CN110088564A - 壁状或板状结构中一个区域的厚度的确定 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由于结构中存在空腔或凹陷而使壁状或板状结构区域的厚度小于周围结构区域的厚度的确定方法。该方法包括将所测量的时频色散图（51）与通过模拟结构获得的参考时频色散图（45；图9）进行比较，确定截止频率fc，在该截止频率fc下，对所测量的时频色散图和对应的参考时频色散图进行区别，通过计算得到更小的区域厚度。

Description

壁状或板状结构中一个区域的厚度的确定
技术领域
本发明涉及一种确定壁状或板状结构(例如墙、板、管或空心杆)中某一区域的厚度的方法。
本发明还涉及一种用于导波检测的传感器。
背景技术
超声导波可用于检查管道、轨道、杆、板和其他类型的结构是否存在腐蚀型缺陷，裂纹和其他类型的缺陷。
导波可以用来检查具有很长范围延伸的结构，比如，超过数十米或数百米的结构。此外，导波可用于检查涂有绝缘层的结构，这些结构都很难接近(例如被掩埋的结构或者在水下的结构)或者正在使用中。
M.Lowe和P.Cawley介绍并概述了远程超声导波检测***的功能：“远程导波检测用途-当前商业能力和研究方向”(2006年)(http://www3.imperial.ac.uk/pls/portallive/docs/1/55745699.PDF).
导波可以在许多不同的结构模式下传播，包括扭转模式、弯曲和压缩模式。由于很少有导波能量耦合到管道内外的外部介质中，因此在管道使用过程中，在扭转模式下，用水平剪切波的形式特别适用于管道的检查。
虽然水平剪切波可用于测量平均管道厚度，但在工业上，水平剪切波并不特别适合检测和确定缺陷的尺寸，例如由于壁的内径或外径腐蚀而导致的壁厚减小。
在实验中，根据拉姆波和水平剪切波在其截止频率附近，来确定管道存在的腐蚀，并利用透射系数、反射系数或模式转换现象进行研究调查。
例如，如J.L.Rose&J.N所述，通过实验研究使用模式截止来识别命令和获得腐蚀区域的厚度。Barshinger：“使用超声导波模式截止进行腐蚀检测和分类”，IEEE超声研讨会，第851页(1998)，W.Zhu，J.L.Rose，J.N.Barshinger，V.S.Agarwal：“超声导波无损检测隐藏腐蚀”，无损评价研究，第205至225页(1998)和D.Tuzzeo&F.Lanza di Scalea：“非接触式空气耦合导波超声检测铝板中的减薄缺陷”，第10卷，第61至77页(2001)。
如Nurmalia、N.Nakamura、H.Ogi和M.Hirao所述，实验上也观察到了模式转换：“在铝薄板薄化区剪切水平导波传播的检测”，日本应用物理杂志，第50卷，第07HC17-1至07HC17-5页(2011)，Nurmalia、N.Nakamura、H.Ogi、M.Hirao、K.Nakahata：“SH导波在锥形板中的模式转换行为”，NDT&E国际，第45卷，第156至161页(2012年)和P.Belanger：“最小残余厚度的高阶水平剪切模式”，超声波学，第54卷，第1079至1087页(2014年)。
尽管进行了这些实验室调查，但这些方法并没有被应用于实际的导波检测***中，尤其是由于许多未知变量使得识别和描述现实结构中的缺陷(可能有任何尺寸的缺陷)更加困难。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种确定壁状或板状或基础结构(例如管道、矩形导管或圆柱形容器)区域的厚度(“剩余厚度”)的方法，该区域由于内部有空腔或凹陷从而小于结构周围区域的厚度。该方法包括使用导波测量获得至少一个色散导波的测量时频色散图与通过模拟无腔结构获得的参考时频色散图进行比较，确定在截止频率下测量到的时频色散图与参考时频色散图不同，根据截止频率计算剩余厚度。
至少一个色散的导波是比一个剪切水平导波要高阶一个基本对称水平剪切导波(SH0)，例如，第一激发模式反对称剪切水平导波(AH1)。
该方法包括通过使发射传感器在给定频率下使用短脉冲激励结构，接收来自接收传感器的时变信号并存储时变信号来获得测量的时频色散图。
时变信号可以包括所对应于的一个或多个导波信号，一个或多个导波可以包括至少一个基本对称剪切水平导波(SH0)和至少一个第一激发模式反对称剪切水平导波(AH1)，一个或多个导波可以包括至少一个发射波，所述至少一个发射波可以包括周期性检测波(即在结构(例如管道周长)中绕回路传播的波，并且每次波返回到接收传感器时都被检测到，从而产生两个或更多个波)。一个或多个导波可以包括至少一个反射波。
