超声相控阵技术第一部分基本概念_李衍

技术讲座

超声相控阵技术

第一部分　基本概念

李　衍

(江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡　214187)

摘　要:超声相控阵技术是当今工业无损检测极富挑战力的一项新技术。本篇概述有关超声相控阵的基本原理和相控阵时间延迟的基本概念。

关键词:超声波;相控阵;时间延迟

中图分类号:TG115.28　文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2007)04-24-05

1　引言

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。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　超声相控阵原理

2.1　概述

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0.5M Hz ～15M Hz 的超声频率。常规超声检测多

第31卷第4期2007年8月 无损探伤N D T

V ol.31N o.4

Aug us t.2007

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　特点

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)

。

图1　常规单晶探头(左)和阵列多晶探头(右)对多向裂纹的检测比较*

*常规单晶探头声束扩散且单向,而相控阵探头声束聚焦且

可转向。多向裂纹可被相控阵探头检出。

2.3　发射和接收

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　延时和聚焦

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。

图2　脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟

(a)超声波垂直入射(b )超声波倾斜入射

图3　相控阵探头声束聚焦原理

2.5　扫描模式

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。

图4　电子扫描产生直射声束

25第4期 李　衍:超声相控阵技术(第一部分:基本概念)