СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ИСПЫТАНИИ
METHOD AND DEVICE FOR COMPENSATION OF HETEROGENEITY OF CONNECTION AT ULTRASONIC TEST

Изобретение относится к способу и устройству для испытания компонента, такого как бетонное изделие или другой строительный компонент, с помощью ультразвука.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Неразрушающее испытание компонентов с помощью ультразвука обеспечивает важный инструмент в различных областях техники. Он может, например, быть использован для определения местоположения арматуры, пустот, трещин или неоднородностей в строительных материалах, таких как бетон.
Устройство этого типа показано в US 7587943. Оно содержит множество ультразвуковых преобразователей, расположенных в корпусе. Предусмотрена управляющая электроника для отдельной отправки и/или приема сигналов через преобразователи.
Для работы устройства пользователь прижимает его к испытываемому компоненту, а затем работают преобразователи для выполнения операции сканирования.
Устройство по US 7587943 содержит множество модулей, каждый из которых имеет несколько испытательных головок с ультразвуковыми преобразователями. Один из модулей работает как передающий модуль для отправки импульсов сигнала, которые затем принимаются другими модулями.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в том, чтобы придать таким способу и устройству улучшенную точность измерения.
Эта задача решается способом и устройством по независимым пунктам формулы изобретения.
Соответственно, способ испытания компонента с помощью ультразвука содержит следующие этапы, на которых:
- прикладывают к испытываемому компоненту устройство, имеющее по меньшей мере один ультразвуковой излучатель и множество ультразвуковых приемников, причем в этом устройстве ультразвуковые приемники расположены в разных положениях по отношению к ультразвуковому излучателю;
- создают зондирующий сигнал с помощью указанного ультразвукового излучателя, причем этот зондирующий сигнал может, например, быть одиночным ультразвуковым импульсом или последовательностью импульсов;
- принимают с помощью ультразвуковых приемников множество ответных сигналов, причем эти ответные сигналы вызваны зондирующим сигналом, распространяющимся вдоль различных путей через компонент. Следовательно, ответные сигналы будут, как правило, образованы наложением сигналов, распространяющихся вдоль поверхности компонента, и сигналов, поступающих в него и отражающихся от структур внутри компонента или на его границах;
- кроме того, в ответном сигнале по меньшей мере группы ультразвуковых приемников осуществляют дополнительные этапы обработки (эта группа ультразвуковых приемников предпочтительно охватывает все приемники, но она может также содержать только подмножество приемников), причем для каждого ответного сигнала, принятого одним из приемников этой группы, выполняют следующие этапы, на которых:
а) идентифицируют в соответствующем ответном сигнале первую часть сигнала, вызванную поверхностной волной, проходящей в указанном компоненте от указанного ультразвукового излучателя к ультразвуковому приемнику, записавшему соответствующий ответный сигнал, при этом такие поверхностные волны присутствуют в большинстве обычно испытываемых компонентов, но поверхностные волны несут лишь небольшую информацию о структуре компонента, и поэтому их часто игнорируют.
б) выводят коррекционное значение из указанной первой части сигнала, причем этот этап основан на понимании того, что, хотя поверхностные волны часто не представляют большого интереса, их сила, измеренная приемником, является мерой того, насколько хорошо данный приемник сопрягается с испытываемым компонентом.
c) масштабируют по меньшей мере одну вторую часть соответствующего ответного сигнала с коэффициентом масштабирования, зависящим от указанного коррекционного значения: этот этап теперь использует информацию, полученную на этапе b), поскольку коррекционное значение описывает, насколько хорошо приемник сопрягается с компонентом, эта информация позволяет масштабировать по меньшей мере ту часть ответного сигнала (то есть «вторую часть сигнала» в формулировке формулы изобретения), которая представляет интерес для дальнейшего анализа, тем самым уменьшая или даже устраняя влияние качества сопряжения (связи) отдельных ультразвуковых приемников с испытываемым компонентом.
