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!!!!!!""""技术讲座##########################################################################$$$$超声相控技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’()(*+,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-01((23’*文献标识码-4文章编号-(5+(6))’7%’88+,8)6’)6829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’(世纪初已进入成熟阶段.上世纪*8年代初&相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域.*8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.:8年代初&欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价%;<=,方法&编入超声检测手册和无损检测工程师培训教程.自(*:2年至(::’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-?要用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的裂纹/@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/A 要提高声束扫查可靠性/B 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/C 要缩短在用设备维修检测时间&提高生产效率/D 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/E 要减少在用检测人员射线吸收剂量/F 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/G 要对H 合乎使用I %或称H 工程临界评定I 或H 寿命评价I ,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-?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/@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/A 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/B 探头小巧-对某些检测&可接近性是H 拦路虎I &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.J 超声相控阵原理J 39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832KL M N(2KL M的超声频率.常规超声检测多万方数据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%远小于其长度&$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$’(’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,*$图-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$’(/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$’(0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1$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23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4$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’脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟)5*超声波垂直入射)6*超声波倾斜入射图/相控阵探头声束聚焦原理’(7扫描模式计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种8),*电子扫描)又称9扫描*8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:*;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0电子扫描产生直射声束<1第:期李衍8超声相控阵技术)第一部分8基本概念*万方数据ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ!"