本發(fā)明涉及超聲信號發(fā)射及反射的超聲信號的接收，以便能夠?qū)χT如公路、橋梁、結(jié)構(gòu)中的固體材料進行非破壞性分析。

背景技術(shù)：

提出令人滿意的檢測方法與裝置以便收集用于如公路、橋梁等結(jié)構(gòu)的材料自身以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(諸如加強件)和/或裂隙與故障進行成像的數(shù)據(jù)是一個問題。

已經(jīng)提出了對諸如管道、容器、鐵軌等設施進行檢測以收集數(shù)據(jù)并繪制潛在的缺陷與故障圖的解決方案。對于這些來說共同之處在于待檢測的材料的表面是平滑的并且設施與傳感器之間的聯(lián)接接觸可以由儀器與設施之間的持續(xù)水流組成，或者例如在執(zhí)行超聲數(shù)據(jù)收集之前用耦合凝膠準備設施。

由于可獲得的工具更適合于小區(qū)域的隨機采樣，因此當利用用于地下成像的超聲信號發(fā)射與接收對大型結(jié)構(gòu)進行勘測時會出現(xiàn)問題。如果這些工具應用于大型結(jié)構(gòu)，如果需要形成結(jié)構(gòu)材料的完整分析或幾乎100％覆蓋率分析的數(shù)據(jù)收集，那么將非常耗時。

另一個問題是用于材料的動態(tài)檢測的儀器通常制成為用于檢測管子、軌道等，其中結(jié)構(gòu)的表面是平滑且均勻的，并且其中因為通過結(jié)構(gòu)的物理形式沿著結(jié)構(gòu)(即沿著鐵軌、沿著管子等)引導儀器，待測試結(jié)構(gòu)的表面是容易繪制的。由于儀器與被測試材料之間缺少接觸，例如由于表面中的突起、表面上的物體或障礙物、或者非平坦表面，而在儀器與測試表面之間出現(xiàn)氣穴，因此在混凝土或其它的典型公路表面等上使用這些類型的儀器將產(chǎn)生大量的故障測量值，這阻止了超聲信號前進到測試材料中。

沒有已知的解決方案用于提供超聲數(shù)據(jù)收集以便利用大型結(jié)構(gòu)的超聲檢測裝置、測試材料(諸如橋梁與建筑物)產(chǎn)生對地下的完整分析或幾乎100％覆蓋率分析。測試材料例如可以是在混凝土的埋層中具有鋼筋的混凝土基礎設施，通常在測試材料的表面以下2-15cm，這容易受到磨損，并且混凝土和加強件的狀態(tài)指示此結(jié)構(gòu)的能力。混凝土中的未探測到的弱點可能造成整個結(jié)構(gòu)塌陷，對人和財產(chǎn)具有潛在危害。利用具有有限能力的測量技術(shù)進行檢測是耗時的，并且對結(jié)構(gòu)材料的完整分析或幾乎100％覆蓋率分析通常是非常昂貴的，并且在許多情形中省略它們，這導致有缺陷的檢測。

大型結(jié)構(gòu)的檢測通常作為視覺探測來執(zhí)行，并且如果視覺檢測到弱點，那么再利用可獲得的儀器。通常此方法涉及從結(jié)構(gòu)自身獲取核心樣本，并將此核心樣本發(fā)送到實驗室以便進一步測試與評估，這是非常需要時間與資源的?，F(xiàn)有的基于超聲輪的方法與裝置通常以高頻信號發(fā)射與測量機構(gòu)為基礎，通常在多個mhz范圍內(nèi)。高頻信號檢測機構(gòu)不適合于諸如混凝土和木材的材料。

在低頻超聲khz范圍(25khz–500khz)內(nèi)的現(xiàn)有的低頻信號發(fā)射與測量機構(gòu)，限于利用例如布置在可疑弱點處的探頭的固定測試裝置，然后執(zhí)行發(fā)射超聲信號、以及接收與存儲/分析針對特定點的接收信號的測試序列。然后，探頭移動到另一個點并且重復此過程。此方法非常耗時，并且在所有實際意義上不包括完整或幾乎100％覆蓋率的大區(qū)域檢測。

地下結(jié)構(gòu)分析的問題在于探測結(jié)構(gòu)中的豎直裂縫?；趦H從豎直裂縫反射的測量(如果探測到的話)必須進行進一步的詳細測試與耗時的分析。