发射传感器在给定频率下使用音频脉冲来激发结构可能会导致结构中产生基本对称水平剪切波SH0，导波和第一激发模式不对称水平剪切波AH1。
对结构进行建模包括根据结构厚度生成参考时频色散图，生成的参考时频色散图可包括所计算的飞行时间作为频率的函数；反之取决于导波模式号码，发送传感器和接收传感器之间的距离，壁状或板状结构的厚度和主体剪切速度。
对结构进行建模可以包括结构的参考部分(例如，基本上没有缺陷或至少没有感兴趣的缺陷的管道部分)，发送传感器使用参考音频脉冲激发建模结构，接收来自接收传感器的参考时间变量信号，并根据参考时变信号确定发送传感器和接收传感器之间的距离以及结构的壁厚或板厚。
所述空腔优选为表面空腔或凹陷，即所述空腔从所述结构的表面(可以是外表面或内表面)的延伸。例如，空腔可能位于管道的表面。
所述的结构是优选的伸长，即具有大于其横向尺寸的长度(例如直径)。所述优选结构包括具有基本均匀厚度的壁或板。壁或板可在横向(即围绕管周)上具有优选光滑的曲率，即厚度或方向没有突变。
壁状或板状结构可以是包含管壁的管道。
该方法可在软件中实施，例如在包含备忘录和至少一个处理器的计算机***中(可编程)。该方法至少可以在硬件中实现，例如可以使用特定应用于集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)来执行该方法的一些步骤。
根据本发明的第二方面，提供了一种计算机程序，当由计算机***执行时，使计算机执行该方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读介质，可以是非临时计算机可读介质，用于存储计算机程序。
根据本发明的第三方面，提供了一种配置设备，其配置用于将导波测量结构获得的至少一个色散导波的测量时频色散图与通过模拟无腔结构获得的参考时频色散图进行比较，以确定测量的时频色散图和参考时频色散图不同的截止频率，并根据截止频率计算较薄区域的厚度。
该装置可以是一个计算机***，包括记忆和至少一个处理器，所述处理器配置为将通过使用导波测量结构获得的至少一个色散导波的测量时频色散图与通过建模获得的参考时频色散图进行比较，确定测量的时频色散图和参考时频色散图不同的截止频率，并根据截止频率计算较薄区域的厚度。
对于一组不同的频率，所述设备被配置成使发送传感器在给定频率下使用声频脉冲激发所述结构，从所述接收传感器接收时变信号并存储时变信号，以生成所测量的时频色散图。
所述装置可配置成使传感器进行机械调整，以获得不同波长范围。该装置可配置成使传感器中元件的间距发生变化。例如，该装置可配置成通过执行器(例如电动机)改变传感器中元件的间距。
根据本发明的第四方面，提供了一种导波检测***，该***包括计算机***，发送器包括用于激发所述结构中的导波模式的发送传感器，接收器包括一个用于获得时变信号的接收传感器。
发送器传感器和接收传感器可包括各自的传感器。
发送传感器和接收传感器可包含一个电磁声传感器(EMAT)或一个主要的和一个次要的电磁声传感器(EMATS)。
所述的传感器可以(每一个)包括一个间隔的传感器元件阵列，其布置使得传感器元件之间的间距可调。例如，传感器可以包括至少一个线性轴承和至少一个电机，比如步进电机的形式，一个或多个传感器元件可安装在其上面或者安装到线性轴承上。
根据本发明的第五个方面，提供一种用于导波检测的传感器，其包括一组间隔的传感器元件阵列，这些元件的布置使得传感器元件之间的间距可调。
因此，传感器可以进行机械调整，以获得不同的波长范围。
传感器可以(每一个)包括一个间隔的传感器元件阵列，其布置使得传感器元件之间的间距可调。传感器可以包括至少一个线性轴承和至少一个电机，例如以电机的形式，例如步进电机，一个或多个传感器元件可安装在其上面或线性轴承上。
传感器可以是电磁声传感器(EMAT)，并且传感器元件包括磁铁，例如，以永久磁铁和电磁铁的形式存在。
传感器的配置可以使间距可变，以便在下限和上限之间取一个值。下限可在1mm至10mm范围内，上限可在10mm至20mm范围内。
传感器的配置可以使间距可变，以便在下限和上限之间取一个值，其中下限在10mm和30mm之间，上限在20mm和60mm之间。
该传感器可以包括耦合线性螺线管的电机和至少一个传感器元件，以便在传感器元件之间形成可变间距。
传感器可包括两列或多列传感器元件，其中每列包括三个或更多传感器元件，一行或多行传感器元件可以一起移动，且每行包含两个或多个传感器元件(每列一个)。