#动态深度聚焦!简称$$%#&超声束沿声束轴线’对不同聚焦深度进行扫描(实际上’发射声波时使用单个聚焦脉冲’而接收回波时则对所有编程深度重新聚焦!图)#(注&*"单元+聚焦深度,)--.*/--.0/--+直接接触.无斜楔图1线型阵列探头纵波聚焦延时值与深度扫描原理!*#扇形扫描!又称2扫描’方位扫描或角扫描#&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+而对其它不同焦点深度’可增加扫描范围(扇形扫描区大小可变(3相控阵延时律或聚焦律345无斜楔探头无斜楔探头!即与试件直接接触的探头#由程控产生的纵波’按聚焦律延时结果’对聚焦深度呈一抛物线状(自探头边缘向中心移动’延时值由小而大(焦距倍增’则延时值减半!图)#(阵列单元芯距增大’则单元延时值线性增大!图0#(图6同焦深时延时值相关于单元芯距探头无斜楔而声束偏转成扇形!有方位角#时’在等同单元上的延时取决于激励单元在阵列窗口!主动窗’789:;<=><?9@?<#中的位置’也取决于产生的声束角度!图A #(延时值随声束折射角和激励晶片数而增大(注&纵波’钢中折射角,)B C0/B图D 无斜楔阵列探头延时值与声束角度.单元位置及焦深的关系示例34E 有斜楔探头根据沿特定路径到达时间最短的费马原理!%<?-=9F G >?:H 8:>I <#’装在斜楔上的相控阵探头能给出产生不同声束形状的延时律!图J #(延时值取决于激励单元位置和程控折射角(其他型式的相控阵探头!如矩阵或圆锥形#’可能需要对延时律数值.对声束形貌评价设定高级模式(有机玻璃斜楔*A B ’第一单元高度K ,L)--图M 带斜楔阵列探头延时值与折射角.单元位置的关系示例343延时控频在所有情况下’阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制(最小延时增量决定了探头最高可用频率’后者由下式界定’即&NO 8式中N P 阵列单元数O 8P 中心频率Q 相控阵系统基本组成相控阵仪器的基本扫描系统主要组成见图R (图S 相控阵系统基本组成方块图"无损探伤第*,卷万方数据ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ!相控阵基本扫描与成像!"#$扫描显示和%扫描显示在机械驱动的扫描过程中&数据采集按编码器位置&而数据显示则呈现不同的视图’包括(显示)$显示)%显示和(*显示等+&以供缺陷分析评定,通常&相控阵使用多重-扫描叠加显示’也称$扫描显示+,这些-显示是由相控阵探头各压电小晶片’单元+产生的&与之相应的声束角度)声传播时间和延时值各各不同,与-扫描总数相应的实时信息&是在某一探头位置获得的&显示为扇形扫描图’即%扫描图+&或电子$扫描图,%扫描和电子扫描均能产生整体检测图像&由此可快速获取超声波在所有方位检测到的试件形貌或缺陷相关信息’见图./+,’0+扇形扫描原理’1+%扫描图像’23/4+图#5四横孔的相控阵检测将试件数据标绘在二维’平面+图即所谓6校正的%扫描图7上&能使超声检则结果的分析和评定简单明了,%扫描有以下优点89能在扫描过程中显示图像:;能显示实际深度:<能由二维显示再现体积,!"=组合扫描显示在探头移动过程中&将线扫描)%扫描与多角度扫描组合一起&就能改进成像结果,%扫描显示与其他视图相结合&可构成缺陷成像图或识别图,图..图##角槽)球孔)柱孔和横孔的相控阵%扫描图像表示对四种不同形状的人工缺陷’角槽)球孔)柱孔和横孔+&进行相控阵检测的扫描示图&缺陷形状尺寸与$扫描显示结果&两者关系一目了然,相控阵检测时&阵列探头几乎不用前后来回移动&就能用纵波和横波对试件横截面进行组合扫描&这对方向性缺陷的检测和定量非常有利’见图.>+,按图中布置&只要通过计算机软件按延时律移动阵列6主动窗7&就能使超声波束对方向性缺陷的检测和定量角度达到最佳状态&获取最佳显示,.?纵波>?横波图#=用两种声波组合扇形扫描对方向性缺陷进行检测和定量!"@相控阵图像示例圆柱形)椭圆形或球面状聚焦声束有较高信噪比’即缺陷识别能力强+&且传播声束比扩散声束窄小,图.3表示用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔的(扫描和$扫描图形,实时扫描可结合探头移动&数据则归并成单个视图’见图.A +,其优点是89检测重复性高:;缺陷定位方便:<图像标绘精确:B 缺陷成像直观,图.C 表示对体积状缺陷作多次扇形扫描所输出的6切片7图,每个切片展示不同位置的缺陷断面,此类切片颇似对缺陷作定量表征分析的金相切片,图#@用圆柱形聚焦声束分辨一簇小孔D>第A 期李衍8超声相控阵技术’第一部分8基本概念+万方数据图!"多次扇形扫描信息归并后显示缺陷单个图像图!#分层扫描信息归并后显示缺陷切片图像$小结%!