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1 1.0 相控阵由来 相控阵超声检测技术培训资料 相控阵超声波检测起源于医学超声 单探头多晶片的概念由来已久, 早在 1959 年,Tom Brown 在 Kelvin 和 Hughes 申请了一项环形动态聚焦探头的专利, 但这个专利并不是基于相控阵技术 直到 20 世纪 60 年代后期, 超声脉冲相位时序电路才公开发表 1968 年 1 月 C Somer 在 Ultrasonics 的杂志上发表了一篇有关超声医学诊断中的电子扇形扫查的文章 据推测, 由于应用于潜艇作战上, 所以相控阵原理应该是更早的被认知了 但作为军用技术对外保密 大约在同一时期, 英国伯明翰大学的 DG Tucker 也发表了类似的研究成果 相控阵系统的原始模型是每激发一个脉冲都需要使用所有的晶片 通过对处于发射和接收模式下的晶片之间采用不同的时间延迟, 可以控制波束的偏转方向 随着电子学的深入研究, 时基电路在不断改进 1976 Thurstone 和 von Ramm 在杜克大学公布了一种更高级的电子控制阵列 这个阵列产生了十种不同的接收聚焦法则 在接收模式下将先前开发的波束偏转与动态聚焦进行了合成 这是一次重大的设计创新 在设计考虑被更好的理解之前, 早期版本的医用相控阵探头总是受到伪信号的影响 这些信号产生于部分偏离轴线的波束与波束附近无法被检测的偏离轴线特征的相互作用 这些是由于在主声束旁特定的偏离轴线的角度上产生的 栅瓣 造成的 栅瓣是相控阵换能器所独有的, 它是由阵列晶片规则的周期性间距造成的 当这些栅瓣的能量被偏离轴线的结构反射并被传感器检测到时, 就会产生伪信号, 它们被称为是 幻影图像, 会干扰对主图像的评估 产生栅瓣的原因是系统无法获得对偏转波束的有效干涉 当确保每个单独的晶片被削减到半波长宽度时, 这个问题就解决了 较小晶元宽度, 确保每个晶片所产生的波瓣发散角大于 90 度 除了消除 幻影图像 外, 通过在一个更广的角度范围内保持主播束的能量, 保证其相对于背景能量有更好的指向性, 消除栅瓣同样可以提高信号的信噪比 早期的医疗系统的接收部分受到电子噪声的干扰, 这种噪声与多路复用器或交换网络延迟有关 当系统延迟改变则噪声增加 为了避免这种电气延迟交换的噪声, 需要昂贵的低噪音延迟线和多路复用器 另一个出现的延迟考虑是实现有效的动态聚焦 这需要每一个通道上的延迟分辨率只能占超声波信号周期的一小部分 为了实现这个需要包含数以百计连接头的延迟线, 这使得制造既复杂又昂贵 因此, 在 过去的日子, 具有高带宽 大量通道 ( 为匹配大量晶片 ) 的模拟系统的制造令人望而却步 直到 20 世纪 70 年代后期电子技术的进步, 问题才得以解决 1979 年,Samuel Maslak 在惠普 (HP), 申请了不需改变延迟抽头的一个动态延迟方法的专利 他通过外差法 ( 使用拍频 ) 将每个通道的射频信号转换为中频, 这样相位控制电路就

2 可以执行精细的延迟变化, 而粗糙的延迟线则可进行长的固定时间的延迟 通过这种方式, 成像系统创建了多路接收焦距, 而无需再用昂贵的超低噪音延迟线了 计算速度和数据流量的快速增长使得相控阵技术有了重大改进 今天, 软件程序可以进行探头优化设计, 波束预测计算, 精确的波束位置计算, 超高分辨率成像, 以及用脉冲多普勒法进行流体流动速度评估 医学超声在研发上仍然领先, 但 NDT 不再像过去几十年那样远远落后于它了 医学的发展做出了一些有益的进步, 包括多普勒和高对比度分辨率成像 NDT 尚未大量应用医学超声评估的多普勒特征, 但高时间分辨率和对比度已被应用 NDT 系统拥有像医疗系统中的超强影像能力还是有很多的限制 这是因为医用超声的检测对象的声速只有 NDT 检测对象的大约四分之一, 应用更短的波长, 这对检测分辨率有直接的影响 ( 更何况在医用超声检测中只存在压缩波模式 ) 例如, 相控阵高分辨率成像图的事例如 1-1 所示, 显示了一个应用相控阵系统 3D 渲染的胎儿面部的 3D 图像 图片来源 : 东芝医疗 在 2000 年年底, 西门子公司开发了其三维成像系统 下面是英国每日电讯报的报道 婴儿出生前的照片图 1-2 创新 : 一种新型超声扫描仪能够为还未出生的婴儿生成 3D 影像 超声波扫描可以得到孩子在子宫中的清晰的照片, 让家长看到他们未出生孩子的样子, 这也有利于医生更早的发现异常 由西门子公司制造的三维扫描仪, 采用

