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CN107430098A - 自动换能器操作参数选择 - Google Patents

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CN107430098A CN201680014975.7A CN201680014975A CN107430098A CN 107430098 A CN107430098 A CN 107430098A CN 201680014975 A CN201680014975 A CN 201680014975A CN 107430098 A CN107430098 A CN 107430098A
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Abstract

选择操作参数来检查结构。选择操作参数包括在多层结构中激发宽带超声导波，获取与所感测的多层结构中的宽带超声导波相对应的数据，基于所获取的数据选择一个或多个窄频带，以及使用一个或多个窄频带中的超声导波检查多层结构。在一些示例中，数据由能够感测多层结构中的宽带超声导波的检查工具获取。

Description

自动换能器操作参数选择
相关申请的交叉引用
本申请要求在2015年1月14日提交的美国临时申请No.62/103,315的权益，其内容整体上通过引用包括在本文中。
背景技术
作为用于检查例如可能由多层不同材料组成的板、管和壳的结构的部件，使用超声导波(USGW)的装置的重要性日益增加。每个USGW检查系统设计涉及到操作点的选择，操作点包括一组参数，例如取决于传感器配置(基于楔形或阵列的)的传感器几何结构、频率、波长、时间延迟和幅度，被检查的结构和被检查的结构区域。导波为这些操作点提供无限的选择，并且决策过程可能需要广泛的建模和开发活动。性能关键结构尤其需要操作点的最佳选择，因为它们具有有限的误差范围。
发明内容
该发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式中进一步描述。该发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
在一个实施例中，选择操作参数以检查结构的方法包括在多层结构中激发宽带超声导波；通过能够感测多层结构中的宽带超声导波的检查工具获取与所感测的多层结构中的宽带超声导波相对应的数据；基于所获取的数据选择一个或多个窄频带；以及使用一个或多个窄频带中的超声导波检查多层结构。
在一个示例中，多层结构包括具有变化的壁厚、变化的涂层厚度或变化的质量中的一个或多个的涂覆金属管。在另一示例中，检查工具是基于电磁声换能器的内联检查工具。在另一示例中，一个或多个窄频带包括具有多个周期的长脉冲宽度。在又一示例中，一个或多个窄频带中的超声导波具有比宽带超声导波更高的强度。
在另一实施例中，一种选择操作参数以检查结构的系统包括超声发射器、超声接收器和控制器。超声发射器被配置为在多层结构中激发宽带超声导波。超声接收器被配置为感测多层结构中的宽带超声导波，并且生成与所感测的多层结构中的宽带超声导波相对应的数据。控制器被配置为基于所获取的数据选择窄频带宽的超声导波用于多层结构的后续检查。
在一个示例中，多层结构包括涂层结构。在另一示例中，超声发射器被配置为在多层结构的多个层中的一个中激发宽带超声导波，以及超声接收器被配置为感测多个层的至少一个中的宽带超声导波。在另一示例中，超声接收器被配置为在感测涂层结构中的宽带超声导波时穿越结构。在另一示例中，超声接收器包括安装在涂层结构上的导波相控换能器阵列。在另一示例中，导波相控换能器阵列包括被配置为感测结构的负载承载部分中的宽带超声导波的一个或多个附加接收器。在另一示例中，超声发射器是被配置为接收超声信号的超声收发器。在另一示例中，超声发射器被配置为当在多层结构中传输宽带超声导波时穿越结构。在另一示例中，超声发射器和超声接收器仅物理地接近多层结构的最外层，并且使用宽带信号方法来找到最佳和物理上可验证的操作点。
