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改进的超声检查

阅读：321发布：2020-05-12

专利汇可以提供改进的超声检查专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于执行基本上圆柱形的对象的超声扫描的装置和方法，该装置包括：套管，适于围绕对象的圆周安装；超声探头，围绕套管的内周安装并布置为扫描对象的圆周；以及一个或多个数据连接器，提供用于超声探头的控制信息并接收来自超声探头的扫描数据。探头包括一个或多个传感器，以确定其方向或位置，以及该数据用于控制装置的操作和处理来自该阵列的数据。，下面是改进的超声检查专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于执行导管的超声扫描的装置，包括：
圆柱形套管，适于围绕导管的圆周安装；
全矩阵采集超声探头，安装在套管上并布置为扫描导管的圆周；以及
一个或多个传感器，安装在套管上以确定套管的加速度和套管的方向中的一个或多个；
其中，所述装置配置成基于所述装置相对于导管的运动速度并使用来自所述一个或多个传感器的数据来改变超声探头的采样速度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个传感器包括至少一个陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个传感器包括至少一个加速度计。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个传感器包括能够操作以确定套管的方向和加速度的陀螺仪和加速度计。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，陀螺仪和加速度计能够操作以三维地确定方向和加速度。
6.一种用于执行导管的超声扫描的装置，包括：
圆柱形套管，适于围绕导管的圆周安装；
超声探头，安装在套管上并布置为扫描导管的圆周；以及
至少一个指示器，位于圆柱形套管上、用于向用户发出关于超声探头获得的探头数据的缺陷的警告。
7.根据权利要求1至6所述的装置，进一步包括：
密封件，位于圆柱形套管的任一端，用于使流体包含在套管的内表面和导管的外部之间的内部区域中；以及
流体引入口，用于接收流体并使流体进入所述内部区域中。
8.根据权利要求1至7所述的装置，进一步包括：一个或多个数据连接器，给超声探头提供控制信息并接收来自超声探头的扫描数据。
9.根据权利要求1至8所述的装置，其中，超声探头是超声收发器的阵列。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，超声收发器的阵列环绕导管的整个圆周。
11.根据权利要求1至10所述的装置，其中，套管包括能够彼此拆开的至少两个部分，以用于围绕导管安装套管。
12.根据权利要求1至11所述的装置，其中，套管具有用于向用户发出关于超声探头数据的质量的缺陷的警告的至少一个指示器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述缺陷是可影响收集的数据的质量的探头数据中的缺陷、水流问题以及围绕管道的密封件问题中的一个或多个。
14.根据权利要求3至13所述的装置，其中，加速度计是3轴加速度计。
15.根据权利要求1至14所述的装置，进一步包括：
一个或多个灯指示器，用于给操作者提供视觉反馈。
16.根据权利要求1至14所述的装置，进一步包括：
旋转编码器，用于确定所述装置已经沿着管道行进的距离；以及
一个或多个惯性测量单元，用于记录装置的方向。
17.一种用于执行导管的超声扫描的装置，包括：
圆柱形套管，适于围绕导管的圆周安装；
超声探头，安装在套管上并布置为扫描导管的圆周；以及
圆柱形滚动密封件，位于圆柱形套管的每一端，以维持滚动不透水密封。
18.根据权利要求17所述的装置，进一步包括位于所述滚动密封件外部的防尘圈密封件。
19.根据权利要求17或18所述的装置，进一步包括位于所述滚动密封件的轴线上的圆柱形轴。
20.根据权利要求17至19所述的装置，其中，所述圆柱形轴是柔性的。
21.一种用于执行导管的超声扫描的方法，包括：
提供超声阵列以及至少一个传感器，超声阵列具有围绕导管的圆周排列的多个超声元件，所述至少一个传感器提供所述阵列的加速度和所述阵列的位置中的一个或多个；
在沿着导管的纵轴的第一点布置超声阵列，以朝着导管的外表面投射超声信号；
执行沿着导管的纵轴的第一点的全矩阵采集扫描，包括：
从超声阵列中的第一超声元件发射超声信号；
感测并记录由超声阵列中的每个其他超声元件接收的超声信号；以及
重复发射、感测和记录的步骤，其中，由超声阵列中除了第一超声元件之外的每个超声元件轮流执行发射步骤；
将超声阵列重新布置在沿着导管的纵轴的第二点；
执行沿着导管的纵轴的第二点的全矩阵采集扫描；
使用来自所述至少一个传感器的数据以使在第一点的扫描和在第二点的扫描彼此关联；
基于超声阵列相对于导管的运动速度并使用来自所述至少一个传感器的数据来改变超声阵列的采样速度；以及
重复重新布置和执行全矩阵采集扫描的步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，超声阵列具有用于向用户发出关于探头数据中的缺陷的警告的一个或多个指示器，以及进一步包括在执行每次全矩阵采集扫描之前：
从超声阵列中的至少一个超声元件发射至少一个超声信号；
感测由超声阵列中的至少一个超声元件接收的至少一个超声信号；
在处理器处评估所述至少一个感测的信号的质量；以及
使用所述至少一个指示器向用户发出关于评估结果的警告。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，超声阵列具有用于向用户发出警告的一个或多个指示器，以及进一步包括在执行每次全矩阵采集扫描之前：
生成关于所述阵列的方向和加速度的至少一个传感器数据；
在处理器处基于所述传感器数据评估所述阵列的位置和方向是否正确；以及使用所述至少一个指示器向用户发出关于评估结果的警告。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，使在第一点的扫描和在第二点的扫描关联的步骤包括：对于超声阵列上的不同的点，不同地调节采样速度，并且不同地调节采样速度的步骤包括：
基于从所述至少一个传感器接收的数据，确定所述阵列目前是否在扫描导管的弯曲部分；以及
与所述弯曲部分的外侧上的情况相比，在所述弯曲部分的内侧上，更不频繁地通过阵列进行采样。