3 了常规超声换能器生成图像, 这个图像是从一个二维图像通过软件执行一秒钟 1000 亿次计算得来的 伦敦大奥蒙德街儿童医院,Rose de Bruyn 博士表示 : 现在, 随时可在病人的床边使用这些成像技术, 就可以看到令人难以置信的未出生胎儿的细节图像

4 2.0 相控阵原理 超声波的基础是波动力学, 有许多与波相关的现象 波会出现反射, 折射, 衍射 偏振和干涉现象 波的反射 : 波沿第一介质传播到与第二介质交界处, 从交界处反弹, 返回到第一介质中继续传播的过程叫波的反射 此过程类似于光的镜面反射 波的折射 : 当波从一种介质传播到另一种介质, 在边界发生了 ' 偏转 ' 或折射 波改变了传播方向, 波长也有微小的改变 波的衍射 : 当波遇到障碍物产生变形时发生, 例如当波在传播过程中通过缝隙会发生衍射 它是波能绕过障碍物继续传播的能力 衍射现象可以在一个障碍物的边缘发生 波的极化 : 当横波的振动只局限于一个平面时发生 波的干涉 : 当相似的两列或多列波相遇时产生 波的干涉有两种类型, 相长干涉和相消干涉 相长干涉 : 当同相位的波叠加时产生 同相位是指这些波的波峰和波谷一致 合成波的振幅等于生成它的各个波的振幅的总和 相消干涉 : 当不同相位的波叠加时产生 如果一列波的波峰和另一列波的波谷叠加时, 将会产生完全的相消干涉 通常, 合成波的振幅由各个波的振幅相减来获取 相干波源 : 具有相同频率以及相同相位的两个波源称为相干波源 波的干涉原理是超声相控阵技术的核心原理 波可以叠加在一起, 或相长或相消 两列波叠加的结果取决于叠加点处的波幅 相位 下面举例说明两列波是如何干涉的 图 2-1 显示了 2 列波幅相同, 波长 ( 频率 ) 不同的波相遇的情况 在画面 1 中单独的脉冲波形用黑线显示 在画面 2 中浅彩色线的是原始波脉冲 ( 从左向右移动的波脉冲为橙色和由右至左移动的波脉冲为蓝色 ) 而他们通过彼此时, 两波相加的结果产生的脉冲形状用黑线显示 画面 2 显示的两个波都在同一点均为正波峰的情形 在画面 3, 我们看到有一个位置, 这两个脉冲的正, 负峰一起出现 在此处将正波幅和负波幅相加, 振幅为零 因为在此处振幅数值的大小相等, 但符号相反 画面 显示了随着时间变化两个脉冲波叠加的过程, 直到在画面 7, 两列脉冲波已完全通过彼此而返回原始波形 波幅的改变贯穿了两波相遇的全过程

5 图 2-1 波的干涉 - 不同波长 然而相控阵探头发出的脉冲波长都得是相同的 而且, 由于对压电材料晶片施加成比例的电压, 相邻晶片产生的脉冲的振幅都一样大 因此, 从一个晶片到下一个晶片唯一可能的变化是脉冲波在哪个点相遇 ( 即相位延迟 ) 在某一点, 脉冲波的波峰, 与其相邻脉冲波的波峰相遇, 就形成相长干扰, 如果一个脉冲波峰遇到了相邻脉冲波的波谷, 则相反运动的粒子的位移会相互抵消, 相当于没有脉冲波发生 这些概念如图 2-2 当 相位相同 时, 波幅相加, 频率不变 当相位相差 180 时, 波幅相互抵消, 无粒子发生位移 ( 画面 4 上平线显示了这个现象 ) 图 2-2 波的干涉 - 相同波长

6 相消干涉 两个同频率 同波幅 相位相反的脉冲相遇的情况 相长干涉 两个同频率 同波幅 同相位的脉冲相遇的情况 ( 注意两个脉冲重合位置的幅度增加一倍 ) 超声波相控阵技术是对传统的单晶片超声检测的特殊应用 严格来说, 它的思想来源于 惠更斯理论 惠更斯原理 的定义为 : 行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源, 因此, 如果知道了任意时刻一个波阵面的位置, 就可以绘出下一时刻波阵面的位置 (christian Huygens ) 波阵面是由很多晶片激发的小波阵面 ( 次级波 ) 叠加而成, 这是相控阵超声检测的基础 但事实上仍需考虑主波的波阵面, 以便使用其他超声处理手段, 比如 : 仍像在单晶片超声系统中考虑近场区计算 焦点计算和发散性那样进行计算 对于传统超声 ( 单晶片 ) 检测, 常使用 压缩波模式 的换能器, 这些被极化的换能器晶片在施加一定电压后, 会产生伸展 最为典型的是将电压脉冲通过连接导线加载到晶片的任意一侧 脉冲电压持续时间短, 当电压达到最大值时会使晶片伸展, 当电压消失时 ( 电压回到零值 ), 晶片恢复原位 整个晶片平面的扩张与回位造成周围介质的偏移, 如此以来一个平面的波阵面便被触发, 如图 2-3 所示 图 2-3 单压电晶片工作原理

