相控阵超声检测技术的发展与应用

相控阵超声检测技术的发展与应用

1超声无损检测系统的应用相控制超声波检测作为一种独特的技术，在21世纪初进入成熟阶段。上世纪80年代初,相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域。80年代中期,压电复合材料的研制成功,为复合型相控阵探头的制作开创新途径。90年代初,欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价(NDE)方法,编入超声检测手册和无损检测工程师培训教程。自1895年至1992年,该技术主要用于核反应压力容器(管接头)、大锻件轴类,及汽轮机部件的检测。压电复合技术、微型机制、微电子技术、及计算机功率(包括探头设计和超声波与试件相互作用的模拟程序包)的最新发展,对相控阵技术的完善和精细化都有卓著贡献。功能软件也使计算机能力大大增强。相控阵超声波技术用于无损检测,最先是为动力工业解决下列检测问题:①要用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的裂纹;②要对检测异种金属焊缝和离心铸造不锈钢焊缝提高信噪比和定量能力;③要提高声束扫查可靠性;④要对难以接近的受压给水反应器或沸水反应堆部件进行检测;⑤要缩短在用设备维修检测时间,提高生产效率;⑥要检测和定量形状复杂的汽轮机部件中的应力腐蚀小裂纹;⑦要减少在用检测人员射线吸收剂量;⑧要对一些临界缺陷(不论缺陷方向)提高检测、定位、定量和定向精度;⑨要对“合乎使用”(或称“工程临界评定”或“寿命评价”)检测提供易于判读的定量分析报告。在其他工业领域,如航空航天、国防、石油化工、机械制造等,对超声无损检测也都有类似的改进和强化需求。一般都集中在相控阵超声技术的一些主要优点上,即:①速度快:相控阵技术可进行电子扫描,比通常的光栅扫描快一个数量等级;②灵活性好:用一个相控阵探头,就能涵盖多种应用,不象普通超声探头应用单一有限;③电子配置:通过文件装载和校准就能进行配置,通过预置文件就能完成不同参数调整;④探头小巧:对某些检测,可接近性是“拦路虎”,而对相控阵,只需用一小巧的阵列探头,就能完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务。十年前,相控阵超声技术在工业上已锋芒毕露。便携式相控阵探伤仪的推出,更是倍受青睐:仪器可单人现场操作,数据实时传送、远程分析。最近,国内大专院校和研究所及电子仪器设备制造公司,也在投注力量,加速研制,使国产相控阵仪器早日问世。2超声波相位控制矩阵的原理2.1超声检测原理超声波是由电压激励压电晶片探头在弹性介质(试件)中产生的机械振动。工业应用大多要求使用0.5MHz～15MHz的超声频率。常规超声检测多用声束扩散的单晶探头,超声场以单一折射角沿声束轴线传播,其声束扩散可能是对检测方向性小裂纹唯一有利的“附加”角度。假设将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片,令小晶片宽度e远小于其长度W。每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源,这些线状波源的波阵面就会产生波的干涉,形成整体波阵面。这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步,由此产生可调向的超声聚焦波束。2.2超声聚焦波束的检测超声相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励(振幅和延时)均由计算机控制。压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束,声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的,能以镜面反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头,因移动范围和声束角度有限,对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹,很易漏检(见图1)。2.3脉冲宽度预处理在发射过程中,探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器。后者将信号变换成特定的高压电脉冲,脉冲宽度预先设定,而时间延迟由聚焦律界定。每个晶片只接收一个电脉冲,所产生的超声波束有一定角度,并聚焦在一定深度。该声束遇到缺陷即反射回来。接收回波信号后,相控阵控制器按接收聚焦律变换时间,并将这些信号汇合一起,形成一个脉冲信号,传送至探伤仪。2.4换能器上的回波信号为产生相位上有相长干涉的声束,用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各单元(晶片)。来自材料中某一焦点(如缺陷等)的回波,以可计算的时差返回各换能器单元,见图2。在信号汇合前,各换能器单元上的接收回波信号均有时差。信号汇合后形成的A-扫描图形,显示了材料中某一焦点的回波特性,也显示了材料中其它各点不同衰减的回波特性。声束垂直和倾斜入射时的聚焦原理示于图3。