專利名稱：生成基于密度的三維缺陷圖的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測結(jié)構(gòu)的隱藏缺陷和損傷的一種方法和系統(tǒng)，具體而言，涉及用于在結(jié)構(gòu)或者它的一部分或者一個(gè)部件的三維表示上顯示檢測到的缺陷的一種方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如，將建筑出售和/或用作貸款抵押品的時(shí)候，需要對單套住宅、公寓和商業(yè)建筑之類的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行評估。這一評估通常包括對建筑物的檢查。尤其是木框架結(jié)構(gòu)的住宅和商業(yè)建筑，檢查的主要原因是這些建筑物可能已經(jīng)遭到了食木昆蟲，例如白蟻，或者損害木頭的真菌，通常稱為“木腐”的損傷。這些損傷常常是隱藏著的，因?yàn)槟究蚣軒缀蹩偸潜桓娠椕鎯?nèi)墻、鑲板、護(hù)墻板、磚和其它墻面材料所掩蓋。因此，如果不去掉表面材料，一般情況下既看不見是否有損傷，也看不見其損傷范圍。換句話說，準(zhǔn)確地確定白蟻或木腐對典型木框架房屋或其它木框架結(jié)構(gòu)的損傷是否存在及其損傷范圍，需要去掉全部墻面覆蓋物，讓整個(gè)框架可見。但是一般來說每次需要評估象白蟻或木腐這種損傷的時(shí)候，去掉房屋或商業(yè)建筑的全部墻面覆蓋物從實(shí)際上或經(jīng)濟(jì)上考慮都是不可行的。每次需要準(zhǔn)確評估其價(jià)值的時(shí)候，這樣做需要對房屋進(jìn)行破壞和重建。
已經(jīng)有現(xiàn)有技術(shù)方法用于檢測白蟻造成的損傷。一種這樣的方法是聲發(fā)射檢測，這種方法感測白蟻咬斷纖維素和木質(zhì)素纖維，也就是白蟻在吃它們正在消耗的木頭的時(shí)候產(chǎn)生的振動，正如例如1990年6月26日授權(quán)的第4,895,025號美國專利所描述的一樣。Robbins和Mueller的第5,285,668號美國專利描述了通過感測聲發(fā)射來檢測破壞木頭的昆蟲的另外一種系統(tǒng)。
已知的聲發(fā)射方法有很多缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)是聲發(fā)射技術(shù)因?yàn)榄h(huán)境噪音而容易發(fā)生錯誤。另一個(gè)缺點(diǎn)是白蟻并不總是在進(jìn)食。再一個(gè)缺點(diǎn)是白蟻有可能利用大量的通道在進(jìn)食區(qū)和巢穴之間移動，聲發(fā)射方法不能檢測這些通道中的白蟻。還有一個(gè)缺點(diǎn)，也是更明顯的缺點(diǎn)，那就是聲發(fā)射方法只能檢測正在進(jìn)食的白蟻，它們不能檢測，更不能準(zhǔn)確評估白蟻在過去造成的損傷，或者由于木腐或者其它非昆蟲原因造成的損傷。
由于以上原因，建筑物檢查員在進(jìn)行檢測或者損傷評估時(shí)，一般會折衷處理只是去掉一部分墻體覆蓋物。這種部分去除有兩個(gè)不利后果。一個(gè)是即使去掉的部分是有限的，對建筑物仍然有一些損傷。第二個(gè)不利后果，也可能是更重要的負(fù)面作用是，可能會忽略掉嚴(yán)重?fù)p傷。因此，部分去除的結(jié)果是，要么買方面臨繁重的維修工作，要么貸方面對比原始評估擔(dān)保品價(jià)值更低的建筑。
現(xiàn)有方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是，建筑物檢查員一般以口頭方式或者用草圖來描述由白蟻或木腐造成損傷的位置和范圍。很少有檢查員能夠接觸到他能夠在上面標(biāo)明損傷區(qū)域以便其它人能夠看到損傷范圍的完整的建筑圖。
現(xiàn)有檢查方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是，一旦完成木框架結(jié)構(gòu)，通過非破壞手段實(shí)際上不可能檢驗(yàn)原始結(jié)構(gòu)的完整性，例如，很難或者不可能確定用于將墻體材料固定到下面的支撐或者立柱的緊固件模式，以及是否采用了正確數(shù)量的緊固件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮了這些問題和其它問題，一方面，本發(fā)明包括一種方法，用于檢測對結(jié)構(gòu)的損傷，該結(jié)構(gòu)包括位于第一墻體和第二墻體之間的多個(gè)支撐構(gòu)件。該方法包括確定墻體后面第一支撐構(gòu)件的位置；將掃描設(shè)備與所述第一支撐構(gòu)件對準(zhǔn)。所述掃描設(shè)備包括超聲換能器和用于檢測超聲能量的檢測器。所述掃描設(shè)備在所述第一墻體上移動，同時(shí)用超聲能量照射所述第一支撐構(gòu)件，并檢測反射的超聲能量。分析反射的超聲能量，以確定所述第一支撐構(gòu)件相對于已知密度的相對密度，當(dāng)反射的超聲能量表明密度不同于已知密度的時(shí)候，記錄所述掃描設(shè)備的位置。
另一方面，本發(fā)明包括一種繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的方法，該結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)墻體所覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件。將結(jié)構(gòu)表示保存在計(jì)算機(jī)里，測量多個(gè)支撐構(gòu)件上多個(gè)地點(diǎn)處的支撐構(gòu)件密度。確定被測密度偏離預(yù)期、正常密度的所述多個(gè)地點(diǎn)中每一個(gè)地點(diǎn)的位置；將這些位置繪制到所述結(jié)構(gòu)的表示上去，提供多個(gè)位置處支撐構(gòu)件密度的可視表示。