利用可獲得的技術(shù)測試大型結(jié)構(gòu)的唯一實際替代方案是使用基于雷達的解決方案?；诶走_技術(shù)的系統(tǒng)與裝置可以覆蓋大的區(qū)域，但是分辨率不佳代表了這些技術(shù)未解決的問題，并且它們不適合于發(fā)現(xiàn)故障或者指示涉及針對探測要求高分辨率成像的故障。這些類型的故障可以由加強件開始劣化、混凝土中的小氣穴或裂縫、由于石頭或加強件后面的陰影區(qū)域而躲蔽雷達的區(qū)域、含有液體或潮濕或滲透液體的部分、或者結(jié)構(gòu)的其它部件表征。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了用于超聲信號的發(fā)射與接收的裝置，用于分析大型結(jié)構(gòu)的測量材料(包括具有非平坦表面的測試材料)以及超聲數(shù)據(jù)收集。本發(fā)明適用于各種深度處的分析，深度范圍還包括從表面進入到測試材料中達15-20cm范圍內(nèi)的層，但是不排除其它進一步的掩埋層。根據(jù)對接收數(shù)據(jù)的s/n比率的要求，傳感器發(fā)射信號的頻率與強度、采樣率，以及測試材料分析的深度范圍可大幅度改變。目的是能夠識別結(jié)構(gòu)/測試材料的地下中的弱點和缺陷，諸如混凝土結(jié)構(gòu)中的有缺陷或劣化的加強件，由于木材結(jié)構(gòu)中的隱蔽分支或腐爛部分引起的弱點，或者在這種結(jié)構(gòu)中的其它缺陷參數(shù)等。本發(fā)明利用超聲傳感器技術(shù)提供了數(shù)據(jù)的有效收集，具有利用在較低頻率超聲khz范圍內(nèi)的低頻發(fā)射的能力，優(yōu)選地在25khz與500khz之間，或者更優(yōu)選地在75khz與225khz之間，以便在諸如混凝土和木材等的測試材料中獲得更好的性能。

本發(fā)明還可以用于高達幾mhz范圍的較高頻率范圍的超聲信號的發(fā)射，優(yōu)選地在0.5mhz–10mhz之間，或者更優(yōu)選地在2mhz與6mhz之間，或者甚至更優(yōu)選地在4mhz與5mhz之間，以便從諸如鋼、碳纖維、玻璃纖維等的更加緊湊的測試材料收集超聲數(shù)據(jù)。

盡管在本文件中具體地討論了一些頻率范圍，但是這不應限制本發(fā)明，并且可以容易地選擇其它頻率。

本發(fā)明還提供了包括輪子的裝置，包括用于發(fā)射及接收反射信號的超聲傳感器，此輪子包括沿著輪胎胎面方向/滾動方向布置的多個圓形部分，其中每個部分與一個或一組傳感器垂直地對齊，并且每個部分包括獨特的輪胎胎面部分。在輪子進行滾動運動時遇到障礙物的情形中，障礙物的影響主要是影響與障礙物接觸的輪胎胎面部分，而所有其它部分不受影響。

本發(fā)明的方面由此可以包括改進由數(shù)據(jù)收集與分析產(chǎn)生的圖像分辨率，并且通過使用干式聯(lián)接滾動輪構(gòu)思，提高采樣中的s/n比率，以及較少的時間消耗，對覆蓋結(jié)構(gòu)/測試材料(諸如橋梁、建筑物或其它結(jié)構(gòu))的較大區(qū)域進行采樣/檢測。其它結(jié)構(gòu)的示例例如可以是飛機機翼結(jié)構(gòu)，或者被設計為大量輸送lpg、lng或液化化學氣體的氣罐車/船等。為實現(xiàn)此任務，有必要提高收集數(shù)據(jù)的速率，以及還進一步將收集數(shù)據(jù)的速率與提高測量中的s/n比率的機構(gòu)結(jié)合，并且選擇性地提供用于絕對位置或相對位置或者兩者的特征并且在收集的數(shù)據(jù)中包括此信息。

本發(fā)明被優(yōu)化，以便即使當材料的表面不平坦，即由于磨損或通過構(gòu)造造成的，也能夠提高超聲信號發(fā)射以及用于材料分析的超聲數(shù)據(jù)收集的效率。

本發(fā)明還提供了用于快速且可靠地勘測大型構(gòu)造的方法與系統(tǒng)，其中手動地保持跟蹤結(jié)構(gòu)的哪些部分已經(jīng)被收集數(shù)據(jù)/測試樣本覆蓋將是不能令人滿意或不可能的，由此本發(fā)明提出了用于自動地保持跟蹤結(jié)構(gòu)的被測試裝置覆蓋的部分的系統(tǒng)與方法，并且確保以成本和時間高效方式有效地覆蓋來自結(jié)構(gòu)/測試材料的所有部分的數(shù)據(jù)收集。

本發(fā)明通過所附的獨立權(quán)利要求進一步限定，并且本發(fā)明的其它實施方式由所附的相關從屬權(quán)利要求限定。

在本文中測試材料應該理解為包括任何固體材料，諸如礦物、金屬、或聚合物、或者這些的合成物。這包括但不限于混凝土、陶瓷、鐵、鋼、鋁、木材、碳纖維、玻璃纖維等。

在本文中超聲信號發(fā)射應該理解為包括任何聲波(包括脈沖)的發(fā)射、通過在其中傳播的介質(zhì)的振蕩(包括壓緊與去壓緊)而前行。對于固態(tài)介質(zhì)來說，聲波可以呈現(xiàn)不同模式，包括但不限于，縱向壓力波、橫向剪切波、表面(瑞利)波等。

