壁厚的激光－超聲測量的制作方法

專利名稱：壁厚的激光－超聲測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直接在生產線上測量和繪制處于旋轉和平移運動并可能是在高溫狀態上的管子壁厚的方法和設備。更具體地說，該方法和設備的依據就是可用激光產生超聲和檢測超聲。
超聲學一般使用壓電傳感器來產生和檢測超聲，但在產品很熱時(典型地是1000℃)就不能使用這些傳感器件。產生和檢測超聲都要求非接觸地進行。雖然為這種用途已研發出一些電磁傳感器(所謂EMAT)，但它們都要求很靠近該測試部分和管子的制導裝置(tubeguidance)，由于這些原因在實際上并未使用它們。一實用的超聲耦合方案是通過激光來產生和檢測超聲(激光-超聲)的方法提供的。使用兩個激光器，一個用于產生超聲，它發出一短而強的脈沖，而另一用于超聲的檢測，它是很穩定的和具有一充分長的脈沖，長到足以捕捉好幾個超聲回波。超聲的產生是由產生超聲的激光所產生的瞬間表面加熱和材料燒蝕(material ablation)而引起。由該檢測激光來進行超聲的檢測，當與一光學干涉儀連接時，該激光就可檢測出由材料內反射回來的超聲波所產生的很小的表面運動。可具體應用于管壁厚度測量的檢測原理已介紹于由申請者及其同事們所提出的各個美國專利中，這些專利是J.P.Monchalin，“Optical InterfermetricReception of Ultrasonic Energy”，U.S.Patent No.4,659,224，出版于April 21，1987；R.Héon和J.P.Monchalin，“Broadbandoptical detection of a surface motion of an object using astabilized interferometric cavity”，U.S.Patent No.5,137,361,出版于Aug.11，1992；J.P.Monchalin，“Broadband opticaldetection of transient motion from a scattering surface”，U.S.Patent No.4,966,459，出版于Oct.30，1990；J.P.Monchalin andR.K.Ing，“Broadband Optical Detection of Transient Motion froma Scattering Surface”，U.S.Patent No.5,131,748出版于July21，1992。利用激光-超聲來進行管子壁厚的在線測量的可行性已由申請者及其合作者們在制管廠中所演示并介紹在下述論文中J.P.Monchalin，“Progress Towards the Application of Laser-ultrasonics in Industry”，Review of Progress in Quantitative NDS.eds D.O.Thompson和D.E.Chimenti，Vol.12A，pp.495-506，PlenumPress，1993；J.P.Monchalin，B.Blouin，D.Drolet，P.Bouchard，R.Héon，C.Paduoleau，“Wall Thickness Measurement of Tubes anEccentricity Determination by Laser-Ultrasonics”，39thMechanical Working & Steel Processing Conference，Iron & SteelSociety，Indianapolis，IN，Oct.19-22，1997，Iron & Steel Society，Warrendale，PA，XXXV，pp.927-931。在這演示中，該管子是作直線運動而并不轉動，所以該測量只是沿一直線進行的。該產生點和檢測點還是重疊的，如后面看到的那樣，這樣的后果是在該檢測信號上會產生額外的噪音。