另一方面，本發(fā)明包括一種繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括由墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件。該系統(tǒng)包括具有存儲器的計(jì)算機(jī)處理器；定位系統(tǒng)，用于確定標(biāo)記器在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置，并把所述位置傳送到所述計(jì)算機(jī)處理器；密度傳感器，連接到所述計(jì)算機(jī)處理器；以及標(biāo)記器，和所述密度傳感器相聯(lián)系。
另一方面，本發(fā)明是一種用于繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括由墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件。該系統(tǒng)包括具有存儲器的計(jì)算機(jī)處理器；保存在所述存儲器內(nèi)的所述結(jié)構(gòu)的二維模型。該計(jì)算機(jī)還有三維模型生成器，用于從所述二維模型生成所述結(jié)構(gòu)至少一部分的三維模型。該系統(tǒng)還包括密度傳感器和定位系統(tǒng)，用于確定密度傳感器的位置，并且將位置傳送給所述計(jì)算機(jī)處理器。所述定位系統(tǒng)包括與密度傳感器相聯(lián)系的多個(gè)超寬帶接收機(jī)以及超寬帶發(fā)射機(jī)。
另一方面，本發(fā)明包括一種用于繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括由墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件，該系統(tǒng)使用處理器設(shè)備；定位系統(tǒng)，用于確定標(biāo)記器在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置，并把所述位置傳送給所述處理器設(shè)備；密度感測設(shè)備，連接到所述處理器設(shè)備；以及和所述密度感測設(shè)備相聯(lián)系的標(biāo)記器。


在參考附圖閱讀了本發(fā)明的以下詳細(xì)說明以后，會更好地理解本發(fā)明。在這些附圖中圖1是本發(fā)明中缺陷檢測系統(tǒng)的一個(gè)原理表示，該系統(tǒng)包括具有支架的掃描設(shè)備，圖中還示出了被掃描結(jié)構(gòu)的平面剖面圖；圖2是從圖1中II-II處截取的正視圖；圖3是圖2中圓圈III的放大圖；圖4是由圖1所示系統(tǒng)生成的顯示實(shí)例；圖5是用于支持圖1所示掃描設(shè)備中幾個(gè)掃描設(shè)備的替換支架正視圖。
具體實(shí)施例方式
綜述本系統(tǒng)一般包括掃描設(shè)備，該設(shè)備包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電路和無線發(fā)射機(jī)。其中發(fā)射機(jī)包括例如超聲換能器，用于發(fā)射聲音信號進(jìn)入一部分結(jié)構(gòu)中；接收機(jī)用于接收聲音信號的反射信號；電路用于把反射回來的聲音信號和未損傷結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號進(jìn)行對比；無線發(fā)射機(jī)用于把時(shí)間和相對密度信息發(fā)送給中央處理設(shè)備，例如膝上型計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)還包括位置檢測系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射機(jī)在結(jié)構(gòu)上移動時(shí)，用于檢測發(fā)射機(jī)的位置，并把和發(fā)射機(jī)位置相關(guān)的信息發(fā)送到膝上型計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)中包括把時(shí)間與密度信息跟位置信息聯(lián)系起來的指令，使用這些信息來生成反射能量的那部分區(qū)域的密度剖面?？梢詫⒚芏绕拭姣B加到被掃描結(jié)構(gòu)的三維表示上，以便方便地看見密度偏離正常值的那部分結(jié)構(gòu)。這個(gè)實(shí)例還可包括接近聲音換能器或者在其附近的顯示器，用于為檢查現(xiàn)場的用戶顯示密度圖。
這里描述的方法的一個(gè)一般實(shí)例包括在房屋墻面等結(jié)構(gòu)上移動掃描設(shè)備，以獲得所要結(jié)構(gòu)部分及其內(nèi)框架的密度剖面。例如，操作員可以用掃描設(shè)備接觸房屋的一個(gè)或多個(gè)墻面、天花板、地面或者其它結(jié)構(gòu)；并沿著這些墻面、天花板或者地面的表面移動這個(gè)傳感器。在移動的同時(shí)，聲音密度傳感器產(chǎn)生密度數(shù)據(jù)，表明結(jié)構(gòu)中預(yù)定深度或距離內(nèi)材料的實(shí)際密度和相對密度?；蛘邔⒚芏葦?shù)據(jù)保存在聲音密度傳感器的存儲單元內(nèi)，用于隨后傳送給計(jì)算單元，或者在掃描過程中發(fā)射給遠(yuǎn)程存儲單元或計(jì)算單元。在掃描操作中，密度傳感器的位置檢測器檢測和記錄表明密度傳感器位置的傳感器位置數(shù)據(jù)。將傳感器位置數(shù)據(jù)和密度數(shù)據(jù)鏈接或者彼此聯(lián)系起來。繼續(xù)掃描直到獲得這一結(jié)構(gòu)的全部或者所要部分的密度剖面。生成密度圖，反映對應(yīng)于換能器在上面移動過的每個(gè)位置或區(qū)域的密度剖面，密度圖的生成建立在密度數(shù)據(jù)和傳感器位置數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上?？梢詫⑦@個(gè)密度圖疊加到被掃描結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算機(jī)模型上，以便觀測者能夠快速確定密度偏離正常值的結(jié)構(gòu)部分的位置。
