超声波测量设备和方法

文档序号:8502244阅读:601来源:国知局
超声波测量设备和方法
【技术领域】
[0001] 本文公开的主题涉及超声波测量装置和方法。
【背景技术】
[0002] 超声波检查装置能够用于检查对象,以便测量对象中的结构和表面的各种尺寸。 这些超声波装置允许检查技术员在对象表面或表面附近操作超声波探头,以便执行例如对 象厚度的测量。超声波检查装置和方法在一些行业中特别有用,例如航天、发电以及油气运 输或精炼(例如,管道和焊接),其中测试对象的检查必须在不将对象从周围结构移除的情 况下发生,并且其中对象的内部结构不能通过目视检查来测量。当执行超声波测量时,超声 波脉冲或信号从安装在超声波探头中的超声波换能器发射并且传入测试对象。随着超声波 信号传入对象,当超声波信号与测试对象的外表面和内表面相互作用并且被反射回超声波 探头时,出现称为回波或回波序列的各种超声波。反射回波中的大幅值回波通常由测试对 象外表面和内表面反射的发射超声波信号引起。这些回波由探头中的超声波换能器检测并 且由连接到超声波换能器的处理电子器件来分析。
[0003] 探头中超声波换能器的振幅和点火序列(firing sequence)能够被可编程地 控制。产生的超声波回波作为回波数据由处理电子器件记录,并且该超声波回波包括振 幅和延迟时间。通过跟踪发射超声波信号和接收回波数据之间的时间差,即飞行时间 (time-of-flight),并且测量接收到的回波数据的振幅,能够确定测试对象的各种特性,例 如深度、尺寸、方向和厚度。因此,该测量的精度取决于接收到的回波数据所达到的振幅和 延迟的分辨率的精度。测试对象的表面和结构在返回的回波序列中表示为最大振幅峰值。 因此,为了实现准确测量,必须精确确定回波序列中正或负的最大峰值的大小,以及与其关 联的延迟时间。
[0004] 在一种超声波测试装置中,最大振幅峰值由第一限定时间间隔,即门来检测,以用 于评估接收到的超声波回波。对于每个门,峰值存储器检测和记录在时间间隔期间检测到 的最大超声波回波。这些门具有固定的位置和宽度,它们根据期望检测的厚度范围和容许 值来选择。因此,对于具有快速变化的厚度的要测量的测试对象,时间间隔内的最大阈值能 够容易地超过,并且因而不能被精确地评估。通常,在超声波探头处接收到的回波序列在接 收后被立即数字化并且存储为回波数据。然后根据存储的数字回波数据,确定回波序列的 振幅和延迟时间。使用高频超声波信号可获得的精度受限于使用的模/数转换器(ADC)的 性能,该性能很大程度上由其采样率、或采样频率,以及其位长来确定。采样频率与发射的 超声波信号频率的比值越低,振幅和延迟确定的分辨率越差。高采样率的ADC和关联的更 高速的存储器模块可能过于昂贵。如果使用商业上可获得的ADC和标准存储器模块,超声 波回波序列的采样密度对于精确确定最大振幅峰值的大小及其关联的延迟时间是不够的。
[0005] 上述的门控方法不足以用于测量非常小的壁厚,因为与发射的超声波脉冲的持续 时间相比,接收到的超声波回波数据的飞行时间值是短的。并且,固定的门位置在这种容许 范围内不能捕获接收到的超声波回波的飞行时间值的实际变化。如前面所提到的,快速变 化的壁厚是超声波信号门控方法不足以用于精确跟踪的另一种情形。解决这些缺点的一种 方法涉及将超声波回波接收电路分成多个重叠的ADC,以增加其动态范围并且克服预设门 的需要,该需要限制了它们的整体范围。
[0006] 上述的讨论仅仅提供用于一般的【背景技术】信息,并且不旨在用作帮助确定要求保 护的主题的范围。