说明书全文

改进的超声检查

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2013年12月17日提交的第61/917,066号美国临时申请的优先权。

技术领域

[0003] 本发明涉及用于执行超声检查并用于管道检查的方法和装置。

背景技术

[0004] Morrison,Jr.等人的US 8,301,401针对用于检查加拿大重水铀(CANDU)反应堆管道的超声探头。探头使用诸如水的耦合剂填充围绕管道的圆周放置的圆柱形套管。探头使用包围管道的整个圆周的超声元件阵列。

[0005] MacLauchlan等人的US 7,823,454针对用于给波浪形的或不规则的表面建模的超声检查方法。该方法涉及在超声元件阵列和被检查的表面之间使用诸如水的扫描介质。

[0006] 国际公布WO 2013/044350公开了用于管道表面的超声检查的操纵器。操纵器包括套管，该套管围绕管道的圆周安装、具有安装在梭子上的超声阵列。梭子围绕套管运动，使用完全聚焦方法(一种用于收集和处理探头数据的全矩阵采集技术)扫描管道的圆周。参考文献阐述了用于校准设备和软件、扫描管道表面、以及使用完全聚焦方法收集和分析探头数据以重构管道表面模型的方法。本公开依赖于这篇在先公布的教导，这些教导通过引用包含于此。

[0007] Volker的美国申请公布2011/0087444(在下文中，‘444’公布)针对用于爬行穿过管道的孔并执行管道内表面的超声检查的“清管器”。参考文献公开了用于基于反向散射信号给管道表面成像的算法。‘444’公布涉及费马原理，以确定具有最短行进时间的声音路径。建模涉及首先建立网格以及给网格中的每个点确定行进时间。‘444’参考文献需要从内部扫描管道，其中，将要确定的主要信息是关于管道的内表面的三维(3D)信息。此外，这不会解决使用布置在外表面上的扫描设备给管道的内表面精确地建模的问题。

[0008] Brandstrom的US 7,685,878(在下文中，‘878’专利)涉及用于围绕管道的圆周使一对超声换能器旋转以进行管道焊接检查的装置。它允许延伸离开换能器的电缆和其他设备保持固定，从而仅沿着单一方向延伸出去。‘878’教导了以下设备，该设备可安装在管道上，位于邻近焊缝的位置，且该设备携带换能器并使这些换能器围绕管道旋转，要记住的是：通常只能从管道的一侧有效地接近管道。

[0009] 两个换能器围绕圆柱形主体上的圆周位置旋转以进行支撑在基座上的主体的结构测试，以及驱动设备包括磁性附着件，该磁性附着件可从一侧手动地到达管道，仅用于在该侧在与焊缝轴向地隔开的位置固定连接到管道。用于一对换能器的项圈形的支撑件由从一侧围绕管道缠绕的、一排分开的段形成，并围绕管道的轴旋转以围绕环形焊缝支撑换能器。这些段支撑在表面上滚动的滚子且通过磁体保持靠在管道上。换能器支撑在支撑件上，位于固定角位置以跟踪它们的位置，但是处于允许相对于管道稍微轴向或径向运动的方式。

[0010] Johnson的US 7,412,890(在下文中，‘890’专利)涉及用于检测管道焊缝中的裂纹的方法和设备，其包括用水充满与管道外表面相邻的体积，然后使用相控阵超声扫描管道表面。设备具有矩形腔，该矩形腔具有压靠在管道表面上的敞开的底表面并用水充满。超声阵列布置在腔的顶部。使用相控阵数据收集方法。

[0011] Bicz的US 5,515,298(在下文中，‘298’专利)涉及用于执行置于凹面上的指纹或其他对象的超声扫描的设备。设备从换能器阵列投射超声波，使之穿过针孔阵列(每个换能器对应一个针孔)，到达置有指纹的表面的凹的内部。然后换能器从由针孔产生的球面波形的反射和散射获得指纹的特征。设备似乎取决于置有指纹的支撑件的凹凸透镜结构的已知结构。