詳細(xì)說明下面參考附圖，這些附圖只是用于說明優(yōu)選實(shí)施例的目的，而不是為了限制本發(fā)明，圖1示出要掃描看它有沒有損傷的結(jié)構(gòu)10。在這個(gè)實(shí)例中，所述結(jié)構(gòu)是有四個(gè)邊12的矩形木框架房屋，每個(gè)邊都包括象木頭、乙烯基、鋁或者磚這種外覆蓋層14；立柱16，它們可以是2乘4大小，隔開一個(gè)已知距離(例如中心距16英寸)；以及內(nèi)墻18，它可以用灰泥、石膏板或者適合形成建筑物內(nèi)墻，并且利用緊固件19固定在立柱16上的其它材料形成，如圖2所示。每一對相鄰立柱16之間的空間是墻內(nèi)空間17，其中可以填充例如隔熱玻璃纖維。
盡管這里描述的系統(tǒng)和方法的實(shí)例操作是和墻體立柱16的檢查相聯(lián)系的，但是還可以將這一系統(tǒng)和方法用于檢查地板、天花板托梁或者其它結(jié)構(gòu)部件，無論它們是否隱藏在內(nèi)墻后面。此外，盡管可以將這里的被掃描部件叫做“結(jié)構(gòu)”或“支撐”部件，但是這些部件不必實(shí)際起這樣的作用，例如，還可以將這一系統(tǒng)用于確定建筑物裝飾部件的狀況。
本發(fā)明包括一種系統(tǒng)和方法，用于檢測結(jié)構(gòu)中的缺陷，一個(gè)實(shí)例是由例如白蟻、其它昆蟲或者木腐造成的立柱16里的缺陷。這些損傷減弱了立柱16的強(qiáng)度，降低了結(jié)構(gòu)10的強(qiáng)度和價(jià)值。該系統(tǒng)包括掃描設(shè)備20和掃描設(shè)備預(yù)處理器21，分別在附圖3和2中最好地示出，還包括圖1所示的定位系統(tǒng)，一般性地用數(shù)字22表示，用于確定掃描設(shè)備20的實(shí)時(shí)位置。定位系統(tǒng)22包括發(fā)射機(jī)24，優(yōu)選為與掃描設(shè)備20相聯(lián)，適合發(fā)送信號達(dá)到70或80英尺的超寬帶發(fā)射機(jī)；包括超寬帶發(fā)射機(jī)的基準(zhǔn)標(biāo)記器25，置于結(jié)構(gòu)10內(nèi)或附近；通過例如菊鏈以太網(wǎng)28連接起來的多個(gè)接收機(jī)26；以及例如通過以太網(wǎng)連接32也和多個(gè)接收機(jī)之一連接的中央處理集線器30。中央處理集線器30和計(jì)算機(jī)設(shè)備34串聯(lián)，例如和市場上能夠買到的，具有存儲器36和無線接收機(jī)38，并且在市場上可以買到的操作系統(tǒng)下運(yùn)行的通用膝上型計(jì)算機(jī)串聯(lián)。
繼續(xù)參考圖1，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)39和膝上型計(jì)算機(jī)34相連。GPS 39被看作基準(zhǔn)標(biāo)記器25的位置基準(zhǔn)，但也可以替換成其它基準(zhǔn)方案。一個(gè)無線接收機(jī)38實(shí)例采用IEEE 802.11無線標(biāo)準(zhǔn)，例如WiFi；但是，也可以采用適合在這里討論的距離上使用，透過建筑物墻壁工作，用于發(fā)送和接收無線數(shù)據(jù)的任意系統(tǒng)。
現(xiàn)在參考圖3，一個(gè)掃描設(shè)備20實(shí)例包括第一個(gè)面上有耐磨板42的外殼40，以及在其對面和手柄46相連的樞軸式連接器44。這種布局允許外殼44在墻體表面移動，例如在內(nèi)墻18上移動，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。掃描設(shè)備20包括一種超聲換能器48，用于發(fā)射和接收超聲信號。參考圖2，示出為獨(dú)立于掃描設(shè)備20的掃描設(shè)備處理器21包括信號處理器50，用于處理收到的信號，并且確定信號通過的材料相對于已知基準(zhǔn)密度的密度。信號電纜55將掃描設(shè)備20中的超聲換能器48與掃描設(shè)備處理器21連結(jié)起來。也可以采用用于確定下面的材料的實(shí)際密度的設(shè)備，如同這里所使用的一樣，術(shù)語“密度傳感器”包括測量實(shí)際密度或相對密度的設(shè)備。
已知已經(jīng)有既能夠?qū)崿F(xiàn)掃描設(shè)備20又能夠?qū)崿F(xiàn)掃描設(shè)備處理器21，并且能夠用于按照這種方式測量密度，市場上能夠買到的超聲傳感器；能夠從伊利諾斯州芝加哥的NDT James Instruments，Inc.(NDTJames儀器公司)買到商品名稱為James V-Mark II(詹姆斯V-馬克II型)，具有VC-4898換能器的一種合適設(shè)備。目前市場上能夠買到的超聲傳感器的實(shí)例，例如James V-Mark II，將掃描設(shè)備20和掃描設(shè)備處理器21作為分開的物理單元，因?yàn)槔卯?dāng)前的商業(yè)技術(shù)，組合在公共外殼內(nèi)對于人工掃描操作來說會過于龐大。在James V-Mark II和等同商業(yè)單元中，將掃描設(shè)備處理器21配置成用于掛在用戶的腰帶上，或者使用皮帶掛在用戶的肩膀或者脖子上。掃描設(shè)備20和掃描設(shè)備處理器21之間的電纜55連接使用的是能夠買到的電纜，或者包括在能夠買到的單元里，或者由聲音傳感器領(lǐng)域里的普通技術(shù)人員選擇。
當(dāng)掃描其密度變化的材料是木頭時(shí)，換能器48優(yōu)選使用54kHz的載頻工作在脈沖回波模式。這樣做能夠提供很容易穿透木頭的聲發(fā)射；這種聲發(fā)射的波長約為3英寸，這一波長對于穿透預(yù)計(jì)大小的缺陷足夠長。當(dāng)感測的材料是復(fù)合木頭或制造的其它材料時(shí)，相關(guān)領(lǐng)域里的技術(shù)人員明白可能需要改變載頻。為了方便起見，將這里的所有這種材料統(tǒng)稱為“木頭”。