Другими словами, изобретение основано на понимании того, что одним из основных факторов, влияющих на точность и надежность измерений, является качество сопряжения отдельных ультразвуковых приемников. Например, даже небольшая величина шероховатости поверхности, незначительные неоднородности поверхности или небольшое смещение устройства при приложении его к компоненту могут привести к тому, что некоторые приемники будут гораздо лучше сопрягаться с компонентом, чем другие.
Чтобы исправить эту присущую способу измерения неточность, изобретение использует тот факт, что поверхностная волна является хорошей мерой того, насколько хорошо приемник сопрягается с компонентом и насколько его сигнал должен быть масштабирован. Масштабированием ответных сигналов (по меньшей мере тех их частей, которые представляют интерес) в зависимости от коррекционного значения может быть уменьшена зависимость ответных сигналов от локальных неровностей поверхности или неправильного приложения устройства к компоненту.
Как только вторые части сигнала от различных приемников масштабированы, их предпочтительно объединяют, например, по алгоритму SAFT, для создания результирующего набора данных, такого как изображение внутренней структуры компонента. Поскольку вторые части сигнала масштабируют в соответствии с качеством сопряжения соответствующих им приемников, то результирующий набор данных будет иметь улучшенную точность и согласованность.
Существуют различные пути идентификации первой части сигнала, то есть части сигнала, описывающей поверхностный сигнал. Их можно использовать независимо или в совокупности.
Предпочтительно, способ содержит для каждого ультразвукового приемника в указанной группе следующие этапы:
- присваивают указанному ультразвуковому приемнику временное окно, причем это временное окно используют для идентификации «первой части сигнала» в ответном сигнале, то есть части сигнала, содержащей поверхностную волну;
- используют указанное временное окно для идентификации первой части сигнала в ответном сигнале, измеренном указанным ультразвуковым приемником, причем это означает, что только (или по меньшей мере преимущественно) часть ответного сигнала, лежащая в этом временном окне, будет использоваться для вычисления коррекционного значения.
В одном варианте выполнения временное положение временного окна зависит от расстояния ультразвукового приемника от ультразвукового излучателя, причем, предпочтительно, временное положение пропорционально этому расстоянию.
В другом варианте выполнения (который может, например, для проверки согласованности, быть объединен с предыдущим вариантом выполнения), временное положение временного окна выбирают в зависимости от времени, в которое первый импульс обнаруживают в ответном сигнале. В этом контексте «первый импульс» представляет собой первый импульс, поступающий после того, как зондирующий сигнал был отправлен в компоненты. Это основано на понимании того, что в большинстве компонентов поверхностные волны являются самыми быстрыми сигналами, распространяющимися от ультразвукового излучателя к ультразвуковому приемнику.
Предпочтительно, создание зондирующих сигналов и прием ответных сигналов происходит, когда пользователь вручную прижимает устройство к испытываемому компоненту. Масштабирование сигнала, обеспечиваемое настоящим изобретением, особенно подходит для компенсации проблем, связанных с неоднородным приложением давления к устройству. Следовательно, изобретение позволяет получать существенно более устойчивые сигналы в тех случаях, когда устройство прикладывают вручную. Это особо важно, если изображения внутренней структуры компонента выводят из ответных сигналов.
Изобретение также относится к устройству для испытания компонента с помощью ультразвука. Это устройство содержит
- по меньшей мере один ультразвуковой излучатель для создания зондирующего сигнала,
- множество ультразвуковых приемников для приема множества ответных сигналов, причем ультразвуковые приемники расположены в разных положениях по отношению к указанному ультразвуковому излучателю, и
- блок управления, выполненный и сконструированный с возможностью, для ответного сигнала по меньшей мере группы указанных ультразвуковых приемников,
а) идентификации в указанном ответном сигнале первой части сигнала, вызванной поверхностной волной, проходящей в указанном компоненте от указанного ультразвукового излучателя к ультразвуковому приемнику,
b) выведения коррекционного значения из указанной первой части сигнала, и
c) масштабирования по меньшей мере одной второй части указанного ответного сигнала с коэффициентом масштабирования, зависящим от указанного коррекционного значения.
Предпочтительно, блок управления выполнен и сконструирован с возможностью осуществлять способ в соответствии с любым из пунктов формулы изобретения на способ, с потенциальным исключением приложения устройства к компоненту, которое, как правило, пользователь устройства будет делать, если устройство не является, например, управляемым роботом.
