超声相控阵技术（精选九篇）
超声相控阵技术 篇1
关键词：超声,相控阵,成像技术,抽样相控阵
0 引言
在无损检测领域, 传统的人工超声检测方法正在逐渐被自动超声探伤系统取代。经济实用、功能强大的微电子、电脑器件的高速发展也推动了各国在超声相控阵系统中的投入。超声相控阵检测技术因其独特的优点引起了国际无损检测领域的高度重视[1]。
超声相控阵是指按照一定的规则和时序激发一组探头晶片[2], 通过调整激发晶片的序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等参数的超声波电子扫查技术。通过相控阵可以很方便地对物体内所关心的某一特定区域实现声束扫描, 成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。
在超声相控阵技术中, 可以直接分析得到的反射脉冲数据, 但是由于这种方法是仅仅根据反射波的状态判定被检查材料或部件中的缺陷的, 因此, 要达到定性定量的目的是很困难的[3]。超声成像技术中包括对检测方法的改进, 超声信号的处理以及图像的重建, 从而形成反映部件内部结构的超声图像[4]。所以, 将超声成像技术应用于超声相控阵探伤, 可以使检测结果以图像形式准确完整地体现出来, 可以为后续的利用数字图像技术实现自动判伤打下良好基础, 检测人员还可以自己根据图形特点方便地得出定性定量的结论, 这样将大大减轻探伤人员的负担并改善检测结果的正确性和可靠性。
1 超声相控阵成像技术
1.1 传统相控阵成像技术
传统相控阵技术利用的是脉冲反射的原理, 图1为传统相控阵的A扫成像原理, 具体来说, 可以分成相控阵发射、相控阵接收和数据显示。
如图1 (a) 所示, 相控阵发射时, 分别调整各个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟, 使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成, 形成发射声束聚焦和声束偏转效果。
图1 (b) 中, 相控阵接收时, 假设换能器发射的超声波在θ声束方向上的S处产生回波信号, 按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿, 然后进行信号叠加, 从而得到S位置的信号值As (t) 。
图1 (c) 中, 数据输出时, 如果将θ声束方向上的各位置的信号值Aθ (t) 作为纵坐标, 深度作为横坐标, 就可以画出A扫波形。
在A扫的基础上, 通过电子扫描可以生成传统相控阵的各种二维成像方式, 从而形成 B扫、C扫、S扫等[5]。
图2为常规相控阵技术B扫的成像原理图, 由图1 (a) 可知, B型的扫描依次以按相同聚焦律和延时律触发各组晶片[6], 从而得到扫查面上每条扫描线上的A扫数据Aθi (t) 。图2 (b) 为数据重构的原理, 即将多个A扫数据。图2 (b) 为数据重构的原理, 即将多个A扫数据组合成二维矩阵B, 以直角坐标方式将矩阵的数据进行像素表示, 便可形成整个扫查面的B扫图。
如图3为常规相控阵技术的S扫成像的原理, 与B扫稍微有些不同。S扫依次以按不同的聚焦律和延时律触发各组晶片, 使S型的扫描声束的角度依次等差变化, 从而得到扇形扫查面上每条扫描线上的A扫数据Aθi (t) , 然后将多个A扫数据结合起来可以形成二维矩阵S, 最后以极坐标的方式将矩阵S中的数据重构, 便可形成S扫图像。
图4 (a) 中的C扫是在B型扫描的基础上增加了一个机械轴, 从而获得整个扫查体积的三维数据A (x, y, z) 。图4 (b) 表示在 (x, y) 坐标固定时, z轴方向上的A型数据都只保留最大值, 便可得到C扫二维矩阵:C = Azmax (x, y) , 最后将这二维数据以像素的形式表示, 从而实现C型图像。
1.2 合成孔径聚集成像技术 (SAFT)
合成孔径聚焦技术就是用信号处理的方法使小尺寸 (孔径) 的换能器具有大孔径阵的指向特性的功能, 实现高分辨成像[7]。如图5所示, 采用换能器阵列, 各阵元作为点源发射, 照射整个物体接收来自物体各点的散射声信号, 然后根据像点的空间位置, 对各换能器接收的信号引入适当延迟, 最后只需把探头在各阵元上所得到的信号幅度相加, 就等价于物点被处理成聚焦点, 从而得到物点像素值。
在图6中画出了合成聚焦技术中的各个参数, 在焦点上超声波的束径d与声波波长λ、焦距F及探头尺寸D之间有: d=1.03λF/D, 因此波长λ越小, 频率越高, 探头的孔径越大, 检测的分辨率就越高[8]。
SAFT成像分辨率高, 能在近场工作, 并能实现三维成像。但是, 对每一个孔径点, SAFT需要采集和存储整个回波信号, 即全波采样, 其重建理论也比较复杂。无论对硬件和软件, SAFT成像系统要求都比较高。
1.3 抽样相控阵技术 (SPA)
图7为抽样相控阵技术基本原理[9], 其中7 (a) 中设相控阵中的某一个换能器单元i发出单个声束, 图7 (b) 表示i单元发出声波后, 所返回的超声回波信号要求每一个换能器单元都要进行捕获[10], 得到数据集合{Aij (t) , j=1, 2, …, N }。当所有的单元 (i=1, 2, …, N) 依次完成了发射和全部接收过程, 就可得到一完整的信息矩阵[11]Aij={Aij (t) } (i=1, 2, …, N ;j=1, 2, …, N) 。
因为换能器阵列的各个发射接收分量都可合成一个虚拟的点源, 这为在任何扫描角度下、任意聚焦点上的完整“扇扫”视图的重构提供了可能[12]。SPA方法中单个像素值的计算方法[13]如图8所示, 设发射晶片i和接收晶片j与像素O的距离分别为Li和Lj, 则利用 (Li+Lj) 以及超声波速v求出toij, 进而得到像素O的幅值在超声信号Aij (t) 中的聚焦分量Poij=aAij (toij) , a为信号转换系数。以此类推, 得到Mi={Aij (t) , j=1, 2, …, N }中对应的所有的聚焦分量Aij (toij) , 则像素O的幅值大小可表示为:undefined
从原理上讲, SPA技术允许数据重构技术的开发中, 一个无限的可能就是合成聚焦的应用, 尤其应用于在查询单元扫描时信息矩阵 (Aij) 的扩大, 可达到较大的组孔径并有利于相关检测[14]。对SAFT 算法的综合使用, 使SPA系统可以通过自动聚焦到物理边界 (近场) 内的图像的每个像素。
比起传统超声相控阵成像方法, SPA法有几个显著的优点, 首先, 当出现小的检测数据抽样错误时, 检测图像不会受到影响;其次, SPA技术可以使检测材料的死区 (或近表面区) 有效地减少[15], 如图9所示, 图9 (a) 为传统相控阵方法下检测图像, 可以看到在近表面检测区存在很大的干扰, 难以得出检测结果, 形成了近场死区;图9 (b) 为SPA方法下的检测图像, 可以看到干扰大大减少。最后, 利用SPA还可以显著提高检测速度。
2 结束语
在进行超声检测系统设计时, 一方面可以选择传统相控阵成像技术中的视图扫描方式来达到特定的显示效果, 比如利用B扫或S扫可以分别得到平行于声束的矩形或扇形截面图, 选择C扫可以获得垂直于声束的平面投影图;另一方面可以从成像原理出发采用较好的成像技术, 如可利用SAFT提高成像分辨率, 利用SPA技术可以提高检测速度并减少干扰。通过这两方面的改进, 可以更好地解决超声检测的速度限制、随机误差和判伤不便捷等等问题。
