超声相控阵检测技术

超声相控阵检测技术的应用始于20 世纪60 年代,目前已广泛应用于医学超声成像领域。由于该系统复杂且制作成本高,因而在工业无损检测方面的应用受到限制。近年来,超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用,使得超声相控阵检测技术得以快速发展,逐渐应用于工业无损检测,如对气轮机叶片(根部) 和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域。

超声无损检测

超声无损检测技术又称超声无损探伤技术，它是利用物质中因由缺陷或组织结构上差异的存在而会使超声某些物理性质的物理量发生变化的现象，通过一定的检测手段米检测或测量这些缺陷。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减以及在不同材料中的声速不同的特点，可以测量各种材料上件的尺寸、密度、内部缺陷、组织变化等。超声波检测是应月j最为广泛的一种重要的无损检测技术。超声检测的基本过程如图

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图1 超声检测基本过程

目前我们最常用的超声无损检测方法是超声脉冲回波法，基本原理是超声波传播到两种不同的介质(如空气和金属试件)界面时，由于两种介质的声学特性存在差异，会产生反射和透射现象。其声压反射率和透射率与两种介质的声阻抗有关。与刚体介质声阻抗相比，空气的声阻抗很小。因此超声通过固体和空气界面几乎是全反射。脉冲回波法(即A型扫描)就是通过测量超声信号往返于缺陷的反射回波的传播时间，来确定缺损和表面的距离，同时也可根据超声同波的幅度，来分析缺陷的大小。

图2 脉冲回波法(A扫)

如图2所示，当试件没有缺陷时，超声波可以顺利传播到底面，同波图中只有发生脉冲和底面回波两个信号。若试件中存在缺陷时，回波图中在底面回波前还有缺陷同波。如果缺陷很人，可能会有就只有缺陷回波的情况。

在脉冲回波A型超声检测的基础上加以改进，加上机械扫查装置或人上来移动探头，在显示回波时，根据同波幅度用灰度图像显示，就可以构成多种扫描成像方式。如B型扫描成像、C型扫描成像显示。B型成像显示的是与声束方向平行且与探头移动平面垂直的剖面，即试件内部缺陷的纵截面图；C型成像显示的是与声束扫奄平面及探头移动平面都垂直的剖面，即工件内部缺陷的横截面图。

相控阵探头

超声相控阵技术需使用不同形状的多阵元换能器来满足构件检测的需求。图3为不同形状的超声相控阵换能器,按其阵元排列方式分为一维线形阵列、一维环形阵列、二维矩形阵列、二维分段交错环形阵列和圆形阵列四种形式

图3 相控阵探头阵元几何排列示意图

与面形和环形阵列相比,线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单,容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。环形阵列由于不能进行声束偏转控制,大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。其中二维分段交错环形阵列比较特殊,专门用于棒材检测。由于目前加工工艺限制,及电路复杂和制作成

本高,使二维矩形阵列仍主要应用于医用B 超上,工业上很少使用。圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷。

超声相控阵检测原理

超声相控阵技术是通过控制各个独立阵元的延时，可生成不同指向性的超卢波波束，产生不同形式的声束效果，可以模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以电子扫描和动态聚焦，无需或少移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查，且可检测复杂形状的物体，克服了常规A型超声脉冲法的一些局限。

如图4以线性阵列探头为例来介绍相控阵平行线性扫描、扇形扫描以及动态聚焦的原理。图4(a)中，阵列换能器阵元的激励时序是从左到右，由若干个阵元组成一组发射卢束，通过控制的阵元的激励，使声束也沿着线阵的方向从左到右移动，进行平行线性扫描，类似医学上的实时扫描。图4(b)中，将阵列阵元逐个等间隔的加人延时发射，使合成的波阵面具有一个偏角的平面波，这就是相控阵偏转，改变延时间隔的大小，可以用于在一定范围的空间进行扇形扫描。图4(c)中，通过控制阵列阵元发射信号的相位延时，使两端的阵元先发射，中间的阵元延迟发射，并指向一个垂直方向移动的聚焦点，使聚焦点位置的声场最强。

图4超声相控阵扫描原理图

换能器发射的超声波遇到目标以后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间茅对各阵元接收到的信号进行延时补偿，然后合成相加，根据信号处理的结果判断山回波声源的位置。

超声相控阵成像原理及特点

超声检测时需要对物体内某一区域进行成像,为此必须进行声束扫描。常用的快速扫描方式是机械扫描和电子扫描,两种方式均可获得图像显示,在超声相控阵成像技术中通常结合在一起使用。

超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收) 脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收) 声波到达(或来自)物体内某点时的

相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束角度可控和可动态聚焦两大特点。

随着中国石油、电力以及特种锅炉和容器等行业的快速发展, 对无缝钢管产品的质量要求越来越高。过去, 对于无缝钢管的超声波探伤只需要进行纵伤的检测, 而如今, 在很多场合除要求进行纵伤检测外, 还要求进行横伤、斜向伤、测厚和分层缺陷的检测。传统的超声波探伤技术对于横伤的检测在理论上即存在着缺欠, 对于斜伤的探测更可能挂一漏万。原有的超声波探伤方法和设备已难于满足无缝钢管越来越苛刻的质量检验要求。在此形势下，超声相控阵检测设备以其强大、多变的功能和检测能力在无缝钢管检测中显示出独有的特点, 能取得良好的实用效果。