在工業上要求的不只沿管子表面的單一直線的測量。它要求測繪出整個的管子表面的厚度的分布，這對于測定管子的偏心率來說，是特別需要的。用于這種目的的一種顯而易見的解決方法就是利用幾個激光-超聲系統，就象M.Paul，A.Hoffman，G.J.Deppe和L.Oesterlein等人于1998年5月26-29在Copenhagen的the 7th EuropeanConference on Nondestructive Testing上發表的題為“LaserUltrasonics in Industry”的通訊中所描述的那樣。由于管子的橫截面通常不由兩偏移的圓所界定，但卻具有較完整的外形，因而合適的圖形測繪要求圍繞其周邊有足夠數目的測量位置，例如，可使用10個測量位置。因而，就需要10個系統，從而導致巨大的復雜性和過高的成本。本發明提供了這一問題的一個實用的解決方案，它不需要使用多個的激光-超聲系統。
本發明的該實施例的另一目的是提供一種用來測繪在兩個方向上進行運動的管子或其它物體壁厚的設備，這種設備包括第一激光裝置，用來在該管子表面上的一特定點上產生在管壁內傳播的超聲；第二激光裝置，它與一干涉儀裝置耦連，用來檢測在該表面的檢測點上所產生的超聲回波；處理裝置，其其工作于記錄的超聲回波，并利用超聲速度的給定值和產生點和檢測點之間的距離來測定該產生點和檢測點之間中點處的壁厚；
光學的位移測量裝置，用來測定該管子在該產生點和任意起始點之間的兩個維度上的位移；顯示裝置，用來顯示該管子表面各處的壁厚值。
本發明的一個實施例的再一目的是提供一種用來測繪在兩個方向上進行運動的管子或其它物體的壁厚的方法，該方法包括下述步驟將第一激光光束導向管子表面上的一特定的產生點上，以便產生在該管壁內傳播的超聲；將第二激光光束導向該管子表面上的一超聲檢測點上；接收來自檢測點的光并在一干涉儀中進行解調，以便提供一代表超聲回波特征的信號；處理該信號，利用超聲速度的一給定值和產生點和檢測點之間的距離來測定該產生點和檢測點之間中點處的壁厚；用光測量該產生點和任意起始點之間兩個維度上管子的位移；顯示出該管子表面各處的壁厚值。
在這樣描述本發明時，將不引用用來圖示優選實施例的附圖。
在圖中相同的元件賦予相同標號。
優選實施例詳述本發明首先是基于利用與測量該管子位移的光學系統耦連的單一激光-超聲系統來測量特定位置的壁厚。由于該管子既有旋轉又有平移(類似于螺旋運動)，因而這光學系統必須測量兩個方向的位移。本發明的一個一般實施例示于

圖1中，它包括一用來測量特定位置的壁厚的激光-超聲子系統10和一用來跟蹤管子從一個厚度(管子一般用14標示)測量位置到下一個的運動的位移測量子系統。如圖1所示，由于該管是一剛體，因而該位移的測量位置可選擇在與厚度測量位置不同的地方。圖1還畫出了一用來測量在該厚度測定位置處的管子溫度的光學高溫計。
該設備的第一個優選實施例表示在圖2中。圖2詳細地示出了該激光-超聲子系統，以及由兩個激光測速計組成的位移測量子系統。這些測速計被詳細描述于圖4和圖5中(在下面討論)，每一個都代表一獨立的實施例。如圖2所示，從產生激光器22發出的產生光束(未畫出)首先被一大芯的多模光纖F1傳送。該光束然后被一透鏡L1大致準直并被一分束鏡BS反射。再由Cassegrain型鏡面反射光學系統在該管子表面聚焦成一光點24，典型的光班點具有幾個毫米的直徑，該Gassegrain型鏡面反射光學系統由一小的凸面鏡M2和一大的凹面鏡M1組成。從檢測激光器26發出的檢測光束也由一大芯的多模光纖F2傳送，并被透鏡L2聚焦，再經Cassegrain光學系統前的一小鏡M3反射后就聚焦在該管子14上的一點26’上，該點與產生超聲的點22’是不同的。然后由Cassegrain光學系統將從這檢測點散射的光匯集起來，通過分束鏡BS，最后由透鏡L3聚焦在一大芯光纖F3上，該光纖又將該光傳送到光學解調器26。該光學解調器26將由在檢測點上該超聲運動產生的相位或頻率的調制轉變成強度調制，強度調制本身又被一光學檢測器(未畫出，放置在解調器的盒子內)轉變成一代表該超聲運動特征的電信號。