超声相控阵技术 篇2
相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵和共形阵等，但都是从阵列天线发展起来的。阵列天线通常由多个偶极子天线单元组成，偶极子天线具有近似的无方向性天线方向图，天线增益很低，在自由空间内增益只有6dB 左右，为了获得较高的增益，将多个偶极子天线单元按一定的规则排列在一起，形成一个大的阵列天线。
N 个带有移相器的相同单元的线性阵列天线，相邻单元间隔为d。与直线阵相垂直的方向为天线阵的法线方向，称为“基本轴”。设各单元移相器输入端均为等幅同相馈电，且馈电相位为零。各个移相器能够对馈入信号产生0～2π 的相移量，按单元序号的增加其相移量依次为Ф1、Ф2、Ф3、…、ФN-1、ФN。
(1)当目标处于天线阵法线方向时，要求天线波束指向目标，即波束峰值对准目标。由阵列天线的原理可知，只要各单元辐射同相位的电磁波，则波束指向天线阵的法线方向。根据阵列天线这一结论，若对相控阵天线中各个移相器输人端同相馈电，那么，各个移相器必须对馈人射频信号相移相同数值(或均不移相)，才能保证各单元同相辐射电磁波，从而使天线波束指向天线阵的法线方向。换句话说，各个移相器的相移量，应当使相邻单元间的相位差均为零，天线波束峰值才能对准天线阵的法线方向。
(2)在目标位于偏离法线方向一个角度θ0时，若仍要求天线波束指向目标，则波束扫描角(波束指向与法线方向间的夹角)也应为θ0。倘若波束指向与电磁波等相位面垂直，即波束扫描一个θ0角度，则电磁波等相位面也将随之倾斜、见图中M′M 方向，它与线阵的夹角也为θ0。这时，各单元就不应该是同相辐射电磁波，而需要通过各自的移相器，对馈入射频信号的相位进行必要调整。
首先讨论单元1 与单元2 的移相器对馈入射频信号的相移情况。假设单元1 与单元2 的移相器分别对馈入的射频信号相移了Ф1
和Ф2，那么单元1 辐射的电磁波到达
等相位M′点的相位为Ф1，而单元2 辐射的电磁波由于在空间多行程一段距离AB，故到达等相位面时的相位为：
φ2=2π/λ ·d·sinθ0
根据等相位条件，在等相位面上则有：
φ1=φ2=2π/λ ·d·sinθ0
设两单元的相位差为Ф，上式可写成：
φ=φ2-φ1=2πλ ·d·sinθ0
即两单元的相位差Ф，补偿了两单元波程差引起的相位差，使得两单元辐射的电磁波在θ0方向能够同相相加，得到最大值，即波束指向了θ0方向。同样的分析可以得出单元2 与单元3 之间的相位差也为Ф：
φ1=φ3=2π/λ ·d·sinθ0
依此类推，任意两单元的相位差都相同。这就是说，通过移相器的调整，使得各单元辐射电磁波的相位按其序号依次导前一个Ф，分别为Фb、Ф2=Ф1+Ф、Ф3=Ф1+2Ф、…、ФN=Ф1+﹙N-1﹚Ф，使电磁波的等相位面向左倾斜，波束方向偏离天线阵法线方向向左一个θ0角度。
同理，通过移相器的调整，若各单元辐射电磁波的相位按其序号的增加依次滞后一个Ф，分别为Ф1、Ф2=Ф1-Ф、Ф3=Ф1-2Ф、…、ФN=Ф1-﹙N-1﹚Ф，则电磁波的等相位面向右倾斜，波束指向偏离天线阵的法线方向向右一个θ0角。由前面的公式可得出θ0与Ф 的定量关系为：
θ0=arcsin(λφ/2πd)
此式表明，在雷达工作波长与单元之间的间距d 一定的情况下，波束指向角θ0随Ф 而变化。只要控制移相器使各单元间产生相同的相移增量，并且其大小和正负又是可变的，则波束就可以在范围内扫描。
简单来说，控制移相器对馈入射频信号产生的相移，即可改变电磁波等相位面的位置，从而改变天线波束的指向，达到扫描的目的。这就是相控阵天线实现电扫描的基本原理。相控阵雷达技术特征
2.1 天线波束快速扫描能力
天线波束快速扫描能力是相控阵雷达主要技术特点。这一特点来自于阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的快速变化能力。正是由于相控阵天线的波束快速扫描的技术特点使得相控阵火控雷达具有高搜索数据率、高跟踪数据率、多目标搜索与跟踪、实现多种雷达的功能。
2.2 天线波束形状捷变能力
天线波束形状捷变能力是指相控阵天线波束形状的快速变化能力。天线波束形状捷变能力使相控阵天线可快速实现波束赋形和实现空时二维自适应处理(STAP)。空时二维自适应处理(STAP)是相控阵雷达在空域与频域同时实现对杂波干扰进行抑制的方法，用于机载相控阵火控雷达抑制地面杂波。机载雷达在强地物背景中检测目标，采用距离门多普勒滤波方法，对每一个要检测的距离单元，即可能存在目标的距离单元，通过多普勒滤波器组对目标回波进行频谱分析，从速度上分辨目标与杂波，而在不同角度上与不同距离上地物的杂波频谱是不同的，与雷达载机飞行速度及姿态有关，而且地物杂波信号是由与被检测单元同样距离的所有天线主瓣与副瓣照射的地物信号叠加而成，主瓣杂波对目标回波的信号的遮蔽最大。要检测雷达主瓣照射区内某一距离单元内是否存在目标，首先在每一天线单元或子天线级别上，对该单元的接收信号进行频谱分析，即频域滤波，然后对每一个滤波器的输出在进行自适应空域滤波，即实现自适应能力方向图形成，在该滤波器最大值对应的角度上形成接收方向图凹口。就是对回波信号的每一个多普勒频率分量，分别形成各自的天线方向图，方向图的最大值均指向预定要检测或跟踪目标的方向，而这些方向图凹口则分别对准产生该多普勒频率的强地物所在方向。
2.3 空间功率合成能力
空间功率合成能力使相控阵机载火控雷达实现了发射电磁波能量的低峰值功率、高脉冲能量和高平均功率，提高其探测性能。
阵列天线的每一个单元通道或每一个子天线阵上设置一个发射信号功率放大器，依靠移相器的变化，使发射天线波束定向发射，既将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向。
2.4 多波束形成能力
相控阵雷达通过波束转换控制信号可以方便地在一个重复周期内形成多个指向不同的发射波束和接收波束。用同一个孔径可以同时产生多个独立的波束，即将一部分面阵对应产生一个波束，另一部分面阵对应产生另一个波束，各个波束又可以具有不同的辐射功率、波束宽度、目标驻留时间、重复频率和重复照射次数等。各个波束可以实现统一控制和分别控制，用于对目标的一般搜索、重点搜索和跟踪。
2.5 强抗干扰能力
相控阵雷达天线波束的快速扫描、天线波束形状捷变、自适应空间滤波、自适应空时处理能力以及多种信号波形的工作方式，使得相控阵雷达在体制上具有强的抗干扰潜在性能。在相控阵雷达中又采用了单脉冲测角技术、脉冲压缩技术、频率分集技术、频率捷变和自适应旁瓣抑制技术，进一步提高了其抗干扰性能。
相控阵机载火控雷达具有高增益和低副瓣的天线阵列，副瓣电平可达-50~-40dB，由于副瓣电平低，可以使雷达少受相邻频段雷达的互扰，使掩护式干扰机的等效干扰功率增大，给干扰机制造增加困难，提高了雷达的抗干扰能力;主瓣波束很窄、扫描方式迅速灵活，使侦察接收机可接收的脉冲数少而难以实现跟踪，低副瓣技术的采用，又要求侦察接收机灵敏度高，动态范围大，信号测定瞬时迅速，使得侦察工作难以进行;波束调零技术的采用，使其易于对抗针对雷达天线副瓣的干扰。对相控阵机载火控雷达的干扰研究
对相控阵机载雷达的干扰要从雷达原理、电子对抗原理等方面入手，从原理角度分析相控阵机载火控雷达自身固有的弱点，才能找到对应的干扰办法。从原理上讲，机载相控阵火控雷达有如下弱点： 一是对所有的电子信号，只要在雷达设备的通带内的信号，它不分敌我，都能接收;二是不论雷达采用什么样的信号处理方式，只要干信比达到一定值时，它就不能干扰和有用信号的混合体中，提取有用信号;再一方面虽然相控阵雷达天线副瓣低，而且还可以采取副瓣调零等措施，但是它的天线副瓣仍然不可能为零，副瓣电平是客观存在的，副瓣干扰有机可乘。