在本文中超聲數(shù)據(jù)收集應該理解為包括前述發(fā)射的超聲信號的反射或傳輸?shù)奶綔y與處理?？梢允占⒎治鲂盘柕牟煌匦?，包括但不限于幅度、傳播時間、相位和頻率內(nèi)容。

gps在本文中表示全球定位系統(tǒng)。

在本文中絕對位置應該理解為包括如通過gps或天線三角測量等限定的幾何位置數(shù)據(jù)。

在本文中相對位置數(shù)據(jù)應該理解為包括相對于固定的預定位置點的任意位置限定。相對位置描述可以包括最多3維的距離以及諸如時間與體積的其它參數(shù)。

控制邏輯電路在本文中應該理解為包括遠程、車載或手持的任何儀器與計算裝置，用于：

-控制傳感器；

-收集、存儲與傳輸來自傳感器的數(shù)據(jù)；

-控制本發(fā)明的系統(tǒng)的位置和移動方向；

-在測試材料部分上方的預定區(qū)域中的實際定位；

-上述的狀態(tài)通信和顯示；

-收集數(shù)據(jù)的處理并且生成分析結(jié)果。

在本文中沿著軌道將表示本發(fā)明的裝置的移動方向。

在本文中跨越軌道將表示與本發(fā)明的裝置的移動垂直的方向。

在本文中傳感器或傳感器陣列將表示所有類型的超聲傳感器，也可以是包括控制邏輯電路和其它特征的現(xiàn)成的或定制的傳感器模塊。

在本文中加強件應該理解為包括用于強化結(jié)構(gòu)的材料的所有類型的材料，這些材料在出版物中被稱為例如螺紋鋼、裝甲、鋼筋等。盡管具有足夠抗拉強度的任何材料都能夠潛在地用于加強混凝土(玻璃和玄武巖纖也是常見的)，鋼和混凝土具有類似的熱膨脹系數(shù)：用鋼加強的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件將經(jīng)受由于由溫度變化造成的兩種互連材料的差異膨脹造成的最小應力。

在本文中膜和輪胎胎面部分應理解為包括輪胎的結(jié)構(gòu)，還包括透明帶和胎面，以及輪胎支撐的其它構(gòu)造/部分或者胎面和透明帶的一部分。

在本文中耦合流體應該理解為包括對于經(jīng)過流體的超聲傳輸具有匹配或要求的透明特性的任何流體?？梢栽诙喾N情形中使用水。

附圖說明

在附圖中進一步解釋本發(fā)明，附圖應該解釋為是本發(fā)明的可能實施方式的說明，但是不代表對本發(fā)明范圍的任何限定。

圖1是輥子單元的立體圖。

圖2a是通過豎直中心線剖切的輥子的剖視圖。

圖2b是與相應傳感器對齊的輪子的部分的實施方式的輪廓細節(jié)。

圖2c是與相應傳感器對齊的輪子的部分的實施方式的輪廓細節(jié)。

圖3是輥子單元的內(nèi)部的立體圖。

圖4是輥子單元的內(nèi)部的前視圖。

圖5是輥子單元的前視圖。

圖6是輥子單元的內(nèi)部的仰視圖。

圖7是具有部分透明的輪胎部分的雙輥子單元的立體圖。

圖8是雙輥子單元的俯視圖。

圖9是手持式三輥子單元的側(cè)視圖。

圖10是手持式三輥子單元的仰視圖。

圖11是手持式三輥子單元的俯視圖。

圖12是手持式三輥子單元的立體俯視前視圖。

圖13是示出發(fā)射與接收傳感器陣列的沿軌道幾何示例的圖。

圖14是示出發(fā)射與接收傳感器的跨軌道幾何示例的圖。

圖15是可移動的三重雙輥子保持架系統(tǒng)。

圖16是用于可移動保持架的跟蹤路徑場景的概略圖。

具體實施方式

本發(fā)明是用于超聲信號發(fā)射及反射信號的接收以便分析測試材料的裝置，此裝置包括位于輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的超聲傳感器陣列，在傳感器陣列周圍具有柔性自適應分段輪胎，以便提供還作為圍繞傳感器陣列的密封液體填充外殼的滾動運動特征，以便在傳感器與同測試材料滾動接觸的輪胎材料之間提供耦合流體。

本發(fā)明還提供了一種用于超聲信號發(fā)射及反射信號的接收以便對測試材料進行非侵入性分析的裝置。此裝置包括位于單獨輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一個以上傳感器陣列，在傳感器陣列周圍具有柔性自適應分段輪胎，以便提供還作為圍繞傳感器陣列的密封流體填充外殼的滾動運動特征，從而在傳感器與同測試材料滾動接觸的輪胎材料之間提供耦合介質(zhì)。

本發(fā)明還提供了一種利用本發(fā)明的裝置進行超聲信號發(fā)射及反射信號的接收以便分析測試材料的方法。

本發(fā)明還提供了一種利用本發(fā)明的裝置進行超聲信號發(fā)射及反射信號的接收以便分析測試材料的系統(tǒng)。

在附圖中示例了本發(fā)明。

本發(fā)明的一個實施方式的超聲裝置的輪結(jié)構(gòu)提供了如圖1和圖2中所示的輪胎10形式的外殼。

超聲裝置包括軸2，此軸提供了附接到軸的基部3，傳感器20的陣列布置在基部上。

傳感器20示出為圓柱狀的傳感器，但是可以使用任何形式的傳感器20，并且形狀與尺寸可以提供與將由傳感器20發(fā)射的信號的穿孔方向相關的特定特征。針對發(fā)射信號的特定頻率范圍，可以優(yōu)化形狀。