該解調器28是以上述那些美國專利所介紹的方案之一為基礎的，也就是，它利用了透射或反射式共焦Fabry-Perot系統，或用于兩波混頻配置的光折射晶體。利用一具有兩個電極的晶體和利用由移動干涉條紋圖引起光生電動勢的原理也是可行的，這已由I.A.Sokolov，S.I.Stepanove和G.S.Trofimox等人在the JournalOpt.Soc.Am B/Vol.9，No.1/January 1992，pp.173-176中作了描述。然后由一計算機32對從解調器來的信號進行處理，以推導出該厚度值。處理涉及數字取樣，接著是進行兩個順序的超聲回波之間的互相關，以確定這些回波之間的飛行時間。當該管子14太厚，以致基本上看見一個回波時，則就要在這回波與一參考回波之間進行互相關，后者總是對于較小厚度進行觀測，而且是用由同樣材料制備的一較薄的校準樣本來獲得的。應指出的是，用于檢測的照明光束和匯集光束具有同一個軸，它與Cassegrain光學系統的光軸是相同的，而產生光束卻具有一不同的軸，而且使產生斑點與檢測班點偏移一給定的距離δ。這個特點并不尋常，而是該設備的一創新特點。已發現這個裝置可使得由產生激光引起的材料燒蝕所產生的額外檢測噪音減小到最小，因而使靈敏度得到改善。它還有一優點是允許產生和檢測超聲的激光都以相同波長運作。在光班點重疊時以相同波長運作通常是不可能的，這是因為在這種情形下，由檢測器采集的產生激光的光是十分強的，足以造成它的損壞。兩個順序回波之間的傳播距離與壁厚d的兩倍是稍有不同的，傳播距離等于d2+(δ/2)2的平方根的兩倍。從飛行時間、δ值、和在由高溫計16測定的溫度上的超聲速度值，計算機就可算出該厚度d。精確地說，這是產生點和檢測點之間中點處的厚度，但在實際上厚度的變化是緩慢的，而且該偏移量δ是很小的，因而在產生點、檢測點和它們的中點的厚度都大致是相同的。該計算機32從速度-溫度校正數據查找到相應的超聲速度值，該數據是以前離線時獲得并存儲在計算機的存儲器中的。例如，運校正數據可由測量一些由相同材料制作并已知厚度的樣本的回波之間的飛行時間來獲得，這時的溫度是由一高溫計16或一熱電偶監測的。利用由測速計18和20提供的位置的測量信息，計算機就可畫出該管子表面的厚度分布圖，并由顯示系統34顯示出來。從這厚度分布圖，就可計算出沿該管子的偏心率，而且也可由該顯示系統顯示出來。在圖2所示實施例中，還應注意，所有的光束都是由光纖耦合的，其優點是允許兩激光器22和26的遠距離設置，遠離該加熱的管(hot tube)(未畫出)和接頭或延長的機器(未畫出)。顯然，光束不是由光纖耦合的配置也是可使用的，而且還可使用不同種類的集光系統，特別是還可使用全部使用折射光學元件的集光系統。用來測量在厚度測量位置處的表面溫度的高溫計也可用光纖耦合，因而放置在遠處。
該激光-超聲子系統的第二實施例被示于圖3之中。在這實施例中，產生點和檢測點也是分離的，所有的激光光束都是由光纖耦合的，而且使用了相同的反射鏡面光學系統。如圖3所示，該檢測激光光束在通過偏振分束鏡后被透鏡L1聚焦在一大芯的多模光纖F1上。該產生超聲的激光光束也用一大芯多模光纖F2傳送。該兩光纖的端部并排大致設置在透鏡L2的焦平面中。然后被由反射鏡M1和M2組成的Cassegrain系統將近乎準直的兩光束投射到該管子上形成兩不同的光斑點。這兩光斑點錯開一固定距離，這光斑點錯開的距離由兩光纖的錯開距離和由反射鏡M1、M2及透鏡L2組成的系統的放大倍數確定。然后由M1、M2及透鏡L2將來自該檢測光斑點的散射光匯集起來，并由光纖F1傳送到透鏡L1和偏振分束鏡，這偏振分束鏡再將該光反射到解調器28。利用偏振分束鏡36將由高功率的檢測激光器26發出的將由解調器28接收的任何雜散光減小到最小。該檢測激光26是沿該偏振分束鏡36的透過偏光的方向偏振的，因而由透鏡L1表面和光纖前端表面的任何反射光都不會被該解調器28接收。雜散光的進一步抑制是由涂敷在該光纖F1和透鏡L2的另一端的抗反射涂層實現。如前面解釋的那樣，完成解調器信號的處理、厚度分布圖和偏心率的測定、以及信息的顯示。與前述實施例一樣，這實施例也使用了一高溫計16和測速計18、20。