相控阵机载火控雷达实质也是一部雷达设备，也要遵循雷达的基本工作原理，也具有上述弱点，因此只要是在雷达接收通道通带内的无线电信号，都能进入到雷达，无法回避;其次提高进入接收通道的电信号(包含有用信号和干扰信号)干扰信号能量，只要干信比达到一定值时，雷达就不能从干扰和有用信号的混合体中提取有用信号，直接影响雷达对目标的探测。根据上述分析，可采用以下方法实施电子干扰。
(1)由于天线副瓣的存在，因此通过增大干扰机功率，可进行副瓣干扰;或者直接对雷达实行宽带噪声干扰。强干扰信号进入雷达的接收通道可降低雷达接收信号的的信噪比，直至接收机达到饱和状态，破换雷达接收机的正常工作。
(2)从战术层面采用多机干扰，协同工作。相控阵雷达具有自适应空间滤波能力，能自适应地在干扰方向形成天线方向图零点，因此，单部干扰机无法对其形成有效的干扰。但是从原理角度分析自适应空间滤波需要自适应地计算空间矢量，而计算空间矢量需要空间取样，也要消耗计算时间，即自适应时间。采用两部或两部机载干扰设备协同使用，分时轮流工作，即可破坏雷达自适应空间滤波的精确性和稳定性，从而达到有效干扰的目的。结束语
超声相控阵技术 篇3
【关键词】相控阵检测技术；水利水电工程；安装；检测；应用
引言
随着国家节能减排和实现可持续发展战略的要求，清洁能源得到越来越多的使用。其中水力发电由于技术的成熟得到了广泛的应用，越来越多的水电工程投入使用或者规划设计当中。在这些水电工程当中，金属钢结构的应用比例是最高的，因此金属钢结构的安全使用关乎整个水利水电工程的安全。而焊缝的焊接质量是影响水利水电工程金属结构质量的至关重要的环节，焊接质量的好坏直接影响到金属结构的使用安全和寿命。
1、相控阵检测技术的原理简介
相控阵超声波检测技术的原理是惠更斯提出的，在工作的过程中使用的探头是由多个晶片构成的。在使用的时候需要根据特定的规则与时序就探头里面的一组或者多组晶片作出激活，在晶片被激活以后产生超声波为次波，多个次波之间相互干涉，产生了所需要的新的波阵面传播，进而实现通过超声波进行水电金结质检的应用。在一般的界定范围中，相控阵检测仪器大部分都是由两个部分所构成的，分别是超声波检测部分、相控阵部分。在这个构成里面，普通的超声部分负责发出压电脉冲信号，并对相控阵返回的信号进行显示处理；相控阵部分将压电脉冲信号根据预置规则进行不同的延时施加到要被激活的晶片上，从而产生出不同的波束。
2、焊缝常见技术缺陷分析
焊缝的焊接缺陷最常见的有未焊透、未融合、裂纹、气孔、夹渣等。在常规的水利水电金属结构焊接质量检测中，常用的无损检测方法是超声检测和射线检测。射线检测虽然能够很好的区分各种焊接缺陷，但是由于检测周期长，设备笨重、辐射以及消费耗材等条件的限制除在特殊情况下，使用较少。超声检测由于优异的综合性能得到广泛的应用。但是超声检测虽然可以对各种缺陷的深度位置信息得到很好的定量，但是超声检测在对缺陷定性分析上有较大的弱势。基于综合缺陷定量、定性两方面的考虑，在水利水电工程中应当引入超声成像检测技术来提高检测效率的同时提升检测的质量，不但对焊接缺陷进行定性分析，更可以对缺陷的位置、大小等定量分析。
3、相控阵检测技术的特点与优势
相控阵检测（PA）技术最早始于雷达天线电磁波相控阵技术，后在医疗领域得到应用。从上世纪六十年代初期以后随着计算机技术和电子技术的发展逐步被引入到工业无损检测领域。超声相控阵技术是基于惠更斯原理来进行检测。相控阵探头是由多个晶片组成的阵列，阵列的阵元在电信号的激励下以可控的相位激发出超声波，并使超声波在可控的声域内实现聚焦和偏转，超声波回波转换成电信号再以可控的相位叠加合成，实现缺陷的检测。相控阵探头相比于常规的超声探头可以灵活而有效的控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦点位置等通过电控而能在一定范围内实现动态连续可调。而在可以在探头不动的情况下实现声束快速平移。
相比于其他检测方法，相控阵检测的优势有以下几个方面：
1） 通过软件电子控制波束特征来提高检测能力。通过聚焦法则控制仪器激发不同的超声波束并产生相应的形状并聚焦在不同的深度，使缺陷检出更有针对性，提高缺陷检出能力，可完成复杂结构的全面扫查。
2） 单个相控阵探头实现多角度、多波束检测及电子扫查。在一次扫查过程中，相控阵被选择的晶片交替激发，能够实现高精度、快速、全面的断面扫查，能够保证被检部位完全覆盖、不漏检。
3） 原生数据丰富，便于二次分析，通过对一条焊缝设置多个波束进行扫查和外接编码器的设置可以使波束在焊缝长度方向上每隔固定距离间距进行一次扫查。
在注重相控阵检测优势发挥的同时，需要做好对相控阵局限性的分析和控制，常见的相控阵局限性主要表现为：较容易受到客观因素的影响，例如：弓箭表面的光滑程度、工件焊接缝的完整性、工件轨道安装的标准程度等等，都将会相控阵检测的结果产生一定程度的影响。在不同壁厚检测的时候，面对不同材料和尺寸的焊接缝，需要使用特定的试块来进行校对。同时，相控阵检测仪器复杂的调节过程要求非常专业，否则将会对检测的结果产生较大的影响。
4、相控阵检测技术在水利水电工程金属钢结构中的应用
目前在国内其他像核工业、军工以及特种设备等领域相控阵检测技术已经得到较多的应用，但是到现在为止并未颁布任何相关相控阵检测的标准，相控阵检测仍然参照超声检测的标准执行。通过查阅相关文献以及资料发现在水利水电行业中，相控阵检测技术虽然在某些项目中实施，但是由于缺乏系统的检测标准，并未得到广泛的应用。
将相控阵检测技术应用到水利水电工程金属钢结构焊缝质量检测中，一方面能够使缺陷的性质、位置、大小等各方面的信息得到充分的了解，从而真正的由检测到预测、评估发展，对缺陷的走势、危害性有一个较为全面的评测。另一方面，相控阵检测技术能够大大提高检测效率，并且对于结构形状限制较小，通过声束的聚焦、偏转以及声波反射、折射等可以对异形结构的缺陷得到较好的评估，同时由于相控阵检测技术不需要在垂直焊缝的方向来回移动，较少打磨范围。从为结构防腐、工程进度以及成本等方面考虑，相控阵检测技术不失为水利水电工程金属钢结构焊接质量评价的可行和优势检测方法。
结语
综上所述，在实际生产和安装等操作的过程中，将相控阵检测技术应用到水利水电工程金属钢结构焊缝质量检测中，在充分了解缺陷的性质、位置、大小等信息的基础上，从实现由检测到预测、评估发展，对缺陷的走势、危害性有一个较为全面的评测。为水电金结质检工作质量的提升，提供更多的专业技术支持。
参考文献
[1]牟彦春，金南辉，葛翔.電站锅炉接管座角焊缝超声相控阵检测技术[J].无损检测，2011（01）
[2]李衍.相控阵超声检测系统特性评价的具体要求（一）[J].无损探伤，2011（01）
[3]余道国.电站锅炉管道弯头超声波相控阵检测[J].华电技术，2011（03）
超声相控阵技术 篇4
传统的超声检测采用单晶片探头发散声束, 在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下, 超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。