附图说明
本发明的实施例，将以参照附图的方式描述，其中：
图1是管壁和管壁缺陷的横截面图；
图2是导波剪切水平传感***的原理框图，该***可用于检查金属板或管道；
图3是钢管的部分横截面，并说明了一种布置，其中传感***的发送器和接收器被放置在管道周围靠近管道外部的不同位置；
图4是基本剪切水平模式(SH0)声音脉冲的时域示意图，该声音脉冲由图3所示的发射机生成后然后到达接收器的时间是100.0微秒；
图5是钢管的部分横截面，并说明了一种布置，其中传感***的发送器和接收器放置在管道周围靠近管道外部的不同位置，与图3所示类似；
图6是色散反对称剪切水平模式(AH1)声音脉冲的时域示意图，以及以103.6微秒为中心的窗口信号相对应的傅立叶变换，并表明窗口信号的主频为254.5kHz；
图7说明了与图5所示类似的一个主要的发送器-接收器的布置，其中接收器***发送器和管道缺陷之间；
图8是透射分散反对称剪切水平模式(AH1)时域示意图，其反射来自图7所示的主要排列中的缺陷；
图9是图8所示参考AH1信号的快速傅立叶变换的示意图；
图10是图8所示缺陷反射信号的快速傅立叶变换的示意图，其中fc是反射信号的截止频率；
图11说明了第二种发送器-接收器布置，类似于图5所示，其中发送器和接收器之间存在缺陷；
图12是图11所示的第二种布置中发送的色散型AH1信号的时域示意图；
图13是图12所示信号通过缺陷传输的快速傅立叶变换的示意图，其中fc是反射信号的截止频率；
图14显示了围绕管道圆周的发送器-接收器布置；
图15是以顺时针和逆时针方向围绕管道圆周移动的非色散SH0小波的示意图；
图16是沿管道圆周传播的色散型AH1模式的时频示意图；
图17a是确定缺陷深度的第一种方法的流程图；
图17b是确定缺陷深度的第二种方法的流程图；
图18是沿无缺陷管道周围上传播的SH0和AH1模式的分散型时域示意图；
图19是沿无缺陷管道圆周上传播的SH0和AH1模式的频率与时间的示意图；
图20说明了围绕管道周围的发送器-接收器布置和支持此种类型的缺陷；
图21是一个SH0和AH1模式频率与时间的示意图，它们围绕着有缺陷的管道做圆周运动，从而使AH1穿过缺陷并发生反射和透射，其中***测量截止频率fc，从而计算最小剩余壁厚Lmin；
图22是沿以10mm壁厚的管道做圆周运动的SH0、AH1和SH1模式的波长与频率的示意图，并说明探头频率范围在180至325kHz，波长范围在11至41mm，以检测延伸至管壁里面1至5mm的缺陷；
图23是一个三元件传感器的示意图，显示了一个磁铁布置，其中的中心磁铁是固定的，相邻的磁铁可以调整，以方便地改变间距；
图24是第一个传感器布置的平面图，其中磁铁间距可以改变；
图25a和25b分别在平面图中说明了第一和第二磁铁间距；
图26a和26b分别从透视图说明了第一和第二磁铁间距；
图27a和27b分别在顶视图中说明了第一和第二磁体间距中的第二传感器布置；
图28a和28b分别在底视图中说明了第一和第二磁体间距中的第二传感器布置；
图29a和29b分别以透视图说明第一和第二磁体间距的第二传感器布置。
具体实施方式
管道缺陷
本文所述的导波传感***的目的是检测和预测支撑型缺陷的深度和其他相似类型的缺陷，这些缺陷是在用于输送石油、天然气、石化产品、其他类型的加工化学品、水或冷却剂的管道中发现的。这些类型的管道广泛应用于石油和天然气开采平台、炼油厂、化工厂、管道、发电站以及其他类型的工业设备和基础设施。
参考图1，管道缺陷1可以是在管道3的壁2中形成的空腔或凹坑的形式，从而导致壁厚L大幅度减小。缺陷1可以纵向或沿着圆周延伸一段距离d，从管道内部4或管道外部3的几毫米到几百毫米不等。缺陷1的深度Lmax可以是原始壁厚的X％，其中0<X<100。例如，缺陷1可以是相对较浅的，例如0％<X％<50％，或相对较深的，50％<X％<100％。空腔可以填充不同于管壁2的材料，例如，管壁2可由钢制成，空腔可以用铁锈填充。
超声导波剪切水平传感***
参考图2，使用导波的传感***6，可用于检测和确定缺陷尺寸。