在另一实施例中，一种计算机可读存储介质上编录有选择操作参数以检查结构的指令。该指令响应于计算装置的执行使得计算装置：在多层结构中激发宽带超声导波；从能够感测多层结构中的宽带超声导波的检查工具获取与所感测的多层结构中的宽带超声导波相对应的数据；基于所获取的数据选择一个或多个窄频带；以及使用一个或多个窄频带中的超声导波检查多层结构。
在一个示例中，多层结构包括具有变化的壁厚、变化的涂层厚度或变化的质量中的一个或多个的涂覆金属管。在另一示例中，检查工具是基于电磁声换能器的内联检查工具。在另一示例中，一个或多个窄频带包括具有多个周期的长脉冲宽度。在另一示例中，一个或多个窄频带中的超声导波具有比宽带超声导波更高的强度。
附图说明
当结合附图参考以下详细描述时，本发明的前述方面和许多伴随的优势将变得更容易理解，其中：
图1A和1B示出针对不同涂层厚度的板中的剪切水平导波的阴影编码的色散曲线；
图2A和2B分别示出与图1A和1B对应的针对不同涂层厚度的板中的剪切水平导波的归一化粒子位移；
图3示出随着涂层变化，涂覆钢板样品上两个位置处宽带激发产生的导波信号的频域谱的示例；
图4示出EMAT发射器和EMAT接收器被放置在钢板的裸露侧面上而涂层位于钢板的与EMAT发射器和EMAT接收器相对的侧面上的实施例；
图5示出根据本文所述的实施例的选择操作参数以检查结构的方法的示例。
具体实施方式
在实践中，给定类型和制作的结构通常在相同样本(例如，结构单元)内以及不同样本之间具有各不相同的性质(例如，厚度和质量)。在这种情况下，为一组样本结构性质选择的操作点可能不是另一个样本或检查区域的最佳点，致使投入到建模和开发中的努力无效。因此，需要能够自动选择操作点的装置和方法。此外，在穿越结构的检查装置(例如内联(inline)检查工具)的情况下，希望快速发生操作点的自动选择，使得可以在多次检查尝试之间改变检查系统的操作点。
原则上，多层结构中的任何层的性质的变化可以被认为是缺陷。然而存在多种应用，其中，多层结构的一个或多个层具有除了支撑或承载负载之外的功能。即使这些层的性质发生了变化，仍然可以将结构认为是健康的而不管性质的变化，只要在负载承载层中不存在缺陷。换句话说，负载承载结构中存在的缺陷是至关重要的，因为它们对结构的性能和健康有不利影响。然而，导波与非负载承载层的相互作用可能不利地影响检查装置对负载承载层中存在的缺陷的敏感性。如果关键的负载承载层可接近，动态或自动操作点选择方法可以实现忽略非关键层的变化的目的。
由于缺乏关于管内周向导波的可靠的理论公式，文献中的大多数换能器设计都是基于针对板中的导波传播的理论。关于管内周向导波的理论表明：换能器参数需要随着管直径和管厚度两者的变化而变化。这些因素进一步突出了前面讨论的自动操作点选择方法的潜在优势。
本文公开的主题包括通过在诸如管、板的单层或多层结构或其它结构中定期地激发超声导波来动态选择操作参数的方法的实施例。在一个实施例中，超声导波具有宽的频率带宽。在另一个实施例中，超声导波具有窄的脉冲宽度。该方法还包括使用诸如基于电磁声换能器(EMAT)的内联检查(ILI)工具的检查工具获取与结构中实际产生的导波相对应的数据或信号并处理所获取的数据。在一个实施例中，该结构包括具有变化的壁或涂层厚度的管，并且在ILI工具可操作并且正在穿越被检查的管线的长度时获取数据或信号。在一些实施例中，该方法还包括基于所获取的数据或信号来选择操作参数，其中，在随后的针对窄频率带宽(或具有多个周期的长脉冲宽度)导波发生的检查周期中，操作参数被用于管线的高分辨率和高保真度检查。
当应用于其他类型的换能和检查技术时，例如从固定位置操作的远程超声导波检查系统，本文公开的用于操作点的自动选择的装置和方法可以被电控制，例如通过控制频率范围、时间延迟分布、幅度分布中的一个或多个或其任何组合。在一些实施例中，本文公开的装置和方法用作用于评估包括在结构中的每一层的(例如，沿着波传播的方向平均的)结构性质的部件，结构性质例如厚度、弹性模量、粘度和质量密度。