關于位移測量子系統，可由兩個激光多普勒測速計組成。激光多普勒測速計是通過使同一激光器衍生出來的兩光束在該物體表面相交以產生一干涉條紋圖案的方法來測量運動物體的橫向速度。該散射光然后被一光學檢測器采集，該散射光具有頻率為f的一調制分量，其頻率是與相交光束之間的夾角2θ、光波長λ和與條紋垂直方向X(也就是在兩光束構成的平面內的方向)的表面速度Vx有關f＝2Vxsinθ/λ；當θ和λ是已知時，則f的測量就可給出Vx。關于激光多普勒測速計的參考文獻可在L.E.Drain的書“The Laser Doppler Technique”(J.Wiley & Sons，1980)和下述兩篇科學通信中找到一為“Laserdoppler velocimetryAnalytical Solution to the Optical SystemIncluding the Effects of Partial Coherence of the Target”，由H.T.Yura，S.G.Hanson和L.Lading發表在Journal of OpticalSociety A，Vol.12，No.9，Semptember 1995，pp.2040-2047上；另一篇為“Laser velocimetersLower Limits to Uncertainty”，由L.Lading和R.V.Edwards發表在Applied Optics，Vol.32，No.2，July1993，pp3855-3866上。假定速度測量次數進行得足夠多時，則該位移就可由數值積分推算出來。一個測速計測量X方向的速度，而另一測速計則用來測量垂直的Y方向的速度。從這兩個分量就可確定該速度矢量，并進而測定該位移矢量。應指出，并不需要一個這些方向與該管子的平移方向一致。這兩測速計任一的優選實施例被詳細的示于圖4中，它們是該位移子系統的一部分。在圖4中，該測速計中所用的激光40被分束鏡BS分成兩個強度相等的光束，這些光束被透鏡L1和L2聚焦進入兩條單模偏振的保持光纖SMF1和SMF2中。這些光纖傳送的光被透鏡L3和L4準直并由一大透鏡L5將這兩光束投射到管子14上。這兩光束在管子表面相交，產生一希望的干涉條紋圖案。上面提及的頻率調制的散射光被透鏡L5和L6匯集，聚焦在一大芯多模光纖LCMMF上。這光纖將該光傳送到一檢測器42，它產生一電信號，該信號具有頻率為f的分量。然后對這信號進行處理，以測定在與干涉條紋垂直方向上的速度。將會認識到，通過進一步將該光束分裂成兩條光束的方法，兩個測速計只用一個激光器就可以了。另外，由于該檢測激光通常是通過將來自一低功率的連續激光器的光束在一脈沖放大器中放大的方法產生，所以這種低功率的連續激光器還可用作該測速計的一激光光源。多普勒測速也可不用光纖耦合來實現。在這種不用光纖耦合情形中，有幾種系統都是可從市場上買到的，其中特別包括GeorgeKelk Corporation公司生產的Accuspeed laser velocimeter，該公司地址為48 Lesmill Road，Don Mills，Ontario，M3B 2T5，Canada；和TSI Inc公司生產的LaserSpeed velocimeter，公司地址為500Cardigan Road，St.Paul，MN 55164，USA。但是，人們將寧愿采用光纖耦合，以便將激光器和電子設備安置在盡量遠離該管子加工線的地方。
另外，不利用激光多普勒測速計，而可利用激光飛行時間測速計代替。在這些系統中將同一激光器發出的光投射到該物體表面分開距離為d的兩個點上，而每個點的散射光都由一檢測器采集。在時間T后，將來自兩檢測器的信號相互關聯起來。通過上述兩點的直線方向X上的速度Vx可由比率d/T給出。關于激光飛行時間測速的參考文獻可在上述的L.Lading和R.V.Edwards的著述和由H.T.Yura，S.G.HansonD的論文“Laser-Time-Of-Flight VelocimetryAnalyticalSolution to the Optical System Based on ABCD Matrices”，theJournal of Optical Society A，Vol.10，No.9，Semptember 1993，pp.1918-1924中找到。