&超声相控阵探头晶片%单元&的激励%振幅和延迟&均由计算机控制’声束角度(焦距(焦点等参数可通过预置软件进行调整)%*&改变阵列组合单元的延时值’可改变声束聚焦深度’改变声束角度’也能改变波型’由此可对方向性缺陷获得最佳检测和定量结果)%+&计算机控制的扫描模式有电子扫描%线扫描&(动态聚焦扫描和扇形扫描三种’应根据检测对象特点和检测目的适当选用)%"&无斜楔相控阵探头作直探伤时’聚焦深度呈抛物线型’阵列单元激励延时值相关于焦距和阵列单元芯距,焦距倍增’延时量减半-单元芯距增大’延时量线性增大)%#&无斜楔相控阵探头作斜探伤时’发射扇形声束’阵列单元激励延时值取决于所需声束折射角’也取决于阵列单元在相控阵探头.主动窗/中的位置,折射角大’激励单元数多’则延时量大)%$&有斜楔相控阵探头’具有给出不同声束形状的延迟律’延时值取决于阵列单元位置和程控折射角)%0&相控阵超声检测可通过四种形式显示结果,1显示%横断面&’2显示%水平面&’3显示%扇面&和24显示%切片&’但无论何种显示形式均由5扫描信息转换过来)%6&由3扫描或7扫描可获得整体检测图像’可利用二维坐标对缺陷进行定位定量-也可借此还原再生体积图像)%8&将线扫描(3扫描和多向扫描组合一起’或将纵波和横波组合一起进行组合扫描’颇利于有方向性缺陷的检测和定量)%!9&超声4:;<检测中’试件近表面和近底面的死区’可借助于相控阵探头声束变换的灵活性’得以扫除)参考文献,=!>5?@A B C D E3F C B @G HI F AJ F E K @L G A M C G B N @4@L G B E O P J F E QK @L G A M C G B N @4@L G B E O R D E K S F F T P *E K @K B G B F E P U V G A D L F E QB C 4@L G B E O’0,*6"Q *80P =*>3W B @L X ’Y @S Z D A K G 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全自动相控阵超声检测技术及在环焊缝检测中的应用江苏徐州东方工程检测公司曹健摘要：全自动相控阵超声检测系统是在断裂力学(ECA)的基础上，采用区域划分法,将焊缝分成垂直方向上的若干个区，再由电子系统控制相控阵探头对其进行分区扫查。
检测结果以双门带状图的形式显示，在辅以TOFD(衍射时差法)和Ｂ扫描功能，对焊缝进行分析、判断。
全自动相控阵超声仪在国外已被广泛应用于管道环焊缝的检测。
主题词：全自动超声波区域划分法相控阵带状显示 TOFD全自动超声波在国外已被大量应用于长输管线的环焊缝检测,且越来越成为一种趋势。
与传统手动超声检测和射线检测相比，其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染、降低作业强度等方面有着明显的优越。
加拿大R/D Tech公司生产的Pipe WIZARD相控阵超声检测系统是专用于长输管线环焊缝的检测设备。
该系统由数据采集单元、脉冲发生单元、电机驱动单元、相控阵探头、工业计算机、显示器等组成。
系统在Windows NT界面下运行Pipe WIZARD操作软件，完成对焊缝的线性扫查、实时显示、结果评判。
对其基本原理，笔者根据自己在实际工作中的体会和经验在此作一简单介绍。
本文使用的焊缝参数如下。
坡口形式CRC；壁厚Ｔ＝16.4mm；焊接方法：全自动焊接。
一、基本原理1．区域划分法采用全自动超声检测的关键是“区域划分法”。
根据壁厚、坡口形式、填充次数将焊缝分成几个垂直的区。
每个分区的高度一般为1－3mm，每个区都由一组独立的晶片进行扫查（这种分区的扫查被称为Ａ扫）。
检测主声束的角度按照主要缺陷的方向来设定（在自动焊中主要是未熔合，即将波束尽量垂直于熔合线）。
Ａ扫采用聚焦声束进行扫查，焦点尺寸一般为2mm或更小。
它们可以有效的检测各自的区域，而且临近区域反射体上的重叠最小。
每个分区以焊缝中心线为界，分为上游、下游两个通道，其检测结果在带状图上以相对应的通道显示出。
图1.1为CRC 坡口、壁厚为14.6mm焊缝的区域划分图。
相控阵超声检测方法相控阵超声检测方法是一种高精度、高效率的无损检测技术，广泛应用于工业、医疗、航空航天等领域。
相比传统的超声检测方法，相控阵超声检测方法具有更高的分辨率和更强的穿透力，能够检测到更小的缺陷和更深的内部结构。
相控阵超声检测方法的原理是利用超声波在被检测物体内部的传播和反射特性，通过多个发射和接收元件的组合，实现对被检测物体内部结构的成像和缺陷的检测。
相控阵超声检测系统由发射器、接收器、信号处理器和显示器等组成，其中发射器和接收器是关键部件。
发射器是用来产生超声波的装置，通常采用压电陶瓷等材料制成。
发射器的数量和排列方式决定了相控阵超声检测系统的成像能力和分辨率。
接收器是用来接收反射回来的超声波信号的装置，也采用压电陶瓷等材料制成。
接收器的数量和排列方式与发射器相同，可以实现对被检测物体内部结构的成像和缺陷的检测。
信号处理器是用来对接收到的超声波信号进行处理和分析的装置，包括滤波、放大、数字化等处理。
信号处理器的性能决定了相控阵超声检测系统的灵敏度和精度。
显示器是用来显示被检测物体内部结构和缺陷的图像的装置，通常采用液晶显示器等技术。
相控阵超声检测方法具有许多优点，如高分辨率、高灵敏度、高可靠性、无损检测等。
它可以应用于各种材料的检测，如金属、塑料、陶瓷、复合材料等。