单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此, 大部分标准都要求采用多个角度的声束扫查来提高检出率。但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现, 为此就需要采用相控阵探头和聚焦声束来满足上述情况的检测要求, 如图1、图2所示。
本文重点介绍超声相控阵技术在焊接接头检测方面的应用及其优势。此法是当今无损检测技术中极富有创造性的超声检测新技术, 可有效地检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积状缺陷。检测结果以图像形式显示, 为缺陷定位、定量、定级及估判定性提供了丰富的信息。
1 超声相控阵
1.1 动作原理
超声相控阵是超声探头晶片的组合, 由多个压电晶片按一定的规律分布排列, 然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片, 所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面, 能有效地控制发射超声束 (波阵面) 的形状和方向, 能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。
通常使用的是一维线形阵列探头, 压电晶片呈直线状排列, 聚焦声场为片状, 能够得到缺陷的二维图像, 在工业中得到广泛的应用。
1.2 阵列类型
阵列顾名思义就是晶片在探头中排列的几何形状。相控阵探头有3种主要阵列类型:线形 (线阵列) 、面形 (二维矩形阵列) 和环形 (圆形阵列) , 如图3所示。目前相控阵探头大多数采用线形阵列, 因为线形阵列编程容易, 费用明显低于其他阵列。
1.3 阵列系统
相控阵换能器系统能控制超声束的转向, 这是实时超声成像中的关键特性。而实时成像中, 能够对快速移动的组织结构成像和评价, 并且该工艺易于实现自动化, 从而消除因操作技术水平的差别引起的判断变化。实现实时成像的3种扫描方法:线形扫描、扇形扫描和在线形扫描的界面上带有扇形扫描的线形扫描。相控阵列除有效地控制发射超声束的形状和方向外, 还实现和完善了复杂的无损检测应用要求的2个条件:动态聚焦和实时扫描。
1.4 电子扫描 (E-扫描)
电子扫描又称线形扫描:就是在一组激活晶片上同时发送同样的聚焦法则和延迟时间, 扫查时角度固定, 以成组的晶片沿着相控阵探头长度方向进行扫描, 如图4所示。
1.5 扇形扫描 (S-扫描)
扇形扫描也称作方位角扫描或者斜角扫描:就是采用相同的晶片和特定聚焦深度的声束, 在一定角度范围内的扫描。可以同时进行聚焦深度不同的扫描, 这类倾斜的扇面可以具有不同的扫描值, 如图5所示。扫描范围的起点和终点角度取决于探头的设计、楔块和波的类型, 扫描范围依然受制于物理学规律。
2 扫查方式
用相控阵探头对焊缝进行检测时, 无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动, 而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查, 对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成, 也采用手动方式完成, 可实现快速检测, 检测效率非常高, 如图6所示。
3 应用实例
不同厂家超声相控阵设备的功能、操作及显示方式等各不相同, 但是检测应用基本相同。本文现以以色列Sonotron NDT公司生产的相控阵设备 (即ISONIC-UPA) 应用为例来分析介绍。ISONIC-UPA设备有其独特的技术特点和优势, 不同于其他厂家的相控阵设备, 体现了超前的理念。
3.1 角度补偿
传统工业相控阵定量方法不具有角度、声程、晶片增益修正技术, 多晶片探头通过楔块入射到工件内部时存在入射点漂移现象和能量分布变化。采用单一入射点校准方式与常规距离-波幅曲线修正, 造成的扇形扫查区域中能量分布不均匀及测量误差等问题未能有效解决, 如图7所示。而ISONIC-UPA相控阵设备具有角度补偿功能, 能有效地解决此类问题。
所谓角度补偿就是针对不同的聚焦法则, 输入扇形扫查所需的角度范围及入射角度的增量后, 晶片可以分别进行角度增益调整, 也就是晶片角度增益修正。
有了角度增益补偿设置功能, 可以取代传统的通过设置DAC曲线的方法来补偿增益变化。在ASME Case2557标准中明确指出进行扇形扫描时要进行角度增益补偿。角度增益补偿曲线如图8所示, 经过角度补偿后得到的等量化数据如图9所示。
3.2 二次波显示
传统相控阵扇形扫查采用单纯的声程显示, 不能显示缺陷的真实位置, 如图10所示。这种成像模式将处在二次波位置上的缺陷转换成一次波位置进行成像显示, 给分辨缺陷的具体位置增加难度, 不能直观给出缺陷真实位置。对于检测角焊缝、T形焊缝、K形焊缝及Y形焊缝无法显示真实成像结果, 使该成像模式的应用受到限制, 仅能用于检测对接接头。
而ISONIC-UPA采用二次波检测成像显示模式, 成像结果与真实几何结构一致, 如图11所示。这种成像模式能直观显示缺陷的位置及被检工件焊缝的真实结构, 这是声程显示成像模式无法比拟的。
3.3 检测应用
3.3.1 动车横梁管对接焊缝检测
3.3.1. 1 检测部位及坡口示意图
(1) 检测部位说明。横梁管一端内壁被机加工, 加工的形状及规格如图12所示, 目的是为了套入侧梁的横梁座中。
侧梁的横梁座端头加工后, 为了插入横梁管, 如图13所示。
从图12和图13看, 受工件结构限制, 检测空间有限, 仅能从横梁管侧单面 (即图14中A面) 进行检测。相控阵探头放在图14中A面上, 且探头前端距焊缝边缘的距离为12 mm。
(2) 坡口示意图。图14是对接后的坡口示意图。该接头既有对接, 又有搭接的型式。焊接方法采用自动焊。
3.3.1. 2 检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝, 一次扫查即可检测整个焊接接头, 而常规手动超声波需要采用不同角度的探头进行多次检测。检测结果发现有超标缺陷。采集的三维视图, 如图15所示。
采用的设备是ISONIC-UPA相控阵设备。探头参数为1个线形相控阵探头, 晶片数为32个, 频率为5 MHz。扇形角度范围为35°~80°。检测标准为EN1714—1998和EN1712—1997。试块为EN1714—1998中DAC曲线试块 (准3 mm的横通孔) 。
3.3.1. 3 裂纹解剖图
对该焊缝返修, 发现是裂纹缺陷, 如图16所示。
3.3.2 动车连接座对接焊缝检测
3.3.2. 1 检测部位及坡口示意图
(1) 检测部位说明。检测动车的连接座, 其形状如图17所示。
从图17看, 检测空间有限, 仅能从横梁管侧进行单面单侧检测。相控阵探头放在横梁管侧A面上, 如图18所示, 且探头前端距焊缝边缘的距离为12 mm。
(2) 坡口示意图。图18是对接后的坡口示意图。该焊缝是双面焊, 采用自动焊方法焊接。
3.3.2. 2 检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝, 一次扫查即可检测整个焊接接头, 而常规手动超声波至少采用2种角度的探头进行多次检测。检测结果为未熔合缺陷, 如图19所示。
采用的设备是以色列ISONIC-UPA相控阵设备。探头参数为1个线形相控阵探头, 晶片数为32个, 频率为5 MHz。扇形角度范围为35°~80°。检测标准为EN1714—1998和EN1712—1997。试块为EN1714—1998中DAC曲线试块。