如前一樣，該位移可由積分得出。該兩個飛行時間測速計任何之一的優選實施例被示于圖5中，它們是該位移子系統的一部分。如圖5所示，用于該測速計中的激光被分束鏡BS1分裂成強度相等的兩光束，這兩光束被透鏡L1和L2聚焦進入兩單模光纖SMF1和SMF2中。來自兩光纖的光通過分束鏡BS2，并通過由透鏡L3和L4組成的遠心光學系統將兩光纖的端部成像在管子的表面上。該表面上的這兩不同點被分開一很確定的距離，該分開的距離由該分束鏡之前的光纖間隔和該遠心光學系統的放大倍率決定。然后這兩光斑點的散射光被同一光學系統匯集，并由分束鏡BS2反射進兩大芯的多模光纖，由這兩光纖將光傳送到兩檢測器42、42’中。然后將檢測器42、42’產生的信號傳送到一測定相關時間的相關器(未畫出)中，從該相關時間就可確定通過該表面的上述兩光斑點的方向上的速度。在對兩個信號進行數字取樣后，就可完成數值上的相關。
按照本發明設備的第三個實施例被示于圖6中。這個實施例并不使用獨特的一些測速計，該裝置是這樣的，它使得該被采集的光信號既攜帶有該超聲的信號又攜帶有該速度的信號，然后將這兩信號分開以便進行適當處理。除了用于檢測的照明外，該光學配置是與圖2所示的第一實施例完全相同的。如圖6所示，在經光纖F2傳送之后該檢測光束被透鏡L2準直，然后分裂成4條光束，兩條在一平面內而另兩條則是在一垂直平面內。為了清楚起見，在圖6的圖中只畫出了由分束鏡BS2分裂成的兩條光束。這兩條光束由分束鏡BS2和反射鏡M3反射并由透鏡L4和L5聚焦到管上的同一位置，這兩光束就在這位置上產生干涉條紋。整個配置以透視圖的方式示于圖7中(沒有聚焦透鏡)。除了由反射鏡M3和分束鏡BS2反射的兩光束外，圖7還畫出了在垂直平面中的另外兩光束是如何衍生出來的。這些光束在同一位置上產生一與前述干涉條紋圖案垂直的干涉條紋圖案。一條光束來自分束鏡BS3，并由反射鏡M5和M6反射到該表面上。另一條則來自分束鏡BS4，并由反射鏡M4反射到該表面上。由該管子14上的照明光斑點散射出來的光被由反射鏡M1、M2和透鏡L3組成的光學系統所接收。這種散射光，以及在解調器內的檢測器輸出的電信號都具有代表該超聲的表面運動的信號和速度信號。通常，該超聲信號具有的頻率范圍比速度信號的頻率范圍高很多，因而可很容易用電子濾波的方法將它們分開。然后對低頻信號進行傅里葉變換，顯示出兩分開的峰，每個峰都與一個速度相應。這些峰之所以被分開，要么是因為在兩個方向上的速度是十分不同的，要么是因為這些光束具有不同的分離角(separationangle)θ，這將導致不同的干涉條紋間隔。在圖6所示的配置中，該檢測激光光束是通過多模光纖耦合的，因而該干涉條紋圖案具有散斑結構，而且在頻率分析后觀察到的峰都是很寬的并具有噪音。但是，采用調節通過這些數據的包絡的方法，人們發現這包絡的最大值是由上面所提及的簡單公式與該速度相關聯。較高精度的速度測定，可采用不通過光纖而直接與檢測激光光束耦合的方法獲得，但其缺點是這種激光器只得靠近加工線放置。
該位移子系統的第三個實施例依據的是可用一成像系統對產生和檢測激光在管子表面產生的熱斑點進行跟蹤。圖8是它的一示意透視圖。當該管子處于高溫(幾百℃)時，可采用一具有短積分時間的CCD像機和最后再用一圖像增強器。該像機將疊加在來自管子的輻射背景上的光斑點的發射光在這短積分時間(常常是幾百微秒)上積分起來。兩個圖像記錄是在兩不同時間攝取的。該像機用一濾光器加以保護，以便阻擋所有的產生和檢測激光器的光，就在激光開始發射時攝取第一個圖像。然后將記錄的幀迅速傳送到計算機。常常在幾個毫秒之后攝取第二圖像記錄，然后也將它的幀傳送給計算機。在這第二個記錄中，該熱斑點在背景上具有很小的反差，因為熱斑點由于熱傳導和輻射損耗而冷卻了。但是人們仍然預期，在幾毫秒之后該熱斑點的溫度是處于大約高出管子溫度5-10℃的范圍內。在考慮該像機平面和該管子之間的放大倍率之后，該兩幀的互相關就可給出該管子的位移。