[0012] Den Boer等人的US 6,896,171(在下文中，‘171’专利)涉及用于对刚刚生成的仍然是热的管道焊缝执行EMAT(电磁超声换能器)扫描的设备。设备可包括布置在围绕管道的外表面的环形结构上的EMAT发射器和接收器线圈阵列。没有公开后处理算法的细节。设备描述为能够检测焊接缺陷的存在并给出关于它们的尺寸的某种信息，但不会给出图像、精确位置，也没有在说明书中讨论缺陷的任何进一步的细节。

[0013] Alleyne等人的第2009/0158850号美国申请公布(在下文中，‘850’公布)涉及用于检查管道的方法和设备，其中，清管器设备插入管道的孔中。超声换能器压靠在管道的内壁上，并在管道壁自身的材料内使用超声导波(例如，兰姆波)以检测缺陷。数据收集和处理似乎基于可从中提取不同的波模式的全矩阵采集技术，尽管还可使用相控阵数据收集技术。

[0014] Pasquali等人的第2009/0078742号美国申请公布(在下文中，‘742’公布)涉及用于检查多层壁管道例如用于热流体或冷流体的海底输送的管道的方法和设备。该方法涉及将超声探头置于管道内表面上，且当探头围绕管道壁的内周旋转时以各种间隔扫描。设备是布置在可旋转臂的端部的探头，该可旋转臂将探头布置在管道内，然后使探头围绕内壁的圆周旋转。‘742’公布还公开了以相对于管道表面的各种角度布置探头的方法。然而，它似乎仅教导了沿着管道的轴向从焊缝移位且朝着管道焊缝的位置向前或向后成角度的探头的使用。

[0015] 额外的现有技术参考文献包括：Ume,Ifeanyi C.等人的US 7762136，其教导了用于实时地和离线地测量焊透深度的超声系统和方法；McGrath,Matthew等人的US 7694569，其教导了相控阵超声水楔设备；Brignac,Jacques等人的US 7694564，其教导了具有定心机构的锅炉管检查探头和操作该探头的方法；Prause,Reinhard的US 6935178，其教导了用于使用超声波检查管道的装置；Butler,JohnV.等人的US 6734604，其教导了多模合成的光束转换设备；Pagano,Dominick A.的US 4872130，其教导了自动嵌入式管道检查系统；Furukawa,T.等人的JP 2004028937，其教导了用于测量焊接管道的形状的方法。

发明内容

[0016] 在本文档中描述的示例性实施例涉及用于使用全矩阵数据采集技术来执行对象的超声检查的方法和装置。

[0017] 在第一方面，本申请针对用于执行导管的超声扫描的装置，该装置包括：圆柱形套管，适于围绕导管的圆周安装；超声探头，安装在套管上并布置为扫描导管的圆周；以及一个或多个传感器，安装在套管上以确定套管的加速度或方向。

[0018] 在另一方面，本申请针对用于执行导管的超声扫描的方法，该方法包括：提供超声阵列以及至少一个传感器，超声阵列具有围绕导管的圆周排列的多个超声元件，所述至少一个传感器提供该阵列的加速度或位置；在沿着导管的纵轴的第一点布置超声阵列以朝着导管的外表面投射超声信号；以及执行沿着导管的纵轴的第一点的全矩阵采集扫描；将超声阵列重新布置在沿着导管的纵轴的第二点；执行沿着导管的纵轴的第二点的全矩阵采集扫描；使用来自所述至少一个传感器的数据以使在第一点的扫描和在第二点的扫描彼此关联；以及重复重新布置和执行全矩阵采集扫描的步骤。每次扫描包括：从超声阵列中的第一超声元件发射超声信号；感测和记录由超声阵列中的每个其他超声元件接收的超声信号；以及重复发射、感测和记录的步骤。由超声阵列中除了第一超声元件之外的每个超声元件轮流执行发射步骤。

[0019] 通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的其他示例性实施例将对本领域普通技术人员显而易见。