7 对于相控阵探头, 对具有相同伸展形变的压电材料施加相同的电压 但是探头面不是由一个单一的晶片, 而是由多个小晶片组成 所有晶片由相同类型的连接导线连接, 并且所用晶片安装到同一背衬之上 当所有晶片被相同电压激发, 所有晶片以一致的形变伸展, 其效果等同于激励同一尺寸的单一晶片 图 2-4 示意了多晶片结构的相控阵探头, 多个晶片在同一时刻由施加电压进行激发, 由于晶片的尺寸小, 每一个独立的晶片发射出超声波, 形成自己曲面型的波阵面 但当所有晶片在同一时间被激发, 其效果是形成了一个大的波阵面, 这个波阵面的尺寸和特性与和该相控阵探头多个晶片合并形成的尺寸相同的单晶片探头所发出的波阵面相同 图 2-4 多晶片与多小波的相控阵这一等效概念的实际效果可以以光弹可视化的方法验证 图 2-5 一系列曝光显示了同时激发相邻晶片所成波阵面的效果 图 2-5 小波相长干涉的光弹法验证从左到右显示的晶片数依次增加, 数量分别为 5,10,20,25 每一成像为从玻璃表面 15mm 深处获得 ( 探头直接放置在玻璃之上 ), 从图象上可以看到在探头和压缩波阵面之间的剪切衍射弧发出弱一些的子波 图 2-6 示意了传统单晶探头的背衬和电气连接方式

8 图 2-6 传统单晶探头的内部结构图 2-7 左侧图形中示意了线性相控阵探头单个晶片结构设计图 相控阵探头沿长度方向切割成多个晶片, 从本质上来讲, 同单晶片探头一样, 无非相控阵探头晶片的电气连接同晶片数一样多 在探头制作前, 将一矩形晶片封装在背衬之上, 用切割机将压电材料切断, 晶片间的间隙用衰减材料填充以减弱串扰的影响 晶片的间隙和晶片宽度依据晶片频率 ( 压电材料厚度 ) 来计算并优化性能 多触点连接器与压电晶片导体融合, 提供晶片外表面的电气接口 在大多数应用中晶片宽度约为半个波长, 垂直于扫查平面的晶片长度典型值为 10~15mm, 并且基于具体频率, 物理焦距为 5~10mm 对于如此小的晶片上安装电极是非常困难的, 所以晶片触点多制作成类似印制线路板形式并被安装到易形变的背衬之上 用事先制作好的触点沿晶片边缘排列安装 ( 如图 2-7 右侧所示 ), 匹配的多针连接器正好与晶片一侧的突出触点连接

9 图 2-7 相控阵探头组成 在简单的压缩模式下, 所有晶片在同一时刻被激发, 由如此多晶片构成的探头面的伸缩形变同单一整体晶片相同, 所以这种情况的应用可视为单一晶片 当需要更高的检测精度时, 需要使用更多的晶片数 如今, 微型制作工艺在医疗领域发展得非常专业 3.0 声束形成 3.1 传感器阵列排布 在一个壳体中安排多个压电晶片的模式被称为阵列, 它们通常是线形, 矩阵形或环形 图 3-1 阵列的种类,10 晶片线性阵列 4x4 矩形阵列 4 晶片环形阵列 当电子设备被安排以某种顺序简单的激励单个或多组晶片时, 阵列被称之为是有序的 有序的线性阵列可以一次激发一个晶片产生脉冲, 而使用其他晶片接收或利用单个晶片实现脉冲回波模式 当小晶片需要高分辨率但是又没有足够的运动空间或者表面不容易耦合时采用该阵列, 该阵列允许探头不发生相对运动

10 在 20 世纪 70 年代末 McElroy 和 Briers 制作了同心环探头 每个环由圆柱形部件组成以减少串扰 使用标准的设备, 通过多路复用技术相继激发环形晶片, 对应于每个环的参数获得一系列聚焦点 环形阵列的多个焦点不能提高超过固定单位的分辨率, 但可以使声束在被检材料的不同深度聚焦 阵列中的晶片通常小而平 波阵面脱离于单个的晶片, 所以从某种程度上说在发射和接收时波阵面是各个方向都有的 如果几个晶片被同时激发, 从每个晶片发出的多束球面波相互干涉, 形成了新的波阵面, 其效果与多晶片阵列有同样尺寸的一个单个平面晶片激发的效果类似 相控阵可以使用与有序阵列相同类型的多晶片配置 然而, 每个晶片的脉冲激励时间可变 如果我们对连续的晶片逐个延迟激发一段时间, 这个时间要小于发出的信号脉冲的半个周期, 干扰产生的波阵面会形成一个可以通过电子控制入射角度的入射波束 图 3-2 展示了线性阵列中对每个晶片延迟激发的效果 图 3-2 应用延时激发, 形成波束偏转 同样的原理, 延迟激发阵列内部的晶片可以形成聚焦, 如图 3-3, 这要求非线性延迟

