相控阵超声检测

相控阵超声检测技术2012-11-11周正干主要内容技术背景基本原理典型应用发展方向2主要内容技术背景基本原理典型应用发展方向3相控阵超声检测技术（PhasedArrayUltrasonicInspectionTechnology）已有30多年发展历史；初期主要应用在医疗领域；在上世纪80年代，超声相控阵检测技术在欧美等国家开始应用于工业无损检测，主要用于核电站压力容器、大型轴锻件、低压涡轮等构件的无损检测。1990年，欧美将相控阵技术作为一种新型的无损检测及评价方法正式纳入工业超声检测手册。技术背景4随着压电复合材料、微加工、微电子以及计算机等技术的发展，相控阵超声检测技术取得了革命性的发展；目前国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医疗领域。技术背景5无损检测是工业发展必不可少的有效工具，工业界对无损检测技术提出以下需求：1.更少的检测设置及检测时间2.更高的检测可信度3.更强的原位检测能力4.更高的检测信噪比5.更强的复杂结构件小缺陷检测及定量能力6.更高的检测精度相控阵超声检测技术为实现上述需求提供了可能！技术背景61.更快的检测速度传统超声检测采用探头与编码器相连接的方式实现对被测试样的光栅扫查，而相控阵超声检测技术可利用其独有的电子扫查替代这一扫查模式。在检测速度上电子扫查较光栅扫查要快上一个数量级。线性电子扫查相控阵超声检测技术优势7相控阵超声检测技术优势2.更小的探头尺寸及多通道性相控阵探头自身具有多通道特点，采用单一的相控阵探头便可替代多个传统探头，从而解决探头安置空间有限导致检测方案无法实施的问题。相控阵探头检测焊缝8相控阵超声检测技术优势3.更加多样的检测方法相控阵超声检测系统可通过软件编程的方式实现检测方案的设计。可采用单个相控阵探头同时进行两种不同模式的电子线性扫查，从而实现对焊缝上下表面的检测可采用单个相控阵探头同时发射不同角度的横波及纵波实现对裂纹尺寸及方向的定量分析9相控阵超声检测技术优势4.更高的检测可信度相控阵超声检测能够通过对声束进行动态聚焦提高缺陷信噪比，通过角度扫查提高缺陷的检出率。通过动态聚焦实现超声轴方向上的多缺陷辨识通过角度扫查增大检测范围10相控阵超声检测技术优势5.独特的成像方法相控阵检测独有的成像模式，例如扇形扫查(S扫)极大地提高了检测效率，缩短了缺陷判别时间。与电子扫查结合生成的融合S扫图相控阵S扫图11相控阵超声检测技术优势6.便携性的检测设备无损检测企业推出了各种电池供电的相控阵检测设备，方便检测人员带到检测现场进行探伤。Olympus公司的OmniScan设备KJTD株式会社的PA412主要内容技术背景基本原理典型应用发展方向13基本原理相控阵超声检测技术多声束扫描成像技术，其检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声，并使超声声束在确定的声域处偏转或聚焦。14相控阵超声检测系统组成15相控阵换能器类型线阵Linear(L)凸阵(Convex)凹阵(Concave)圆环阵Annular(A)16相控阵换能器类型2D面阵(M)环状扇形Annularsectorial(S)17一维线性换能器几何参数阵元个数、阵元中心间距、阵元间隙、阵元大小、阵元长度、最大有效孔径。相控阵换能器参数阵元大小a阵元长度w123N阵元个数N阵元间距p阵元间隙b最大有效孔径A18相控阵楔块相控阵楔块相控阵检测中探头往往与楔块结合使用，起到保护探头、增大声束偏转角度、横波检测以及近表面检测的作用。相控阵探头以及相配套的楔块相控阵探头及楔块组合检测19相控阵发射原理相控阵发射原理根据惠更斯-菲涅尔原理，当各阵元被同一频率的脉冲信号激励时，发出的声波在空间中形成稳定的超声场。超声阵列换能器中每个阵元按预先设计好的方案延迟一定的时间进行超声发射，即可形成发射聚焦或声束偏转等效果。20相控阵接收原理相控阵接收原理超声波遇到目标后产生的回波信号到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信息进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。21相控阵聚焦法则原理相控阵聚焦法则(延时法则)聚焦法则是一种记录了检测所用阵元以及其电压和延迟时间的文件，延迟时间的设置与检测配置、偏转角度、楔块类型、探头类型密切相关。为了使声束在某一点聚焦，采用的各个阵元必须在相同的时刻将声束传播至聚焦点，而实现这一目标需要对各个阵元施加适当的延迟时间序列。22相控阵聚焦法则原理23相控阵聚焦法则--声束偏转通过控制各阵元的激励脉冲从左到右等间隔增加延迟时间，从而使合成的波阵面沿特定角度传播，实现波束的偏转。