參考圖1和2，掃描設(shè)備處理器21中的信號處理器50通過RS-232串行接口52和處理器外殼21內(nèi)的無線發(fā)射機(jī)54連接，這一無線發(fā)射機(jī)54發(fā)射和感測到的密度相關(guān)的信息給膝上型計(jì)算機(jī)34的無線接收機(jī)38。發(fā)射這些數(shù)據(jù)的一個(gè)適當(dāng)方法是使用包括時(shí)間以及和時(shí)間相關(guān)的密度測量結(jié)果的順序數(shù)據(jù)對。將這些信息保存在膝上型計(jì)算機(jī)34的存儲器36中供進(jìn)一步處理，如同將在下文中描述的一樣。也可以將信息存儲在掃描設(shè)備20中，隨后通過物理連接下載到計(jì)算機(jī)34里。
參考圖1，已知有系統(tǒng)22這種定位系統(tǒng)，可以從馬里蘭州Germantown的Multispectral Solutions公司買到牌號為UWB PrecisionAsset Localization(PAL650)的一種合適系統(tǒng)。定位系統(tǒng)22的設(shè)置和操作對于位置傳感器定位領(lǐng)域里的技術(shù)人員而言是公知的，這些內(nèi)容在出版的文獻(xiàn)里有描述。為了方便舉出來的一個(gè)實(shí)例是由Robert J.Fontana、Edward Richley和JoAnn Barney于2003年11月在弗尼吉亞州Reston召開的2003IEEE Conference on Ultra Wideband Systems andTechnologies上發(fā)表的，標(biāo)題為“Commercialization of an UltraWideband Precision Asset Location System”的論文，在這里將這一論文結(jié)合進(jìn)來作為參考。
本發(fā)明的系統(tǒng)包括與掃描設(shè)備20相關(guān)的一個(gè)標(biāo)記器或者標(biāo)簽56，這個(gè)標(biāo)簽包括工作于例如6～7GHz的超寬帶發(fā)射機(jī)24。超寬帶接收機(jī)26放置于被掃描結(jié)構(gòu)的附近。圖1中示出了6個(gè)接收機(jī)26；但是對于不同的建筑物形狀和尺寸，可以采用不同的數(shù)量和不同的布局。例如，有必要把一些附加的接收機(jī)26放在中心位置，離開建筑物墻體，以確保有合適的覆蓋?？梢詫⑦@些接收機(jī)放置在不同高度來提高對標(biāo)簽56垂直位置變化的敏感程度，間距一般不應(yīng)該超過大約75英尺。如下所述，這些接收機(jī)接收來自發(fā)射機(jī)24的信號，包括同步信息、標(biāo)簽信息和糾錯信息，并且將關(guān)于信號接收時(shí)間的信息發(fā)送給處理集線器30。處理集線器30利用這一時(shí)間差信息來確定標(biāo)簽56在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置。計(jì)算機(jī)34使用基準(zhǔn)標(biāo)記器的已知位置將這個(gè)基準(zhǔn)框架與GPS接收機(jī)39確定的系統(tǒng)的位置相關(guān)聯(lián)。
下面將聯(lián)系對圖2所示特定立柱16a的掃描，描述本發(fā)明的操作過程，這個(gè)立柱16a高8英尺，在它的中段有白蟻損傷58，在底端有木腐損傷60。
在能夠掃描結(jié)構(gòu)10尋找隱藏?fù)p傷前，本系統(tǒng)必須被安裝進(jìn)或者靠近結(jié)構(gòu)10并進(jìn)行校準(zhǔn)。首先，將若干超寬帶接收機(jī)26放置在被掃描建筑物的內(nèi)周邊，優(yōu)選在建筑物內(nèi)，間隔不超過75英尺。根據(jù)需要將附加接收機(jī)放置在整個(gè)建筑物內(nèi)，以確保要掃描的建筑物的所有部分都在至少4個(gè)接收機(jī)26的75英尺范圍之內(nèi)。這樣做能夠確保發(fā)射機(jī)24發(fā)射的信號能夠被至少4個(gè)接收機(jī)26接收到。將GPS接收機(jī)39用來準(zhǔn)確地確定基準(zhǔn)標(biāo)記器25的位置。接下來，接收機(jī)26測量接收到基準(zhǔn)標(biāo)記器25產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號的時(shí)間，從這一信息，非常準(zhǔn)確地確定每個(gè)接收機(jī)26的位置。
掃描設(shè)備20也通過感測基準(zhǔn)材料的密度來加以校準(zhǔn)，其中的基準(zhǔn)材料可以是，例如，結(jié)構(gòu)10的側(cè)面12之一中已經(jīng)通過視覺檢查，沒有發(fā)現(xiàn)損傷的立柱16。也可以將多種不同材料的密度信息保存在計(jì)算機(jī)34中，從保存的這些數(shù)據(jù)選擇基準(zhǔn)密度值。后面的感測不是絕對的，是相對于最初確定的密度的。但是，也可以采用直接測量被掃描材料絕對密度的傳感器而不會超出本發(fā)明的范圍。結(jié)構(gòu)10的二維平面圖62和三維呈現(xiàn)(rendering)程序64一起保存在膝上型計(jì)算機(jī)34的存儲器36中，其中的三維呈現(xiàn)程序從平面圖62或者按照任意已知方式產(chǎn)生結(jié)構(gòu)10或者它的一些部分的三維表示。
校準(zhǔn)以后，按照眾所周知的任意方式，或者通過在垂直于立柱16a的方向移動掃描設(shè)備，直到密度讀數(shù)表明相對于空心空間已經(jīng)檢測到立柱16a，以此來確定立柱16a的位置。以立柱16a為中心，將掃描設(shè)備20放置在立柱16a的頂端，接近內(nèi)墻18和天花板的連接處，以大約每秒鐘半英尺的速度向下移動。假設(shè)大約每秒鐘半英尺的速度，當(dāng)掃描設(shè)備20沿著立柱16a以這一速率移動的時(shí)候，采用大約10Hz的超聲脈沖重復(fù)速率來確保合適的密度采樣。當(dāng)掃描設(shè)備20沿著立柱16a移動時(shí)，它發(fā)射和接收超聲能量脈沖，這些脈沖穿過內(nèi)墻18和立柱16a；這一能量的一部分被外覆蓋層14以及立柱16的內(nèi)部缺陷反射，回到掃描設(shè)備20，在那里感測它。