雖然在上面已描述了本發明的一些實施例，但并不限于這些實施例，而且，對于熟悉本技術的業內人士來說很顯然，在不偏離本發明的權利要求和描述的精神、本質和范圍的限度內，對于本發明的部件都可進行很多改進。
權利要求
1.一種測繪在兩個方向上運動的管子或其它物體壁厚的設備，包括第一激光裝置，用來在所述管子表面的特定產生點上產生在管壁內傳播的超聲；第二激光裝置，與一干涉儀耦連，用來檢測在所述表面的檢測點上產生的超聲回波；處理裝置，工作于記錄的超聲回波，并利用給定的超聲速度值和所述產生點和檢測點之間的距離來測定在所述產生點和檢測點之間中點處的壁厚；光學位移測量裝置，用來測定在所述產生點和任意起始點之間兩個維度上的位移；顯示裝置，用來顯示在所述管子表面上的壁厚數值。
2.按照權利要求1所述的設備，其中，所述的檢測點重疊于所述的產生點之上。
3.按照權利要求1所述的設備，其中，所述產生點和檢測點是錯開的，而且所述第一激光裝置和所述第二激光裝置都工作在相同波長上。
4.按照權利要求1所述的設備，還包括高溫測量裝置，用來測量所述產生點和檢測點附近的溫度，以便利用速度確定超聲速度。
5.按照權利要求1所述的設備，還包括分析裝置，用來從顯示的壁厚數值測定沿所述管子的偏心率的數值。
6.按照權利要求1所述的設備，其中，所述激光裝置的光束是由光纖耦合到所述管子的附近，因而可將激光裝置放置在遠離所述管子的地方。
7.按照權利要求1所述的設備，其中，所述光學位移測量裝置包括兩個用來計算位移的光學測速計，每個測速計包括測量管速的兩個分量的激光裝置。
8.按照權利要求7所述的設備，其中，所述光學測速計是用光纖耦合的，以便將所述激光裝置的光傳送到所述管子的附近，因而可將所述激光裝置放置在遠離所述管子的地方。
9.按照權利要求7所述的設備，其中，所述光學測速計具有一共同的激光裝置。
10.按照權利要求7所述的設備，其中，所述的那些激光測速計是激光多普勒測速計，每個都包含用來將來自測速計激光裝置的一光束分裂成兩條光束的裝置；使所述光束相交于所述管表面以便形成干涉條紋圖案的裝置；用來采集所述兩光束的散射光的裝置，所述散射光包含有以與所述干涉條紋圖案垂直的速度分量相關的頻率變化的信號；用來處理所述信號以便確定與干涉條紋圖案垂直的速度分量的裝置。
11.按照權利要求7所述的設備，其中，所述的激光測速計是飛行時間激光測速計，每個都包含用來將所述來自測速計激光裝置的光束分裂成兩條光束的裝置；用來將所述光束投射到所述表面上分開一給定距離的兩個點上的裝置；用來將所述兩點的散射光采集到兩光學檢測器上的裝置；以及用來將來自所述光學檢測器的信號關聯起來以測定時間延遲的裝置，從這時間延遲，就可利用已知的所述給定距離計算出在所述的管子表面所述點所確定的方向上的速度分量。
12.按照權利要求1所述的設備，其中，所述的光學位移測量裝置包括用來將來自所述第二激光裝置的光束分裂成四條光束的裝置；用來使所述四光束相交于所述管表面的檢測點上的裝置，第一兩個所述光束在給定方向產生一干涉條紋圖案，而第二兩個所述光束則在垂直方向上產生一干涉條紋圖案；用來采集來自所述檢測點的散射光的裝置，其包括以與垂直于所述第一干涉條紋圖案的速度分量相關的頻率變化的信號；以與垂直于所述第二干涉條紋圖案的所述速度分量和超聲回波相關的頻率變化的信號；用來將超聲回波和各速度信號分開的濾波裝置；用來對各速度信號進行處理以測量所述管子速度的兩個分量的裝置，由這兩速度分量可通過積分計算出管子的位移。
13.按照權利要求12所述的設備，其中，來自所述第一激光裝置的光束和來自第二激光裝置的光束在分裂成四條光束之前都是通過光纖耦合到所述管子的附近，因而可將所述激光裝置放置在遠離所述管子的地方。
14.按照權利要求1所述的設備，其中，所述光學位移測量裝置包括成像像機，用來跟蹤由所述的第一激光裝置和第二激光裝置所產生的熱點，包括與幀獲取裝置相關聯的快速快門裝置，以便記錄緊隨產生的第一圖像及在一給定時間間隔后的第二圖像，以及處理裝置，用來將所述第一圖像和第二圖像關聯起來，從而測定在所述給定時間間隔內發生的位移。