11 图 3-3, 这要求非线性延迟 生成的波阵面 用激励发出的时间引起相位干涉来实现波束的偏转和聚焦的阵列称为相控阵 相控阵可以通过动态改变晶片的延迟时间完成以下两点 : 1 波束偏转 2 动态聚焦使用精确的时间控制和相位干涉效果, 我们可以不断改变入射角和最大分辨率的区域 也可以将波束偏转控制和聚焦相结合 见图 3-4 图 3-4 相控阵偏转和聚焦组合

12 上文所述的阵列包括线性, 矩阵或环形阵列 还有一个特殊的阵列称为扇形环阵 它可以进行球形聚焦和带角度的波束控制 ( 这种探头也被称为 Rho-θ 探头 ) 见图 3-5 图 3-5 插图中每个编号部分代表一个单独的阵列晶片 ( 图 3-5 共标示出了 61 个晶片 ) 线性阵列是最常见的类型, 只可以在一个平面上进行扫描控制 线性阵列通常所需的晶片数量最少, 从而成本也最低 矩阵阵列可以在两个维度上进行扫描, 并提供更多的灵活性, 虽然要以价格为代价 圆形或环形阵列比一般的波束检查更精细, 如钢坯, 锻件 Rho-θ 的阵列提供了的球形聚焦波束的最高分辨率, 但复杂性和尺寸, 使其制作繁琐且昂贵 本文主要部分将使用最常见形式的相控阵探头 ( 线性阵列 ) 来描述相控阵技术的各个方面 在讲解如何使用相控阵系统的细节之前, 先回顾一下有关超声波束的一些基本知识是很有益的 3.2 超声波 如前所述, 相控阵探头产生的声场, 与单个晶片产生的声场具有相同的量化处理效果 图 3-6 显示了一个 7.5MHzФ12mm 的平面探头, 从探头面开始, 沿波束轴线上的振幅分布图 由软件计算出 传输 压力, 在进行 脉冲回波 波束分析时, 使用 - 3dB 法来代替传统的 - 6dB 法计算传输模式 光束传输到水 (V =1500m/s) 和轴

13 向图显示了光束从 0mm-540mm(3 倍近场中 ) 的情况 应该注意 3dB 计算方法已被激活, 应用这个方法计算声压变化量, 也就是反射波分贝的平方 径向图是在近场 (179.9 毫米 ) 处绘制的, 直径为 3.2mm 图 3-6 波束峰值和边界条件的计算在常规超声波探伤中发挥重要作用, 而且它们对于规划相控阵波束特别重要 确定大部分常用参数的方程可以在大多数基础超声波检测指南中找到 因为无损检测的相控阵系统具有在一定程度上改变波束的这些参数的优点, 本文下一部分将讨论与超声波束有关的主要计算科目, 它们包括 : (1) 近场区

14 (2) 波束直径 (3) 聚焦区 (4) 波束扩散和半扩散角由于聚焦, 声波速度和增益 ( 灵敏度 ) 的改变等, 应予以考虑 近场区声轴线上最后一个声压极大值点至声源的距离称为近场长度, 以 N 或 Y0 表示, 也是换能器自然聚焦的位置 远场是距离大于 N 的范围, 在远场, 声压逐渐下降到零 近场距离公式是一个与探头频率 探头尺寸 / 阵列尺寸 和材料声速有关的公式, 如公式 1 所示 : 2 2 D f D 公式 1: N = 或 N = 4v 4λ 其中 :N= 近场长度 D = 探头直径 ( 主动孔径 )f = 频率 v= 材料声速 = 波长大多数超声波无损检测工作在近场附近完成 近场区范围内向前或向后的范围也很重要, 工作区域 也被定义为的最大声压下降到一半 (- 6dB 的脉冲回波 ) 的距离 如图 3-6 所示聚焦区域的开始和结束及探头直径, 其工作区域由 119mm 扩展到 362mm 波束直径波束直径影响着检测灵敏度 波束直径越小, 被某个特定位置的缺陷反射的能量越多 - 6dB 的脉冲回波在焦点处的波束直径可以用公式 2 或公式 2a 计算 对于平面传感器, 我们使用公式 2a 计算, 取 SF =1 1.02Fv 公式 2: DB 6 db = 公式 2a: DB 6dB = DSF fd 其中 :DB-6dB= 波束直径 (-6dB 处 ) F = 焦距 v = 材料声速 f = 频率 D = 探头直径 SF = 归一化焦距 ( 见公式 6) 聚焦区域对于聚焦探头, 聚焦区域的起止点为, 位于轴线上的脉冲回波信号的幅度下降至焦点位置的振幅的 - 6dB 处 在 节描述近场区时定义了 工作区域 公式 3 给出了聚焦区的长度 : 公式 3: 2 2 Fz = ( N)( SF ) SF 其中 :FZ = 焦距 N = 近场长度 SF = 归一化焦距 ( 见公式 6)