掃描設(shè)備處理器21內(nèi)的信號處理器50分析接收到的信號，識別表明偏離校準(zhǔn)步驟確定的預(yù)期密度的密度變化的信號。還會收到示出存在象釘子或者螺絲一樣，將墻體18固定到立柱16a上的緊固件19的信號，可以利用這樣的信號在顯示器上繪制出這種緊固件19的位置。按照這種方式，用戶能夠確保將合適數(shù)量的緊固件用于緊固內(nèi)墻18，并且確保它們正確定位。然后通過串行接口52將密度信息傳遞給無線發(fā)射機(jī)54，以無線方式發(fā)送給膝上型計(jì)算機(jī)34，在存儲器36中保存時(shí)間和密度讀數(shù)的順序?qū)?。也可以在掃描設(shè)備20內(nèi)提供存儲設(shè)備(未示出)，用于保存這一信息供以后下載到存儲器36中。表1列出了虛構(gòu)的數(shù)據(jù)，用來說明如何解釋接收到的這些數(shù)據(jù)。
表1


現(xiàn)在參考圖2和表1，可以看出感測設(shè)備20從立柱16a頂部移動到底部，在16個(gè)間隔處的密度測量結(jié)果。在上表中，“t”表示時(shí)間測量結(jié)果，“x”、“y”和“z”是掃描設(shè)備20的空間坐標(biāo)，“d”表示相對密度測量結(jié)果。假定立柱16a是8英尺長，在大約16秒內(nèi)完成掃描；于是，大概每半英尺間隔就有一個(gè)測量值。同樣，上面的數(shù)據(jù)僅僅是為了進(jìn)行說明，實(shí)際讀數(shù)大約每秒十次，因此，從地面到天花板16秒的預(yù)計(jì)掃描時(shí)間會產(chǎn)生大約160個(gè)數(shù)據(jù)對。而且，由于掃描儀橫向移動很可能有一些測量偏差；因此，即使是在沒有損傷的立柱里也會感測到密度的微小變化。還有，更頻繁的采樣會檢測到立柱16a內(nèi)緊固件19的存在。圖2中畫出了緊固件19的表示19’，但是不能從上表中的數(shù)據(jù)直接得到。
從以上數(shù)據(jù)可以看出，前6個(gè)密度讀數(shù)，粗略地對應(yīng)于立柱16的上三英尺，表明立柱16總的來說完好無損。換句話說，立柱16的密度沒有偏離以前測量出來的基準(zhǔn)密度。但是，在t＝7、t＝8和t＝9的時(shí)候測量得到的接下來的三個(gè)讀數(shù)，說明密度下降了，這表明立柱16有損傷。這些損傷對應(yīng)于如圖2所示的白蟻損傷58。從t＝10到t＝13，密度恢復(fù)到正常值，然后在最后三個(gè)讀數(shù)處再次下降，表明立柱16a的底部也有損傷。這個(gè)損傷對應(yīng)于立柱16a底部的木腐損傷60。
采集上述密度讀數(shù)的時(shí)候，通過定位系統(tǒng)22跟蹤標(biāo)簽56的位置。標(biāo)簽56內(nèi)的發(fā)射機(jī)24發(fā)射由多個(gè)接收機(jī)26接收的周期信號。準(zhǔn)確地測量來自發(fā)射機(jī)24的每一個(gè)信號到達(dá)每一個(gè)接收機(jī)26的時(shí)間，通過菊鏈以太網(wǎng)將這些時(shí)間發(fā)射到處理集線器30。處理集線器30使用這些到達(dá)時(shí)間和每一個(gè)接收機(jī)26的已知位置來計(jì)算出標(biāo)簽56的位置。利用目前的技術(shù)這一準(zhǔn)確度可以達(dá)到大約2cm以內(nèi)。將每次測量時(shí)標(biāo)簽56的x、y和z坐標(biāo)發(fā)送到膝上型計(jì)算機(jī)34內(nèi)。這些時(shí)間和坐標(biāo)的實(shí)例也在表1中示出，同樣，這些數(shù)據(jù)僅僅用于進(jìn)行說明。還有，盡管這個(gè)表暗示著超寬帶發(fā)射機(jī)24和無線發(fā)射機(jī)54由同一個(gè)時(shí)鐘控制(可以用一種合適的系統(tǒng)做到這一點(diǎn))，但是，在所述優(yōu)選實(shí)施例中，實(shí)時(shí)位置信息是由膝上型計(jì)算機(jī)34接收的，每次密度測量時(shí)刻標(biāo)簽56的實(shí)際位置是從這些實(shí)時(shí)位置信息外推出來的。針對結(jié)構(gòu)10中的每一個(gè)立柱16重復(fù)這個(gè)過程。
表1中的數(shù)據(jù)描述了大量位置處結(jié)構(gòu)10中部件的密度。使用三維呈現(xiàn)程序64把這些數(shù)據(jù)繪制到結(jié)構(gòu)10的三維表示上，并在膝上型計(jì)算機(jī)34上顯示出來。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易寫出呈現(xiàn)程序。在圖4中示出膝上型計(jì)算機(jī)34的屏幕上這樣顯示的一個(gè)實(shí)例，它包括立柱16a的圖像16a’，說明白蟻損傷58的表示58’以及木腐損傷60的表示60’。盡管在這個(gè)圖中使用了交叉陰影線，但是可以將不同的顏色用來說明不同的密度和密度范圍，以及表明不同的損傷程度。觀看者可以使用三維呈現(xiàn)程序在屏幕35上顯示的虛擬結(jié)構(gòu)上移動，觀看損傷的位置。如果需要，可以用視覺檢驗(yàn)這些區(qū)域，以便進(jìn)一步檢查檢測到的損傷的范圍和實(shí)質(zhì)。但是如果沒有發(fā)現(xiàn)損傷，就可以肯定建筑物是完好無損的，而不會給結(jié)構(gòu)帶來任何損傷。