3.3.2. 3 未熔合的返修图
对该焊缝返修, 发现是未熔合缺陷, 如图20所示。
3.3.3 动车横梁座角焊缝检测
3.3.3. 1 检测部位
图21为横梁座角焊缝的实物图。从该结构看, 检测空间有限, 仅能从单面单侧进行检测。
3.3.3. 2 坡口示意图
图22为横梁座角焊缝的坡口示意图。
3.3.3. 3 检测结果
采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝, 一次扫查即可检测整个焊接接头, 而常规手动超声波需要进行多次扫查, 才能完成整个接头的检测。检测结果为根部未焊透, 如图23所示。
采用的设备是ISONIC-UPA相控阵设备。探头参数为1个线形相控阵探头, 晶片数为32个, 频率为5 MHz。扇形角度范围为35°~80°。检测标准为EN1714—1998和EN1712—1997。试块为EN1714—1998中DAC曲线试块。检测要求根部允许有小于等于1 mm深的未焊透。
4 结语
(1) 超声相控阵技术可任意设定偏向角和聚焦深度的声束, 能使检测条件最佳化。
(2) 检测结果以图像形式显示, 即采用A扫描、B扫描及C扫描等显示方式, 具有能实时评定分析缺陷的优点。
(3) 相控阵技术检测优势显著, 诸如检测速度快、效率高、定量精度高、容易分析缺陷及合理评定缺陷等, 它是一项既有挑战性又极具发展前途和推广价值的新技术。
(4) 对检测人员素质要求比较高, 既要有丰富的实际经验, 又要有熟练的电脑操作能力。对图形的识别要积累经验, 才能准确地评定检测结果。
总之, 相控阵技术的优点主要体现在:探头尺寸小、探头数量少, 电子扫描对缺陷实时显示记录且检测速度快, 检测灵活性更强, 更适用于检测结构复杂的工件。
摘要：分析了超声相控阵技术的特点, 介绍了超声相控阵技术在焊接接头检测中的应用。从应用结果可以看出, 超声相控阵技术能极大地提高检测效率, 降低劳动强度, 节省检测成本。
超声相控阵技术 篇5
关键词：相控阵超声检测,汽包,焊缝,应用,技术标准
1 研究背景及意义
在锅炉汽包的制造及其工艺管道的配管过程中, 为了便于汽水输送及仪表的安装, 会大量出现两个圆柱体正交或斜交相贯的情况, 对相贯线实施焊接所形成的焊缝就是角接接头焊缝。电站锅炉的汽包, 为避免强制对口和方便现场施工, 往往会被设计大量的管座角接接头, 此类角接接头形式多种多样, 受力状况比较复杂。由于管座与筒体的厚度相差很大, 角焊缝在焊接过程冷却速度较快, 容易出现未焊透、未熔合和裂纹等缺陷, 焊接质量难以保证。在锅炉启停和运行过程中, 瞬间的温度变化和运行工况的波动都会造成管座与筒体之间产生较大的温差, 由此产生较大的热应力, 从而导致原有焊接缺陷的扩展和热疲劳裂纹的形成、发展。
基于管座角焊缝的结构特点, 对这些角焊缝焊接质量进行有效的检测是质量控制的重要环节。现行的技术规范、标准对接管座熔化焊角焊缝的无损检测给出了要求, 但常规的超声波探伤无法对这些焊缝检测进行记录。同时, 由于大量开孔的原因和内构件几乎覆盖汽包一半空间以上, 在对汽包对接焊缝进行常规超声波探伤时所需要的锯齿型扫差面往往得不到很好的满足。因此, 寻找一种只沿焊缝扫查 (扫查面积小) , 并提供可纪录的、检测精度高、检测速度快、可重复性强、缺陷检出率高、检测成本低等的检测方法就显得意义重大, 相控阵超声检测恰好满足这一点。
2 超声相控阵基本原理
超声相控阵技术, 探头由若干个小压电元件 (晶片) 组成, 利用电路方法控制各阵元的触发时间来控制声波到达物体内某点的相位关系, 从而实现超声声束的合成和聚焦点的变换, 再通过电子扫描的方式实现缺陷的图像成像。
与常规的超声波检测技术相比, 超声相控阵检测具有以下优势:
(1) 检验速度快。它能够在探头不变的情况下对不同晶片组施加相同的聚焦法则, 通过改变起始激活晶片的位置, 使该声束沿晶片阵列方向前后移动, 以达到类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果;
(2) 直观性强。超声相控阵检测结果具有B, C, S型三向可纪录实时显示方式, 通过不同色差的像素点的集合, 描绘出缺陷的水平位置、自身高度、埋藏深度和自身宽度等信息, 为缺陷的性质判断提供依据;
(3) 分辨率高。能利用成像技术展现给检测人员缺陷的内部情况, 对多个缺陷上下重叠、错略分布的情况均可较清楚的分辨;
(4) 定量精度高。由于相控阵声束为多晶片聚集而成的小截面声束, 同时能够在一定的扇形角度范围内获得逐度变化的多组图像, 能手动或自动调节聚焦的深度, 超声波相控阵能够针对埋藏深度不同能对缺陷进行比较精确的定位、定性、定量。
3 锅炉汽包的相控阵超声检测工艺
仪器采用汕头市超声仪器研究所有限公司产品SUPOR-32PT超声成像检测仪, 本文以壁厚分别为28和48mm、接管座壁厚为12mm的汽包为例, 参考GB/T32563-2016探头选用和探伤灵敏度设置等原则, 探讨常见的锅炉汽包管座角焊缝和筒体对接焊缝相控阵超声检测工艺。
3.1 锅炉汽包接管座角焊缝
3.1.1 汽包侧内或外壁扫查
探头选用5MHz, 32阵元探头, 利用二次波, 扇角为30°~70°。扫查方式如下:
插入式接管角焊缝可采用图1型式在汽包侧内或外壁采用S扫查, 在接管内壁采用E扫查;安放式接管角焊缝可在接管侧采用S扫查, 在筒体侧采用E扫查。管座角焊缝具体检测方法选择应由合同双方商定, 并应考虑主要检测对象和几何条件的限制。
3.1.2 汽包接管侧扫查
参考GB/T32563-2016探头选用原则, 汽包厚度为28mm的探头选用5MHz, 32阵元探头, 汽包厚度48mm的探头选用5MHz, 64阵元探头。采用0°线扫查, 扫查方式如下:
注:接管管径要足够大保证探头耦合效果好。沿着焊缝方向, 0°E扫描和一定倾角纵波检测是最好的检测方式。在允许的情况下, 应增加横波斜入射检测。
3.2 锅炉汽包对接焊缝
3.2.1 汽包侧内或外壁的扫查
探头选用4MHz, 32阵元探头, 利用一、二次波, 扇角为35°~70°。对薄板的对接焊缝应当从焊缝两侧进行检测, 在允许的情况下, 还应在焊缝表面检测。对于薄壁的部分, 如果探头的参数能满足整个检测截面, 单独的探头基准距对于线性扫描也是可行的。对厚板的对接焊缝应当从焊缝两侧进行检测, 在允许的情况下, 还应在焊缝表面检测。对于厚壁的部分的线形扫描, 为了保证检测截面100%扫查, 则需在焊缝双面进行检测, 或采用多个探头基准距和多个聚焦法则。扫查方式如下:
4 接管角焊缝检测工艺验证
采用以上工艺对模拟试块 (图5厚板厚度48mm, 插管厚度12mm) 进行检测, 依据NB/T47013.3-2005进行缺陷评级, 共发现3处缺陷, 对比情况见表一。
5 小结
从验证结果可看出, 与常规超声波检测相比, 相控阵不仅能够直观地显示缺陷的图像, 而且由于其探头的特性, 该技术在对锅炉汽包的管座角焊缝检测时可以不必大范围移动探头, 即使是汽包狭小空间也能对焊缝进行检测。同时利用一次波和二次波进行检测, 减少了劳动强度, 又提高了工作效率, 缺陷长度和深度跟接近模拟缺陷的位置和尺寸, 缺陷定位、定量准确。
参考文献
[1]GB/T 32563-2016无损检测超声检测相控阵超声检测方法
[2]李衍.超声相控阵技术[J].无损探伤, 2007, 08.