附图说明

[0020] 图1是根据示例性实施例的超声探头工具的立体图，其中切除了数据电缆且去除了流体引入软管；

[0021] 图2是图1的示例性实施例的分解立体图；

[0022] 图3是如图1的示例性探头工具中使用的超声阵列的侧视图；

[0023] 图4是图3的超声阵列的立体图；

[0024] 图5是图3和4的超声阵列的立体图；

[0025] 图6是简化的圆环体形状的等距视图，示出了示例性环形探头工具上的惯性测量单元的放置；

[0026] 图7是简化的圆环体形状的第二等距视图，示出了示例性环形探头工具上的惯性测量单元的放置；以及

[0027] 图8是在其正面上具有LED指示器的示例性探头工具的等距视图。

[0028] 图9是根据示例性实施例的超声探头工具的立体图，其中切除了数据电缆且去除了流体引入软管。

[0029] 图9A是根据示例性实施例的超声探头工具的闩锁组件的放大视图。

[0030] 图10是根据示例性实施例的超声探头工具的立体图。

[0031] 图11是根据示例性实施例的超声探头工具的侧视图，其中切除了数据电缆且去除了流体引入软管。

[0032] 图12是根据示例性实施例的超声探头工具的部分分解侧视图。

具体实施方式

[0033] 概述

[0034] 本发明的示例性实施例涉及用于超声检查数据的采集和后处理的超声成像装置和方法。

[0035] 具体地说，描述的实施例涉及用于检查管道焊缝的装置和方法。参照附图，图1示出了以下实施例：探头工具100具有机械套管106，机械套管106围绕管道安装并包含包围管道的整个圆周的超声收发器阵列200。在示出的实施例中，阵列200由4个分开的元件构成，每个元件横跨套管的内表面的内周的1/4。

[0036] 在一些实施例中，当操作者沿着管道的长度纵向地移动套管106时，阵列200通过全矩阵采集数据采集技术来执行管道体积的多次发射-接收循环。获得来自发射-接收循环的所有数据。然后使用两步算法对数据进行后处理。首先，通过构造表面的强度图并给该图滤波以检测管道的外表面的边界，给该外表面建模。第二，在使用费马原理给管道的内表面建模时，在第一步骤期间构造的外表面的模型用作透镜。按照与外表面相同的方式给内表面建模：建立强度图，然后滤波以检测边界。

[0037] 机械套管106具有圆柱形的外部结构，在任一端上具有不透水密封件104，以用于对管道表面进行密封。在一些实施例中，密封件是角向地滚动的环形密封件，从而允许当套管106沿着管道表面纵向地运动时，密封件维持与管道的外表面接触。套管106通过流体引入口132接收用作超声扫描介质的水或另一流体的流，并在操作时用流体填充套管106的内表面和管道表面之间的体积，以便于超声扫描。在其他实施例中，密封件104是由诸如氯丁橡胶的低摩擦材料形成的唇形密封，当套管106运动时，密封件104简单地沿着管道表面滑动。各个实施例可将适合于围绕管道外表面上的不规则体变形的弹性材料用于密封件104，以维持不透水密封。

[0038] 套管106具有内环，内环在其内表面上具有围绕圆柱形结构的圆周的超声收发器晶体202的线性阵列，超声收发器晶体202的线性阵列与阵列200的纵轴对齐。

[0039] 在一些应用中，通过沿着管道的纵轴手动地移动套管106来采集数据，同时针对每一帧，通过超声阵列执行多次发射-接收循环。每一帧使用全矩阵采集技术：使单个元件202进行脉冲，而阵列200中的每个元件202测量在该位置的响应并存储所产生的时域信号(A型扫描)。然后重复该过程，轮流使每个元件202进行脉冲，并记录每个元件202处的响应，从而给具有N个元件202的阵列产生(N×N)A型扫描的总数据语料库。在一些应用中，通过在设定的阈值过去时(在时间t)监测信号尖峰，确定每个A型扫描的存储的时间段，然后在尖峰之前的设定间隔处(在时间t-C)开始追溯地记录所有信号数据。

[0040] 定义

[0041] 下面的定义可在如下描述的管道焊缝检查的上下文中使用。

[0042] FMC：全矩阵采集。超声数据收集策略，其中，使换能器中的每个元件独立地脉冲，同时所有元件接收。针对换能器中的每个元件，重复以上过程，一直到已经激发所有元件。该策略产生n×n的数据阵列，其中n是换能器中的元件的数量。结果，在相同的解析度时，用于FMC检查的数据文件明显大于用于等同的传统(例如，相控阵)技术的数据文件。

[0043] 主对角线：在使用FMC收集的数据中的一组发送-接收元件，其中每个发射元件是它本身的接收器。FMC数据集的主对角线视图与传统的线性电子元件B型扫描相同。主对角线视图是FMC数据B型扫描的默认视图。

[0044] 矩阵：当使用FMC数据收集策略时产生的数据结构。如果矩阵的列指派为识别发射元件，则矩阵的行对应于接收元件。于是阵列的每个元件对应于与该对发射器-接收器相关的A型扫描。例如：在元件17上发射、在元件32上接收的组合可产生A型扫描，A型扫描可位于FMC数据矩阵的第32行上的第17列下方。

[0045] TFM：完全聚焦方法。作为使用通过FMC方法产生的数据的多个自动数据分析策略的通用名称。TFM依赖于来自各个发射器-接收器组合的A型扫描中的时标范围内的幅值的总数。在存在有效的表面的情况下，振幅建设性地介入以给表面成像。在不存在这样的表面的情况下，振幅破坏性地介入而不形成图像。TFM还描述为等同于在整个检查体积中聚焦的相控阵。

[0046] 缩写词和首字母缩略词

[0047] 下面的缩写词和首字母缩略词可在如下描述的管道焊缝检查的上下文中使用。

[0048]