15 图 波束扩散和半扩散角所有超声波都发散 换句话说, 所有的传感器都会有波束扩散 图 3-7 给出了一个平面传感器的声束扩散 在近场, 波束呈现复杂的缩减的形状 而在远场, 波束则是发散的 对于平面圆型传感器 ( 与图 3-7 计算时使用的传感器一样 ),- 6dB 的脉冲回波波束扩散角的公式为公式 4: 公式 4: 0.514v Sin( θ ) = 2 fd 其中 θ/2= - 6dB 处的半扩散角 是在以波幅下降 - 6dB 为度量时的一个常数 ( 若变为 - 20dB, 这个常数为 0.87) V = 材料声速 f = 频率 D= 晶片直径从这个等式可以看出, 通过选择具有较高频率或一个较大的直径的传感器或两者兼有, 可以减小波的扩散 聚焦方式 传统的单晶片传感器可以以三种不同的方式聚焦 : 不聚焦 ( 平面聚焦 ), 球面聚焦 ( 点聚焦 ), 柱面聚焦 ( 线聚焦 )

16 对于 传统 的单晶片探头, 聚焦主要是通过增加一个透镜或改变晶片曲率来实现的 根据定义, 一个传感器的焦距是从探头面, 到声场的最大振幅点的距离 对于非聚焦探头, 这个距离约等于近场长度 因为最后一个信号能量最大值发生在等于近场长度的位置, 所以按照定义, 一个探头是不能在大于近场长度的位置聚焦的 使用聚焦换能器时, 需要考虑聚焦类型 ( 球面聚焦或柱面聚焦 ), 焦距, 和焦距的目标 ( 球面点 或 平坦的表面 ) 基于这些信息, 可以计算透镜或传感器的曲率半径, 曲率半径根据上述参数的变化而改变 在测试中, 测得的焦距应由指定的目标决定 特定频率和晶片直径组合的换能器和指定的目标的焦距是有限制的 最大的实际焦距是 0.8 倍的近场长度 探头焦距大于这个最大值, 但又小于近场长度的被称弱聚焦 换句话说, 作为聚焦探头, 它的效果可能还没有一个普通探头好 除了最大焦距的限制, 还有最小焦距的限制 相控阵探头的最小焦距通常为 10% (0.1) 倍的自然近场长度 这些限制来源于换能器的机械限制 声速的变化导致焦距的变化一个传感器测得的焦距取决于它正在测量的材料 这是由于不同材料有不同的声速 一个传统的传感器的焦距, 通常是指它在水中的焦距 由于大多数材料中的声速比水大, 焦距变短 这种效果是由折射引起的 (Snell 定律 ), 如图 3-8 所示 图 3-8 由于材料变化造成的聚焦深度变化 这种焦距的变化, 可以由公式 (5) 求得 例如, 给定一个特定的焦距和材料的路径, 这个等式可以用于确定适当的在水中的声程, 以此来修正其在测试材料中的聚焦效果 公式 5:

17 v W F M v m p = d w 其中 :Wp = 水中的路径 Md = 材料厚度 F = 水中的聚焦深度 vm = 材料声速 vw = 水中的声速 此外, 试件表面的曲率影响聚焦 根据入射表面是凹或凸, 声束可能会比在平坦的表面更迅速地收敛或可能发散, 甚至不聚焦 聚焦增益 水浸式聚焦探头使用带有曲率的声学透镜, 以有效地改变近场区 最终, 可以在很大程度上在焦点增加灵敏度 图 3-9 显示了由于聚焦, 一个小的缺陷的信号幅度相对增加, 其中 SF 是归一化焦距, 由公式 6 给出 图 3-9 通过聚焦增加灵敏度注 : 一个小缺陷的回波幅度不会超过一个平面的回波幅度 公式 6:SF =F/N 其中 :SF = 归一化焦距 F= 焦距 N = 近场长度