從圖4可以看到的上述掃描操作實(shí)例參考了圖1所示的立柱16。但是，這些立柱16僅僅是用于進(jìn)行說明。參考圖1，所描述的方法和系統(tǒng)也能檢查，例如墻體覆蓋層14。如果墻體覆蓋層14是膠合板或者定向結(jié)構(gòu)板(OSB)，那么這種檢查特別有用，因?yàn)樵诹⒅?6上可檢測到的任何攻擊之前，白蟻可能先攻擊這些材料。檢查覆蓋層14的一種方法利用上述校準(zhǔn)方法，讓掃描設(shè)備20面對外墻的內(nèi)表面18，在立柱16之間。隨后，在接近地面(沒有編號)和天花板(沒有編號)的連接處沿垂直方向移動掃描設(shè)備20。移動掃描設(shè)備20的時(shí)候，來自發(fā)射機(jī)24的超聲能量通過干飾面內(nèi)墻，穿過在立柱之間的空氣或者玻璃纖維隔熱材料，打到覆蓋層14。正如在聲音密度檢測領(lǐng)域里公知的一樣，在每一個(gè)介質(zhì)界面上，例如內(nèi)墻18和墻內(nèi)空間17之間的界面上，以及墻內(nèi)空間17和外覆蓋層14之間的界面上，能量被反射回聲接收機(jī)56。校準(zhǔn)針對的是墻內(nèi)空間17和外覆蓋層14之間的界面處由于界面密度尖銳不連續(xù)性而產(chǎn)生的強(qiáng)烈反射。覆蓋層14的密度變化，例如白蟻損傷所引起的密度變化，將導(dǎo)致反射能量強(qiáng)度的相應(yīng)變化，從上表1中可以明顯地看出這一點(diǎn)。因此，通過在相鄰立柱16之間能夠夠著的位置，垂直掃描內(nèi)墻表面18，能夠檢查足夠百分比的外覆蓋層14看它是否有缺陷，而不必去掉鋁制壁板、磚壁板，或者其它外墻材料。
圖5示出了用于本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)修改了的支架66，該支架66包括手柄68和垂直地安裝在手柄68上的滑動棒70，可以以各種間距將多個(gè)掃描設(shè)備20安裝在上面，由可釋放的配件72固定在上面。例如，圖5中的設(shè)備說明有三個(gè)掃描設(shè)備20以16英寸的間隔附著在滑動棒70上面，這個(gè)間隔是結(jié)構(gòu)中典型立柱16之間的中心間隔。這個(gè)間隔可以按照被掃描部件的間隔改變，如果需要，可以采用另外的掃描設(shè)備。如上所述，每一個(gè)掃描設(shè)備20都包括標(biāo)簽56；在這個(gè)實(shí)例中，每一個(gè)標(biāo)簽都廣播一個(gè)獨(dú)一無二的ID，由定位系統(tǒng)20識別。本發(fā)明的系統(tǒng)按照上面描述的相同方式工作，但是速度是其三倍，因?yàn)橐褂迷撓到y(tǒng)同時(shí)掃描三個(gè)立柱16或者其它結(jié)構(gòu)部件。
在這里已經(jīng)利用優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明。對這個(gè)實(shí)施例的修改和增加部件，對于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在閱讀和理解了前面的描述以后，都是顯而易見的。例如，盡管上面描述的接收機(jī)26是利用菊鏈以太網(wǎng)連接起來的，但是也可以采用集線器或其它裝置。此外，還可以采用各種無線發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)來發(fā)送時(shí)間和密度信息給膝上型計(jì)算機(jī)34。還有，盡管本發(fā)明使用被測量結(jié)構(gòu)的平面圖來生成這一結(jié)構(gòu)的三維表示，但是，可以直接從定位系統(tǒng)22所進(jìn)行的位置測量直接獲得與立柱位置和結(jié)構(gòu)整體布局有關(guān)的許多信息。因此，可以在掃描過程中從掃描設(shè)備20測量得到的位置直接生成結(jié)構(gòu)的三維表示。
更進(jìn)一步，上述實(shí)例采用了象膝上型計(jì)算機(jī)一類的計(jì)算機(jī)34，它具有從掃描設(shè)備20接收數(shù)據(jù)，生成密度表，將這些數(shù)據(jù)繪制到三維結(jié)構(gòu)10上去，并且顯示這些結(jié)果的處理和顯示能力。一種替換方案是替換膝上型計(jì)算機(jī)34的數(shù)據(jù)收集設(shè)備，將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給不在現(xiàn)場的計(jì)算機(jī)來生成密度表，將這個(gè)表繪制到三維結(jié)構(gòu)10上去。這種傳遞可以是有線方式、抽取式驅(qū)動器這種可拆除介質(zhì)、視距無線連接或者通過衛(wèi)星上行鏈路這些形式。只要在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)，所有這些明顯的修改和增加部件都構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)部分。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測對結(jié)構(gòu)的損傷的方法，該結(jié)構(gòu)包括位于第一墻體和第二墻體之間的多個(gè)支撐構(gòu)件，該方法包括提供掃描設(shè)備，該掃描設(shè)備包括超聲換能器和用于檢測超聲能量的檢測器；確定所述第一墻體后面第一支撐構(gòu)件的位置；鄰近所述第一墻體放置所述掃描設(shè)備并和所述第一支撐構(gòu)件對準(zhǔn)；在所述第一墻體上移動所述掃描設(shè)備，同時(shí)把超聲能量射向所述第一支撐構(gòu)件，并且檢測反射的超聲能量；分析所述反射的超聲能量，以確定所述第一支撐構(gòu)件相對于已知密度的相對密度；以及當(dāng)所述反射的超聲能量表明密度不同于所述已知密度時(shí)，記錄所述掃描設(shè)備的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括相對于基準(zhǔn)確定所述已知密度來校準(zhǔn)所述掃描設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括生成所述第一支撐構(gòu)件的表示，以及所述第一支撐構(gòu)件上多個(gè)位置的每一個(gè)位置處所述第一支撐構(gòu)件的相對密度的指示。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述記錄所述掃描設(shè)備的位置包括提供用于確定標(biāo)記器的位置的定位系統(tǒng)，并且將標(biāo)記器和所述掃描設(shè)備聯(lián)系起來。