[0049]

[0050] 位置和方向跟踪

[0051] 使用具有3轴陀螺仪和3轴加速度计的位置和方向检测器，估算探头工具100在管道上的位置和方向。位置和方向数据用于整合来自不同的帧和时间片段的扫描数据。该数据还用于调节对超声阵列的控制，例如基于探头工具沿着管道表面运动所采用的速度来改变采样率。如果超声阵列上的不同的点相对于管道表面以不同的速度运动，则对于这些不同的点，可不同地调节采样速度：例如，当套管106围绕管道的弯管接头运动时，与位于弯管的外部的超声阵列部分的情况相比，对于位于弯管的内部的超声阵列部分，采样速度可以降低，从而防止位于弯管的内部的管道表面过采样。

[0052] 下面描述确定探头工具100在3D空间中的方向和位置的方法。在一些环境中，当工具沿着其检查路径滑动时，工具可经历数次方向改变。为了防止在供给器管道弯曲部的内弧面上超声数据的过采样，可能需要知道工具沿着其路径的位置和方向两者。描述的方法使用两个惯性测量单元(IMU)，这两个IMU串联地工作以确定探头工具的位置和方向。参照附图，图6示出了在设定的位置安装有两个IMU(惯性测量单元)602、604的工具600的示例性实施例。

[0053] 在对装置进行校准之后，第一IMU 602将使用重力矢量612记录工具的方向。在确定诸如竖直管道的不确定的几何结构上的工具位置时，第二IMU 604是有用的。第二IMU单元604上的编码器和加速度计可用于确定工具已经沿着管道行进的距离。方向和轴向位置的这种组合将允许，例如通过检测旋转矢量606经过的角度610和加速度608矢量，而实时地重构工具穿过空间的路径。

[0054] 在图7中示出的示例性实施例中，第一IMU 602和第二IMU 604置于工具600的圆周上分开90度角度704的点处。第一IMU 602和第二IMU 604均相对于工具600的纵向操作轴702定向。

[0055] 使用重力矢量记录工具的方向

[0056] 通过组合来自第一IMU 602的加速度计和陀螺仪的输入，将确定工具100的方向。当首先初始化工具时将获得读数，以及在每个接下来的时间间隔结束时(t＝0、t＝1…t＝n)获得读数：

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 其中

[0061] 加速度矢量：如由加速度计给出的重力矢量的方向

[0062] 陀螺仪矢量：如由陀螺仪给出的工具的方向

[0063] 方向矢量：关于工具的当前方向的“最佳猜测”

[0064] 可在每个采样时间段期间，直接从加速度计读数获得加速度计矢量的分量。矢量归一化以得到其方向：

[0065]

[0066] 从陀螺仪，可以找到工具在时间间隔内已经运动经过的角度

[0067]

[0068] 其中

[0069] θxy(t-1)＝来自之前的时间间隔的读数

[0070] 在时间间隔内θ改变的平均速率

[0071] T＝时间间隔的持续时间

[0072] 类似地

[0073]

[0074]

[0075] 能够使用之前的方向矢量和角度矢量θ(t)重构工具的当前方向这如下实现：

[0076]

[0077]

[0078] 使用三角恒等式，以上可简化成：

[0079]

[0080] 以上可进一步简化成：

[0081]

[0082] 其使用比第一个表达式少的三角恒等式，因此在计算方面较为便宜。

[0083] 类似地

[0084]

[0085]

[0086] 现在分别得到了重力矢量的方向和如由陀螺仪给出的工具的方向单独地考虑，这些读数均可随着时间的推移而经历误差-从高振幅、短持续时间的噪声导致加速度计经历误差，以及从低振幅、长持续时间的飘移导致陀螺仪经历误差。

[0087] 为了抵消这些效应，输入均供给到以下形式的互补滤波器中：

[0088]

[0089] 其中

[0090] x＝控制加速度计输入的权重

[0091] 量x反映了加速度计输入可以被“信任”的水平，且可通过实验确定。

[0092] 使用串联IMU适应垂直供给器

[0093] 在加拿大重水铀(CANDU)反应堆的面上的大多数供给器管道在预期的检查区域(与诸如GraylocTM管件的管件相距1-1.5米)内是垂直的。这对于确定工具100的圆周方向(例如，在极坐标中的θ方向)提出了挑战，其原因是对于一部分检查扫描，重力矢量将与-z轴对齐。图6示出了探头工具600的这样的方向。

[0094] 这意味着，对于一部分扫描，加速度计可能不能给互补滤波器提供有用的输入。在这种情况下，通常仅从来自陀螺仪的输入确定工具100的方向。当陀螺仪经历飘移时，这可产生“虚假旋转”，其中当未发生旋转时，探头工具软件相信工具在围绕管道的轴线旋转。