18 例如, 图表可用于确定一个 2.25MHz Φ25 直径传感器聚焦在 100 毫米处, 其声轴上的脉冲回波灵敏度增加 这个传感器的近场长度为 234mm 和归一化焦距是 (100/234)= 0.42 从图中可以看出, 这会使灵敏度增加约 21dB 圆柱形聚焦探头的聚焦增益 (db) 可估计为球形聚焦增益的 3 /4 3.3 相控阵的波束特征前述的信息是希望读者 温故知新, 所以简单描述了基础的超声波的声场方程 上面的概念在相控阵声场计算中是等效的 例如一个 5 MHz 的线性阵列相控阵探头由 60 晶元组成, 每个 10mm 宽, 晶元中心距为 1mm, 晶元间距为 0.1mm 10 个相邻的晶元被同时激发, 在钢中形成 0 度角的入射波 ( 即直接平面接触 ), 这个聚焦法将会形成什么样的近场区域呢? I.N. Ermolov 博士表示, 一个长方形的探头可以使用与一个圆盘传感器同样的方程去计算近场区域, 但要求长度与宽度的比例不超过 2:1 因此, 我们可以利用线性尺寸去估算 采用此方法计算 10mm x 10mm 5MHz 的探头与钢接触 (Vel.=5900 米 / S) 是有效的 我们可以使用公式 1: 2 2 D f D 公式 1 N = 或公式 1a N = 4v 4λ ( ( )) N = = / mm 如果希望聚焦在 50mm,21.2mm 就太近了 这时我们可以使用 20 个晶元, 把近场区扩大到 84.8mm 焦点直径约 5.4mm( 按公式 2) 然后我们就可以使用对焦延时将焦点调到 50mm 的地方, 此时在钢中的焦点直径为 2.7mm( 按公式 6) 我们进行单个探头和相控阵探头之间的比较是有限制范围的,Ermolov 指出, 矩形探头近场区域的近似估计, 要求矩形的长宽比不超过 2:1 近场区距离的近似公式为 : 公式 1 N =D 2 f/4v 这个方程是来自我们更熟悉的公式 1b: 2 2 D λ N = 4λ 公式 1 是假设晶元的尺寸比声脉冲的波长长的多, 因此 λ 2 被忽略了 但是, 当单个晶元为 1mm 时, 就非常接近波长了, 而且偏离轴线的影响也不容忽视 由每个晶片产生的独立波前形成的波阵面基本上是圆形的, 如图 3-2,3-3 和 3-4 所示 正是由于它们的圆形形状, 当我们移动波阵面方向使其偏离晶片正前方时, 其声压幅度近似一致 事实上, 可以用一个单一晶片估计近场区 将相控阵探头的参数值带入公式 1b( 例如, 频率为 7.5MHZ 尺寸为 1mm 的晶元辐射到声速为 5900m/ s 钢中 ) 近场区小于脉冲波长 ( 在这个例子中, 波长是 0.79mm, 近场区为 0.12mm, 而不是公式 1a 得出的 0.32mm)

19 当沿着与正向呈 90 的方向移动时, 一些倾斜因素会减少波阵面的声压, 所以在某些相干点并没有很大的波幅 通过使用更多的晶元, 能够在声轴上集中声束的能量 晶片越大能量也越集中 ( 在相同的频率下 ) 这限制了相控阵的偏转角度 单个晶元的偏轴波幅与由单个晶元组成的阵列的偏轴波幅下降比率相同 因此, 要实现大角度转向, 小的单个元素是必要的 一般建议, 为特定应用设计相控阵探头时, 设计师必须确定其波束可以偏转的最大角度 然后确定单个晶元的宽度, 以保证在这个角度, 晶元的声束波幅减少不超过 6 分贝 对于操作者来说这些细节是很有用的, 计算的细节则对探头制造商很有用 通常情况下, 制造商会提供一个建议的偏转范围 若操作员未能按照制造商的意见, 偏转到更高的角度, 就有可能造成异常的干扰模式, 从而存在分辨率质量低 干扰信号强等风险 请参阅 费马定理对于超声波操作者, 相控阵的重要特征是能将波束偏转到所需的位置 这使用了费马原理, 如图 3-10 所示 图 年费马得出的光线传播的原理现在被用于相控阵技术的声传播中 它主要阐述了声线在两点之间传播时, 相比于相邻的路径, 会选取传播时间最少的一种

20 相控阵超声检测中, 操作者首先要确定聚焦深度 聚焦点 检测角度 楔块材料 激发晶片的数目 操作者必须明白阵列和楔块的具体参数 ( 如有必要 ) 根据预期的焦点位置, 可以依据满足 snell 定律的主波束定位出需要激发的阵列 然后即可计算出每个晶片用于聚焦焦点的声线路径 ( 如图 3-10 所示 ) 计算每个晶片被激发的延迟时间, 以确保到焦点的时间是最小的 ( 对耦合和测试材料进行声速补偿 ) 当想改变一组发射序列时, 由操作员进行这样的计算是不实际的 因此, 可以使用计算机算法来进行 通过一些软件计算所需的延迟很容易实现, 如图 3-11 所示的形式 图 3-11 相控阵延时聚焦计算界面 计算器生成一个 聚焦法则 的文件, 它为发射和接收功能定义了被激发的晶元, 时间延迟, 电压 这通常是一个 ASCII 文件, 并可以根据需要进行编辑, 电子邮件发送等 然后, 该文件通常被转换成计算机程序, 用来控制发射接收硬件, 以此来驱动相控阵探头 控制计算机通常被称为 数据采集单元 计算器也是一个程序, 驻留在数据采集单元 计算器允许控制脉冲发生器和接收器, 输入参数, 配置的初始聚焦法则可以通过数字 图形显示出来, 如图 3-12 所示