***6包括发送器7和接收器8，所述的发送器7和接收器8包括各自的传感器9、10，所述传感器9、10能够产生和检测管壁2中的剪切水平(SH)导波。传感器9，10采用电磁声学传感器(EMATs)的形式。然而，其他形式的转导，如压电转导也可以实现。
***6包括能够产生具有适当频率(通常为数十或数百千赫(kHz)的射频信号12的信号发生器11，例如，一个n周期的合适的窗声音脉冲，其中n是等于或大于1的正数，可取的整数或半整数，最好的取值范围为3≥n≥10的值，其中适当的窗函数可以看作高斯函数。信号发生器11将射频信号12反馈发送至发送传感器9，发送传感器9通过洛伦兹力和磁致伸缩转导将信号12转换为管壁2中的导波13，导波13沿管壁2传播，并可在不连续处传输和反射。
接收传感器10将(接收到的)导波13转换为电信号15。接收传感器10向信号接收器16提供电信号15。信号接收器16可包括放大器(未显示)和模拟-数字转换器(未显示)，其将产生电信号15转化为数字化信号17。
***6包括一个计算机***18，用于控制信号发生器11和处理从信号接收器16所接收到的信号17。计算机***18包括至少一个处理器19和存储器20，所述处理器19和存储器20存储用于实施缺陷检测和缺陷分级程序的软件21。
***6还包括显示器22以允许显示测量值，以及一个或多个用户输入设备23。显示器22可以采用触摸显示屏的形式，该触摸显示屏还提供给用户进行输入操作。
传感***6能够自动测量管道直径和管道壁厚L。这两个基本参数随后被计算机程序用于检测缺陷和测量其尺寸。
计算发送器和接收器之间的有效距离
参考图3和图14，将传感器9和10反方向放置，或将传感器9和10在不同角度位置，换句话说，在不同角度位置θ，围绕管道的圆周，如图14所示，适当靠近3号管环形段30内的钢管壁2，沿管道同一纵向位置z。
参考图3和图4，发送器7生成沿接收器8方向传播的基本剪切水平模式(SH)导波声音脉冲，***6测量波13从发送传感器9到接收传感器10所花费的时间。
发射器7和接收器8之间的有效路径长度(距离)Dtr可计算为：
Dtr＝c×Tof (1)
其中c是钢材料中SHo模式的速度，Tof是发射机7到接收机8之间的飞行时间。
例如，发送器7在时间0.00微秒时产生短暂的声音脉冲SHo信号，接收器8在时间100.0微秒时接收到声音脉冲信号。在钢材料中SHo模式下的速度c为3250.0m/s。如果***6测量的飞行时间t为100.0微秒，则使用上述方程(1)，***6可以计算发送器7和接收器8之间的有效长度(距离)Dtr为325.0mm。
计算管壁的厚度
参考图5，传感器9和10被分开一定距离，并沿着钢管的圆周互相面对面的放置。
参考图6，发送器7生成沿接收器8方向传播的弥散剪切水平模式SHn(其中n为正整数)声音脉冲波。波从发送传感器9到接收传感器10所花费的时间和接收信号的主频都经过***6测算(图2)。
SHn模式测量频率的群速度可通过以下方法获得：
v＝Dtr/Tof (2)
其中Dtr是有效路径长度(距离)，从发送传感器9到接收传感器10之间，Tof是波在发送传感器9到接收传感器10之间传播所用的飞行时间。
利用弥散方程，可以计算管壁2的厚度L。
式中v是SHn声音脉冲的群速度，f是SHn音频脉冲的主频，c是在钢材料中的整体剪切速度，n是模数，其中n＝1，2，…
例如，AH1音频脉冲信号从发送器7传输到接收器8，传感器9和10放置在彼此相距Dtr＝185.5mm处。
***6(图2)在以Tof＝103.6微秒为中心的时间窗口31内选择AH1音频脉冲突发的部分，***6对窗口信号进行快速傅立叶变换(FFT)，并找到主频f等于254.5kHz。
利用上面的方程(2)，通过AH1模式的群速度v和频率可以获得v＝185.5/103.6＝1790.5m/s。在钢材料中的体积剪切速度c为3250m/s。利用***6上面的方程(3)，可以计算管壁厚度L为7.65mm。
用反射波计算缺陷的深度
参考图7，传感器9和10被分开一定距离，并沿着管道3的圆周互相面对面的放置，接收传感器10位于发送传感器9和缺陷1之间。
同样参考图8，发送器7产生一个AH1模式的音频脉冲，移动中的AH1声波由接收器8采集，波13进一步传播并由缺陷1反射，反射波14随后被接收器8采集，信号的时域视图如图8所示。
参考图9和图10，显示了原始AH1信号和反射信号的傅里叶变换35和36。
反射信号14的频率组成与原始信号13的频率组成不同，具体来说，高频率信号将在特定截止频率fc上显著衰减。
***6使用以下公式计算缺陷1下的最小壁厚Lmin：
Lmin＝c/2fc (4)
式中，c是钢材料中的整体剪切速度，fc是反射信号的截止频率。
例如，钢中的剪切波速c为3250.0m/s，如果截止频率fc经测量为280.0kHz(见图10)，则使用上述方程(4)，***6确定最小壁厚Lmin为5.8mm，如果管壁厚度为7.7mm，则缺陷深度为7.7-5.8＝1.9mm。
用透射波计算缺陷的深度