還可以針對與其是否僅用于發(fā)射信號、僅用于從測試材料接收反射信號還是用于兩者有關的優(yōu)化性能來定制傳感器20的尺寸和形式。

本發(fā)明的工業(yè)化階段將用于發(fā)現(xiàn)傳感器20的最佳尺寸、形式和技術(shù)。前部輪廓可以包括但不限于：圓柱形、矩形、正方形、橢圓形等，同時傳感器表面(前面)的形狀可以包括但不限于突出球形、凹形、以及凸形、單曲線或雙曲線、錐形等?？梢赃x擇不同形式的組合。

電力與信號纜線4可以設置為在傳感器20的控制邏輯電路(未示出)與諸如電源、儀器、計算機等的外部裝置之間聯(lián)系。纜線可以完全或部分地由無線通信裝置或可拆除存儲介質(zhì)替代。

軸2為軸承5(諸如密封球軸承)提供外部附接裝置，而且為輪胎/輪胎部分10提供附接基部6。輪胎以密封方式(即通過粘結(jié)劑、管夾、焊接等)附接到輪胎附接基部。

輪胎10及軸承5的外部部分將相應于裝置在測試材料15上方的運動而旋轉(zhuǎn)，同時軸2、傳感器基部3及傳感器20將相對于測試材料15保持在固定的角位置，針對超聲信號發(fā)射及來自測試材料15的反射信號的接收優(yōu)化該角位置。

傳感器陣列位置與方向可以設定在多個預定位置，以提供超聲傳感器相對于待測試/檢測材料的一個以上的可能的角度和/或距離。根據(jù)輪材料和形式、測試材料以及傳感器是用于發(fā)射還是接收還是兩者，將設定傳感器相對于測試材料的最佳位置與角度。在本發(fā)明的一個實施方式中，位置與角度在操作過程中可以在預設位置與角度之間變化或改變。

在一個使用場景中，能夠確保發(fā)射信號的角度相對于測試材料垂直將是有利的。從現(xiàn)有技術(shù)獲得的其它機構(gòu)可以與本發(fā)明結(jié)合使用，以確保發(fā)射信號總是垂直于測試材料的表面或者相對于測試材料的表面成預定角度。

一種這樣的現(xiàn)有技術(shù)可以是安裝與測試材料的表面保持接觸的偏置的傳感器輪(未示出)，使得測試材料的位置相對于傳感器陣列總是已知的。

在其它場景中，可能期望的是使傳感器相對于測試材料的表面成預定角度。這可以通過如上限定的類似機構(gòu)或者其它機構(gòu)實現(xiàn)。

本發(fā)明的各個實現(xiàn)方式將提供可以與接收的信號數(shù)據(jù)關聯(lián)的位置數(shù)據(jù)。位置數(shù)據(jù)可以包括：絕對位置，此絕對位置由gps或能夠限定絕對位置的其它裝置限定；和/或相對位置，此相對位置通過針對待分析結(jié)構(gòu)特別限定的起始位置以及從限定的起始點測量/計算的移動來限定。例如，這可以使橋的東南角作為起始點，并且使得安裝到本發(fā)明的保持架的跟蹤球(未示出)從起始點測量在表面上的相對移動。然后可以利用來自跟蹤球以及來自已知起始點的輸入來限定在由接收到的超聲反射數(shù)據(jù)構(gòu)成的結(jié)果分析中描述的每個物體的絕對位置。替代跟蹤球，另一個示例將使用激光與陀螺儀技術(shù)來測量到已知參考點的距離與移動。還可以通過感測本發(fā)明的輪胎的實際移動來測量移動。本文中還包括其它的地理/相對位置限定工具，但在此不明確討論。

本發(fā)明的一個潛在有利方面是能夠檢測相同的測試材料若干次，其中每次測試在不同時間進行。例如，每5年、每年、每月、或每天以及其它時間間隔。由于位置數(shù)據(jù)是已知的，因此可以探測與先前分析完全相同的位置的變化。

輪胎10提供了圍繞軸、傳感器陣列基部和傳感器陣列的密封外殼7。外殼被部分地或完全地填充以諸如水的耦合流體25。耦合流體在傳感器20與同測試材料15接觸的輪胎部分11、22、24、25之間提供改進的信號傳輸。

