圆钢相控阵超声波检测系统简介及调试体会

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圆钢相控阵超声波检测系统简介及调试体会
摘要：超声相控阵技术已有近20 多年的发展历史。

初期主要应用于医疗领域，最初系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测特别是在核工业及航空工业等领域。

近几年超声相控阵技术以其快速、灵活可进行复杂检测，阵列尺寸小，用电子扫查代替机械扫查，由于其采用浮动探头检测系统，既减少了磨损，又增加了系统的可靠性，增强了方向难以辨别的缺陷可检测性。

因此，相控阵超声波技术被广泛应用与钢材检测。

本文主要介绍加拿大Olympus NDT公司相控阵超声波探伤设备功能及考核验收简介。

关键词：相控阵、探头、聚焦
相控阵技术是近几年发展的一项新的技术，最开始引进我国是在90年代后期，西气东输的管道检测上使用较多，随着钢铁行业的不断发展，先后在国内如大钢、石钢等钢厂分别引进。

该技术用水耦合，信噪比高、稳定性好，对于棒材表面内部中心等都能有效检测到。

目前钢材市场竞争异常激烈，对产品质量保证近乎苛刻，老的探伤方法和探伤设备已无法满足和适应产品技术条件的要求，相控阵技术的发展已经广泛应用于棒材超声波检测，可实现全棒体多功能超声波探伤。

加拿大RD、Olympus NDT、德国KK等公司已有生产；它可以实现在探头不用旋转，用分时触发的工作状态完成一段弧形成圆周检测。

全部工作都在计算机上完成，检测圆棒时，使用的是垂直于棒材轴线的曲面相控阵探头；棒材穿过含有UT 检测头的水槽。

相控阵探头固定在检测头中的卡座内。

探头包围在棒材的整个周向上。

如需检测棒材全部体积，根据不同的棒材直径和配置，需使用 4 至12 个相控阵或16 至24 个纵波探头，以及32 至48 个横波单晶探头。

用全部这些探头配合水槽中线性移动的棒材，便可检测棒材全部体积（100% 体积检测）。

目前用于棒材检测的有北满特钢、大连特钢、石钢等特钢厂。

1 检测及其各项性能指标
1.1 检测原理
1.1.1相控阵超声波技术的原理
超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。

换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列每个晶片称为一个单元按一定规则和时序用电子系统控制激发各个单元使阵列中各
单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。

同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成再将合成结果以适当形式显示。

1.1.2 相控阵超声波技术的特点
相控阵超声波技术主要包括以下几个特点：
超声相控阵检测技术具有以下的特点：
（1）生成可控的声束角度和聚焦深度，实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检测；
（2）通过局部晶片单元组合实现声场控制，可实现高速电子扫描;配置机械夹具，可对试件进行高速、全方位和多角度检测；
（3）采用同样的脉冲电压驱动每个阵列单元，聚焦区域的实际声场强度远大于常规的超声波检测技术，从而对于相同声衰减特性的材料可以使用较高的检测频率。

1.1.3 相控阵技术的优点
相控阵技术的优点可以概括为：
（1）检测灵活性高、速度快，现场检测时只需对棒体进行一次简单的线性扫查而无需圆周检测即可完成全棒体的检测；
（2）检测结果直观、重复性好，可实时显示；
（3）可检测复杂形面或难以接近的部位；
（4）缺陷定位准确，检测灵敏度高；
（5）作业强度小，无辐射无污物。

1.1.4 相控阵超声波与常规超声波的对比
（1）检测速度
采用全自动超声波检测直径为200mm，棒体长为8m的棒材时，整体检测完大约需要3min，速度快，受人为因素影响小，可以监测耦合状态，使缺陷的定位和定量的准确性可以得到保障；
（2）准确性相控阵技术通过软件控制每个/组晶片的激发时间，产生不同角度、不同聚焦深度的超声声速，从而可以检测工件内部不同走向、不同深度的各类缺陷，可以实现过程控制；可以测量垂直方向上的缺陷；对检测人员无辐射危害，对缺陷定位准确，检测结果直观，可实时显示。

1.2 技术参数
1.2.1 相控阵探头的概念
相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单独调节，以控制声束轴线和焦点等参数的晶片列阵。

检测圆棒时，使用的是垂直于棒材轴线的曲面相控阵探头，如图1所示。

图1 相控阵探头及探头在棒材
周围的分布情况
根据不同的棒材直径和配置，需使用 4 至12 个相控阵或16 至24 个纵波探头，以及32 至48 个横波单晶探头，以实现对棒体的全部检测。