线性探头8个阵元的延迟时间相控阵聚焦法则原理24相控阵聚焦法则--声束聚焦使两端阵元先激励，逐渐向中间加大延迟时间，使合成波阵面形成具有一定曲率的圆弧面，声束指向曲面圆心，实现波束的聚焦。线性探头8个阵元的延迟时间相控阵聚焦法则原理相控阵聚焦法则计算器为了方便操作人员快速计算聚焦法则，相控阵检测软件系统一般都配备有用于聚焦法则计算及声场仿真的功能模块。二维面阵探头的声场仿真示意图25相控阵扫查方式相控阵扫查方式1—线性扫查(Linearscan)将若干相邻发射阵元作为一组，分时对各组阵元施加相同聚焦法则，沿着探头长度方向进行相同深度的扫描。换能器不需移动位置，只利用电子扫描来改变超声波的发射。26相控阵扫查方式相控阵扫查方式2—扇形扫查(Sectorscan)通过控制各个晶片激发的时间不同，从而产生不同角度的波束偏转，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。27相控阵扫查方式相控阵扫查方式3—动态深度聚焦(DDF)使用同一组阵元完成一次发射聚焦，波束在返回时不断重新载入聚焦法则，使接收聚焦点覆盖整个深度。28相控阵扫查方式动态聚焦(DDF)原理不采用动态聚焦的成像结果采用动态聚焦的成像结果29相控阵扫查方式动态聚焦的优点1.更小的声束焦斑；2.更小的声束扩散角度；3.更高的缺陷信噪比；4.更高的检测效率；5.一次声束发射便可完成多点聚焦，相比传统多次发射多次聚焦的检测方法大大削减A扫数据量大小。30相控阵成像方式相控阵基本成像方式A型、B型(Sideview)、D型(Endview)、C型(Topview)相控阵专有成像方式S型(Sectorscan)、极坐标型(Polarview)、立体型(Cubeview)31相控阵成像方式A型成像B型成像C型成像32相控阵成像方式S型(Sectorscan)S型显示(或称扇形显示)是根据探头、楔块几何尺寸以及各个通道的声束角度及楔块延时信息对A型信号进行修正所得到的二维图像。其中，横坐标沿被测试样宽度方向，纵轴沿被测试样深度方向。33相控阵成像方式极坐标型(Polarview)极坐标型显示是一种综合显示方法，由检测过程中探头在各个编码器位置下的电子型显示以及扇形显示图像进行融合生成，主要针对空洞等具有圆柱形表面试样的相控阵检测。34相控阵成像方式立体型(Cubeview)立体型显示是超声数据的三维成像，综合了上述所有显示模式，最大限度地反映了被测试样内部的真实形貌。右图为R/DTech公司开发的TomoView相控阵检测系统的立体型显示图像35主要内容技术背景基本原理典型应用发展方向36铁路领域典型应用货车轮轴超声相控阵自动检测系统37系统对轮座部位检测精度可以达到1.0mm深人工刻槽；对卸荷槽部位进行检测，检测精度可以达到0.5mm深人工刻槽。铁路领域典型应用38探头1探头2探头3探头4楔块楔块卸荷槽轮座轴身39CFRP平板检测航空领域典型应用主要检测分层、裂纹、气孔、夹杂、脱粘等内部缺陷。相控阵检测速度快，分辨率高航空领域典型应用40试验条件换能器参数：10MHz-64阵元工件参数：100mm×99mm×5mm检测方式：水浸脉冲反射法检测结果0.5mm*0.5mm的分层缺陷CFRP平板检测案例复合材料加筋壁板类型航空领域典型应用CFRP的R角检测相控阵具有良好的声束可达性41航空领域典型应用42CFRP的R角检测方案—弧形相控阵探头航空领域典型应用CFRP的R角检测方案—线型相控阵探头43核电领域典型应用核反应堆压力容器的焊缝检测自动扫查系统44检测方案探头参数：3MHz128阵元检测方式：线性扫查C扫图（扫查速度25mm/s）核电领域典型应用45石化领域典型应用探头参数：5MHz-32阵元-1.0mm阵元间距检测方式：使用斜楔块直接接触工件脉冲反射法A扫描图D扫描图S扫描图C扫描图焊缝探头管道的焊缝检测46石化领域典型应用螺栓的检测C扫描图D扫描图S扫描图A扫描图47主要内容技术背景基本原理典型应用未来发展48不足之处相控阵超声检测存在的不足1.设备造价过于昂贵相控阵设备的价格是传统超声检测设备的十倍至二十倍。2.检测方案设计周期长为了采用最优的检测方案进行检测，必须花费大量的时间对检测参数进行仿真优化，目前没有标准化的设计方法。49不足之处3.对操作人员要求较高相控阵探伤人员需要熟练掌握超声、机械、计算机以及机械制图知识才能够进行正确的检测。4.检测校准费时、复杂相控阵检测校准过程十分复杂，且周期较长。5.成像与分析耗时较长由于相控阵技术本质上是一种多通道检测技术，因此检测过程中的图像显示及缺陷分析耗时较长，为了能实时地进行图像显示，需要更高性能的计算机。50发展方向发展方向1.加大力度使得相控阵检测标准化，方便检测人员掌握与运用相控阵检测知识；同时加大研究力度在相控阵设备的制造上，在提升检测设备性能基础上降低设备成本。2.采用后处理成像技术，将相控阵探头当做数据采集器使用，分析过程全部由计算机根据采集到的数据自动进行分析处理。51谢谢！