全氟弹性体；高温硅酮共混物和石墨基共混物。装置205的适形性质允许其在没有耦合剂(例如凝胶)的情况下操作，从而使其有利于高温和/或长期应用。
具体地，带265包括由适形材料形成并围绕固定带310设置的适形材料子带305。带265可用于将装置205紧固在测试对象10周围，并为无耦合剂操作提供足够的力。带265可以用闭合机构315固定和张紧。例如，闭合机构可以包括棘轮机构、螺钉/螺栓闭合或蜗轮装置等。固定带310优选由适当耐用的材料形成，例如金属，例如不锈钢。
形成适形子带305的适形材料(例如柔性弹性体)保持超声换能器或换能器阵列225。超声换能器或换能器阵列225可以可选地模制到适形材料中或者可以是可移除的插入件。适形材料是电绝缘的，并且适形材料层在金属固定带310和超声换能器或换能器阵列225和/或操作它们所需的任何电子器件之间延伸。这种布置可以通过均匀地分布力来保护超声换能器或换能器阵列225。这种适形材料的背衬还提供了对测试对象在加热时的膨胀/收缩的一定程度的补偿。超声换能器或换能器阵列225可以可选地具有可通过适形材料模制或在适形子带305和金属固定带310之间引导的集成布线。可替代地，超声换能器或换能器阵列225可装配有表面安装连接器(例如微同轴连接器)，该表面安装连接器允许它们与单独的导线联接以改善模块化。
如特别地在图14中所示，装置205可以针对不同的管径以不同的长度来生产，或者作为长卷筒以切割成一定长度来改进定制。装置205的长度可以生产为具有超声换能器或换能器阵列225的不同间隔，以允许超声换能器或换能器阵列225的最佳数目和在给定直径的测试对象10上的放置。将可切割成一定长度的卷绕系统、可插入式超声换能器或换能器阵列225与上述布置的固有的可大量制造的性质进行组合，能够使装置205非常适合于在大型基础设施上进行连续监测。此外，如果需要，装置205的设计可允许其以非常低的剖面制造。这将允许装置205被部署在紧密的范围内，例如紧密的管道网络以及靠近接头和拐角。低剖面还使得装置205很好地适合在石油和天然气管线应用中在绝缘下安装，并且对绝缘设计的破坏最小。
图16图示出了组装或修理装置5、205的方法，其中将一个或多个超声换能器25、225设置在装置本体15和/或适形子带305中(步骤1605)并且安装在夹具20或固定带310上(步骤1610)。
图17图示出了使用装置5、205的方法，其中使用夹具20将超声装置5、205固定到测试对象10(步骤1705)。此后，调整施力机构以用力将换能器阵列25推到测试对象10上(步骤1710)。这可以涉及旋转螺钉80或者通过拉伸适形子带305。然后，使用驱动信号驱动换能器25以产生超声波，并通过控制装置询问换能器25以接收由换能器25接收的反射的超声波所产生的输出信号(步骤1715)。
虽然上面结合附图描述了具体的示例，但是应当理解，上述示例的变型是可能的。因此，保护范围由权利要求书限定，而不是由上述具体示例限定。
例如，虽然上面给出了压电材料为ZnO或AlN的示例，但是应当理解，可以使用其它压电材料来代替。此外，虽然描述了过渡金属掺杂的压电材料，但是应当理解，可以使用非掺杂的压电材料。另外，虽然以上给出了电极、导电迹线和电触头的各种厚度、大小、数量和几何布置，但是应当理解，可以使用电极、导电迹线和电触头的其他厚度、大小、数量和几何布置。实际上，尽管电极全部被示出为相同的尺寸和形状，但是应当理解，至少一些或所有电极可以具有不同的尺寸和/或形状。
此外，虽然使用了带的形式的夹具，但是应当理解，可以使用其他的夹紧机构，例如抓握构件、过盈配合机构或压配合机构等。另外，虽然已经给出了合适的适形材料的各种示例，但是应当理解，可以使用其他合适的适形材料。

Claims (25)

1.一种超声装置，所述装置包括：
至少一个柔性超声换能器；以及
夹具，其被配置为将所述至少一个换能器安装到测试对象。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述夹具包括一个或多个带。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述一个或多个带的至少一部分或全部是金属的。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的装置，其中，所述一个或多个带的至少一部分由适形材料形成，以使得所述一个或多个带包括适形带或适形带部分。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述适形材料为在150℃、250℃、300℃或更高温度和/或低于-10℃的温度下稳定的弹性体材料，例如在低至-100℃的温度下稳定的弹性体材料。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，所述至少一个换能器被插入、可插入或至少部分或完全地嵌入或模制到所述适形带或所述适形带部分中。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其中，所述至少一个带配置有固定器，所述固定器用于将所述带锁定到所述测试对象和/或选择性地将所述带从所述测试对象释放和/或用于调节所述带中的张力。
8.根据任一前述权利要求所述的装置，包括施力机构，所述施力机构被配置成在使用中将所述至少一个换能器推向所述测试对象和/或将所述至少一个换能器推到所述测试对象上。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述施力机构被配置成使得所述至少一个换能器的位置或所述施力机构施加在所述至少一个换能器上的力通过所述施力机构的操作而选择性地可变或可调节。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的装置，其中，所述施力机构包括螺钉或其他旋转组件。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述螺钉或其他旋转组件经由耦合件耦合至所述至少一个换能器，所述耦合件被配置为适应所述螺钉的旋转运动而不将旋转运动传递至所述至少一个换能器或换能器阵列。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，包括在所述耦合件和/或施力机构与所述至少一个换能器之间的适形缓冲件。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述适形缓冲件被配置为耐受150℃、250℃、300℃或更高的温度。
14.根据任一前述权利要求所述的装置，其被配置为在高的温度下操作，所述温度例如在100℃和500℃之间。
15.根据任一前述权利要求所述的装置，包括集成到所述超声装置中的一个或多个温度传感器。
16.根据任一前述权利要求所述的装置，包括柔性超声换能器阵列，其中所述至少一个换能器包括在所述换能器阵列中。
17.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述至少一个换能器包括在金属箔基底上的多晶无机的压电材料层。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述换能器阵列中的每个换能器包括直接设置在所述压电材料层上的一个或多个离散电极，并且所述基底可用作对电极。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其中，所述压电材料层的厚度在2μm至20μm的范围内；和/或所述压电材料层比所述基底薄。
20.根据权利要求2或依赖于权利要求2的任一权利要求所述的装置，包括沿着所述一个或多个带分布的多个超声换能器或换能器阵列。
21.根据权利要求20所述的装置，所述装置设置在卷轴或线轴上和/或所述装置能够从卷轴或线轴馈送以用于从所述卷轴或线轴进行部署。
22.根据权利要求20或21所述的装置，包括在所述换能器之间具有不同的内部换能器间距的多个所述换能器。
23.一种制造、修理或组装任一前述权利要求所述的装置的方法，所述方法包括提供夹具和至少一个柔性超声换能器，以及将所述至少一个换能器安装到所述夹具。
24.一种使用根据权利要求1至22中任一项所述的装置的方法，所述方法包括：
使用所述夹具将所述装置安装到测试对象；
使所述至少一个换能器或换能器阵列接触所述测试对象的表面和/或到所述测试对象的表面上；以及
向所述换能器阵列提供所述测试信号和/或从所述超声换能器阵列接收所述输出信号。
25.一种计算机可读代码，其被配置成使得，当由自动化制造系统控制器处理时，使得所述自动化制造系统生产根据权利要求1至22中任一项所述的装置的至少一部分。
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