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括檢測所述第一支撐構(gòu)件內(nèi)緊固件的存在。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括檢測所述第一支撐構(gòu)件內(nèi)緊固件的存在，并在生成的所述第一支撐構(gòu)件的表示上生成所述緊固件的表示。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生成所述第一支撐構(gòu)件的表示包括以下步驟提供所述結(jié)構(gòu)的二維表示，并且提供程序，所述程序用于基于所述結(jié)構(gòu)的所述二維表示來生成所述結(jié)構(gòu)的三維表示。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以無線方式向具有處理器的計(jì)算機(jī)發(fā)射表明所述反射的超聲能量的信號。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述標(biāo)記器包括超寬帶發(fā)射機(jī)，并且其中所述提供定位系統(tǒng)包括提供多個(gè)超寬帶接收機(jī)，將所述多個(gè)超寬帶接收機(jī)和處理器相連，并且計(jì)算來自所述超寬帶發(fā)射機(jī)的信號到達(dá)所述多個(gè)超寬帶接收機(jī)一個(gè)子集的到達(dá)時(shí)間。
10.一種繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的方法，該結(jié)構(gòu)包括被至少一個(gè)墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件，該方法包括將結(jié)構(gòu)表示保存在計(jì)算機(jī)里；檢測多個(gè)支撐構(gòu)件上多個(gè)地點(diǎn)處的支撐構(gòu)件密度；確定所述多個(gè)地點(diǎn)中每一個(gè)地點(diǎn)的位置；將所述多個(gè)地點(diǎn)繪制到所述結(jié)構(gòu)的表示上去；以及在所述結(jié)構(gòu)的表示上指示出所述多個(gè)地點(diǎn)中每一個(gè)地點(diǎn)處的所述支撐構(gòu)件密度。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述測量多個(gè)支撐構(gòu)件上多個(gè)地點(diǎn)處的支撐構(gòu)件密度包括提供超聲換能器，發(fā)射超聲脈沖通過所述至少一個(gè)墻體和所述多個(gè)構(gòu)件中每一個(gè)構(gòu)件上所述多個(gè)地點(diǎn)的每一個(gè)地點(diǎn)，并且檢測所述超聲脈沖的反射。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述確定所述多個(gè)地點(diǎn)中每一個(gè)地點(diǎn)的位置包括提供用于確定標(biāo)記器在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置的定位系統(tǒng)，把標(biāo)記器和所述超聲換能器聯(lián)系起來，并且當(dāng)所述超聲換能器位于所述多個(gè)地點(diǎn)中每一個(gè)地點(diǎn)處的時(shí)候，記錄所述標(biāo)記器在所述基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述在所述結(jié)構(gòu)的表示上指示出所述多個(gè)地點(diǎn)中每一個(gè)地點(diǎn)處的所述支撐構(gòu)件密度包括在所述表示上對應(yīng)于所述多個(gè)地點(diǎn)之一的一個(gè)位置處，顯示與多個(gè)預(yù)定密度范圍相聯(lián)系的多個(gè)顏色之一。
14.一種繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括由墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件，該系統(tǒng)包括具有存儲器的計(jì)算機(jī)處理器；定位系統(tǒng)，用于確定標(biāo)記器在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置，并把所述位置傳送到所述計(jì)算機(jī)處理器；密度傳感器，與所述計(jì)算機(jī)處理器通信；以及標(biāo)記器，與所述密度傳感器相聯(lián)系。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述定位系統(tǒng)包括位于所述基準(zhǔn)框架內(nèi)多個(gè)已知位置處的多個(gè)接收機(jī)。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述接收機(jī)包括超寬帶接收機(jī)。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述標(biāo)記器包括發(fā)射機(jī)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述標(biāo)記器包括超寬帶發(fā)射機(jī)。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述密度傳感器包括超聲換能器。
20.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述定位系統(tǒng)還包括基準(zhǔn)發(fā)射機(jī)。
21.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括在所述存儲器內(nèi)保存的所述結(jié)構(gòu)的二維表示。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，包括與所述計(jì)算機(jī)相聯(lián)系的三維模型生成器。