参考图11，传感器9和10被分开一定距离，并沿着钢管2的圆周互相面对面的放置，缺陷1位于发送传感器9和接收传感器10之间。
参考图12，发送器7生成一个分散的AH1模式声频脉冲13。前进波穿过缺陷区域，发射波13被接收器8采集。
同样参考图13，图12所示的是发送信号13的傅立叶变换38，所述的前进波穿过缺陷区域会丢失一部分低频信号39，在一定的截止频率40以下，信号被衰减。
***6(图2)在缺陷1下计算最小壁厚Lmin为：
Lmin＝c/2fc (5)
式中，c是钢铁中的整体剪切速度，fc是反射信号的截止频率。
例如，假设钢铁中的整体剪切波速度为3250.0m/s。如果***6(图2)发现它们的fc为325.0kHz(图13)，则***6使用上述方程(5)计算的最小壁厚Lmin为5.0mm。如果管壁厚度为7.7mm，则缺陷深度为7.7-5.0＝2.7mm。
缺陷尺寸确定过程
参考图14，显示了围绕管道3的发送器7和接收器8的布置。
管道周长
所述的发送器7被设置成在管壁2中产生横波，横波围绕管圆周进行传播，发送器7产生一个SHo模式的声频脉冲波，由接收器8接收。
同样参考图15，***6检测沿顺时针和逆时针方向沿圆周移动的多个往返小波131、132、133、134，并根据飞行时间准确计算发送传感器9和接收传感器之间的有效路径长度(距离)Dtr，和管道周长Cire。
***6(图2)测量得到的变量Dtr和Cire的精度等于或小于0.1mm。
管壁厚度
利用高阶模式的色散特性，***6(图2)利用测量信号的时频分解精确测量管壁厚度。实际上，***6(图2)使用非分散SHo模式和第一种分散模式AH1，即方程(3)的模数n＝0和n＝1。
同样参考图16，***6(图2)可以生成一个可预测的(或“理论上的”)时频图40(本文也称为“设置一个时频图”)，用于给定了发送器和接收器之间距离Dtr、管道周长Cire和管道壁厚L的测量值，现在将进行更详细的描述。
设置一个时间频率图
参考图14，发送器7和接收器8围绕管道圆周3上布置，发射器7和接收器8之间的圆周距离A、B可分别沿顶部和底部路径测量。
管道周长c计算公式为：
C＝A+B (6)
例如，参考图15，利用第一和第二子波131、132的飞行时间还有3250m/s的整体剪切波速度，可确定顶部和底部路径的圆周距离分别为a＝57.1×3250＝185.5mm和b＝150.2×3250＝488.0mm，因此圆周c＝a+b＝673.5mm。
上述方程(3)可以重新排列，得出：
因此，小波的到达时间可以计算为：
其中D是发送器7和接收器8之间的路径长度。
D可以是顶部路径A、底部路径B或多个圆周路径，即：
D＝A,B,A+C,B+C,A+2C,B+2C,....(9)
例如，为了生成顶部路径的AH1模式(即模式n＝1)的时频曲线，***6(图2)使用上面的方程(8)和n、D、A和c的值，如图16所示，对于n＝1，D＝A＝185.5mm，和c＝3250ms-1：
***6利用方程(8)为其他圆周路径A、B、A+C、B+C、A+2C、B+2C等生成AH1模式曲线，并获得如图16所示的一系列时频曲线。
在这个时频图40上，AH1曲线411，412，413的位置由管壁厚度L决定，对于较大的管壁厚度值L，AH1曲线向下移动，而对于较小的管壁厚度值L，AH1曲线向上移动。
***6(图2)利用时间-频率图40上沿AH1线的方程(3)多个点计算管道壁厚L，通常壁厚的测量范围为一毫米的一小部分。
一般来说，可以使用方程(8)(n＝0，1，2，…)计算管道3中任何SHn模式的时频曲线。
***6(图2)生成与SH0、AH1和更高模式相关的时频曲线系列，并创建参考时频图(图19)，然后***6(图2)使用该图检测和评估缺陷1。
检测缺陷的支持类型
参考图2，图14和图17到图19，检测和确定缺陷1的深度，采用多个步骤。首先，***6用于检查管道3的无缺陷部分。
发送器7和接收器8沿其圆周定位在管道3的参考段中(步骤S1)，计算机***18使发送器7以一个或多个频率发送SH0、AH1或更高模式的音频脉冲(步骤S2)，如有必要，可选择高阶模式。
计算机***18从接收器8接收SH0、AH1或更高模式的测量值(步骤S3)。图18显示了一个说明性的时域响应，其中包括接收到的SHo子波431、432、433和AH1子波441、442、443。
计算机***18使用测量值计算发送器和接收器之间的距离Dtr，管道周长Cire，和壁厚L(步骤S4、SS和S6)。
在许多实际应用中，***6首先使用低于AH1截止点的频率脉冲群生成SHo模式，以精确计算发射机和接收机之间的距离Dtr，和管道周长Cire，随后***6使用更高的频率生成更高的模式，以测量壁厚L。
