超聲相控陣檢測技術(shù)綜述

1、超聲相控陣檢測技術(shù)摘要超聲相控陣檢測技術(shù)的應(yīng)用始于20 世紀60 年代,目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域。由于該系統(tǒng)復(fù)雜且制作成本高,因而在工業(yè)無損檢測方面的應(yīng)用受到限制。近年來,超聲相控陣技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復(fù)合材料、納秒級脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計算機模擬等多種高新技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用,使得超聲相控陣檢測技術(shù)得以快速發(fā)展,逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測,如對氣輪機葉片(根部) 和渦輪圓盤的檢測、石油天然氣管道焊縫檢測、火車輪軸檢測、核電站檢測和航空材料的檢測等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞超聲檢測；相控陣；波束；鋼管，探傷超聲無損檢測技術(shù)又稱超

2、聲無損探傷技術(shù)，它是利用物質(zhì)中因由缺陷或組織結(jié)構(gòu)上差異的存在而會使超聲某些物理性質(zhì)的物理量發(fā)生變化的現(xiàn)象，通過一定的檢測手段米檢測或測量這些缺陷。利用超聲波在物體中的多種傳播特性，例如反射與折射、衍射與散射、衰減以及在不同材料中的聲速不同的特點，可以測量各種材料上件的尺寸、密度、內(nèi)部缺陷、組織變化等。超聲波檢測是應(yīng)月j最為廣泛的一種重要的無損檢測技術(shù)。超聲檢測的基本過程如圖1圖1 超聲檢測基本過程目前我們最常用的超聲無損檢測方法是超聲脈沖回波法，基本原理是超聲波傳播到兩種不同的介質(zhì)(如空氣和金屬試件)界面時，由于兩種介質(zhì)的聲學(xué)特性存在差異，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。其聲壓反射率和透射率與兩種介質(zhì)的

3、聲阻抗有關(guān)。與剛體介質(zhì)聲阻抗相比，空氣的聲阻抗很小。因此超聲通過固體和空氣界面幾乎是全反射。脈沖回波法(即A型掃描)就是通過測量超聲信號往返于缺陷的反射回波的傳播時間，來確定缺損和表面的距離，同時也可根據(jù)超聲同波的幅度，來分析缺陷的大小。圖2 脈沖回波法(A掃)如圖2所示，當試件沒有缺陷時，超聲波可以順利傳播到底面，同波圖中只有發(fā)生脈沖和底面回波兩個信號。若試件中存在缺陷時，回波圖中在底面回波前還有缺陷同波。如果缺陷很人，可能會有就只有缺陷回波的情況。在脈沖回波A型超聲檢測的基礎(chǔ)上加以改進，加上機械掃查裝置或人上來移動探頭，在顯示回波時，根據(jù)同波幅度用灰度圖像顯示，就可以構(gòu)成多種掃描成像方式。

4、如B型掃描成像、C型掃描成像顯示。B型成像顯示的是與聲束方向平行且與探頭移動平面垂直的剖面，即試件內(nèi)部缺陷的縱截面圖；C型成像顯示的是與聲束掃奄平面及探頭移動平面都垂直的剖面，即工件內(nèi)部缺陷的橫截面圖。相控陣探頭超聲相控陣技術(shù)需使用不同形狀的多陣元換能器來滿足構(gòu)件檢測的需求。圖3為不同形狀的超聲相控陣換能器,按其陣元排列方式分為一維線形陣列、一維環(huán)形陣列、二維矩形陣列、二維分段交錯環(huán)形陣列和圓形陣列四種形式圖3 相控陣探頭陣元幾何排列示意圖與面形和環(huán)形陣列相比,線形陣列具有容易加工,發(fā)射接收延遲控制電路較簡單,容易實現(xiàn)等優(yōu)點,因此在實際應(yīng)用中使用較多。環(huán)形陣列由于不能進行聲束偏轉(zhuǎn)控制,大多應(yīng)用

5、在醫(yī)學(xué)成像和脈沖多普勒體積流量計中。其中二維分段交錯環(huán)形陣列比較特殊,專門用于棒材檢測。由于目前加工工藝限制,及電路復(fù)雜和制作成本高,使二維矩形陣列仍主要應(yīng)用于醫(yī)用B 超上,工業(yè)上很少使用。圓形陣列主要用于檢測管子的內(nèi)外壁缺陷。超聲相控陣檢測原理超聲相控陣技術(shù)是通過控制各個獨立陣元的延時，可生成不同指向性的超聲波波束，產(chǎn)生不同形式的聲束效果，可以模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以電子掃描和動態(tài)聚焦，無需或少移動探頭，檢測速度快，探頭放在一個位置就可以生成被檢測物體的完整圖像，實現(xiàn)了自動掃查，且可檢測復(fù)雜形狀的物體，克服了常規(guī)A型超聲脈沖法的一些局限。如圖4以線性陣列探頭為例來介紹相控陣平行線性

