超声波相控阵检测技术及其使用

超声波相控阵检测技术及其应用1超声相控阵技术已有50多年的发展历史。相控阵超声波检测作为一种独特的技术得到开发和应用，在21世纪初已进入成熟阶段。初期主要应用于医疗领域，B超成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像，这里相控阵技术的主要作用是实现动态聚焦，大大提高了超声影像的清晰度。其在临床上的应用范围为心脏、肝脏、胆囊、肾脏、胰腺、乳腺、妇产科、颅脑等方面，其应用之广泛已使它成为四大医学影像技术之一。医用相控阵B超设备相控阵技术发展历史2由于超声波在金属材料、复合材料、陶瓷、塑料及玻璃纤维中会产生波形转换同时材料自身的厚度变化及几何结构都会产生干扰回波，如何把相控阵技术引入到工业领域就变得极具挑战性。1980s第一台相控阵系统被应用于工业检测领域，这台相控阵系统机身结构非常大且需要一个数据转换器把采集到的数据传送到电脑上进行分析及成像。这些设备大多数应用在在线电力设备检测中。但是此项技术在核电市场中很难被接受，因为在核电中要推进一种新的检测技术需要更严苛的评估。其他较早应用相控阵检测技术的有大型轴类锻件以及低压管道检测领域。1990s由电池供电的便携式相控阵设备正式应用于工业检测领域。模拟设备需要电源及空间来创建可以控制声束的多通道结构，但是进入数字时代后，成本低廉的嵌入式微处理器的快速发展推动了下一代相控阵设备的快速发展。除此之外，低电电子元件、更好的省电结构以及整个行业大量使用粘贴板的设计也推进了新一代小型化的高级技术的发展。新一代的相控阵设备可以在一台便携装置中进行电子设置、数据处理、显示及分析，从此次相控阵技术在工业领域的应用变得更为广泛。传统工业相控阵成像传统工业相控阵成像3■然而相控阵技术从医疗领域向工业领域跃进的过程存在着很多技术难题无法解决，因此最早的工业相控阵设备都是直接把医疗相控阵方法直接照搬到工业机型上面。这种技术的应用和成像描绘的模式对于工业探伤来说，存在着很多隐患和需要改进的问题。传统的工业相控阵成像传统工业相控阵成像问题一：医用B超检测对象是由水份组成的人体，不必考虑波形转换现象，而超声波在金属材料中会产生波形转换问题，早期工业相控阵方法延用医用B超模式，不具有波形转换修正技术，因此带来的异常信号误判、定位定量误差及难以判读波形信息等问题未能有效解决。问题二：传统工业相控阵定量方法不具有角度、声程、晶片增益修正技术，多晶片探头通过楔块入射到构件内部时存在入射点漂移现象和能量分布变化，采用单一入射点校准方式与常规距离波幅曲线修正，造成的扇形区域中能量分布不均匀及测量误差等问题未能有效解决。4新一代相控阵技术经过角度增益补偿后的成像显示5真实几何结构描绘6实时3D成像7相控阵技术的原理传统的超声检测采用单晶片探头发散声束。在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺欠定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”标准都要求采用多个角度声束的扫查来提高检出率。但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现，为此就需要采用相控阵多晶片探头和电子聚焦声束来满足上述情况的检测要求。超声相控阵技术是当今无损检测技术中最先进的超声检测新方法。尤其在焊接接头检测方面的应用具有独特优势。可有效地检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积型缺陷。检测结果以图像形式显示，为缺陷定位、定量、定性、定级提供了丰富的信息。8典型应用：叶片检测9晶片单元大小晶片单元间隔晶片单元跨距晶片单元高度晶片单元宽度10使用楔块11使用楔块12bs1–希望在工件中产生的折射角---横波a1–由相位变化产生的与折射角对应的入射角使用楔块–产生横波13012111aaabaSSLVSinVSin0001MigrSSabb第二种情况入射点向楔块前端漂移;楔块延迟增加0001MigrSSabbCase2入射点向楔块后端漂移;楔块延迟减小0001MigrSSabb第一种情况没有声束偏转14使用楔块–产生纵波15）第一临界角（112111crLLLVSinVSinaaba使用楔块–产生纵波16超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。bcosNPitschSizeepertureSizEffectiveA17聚焦声束的形成过程要素:1.在产生聚焦声束时，第一晶片和最后一个晶片延迟相同，其余的2---N-1晶片的延迟按照抛物线法则变换。2.有效阵列孔径保持不变18线性波形模式19扇形波形模式20聚焦波形模式21角度增益补偿因素2:有效孔径随入射角度而变化（虚拟晶片宽度随角度改变而减小）（有效孔径）信号幅度有效阵列孔径2)(1/1~izeEffectiveSudeEchoAmplitCosPitchSizeNLSb22角度增益补偿因素3:探头中的信号衰减能量损失随入射角度而变化(楔块中声程随角度加大而加大)23扇形覆盖区域中能量分布具有非均匀性通过角度增益补偿技术获取等量化数据对线阵探头中的晶片进行单独补偿，使晶片的灵敏度达到一致：相控阵探头晶片的不均匀性(出现偏差)；在每个聚焦法则中，楔块声束路径/损耗都是不同的。24相控阵设备硬件工作原理示意要素:因为所有的脉冲发生器是同步的，每个晶片振动的叠加产生了所需要的角度及聚焦方式25当设备对所有已接收到的信号做数字化处理时，每个通道都有自己的ADC转换和FIFO。处理后的所有相位信号进行叠加形成最终的聚焦法则A扫描。26传统工业相控阵方法延用医用B超模式，不具有几何反射修正技术，与人体结构的单一形式不同，工业领域的检测对象几何结构和材料种类千变万化，不能依照工件厚度与结构特征生成对应图象而造成数据分析难度大的问题未能有效解决。真实几何结构成像技术相控阵成像技术27Increment=1degIncrement=0.2degIncrement=0.1deg相控阵成像成像真实性、分辨率、检出率与声束间隔角度的密集程度有关，传统相控阵成像方法采用的是模拟填充图显示方式，新一代相控阵系统支持主声束间隔角度步进控制技术。28传统工业相控阵扇形扫查成像模式：真实缺陷位置与成像结果不一致29新一代相控阵扇形扫查成像模式：真实几何结构成像技术30可设置厚度的相控阵线性扫查成像模式：可描述破口形式的相控阵扇形扫查成像模式：可设置厚度的相控阵串列式扫查模式：（对垂直缺陷非常有效））可设置厚度的相控阵扇形扫查成像模式：31相控阵的串列式逐点聚焦电子栅格C扫描成像技术3233TOFD成像相控阵C成像相控阵3D成像34T型接头（新一代相控阵真实几何结构成像技术与传统相控阵成像技术对比）：35T型接头（典型工艺设定）：36T型接头（典型工艺设定）：37T型接头（典型工艺设定）：38T型接头（典型工艺设定）：39