通過使用用于輪結(jié)構(gòu)的彈性材料實現(xiàn)了與非平坦表面的無與倫比的聯(lián)接，其中輪胎部分11、22、24自身的固有彈性特性部分地利用了對表面形貌的適應性?？梢酝ㄟ^輪胎部分11、22、24的形狀進一步提高適應性。形狀可以包括但不限于：圓柱形、矩形、正方形、金字塔形、錐形、突出和/或環(huán)繞的球形或者任何其它形式的突起、凹部及凸部。每個輪胎部分可以設計為持續(xù)或重復形式的梯形、矩形、三角形及弧形，或者甚至按鈕/凸耳基部輪胎可以增強發(fā)射與接收的信號性能。當發(fā)生信號的發(fā)射與接收時，最好確保輪胎與測試材料之間的接觸?？梢赃x擇不同形狀的組合。

彈性材料可以由圖2c中所示的較硬材料25支撐。支撐材料可以具有與在其外側(cè)上的彈性聯(lián)接材料24以及在其內(nèi)側(cè)上的耦合流體26匹配的聲學/透明特性。支撐材料可以是但不限于一種聚合物合成物，諸如一種塑料。

用于聯(lián)接非平坦表面的另一種方法可以是利用如圖2b中示出的隔膜解決方案，其中通過利用由輪胎胎面部分11和透明帶22組成的隔膜11、22后面存在耦合流體26對表面形貌進行適應?？梢詫α黧w加壓。

與測試材料15接觸的輪胎胎面部分11、24對于兩種耦接方法而言可以是彈性材料。輪胎胎面部分11、24可以是但不限于彈性體或橡膠狀材料，諸如聚氨酯或丁腈橡膠，或者其它合成橡膠或天然橡膠，或者其它類型的或具有彈性特性的聚合物材料的合成物。

在輪胎胎面部分11、24中使用的材料以及支撐材料25可以由于根據(jù)發(fā)射信號的頻率的不同特性而變化，使得在要求一個頻率范圍的一種測試材料上使用的材料與要求另一個頻率范圍的另一種測試材料相比可以不同。輪胎胎面部分11、24形成為使得輪胎胎面部分11、24的一個部分12對齊，以便在傳感器或多個相鄰傳感器與測試材料之間的直線上與接觸點27處的測試材料接觸。

輪胎胎面部分11、24的形式在部分12的形狀與數(shù)量上優(yōu)化，使得輪胎胎面部分11、24與測試材料15的表面之間的氣穴通過擠出可能捕獲的空氣的形狀或者通過輪胎胎面部分中的螺紋圖案最小化或消除。

基于測試材料15的表面中的不規(guī)則性導致的不良聯(lián)接，基于輪子的部分12的分段以及輪胎胎面部分11、24的形式和彈性將被最小化。

在一個實施方式中，輪胎10的輪胎胎面部分11形成為圓形部分12的陣列，每個部分12對齊使得當輪胎10在測試材料15上滾動時，每個輪胎胎面部分11提供輪子1的專用部分，其在任何時間點都包括用于傳感器與測試材料之間的發(fā)射和/或接收的超聲信號的自然信號路徑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明遠不容易受到測試材料的表面中的非平坦點的影響，因為在諸如小卵石的障礙物上行進將僅造成樣本數(shù)據(jù)的輕微損失，例如輪子的1/12從地下不接收或者接收弱響應信號。響應數(shù)據(jù)中的限制取決于輪子的受到卵石影響的圓形部分12的數(shù)量。現(xiàn)有技術(shù)的儀器將針對相同的卵石示例進行比較，得到測試范圍的全部或大部分的錯誤樣本?，F(xiàn)有技術(shù)中信號響應劣化的主要情形是在儀器膜與測試表面之間存在氣穴。對于這種現(xiàn)有技術(shù)的儀器的盲點將很大并且取決于卵石的尺寸。根據(jù)輪胎胎面部分的材料的柔性，本發(fā)明中甚至可以進一步減小在障礙物上行進的負面影響。如果選擇柔性材料，則可以在碾壓障礙物時保持與用于全部輪子部分的測試材料的表面接觸。

輪子1至少部分地填充有耦合流體26到達確保傳感器的陣列被完全包封在耦合流體26中的高度，其中耦合流體26還填充輪胎部分的膜11與用于傳感器與測試材料之間的發(fā)射和/或接收的超聲信號的自然信號路徑中的相應傳感器之間的間隙。

上面描述的本發(fā)明的超聲裝置1可以安裝在如圖7至圖8中所示的框架70中。附圖示出了如何通過安裝裝置71將本發(fā)明的兩個輪子安裝在支架/框架70中。信號纜線74被引導通過框架70。

圖9至圖12中示出了本發(fā)明的另一個實施方式，其示出了本發(fā)明的安裝在手持框架120中的三個輪子，其中手柄121安裝到框架120。本發(fā)明的手持裝置可以操作為存儲所接收的信號連同位置信息，此位置信息通過本發(fā)明的輪子或其它機構(gòu)(諸如例如計算機鼠標裝置(未示出)或紅外測量裝置等(未示出))的滾動運動并通過記錄在測試材料上的運動而從預定起始點計算。