超声相控阵平面与曲面反射波仿真 篇6
关键词：超声相控阵,仿真,超声无损检测
0引言
超声相控阵无损检测是近年来超声无损检测领域发展起来的新技术。与传统的超声无损检测技术不同的是, 相控阵无损检测技术是多声束扫描成像技术, 超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列。
本文使用相控阵阵列探头, 利用单个晶片依次激发、所有晶片接收的方法, 研究对平面和弧面反射波组的变化规律, 并通过MATLAB仿真得到了多组单发全收的波形组图, 然后进行真实试验采集波形得到波组, 将仿真波形与真实波形对比, 波形趋势吻合。
1声压及指向性原理
1.1 矩形换能器的辐射声场
从原理上讲, 一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场, 可以按照惠更斯原理进行分析, 即将换能器或阵的有效辐射面看作是无数点源的组合。辐射场中某一点的声压是辐射面上所有点源在该点产生的声压叠加的结果, 因而可以通过对整个辐射面的积分来计算。反过来, 声场中某一点反射到接收换能器或阵上的声压, 也可通过该点在换能器接收面上所有产生声压的积分求得。在线性条件下, 换能器或阵的辐射与接收具有互逆性。
在a×b的矩形阵元表面加一正弦激励, 使阵元上各点均匀振动, 在介质空间某观察点Q (x, y, z) 的声压为:
其中:r为微元dS (x1, y1, 0) 到场点Q (x, y, z) 的距离, undefined;ρ0、c0分别为介质的密度和声速;ua为源表面质点的振动速度;ejωt为时间因子;ω为角速度;λ为波长;k为角波数, k=2π/λ;a为矩形阵元x方向的宽度;b为矩形阵元y方向的宽度。
取a=1 mm, b=22 mm, 做出矩形换能器在中垂面上的平面声场分布, 见图1。图1中, z为辐射方向。
1.2 超声辐射的指向性
换能器和换能器阵的指向性是指其辐射声压幅值随着方位角的变化而变化的一种特性。根据叠加原理, 声源辐射声场内任一点的声压也可以用声源上各点辐射声压在该点叠加来计算。声场内声压分布可以形象地用图2说明。超声场内有主声束和副瓣声束, 超声波能量的主要部分集中在主声束内, 这种声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。
2实验系统的设计和仿真
实验用IIW试块, 即荷兰试块, 在试块凹槽正上方贴上49个紧密排列的晶片阵列, 从右至左编号分别为1～49。晶片尺寸为22 mm×1 mm, 厚度为0.3 mm, 材质为PZT-5, 固有频率为6 MHz。凹槽宽度为2 mm, 坐标为 (0, -85) , 见图3。
仿真原理和过程以1号晶片为例加以说明, 其余2号～49号晶片相同。1号晶片发射声源声压为单位声压, 声压发散角度取主瓣角度, 即指向性角。由于仿真只需了解单个晶片发射所有晶片接收的波形趋势, 旁瓣影响较小, 仿真中忽略。取θ0=35o, 其发射覆盖晶片正下方横坐标-6～54的范围, 将此连续范围点离散化不影响仿真结果的趋势。以1 mm间距取点, 求出各点距1号晶片 (坐标为 (24, 0) ) 的距离r, 代入式 (1) 求出各点声压p。将各个反射点当作新的发射声源, 按照相同的方法求出横坐标-6～54范围内每个反射点到接收晶片1号～49号的反射声压p′, 最后分别求出1号～49号49个接收晶片每个的反射声压之和∑p′。已知发射晶片坐标、反射点坐标、接收晶片坐标和声速, 可根据公式t=d/c0 (d为声程) 求出接收时刻t。
图4为1号晶片发射、1号～49号晶片接收的波形图, 由下往上分别为1号到49号接收波形, 其中, 横坐标为对时间乘以一系数取整, 使之为2 500个点, 并不影响仿真趋势, 其目的是便于与最终真实实验中2 500点对比。从图4中可明显看到4列波趋势, 包括图3中纵坐标-100的平面、-85的台阶平面、-91的平面以及半径为100的弧面波。
图5、图6为同理得到的20号及35号晶片发射、所有晶片接收的仿真波形。
3一维线阵实验系统及数据对比
实验系统包括计算机、TDS2014型数字示波器、TDS2MM扩展模块、传感器阵列及译码选通装置等。采用泛美5077PR脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片, 始脉冲脉宽为240 ns, 电压为20 V。本系统使用美国Tektronix公司的TDS2104型数字存储示波器, 该示波器带宽为100 MHz, 取样速率为1 GS/s, 双通道输入, 记录长度为2 500个点, 采样位数为8 bit, 垂直分辨率为0.4%, 水平精确度为±0.01%。
图7、图8、图9为真实实验采集波形组图。波形变化趋势与仿真中波形变化趋势基本吻合, 证明仿真方法可行。
4结束语
本文使用相控阵阵列探头, 利用单个晶片依次激发所有晶片接收的方法, 研究对平面和弧面反射波组的变化规律, 并通过MATLAB仿真得到了多组单发全收的波形组图, 然后进行真实实验采集波形得到波组, 将仿真波形与真实波形对比, 波形趋势吻合。证明仿真方法可行, 对波组变化趋势的进一步研究, 对检测成像有一定的意义。
参考文献
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[2]杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬.声学基础[M].南京:南京大学出版社, 2001.
[3]刘晨.超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制[J].应用声学, 2000, 19 (6) :14-18.
超声相控阵检测起落架焊缝系统研究 篇7
超声相控阵技术检测精度高, 穿透力强, 适用度广, 便于操作, 可以将检测结果以图象形式进行保存, 在航空设备检测领域有广泛的使用, 并可以针对缺陷类型, 进一步改良起落架制造工艺[2]。
1 传统超声波检测技术
传统的超声波检测系统, 一般由发射电路, 换能器, 回波接收电路, 主控电路, 显示装置共同组成, 其检测原理如图1所示:
目前我们最常用的超声无损检测方法是超声脉冲回波法, 超声波传播到两种不同的介质界面时, 会产生反射和透射现象。与固体介质的声阻抗相比, 空气的声阻抗小得多。因此超声通过固体和空气界面几乎是全反射。当工件完好时, 超声波直接传播到达工件底面, 接收器接收到底面回波信号。而当工件中有缺陷时, 接收器可以接收到一个缺陷回波信号, 可以通过分析缺陷回波信号与底面回波信号, 来判断缺陷的大小、形状、距离[3]。
2 超声相控阵检测
2.1超声相控阵检测技术特点
与传统超声波检测技术相比, 相控阵超声技术有着其无法比拟的优点。相控阵技术采用电子方法控制超声波生束的偏转聚焦, 在不移动或者少移动探头的情况下实现扫描, 而传统超声检测技术只能通过不断变换检测位置达到检测目的;通过声束聚焦的方法, 可以提高声场强度, 提高其可达性, 可对复杂几何结构的工件进行扫描;控制声束焦点强度以及深度, 可以提高信噪比, 灵敏度。
2.2超声相控阵检测原理
多个换能器晶片按照一定的结构排列, 构成阵列, 可以通过调整单个换能器发射信号的相位延迟, 产生声束波阵面偏转和聚焦的效果, 使检测更具有操纵性, 针对性。
以线型阵列探头为例, 通过改变阵元的激励时间, 使其按照一定的延时发射声波, 可实现对生束的控制, 当激励信号的延时呈线性分布时, 可合成新的波阵面, 使声束发生偏转;当激励信号的延时呈一定的曲率分布时, 可控制声束发生聚焦, 以及偏转聚焦。
超声相控阵检测系统就是通过控制触发信号的延迟, 达到控制声束偏转与聚焦的目的, 整套系统控制原理如图6:
相控阵单元发射延迟电路接收到触发单元发射的脉冲后, 根据设定参数, 按不同的延迟对探头换能器发射脉冲, 从而形成超声波偏转或者聚焦。超声波遇到却先后, 会产生回波, 由探头中的阵元进行接收。阵元接收到信号后, 经相控阵接收延迟及累加单元处理, 消除各信号间的时间差并进行累加, 提高信噪比。经接收延迟累加后的信号传送至数据处理单元进行分析处理, 呈现出检测结果。
3 相控阵检测歼击机起落架焊缝系统实验设计
本文采用的相控阵阵列形式, 为16阵元, 单个阵元长度8mm, 宽度0.8mm, 间距0.4mm。
传感器频率5MHz[4]。采用一维线阵列曲面探头, 扇形扫查方式, 扫查范围30°-70°, 分辨力0.4。被测工件为4个直径10cm铸铁材质起落架外套筒。观察信号时, 如果发现信号幅值突然变大, 就说明该处存在缺陷。检测结果如图7所示:
由图7可知, 超声波声束是50°, 增益为20d BA。扇形扫描中, 有三条水平直线, 第一条是工件下表面位置界线, 一次回波检测区域位于第一条直线上方;第二处是上表面分界线, 位于第一条与第二条直线之间;第二处与第三处之间为三次回波检测区域。检测过程中可能存在伪缺陷, 而伪缺陷一般分布在上下表面交界处, 所以 (3) 号试件内部完好, 一般传统超声波检测技术不能检测出工件存在的伪缺陷, 而超声相控阵检测技术可以显示出伪缺陷[5]。
4 结语
针对歼击机起落架检测难, 精度低的弱点, 本文采用超声相控阵技术改良检测手段, 通过实验证明了超声相控阵检测技术的精度高, 操作简易。与传统检测技术相比, 超声相控阵技术有着巨大优势: (1) 能够通过电子技术改变扫查角度, 改变波束聚焦的角度和焦距深度, 完成对大曲率半径工件的全面检测, 配合楔块使用, 可以提高设备适用性; (2) 高精度测量, 检测结果客观可见, 操作简便, 可以降低对操作人员的要求, 便于工业化量产化。
摘要：超声相控阵检测技术近年来被广泛利用在航空工件检测领域。与传统超声检测技术相比, 相控阵技术检测精度更高, 可操纵性更强, 利用相位延迟, 控制声束偏转聚焦, 达到检测目的。本文利用超声相控阵技术对某型歼击机起落架焊缝进行无损检测, 比传统超声检测精度更高, 操作更简易。
关键词：超声波检测,相控阵技术,歼击机起落架
参考文献
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[4]黄晶, 阙沛文, 金建华.线形超声相控阵换能器的阵列设计[J].传感器技术, 2004, 23 (1) :9-11.