21 图 3-12 计算机屏幕上显示的发射器和接收器设置 一个非常简单的用于相控阵仪器设置的电子组件框图如图 3-13 所示 图 3-13 相控阵仪器电子元件设置的简单示意图 聚焦法则可十分复杂, 可以几个组合在一起使用完成电子扫描 ( 例如没有探头的物理运动而是声束的运动 ) 电子扫描选项有线性扫描 扇形扫描和深度聚焦, 如在图 3-14 所示

22 图 3-14 线性扫描, 即阵列重复使用相同的聚焦法则 扇形扫描, 即采用了相同的晶元, 但聚焦法则改变 动态聚焦深度 (DDF), 发射器和接收器的聚焦法则可以改变, 以优化在特定深度的压力和响应 这些扫描方式与自动扫查器结合, 就可以通过在指定的路径上移动相控阵探头对被测件的整个体积进行检测 3.5 相控阵波束聚焦和偏转因为我们已经了解了单晶片探头的声束的特点和相关方程, 本节进行一下回顾 波束聚焦 F 聚焦系数 : K = N F= 焦距 N= 近场长度 声束在偏转平面上焦距处的直径 (dst) F dst = λ A A 是激活孔径,F 是聚焦长度,λ 是波长 ( 在此处,A 等同于单晶片探头的直径 D) 声束偏转相控阵探头波束偏转的重点包括 : 阵列探头波束折射角度的调整能力

23 允许使用一个探头进行多角度检查 适用于不对称的 ( 如线性 ) 聚焦法则 当使用一维 ( 线性 ) 阵列时, 只有一个转向平面 使用一个探头, 可以产生 L 纵波 ( 压缩波 ) 和 SV 波 ( 剪切波 ) 偏转能力与阵列的单个晶元的宽度相关 偏转范围可以使用带角度楔块进行调整 最大偏转角度如下 ( 在 6 db 时 ): λ θ st = 0.5 e λ 为波长, e 是单个晶元宽度 最大偏转角度受以下因素的限制 : 1 晶元间距 2 频率 3 晶元宽度 4 楔块角度 5 激活晶片的数量 6 聚焦范围对于波束偏转, 从数学原理上,1/2λ 长度的晶元间距是一个限制因素, 实际上, 在 1/2λ 角度到达前, 其他变量也会引起噪音 特别是在内部 ; 在楔形内部的反射波和表面波的产生, 会阻碍大角度偏转角的形成 所以, 我们建议的最大转向角应限制到标称波束角度的 ±15 度角度之内, 且在工艺确定之前, 探头应通过一个设定的范围为可接受的噪音水平测试 电子 ( 线性 ) 扫描 图 3-15 电子扫描具有无需任何机械运动而使声束沿阵列轴移动的能力 ( 见图 3-15) 声束运动是激活晶片在时间上的复用 ( 即用相邻的晶片作为下次聚焦法则的初始晶片, 重复上次的聚焦法则 )

24 扫描范围是有限的 : 数组中的元素数量数据采集系统的 通道 数量 扇形扫查 将与聚焦法则有关的因素 ( 除了用于改变角度的延迟外 ) 固定, 以便声束能够满足一定角度范围的覆盖, 这种扫描模式被称为一个扇形或 S 扫描 ( 有时也被称为方位角扫描 ) 扇形扫描的效果如图 3-16 所示 这种模式可以被认为是类似于医用 B 扫描使用的旋转式探头, 留下一个小角度的窗口以便探头发送和接收 图 3-16 图像中的试块上设计了一系列深度递增的横孔, 当声束从左至右扫描, 可以看到图像 我们把缩小比例的幻灯片叠放在图 3-16 中的侧面钻孔的试块旁, 来说明这个问题 可以看到, 映射到试块上的图像的底部水平扫描 ( 红色 ) 信号与试块底部表面的不匹配 这仅是一个投影变形, 我们只是用它来说明扇扫这个问题, 而不是用来进行测量 合成波束处理相控阵技术允许多种技术的组合 : 聚焦 + 波束偏转线性扫查 + 波束偏转 探头性能和选择