尤其参考图19，计算机***18生成参考时间-频率图45(步骤S7)。时频图45包括与SHo模式对应的直线461、462、463和与AH1模式对应的曲线471、472、473，实际上，不需要实时显示时频图45，只需将其存储在存储器中。
***6能够探测(或“访问”)第一个和第二个频率fa、fb之间范围里的48个频率。因此，***将探测第49、50部分里的线条461、462、463和曲线471、472、473(即阴影区域49、50中的线条和曲线)。***6可以电子扫描频率范围48。然而，下文将更详细地解释，***6可使用具有不同元件间隔或传感器间隔的不同传感器组，在该组传感器中，可以控制元件间隔以访问更宽的波长范围，从而访问更宽的聚合频率范围。
在建立了一个可预测的时频图45之后，***6将用于检查管道3的一段是否存在缺陷。
同样参考图20，发射器7和接收器8沿着其圆周放置在被测管道3的一段中(步骤S8)。尽管缺陷1可以位于3号管的下部，例如由于管道支撑，它们可以在3号管周围的任何位置找到。
从第一个频率开始，例如在范围的低端，***6在一个频率范围内探测管道3。(步骤S9和S10)
计算机***18使发送器7产生所需的模式，在这种情况下，使用频率fi的音频脉冲产生一个SHo波和一个AH1波(步骤S10)。计算机***18接收并存储来自接收器8的SHo和AH1测量值(步骤S11和S12)。
计算机***18可继续以不同频率探测管道，直到获得整个频率范围的测量值(步骤S13和S14)，在这种情况下，可能有必要分析高阶模式。因此，计算机***18有效地构造了一个可测量的时频图51。
如图21所示，一些AH1曲线出现在时间频率图的不同位置，当分散模式波通过缺陷1时，反射波和透射波之间可能发生频率***，以便在时频图上观察特定模式。
这些不同的模式，特别是反射和发射信号之间的截止频率***，被***6用来计算缺陷1的最大深度Dmax。
计算机***18识别频率***并计算截止频率fc(见图21)，最小剩余壁厚使用以下公式计算：
Lmin＝c/2fc (11)
式中，c是钢铁中的整体剪切速度，fc是反射和发射信号发生***的频率，然后，计算机***18可以用以下公式计算缺陷1的最大深度Dmax。
Dmax＝L-Lmin (12)
例如，管道壁厚L为7.7mm，***频率fc为325.0kHz，使用上面的方程式(6)，最小壁厚Lmin为5.0mm，使用上面的方程式(7)，***6计算出缺陷的最大深度Dmax为7.7-5.0＝2.7mm。
计算机***18将测得的时频图51与预测的时频图45进行比较，以识别AH1曲线53缺失或改变的部分52(步骤S15)，如果找到，则识别***频率fc(步骤S16)。
计算机***18利用***频率fc可以计算最小剩余壁厚(步骤S17)和最大深度(步骤S18)。
传感器
为了检测并成功确定缺陷尺寸，传感器9和10覆盖了一个足够宽的频率范围和相应的波长范围，像这种要求可能对多类型元件传感器构成挑战，例如周期性永久磁铁，EMAT传感器，它们可能只支持很窄的波长范围。
参考图22，显示了壁厚为10mm的203.2mm(8英寸)直径管道中沿圆周传播的剪切水平拉姆波的弥散图，波的色散是根据SH0、AH1和SH1模式以波频率与其相对的波长关系来计算。
使用上述方程(7)，对于壁厚10mm的管道，如果***6能够测量1至5mm范围内的最大缺陷深度Dmax，那么传感器9和10应该能够产生和检测在180至325kHz频率范围内的AH1波。
这个频率范围转换成11到41毫米之间的AH1模式波长范围。类似的分析也可用于其他模式类型，如SH1、AH2等。
使用现代电子电路可以很容易地获得所需的频率范围。然而，当使用多元件探针时，很难实现宽波长范围。
为了能够扫描搜索通过宽范围的波长，传感器9和10可以包含一个机制，允许顺利调整磁铁间距。
图23显示了包含第一、第二和第三磁铁61、62、63的三元件传感器的磁铁布置。第二磁铁62***第一和第三磁铁61、63之间并固定。第一和第三磁铁61、63是可移动的，以便间距s是可变的，例如，在1mm和20mm之间变动。
磁铁采用永磁铁的形式，然而，磁铁也可以是电磁铁的形式。
这种或类似的安排可以很容易地纳入进EMAT或其他形式的多元件超声波传感器，以实现可变间距。
参考图24，显示了第一个传感器711的排列。