超声相控阵探头指向性优化算法研究 篇8
阵列式超声探头又称为超声相控阵探头,是根据压电晶体的逆向压电效应原理,将一系列压电元件按一定规则排成一个阵列,它不仅可增强超声波的辐射强度,更重要的是可结合现代计算机控制技术、嵌入式系统以及FPGA技术等进行相位控制,进而改变指向特性,更好地实现“精确聚焦”［１］。
本文将从一维阵列声场空间的声束指向性公式入手,对超声阵列探头中的声束指向性参数进行研究,为复杂相控阵探头的设计和优化提供相关依据和参考。
1一维线性阵列超声相控阵探头的指向性函数
多个压电晶片按一定模式组成一体,按其阵列结构的不同,超声相控阵探头可分为一维阵列、二维阵列、环形阵列等类型［２］,如图1所示。
一维阵列相比二维阵列、环形阵列和扇形阵列,具有结构简单、成本较低的特点,同时不失典型性［３］,所以本文从一维线性阵列超声相控阵探头的指向性函数入手,分析其声场特性［４］。
本文研究时不考虑阵列位置的影响。假设有N个简谐点声源(阵元),其幅度A、角频率ω 均相同,相位差δ逐次增加。当这N个点声源同时作用于空间中某点时,根据惠更斯原理,各声源将在这点叠加,形成干涉效应,在这点处产生的声压P可表示为:
式(1)右侧是三部分的乘积:第一部分为幅度;第二部分为幅度控制函数,其中是基本幅度控制函数,与各点声源之间的相位差δ有关;第三部分为发生相移的同频率简谐声源[5]。
在超声相控阵探头中,可通过软件编程［６］的方法对各阵元进行“相移”或时间延迟,达到对各阵元的相位进行精确控制的目的,从而改变声束的指向性。但是由于排成一个阵列的一系列声辐射单元在空间某点 “声程”的不同,也会导致各阵元的相位差,所以在超声相控阵探头设计中,必须考虑与指向性有关的阵列参数的影响,并且予以优化,以达到最佳的相位控制效果［７］。
图2为一维阵列声波叠加示意图。阵元沿X轴方向等距排列,各阵元间距为d,共N个,第i个阵元距空间点(x,y,z)的距离为rｉ,各阵元发射的声束和X轴及Z轴的夹角均为α 和θ,为了计算的方便,令α 和θ 相等。
根据惠更斯原理,各阵元辐射的声波压力Pｉ会在空间中某点(x,y,z)处叠加,倘在rｉ≥d的远场条件下,声线可看作一束平行线,此时可认为各阵元的方向矢量相同、发射灵敏度一致,故声波幅度一致,在叠加时可使结果显著简化,并用波长λ表示,即:
其中:P(d,α,θ)为合成声压;Ψ 为空间中某点(x,y, z)处声波的相位。
由式(2)可以知道,合成声压P(d,α,θ)在某一方向(αｍ,θｍ)必然存在最大值,在这个最大值处的波束称为主波束,其声压表示为Pｍ(d,αｍ,θｍ)。
定义指向性函数H(θ):
将声线单位矢量和主波束单位进行矢量合成,可使H(θ)用H１(θ)和H２(θ)表示,即:
在式(4)中,不妨假定αｍ、α 皆为0,则H２(θ)可化简为:
当相控阵指向性函数H２(θ)=1时,此时极角θ 所在的波束有主瓣和栅瓣。当i=0时,θ０所在的波束称为主瓣;当i=1,2,…,N-1时,θｉ所在的波束称为第i个栅瓣,栅瓣是幅值为1的除主瓣外的旁瓣。
栅瓣的出现意味着声波在除了控制角方向上的其他地方也有传播,即声能有泄漏。栅瓣的存在,因其幅值几乎和主瓣相同从而会产生误判,因此必须准确定位栅瓣的位置并尽量消除栅瓣,从而达到声束指向性优化的目的。
2探头的声束指向性参数优化
衡量超声相控阵探头指向性好坏的主要标准为主瓣宽度、有无栅瓣和旁瓣幅度［８］。声束指向性优化主要指减小主瓣宽度、消除栅瓣和使旁瓣幅度最小化。
栅瓣的存在不仅会造成严重的能量泄漏,甚至会造成缺陷位置的误判,使探头分辨能力降低,故栅瓣必须完全除去。因栅瓣是幅值为1的除主瓣外的旁瓣, 故H２(θ)=1,即:
由式(6)可知,πd(sinθｍ-sinθ)/λ=±nπ(n=0,1, 2…,N-1)。
则极角θｎ为:
除n=0时,θ０为主瓣偏转角外,θｎ为第n级栅瓣所在的波束角。为了将其所在波束的栅瓣完全消除, 取H２(θ)的极小值,即 πd(sinθｍ-sinθ)N/λ= ±nπ 时,可得到消除栅瓣的条件:
如果波束在±90°内偏转且不出现栅瓣时,令θ= ±90°,将式(8)化简为:
式(9)即为消除栅瓣的条件。
在阵元中心距d确定的情况下,不产生栅瓣的最大偏转角θｍ为:
结合消除栅瓣的条件,可得d的取值范围:
故阵元间距d在式(11)范围内取值可消除栅瓣。
3结束语
超声相控阵技术 篇9
压缩机叶轮是鼓风机组的重要组成部分,在服役过程中通过高速旋转将机械能转换为气体的内能与动能[1]。叶片是叶轮中的重要组成部分, 叶片在服役中承载着巨大的离心力、弯曲应力、振动应力等 交变载荷,易出现疲 劳裂纹与 冲蚀磨损[2,3]。对于冲蚀磨损这种宏观缺陷,利用目视法就能作出判断;对于叶片的表面裂纹,文献[4]利用荧光渗透检测法对高压涡轮叶片进行检测,能够清晰地显示出缺陷的位置;对于近表面缺陷,文献[5]在对汽轮机叶片工作状况进行分析的基础上,给出对叶片荧光磁粉探伤的检验措施,为叶片的质量检验提供了借鉴。Zenzingera等[6]基于脉冲涡流热成像检测技术,对航空发动机涡轮叶片和榫头上的裂纹进行检测,发现该技术对内部小缺陷具有较高的检测灵敏度。但是无论是渗透检测、磁粉检测还是涡流检测都仅限于检测叶片表面以及近表面缺陷,对其内部缺陷却无法检测。 射线检测虽然能够精确地检测出叶片内部的缺 陷[7,8,9],但检测成本较高,对人体有害。为了控制叶轮的质量,提高经济效益,必须选择正确的检测手段,及时检测出潜在的危险。超声波检测因具有灵敏度高、穿透能力强、分辨率高、检测速度快、 成本低、设备简单和对人体无害等一系列优点而被广泛应用。
1检测原理
1.1传统超声检测
传统的超声检测[10]多采用脉冲反射法。当工件完好时,超声波可以顺利传播到达底面,示波屏中显示端面回 波T和底面回 波B两个信号。 当工件中有缺陷时,示波屏中不但有表示端面回波T和底面回波B的脉冲信号,还有表示缺陷信号的脉冲回波F,如图1所示。根据缺陷回波的波形特点以及位置坐标可以判断缺陷的类型以及缺陷在工件中的位置。
1.2相控阵超声检测
1.2.1相控阵超声检测的原理
相控阵超声检测方法与常规超声检测方法的基本原理相同,均是利用换能器发射脉冲信号与缺陷相互作用,然后接收反射脉冲或者透射脉冲信号对工件进行损伤检测。不同于常规超声检测的是,相控阵超声换能器是由许多个晶片按照一定的几何形状和几何尺寸进行排列,每个晶片具有独立的通道,其信号的激发与接收通过计算机终端控制,通过改变激发晶片的延时率,能够控制每个发射信号的波形、幅度和相位,进而形成声束的偏转与聚焦[11]。
1.2.2相控阵超声检测的特点
(1)传统超声检测通常使用一个换能器产生超声波,其声束是固定的,改变声束必须更换超声换能器。相控阵换能器由许多形状规则的晶片按照一定的序列组成,通过电子系统控制每个阵元激发与接收超声波,实现声束的偏转与聚焦,在不更换超声换能器的情况下可产生不同 形式的声束,能够检测复杂形状的物体,克服了传统超声检测的一些局限性。
(2)传统超声检测时需要移动探头完成对工件的检测,相控阵换能器可以产生不同角度的声束,不移动或少移动探头就可完成工件的检测。
(3)相控阵超声检测能够实现自动扫查,能对工件的内部缺陷成像,具有较高的检测灵敏度以及信噪比。
1.2.3相控阵超声成像