导波的宽带频率激发可以执行一次或定期执行，同时检查装置在结构的给定单元中仍然可操作。在一些实施例中，用于宽带频率激发的信号的时间维度较窄(例如，交变电流/电压的时间周期的一半)。过去已经使用宽带激发来利用大功率激光驱动超声进行完整的材料表征。本文描述的装置的实施例适用于一个不同的方案，即适用于涂覆和多层结构来选择工作点而不是表征材料性质。然而，除了选择换能的操作点之外，还可以进行材料性质的表征。实际上，本文描述的方法表征了衬底性质和换能器性质两者以达到一个或多个最佳操作点。所选择的操作点随后与窄带频率(例如，使用新选择的操作参数在时间上多周期的交变电流/电压)一起使用以将更高强度的声能引入到结构中，从而能实现或保持对缺陷的高敏感性而不管性质的任何变化。
在本文公开的一个示例中，结构包括环氧树脂涂层钢板，其利用所谓的剪切水平(SH)导波和由于涂层厚度变化而展现其自身的损耗机制，这说明了为什么一种情况的最佳操作点并不是另一种情况的最佳操作点。该示例还示出了其中的层(即，涂层)不起负载承载元件的作用的配置，这是前面已经讨论过的方案。随后，引入宽带频率激发的概念，作为克服损耗机制带来的困难的手段。尽管该示例包括涂层板，但是本文所述的原理可直接适用于涂层管。
源于涂层厚度变化的损耗机制
在图1A和1B中示出了针对不同涂层厚度的9.5mm厚的板中的SH导波的阴影编码色散曲线。更具体地说，阴影编码色散曲线图1A和1B分别示出了在具有0.5mm和1mm的涂层的9.5mm厚的板中的SH导波的色散曲线。色散曲线上的阴影变化对应于由于给定的一组EMAT参数而可能激发模式的相对强度，其中黑色＝-60dB，白色＝0dB。在该特定示例中，使用如下组的EMAT参数：操作频率＝0.25MHz，EMAT间距或周期＝0.25英寸，以及EMAT元件数量(或线圈匝数)＝5。导波模式的色散度(或相对于有限频率范围的色散曲线的有限段)表示模式特有的速度变化程度。通常，对应于高色散模式的导波往往消散地更快。显然，相比图1B所示的针对1mm的涂层厚度的贡献模式，图1A所示的涂层厚度为0.5mm的情况下的贡献导波模式是相对无色散的。这表明由于导波模式的色散度随着涂层厚度的变化而导致的一种损耗机制。
当考虑波的强度在钢板和涂层之间分布的方式时，另一种损耗机制是显而易见的。图2A和2B分别示出了与图1A和1B对应的情况(即，涂层厚度分别为0.5mm和1mm，以及操作点对应于0.25MHz)的归一化粒子位移。在一些实施例中，归一化粒子位移是波的强度的指示。虚线框202和204中的区域表示环氧树脂，而框202和204之外的区域表示钢。根据每种模式的光谱幅度按比例绘制位移分布曲线。每种模式的相速度在图例中示出。
如图2A所示，在涂层厚度为0.5mm的情况下，钢中(框202之外)的贡献模式的强度与环氧树脂中(在框区域内)的贡献模式的强度相当。相比之下，如图2B所示，贡献模式的强度在环氧树脂中相比在钢中(框204外)高得多。这意味着，当使用失配的操作点时，无论换能方法如何，声能的主要部分都将通过环氧树脂传播。由于在一些实施例中，EMAT仅基于钢表面感测声能，而大部分能量被陷获在涂层中，因此将观察到相对较低的换能效率。
粘滞损耗是能够影响信号强度并另外随着涂层的厚度而变化的另一种机制。粘度是确定材料对变形变化率的抵抗力的材料性质。在某些情况下，在群速度色散曲线发生下降的区域中，粘滞损耗占主导地位。除了涂层厚度的变化之外，弹性模量和密度的变化也可能引起色散曲线的类似变形，这同样影响检查装置对缺陷尺寸的敏感性。
在一些实施例中，为了克服意外遇到失配点的问题，随着检查工具轴向移动通过管，工具动态地改变操作点。操作点的动态变化可以简单地通过定期地使用宽带频率激发和分析频谱来实现。相对幅度较大的频率范围可以在随后的检查中使用。
在图3中示出了一个示例，其示出随着涂层变化，涂覆钢板样品上两个位置处宽带激发产生的导波信号的频域谱。图3中的数据是使用图4所示的结构400获得的。如图4所示，EMAT发射器402和EMAT接收器404被放置在钢板406的裸露侧面上。涂层408位于钢板406的与EMAT发射器402和EMAT接收器404相对的侧面上。