手持裝置可以具有車載或經(jīng)由纜線可附接的感應或無線通信接入到：能量源、存儲器、控制邏輯電路、輸入與輸出控制端口、顯示器和音頻。

指示燈150可以布置在框架上，以便諸如指示裝置與測試材料之間的接觸狀態(tài)，如果接收到預設信號圖案或者如果在特定位置接收的信號無效時的警報狀態(tài)。

指示燈可以是彩色編碼的，諸如例如如果未接觸時是紅光，或者當探測到裝置與測試材料之間的接觸時是綠光。其它顏色的切換圖案可以用于不同的目的。一個這樣的目的可以是在各項工作之前作為運行的自測指示器。還可能的是在校準程序中使用光，其中例如當傳感器根據(jù)預設測試圖案和頻率發(fā)射信號時，裝置可以在具有已知表面的已知測試材料上滾動，具有已知的期望測試結(jié)果。如果期望的接收信號被驗證，那么此裝置被清除以便操作。可以通過指示燈150顯示的預設光圖案來識別已驗證的裝置。

還可以將連接的計算機用于存儲、校準、測試和評估測試結(jié)果的目的。計算機可以通過纜線、無線通信或者經(jīng)由存儲記憶裝置傳送數(shù)據(jù)來連接。存儲記憶裝置可以可拆除地安裝到裝置中的電子電路，或者可在傳送操作時經(jīng)由接口連接。

傳感器陣列可以以不同模式使用。圖13和圖14中示出了兩種不同的模式?？梢允褂闷渌Ｊ?。

在圖13中，示出了沿軌道檢測的模式。一個傳感器陣列(例如本發(fā)明的后輪)用于將信號發(fā)射到測試材料的地下，并且一個傳感器陣列(例如本發(fā)明的前輪)用作接收裝置以接收已進入并通過測試材料且由此反射的發(fā)射信號。

在圖14中，示出了跨越軌道檢測的模式。這通過將多個傳感器分配在一個傳感器陣列中來發(fā)射超聲信號以及分配相同傳感器陣列中的多個傳感器來接收從測試材料反射的信號來實現(xiàn)。一個傳感器可以既發(fā)射又接收。在一種情形中，傳感器陣列的周邊部分中的傳感器將信號發(fā)射到測試材料的地下，并且傳感器陣列的中間部分中的一個或多個傳感器接收反射的信號。

可以使用多于一個傳感器陣列來接收，即用于上述的手持裝置：后排傳感器陣列中的傳感器可以發(fā)射，同時兩個前排傳感器陣列接收，或者甚至所有的傳感器陣列可以設置為接收傳感器陣列，而一個或多個傳感器陣列也發(fā)射。

在包括3個傳感器陣列/輪子(諸如在上面的手持示例中)的系統(tǒng)中的一個可能構(gòu)造是利用中間傳感器陣列中的傳感器來發(fā)射超聲信號，并且利用兩個外部傳感器陣列/輪子來接收從測試材料反射的信號。

還可以使用本發(fā)明的利用上述跨越軌道幾何形狀的單個超聲裝置1。

傳感器可以僅用于發(fā)射或僅用于接收、以及既發(fā)射又接收超聲信號與反射。用作對于相同超聲信號的發(fā)射與接收傳感器的傳感器，即該傳感器發(fā)射超聲信號并且然后等待信號的反射并且然后接收反射的信號，將僅接收與探測來自物體等或發(fā)射信號路徑中材料的反射。如果物體是傳感器下面的小豎直裂縫，那么反射的信號可能非常弱并且難以探測。在本發(fā)明中一組傳感器，其中每個傳感器或者發(fā)射或者接收超聲信號，不僅測量反射信號，而且測量傳送通過測試材料的信號，并且由此能夠測量缺少反射，或者例如衍射時差。這些類型的測量將提供測量數(shù)據(jù)中的更好的s/n比率。這種構(gòu)造將能夠探測到反射信號的遺漏。例如，如果信號被測試材料中的氣穴阻擋，并且由此信號傳播嚴重受阻，那么接收傳感器將探測到信號未被如期接收，并且結(jié)論然后可以指示在發(fā)射與接收傳感器之間存在阻擋介質(zhì)，諸如裂縫、孔、非傳播介質(zhì)等。

可以由上面如圖14說明的本發(fā)明的單輪傳感器設置來使用上面用于探測反射遺漏的額外能力。通過將圖14中說明的特征與使用多于一個傳感器陣列(輪子)的特征結(jié)合，作為針對上面圖13中傳感器設置說明的一個示例，可以利用本發(fā)明實現(xiàn)進一步增強分析效果。關于裂縫、障礙物與氣穴，可以進一步優(yōu)化不同的傳感器設置，以沿著軌道定向的裂縫、氣穴、障礙物，利用如上面針對圖14說明的跨越軌道檢測特征，或者跨越軌道定向的裂縫、氣穴、障礙物，利用如針對圖13中說明的沿軌道檢測特征，進行探測。

在本發(fā)明的一個實施方式中，本發(fā)明可以用于發(fā)現(xiàn)在諸如在船或機翼(飛機、風力渦輪機)中使用的夾層結(jié)構(gòu)中的分層/氣穴。這種夾層結(jié)構(gòu)可以由多層不同材料構(gòu)造。所有材料相對于特定頻率的超聲信號具有潛在的不同響應特征?？梢砸詢?yōu)化測試材料的特定夾層層界面所定位的特定深度處的響應的方式來控制本發(fā)明。人們可以例如檢查最內(nèi)玻璃纖維層與包括內(nèi)玻璃纖維層、外玻璃纖維層和芯部聚苯乙烯層的3層構(gòu)造中的芯部材料之間的界面。可以使用其它材料以及其它數(shù)量的層。