该排列包括一组磁铁组72，包含由磁铁611、621、631、612、622、632、613、623、633、614、624、634，每个磁铁位于对应的其中一排731、732、733，从而组成四个磁铁组721、722、723、724。每个磁叠内的磁化是对称的，关于中间磁铁62，例如N-S-N或S-N-S，在S-N-S这种情况下，内部磁叠722、723具有相同的磁化取向安排，而外部磁叠721、724具有同相的磁化取向安排，在N-S-N这种情况下，内部磁叠722、723具有相反的磁化取向安排。
磁铁732的每一排提供单独的可分离的梁741、742、743，其各自的端部分别为75、76，在第一和第二螺纹771、772上进行，771、772轴的旋转使第一和第三根梁741、743远离第二中心梁742。
该装置711包括一个电机79，连接到第一蜗杆传动装置811的弹簧连接器80，一个驱动轴82和第二蜗杆传动装置812，第一和第二蜗杆传动装置811、812分别包括第一和第二蜗杆831、832和第一和第二蜗杆传动841、842。第一和第二蜗杆传动841、842分别与第一和第二螺纹轴771、772同轴连接，使得蜗杆传动装置841、842的旋转带动螺纹轴771、772的旋转。
图25a和26a显示了具有最小间距(这里称为“闭合”位置)的第一位置的磁堆，其中相同磁堆721中的磁体中心间距为s1。
图25b和26b显示了具有最大间距(这里称为“打开”位置)的第二位置的磁堆，其中相同磁堆721中的磁铁具有中心间距s2。
参考图27a、27b和27c，显示了第二个传感器装置712。
该装置712包含一套磁铁组72，其中包括两个由三个磁铁611、621、631、612、622、632组成的磁铁堆721、722，每个磁铁排成一行在731、732、733中，每个磁叠内的磁化与中间的磁铁是对称的，例如N-S-N或S-N-S，两个磁叠721、722具有相反的磁化排列。
磁铁732上的每一排都提供单独的梁741、742、743，每个外梁741、743通过一对内六角螺钉8611、8612、8621、8622，采用一对平行沉孔槽8711、8712、8721、8722安装形成在导板88中。所述的槽8711、8712、8721、8722相对于导板88的长边90之间的中心线89形成角度，例如，外梁741、743沿着导板88滑动，从中心线88移开，所述的梁741、742、743安装在横向轨道上(未显示)。
所述装置712包括一个电机89、连接器90和一个传动轴92。电机带动传动轴92，使驱动板88沿驱动轴92转变，并在执行此操作时，将外梁741、743以及其支撑的磁铁移离中心线88。
图27A，28A和29A显示了具有最小间距(这里称为“闭合”位置)的第一位置的磁堆，其中同一个磁堆721中的磁铁具有中心间距s1。
图27A，28A和29A显示了具有最大间距(这里称为“打开”位置)的第二位置的磁堆，其中同一个磁堆721中的磁铁具有中心间距s2。
应了解，可以对上述实施例进行各种修改，此类修改可能涉及设计、制造和使用超声导波***及其部件时所已知的等效的和其他的特征，并且可以代替或补充本文所述的特征，一个实施例的特征可由另一个实施例的特征替换或补充。
单个传感器，特别是一个压电传感器，可以同时作为发送器和接收器。
无需使用EMA T传感器，相反，可以使用压电或磁致伸缩或其他传感器。
墙状或板状结构可以是一面墙或一张板，管道或容器，例如两端封闭的圆柱形或矩形罐，或空心杆或空心盒，例如通道或导管，这种结构可以由金属、金属合金、塑料或任何固体材料构成，材料类型可能会影响所使用的传感器类型。
缺陷不必是基于腐蚀的缺陷。
尽管在本申请中已将权利要求表述为具体的特征组合，但应当理解的是，本发明公开的范围还包括任何新特征或本文公开的任何新特征组合，无论其是否明确或隐含或其任何概括，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，申请人特此申明，在本申请或由此产生的任何进一步申请的申述过程中，可以对这些特征和这些特征的组合提出新的权利要求。

Claims (24)

1.一种确定壁状或板状结构中一个区域的厚度的方法，该区域由于存在空腔、洞或凹陷而比其周围区域的厚度薄，该方法包括：
将使用导波测量所述结构所获得的至少一个色散波的测量时间-频率色散图与通过结构建模获得的时间-频率色散参考图进行比较；
确定一个***频率，在该***频率下，测量时间-频率色散图和时间-频率色散参考图的不同；