在一些实施例中，使用导波信号的频域谱确定最佳操作频率。在图3所示的实施例中，在大致0.325MHz和0.425MHz确定最佳操作频率302和304。在该实施例中，对于分别由实线和虚线表示的情况，最佳操作频率302和304被确定在出现最大谱值的位置。在实际情况下，与检查工具的每个检查周期相比，可以不那么频繁地更新操作点。在处理接收到的信号期间可以使用某种形式的空间平均。取决于基于管直径、速度和其他参数的具体应用，更新速率可能会变化。
宽带频率方法的有用的附带结果是提供涂层和管壁特性的平均测量(例如，沿波的传播方向平均)。例如，参照图3，其描绘了针对板上两种不同涂层厚度的由宽带激发引起的频谱。这两种情况的谱在0.2至0.3MHz的频率范围内遇到幅度306和308的下降。比较图1B中的群速度曲线出现波谷的频率范围以及图3中出现不期望的下降306和308(不期望的波谷)，可以推断出两种情况下的涂层厚度都为约1mm。出现不期望的下降306和308的特定频率将给出涂层质量的更准确的估计，并且峰(在图3中标记为最佳操作点302和304)之间的相对间隔(在频率上)将提供钢壁厚度的估计。在一些实施例中，在0.5MHz以上存在另外的最佳点。然而，由于这个特定的实验室设置的接收器电子器件的特性，这些已经被抑制了。在某些情况下，另外的最佳点将提高衬底表征的准确性。
在图5中描绘了选择操作参数以检查结构的方法500的一个示例。在框502，在多层结构中激发宽带超声导波。在一些实施例中，多层结构包括具有变化的壁厚、变化的涂层厚度或变化的质量中的一个或多个的涂覆金属管。在框504，使用能够感测多层结构中的宽带超声导波的检查工具来获取与所感测的多层结构中的宽带超声导波相对应的数据。在一些实施例中，检查工具是内联检查工具，例如基于电磁声换能器的内联检查。
在框506，基于所获取的数据选择一个或多个窄频带。在一些实施例中，一个或多个窄频带包括具有多个周期的长脉冲宽度。在一些实施例中，一个或多个窄频带中的超声导波具有比宽带超声导波更高的强度。在框508，使用一个或多个窄频带中的超声导波检查多层结构。
图5所示的方法500是选择操作参数以检查结构的方法的一个实施例。在其他实施例中，选择操作参数以检查结构的方法包括与图5所示的步骤相比更多的步骤或更少的步骤。在其他实施例中，这些方法的步骤以与图5所示的顺序不同的顺序执行。
在一些实施例中，用于执行方法500或本文描述的任何其它方法的指令被编录在非瞬态计算机可读存储介质上。那些指令在由系统执行时使系统执行相应方法的步骤。在一些实施例中，系统包括具有一个或多个处理器的计算装置，处理器通信地耦合至存储介质并被配置为执行存储在存储介质上的指令。如本文所使用的，术语“计算机可读存储介质”包括以能够存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性以及可移动和不可移动介质。在一些示例中，能够存储信息的技术包括但不限于硬盘驱动器、固态驱动器、CD ROM、DVD或其他盘存储器、磁带、磁盘存储器等。
源于涂层厚度变化的损耗机制
本文所述的装置、系统和方法的实施例可适用于使用除了内联检查工具以外的工具和范例来检查多层结构。
本文给出的示例包括如下方案，即多层结构中的负载承载层物理地或电磁地可接近(如下所定义)以感测或产生导波。还讨论了物理和电磁接近都不可行的情况的变通方案。当超声传感器直接接触负载承载层时，物理地接近负载承载层。例如，固定的检查装置通常需要加工直接在传感器下方的区域，以便接触负载承载层；然而，而在内联管检查装置的情况下，工具从内部直接接触负载承载层。电磁接近的一个重要示例由EMAT位于聚合物涂覆的金属板的涂层侧上的方案代表。由于EMAT感测仅在结构的金属部分传播的振动或导波，所以对于特定的涂层厚度，不需要加工涂层。
电磁接近的另一个重要示例是将诸如激光振动计或干涉仪之类的光学装置用作超声接收器而多层结构的除了负载承载层之外的所有层对于激光的特征波长范围透明的方案。该方法将是实用选择的其他理想条件包括负载承载层具有良好的光学反射率且由透明层引起的光学像差不是很严重。