Способ и устройство согласно настоящему изобретению могут быть использованы для исследования любого типа компонента, в частности образцов бетона.
В конкретном варианте выполнения изобретение может быть использовано для создания представлений в виде изображения внутренней структуры компонента, в частности, с использованием технологии фокусировки с синтезированной апертурой (SAFT).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет лучше понято и отличные от изложенных выше задачи станут очевидными при рассмотрении его нижеследующего подробного описания. Это описание содержит ссылку на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает вариант выполнения устройства для испытания компонента с помощью ультразвука,
Фиг. 2 показывает пример блок-схемы такого устройства, и
Фиг. 3 показывает ряд ответных сигналов, иллюстрирующих способы их масштабирования.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство
:
Устройство 1, показанное на Фиг. 1, может быть использовано для неразрушающего испытания компонента с помощью ультразвука.
Оно содержит корпус 2, например, по существу кубовидной конструкции.
Корпус 2 имеет зондирующую сторону 3. Зондирующая сторона 3 является преимущественно плоской.
Множество двунаправленных ультразвуковых преобразователей 4 расположены на зондирующей стороне 3 корпуса 2. Каждый преобразователь 4 предпочтительно содержит пьезоэлектрический привод, оснащенный наконечником 5а, и упруго установлен в держателе 5b, например типа, описанного в WO 2016/029326.
Преобразователи 4 предпочтительно находятся в одной плоскости и выполнены с возможностью расположения на плоской поверхности испытываемого компонента.
В показанном варианте выполнения преобразователи 4 расположены в прямоугольной матрице из строк и столбцов. Матрица имеет, например, три такие строки и восемь столбцов. Преобразователи 4 в одном столбце могут, например, быть частью одного канала устройства, как это будет описано более подробно ниже.
Фиг. 2 показывает блок-схему устройства.
Эта блок-схема схематично показывает преобразователи 4, сгруппированные в каналы 6. В показанном варианте выполнения каждый канал 6 имеет по три преобразователя 4.
В данном варианте выполнения каналы 6 расположены по линии, то есть вдоль одного направления, хотя можно предусмотреть двухмерное расположение для формирования изображения компонента в полном 3D режиме.
Контроллер 7 подключен к каналам 6 для управления ими и для приема сигналов от них. Контроллер 7, например, содержит интерфейсную схему 8 для сопряжения с каналами 6, центральный процессор (CPU) 9, выполненный с возможностью управлять операциями, и память 10 для хранения данных и встроенного программного обеспечения.
Дополнительно, контроллер 7 может быть соединен со схемой ввода и вывода, а также со схемой пользовательского интерфейса для приема команд, отправки данных и отображения результатов измерений.
В данном варианте выполнения каждый из каналов 6 может работать как ультразвуковой излучатель или как ультразвуковой приемник:
- При работе в качестве ультразвукового излучателя канал излучает ультразвуковые импульсы в поверхность испытываемого компонента. Предпочтительно, все преобразователи 4 канала излучают один и тот же сигнал.
- При работе в качестве ультразвукового приемника канал принимает и измеряет ультразвуковые сигналы, обнаруженные на поверхности компонента. Предпочтительно, все сигналы его преобразователей 4 объединяются в один ответный сигнал, например, суммированием.
В обоих случаях наконечники 5а преобразователей 4 должны находиться в контакте с поверхностью компонента.
Процедура измерения
:
Для осуществления измерения, пользователь помещает устройство 1 на испытываемый компонент так, что, если это возможно, все преобразователи 4 вступают в контакт с ним.
Затем по меньшей мере один, как правило именно один в каждый момент, из каналов 6 настраивают на работу в качестве ультразвукового излучателя. Дополнительно, несколько каналов 6, предпочтительно по меньшей мере все каналы за исключением канала, работающего в качестве излучателя, работают как ультразвуковые приемники.
Контроллер 7 дает команду ультразвуковому излучателю создавать зондирующий сигнал. Зондирующий сигнал может, например, содержать один импульсный цикл, включающий в себя подачу положительного напряжения с последующим отрицательным напряжением на преобразователь(и) ультразвукового излучателя. Однако также могут быть использованы и более сложные формы волны.