每个单元上的延时值取决于相阵列探头上激励单元的“窗口”尺寸、波型、折射角和聚焦深度。2.5阵列位置扫描计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种:(1)电子扫描(又称E扫描):高频电脉冲多路传输,按相同聚焦律和延时律触发一组晶片(图4);声束则以恒定角度,沿相阵列探头长度(所谓“窗口”)方向进行扫描,这相当于用常规超声换能器为腐蚀检测作光栅扫描或作横波检验。用斜楔时,对楔内不同延时值要用聚焦律作修正。(2)动态深度聚焦(简称DDF):超声束沿声束轴线,对不同聚焦深度进行扫描。实际上,发射声波时使用单个聚焦脉冲,而接收回波时则对所有编程深度重新聚焦(图5)。(3)扇形扫描(又称S扫描,方位扫描或角扫描):使阵列中相同晶片发射的声束,对某一聚焦深度在扫描范围内移动;而对其它不同焦点深度,可增加扫描范围。扇形扫描区大小可变。3相控制矩阵延迟法或集中法3.1单元延迟和激励单元的影响无斜楔探头(即与试件直接接触的探头)由程控产生的纵波,按聚焦律延时结果,对聚焦深度呈一抛物线状。自探头边缘向中心移动,延时值由小而大。焦距倍增,则延时值减半(图5)。阵列单元芯距增大,则单元延时值线性增大(图6)。探头无斜楔而声束偏转成扇形(有方位角)时,在等同单元上的延时取决于激励单元在阵列窗口(主动窗,Activeaperture)中的位置,也取决于产生的声束角度(图7)。延时值随声束折射角和激励晶片数而增大。3.2ple与斜叉根据沿特定路径到达时间最短的费马原理(Fermat’sprinciple),装在斜楔上的相控阵探头能给出产生不同声束形状的延时律(图8)。延时值取决于激励单元位置和程控折射角。其他型式的相控阵探头(如矩阵或圆锥形),可能需要对延时律数值、对声束形貌评价设定高级模式。3.3精确控制控制在所有情况下,阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制。最小延时增量决定了探头最高可用频率,后者由下式界定,即:nfcnfc式中n—阵列单元数fc—中心频率4相控制矩阵系统的基本组成相控阵仪器的基本扫描系统主要组成见图9。5相位控制单元的基本扫描和图像5.1超声检测显示在机械驱动的扫描过程中,数据采集按编码器位置,而数据显示则呈现不同的视图(包括C显示、B显示、S显示和CT显示等),以供缺陷分析评定。通常,相控阵使用多重A扫描叠加显示(也称B扫描显示)。这些A显示是由相控阵探头各压电小晶片(单元)产生的,与之相应的声束角度、声传播时间和延时值各各不同。与A扫描总数相应的实时信息,是在某一探头位置获得的,显示为扇形扫描图(即S扫描图),或电子B扫描图。S扫描和电子扫描均能产生整体检测图像,由此可快速获取超声波在所有方位检测到的试件形貌或缺陷相关信息(见图10)。将试件数据标绘在二维(平面)图即所谓“校正的S扫描图”上,能使超声检则结果的分析和评定简单明了。S扫描有以下优点:①能在扫描过程中显示图像;②能显示实际深度;③能由二维显示再现体积。5.2人工缺陷检测扫描在探头移动过程中,将线扫描、S扫描与多角度扫描组合一起,就能改进成像结果。S扫描显示与其他视图相结合,可构成缺陷成像图或识别图。图11表示对四种不同形状的人工缺陷(角槽、球孔、柱孔和横孔),进行相控阵检测的扫描示图,缺陷形状尺寸与B扫描显示结果,两者关系一目了然。相控阵检测时,阵列探头几乎不用前后来回移动,就能用纵波和横波对试件横截面进行组合扫描,这对方向性缺陷的检测和定量非常有利(见图12)。按图中布置,只要通过计算机软件按延时律移动阵列“主动窗”,就能使超声波束对方向性缺陷的检测和定量角度达到最佳状态,获取最佳显示。5.3圆形聚焦声束识别圆柱形、椭圆形或球面状聚焦声束有较高信噪比(即缺陷识别能力强),且传播声束比扩散声束窄小。图13表示用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔的C扫描和B扫描图形。实时扫描可结合探头移动,数据则归并成单个视图(见图14)。其优点是:①检测重复性高;②缺陷定位方便;③图像标绘精确;④缺陷成像直观。图15表示对体积状缺陷作多次扇形扫描所输出的“切片”图。每个切片展示不同位置的缺陷断面。此类切片颇似对缺陷作定量表征分析的金相切片。6扫描三种形式(1)超声相控阵探头晶片(单元)的激励(振幅和延迟)均由计算机控制,声束角度、焦距、焦点等参数可通过预置软件进行调整。(2)改变阵列组合单元的延时值,可改变声束聚焦深度,改变声束角度,也能改变波型,由此可对方向性缺陷获得最佳检测和定量结果。(3)计算机控制的扫描模式有电子扫描(线扫描)、动态聚焦扫描和扇形扫描三种,应根据检测对象特点和检测目的适当选用。(4)无斜楔相控阵探头作直探伤时,聚焦深度呈抛物线型,阵列单元激励延时值相关于焦距和阵列单元芯距:焦距倍增,延时量减半;单元芯距增大,延时量线性增大。(5)无斜楔相控阵探头作斜探伤时,发射扇形声束,阵列单元激励延时值取决于所需声束折射角,也取决于阵列单元在相控阵探头“主动窗”中的位置:折射角大,激励单元数多,则延时量大。(6)有斜楔相控阵探头,具有给出不同声束形状的延迟律,延时值取决于阵列单元位置和程控折射角。(7)相控阵超声检测可通过四种形式显示结果:B显示(横断面),C