實施方式的另一個示例是利用本發(fā)明來探測建筑瓷磚下面的分離/氣穴，諸如在浴室地板中，其中外層是陶瓷，并且內(nèi)層是混凝土或木材，可能在它們之間具有防水膜結(jié)構(gòu)。

還可以通過執(zhí)行反射信號的發(fā)射與接收規(guī)則使探測能力最大化，其中執(zhí)行超聲數(shù)據(jù)收集時動態(tài)地進行各單獨傳感器的特征的更復雜轉(zhuǎn)換模式。一種模式是允許每個傳感器依次用作超聲信號的唯一發(fā)射源，并且允許所有輪子(如果多于一個)的所有傳感器接收發(fā)射信號。這樣，可以從垂直于運動方向到發(fā)射傳感器的兩側(cè)沿著多個方向繪制地下。在圖17中概述了由箭頭170表示的一個發(fā)射傳感器與7個接收傳感器的一個示例。這里使用三個傳感器陣列221、222、223(輪子)?？梢允褂?個發(fā)射及1到48(48不是限定而是在圖17中使用的數(shù)量)個接收的所有其它組合?？梢允褂闷渌鼈鞲衅鹘M合。

最終模式是允許所有的傳感器依次是發(fā)射傳感器，并且允許所有的傳感器用作用于發(fā)射信號的全部反射的接收器。這樣可以從所有角度、側(cè)面、向前、向后、沿著全部方向成角度地以及直接在下面繪制全部測試材料。將本發(fā)明裝置的運動用作另一個參數(shù)，當在測試材料上移動時，可以進行幾次這種測量。例如，混凝土中的氣穴然后將被從多個方向徹底地利用若干次，并且不會忽略“隱蔽”的弱點。

對所使用的傳感器陣列或輪子的尺寸沒有限制。

執(zhí)行規(guī)則的示例可以包括但不限于不同的光束形成技術(shù)。執(zhí)行規(guī)則的一個示例可以是saft(合成孔徑聚焦技術(shù))。

收集的探測數(shù)據(jù)越多，那么在分析數(shù)據(jù)時在分析過程越可能實現(xiàn)好的s/n比率。

對從測試材料接收的數(shù)據(jù)的分析可以提供測試材料在測試材料表面下方的不同深度處(通常在測試材料表面下方0–15cm)的詳細2d和/或3d圖像的編繪。

圖15示出了結(jié)合本發(fā)明的三對超聲裝置1的系統(tǒng)，以提供用于檢測大量測試材料的系統(tǒng)。每對輪子安裝到單獨的支架70，并且三個支架安裝到保持架200。保持架還包括計算/控制裝置204、激光測量裝置202、顯示單元201。每對輪子單獨地適應表面，因為每個輪子的各部分12單獨地適應表面。

圖15中的裝置或者本發(fā)明的裝置的任意變型可以具有車載或經(jīng)由纜線可附接的感應或無線通信接入到：能量源、數(shù)據(jù)存儲器、控制邏輯電路、輸入與輸出控制端口、顯示器和音頻。

如上面描述的用于手持裝置(在圖16中未示出)的指示燈可以包括在此系統(tǒng)中以及本發(fā)明的所有類型的實施方式中，并且用于如上所述的相同目的。

保持架可以包括用于驅(qū)動此保持架的裝置，例如電動機(未示出)、遠程控制特征，并且還包括一個或多個能量源、用于手動地推動和/或操縱保持架的手柄205以及用于與外部控制單元(未示出)無線通信的裝置。

可以對控制單元預編程，以引導保持架以覆蓋測試材料的全部部分，如圖16中所示。這里現(xiàn)實生活描述示出了保持架位置200、移動方向211，以及已經(jīng)檢測的區(qū)域212、213、214/仍未檢測的區(qū)域215。甚至可以在先前檢測軌跡212、當前檢測軌跡213、以及當前檢測軌跡213相對于先前檢測軌跡212的重疊214之間進行區(qū)分。

通過將接收的數(shù)據(jù)和此分析結(jié)果與相應的先前執(zhí)行的檢測比較，可以探測測試材料的地下的變化。例如，可以跟蹤混凝土橋梁中的鋼筋的劣化，并且在劣化的早期階段采取修正措施。

激光單元可以用于測量距離，以便在測試材料上限定保持架位置。

另一個實施方式示例是利用本發(fā)明的裝置對噴涂的鋼結(jié)構(gòu)進行采樣。本發(fā)明能夠收集反射的超聲信號的樣本，這在無需除去固定在鋼構(gòu)造表面的涂料或其它保護層的情況下，能夠以無與倫比的方式進行數(shù)據(jù)分析以發(fā)現(xiàn)裂縫和缺陷。