Предпочтительно, но не обязательно, зондирующий сигнал является сравнительно коротким по сравнению с интервалом между последовательными зондирующими сигналами, чтобы оставить достаточно времени для измерения всех эхо-сигналов от зондирующего сигнала до выдачи следующего зондирующего сигнала.
Контроллер 7 затем собирает ответные сигналы, измеренные ультразвуковыми приемниками:
- Ответные сигналы соответствуют ультразвуковым колебаниям, обнаруженным преобразователем(ями) каналов 6, настроенным(и) в качестве ультразвуковых приемников. Эти колебания вызваны наложением различных путей прохождения сигнала между ультразвуковым излучателем и каждым ультразвуковым приемником.
- Ультразвуковой излучатель излучает поверхностные волны, которые распространяются вдоль поверхности испытываемого компонента. Эти поверхностные волны в большинстве случаев первыми достигают положения ультразвукового приемника.
- Ультразвуковой излучатель также излучает волны в объем испытываемого компонента. Неоднородности, а также поверхностные структуры (в частности, поверхность, противоположная той, к которой прикладывают преобразователи 4) вызывают рассеивание этих волн, и некоторые из этих рассеянных волн будут также поступать в положение ультразвукового приемника, как правило после поступления поверхностной волны.
Фиг. 3 показывает в своем левом столбце пример ответных сигналов, принимаемых ультразвуковыми приемниками. В этом примере канал на одном конце матрицы преобразователей 4 отправил однопериодный ультразвуковой импульс, как описано выше. Канал рядом с излучающим каналом является первым, который принимает сигнал C1 (самый верхний график), следующий соседний канал принимает сигнал C2, и т.д.
Как видно из левого столбца на Фиг. 3, каждый сигнал Ci (i=1...7) начинается со сравнительно сильной импульсной структуры, которая расположена в «первой части сигнала» (как названо в формуле изобретения) и которая обусловлена поступлением поверхностной волны в соответствующий канал. Затем сигнал показывает некоторое число меньших колебаний, которые вызваны волнами, поступающими после рассеяния от внутренних неоднородностей компонента или от его обратной стороны. Эти меньшие колебания, как правило, представляют интерес для дальнейшей обработки, например, в контексте обработки SAFT.
Как видно далее из левого столбца на Фиг. 3, время поступления поверхностной волны зависит от ультразвукового приемника. Чем дальше приемник от ультразвукового излучателя, тем позже поступает поверхностная волна. Это вызвано тем, что скорость распространения поверхностной волны ограничена. Типичная скорость поверхностной волны в бетоне составляет, например, около 2500 м/с.
Наконец, как можно видеть также из левого столбца на Фиг. 3, амплитуды импульсов варьируются между различными ответными сигналами. Несмотря на то, что можно ожидать определенного ослабления амплитуды с увеличением расстояния от ультразвукового излучателя, примеры ясно показывают, что существуют различия между высотой сигнала, которые нельзя объяснить, даже если такое ослабление было постулировано. Например, сигналы C5 и C6 сильнее, чем сигнал C4, даже если сигнал C4 был измерен ближе к ультразвуковому излучателю, чем сигналы C5 и C6. Это изменение амплитуды обусловлено, прежде всего, разной силой связи (сопряжения) между различными каналами и компонентом. Как описано выше, неоднородности поверхности компонента приводят к таким различиям в сопряжении.
Масштабирование сигнала
:
Как упоминалось выше, такие эффекты могут быть компенсированы подходящим масштабированием сигнала.
В общем, канал, измеряющий слабую амплитуду поступающей поверхностной волны, плохо сопряжен с компонентом. Следовательно, он также будет измерять последовательно поступающие отраженные волны с меньшей чувствительностью.
Чтобы компенсировать такие изменения, каждый ультразвуковой сигнал Ci масштабируют с использованием коэффициента масштабирования Si:
.
Ci'=SiCi,  (1)
где Ci' обозначает масштабированный сигнал. Такие масштабированные сигналы Ci' показаны в правой колонке Фиг. 3.
