使用多模声学信号来检测、监控和确定金属结构中变化的位置制造技术

描述了用于检测、监控以及确定在具有任意复杂的几何结构的刚性结构中变化的位置的方法。实施方式包括沿着刚性结构的表面在多个位置处放置生成并接收声学信号的声学换能器，其中换能器位置之间的纵向间隔限定测量区域。具有选择的振幅‑时间‑频率特性的声学信号在结构的各个区域内激励多种振动模式。作为透射技术的部分，检查区域中的小的机械变化导致宽带声学信号的散射和衰减，这可以检测为接收信号特性的变化。作为脉冲回波技术的部分，短波、窄带脉冲声学信号的额外使用允许基于差分延迟分布曲线对各个区域内机械变化的相对位置的确定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用多模声学信号来检测、监控和确定金属结构中变化的位置相关申请的交叉引用本国际专利申请要求于2018年4月27日提交的“使用多模声学信号来检测和监控金属结构中的变化”的美国专利申请第15/964,967号的优先权，美国专利申请第15/964,967号是2018年2月8日提交的作为2016年8月12日提交的国际专利申请号PCT/US16/46919的国家阶段申请的美国专利申请第15/751,429号的部分继续申请，要求2015年8月12日提交的美国临时专利申请第62/204,222号的权益，其两者的全部内容通过引用并入于此。政府支持的认可本专利技术是在美国能源部授予的合同编号DE-AC52-06NA25396的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术中的某些权利。联合研究协议的各方在此所描述的研究工作是在LANL-Chevron联盟下，基于LosAlamos国家实验室(LANL)和Chevron之间的合作研究及发展协议(CRADA)(CRADA编号LA05C10518)而执行的。
本公开通常涉及对机械结构、管道、容器和存储箱中的变化的检测和监控，并且更具体地，涉及用于检测和监控机械结构中以及管道、容器和存储箱的壁体中的变化的多模声学信号传播和信号检测的使用。
技术介绍
在许多涉及液体或气体存储和流动的工业中，对于在诸如绝缘体下或油漆下的难以接近的环境中的机械结构中以及管道、容器和存储罐的壁体中的例如由于点蚀、破裂和断裂导致的材料损耗、材料转化(由于腐蚀和/或侵蚀)和材料增加(由于材料运移和聚集导致的)以及材料吸附的检测和监控是重要的。通过去除绝缘体的视觉检查来最有效地完成对绝缘体下的腐蚀的检测，这既费时又昂贵。其他检测的方法包括放射线照相术、涡流技术、X射线、远程TV监控、电磁设备、局部声学询问以及使用声学换能器的阵列的远距离声学询问。这些方法没有被广泛使用，因为它们提供的信息的范围太有限而没有实用价值，或者是因为它们涉及的装置实施起来过于麻烦或昂贵。而且，现有的用于检测刚性结构中的异常的方法不能够确定在关注区域内的异常的具体位置。
技术实现思路
本公开的一方面涉及用于检测和监控细长刚性结构中的机械变化的方法。在一些示例中，通过在两个阶段中使用联合透射/脉冲回波技术，借以使原始的振动信号从起始换能器沿相反的方向传播(即，进入两个相邻区域)并由两个接收换能器/传感器接收，可以确定在刚性结构上识别的区域内的机械变化或异常特征的具体位置。在第一阶段中，使用透射法来确定两个相邻区域中结构的变化的量值和频谱响应。对于一些应用来说，该第一阶段足以检测并监控细长结构的区域中的机械变化，而不需要关于该区域内变化的特定位置与程度的信息。在第二阶段中，使用在第一阶段测量中得到的信息，在脉冲回波方法中采用在特定频率处的具有一定持续时间的单调脉冲，从其可以推导任一区域内的变化的空间信息。可以通过从接收信号中减去先前记录的基线信号来分析该接收信号，以确定差分变化。该差分变化可以被用来确定任一区域是否包含机械变化，如果是，则确定在适当区域内的机械变化的位置。在一些示例中，刚性细长结构可以由金属制成或包括金属。刚性细长结构可以是管道、框架、起重机、梁、机械支撑或本领域已知的其他刚性结构。在一些示例中，用于沿刚性结构识别异常特征的位置的方法可以包括沿刚性结构的表面放置被配置为沿该刚性结构发射宽带声学信号和窄带声学信号的声学换能器。声学换能器还可以被配置为接收响应于宽带声学信号和/或窄带声学信号而生成的作为结果的沿该刚性结构发射并反射或散射的响应信号。在一些示例中，可以沿刚性结构放置三个这样的声学换能器，以限定两个相邻区域。例如，该方法可以包括沿刚性结构放置第一声学换能器、第二声学换能器和第三声学换能器，其中第二声学换能器被放置在第一声学换能器和第三声学换能器之间，以限定第一区域和第二区域。例如，第一位置和第二位置之间的纵向间隔可以限定第一区域。第二位置和第三位置之间的纵向间隔可以限定第二区域。在一些实施例中，该方法可以包括使用第二声学换能器来沿着刚性细长结构生成基线宽带声学信号。该方法可以包括使用第一声学换能器来获得响应于第一区域中的基线宽带声学信号的第一基线传输信号。该方法可以包括使用第三声学换能器来获得响应于第二区域中的基线宽带声学信号的第二基线传输信号。该方法可以包括使用第二声学换能器来沿着刚性细长结构生成监控宽带声学信号。该方法可以包括使用第一声学换能器来获得响应于第一区域中的监控宽带声学信号的第一监控传输信号。