相控阵超声声束控制原理

相控阵超声声束控制原理

（发表在本杂志第8版中）。5相序参数和数据表示的计算机控制的评估5.1回波位置检测1)原理:相控阵的超声声束控制是基于费尔马原理,即声传播遵循时间最短的行程。此原理可用于相控阵探头阵元发射的超声波前传播声程的声线跟踪,以计算出使声束对准特定位置时定时电子设备所需要的延迟时间。利用费尔马原理,输入材料声速,就可算出折射角和焦点位置。只要材料声速准确,算出的声束位置也会准确。2)变量:计算的准确性相关于几个变量,包括:被检材料声速,探头组件尺寸(阵元尺寸,主频率,楔内延迟声程),以及影响相位干涉图形的脉冲发生器的定时准确性。若所有变量都能准确代入相应公式,则声束应能准确定位。在计算机控制系统,操作者唯一可获得的证据,就是数据显示。显示图会提供坐标系统,由此可测出两维或三维人工标靶的回波位置。将显示图上的理论测绘位置,与特定标靶的实际已知位置联系起来,是评价组合变量与计算机算法影响显示准确性的唯一有效方法。5.2相控阵元声速的测定1)使用接触式线阵列探头,标称频率5MHz,至少有16阵元,阵元间距≯1mm,配置两个单独的S扫描的软件:一个±30°,钢中焦距25mm(即声束在钢中声程25mm处聚焦),另一个±30°,钢中焦距50mm(即声束在钢中声程50mm处聚焦)。对两组聚焦法则,编程的角度进阶间隔均取0.5°;所有聚焦法则应使用16相邻阵元。2)确保数据采集的数字化频率至少为80MHz。3)在钢试块中加工一系列横孔;材料声速按ASTME494测试。将此声速值用于聚焦法则。4)将相控阵探头置于图8所示试块上,使阵元阵列中心对准该试块标定的中心线。5)按25mm焦距进行扫查,并存储S扫描图像。6)按50mm焦距进行扫查,并存储S扫描图像。7)利用计算机显示调整光标,并以表格形式记录深度位置、偏离中心线的距离、以及对横孔的扫查角度。对半径50mm圆弧线上的横孔,用为50mm焦距设置的聚焦法则所测试的结果;而对半径25mm圆弧线上的横孔,则用为25mm焦距设置的聚焦法则所测试的结果。8)测评结果要求:利用预先编程的软件,将测评数值与试块中横孔实际位置进行比较。计算机显示上出现的声程距离,所示横孔位置误差应≯±0.5mm。横孔深度位置和偏心位置误差应≯±0.5mm。对横孔的所有扫查角度误差应≯±1.0°。6相控制矩阵中楔块衰减和延迟的评估6.1动态校正方法1)重要性:使用电子扫描或扇形扫描时,各个脉冲发生器和接收器电子线路之间的差异,探头阵元之间的差异,均可能引起聚焦法则之间在增益上的数值变化。而且,发生效率随角度而变化,会因楔块的自然角度而衰减。当使用折射楔或延迟线时,楔内声程的差异,会使一些聚焦法则需要加减放大器增益。因此需要有增益变异的调整方法,以使电子扫描或S扫描中的整套聚焦法则“规范化”。2)评价要求:当相控阵探头用延迟线或折射楔时,声束变角和投影显示的计算均基于费尔马原理。这就要求操作者能识别在探头阵元空间中的位置。这样才能确保阵元到楔块一钢界面的行程距离准确已知。要验证操作者使用的坐标能提供正确的深度计算值,以确保显示软件可正确定位检出的显示。3)校正方法:可按某一时刻的聚焦法则,对衰减差异和延迟时间进行校验调整;也可配置相应软件,进行动态校正。对半径50mm圆弧线上的横孔,可用为50mm焦距配置的聚焦法则;而对半径25mm圆弧线上的横孔,则用为25mm焦距配置的聚焦法则。6.2动态评价及数据处理1)以下所述方法导则是针对用一维线阵列探头作E扫描或电子光栅扫描时,有关楔块衰减校正的评价。2)为电子光栅扫描要应用的聚焦法则,配置相控阵系统。3)将相控阵探头置于钻有深度位置已知的横孔试块上(为方便起见,这里使用ⅡW试块中Φ1.5mm的横孔作为测试靶体)。4)为配置的第一个聚焦法则选用A扫描显示,将探头前后移动,找到横孔的最大波幅信号。5)将横孔回波幅度调至80%满屏高,并将有关参数存储到聚焦法则文档中。6)对每一聚焦法则,重复使横孔回波信号达到最大并调至80%满屏高的过程,完成对每一聚焦法则有关调整参数的文档存储。7)上述过程也可用计算机来进行,即通过计算机完成对灵敏度调整的动态评价计算。