Следует отметить, что коррекция по Формуле (1) не обязательно должна быть выполнена по всем измеренным ответным сигналам. Это также может быть осуществлено только в отношении «второй части сигнала» (как названо в формуле изобретения), а именно той части сигнала, которую используют для дальнейшей обработки.
Коэффициент масштабирования Si может быть выведен из коррекционного значения Vi, описывающего силу ответного сигнала в его «первой части сигнала», то есть силу измеренной поверхностной волны.
В общем, коэффициент масштабирования Si будет зависеть от коррекционного значения Vi, причем коэффициент масштабирования Si становится меньше с увеличением коррекционного значения Vi. В большинстве случаев наилучшие результаты дает взаимное отношение, т.е.
Si=Ki/Vi,  (2)
где Ki - константа. Ki может иметь одинаковое значение для всех ультразвуковых приемников. Альтернативно, она также может учитывать естественное затухание поверхностной волны при ее распространении от ультразвукового излучателя к ультразвуковому приемнику, например, за счет задания
.
.
Ki=Kexp(αxi),  (3)
где α - постоянная затухания, описывающая затухание поверхностной волны на единицу длины, а xi - расстояние соответствующего ультразвукового приемника от ультразвукового излучателя. K – константа, которая, как правило, является общей для всех ультразвуковых приемников.
Далее мы описываем различные способы вычисления коррекционного значения Vi.
На первом этапе следует выявить (идентифицировать) часть ответного сигнала, соответствующую поверхностной волне. Для этой цели каждому ультразвуковому приемнику может быть присвоено временное окно W (как показано на Фиг. 3). Этот тип окна используют для идентификации «первой части сигнала», как определено выше, то есть той части сигнала, в которой, как ожидается, будет преобладать поверхностная волна.
В одном варианте выполнения временное положение (то есть время начала и окончания окна) может быть вычислено так, чтобы оно было пропорционально расстоянию xi ультразвукового приемника от ультразвукового излучателя. Например, центральное время ti временного окна может быть вычислено по
ti=xi/c,  (4)
где c - скорость поверхностной волны.
Длина временного окна, как правило, зависит от длины зондирующего сигнала (импульса), излученного ультразвуковым излучателем. Предпочтительно, длину временного окна выбирают так, чтобы она была по меньшей мере такой же большой, как длина излученного импульса, предпочтительно несколько больше, чтобы компенсировать ошибку в предполагаемой скорости c поверхностной волны. Например, длина временного окна составляет от длины импульса до пятикратной длины импульса, в частности, она примерно вдвое больше длины импульса.
Альтернативно или в дополнение к этому, временное окно может быть позиционировано поиском первого сильного импульса (например, импульса, амплитуда которого превышает заданную пороговую амплитуду) в ответном сигнале. Такой первый импульс, как правило, указывает на поступление поверхностной волны. Другими словами, временное положение временного окна выбирают в зависимости от времени поступления первого импульса в ответном сигнале после того, как зондирующий сигнал был излучен.
Этот анализ времени поступления первого импульса может сочетаться вычислением Уравнения (4), чтобы проверить два способа на согласованность. Если результаты двух способов противоречивы, то, например, можно изменить масштабирование или использовать другое (например, более длинное) временное окно.
Как только подходящее временное окно W было определено, коррекционное значение Vi может быть выведено из интенсивности сигнала в нем. Опять же, есть различные пути сделать это:
В одном примере огибающая сигнала ответного сигнала может быть вычислена по меньшей мере во временном окне W. Такая огибающая показана пунктирными линиями на Фиг.3 C1 и C2.
Алгоритмы для вычисления огибающей колебательного сигнала известны специалисту в данной области техники. Например, сигнал может быть выпрямлен (т.е. используют абсолютное значение сигнала), а затем отфильтрован на низких частотах с помощью фильтра нижних частот.
