超声相控阵检测技术

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来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。超声波检测是应用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1

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，同时也可根据超声回波的幅度，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，回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。如果缺陷很大，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，根据回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声波波束，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声束，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来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。

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