技术参数决定了系统的生产能力。

其中聚焦法则、重复频率、采集速率和轴向脉冲密度（APD）是4个重要的参数。

（1）聚焦法则相控阵超声技术的主要特性是对多晶片探头中的各个独立晶片实行由计算机操控的脉冲激励（聚焦法则）。

对压电复合材料晶片实行的脉冲激励可以产生一条聚焦的超声声束，使用软件可以更改这条声束的参数，如：角度、焦距、焦点尺寸等。

在产品设置过程中，除了须确定每个聚焦法则之间代表孔径步距的晶片数量，还要确定创建每个聚焦法则所用的晶片数量。

一般来说，每个聚焦法则所用的晶片数量越多，其灵敏度就越大，聚焦能力越强，且检测区域越宽。

孔径步距是指两个相邻的聚焦法则之间的距离。

孔径步距的晶片数量越少，创建的聚焦法则就会越多。

如图2是说明探头孔径与孔径步距的一个示例，其中一个聚焦法则使用16 个晶片，孔径步距包含8 个晶片。

孔径步距
（8 个晶片）
聚焦法则（16 个晶片）
图 2 聚焦法则和孔径步距
（2）重复频率
重复频率表示QuickView 可在一秒钟内使用一个通道进行采集的次数（图3），也被称作脉冲重复频率，单位为赫兹。

由于QuickView 使用一个通道在一秒钟中内采集的次数总会有个限度，因此存在一个最大重复频率值（图4）。

图 3 重复频率参数
—主脉冲第一个底面回波
第二个底面回波
界面回波—
（µs）
时间，单位为µs
（3）采集速率
采集速率代表QuickView 可在一秒钟之内用所有采集板通道进行的采集的次数，其单位为赫兹。

采集速率还可定义为重复频率除以被触发的采集板通道数量后得到的值。

如果采集
板上有两个通道被触发，则采集速率为重复
频率除以2得到的数值。

最大采集速率值取决于最大重复频率。

如果最大重复频率值为1000 Hz，而且有采集板上两个通道被触发，则采集速率为500 Hz。

（4）轴向脉冲密度（APD）
轴向脉冲密度（APD）是超声波在检测的轴向方向上的分辨率。

轴向脉冲密度的计算取决于缺陷长度和检测缺陷所需的重复性。

轴向脉冲密度确保缺陷检测具有极好的重复性。

轴向脉冲密度越小，重复性就越佳；但是，检测速度也会相应地降慢。

2 设备检测能力简介
包钢特钢分公司引进的用于棒材全长全体积的检测系统使用超声波相控阵技术。

有近表面、棒体内部的全棒体超声检测系统的技术。

全棒体相控阵超声检测系统的电子仪器配置基于电子产品QSLT32/256 相控阵超声仪器。

2.1 检测形式
对棒体的检测采用横通孔+平底孔，以满足对棒体内缺陷的检测能力。

相同的曲面相控阵探头（每个探头上 1 x32 晶片为一个聚焦法则）用于纵波和/或横波（顺时针和逆时针）检测模式：内部缺陷、表面缺陷。

6 个128els, 5 MHz 曲面相控阵探头用于覆盖60 mm~ 120 mm 的棒材。

8 个128els, 5 MHz 曲面相控阵探头用于覆盖120 mm~ 180 mm 的棒材。

12 个128els, 3.5 MHz 曲面相控阵探头用于覆盖180 mm~ 254 mm 的棒材。

探伤软件中的自动校准功能能够自动归一化所有虚拟探头的灵敏度。

浮动头和对中装置（定心辊）与钢棒随动（奥林巴斯提供解决方案精髓所在）以及水浸箱和浮动头保证了最好的藕合条件。

2.2 检测能力
表1 检测范围
参数数值
最小棒材尺寸Φ50mm 最大棒材尺寸Φ254mm 可检最短棒材长度3m
表2 检测能力
模式重复性
检测平底孔缺陷 6 dB(+/-3dB)
横通孔缺陷5dB(+/-2.5 dB) 信号噪声比率大于12dB
2.3 样棒
表3 样棒参数
表4 尺寸允许偏差
2.4 验收考核
验收使用系统检测的两个极限Φ50mm 和Φ254mm以及一个中间规格Φ160mm完成，验收依据表3测试样棒的孔径尺寸进行。

重复性以及信噪比评价是在校准到80%波幅后进行测试的，每一种规格都连续进行了10次。

按YB/T4083—2000规定完成考核验收各项指标均符合标准要求通过验收。

3 结论
通过对全棒体相控阵超声波探伤设备的技术调试和应用，在这个过程中有了以下收获：（1）为了获得较好的信噪比，在正常探伤的前提下，要经常清洗曲面探头以及水槽，并保持水循环充足。

（2）为了更好满足水的耦合性，减少探头周围的气泡，必须保持循环水的清晰，所以要定期更换过滤水袋。

（3）要尽可能的保证所探测棒体的垂直度，减少因棒体弯曲而导致的浮动头的移动，延长设备使用寿命。

（4）及时更换水闸的密封装置，以保证水槽中的水充足，避免因水不足导致的探头暴露空气中而烧毁。

（5）根据设备所探测规格范围，在实际探伤和调试设备过程中，在制作样棒时，应提高伤孔的精确度并严格进行计量检定。

（6）正确选择好各项技术参数，对保证在线探伤设备的综合性能指标有着重要的意义。

在随着市场对钢材产品内部质量要求越来越高，棒材相控阵超声波自动探伤设备的使用会越来越多，也会推动相控阵技术的进步和发展，研制出更调试更方便、操作更简单、设备综合性能指标更高、更可靠的相控阵自动探伤设备。

不妥之处敬请各位专家批评指正。

参考文献
[1]YB/T4083—2000欧宁检测：相控阵中文教材
[2]GB/T4162—2008锻轧钢棒超声检测方法。