6、掃描、扇形掃描以及動態(tài)聚焦的原理。圖4(a)中，陣列換能器陣元的激勵時序是從左到右，由若干個陣元組成一組發(fā)射盧束，通過控制的陣元的激勵，使聲束也沿著線陣的方向從左到右移動，進行平行線性掃描，類似醫(yī)學(xué)上的實時掃描。圖4(b)中，將陣列陣元逐個等間隔的加人延時發(fā)射，使合成的波陣面具有一個偏角的平面波，這就是相控陣偏轉(zhuǎn)，改變延時間隔的大小，可以用于在一定范圍的空間進行扇形掃描。圖4(c)中，通過控制陣列陣元發(fā)射信號的相位延時，使兩端的陣元先發(fā)射，中間的陣元延遲發(fā)射，并指向一個垂直方向移動的聚焦點，使聚焦點位置的聲場最強。圖4超聲相控陣掃描原理圖換能器發(fā)射的超聲波遇到目標以后產(chǎn)生回波信號，其到達各陣元

7、的時間存在差異。按照回波到達各陣元的時間茅對各陣元接收到的信號進行延時補償，然后合成相加，根據(jù)信號處理的結(jié)果判斷山回波聲源的位置。超聲相控陣成像原理及特點超聲檢測時需要對物體內(nèi)某一區(qū)域進行成像,為此必須進行聲束掃描。常用的快速掃描方式是機械掃描和電子掃描,兩種方式均可獲得圖像顯示,在超聲相控陣成像技術(shù)中通常結(jié)合在一起使用。超聲相控陣成像技術(shù)是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵(或接收) 脈沖的時間延遲,改變由各陣元發(fā)射(或接收) 聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系,實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化,完成聲成像的技術(shù)。由于相控陣陣元的延遲時間可動態(tài)改變,所以使用超聲相控陣探頭探傷主要是利用它的聲束

8、角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特點。隨著中國石油、電力以及特種鍋爐和容器等行業(yè)的快速發(fā)展, 對無縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高。過去, 對于無縫鋼管的超聲波探傷只需要進行縱傷的檢測, 而如今, 在很多場合除要求進行縱傷檢測外, 還要求進行橫傷、斜向傷、測厚和分層缺陷的檢測。傳統(tǒng)的超聲波探傷技術(shù)對于橫傷的檢測在理論上即存在著缺欠, 對于斜傷的探測更可能掛一漏萬。原有的超聲波探傷方法和設(shè)備已難于滿足無縫鋼管越來越苛刻的質(zhì)量檢驗要求。在此形勢下，超聲相控陣檢測設(shè)備以其強大、多變的功能和檢測能力在無縫鋼管檢測中顯示出獨有的特點, 能取得良好的實用效果。目前, 在執(zhí)行API標準的石油管的超聲波探傷中, 要求進行

9、縱傷、橫傷, 測厚和分層的全覆蓋檢測。而在一些技術(shù)要求更高情況下還要同時進行斜向傷的檢測。由于超聲相控陣檢測可以靈活、便捷地控制超聲聲束的入射角度和聚焦深度, 所以無縫鋼管中各種取向的缺陷很容易利用超聲相控陣方法檢測出來。無縫鋼管的檢測使用線陣探頭。所謂線陣探頭, 即探頭中的晶片沿直線排列。目前使用的線陣探頭中可以包含50晶片、128晶片、168晶片或256晶片。加拿大R /D TECH 公司超聲相控陣檢測設(shè)備圖5 鋼管超聲相控陣檢測設(shè)備及檢測工藝圖6( a)為R /D TECH 公司鋼管超聲相控陣檢測設(shè)備的一種典型的探頭排布方式示意圖。該超聲波檢測共使用5個探頭, 在左邊第一單元中有2個探頭