來自優(yōu)先權(quán)申請的舊權(quán)利要求現(xiàn)在包括進來作為說明書的一部分：

1.一種用于超聲信號的發(fā)射與接收的裝置，所述裝置形成為輪子(1)，其中所述輪子(1)還包括：

布置在附接到軸(2)的基部(3)上的傳感器(20)陣列；

輪胎部分(10)，其提供圍繞所述傳感器(20)陣列周圍的密封外殼(7)，所述輪胎部分包括包含輪胎胎面部分(11，22，24，25)的多個圓形突出部分(12)；以及

在所述密封外殼(7)中的耦合流體(26)，其在所述傳感器陣列與所述輪胎胎面部分(11，24)朝向測試材料(15)的接觸點(27)之間提供聲波透射性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述輪胎胎面部分(11，22，24，25)由彈性材料制成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括：

用于布置在所述軸(2)的兩個外部端部處的支承裝置(5)的附接裝置(8)；

支承裝置(5)附接到所述附接裝置(8)，并且

所述輪胎部分(10)附接到設置在所述支承裝置(5)上的附接基部(6)，以便提供所述輪子(1)與所述測試材料(15)滾動接觸的滾動能力。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述輪胎胎面部分(11，22)以圓形部分形成，并且其中，每個部分對齊以跨越一個或多個傳感器(20)，并且其中，所述輪胎胎面部分(11，22)與面向所述傳感器(20)的輪胎胎面部分的內(nèi)側(cè)上的所述耦合流體(26)直接接觸。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述輪胎胎面部分(24，25)包括支撐材料(25)，其包括提供與所述耦合流體(26)接觸的接觸表面的第一側(cè)以及提供聯(lián)接材料(24)所附接的表面的第二側(cè)，所述聯(lián)接材料(24)形成所述輪胎10的圓形部分。

6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述軸(2)的外部端部具有用于將所述裝置附接到框架(70、120)的附接裝置(71)。

7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，設置有電纜(74)用于將所述傳感器模塊連接到電源。

8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，設置有電纜(74)用于將所述傳感器(20)連接到控制邏輯電路。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括用于無線傳輸控制數(shù)據(jù)與接收的信號數(shù)據(jù)的裝置。

10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述傳感器(20)陣列包括附接到所述基部(3)或所述軸(2)的可調(diào)節(jié)的附接裝置，以便改變所述傳感器(2)陣列相對于所述測試材料(15)的角度和/或距離。

11.一種用于超聲信號發(fā)射及對從測試材料(15)反射的超聲信號進行接收的裝置，所述裝置包括兩個或更多個如在權(quán)利要求1至10中任一項所述的輪子(1)，其中所述輪子(1)附接到框架(70，120)。

12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，在所述傳感器(20)陣列中的每個單獨傳感器(20)或者用作發(fā)射傳感器，或者用作接收傳感器，或者用作發(fā)射與接收傳感器。

13.一種用于超聲信號發(fā)射與超聲信號接收的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

一個或多個根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的裝置/輪子，所述系統(tǒng)還包括保持架(120，200)，所述一個或多個輪子(1)安裝到所述保持架；

控制機構(gòu)，其用于沿著路徑(211)在測試材料(15)的表面上方操縱所述保持架；

控制邏輯電路(204)，其用于控制所述保持架、所述傳感器，并存儲與傳輸數(shù)據(jù)。

14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于提供絕對位置的導航裝置(202)。

15.根據(jù)權(quán)利要求13和14所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括顯示裝置(150，201)。

16.根據(jù)權(quán)利要求13至15所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于提供相對位置的跟蹤裝置。

17.根據(jù)權(quán)利要求13至16所述的系統(tǒng)，其中，用于操縱所述保持架的所述控制機構(gòu)是用于手動地引導的手柄(121，205)或連接到用于移動所述保持架的驅(qū)動裝置的遠程控制電機。

18.根據(jù)權(quán)利要求13至17所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括用于接收所接收的超聲信號數(shù)據(jù)以及用于處理所述數(shù)據(jù)的計算機裝置。

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機裝置是遠程計算機裝置。

20.一種用于發(fā)射與接收超聲信號以能夠分析測試材料(15)的方法，

所述方法包括步驟：

提供一個或多個根據(jù)權(quán)利要求13至19中任一項所述的系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

從傳感器(20)發(fā)射超聲信號；

利用所述傳感器(20)陣列中的一個或多個接收從所述測試材料(15)反射的發(fā)射超聲信號；

存儲所接收的超聲信號并將其傳輸?shù)接嬎銠C裝置并且分析所接收的超聲信號。

21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，所述方法還包括步驟：

沿著預定路徑(211)移動所述保持架(120，200)；

根據(jù)預定發(fā)射圖案從單獨傳感器(20)發(fā)射超聲信號；

利用構(gòu)造為用于單獨發(fā)射的超聲信號的接收傳感器的一個或多個傳感器接收從所述測試材料(15)反射的超聲信號。

22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，所述方法還包括將測試材料的一部分的分析結(jié)果與所述測試材料的相同部分的先前分析進行比較，并且識別所述測試材料中的變化。