根据所述***频率计算较薄壁厚区域的厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述至少一个色散导波包含至少一个反对称剪切水平导波或至少一个对称剪切水平导波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
对于一组不同的频率，通过以下方法获得测量的时频色散图：
使发送传感器使用给定频率的音频脉冲激发所述结构；
接收来自接收传感器的时变信号；
存储所述时变信号。
4.根据权利要求3所述的一种方法，其特征是，使发送传感器在给定频率下使用音频脉冲来激发所述结构，从而在所述结构中生成基本对称剪切水平导波SH0和第一激发模式非对称剪切水平导波AH1。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，所述结构建模包括根据所述结构的厚度生成所述时间-频率色散参考图。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，生成的时间-频率色散参考图包括计算飞行的时间作为频率函数，反之取决于导波模数、发送传感器与接收传感器之间的距离、结构的壁厚或板厚和整体剪切速度。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，所述结构建模包括：
选取一个结构的参考截面；
使发送传感器使用参考音频脉冲激发所述结构；
接收来自接收传感器的参考时变信号；
依赖于参考时变信号确定发送传感器和接收传感器之间的距离以及所述结构的壁厚或板厚。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，所述壁状或板状结构包含管壁的管道。
9.一种计算机程序，当由计算机执行时，能够使计算机***完成权利要求1-8所述的方法。
10.一种计算机可读介质，可选地是一种非暂时性计算机可读介质，能够存储权利要求9所述的计算机程序。
11.一种装置，配置为通过使用导波测量结构获得的至少含有一个色散导波的测量时间-频率色散图与通过结构建模获得的时间-频率色散参考图进行比较，以确定一个截止频率，在该截止频率下，测量时间-频率色散图和时间-频率色散参考图的不同，根据所述截止频率来计算较薄区域的厚度。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征是，对于一组不同的频率，为了获得测量的时间-频率色散图，所述装置被配置为使发送传感器在给定频率下使用音频脉冲激发所述结构，以接收来自接收传感器的时变信号并存储所述时变信号。
13.根据权利要求12所述的装置，进一步包括：
使传感器进行机械式的调整以获取不同的波长范围。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征是，使所述传感器进行机械式的调整以获取不同的波长范围，包括使所述传感器中的元件的间距发生变化。
15.根据权利要求11到14中任一项所述的装置，是一种计算机***，包括存储器和至少一个处理器。
16.一种导波检验***，包括：
根据权利要求11到15中任一项所述的装置；
一种发送器，包括用于激发结构中的导波模式的发送传感器；
一种接收器，包括用于产生时变信号的接收传感器。
17.根据权利要求15所述的***，其中所述发送器和接收传感器还包括各自的传感器。
18.根据权利要求16和17所述的***，其中所述的发送传感器和接收传感器包括一个电磁声传感器，或包括，第一和第二两个电磁声传感器。
19.一种用于导波检测的传感器，包括：
一种间隔的传感器元件阵列，其排列方式使得传感器元件之间的间距可调。
20.根据权利要求1所述的传感器，其特征是，所述传感器是电磁声传感器，所述传感器元件包括磁铁。
21.根据权利要求20所述的传感器，其特征是，所述传感器是电磁声传感器，传感器元件包括永磁铁。
22.根据权利要求20和21所述的传感器，其特征是，所述传感器是电磁声传感器，所述传感器元件包括电磁磁铁。
23.根据权利要求19到22中任一项所述的传感器被配置为，使得所述传感器元件之间的间距是可变，以便在下限和上限之间取值，其中所述下限值位于1mm到10mm之间的范围内，所述上限值位于10mm到20mm之间的范围内。
24.根据权利要求19到23中任一项所述的传感器被配置为，使得所述传感器元件之间的间距是可变，以便在下限和上限之间取一个值，其中所述下限位于10mm到30mm之间的范围内，并且所述上限位于20mm到60mm之间的范围内。
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