在一些实施例中，该方法可以包括使用第三声学换能器来获得响应于第二区域中的监控传输信号的第二监控传输信号。该方法可以包括确定作为第一监控传输信号和第一基线传输信号之间的差的第一差分传输信号。该方法可以包括确定作为第二监控传输信号与第二基线传输信号之间的差的第二差分传输信号。该方法可以包括基于该第一差分传输信号来确定在该细长刚性结构的第一区域中是否发生机械变化，或者基于该第二差分传输信号来确定在该细长刚性结构的第二区域中是否发生机械变化。在一些实施方式中，该方法可以进一步包括使用第二声学换能器来沿着细长刚性结构生成基线窄带脉冲声学信号。该方法可以进一步包括使用第一声学换能器来获得响应于第一区域和第二区域中的基线窄带脉冲声学信号的第一基线响应信号。该方法可以进一步包括使用第三声学换能器来获得响应于第二区域和第一区域中的基线窄带脉冲声学信号的第二基线响应信号。该方法可以进一步包括使用第二声学换能器来沿着细长刚性结构生成监控窄带脉冲声学信号。该方法可以进一步包括使用第一声学换能器来获得响应于第一区域和第二区域中的基线窄带脉冲声学信号的第一监控响应信号。该方法可以进一步包括使用第三声学换能器来获得响应于第二区域和第一区域中的基线窄带脉冲声学信号的第二监控响应信号。在一些示例中，该方法可以包括确定作为第一监控响应信号和第一基线响应信号之间的差的第一差分响应信号。该方法可以进一步包括确定作为第二监控响应信号和第二基线响应信号之间的差的第二差分响应信号。该方法可以进一步包括与第二差分响应信号相比，根据第一差分响应信号来生成第一差分延迟布曲线(delayprofile)。该方法可以进一步包括与第一差分响应信号相比，根据第二差分响应信号来生成第二差分延迟分布曲线。该方法可以进一步包括基于该第一差分延迟分布曲线和该第二差分延迟分布曲线来确定第一区域或第二区域内的机械变化的相对位置。在一些实施方式中，第一声学换能器和第三声学换能器可以各自包括被配置为检测声学信号的声学传感器。在一些实施方式中，第二声学换能器可以包括被配置为生成声学信号的声学发射器。在一些实施方式中，该方法可以包括将第一监控传输信号归一化到第一基线传输信号，借以使第一基线传输信号和第一监控传输信号的最大值小于或等于第一选定值。该方法可以进一步包括使用选定的时间窗口大小、选定的频率窗口大小以及选定的时间步长来执行第一基线传输信号和第一监控传输信号的短时傅立叶变换。该方法可以进一步包括计算归一化的第一监控传输信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测和监控细长刚性结构中的机械变化的方法，所述方法包括：/n沿刚性结构的表面在第一位置处放置第一声学换能器；/n沿刚性结构的表面在第二位置处放置第二声学换能器；/n沿刚性结构的表面在第三位置处放置第三声学换能器，其中，第二位置在第一位置和第三位置之间，第一位置和第二位置之间的纵向间隔限定第一区域，第二位置和第三位置之间的纵向间隔限定第二区域；/n使用第二声学换能器来沿着刚性细长结构生成基线宽带声学信号；/n使用第一声学换能器来获得响应于第一区域中的基线宽带声学信号的第一基线传输信号，并且使用第三声学换能器来获得响应于第二区域中的基线宽带声学信号的第二基线传输信号；/n使用第二声学换能器来沿着刚性细长结构生成监控宽带声学信号；/n使用第一声学换能器来获得响应于第一区域中的监控宽带声学信号的第一监控传输信号，并且使用第三声学换能器来获得响应于第二区域中的监控传输信号的第二监控传输信号；/n确定作为第一监控传输信号和第一基线传输信号之间的差的第一差分传输信号；/n确定作为第二监控传输信号和第二基线传输信号之间的差的第二差分传输信号；以及/n基于第一差分传输信号来确定在细长刚性结构的第一区域中是否发生机械变化，或者基于第二差分传输信号来确定在细长刚性结构的第二区域中是否发生机械变化。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180427 US 15/964,9671.一种用于检测和监控细长刚性结构中的机械变化的方法，所述方法包括：
沿刚性结构的表面在第一位置处放置第一声学换能器；
沿刚性结构的表面在第二位置处放置第二声学换能器；
沿刚性结构的表面在第三位置处放置第三声学换能器，其中，第二位置在第一位置和第三位置之间，第一位置和第二位置之间的纵向间隔限定第一区域，第二位置和第三位置之间的纵向间隔限定第二区域；
使用第二声学换能器来沿着刚性细长结构生成基线宽带声学信号；
使用第一声学换能器来获得响应于第一区域中的基线宽带声学信号的第一基线传输信号，并且使用第三声学换能器来获得响应于第二区域中的基线宽带声学信号的第二基线传输信号；
使用第二声学换能器来沿着刚性细长结构生成监控宽带声学信号；
使用第一声学换能器来获得响应于第一区域中的监控宽带声学信号的第一监控传输信号，并且使用第三声学换能器来获得响应于第二区域中的监控传输信号的第二监控传输信号；
确定作为第一监控传输信号和第一基线传输信号之间的差的第一差分传输信号；
确定作为第二监控传输信号和第二基线传输信号之间的差的第二差分传输信号；以及
基于第一差分传输信号来确定在细长刚性结构的第一区域中是否发生机械变化，或者基于第二差分传输信号来确定在细长刚性结构的第二区域中是否发生机械变化。