【发明内容】

[0007] 公开了一种使用超声波信号来确定对象厚度的方法和设备。该方法包括以下步 骤:朝向对象传送超声波信号,将超声波信号的反射回波序列数字化,包括对回波序列进行 内插,以及通过检测回波序列中的最大振幅峰值来处理回波序列,并且基于最大振幅峰值 之间的持续时间确定对象厚度。可以认识到实施公开的超声波测试装置的一些公开实施例 的优点在于,提高了商业上可获得的超声波测试装置的精度。
[0008] 在一个示例性实施例中,公开了一种确定对象厚度的方法。该方法包括朝向对象 传送超声波信号,并且接收由对象的第一和第二表面反射的传送超声波信号的回波序列。 将回波序列数字化,并且识别数字化回波序列中的至少一对最大振幅峰值。确定最大振幅 峰值之间的持续时间,并且基于该持续时间计算对象的厚度。
[0009] 在另一示例性实施例中,用于确定对象厚度的方法包括朝向对象传送超声波信 号,并且接收由对象反射的超声波信号的回波序列。反射的超声波信号被数字化,并且检测 其中的最大振幅峰值。确定最大振幅峰值之间的持续时间,并且基于持续时间计算对象的 厚度。
[0010] 在另一示例性实施例中,公开了一种用于测量对象的超声波设备。该设备包括用 于传送超声波信号的超声波换能器,用于接收传送的超声波信号的反射回波序列的接收电 路,用于将反射的回波序列数字化的模/数转换器,以及处理器,其被编程以执行用于检测 数字化反射回波序列中的至少一对最大振幅峰值的振幅时间轨迹曲线算法,在数字化反射 回波序列中内插所述至少一对最大振幅峰值,测量内插的至少一对最大振幅峰值之间的时 间延迟,以及基于时间延迟确定对象的厚度。
[0011] 发明的简要描述仅意在根据一个或多个说明性实施例提供本文公开主题的简要 概述,并且不作为解释权利要求或者限定或限制仅由附加的权利要求限定的发明的范围的 指导。以简化形式介绍概念的说明性选择来提供简要描述,所述概念在下面的详细说明中 进一步描述。该简要描述并不意在识别要求保护的主题的关键特征或必要特征,也不意在 用于帮助确定所要求保护主题的范围。要求保护的主题不限于解决【背景技术】中提到的任何 缺点或所有缺点的实施方式。
【附图说明】
[0012] 为了使得以本发明的特征能够被理解的方式,可以参照某些实施例来对本发明详 细描述,其中一些实施例在附图中示出。然而要注意的是,附图仅示出本发明的某些实施例 并且因此不认为是对其范围的限定,因为本发明的范围涵盖其他同等有效的实施例。附图 不一定是按比例绘制,重点主要在于说明本发明某些实施例的特征。在附图中,遍及各个示 图,相似的附图标号用于指示相似的部分。因此,为了进一步理解本发明,可以参照下面的 详细描述,结合附图阅读,其中:
[0013] 图1示出了示例性ALOK峰值检测算法;
[0014] 图2是超声波测试装置的示意图;以及
[0015] 图3是超声波测试装置实施的测量算法的流程图。
【具体实施方式】
[0016] 图1是示例性的振幅时间轨迹曲线(ALOK)检测算法的示图。ALOK检测算法用于 识别通过超声波测试装置测量的测试对象内的表面。该特定算法不需要使用门控时间间隔 来处理回波序列以及检测其中的最大振幅峰值。示出的超声波回波序列100是正全波整流 超声波回波序列100,其作为时间的函数绘出。当检测的超声波回波序列100各满足下面三 个预先选择的、编程的准则时,分别以A 1s^P A 2M标出的ALOK最大振幅峰值101,111各自在 超声波测试装置中检测和记录:i)每个最大振幅峰值101,111之前,即时间在前的峰值的 选定数量i已经发生;ii)每个最大振幅峰值101,111之后,即时间在后的峰值的选定数量 k已经发生;以及iii)每个最大振幅峰值101,111的大小超出选择的阈值振幅104。在图 1示出的示例性超声波回波序列100中,i已被预先选择为3,因而在前的非最大峰值102, 112各自分别以A 1mD 3, A2mD 3编号;k被预先选择为4,因而在后的非最大峰值103,113 各自分别以A1MwA2sw编号。示例性的最大振幅峰值111示出为具有小于最大振幅峰值101 的大小,然而,根据该检测算法这并不是检测第二最大振幅峰值的必要条件。
[0017] 由该算法检测的回波序列的两个最大振幅峰值101,111之间的时间差表示测试 对象中的结构的厚度,例如,管道壁的厚度。这是因为管道壁的内表面和管道壁的外表面各 自引起的最大振幅峰值反射回超声波测试装置。使用简单的速度X时间关系来借此计算 测量的厚度,能够容易地确定测量的管道壁厚:
[0018] W=CX (tpeak2D tpeakl)/p2D P (I)
[0019] 其中W =厚度;c =声速;t =飞行时间,以及
[0020] (tpeak2D t peakl) (2)
[0021] 是最大振幅峰值101,111之间的持续时间;并且P2 =对应于tpeak2的峰值号;并且 P1 =对应于峰值号。通常,连续最大振幅峰值用于确定厚度,尽管这不是必须的。
[0022] 根据一种内插算法可提高该检测算法的准确性。这样允许使用经济的标准超声波 测试设备来精确测量具有快速且广泛变化的厚度的测试对象厚度。图2示出了超声波测试 装置200的示意图,该超声波测试装置200采用ALOK算法和内插算法用于计算受到超声波 检查的对象的高精度测量。超声波测试装置200提供有超声波探头201,该探头201具有多 个安
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