动态评价只要求操作者对着横孔前后移动探头,以确保使用的所有聚焦法则均有横孔标靶移动通过声束。随后,就由相控阵系统计算,完成楔块衰减校正,以确保每一聚焦法则检出的横孔回波幅度,均能调整到相同幅度。8)评价楔块衰减补偿时,要求钢中声程保持不变,以确保只评价起作用的楔块声程变化。对使用一维线阵列探头的S扫描,单个横孔会导致每一声束角度在钢中的传播声程不同,这样就不适于正确评价楔块衰减校正。一般推荐的测试靶体是分布在类似于ⅡW试块R100mm圆弧面上的横孔。对S扫描来说,可采用(2)～(6)所述步骤,而不用分布在适当半径的圆弧线上的横孔。使用为S扫描设置的半径,也能对角度变化所固有的回波传输效应进行校正。注:若不能进行适当校正,如角度范围太大,以致信号幅度无法有效校正,则必须将角度范围减小到可作校正的程度。9)对不同楔块和不同扫描型式的配置,有关相控阵探头的动作示意,见图11。6.3动态评价的计算1)当使用折射斜楔作E扫描或S扫查,或使用固定厚度的延迟线作S扫查时,不同聚焦法则涉及的楔块材料中的声程也不同。需要对这种延时差进行校正,以确保检出的信号在投影扫描显示中正确定位,即令试件中的深度位置和角度得以正确测绘。2)为在S扫查或电子扫描中要用到的聚焦法则,配置相应的相控阵系统。3)将相控阵探头置于曲面半径已知的试块上。为此可使用ⅡW试块R100mm或小型试块R50mm的圆弧面作为测试靶体。4)对设置的第一聚焦法则,选用A扫描显示,前后移动探头,以从半径选定的圆弧面上获得波幅最高的反射信号。5)调整指示金属声程的延时值,以正确显示所用圆弧面半径,将聚焦法则有关参数存储起来。6)对扫描设定的每一聚焦法则,重复半径一定的圆弧面反射波幅达到最高的过程,在每一延迟值调好后,将有关参数值存储起来。7)上述过程也可用计算机进行,即用计算机完成有关延时调整动态评价的计算。作动态评价时,操作者只需在试块入射点附近前后移动探头,以确保所使用的所有聚焦法则,都能找到与声束角度相应的一定半径圆弧面上获得最大波幅的声束中心线。8)对小角度纵波的聚焦法则,要求定制专用试块作楔块延迟校正。9)适应不同楔块、不同扫描型式设置的探头动作示意,见图12。7相序设备的线性评估7.1仪器线性要求相控阵超声仪各脉冲发生器和接收器的操作,基本上与任何单通道超声探伤仪相同。仪器线性要求可按ASTME317所述评价。但由于所有相控阵仪器均有数控特性,再加使用多重脉冲发生器和接收器,因此对相控阵仪器要求评价不同于传统单通道仪器的线性。7.2线性校验试块1)相控阵仪器配置A扫描显示。2)将A扫描时基线调到适当范围,以显示选定的脉冲回波信号来验证线性。选用类似于ASTME317所示线性试块,以获取回波信号,评价仪器线性状态。图13即为安置了单晶探头的线性校验试块。3)就频率和带通滤波器,选用适当脉冲源参数,使验证线性用的脉冲回波(单晶)探头获得最佳回波信号。4)调节接收器增益,用非饱和波形显示相关信号,以此对仪器显示屏高线性和波幅控制线性进行评价。7.3线性校验试验1)将连接到相控阵仪器的横波或纵波探头,耦合到试块上,获得图13所示两回波信号,调整探头位置,使两回波信号幅度分别为显示屏高度(简称满屏高)的80%和40%。若相控阵仪器有脉冲回波式单晶探头的设置,则用专用线性校验试块(装有声阻抗可调的插件),由两平底孔可获得上述两波幅比为2:1的信号。2)调节接收器增益,将上述第一信号调至100%满屏高,记录此时第二信号的百分数值(即满屏高的%)。3)然后,将第一信号逐步降至10%满屏高,每步波幅降10%,记录第二信号的相应波高。4)再次调节接收器增益,将第一信号回复到80%满屏高,要确保第二信号不因耦合变化产生波动,以致偏离40%满屏高。若第二信号高于41%或低于39%满屏高,则应重新校验。5)容许误差:来自两反射体的回波幅度,应保持2:1的关系,在10%～100%满屏高的范围内,误差≯±3%满屏高。若100%饱和,应代之以99%。6)将测试结果记入仪器线性校验报告(见表2)。7.4脉冲发生器信号的校验1)16/64相控阵仪器由16个脉冲发生器和接收器组成,有64个阵元编址。