15.一種測繪在兩個方向上運動的管子或其它物體壁厚的方法，包括下述步驟將第一激光光束導向所述管子表面的一特定產生點，以便產生在所述管壁內傳播的超聲；將第二激光光束導向所述管子表面的一檢測點上；接收來自所述檢測點的光并在一干涉儀中進行解調，以便提供一代表超聲回波的信號；對所述信號進行處理，利用給定的超聲速度值和所述產生和檢測點之間的距離來測定所述產生和檢測點之間中點處的壁厚；光學測量在所述產生點和一任意起始點之間在兩個維度上所述管子的位移；將所述管子表面的壁厚值顯示出來。
16.按照權利要求13所述的方法，其中，所述檢測點是疊加在所述產生點上的。
17.按照權利要求15所述的方法，其中，所述檢測點和所述產生點是錯開的，而且兩激光光束都具有相同的波長。
18.按照權利要求15所述的方法，還包括用一光學高溫計測量在所述產生點和檢測點附近的溫度，利用這樣的溫度就可利用速度-溫度數據來確定超聲的速度。
19.按照權利要求15所述的方法，還包括由顯示的壁厚數值來測定沿所述管子的偏心率。
20.按照權利要求15所述的方法，其中，所述的光束是用光纖傳送到所述管子附近的，因而可將所述的激光裝置放置在遠離所述管子的地方。
21.按照權利要求15所述的方法，其中，所述管子的位移分量可通過對光學測速計測定的所述速度分量進行積分算出。
22.按照權利要求21所述的方法，其中，所述光學測速技術是激光多普勒測速技術，它包括將一激光光束分成兩光束；使所述兩光束相交在所述管表面上，以產生一干涉條紋圖案；采集來自所述光束的散射光，其包含以與所述干涉條紋圖案垂直的速度分量相關的頻率變化的信號；處理所述信號以便確定與所述干涉條紋圖案垂直的速度分量。
23.按照權利要求21所述的方法，其中，所述光學測速技術是飛行時間激光測速技術，包括將一激光光束分成兩光束；將所述光束投射到所述管子表面分開一給定距離的兩點上；將由所述兩點散射的光采集到兩光學檢測器上；以及將來自所述兩光學檢測器的信號關聯起來以測定時間延遲，從這時間延遲，就可利用已知的所述給定距離計算出由在所述的管子表面的點所確定的方向上的速度分量。
24.按照權利要求15所述的方法，其中，光學測量管子位移包括將所述第二激光光束分成四條光束；使所述四條光束相交在所述管子表面的檢測點上，第一兩個光束在給定方向產生一干涉條紋圖案，而第二兩個光束則在垂直方向產生一干涉條紋圖案；采集來自所述檢測點的散射光，其包含以與垂直于所述第一干涉條紋圖案的速度分量相關的頻率變化的信號；以與垂直于所述第二干涉條紋圖案的速度分量和超聲回波相關的頻率變化的信號；對采集的信號進行濾波，以便將超聲回波和各速度信號分開；以及對各速度信號進行處理，以便測定所述管子速度的兩個分量，由此通過積分就可計算出管子的位移。
25.按照權利要求24所述的方法，其中，所述第一激光光束和第二激光光束在分成四條光束之前被光纖耦合到所述管子的附近。
26.按照權利要求15所述的方法，其中，用光學測量管子位移包括用一具有快速快門的成像像機跟蹤由所述第一激光光束和第二激光光束產生的熱點；記錄緊隨產生的第一圖像和在一給定時間間隔后的第二圖像；獲取所述第一圖象幀和第二圖象幀并將它們傳送到處理裝置進行處理；將所述第一圖象幀和第二圖象幀進行關聯以便確定管子在給定時間間隔內的位移。
全文摘要
用于測繪在兩個方向上運動的一管子或其它物體的壁厚分布圖的設備和方法。所述裝置包括第一激光器和第二激光器,前者用來在所述管子表面的特定產生點產生在管壁內傳播的超聲,后者與一干涉儀耦連用來檢測在所述表面的一檢測點上產生的超聲回波。一處理器被提供來工作于記錄的超聲回波,并利用超聲速度的一給定值和所述產生點與檢測點之間的距離來確定所述產生點與檢測點之間中點處的壁厚。利用一光學位移測量裝置來測定在所述產生點與任一起始點之間兩個維度上的位移,以及利用一顯示器來顯示所述管子表面的壁厚值。
文檔編號G01K11/24GK1357100SQ00809253
公開日2002年7月3日 申請日期2000年4月19日 優先權日1999年4月20日
發明者J·－P·蒙查林, A·布羅因, C·帕蒂奧萊奧 申請人:加拿大國家研究局