在工业领域，相控阵超声检测方法被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、石油化工等行业的质量控制和安全检测。
在医疗领域，相控阵超声检测方法被用于诊断和治疗各种疾病，如心脏病、肝脏病、肺部疾病等。
相控阵超声检测方法是一种高精度、高效率的无损检测技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展和进步，相控阵超声检测方法将会越来越成熟和完善，为人类的生产和生活带来更多的便利和安全。
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米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。
超声波检测是应月j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，同时也可根据超声同波的幅度，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，同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。
如果缺陷很人，可能会有就只有缺陷回波的情况。
相控阵超声检测仪操作规程一、引言相控阵超声检测仪是一种先进的无损检测设备，广泛应用于工业领域。
本文将介绍相控阵超声检测仪的操作规程，以帮助操作人员正确、安全地使用该设备。
二、设备准备1. 确认设备完好无损，检查设备外观是否有损坏。
2. 检查设备电源线是否连接稳固。
3. 检查设备的电源是否正常工作。
4. 准备好相应的超声探头，确保探头与设备连接良好。
三、操作步骤1. 启动设备a. 按下电源按钮，等待设备启动。
b. 检查设备显示屏，确保设备已成功启动。
2. 设置参数a. 使用设备上的菜单键或旋钮，进入参数设置界面。
b. 根据实际需要，设置相应的参数，如频率、增益、脉冲宽度等。
c. 确认参数设置无误后，保存设置并退出参数设置界面。
3. 连接探头a. 将探头插入设备上的探头接口，确保插头与接口完全贴合。
b. 固定探头，确保其不会松动或脱落。
4. 校准设备a. 按照设备操作手册的要求，进行设备校准。
b. 根据需要，进行探头校准和基准校准等操作，确保设备能够准确地进行超声检测。
5. 进行检测a. 将探头放置在待检测物体表面，确保与物体接触良好。
b. 按下开始检测按钮，设备将开始进行超声检测。
c. 观察设备显示屏上的检测结果，根据需要进行数据记录或图像保存。
6. 结束操作a. 检测完成后，按下停止按钮，设备将停止检测。
b. 关闭设备电源，断开电源线连接。
四、安全注意事项1. 操作人员应穿戴符合要求的个人防护装备，如手套、护目镜等。
2. 避免将设备放置在高温、潮湿或易燃物品附近。
3. 禁止在设备运行时随意拔插电源线或探头。
4. 如果设备发生异常情况或故障，应立即停止使用，并联系维修人员进行检修。
5. 禁止将设备用于非法或未授权的用途。
五、操作技巧1. 根据待检测物体的特点和检测要求，选择合适的探头和参数设置。
2. 确保探头与待检测物体表面保持良好的接触，避免空气或涂层的干扰。
3. 在进行超声检测时，保持设备稳定，避免晃动或碰撞。
ｐ义，，，０晶片缺陷图１单晶探头检测缺陷和相控阵探头动态声束方向示意图图２声束形成和时Ｉ司延迟为了在被检区域达到好的于涉或叠加效果，相控阵多个探头孔径的每个独立的晶片都需要根据聚焦法则采用计算机进行控制。
而聚焦法则只是一个简单的组合，包含了激发的晶片、振幅和时间延迟等。
每个晶片的时间延迟根据检测配置、偏转角度、楔块和探头类型，必须顾及到所有的重要因素。
采用相控阵技术的超声波探伤设备，通过对虚拟焦点按照聚焦法则计算出每个晶片到虚拟焦点的时间间隔，调节每个晶片的触发延迟时问，使得发射的超声波同时到达虚拟焦点。
若在虚拟焦点位置无缺陷，超声波将继续向前传播，如图３所示；若在虚拟焦点位置有真实缺陷存在，由于此时从各个晶片激发的超声波在此叠加，其能量最强，会形成较大的反射回波，该反射回波到达每个晶片的时间又略有不同。
将按照预先设置的聚焦法则将每个晶片接收的模拟信号经模拟延迟后进行叠加，合成回波信号，采用如此方式完成了一次扫查，整个过程为一个声束的扫查。
通过改变虚拟焦点的位置，可以实现更多方位的检查。
从而达到更广区域的检查，此为相控阵技术图３７．５ＭＨｚ，１２晶片线阵探头在玻璃试块中波的叠加和干涉的特点。
利用上述聚焦方式，通常有三种主要的计算机控制声束扫查方案，分别为扇形扫查、电子线性扫查和动态深度聚焦ＤＤＦ。
扇形扫查又可分为纵波扫查和横波扫查，类似于常用的直探头和斜探头检查。
纵波扫查按照超声波探伤原理，一般采用一３０。
～３０。
之间扇形扫查来获得扇扫图像；横波扫查与斜探头一样，可采用楔块利用折射原理产生横波，由于临界角的关系，一般常使用３０。
～７０。
形成扇扫图像；其原理如图４所示。
图４纵波和横波声束聚焦原理相控阵探头可以被制作成很多路，比如１６，３２，６４，１２８以及２５６个晶片。
采用电子切换方式，使晶片部分工作，如８或１６个晶片形成一个声束，切换不同晶片工作形成不同声束的为电子扫查方式。
图５所示为最为常见的线性扫查。