Фильтр нижних частот можно, например, настраивать, предполагая, что зондирующий сигнал является амплитудно-модулированным сигналом, имеющим несущую частоту, соответствующую частоте импульса (например, 50 кГц), и что ширина полосы этого сигнала равна B. После выпрямления спектр необработанного сигнала разделяют на сигнал основной полосы при 0 Гц и сигнал с двойной центральной частотой импульса (то есть, например, при 100 кГц). Спектральные компоненты около двойной центральной частоты (то есть около 100 кГц) нежелательны и должны быть отфильтрованы. Следовательно, частота отсечки фильтра нижних частот предпочтительно должна быть около B/2. Это также гарантирует, что на сигнал основной полосы (то есть огибающую) фильтр не влияет, в то время как нежелательные частотные составляющие на двойной центральной частоте подавляют).
Как только огибающая рассчитана, ее максимум или другая величина, описывающая ее интенсивность, может быть использована для выведения коррекционного значения Vi. Например, коррекционное значение Vi может быть установлено равным наибольшему значению A огибающей, как показано на верхнем левом графике на Фиг. 3.
Альтернативно или в дополнение к этому, коррекционное значение может зависеть от максимального значения самого ответного сигнала, в частности, быть пропорциональным ему, без предварительного вычисления огибающей. В частности, поиск максимального значения опять же ограничивают окном W.
Следует отметить, однако, что использование огибающей является более устойчивым к шуму неустойчивого сигнала, чем использование отдельного пикового значения ответного сигнала.
Кроме того, следует отметить, что окно W не обязательно является «прямоугольным» окном в том смысле, что любые сигналы за его пределами игнорируют. Это также может быть «взвешенное» окно в том смысле, что его представляют функцией распределения, перемножаемой с ответным сигналом, причем функция распределения имеет плоский максимум в области, центрированной по ожидаемому времени поступления поверхностной волны, и постепенно уменьшается до нуля с обеих ее сторон.
Дополнительно, могут использовать способы, которые не зависят или не явно зависят от временного окна, например, просто поиск самых высоких значений сигнала в ответном сигнале.
Примечания
:
В показанном здесь варианте выполнения вычисление коррекционного значения, а также масштабирование выполняется контроллером 7, например, реализованным в виде операций при программировании CPU 9. Альтернативно или в дополнение к этому, некоторые или все эти этапы могут быть выполнены на уровне отдельных каналов и/или на блоке обработки вне корпуса 2.
Преобразователи ультразвукового излучателя предпочтительно работают для создания поперечных волн, то есть их наконечники 5а перемещаются в направлении, параллельном зондирующей стороне 3 и параллельном столбцу преобразователей 4 в канале ультразвукового излучателя. Однако, также могут быть использованы другие колебания.
Устройство может быть оснащено пользовательскими элементами управления вводом, которые позволяют пользователю выборочно включать или отключать описанное здесь масштабирование сигнала.
В приведенном выше примере предполагалось, что один канал 6 был ультразвуковым излучателем, а другие каналы 6 были ультразвуковыми приемниками. В большинстве режимов работы роль ультразвукового излучателя последовательно присваивают всем каналам 6, тогда как каждый раз другие каналы 6 будут использоваться в качестве приемников.
Предпочтительно, ультразвуковой излучатель и/или каждый ультразвуковой приемник содержит несколько ультразвуковых преобразователей 4, все из которых расположены для контакта с испытываемым компонентом.
Как упоминалось, предложенные способ и устройство особенно подходят для зондирования бетона и других твердых материалов, которые могут иметь поверхностные неоднородности.
Кроме того, они хорошо работают без какой-либо соединительной жидкости или пасты, наносимой между преобразователями и компонентом. Традиционные способы, как правило, очень чувствительны к поверхностным неоднородностям в отсутствие такой соединительной жидкости или пасты.
Предпочтительно, каждый ультразвуковой приемник содержит один или более наконечников, которые прикладывают к компоненту во время приема ответных сигналов. Такая конструкция обеспечивает хорошее разделение сигналов каналов и хорошо подходит для отдельного масштабирования ответных сигналов.
Несмотря на то, что показаны и описаны предпочтительные в настоящее время варианты выполнения изобретения, следует четко понимать, что изобретение не ограничивается ими, но может быть различным образом воплощено и реализовано в пределах объема охраны следующей формулы изобретения.