2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
使用第二声学换能器来沿着细长刚性结构生成基线窄带脉冲声学信号；
使用第一声学换能器来获得响应于第一区域和第二区域中的基线窄带脉冲声学信号的第一基线响应信号，并且使用第三声学换能器来获得响应于第二区域和第一区域中的基线窄带脉冲声学信号的第二基线响应信号；
使用第二声学换能器来沿着细长刚性结构生成监控窄带脉冲声学信号；
使用第一声学换能器来获得响应于第一区域和第二区域中的基线窄带脉冲声学信号的第一监控响应信号，并且使用第三声学换能器来获得响应于第二区域和第一区域中的基线窄带脉冲声学信号的第二监控响应信号；
确定作为第一监控响应信号和第一基线响应信号之间的差的第一差分响应信号；
确定作为第二监控响应信号和第二基线响应信号之间的差的第二差分响应信号；
与第二差分响应信号相比，根据第一差分响应信号来生成第一差分延迟分布曲线；
与第一差分响应信号相比，根据第二差分响应信号来生成第二差分延迟分布曲线；以及
基于第一差分延迟分布曲线和第二差分延迟分布曲线来确定第一区域或第二区域内的机械变化的相对位置。


3.如权利要求2所述的方法，其中，第一声学换能器和第三声学换能器各自包括声学传感器，所述声学传感器被配置为检测声学信号。


4.如权利要求2所述的方法，其中，第二声学换能器包括声学发射器，所述声学发射器被配置为生成声学信号。


5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将第一监控传输信号归一化至第一基线传输信号，借以使第一基线传输信号和第一监控传输信号的最大值约等于第一选定值；
使用选定的时间窗口大小、选定的频率窗口大小和选定的时间步长来执行第一基线传输信号和第一监控传输信号的短时傅立叶变换；
计算归一化的第一监控传输信号和归一化的第一基线传输信号的短时傅立叶变换之间的第一差，从而形成第一二维轮廓图；并且
在第一二维轮廓图中识别第一频率-时间模式对，其中，所述第一频率-时间模式对的一个特征具有第一最大正值，并且所述第一频率-时间模式对的对应特征具有第一最大负值；以及
计算最大正值和最大负值之间的振幅差；
基于所述振幅差来确定在细长刚性结构的第一区域中是否发生了机械变化。


6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将第二监控传输信号归一化至第二基线传输信号，借以使第二基线传输信号和第二监控传输信号的最大值约等于第一选定值；
使用选定的时间窗口大小、选定的频率窗口大小和选定的时间步长来执行第二基线传输信号和第二监控传输信号的短时傅立叶变换；
计算归一化的第二监控传输信号和归一化的第二基线传输信号的短时傅立叶变换之间的第二差，从而形成第二二维轮廓图；并且
在第二二维轮廓图中识别第二频率-时间模式对，其中，所述第二频率-时间模式对的一个特征具有第二最大正值，并且所述第二频率-时间模式对的对应特征具有第二最大负值；以及
计算最大正值和最大负值之间的振幅差；
基于所述振幅差来确定在细长刚性结构的第二区域中是否发生了机械变化。


7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：在图形用户界面上显示第一二维轮廓图和第二二维轮廓图。


8.如权利要求6所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·T·芬迪科格鲁，D·N·辛哈，D·R·查普曼，
申请(专利权)人：雪佛龙美国公司，特里亚德国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US