目前, 在执行API标准的石油管的超声波探伤中, 要求进行纵伤、横伤, 测厚和分层的全覆盖检测。而在一些技术要求更高情况下还要同时进行斜向伤的检测。由于超声相控阵检测可以灵活、便捷地控制超声声束的入射角度和聚焦深度, 所以无缝钢管中各种取向的缺陷很容易利用超声相控阵方法检测出来。

无缝钢管的检测使用线阵探头。所谓线阵探头, 即探头中的晶片沿直线排列。目前使用的线阵探头中可以包含50晶片、128晶片、168晶片或256晶片。 加拿大R /D TECH 公司超声相控阵检测设备

图5 钢管超声相控阵检测设备及检测工艺

图6( a)为R /D TECH 公司钢管超声相控阵检测设备的一种典型的探头排布方式示意图。该超声波检测共使用5个探头, 在左边第一单元中有2个探头, 每个探头中有168晶片, 探头长度为120 mm, 2个探头分别实施两方向声束入射的纵伤检测。左起第2、3单元中各有一个探头, 每个探头中有168晶片, 探头长度为120mm, 2个探头分别实施两方向声束入射的横伤检测。第4单元中各有1个探头, 探头中有50晶片, 探头长度为120 mm, 该探头实施壁厚测量和分层检测。在需要进行斜向伤检测时, 第1单元中的2个探头除负责纵伤检测外, 还可同时辐射带有角度的声波探测斜向缺陷图6( b)。实际上, 3个用于探伤的探头是完全相同的线阵相控阵探头, 它们适用于所有的缺陷检测模式: 纵向缺陷、横向缺陷和斜向缺陷。相控阵技术的灵活性允许在不同的检测模式之间进行灵活变换, 而无需进行任何机械变换。探头的聚焦也可以随意改变, 所以在更换被检钢管规格时,无需更换探头或作机械调整。

图5 超声相控阵探头排布图

上述相控阵探头分4个单元安放在4个水囊中, 水囊中注满耦合水。水囊与被检钢管表面接触,钢管表面和水囊表面用水润湿, 起耦合作用。当更换检测钢管规格(即钢管的直径和曲率发生变化)时, 探头在水囊中的位置以及相对钢管角度均无需做调整, 只要通过计算机设置探头中各晶片的延迟时间便可改变声束的角度和焦距, 保证声束的正确入射和可靠探伤。

该探伤系统在检测纵伤和横伤时, 一般采用3. 5MHz的检测频率, 在做测厚和分层检测时也大体如此。当钢管的壁厚较薄时, 可采用5MHz或更高检测频率。 钢管超声相控阵检测技术特点

与常规钢管超声波检测设备比较, 超声相控阵检测设备具有如下一些特点:

1 检测速度快。由于探头中的阵列晶片是通过电子的方法进行延时激励, 所以它在作线性扫查时比常规探头的机械扫查要快得多。

2 使用灵活。相控阵探头可以随意控制聚焦深度、偏转角度、波束宽度。另外, 实施纵伤检测、横伤检测和斜伤检测的相控阵探头是同一种探头, 在探伤中可根据需要随意设置检测扫查方式, 进而实现对钢管中不同取向缺陷的检测。不同的检测模式之间可灵活变换, 无需进行任何机械变换和调整。

3 检测可靠。在常规的钢管超声波探伤时, 沿钢管轴向排列的的探头在检测横伤时, 从理论上即存在着重复性差和漏检的可能; 而斜伤探头检测斜向缺陷时, 仅对某一固定取向缺陷敏感。相控阵探头中多晶片的快速顺序激励, 其辐射声场相当于单晶片探头的连续机械位移和转向, 所以避免了横伤和斜伤的漏检, 大大提高了检测的可靠性。

4 功能强大。超声波束的聚焦增加了检测信噪比; 在扇形扫查中, 许多方

向难以辨别的缺陷均可被检测出; 大量A 扫数据增加了各角度缺陷的分辨率。

5 操作简便。超声相控阵检测用电子扫查代替机械扫查, 既减少了探头的磨损, 又避免了设备机构的调整。

除了上述特点之外, 从超声相控阵检测设备的使用中发现, 由于设备的机械结构简单, 检测时钢管的移动量少, 所以探伤系统的检测能力、信噪比、重复性等综合性能指标均优于常规超声波检测设备。

由于未找到具体的资料，超声相控阵技术的检测速度不清楚，但根据各方面资料，超声相控阵检测技术比常规超声检测技术效率更高，速度更快，只需要扫描一次就可完成检测，检测精度可以达到常规超声检测的精度0.1mm，由于超声相控阵是由多个探头发射声波，会对信号造成干扰，并且还有旁瓣等问题，对于信号的采集和处理变得很困难。而且对于波束的聚焦和偏转控制也是难题。目前国内的主要超声相控阵探测设备几乎都是进口，只有用于管道焊缝检测的设备，还是实验性质的。