23.一種用于繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括多個(gè)支撐構(gòu)件，該系統(tǒng)包括具有存儲器的計(jì)算機(jī)處理器；保存在所述存儲器內(nèi)的所述結(jié)構(gòu)的二維模型；與所述計(jì)算機(jī)相聯(lián)系的三維模型生成器；定位系統(tǒng)，用于確定標(biāo)記器在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置，并且把所述位置傳送給所述計(jì)算機(jī)處理器，所述定位系統(tǒng)包括多個(gè)超寬帶接收機(jī)；密度傳感器，包括與所述計(jì)算機(jī)處理器通信的超聲換能器；以及與所述密度傳感器相聯(lián)系的超寬帶發(fā)射機(jī)。
24.一種用于繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括由墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件，該系統(tǒng)包括處理器裝置；定位裝置，用于確定標(biāo)記器在基準(zhǔn)框架內(nèi)的位置，并把所述位置傳送給所述處理器裝置；密度感測裝置，連接到所述處理器裝置；以及與所述密度感測裝置相聯(lián)系的標(biāo)記器。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述定位裝置包括多個(gè)接收機(jī)裝置。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述密度感測裝置包括超聲換能器。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述標(biāo)記器包括超寬帶發(fā)射機(jī)。
28.一種損傷檢測方法，用于檢測對彼此面對并且包圍多個(gè)支撐構(gòu)件的第一墻體和第二墻體之一的損傷，該方法包括提供掃描設(shè)備，該掃描設(shè)備包括超聲換能器和用于檢測超聲能量的檢測器；確定所述第一墻體后面第一支撐構(gòu)件的位置；鄰近所述第一墻體、橫向偏離所述第一支撐構(gòu)件來放置所述掃描設(shè)備；在所述第一墻體上移動所述掃描設(shè)備，同時(shí)把超聲能量射向所述第二墻體，并且檢測反射的超聲能量；分析所述反射的超聲能量，以確定所述第二墻體相對于已知密度的相對密度；以及當(dāng)所述反射的超聲能量表明密度不同于所述已知密度時(shí)，記錄所述掃描設(shè)備的位置。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括確定所述第一墻體后面第二支撐構(gòu)件的位置，其中所述鄰近所述第一墻體，橫向偏離所述第一支撐構(gòu)件來放置所述掃描設(shè)備的步驟，把所述掃描設(shè)備放置在所述第一支撐構(gòu)件和所述第二支撐構(gòu)件之間對準(zhǔn)的位置處。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述記錄所述掃描設(shè)備的位置包括提供用于確定標(biāo)記器的位置的定位系統(tǒng)，并把標(biāo)記器和所述掃描設(shè)備聯(lián)系起來。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述標(biāo)記器包括超寬帶發(fā)射機(jī)，并且其中所述提供定位系統(tǒng)包括提供多個(gè)超寬帶接收機(jī)，把所述多個(gè)超寬帶接收機(jī)和處理器連接起來，并計(jì)算來自所述超寬帶發(fā)射機(jī)的信號到達(dá)所述多個(gè)超寬帶接收機(jī)一個(gè)子集的到達(dá)時(shí)間。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述記錄所述掃描設(shè)備的位置包括提供用于確定標(biāo)記器的位置的定位系統(tǒng)，并把標(biāo)記器和所述掃描設(shè)備聯(lián)系起來。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述標(biāo)記器包括超寬帶發(fā)射機(jī)，并且其中所述提供定位系統(tǒng)包括提供多個(gè)超寬帶接收機(jī)，把所述多個(gè)超寬帶接收機(jī)和處理器連接起來，并計(jì)算來自所述超寬帶發(fā)射機(jī)的信號到達(dá)所述多個(gè)超寬帶接收機(jī)一個(gè)子集的到達(dá)時(shí)間。
全文摘要
公開了繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的一種系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)包括由墻體覆蓋的多個(gè)支撐構(gòu)件，該系統(tǒng)包括具有存儲器的計(jì)算機(jī)處理器，保存在存儲器里的結(jié)構(gòu)的二維模型，以及與所述計(jì)算機(jī)相聯(lián)系的三維模型生成器。包括超聲換能器的密度傳感器連接到所述計(jì)算機(jī)處理器，并配備了超寬帶發(fā)射機(jī)。提供定位系統(tǒng)用于確定超寬帶發(fā)射機(jī)在基準(zhǔn)框架中的位置，從而確定密度傳感器的位置，并且將這一位置傳送給計(jì)算機(jī)處理器，計(jì)算機(jī)處理器則在結(jié)構(gòu)的三維模型上顯示密度表示。還公開了繪制結(jié)構(gòu)狀況圖的一種方法。
文檔編號G01N9/00GK101076704SQ200580009127
公開日2007年11月21日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月26日
發(fā)明者理查德·杰斯蒙斯 申請人:理查德·杰斯蒙斯