10、, 每個探頭中有168晶片, 探頭長度為120 mm, 2個探頭分別實施兩方向聲束入射的縱傷檢測。左起第2、3單元中各有一個探頭, 每個探頭中有168晶片, 探頭長度為120mm, 2個探頭分別實施兩方向聲束入射的橫傷檢測。第4單元中各有1個探頭, 探頭中有50晶片, 探頭長度為120 mm, 該探頭實施壁厚測量和分層檢測。在需要進行斜向傷檢測時, 第1單元中的2個探頭除負責縱傷檢測外, 還可同時輻射帶有角度的聲波探測斜向缺陷圖6( b)。實際上, 3個用于探傷的探頭是完全相同的線陣相控陣探頭, 它們適用于所有的缺陷檢測模式: 縱向缺陷、橫向缺陷和斜向缺陷。相控陣技術(shù)的靈活性允許在不同的檢測模

11、式之間進行靈活變換, 而無需進行任何機械變換。探頭的聚焦也可以隨意改變, 所以在更換被檢鋼管規(guī)格時,無需更換探頭或作機械調(diào)整。圖5 超聲相控陣探頭排布圖上述相控陣探頭分4個單元安放在4個水囊中, 水囊中注滿耦合水。水囊與被檢鋼管表面接觸,鋼管表面和水囊表面用水潤濕, 起耦合作用。當更換檢測鋼管規(guī)格(即鋼管的直徑和曲率發(fā)生變化)時, 探頭在水囊中的位置以及相對鋼管角度均無需做調(diào)整, 只要通過計算機設(shè)置探頭中各晶片的延遲時間便可改變聲束的角度和焦距, 保證聲束的正確入射和可靠探傷。該探傷系統(tǒng)在檢測縱傷和橫傷時, 一般采用3. 5MHz的檢測頻率, 在做測厚和分層檢測時也大體如此。當鋼管的壁厚較薄時

12、, 可采用5MHz或更高檢測頻率。鋼管超聲相控陣檢測技術(shù)特點與常規(guī)鋼管超聲波檢測設(shè)備比較, 超聲相控陣檢測設(shè)備具有如下一些特點:1 檢測速度快。由于探頭中的陣列晶片是通過電子的方法進行延時激勵, 所以它在作線性掃查時比常規(guī)探頭的機械掃查要快得多。2 使用靈活。相控陣探頭可以隨意控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度、波束寬度。另外, 實施縱傷檢測、橫傷檢測和斜傷檢測的相控陣探頭是同一種探頭, 在探傷中可根據(jù)需要隨意設(shè)置檢測掃查方式, 進而實現(xiàn)對鋼管中不同取向缺陷的檢測。不同的檢測模式之間可靈活變換, 無需進行任何機械變換和調(diào)整。3 檢測可靠。在常規(guī)的鋼管超聲波探傷時, 沿鋼管軸向排列的的探頭在檢測橫傷時, 從

13、理論上即存在著重復(fù)性差和漏檢的可能; 而斜傷探頭檢測斜向缺陷時, 僅對某一固定取向缺陷敏感。相控陣探頭中多晶片的快速順序激勵, 其輻射聲場相當于單晶片探頭的連續(xù)機械位移和轉(zhuǎn)向, 所以避免了橫傷和斜傷的漏檢, 大大提高了檢測的可靠性。4 功能強大。超聲波束的聚焦增加了檢測信噪比; 在扇形掃查中, 許多方向難以辨別的缺陷均可被檢測出; 大量A 掃數(shù)據(jù)增加了各角度缺陷的分辨率。5 操作簡便。超聲相控陣檢測用電子掃查代替機械掃查, 既減少了探頭的磨損, 又避免了設(shè)備機構(gòu)的調(diào)整。除了上述特點之外, 從超聲相控陣檢測設(shè)備的使用中發(fā)現(xiàn), 由于設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)簡單, 檢測時鋼管的移動量少, 所以探傷系統(tǒng)的檢測能

14、力、信噪比、重復(fù)性等綜合性能指標均優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測設(shè)備。由于未找到具體的資料，超聲相控陣技術(shù)的檢測速度不清楚，但根據(jù)各方面資料，超聲相控陣檢測技術(shù)比常規(guī)超聲檢測技術(shù)效率更高，速度更快，只需要掃描一次就可完成檢測，檢測精度可以達到常規(guī)超聲檢測的精度0.1mm，由于超聲相控陣是由多個探頭發(fā)射聲波，會對信號造成干擾，并且還有旁瓣等問題，對于信號的采集和處理變得很困難。而且對于波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)控制也是難題。目前國內(nèi)的主要超聲相控陣探測設(shè)備幾乎都是進口，只有用于管道焊縫檢測的設(shè)備，還是實驗性質(zhì)的。參考文獻1 Silk MG, Bainton KF. The propagation in metal t

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