相控阵超声成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟来改变声波到达(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,从而完成相控波束合成, 形成成像扫描线的技术。
相控阵超声成像通常有四种扫描情况。第一种是A扫描,显示的是换能器驻留在工件上某一位置时,沿传播方向的回波振幅分布。第二种是B扫描,显示的是与声束传播方向平行且与试件的测量表面垂直的截面上的回波信息,即显示的是工件的某一纵断面的声像。第三种是C扫描, 显示的是与声束传播方向垂直的样品横断面,就是被检测工件离探头所在表面一定距离的横断面的声学影像。第四种是S扫描,S扫描本质上是B扫描,在其基础上改变声束的传播角度,将不同角度的超声信号以扇形显示出来。
2叶根缺陷检测模拟
2.1检测位置分析
为了确定最佳检测位置,在叶轮的横截面处, 取一个类梯形区域进行分析,类梯形区域的形状如图2所示。根据横波的扫描范围可分为3个区域:A区域为完全扫描区;B区域为扫描盲区;而C区域为叶轮结构上的断层导致的横波无法传播的区域。
针对缺陷的位置,相控阵探头可以放置在轮盘上平面以及叶轮的内腔。利用声线模型分析声波在工件中的传播路径,据此设计了2种检测方案。方案1,如图3a所示,将相控阵探头连接在55°斜楔块上,由于被检工件要求偏转角度较大, 因此采用横波进行检测,声波在A区域能够对叶轮进行扫描,而在B区域和C区域由于 结构复杂,可能存在缺陷的漏检问题。方案2,如图3b所示,将相控阵探头连接厚25mm、曲率半径为68mm的凸形楔块(楔块一面贴合探头平面,另一面贴合叶轮内腔),采用纵波进行检测,声波在工件中传播时可以完全覆盖A、B区域,在C区域也能够对叶片根部进行检测,不存在漏检问题。
2.2楔块设计
探头放置在叶轮的内腔时,为了满足相控阵超声检测,必须设计楔块充当介质使声波入射到叶轮中,楔块厚度的设计原则为
叶轮的材料为FV520B钢,楔块的材料为有机玻璃,因此工件中的声波速度c2=5900m/s,楔块内的声波速度c1=2237m/s,工件内的检测深度h2=65mm。
根据上述参 数可以得 到楔块的 厚度h1= 25mm,实际制作的楔块其长a1=65mm、宽b1= 32mm、厚度h1=25mm、曲率半径p1=68mm。
2.3声波在叶轮中的传播
超声波在工件中的传播肉眼无法观察,为了对声波在工件中的传播有更加清晰的认识,以及对工件中声场分布情况的了解,利用Solidworks对叶轮模型进行简化,将模型导入CIVA软件后, 采用声线模型对声波在工件中的传播进行模拟, 如图4所示。由图4可以看出,声波垂直入射到轮盘以及叶片内部,部分声波与轮盘以及叶片相互作用后能够沿着入射路径返回,由于轮盘以及叶片的几何形状比较复杂,部分声波因反射、折射而造成能量损失。
2.4声束延时率的计算
相控阵探头的声场可以认为是探头中各个阵元在合适的延时率下发射声波的叠加,因此延时率的不同会影响声束的实际形状。
2.4.1偏转声束的延时率
图5所示为带楔块的偏转声束模型,图中,2a为晶片的宽度,d为晶片间隙,r为叶轮内腔半径, θ1为声波入射角,θ2为声波折射角,l1为声波在楔块中的声程,l2为声波在工件内的声程,Δl为相邻两晶片的声程差。声束偏转时,声波在楔块中的声程是相同的,入射到楔块与工件的界面处发生折射,折射后声波发生偏转,声波在固 -固界面与波阵面之间产生声程差。
第n个晶片相对于 第n -1个晶片的 声程差为
第n(n≥2)个晶片相对于第1个晶片的延迟时间为
2.4.2聚焦声束的延时率
单点聚焦声束延时率的特点是:从两侧到中间晶片的延迟时间逐渐增大,且在聚焦焦点两侧对称的晶片其延时相同。
图6为带楔块的聚焦声束。图中,R1n为第n个晶片在楔块中的声程,xn为第n个晶片的横坐标,R2n为其在工件中的声程,总的声程为两者之和。由Snell定理及其相互几何关系可得
因此第n个晶片发射声波到达焦点的传播时间为
记第一个晶片的延迟时间为t1,则第n(n≥ 1)个晶片的延迟时间为
利用CIVA软件对线性扫描、偏转扫描、聚焦扫描声束进行模拟,如图7所示,相控阵探头的频率设置为5MHz,每组16个晶片,分别采用线性扫描、偏转扫描、聚焦扫描的方式进行声束模拟, 其中偏转扫描的偏转角度为20°,聚焦扫描的聚焦深度为20mm。
在图7中可以看出,线性扫描与偏转扫描的声束相对聚焦声束来说比较发散,聚焦扫描声束比较集中,线性扫描声束与偏转扫描声束的区别在于声束角度不一样。三种声束的轴线声压如图8所示。
由图8可以看出,三种扫描方式形成的声束其声压均是先增大,到达一定峰值后开始减小,其中聚焦声束与线性扫描声束在30mm后的声压基本相等,而偏转声束在工件5mm厚度内的声压基本为零。从声压峰值来看,聚焦声束声压最大,偏转声束声压次之,线性扫描声压最小。可见, 线性扫描和聚焦扫描适合各个深度的缺陷检测, 而当缺陷在叶轮中的埋藏深度小于5mm(埋藏在轮盘中)或者缺陷为竖直方向时,不适合采用偏转扫描检测;当缺陷埋藏深度较深且为斜缺陷时, 适合用偏转声束进行检测。
2.5叶根缺陷相控阵超声模拟检测
在叶根处预 置内径D = 0.8 mm,长ld= 10mm的平底孔,如图9所示。部分声波在工件中传播遇到孔状缺陷发生反射,探头接收反射声波形成缺陷信号;另一部分声波在工件中继续传播。
由于预置的平底孔缺陷相较于检测位置来说埋藏较深,因此线性扫描与聚焦声束检测都适用。 利用CIVA软件进行检测模拟,分别设置探头参数与线性扫描声场和聚焦扫描声场模拟时参数保持一致,所得检测结果如图10所示。在图10a、图10b左侧可以清楚地看见缺陷检测模拟信号,比较两种不同扫描方式下缺陷的B显示图可以看出线性扫描时的缺陷信号比较发散,聚焦扫描时的缺陷信号比较集中。图10c为缺陷信号的射频信号图,可以看出聚焦扫描时的缺陷信号比线性扫描时强,因此实际检测中应当采用聚焦扫描进行检测。
3实验验证
利用电火花在叶轮的叶根处距离 内腔壁约20 mm的位置预 置同样的 平底孔。 利用MULTI2000相控阵超 声检测仪, 连接Olympus5L64A2型相控阵探头,当探头与55°斜楔块连接放置在叶轮轮盘端面对叶根缺陷进行检测时,如图11所示,探头很难完全放置在轮盘上。 设置声束偏转角度为60°,其他参数与偏转扫描声场模拟时一致,得到的检测结果如图12所示。探头放置在此位置时声波不能传播到叶根处,无法检出缺陷,此结果说明检测位置方案1不可行。
在不改变设备的情况下,将探头与设计的凸形楔块相连接,采用聚焦扫描进行检测,参数设置与缺陷检测模拟时一致。探头与楔块连接后在叶轮内腔放 置,如图13所示。检测结果 如图14所示。
根据图14中的显示结果,可以初步判断底部信号b为端面反射信号,信号a为缺陷信号。为了更加清楚地判断缺陷信号,取缺陷的A显示图, 如图15所示。
由图15可以看出在声程为0mm时有明显的回波,此处的信号为端面回波T,与图14中底部信号b对应;在声程为19.761mm时有一明显的较强回波信号,与图14中信号a相对应,根据预置缺陷的实际位置,可以判定此回波信号为缺陷信号F。缺陷的实际距离为20mm,与实际判断的位置相对误差仅为0.19%,检测误差较小。结合B显示图以及A显示图可以清晰地判断出缺陷的位置,从而为叶轮的缺陷检测提供了参考。
4总结