通常，如果可以使用给定发射器在非负载承载层中产生波，那么超声发射器不需要直接接近负载承载层。例如，在导波相控阵换能器的情况下，相控阵可以安装在涂覆结构(例如，涂覆管)上，而无需去除涂覆层。这是由本文公开的实施例提供的优点，其中并不是所有的接收器都可以直接与负载承载层接触。与在常规安装方法中去除涂覆层的强制性做法形成对比，其优点包括在安装换能器阵列期间不需要完全去除涂覆层。这是期望的，特别是当管的整个圆周不可接近时。
在一些实施例中，例如在接近负载承载层的物理或电磁手段都不适用的情况下，可以采用改进的方法。这种方案的示例包括：衬底的改进(例如，去除管上的涂层的一部分)不可行的情况下的方案；换能器安装在涂层顶部的情况下的方案；和/或电磁地接近负载承载层(例如，非常厚的非负载承载层)不可行的情况下的方案。在这些方案中的一些中，包括接收器在内的所有传感器安装在最外层的顶部，而无需改进衬底。在这种方案中，改进的方法包括利用波最快并且信号强度恰好在噪声阈值之上的操作点激发波。在这种情况下，期望在没有邻接材料的情况下负载承载层中的波速最快。通常，负载承载层倾向于具有比非负载承载层更快的波速。在不太可能的情况下，如果负载承载层或关键功能层在没有任何邻接材料或介质的情况下具有较快的波传播，可以选择对应于较慢波的操作点。如这些示例中所使用的，速度是指超声的整体速度(bulk velocity)。
在其他实施例中，可以使用多个接收器，并且可以使用多维傅里叶变换来分析以这种方式接收的信号。这种类型的数据采集和分析可以用于其中换能系统能够激发与任意范围的频率和速度值相对应的模式的方案。这种换能器系统的示例是具有不同特征波长的多个线圈和相控阵换能器的磁致伸缩EMAT。
可替代地，尽管可能更复杂，也可以采用激发导波的方法来选择操作点。一个示例是分别具有扰动但不同的中值频率的窄频带(或长脉冲宽度)的序列。在许多情况下，宽带频率激发将是一个合适的选择，但是可以采用多个窄带频率序列来利用某些条件(例如较低的工具行进速度)，或者考虑较高功率为导波传播提供更高分辨率的情况。
在一些实施例中，引起频率随时间的连续变化的频率扫描或线性调频信号是可用于选择操作点的激发信号的另一示例。在一些示例中，当检查工具行进速度高并且厚度变化不是非常剧烈时，该方法是可取的。线性调频信号也可以用在高度衰减的条件下(例如在纤维增强型聚合物复合材料(FRPC)缠绕的金属管结构中)，或者用在发射和接收换能器之间的距离较大的情况下。
本文所述的方法也可用于检查具有或不具有金属衬底的FRPC部件。在一些实施例中，用于检查FRPC部件的换能器是压电的。在一些实施例中，换能器被嵌入到FRPC结构中。
应当注意，为了本公开的目的，例如“上”、“下”、“垂直”、“水平”、“向内”、“向外”、“内”、“外”、“前”、“后”等的术语应被理解为描述性的，并且不限制所要求保护的主题的范围。此外，本文中使用“包括”、“包含”或“具有”及其变形意味着包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另有限定，本文的术语“连接”、“耦合”和“安装”及其变形被广泛使用并且包括直接和间接连接、耦合和安装。
在前面的说明书中已经描述了本公开的原理、代表性实施例和操作模式。然而，本公开的旨在被保护的方面不应被解释为限于所公开的特定实施例。此外，本文描述的实施例被认为是示意性的而非限制性的。应当理解，在不背离本公开的精神的前提下，可以进行变形和改变，以及采用等同物。因此，明确地意图是所有这样的变形、改变和等同物都在所要求保护的本公开的精神和范围内。

Claims (20)

1.其中独占的所有权或特权被要求保护的本发明的实施例被如下限定：
一种选择操作参数以检查结构的方法，所述方法包括：
在多层结构中激发宽带超声导波；
通过能够感测所述多层结构中的所述宽带超声导波的检查工具获取与所感测的所述多层结构中的所述宽带超声导波相对应的数据；
基于所获取的数据选择一个或多个窄频带；以及