[0095] 由于当在工具沿着这些垂直部分运动时操作者可能需要旋转工具，因此需要具有随着时间的推移，以θ尺寸表示的工具的方向的精确的图片。这将允许相对于诸如GraylocTM管件的固定参考点，确定裂纹的位置。

[0096] 实现以上过程的一种方式是通过使用加速度计测量工具的向心加速度。向心加速度如下给出：

[0097]

[0098] 其中

[0099] vt＝在IMU原点处测量的工具的切向速度

[0100] r＝在IMU原点处测量的工具的半径

[0101] ac的量级通常将小(对于以40RPM旋转的2.5英寸工具，大约是因此确定的是：串联地工作以互相印证读数的两个IMU，可用于提供以θ表示的工具的位置的精确的图片。

[0102] 通过实验确定可如何组合来自串联的IMU 602、604的输入。由于通过测试确定的精确的权重和限制，可使用互补滤波器和阈值技术的组合。

[0103] 使用加速度计和编码器记录工具的轴向位置

[0104] 来自旋转编码器1001和串联的加速度计的输入的组合可用于确定探头工具100沿着管道的轴向位置。由于朝着编码器输入极大地加权的滤波器，互补滤波器可用于组合输入。其原因是：假设旋转轮与管道表面接触，且与受到高振幅噪声影响的加速度计相比，通常可认为旋转轮更“可信”。

[0105] 通过实验，可发现需要通过产生工具暂时依赖于加速度计输入以确定其位置的条件，而对编码器“滑动”作出响应。

[0106] 操作者反馈

[0107] 在一些实施例中，LED灯系统集成到工具100中，以基于当前工具状态给操作者提供视觉反馈。例如，不同的灯图案可对应于不同的工具事件，例如水柱的损失、错过的扫描或设备故障。这样的反馈可允许操作者作出关于工具布置、扫描速度等的迅速、准确的决定。

[0108] 反馈可来自包括IMU系统的数个源(工具100过快地运动)或来自换能器(小的水柱、错过的扫描等)。

[0109] 将四元数用于旋转计算中

[0110] 四元数提出使用矢量表示3D旋转的方法，并广泛用于电脑绘图应用中。由于四元数不涉及三角函数，所以它们不会遭受当函数逼近不连续(例如，tan(90°))时遇到的不稳定性、引起万向节锁现象的欧拉角特征。在一些情况下，万向节锁可以是主要问题，其原因是如上讨论的，通过探头工具进行的大部分检查可在垂直管道上发生，此时重力矢量大致与-z轴对齐。因此，工具及其扫描软件的一些实施例可将四元数用于执行如上阐述的计算。

[0111] 三角函数的数值逼近

[0112] 当计算三角恒等式时，出现相关的问题，这是在计算方面较为昂贵的任务。根据IMU的采样率，在一些情况下以上问题可阻止系统的执行。给三角函数值制表或给三角函数产生数值逼近，相应地解决以上问题。

[0113] 光学编码器的使用

[0114] 在一些实施例中，光学编码器可用于监测在现场条件(解释为湿的、不干净的管道，反射率的改变等)下行进的距离。在这样的实施例中，可能完全依赖于编码器输入以确定工具的轴向位置。这可减少软件的复杂度，其原因是当确定位置时不需要考虑加速度计输入。

[0115] 在确定时更精确的积分

[0116] 在一些实施例中，上面阐述的用于从陀螺仪读数计算角速度的方法可依赖于梯形积分方法，其中在时间间隔的开始和结束时的角速度读数简单地求平均以产生用于该间隔的读数。

[0117] 在一些情况下，以更高的速率采样以及实现诸如辛普森法则的“更精确的”积分方法，可产生更好的结果。

[0118] 数据采集

[0119] FMC检查使关于焊缝构造的圆柱形几何结构的探头轨迹叠加。根据接缝的性质以及探头工具在接缝上的布置，可出现OD和ID信号的某种失真。可出现这种失真的区域是直线形几何结构与弯曲几何结构的对接区域或GraylocTM几何结构与弯曲几何结构的对接区域。对于这种失真的补救措施是使探头工具100在接缝上方重新经过，其目的是优化经历失真的区域中的信号。

[0120] 探头数据可在扫描操作期间实时地完全地或部分地处理。这给操作者提供关于扫描的数据的充裕度的即时反馈。诸如LED灯的指示器136可安装到探头工具100，以即时地向操作者发出关于探头数据中的缺陷的警告，从而允许操作者执行出现缺陷的管道段的第二次经过。这样的缺陷可由操作者过快地移动套管或不够平稳地移动套管导致；可通过在管道的有问题区域上方“返回绘画”执行的第二次经过，由于套管106的更平稳的、更慢的运动和/或旋转而产生令人满意的数据。