为确定仪器放大线性(垂直线性),应对各个脉冲发生器一接收器组元逐一校验。2)选用平面(标称入射点)线阵列相控探头,其阵元数至少与相控阵超声仪所拥有的脉冲发生器数等同。3)用上述探头,配置相控阵超声仪作电子光栅扫描。每个聚焦法则只归属于1个阵元;扫描始于1号阵元,而终于对应于相控阵超声仪中脉冲发生器数的阵元数。4)将探头耦合到选定的校验试块上,以按每个聚焦法则,从试块底面获得1个回波信号。可使用IIW试块25mm厚度部分的底面回波。校验可用直接接触法,也可用水浸法进行。5)选用相控阵超声仪脉冲发生器-接收器的1号通道。用A扫描显示,监视选定靶体(这里是指试块底面)的回波信号。通过增益调节器,将回波信号调至40%满屏高(见图14)。6)将增益按1dB、2dB,再4dB、6dB的增量,逐一加到接收器上。每次递加dB增量后,又要去掉添加的增益量值,以使回波信号,又回到40%满屏高。将信号实际高度以满屏高的百分比值记录下来。7)将回波信号调至100%满屏高,去除6dB增益量,记录信号实际高度(满屏高百分比)。8)在表2所示屏高范围内,容许的信号幅度波动范围》±3%满屏高。9)对其它脉冲发生器一接收器通道,应重复上述(5)～(7)的过程。10)某些仪器具有10比特或12比特的波幅数字化特性,其设置还能在门控区读出大于显示屏上看到的波幅,对此类仪器,可使用大范围的校验点,因而也可使用门控输出而不用A扫描显示来校验仪器波幅控制线性。7.5底波信号的采集1)相控阵仪器配置A扫描显示。2)选用纵波探头,设置相控阵仪器,显示范围适于从厚度已知的试块获得至少10次底面反射。为此,可利用ⅡW试块25mm厚度的底面。3)调整相控阵仪器的模数转换频率至少为80Hz。4)将探头耦合到试块上,使A扫描显示屏上清晰地显示10次底面回波(见图15)。利用显示软件可确定相邻两底波信号之间的时间间隔。5)试块声速可按ASTME494所述方法测定,而后将该声速输入显示软件,由设置的显示即可读出相应距离(厚度)。6)用基准线和测试光标,即可确定各底波信号之间的间隔,记录最初10个底波信号之间的间隔数值。7)根据转换成等效距离的模数转换频率,可用误差容限确定线性合格与否。例如,取样频率为100MHz时,时基线上每次取样时间即为10ns。对钢来说,声速为5900m/s,则脉冲回波式中沿时基线(10ns)每次取样时间是30μs。大多数模数系统定时取样应能达到±3%的容差。有些容差应按声速确定(～1%)。对钢板,通常多次回波的时基误差应不大于±0.5mm。8)时基线性的校验记录样表见表2。8元激活性检测1)相控阵声束宽度相关于对相邻小缺陷的分辨力,也相关于缺陷测长精确度、特别是裂纹类小缺陷的测高精确度。2)相控阵声束变角范围相关于对焊接接头用一次波和二次波的可检范围。横波一次波通常设置为35°～75°的范围;二次波检出的缺陷,在S扫描显示中,常用其镜像表示。需要预制两种标靶设置不同的声束可变角评定试块:一种是标靶声程固定而方位各异的试块;另一种是标靶声程有变的试块,内设水平距离相同而深度位置各异的标靶,或深度位置相同而水平距离各异的标靶。3)相控阵阵元激活性相关于阵列探头的整体功能的有效性,包括可变角范围、聚焦法则、灵敏度和分辨力等。具体要求取决于应用对象。若不达标,要求停用或更换。4)相控阵聚焦能力相关于缺陷定位、定量、定性、表征的有效性。聚焦越清晰,分辨力越高;聚焦不好,会使缺陷显示图像大于实际尺寸。在材料衰减许可情况下,应尽可能采用较高频率。5)相控阵参数和数据显示的计算机控制涉及相关软件的使用。作为相控阵UT操作者,应充分熟悉常用检测软件、常用检测工具的应用程序,熟悉参变数的输入和图像数据的读出。要能通过评定试块试样的操作演示,善于将显示数据与实际数据进行比照分析。6)相控阵探头衰减和延迟校正,相关于缺陷定位、定量的准确性。可利用ⅡWI型和Ⅱ型标准试块R100、R50、R25mm圆弧面,或专用评定试块进行校验。对电子扫描和扇形扫描应分别进行校验。7)相控阵仪器的垂直线性和水平线性偏差相关于缺陷定量定位。其测定方法与常规仪器的线性测定有同有异。可用