使用所述一个或多个窄频带中的超声导波检查所述多层结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多层结构包括具有变化的壁厚、变化的涂层厚度或变化的质量中的一个或多个的涂覆金属管。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检查工具是基于电磁声换能器的内联检查工具。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个窄频带包括具有多个周期的长脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个窄频带中的超声导波具有比所述宽带超声导波更高的强度。
6.一种选择操作参数以检查结构的系统，所述系统包括：
超声发射器，其被配置为在多层结构中激发宽带超声导波；
超声接收器，其被配置为感测所述多层结构中的所述宽带超声导波，并且生成与所感测的所述多层结构中的所述宽带超声导波相对应的数据；以及
控制器，其被配置为基于所获取的数据选择窄频带宽的超声导波用于所述多层结构的后续检查。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述多层结构包括涂层结构。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述超声发射器被配置为在所述多层结构的多个层中的一个中激发所述宽带超声导波，以及其中，所述超声接收器被配置为感测所述多个层的至少一个中的所述宽带超声导波。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述超声接收器被配置为在感测所述涂层结构中的所述宽带超声导波时穿越所述结构。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述超声接收器包括安装在所述涂层结构上的导波相控换能器阵列。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述导波相控换能器阵列包括被配置为感测所述结构的负载承载部分中的所述宽带超声导波的一个或多个附加接收器。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述超声发射器是被配置为接收超声信号的超声收发器。
13.根据权利要求6所述的系统，其中，所述超声发射器被配置为当在所述多层结构中传输所述宽带超声导波时穿越所述结构。
14.根据权利要求6所述的系统，其中，所述超声发射器和所述超声接收器仅物理地接近所述多层结构的最外层，并且使用宽带信号方法来找到最佳和物理上可验证的操作点。
15.一种计算机可读存储介质，其上编录有用于选择操作参数以检查结构的指令，其中，所述指令响应于计算装置的执行使得所述计算装置：
在多层结构中激发宽带超声导波；
从能够感测所述多层结构中的所述宽带超声导波的检查工具获取与所感测的所述多层结构中的所述宽带超声导波相对应的数据；
基于所获取的数据选择一个或多个窄频带；以及
使用所述一个或多个窄频带中的超声导波检查所述多层结构。
16.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，所述多层结构包括具有变化的壁厚、变化的涂层厚度或变化的质量中的一个或多个的涂覆金属管。
17.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，所述检查工具是基于电磁声换能器的内联检查工具。
18.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其中，所述一个或多个窄频带包括具有多个周期的长脉冲宽度。
19.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其中，所述一个或多个窄频带中的超声导波具有比所述宽带超声导波更高的强度。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多层结构包括纤维增强型聚合物复合物，并且所述换能器嵌入所述结构中。
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