[0121] 指示器还可用于向操作者发出关于可影响收集的数据的质量的其他问题(例如关于围绕管道的密封或水流的问题)的警告。

[0122] 虽然本发明已经描述为管道检查工具和技术，但是一般原理和算法可应用于多个不同的背景和应用中的超声成像。

[0123] 超声探头工具装置

[0124] 参照附图，图1示出了包括超声探头工具100的示例性实施例。探头工具100包括套管106，在扫描过程期间套管106围绕管道2的圆周安装。套管106的中心与管道的纵轴对齐。探头工具100使用超声探头元件202的线性阵列200，以扫描由套管106包围的管道片段。

[0125] 在操作时，套管106围绕管道安装，使得两个不透水密封件104从套管106的边缘延伸到管道表面。在示出的实施例中，密封件104是由诸如氯丁橡胶的低摩擦材料制成的唇形密封件。在操作时，唇形密封件沿着管道表面滑动以维持不透水密封。在其他实施例中，密封件104包括诸如环形弹簧的弹性核心以及诸如氯丁橡胶的弹性低摩擦涂层。每个密封件104安装到探头工具100，位于沿着套管106的每个外边缘延伸的沟槽内。当探头工具100沿着管道表面纵向地运动时，密封件104极向地旋转以保持在沟槽内，同时维持与管道表面接触以维持滚动的不透水密封。

[0126] 由套管106的内表面、密封件104以及管道外表面限定的内部区域然后填充有水或适合于用作超声扫描介质的另一流体。在一些实施例中，水通过包含在探头工具100中的软管110 泵送到内部体积中。软管110连接到外部水源和/或泵，并通过软管引入口132向套管106的内部体积中进行供给。

[0127] 一个或多个数据连接器134将探头工具100连接到一个或多个外部数据处理系统和/或控制器。这些外部系统可控制探头工具100的操作和/或收集并处理通过探头工具100的扫描操作聚集的数据。数据连接器134用于在探头阵列与外部数据处理系统和/或控制器之间传送超声探头控制数据和由探头收集的数据。在其他实施例中，例如通过嵌入式控制器和/或数据存储和处理单元，使这些功能中的一些或所有功能可在探头工具100本身内发生。数据连接器134还可包含电力线以用于驱动数据阵列的操作和/或工具100的其他受驱动元件。

[0128] 在一些实施例中，探头工具100可通过允许套管106打开的铰链设计与管道或其他扫描对象安装或去除。图1示出了包括铰接的探头工具的示例性实施例，具有允许套管打开的铰链140、以及允许通过诸如闩锁的耦合装置使套管的端部一起耦合到关闭的操作位置的连接器138。在图1的示例性实施例中，连接器138示出为闩锁。图9中示出的闩锁组件901提供闩锁机构的进一步的实施例。在一些实施例中，例如在图10中示出的实施例中，铰链组件138允许套管106打开。

[0129] 图2示出了图1的工具的部件的分解视图。在本实施例中，可以看出：密封104保持在套管106的外部部件和内部部件之间的位置。

[0130] 探头工具100使用诸如共振器晶体的超声探头元件的线性阵列，以扫描由套管106包围的体积。图3-5示出了示例性超声阵列200的各个视图。本文示出的四个1/4环阵列200围绕图1-2的示例性探头工具100的内圆周放置。一些实施例可接合其中每个具有128个元件的四个阵列段，以组成具有512个元件的阵列。阵列200具有数据连接器134(本文剖切地示出)，数据连接器134驱动阵列元件202的操作并收集来自操作中的这些元件的数据。在具有大量元件的实施例中，数据连接器134可包括能够支持至少250MB/s的一个或多个光纤数据电缆或换能器电缆134。

[0131] 在操作时，线性阵列200与被扫描的管道的纵轴周向地对齐。通过全阵列200使用下面描述的全矩阵采集技术扫描管道，然后探头工具100沿着管道的纵轴运动，在这之后，对于工具的新位置的新的纵坐标，重复扫描过程。通过在沿着管道的长度规则地隔开的间隔处执行多次这样的扫描，可使用扫描数据建立整个管道长度的圆周的内表面和外表面的模型。

[0132] 在一些实施例中，例如在图8中示出的实施例中，套管106可包含一个或多个指示器136，以向操作者发出关于不利情况的警告，在继续扫描下一个管道区域之前可能需要处理该不利情况。在一些实施例中，这些指示器136包括附着到套管106的在操作期间面对操作者的正面的LED灯。指示器136接收来自数据连接器134的数据、来自额外的指示器数据连接器142和/或探头工具100本身内的内部传感器(例如，IMU)的数据。指示器136可向操作者发出关于收集的数据信号的质量问题、围绕管道圆周的水流或密封问题、或影响扫描质量的其他问题的警告。操作者可通过可能以不同的速度、取向和/或方向重复扫描，对这样的警告作出响应。操作者还可采取纠正影响数据质量的问题的步骤，例如调节密封件104或检查软管110是否扭结或堵塞。在一些实施例中，例如在图9中示出的实施例中，超声探头工具100包括集成在套管106中的一个或多个LED指示器902，以给操作者提供视觉反馈。

[0133] 在一些实施例中，例如在图9中示出的实施例中，一个或多个霍尔传感器903安装在套管106上，以确定工具的加速度和方向。在进一步的实施例中，例如在图10中示出的实施例中，旋转编码器1001安装到套管106并用于确定工具已经沿着管道行进的距离。一个或多个IMU 1003也可安装到套管106并用于记录装置的方向。

[0134] 在一些实施例中，例如在图9和图10中示出的实施例中，装置包括换能器1104、换能器电缆敷设托盘1101、耦合剂管路1102、耦合剂安装件1103、防尘圈密封件1105、维持滚动不透水密封的滚动密封件1106，允许滚动密封件1106旋转的轴承1107和柔性轴1108。

[0135] 如图11和12所示，位于套管的任一端的密封可通过滚动密封件1106实现。滚动密封件是可围绕位于其轴线上的柔性轴1108旋转的、可延展的圆柱体。滚动密封件自身形成围绕套管的每个端部的圆环。柔性轴位于也是圆柱形的、允许滚动密封件围绕柔性轴自由旋转的轴承内。在位于套管的任一端的滚动密封件1106的外部，还可使用防尘圈密封件1105。

[0136] 全矩阵采集(FMC)数据收集

[0137] 在一些实施例中使用的全矩阵采集(FMC)技术是广泛用于超声扫描的相控阵数据采集技术的已知的完善。和与之相当的相控阵扫描相比，FMC通常需要采集更大量的数据，但是允许从单次扫描提取更多的信息。在全矩阵采集中，使超声阵列200的单个元件202进行脉冲，从而将超声能量传输到扫描介质中。阵列200的每个元件202用作该能量的接收器，从而检测在该脉冲之后的时间段内在其坐标处的超声振动。记录并存储该检测的振动以用于后处理。一旦对于所有的n个元件202均记录了数据，则使第二个元件进行脉冲，且对于所有的接收元件202重复记录过程。然后再次重复该过程，使得n个元件202中的每个轮流进行脉冲并针对每个接收元件记录数据，从而产生记录数据的n×n矩阵：每个接收元件从来自每个发射元件的脉冲记录扫描数据。

[0138] 在一些实施例中，来自每个接收元件202的数据记录成随着时间的推移获得的一系列数字采样。从发射器i的脉冲产生的、由接收器j采集的数据信号产生随着时间维度的推移获得的一系列的m个样本，从而产生大小为n×n×m的样本的完全的三维矩阵。

[0139] 在使用图1和2的探头工具100的示例性实施例中，由通过数据连接器134连接到探头工具100的外部控制器控制超声阵列200的操作。由阵列200记录的数据通过数据连接器134发送到外部数据记录器和处理器，在外部数据记录器和处理器处，该数据被存储和处理，如下面进一步描述的。控制器和数据处理器还可彼此通信，记录的数据可由控制器使用以在扫描期间校准或优化阵列200的操作。

[0140] 如上所述的单个发射-接收循环产生n×n次A型扫描(即，在接收元件处接收的时域信号)。通常通过接收元件，通过监测超过设定阈值的振动、然后记录感测的振动以及持续在越过该阈值之后设定的时间段，产生单次A型扫描。

[0141] FMC数据的处理

[0142] 对采集的数据的处理可与扫描同时进行或在扫描之后进行。用于处理采集的数据的技术可涉及变孔径聚焦方法(SFM)、内部聚焦方法(IFM)以及边界检测和识别的应用，以确定扫描的对象的结构，例如管道壁的内表面轮廓和外表面轮廓。这些技术可允许检测管道厚度的细微变化、管道壁中的缺陷、以及管道的任意内表面和外表面的其他结构细节。

[0143] 如应用于管道检查的TFM技术的进一步的细节在以下文献中阐述：国际公布WO 2013/044350；以及在2012年关于无损检测的国际会议上提出的论文“使用完全聚焦方法的焊缝的体积检查(Volumetric Inspection of Welds Using the Total Focus Method)”和“从全矩阵采集数据集对相控阵技术的重构(Reconstruction of Phased Array Techniques from the Full Matrix Capture Data Set)”，这三篇文献通过完全引用包含于此。WO 2013/044350参考文献包含关于可应用于本公开或可与本公开结合地使用的各种主题的大量具体细节：用于设备和软件的校准技术和工具、设备设置、设备维护、数据验证、信号质量和数据的接受度的准则、探头数据的存储、用于数据处理的数学方法、用于收集和分析探头数据的设备和软件的规格、以及由软件操作者执行的详细数据分析过程。本公开包括在该早期的参考文献中公开的工具的技术的完善，并以其整体包含之前的参考文献。

[0144] 在不脱离本公开的精神或本质特征的情况下，本公开可以以其他特定形式实施。描述的实施例在各个方面均被认为仅仅是说明性的而非限制性的。本公开意在涵盖和包含技术中的所有适当的改变。

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