25 选择相控阵探头时需要考虑的因素, 与选择一个单探头需要考虑的因素相同 需要检测的材料种类, 其几何形状 ( 形状和厚度 ), 被检材料的可能出现缺陷的位置和方向, 是主要的考虑因素 例如 : 对于粗晶材料选择较低频率的探头 对于较薄的材料, 或有高精度要求时应选择高频率的探头 对于路径长度较长的选择大尺寸晶片 ( 孔径 ) 的探头 对于特定角度需要时, 只有使用横波才能检测的, 使用一个指定的角度折射楔块 对于垂直方向的缺陷, 一发一收的串列式配置比较适合 对非常精确的定量或高灵敏度检测时, 需要更大的激发孔径 除了这些单晶片探头和相控阵探头都需要考虑的基本因素外, 相控阵探头的晶片间距和晶片总数也是需要考虑的因素 这使得相控阵探头在某些方面有自定义选择的过程 偏转角度的需求将决定晶片的间距, 这也受限于所使用的频率 用来提供一个有效的焦点或穿透能力的声束的晶片总数可能受仪器所限 ( 在一个聚焦法则中设置的晶片越多, 就需要越多的脉冲发生器和接收器 ) 线性阵列的总长度应综合考虑晶片间距和转向能力, 从而达到使用偏转角度的波束覆盖焊缝区域进行线性扫查的要求 在本书的应用案例部分, 有关如何选择相控阵探头的这些因素将予以回顾 4.0 硬件 发射器, 接收器, 电机控制和编码器 前面章节已经概述了用于相控阵超声探头上的相控原理 尽管可以手工直接操作超声相控阵探头 ( 如在医疗领域中的一些应用 ), 但大多数工业应用并非如此 ( 注 : 近年来很多制造商研制出便携式超声相控阵仪器, 其允许装配的相控阵探头如带固定楔块的单晶探头一样 ; 并且一些制造商研制的探头可装配编码器以使检测数据生成 B 扫描和 C 扫描 ) 超声相控阵探头可以安装到某种形式的手动扫查器或自动扫查器, 在扫查器运动过程中控制探头运动方式并且采集超声信号 医疗领域的第一台相控阵系统在 20 世纪 60 年代由 Woo 博士研制 在那个时候工业超声仪器全是模拟型仪器 实际上大多数系统至今仍延续使用 闸管 ( 北美称为真空管 ) 随着固体电子学的发展, 仪器变得越来越小并且最终由 2 种电路结构组成, 一种是数字电路部分, 一种是模拟电路部分 仪器的控制部分主要由数字电路来实现 数字电路的终极概念意味着组件以二进制状态操作 ; 项目的状态被设置为 开 或 关 这开启了基于计算机的超声仪器研制时代 此时在 EPROM 芯片上编写小型程序已被便携式仪器普遍采用, 并且仪器逐渐演化成带旋钮控制甚至能够显示数字 A 扫描, 这种 A 扫描信号类似于真实的模拟信号

26 4.1 数字控制的优势 超声仪器有些方面还是不太可能数字化的, 比如输入电源 超声发射和接收部分一直都是模拟电路 然而, 很多输入控制和一些输出易于数字化 数字化控制的超声仪器比早期模拟仪器有如下优点 : 精确 ( 时间或者时基代替了电子管的偏转 ) 重复性好 ( 可以调出原来的设置 ) 设置的存贮 ( 所有参数均可存贮 ) 设置速度快 ( 可以把原来存贮的参数调出来 ) 信号处理 可选显示方式, 比如投影扫描 ( 数据的层析成像 ) 自动生成报告 但必须认识到数字式仪器同样存在一些局限性 : 数字化频率 ( 探头的最大频率被数字化频率限定 ) 数字滤波器限制了仪器的高频信号 4.2 发射器和接收器 无论发射脉冲的参数是否由数字化控制, 到达探头的发射脉冲本身还是模拟信号 同样, 探头由反射体感应到的超声振动所产生的穿过探头的电压也是模拟信号 常规超声仪器只有一个通道的发射器和接收器 相控阵系统有一系列的发射器和接收器 通常市售仪器通道数以 16 或者 32 的倍数存在, 对于探头上每个晶片来讲, 相控阵系统的发射器和接收器总是分开连接的 这就使仪器施加一组聚焦法则对探头最大晶片数存在限制 比如, 对于一个 32/128 的相控阵系统, 有 32 通道的发射器和 32 通道的接收器并且能够切换支持到 128 通道的探头 但在单个聚焦法则中任意一次激发的晶片数最大为 32 应该注意到并非所有的仪器按照此方式来定义 有些 32/128 相控阵系统在接收时必需使用与发射时完全相同的 32 个晶片 检测人员必选针对系统的能力选择相应的相控阵探头 对于一个只有 64 通道发射和接收的系统选择一个 128 晶片数的探头是不可用的, 而对于一个 128 通道的系统选择一对 60 晶片的探头是可用的 这样就余下了 8 个未用通道 这 8 个通道可以用作单晶探头的某些检测, 比如, 一对 TOFD 检测, 特殊的串列扫查, 横波检测或者留作相控阵某些通道出问题时备用通道 相控阵仪器的发射器和接收器微型化程度令人吃惊 在一块不大于手指大小的印制线路板上可以容纳发射器 接收器 TCG 门电路 ADC 转换器和时延电路等电子部件

27 在超声检测中发射器和接收器的好坏关系到超声信号获取的质量 下面将考虑发射器和接收器的几种方式和相应的特点 4.3 发射器 要使压电晶片探头产生振动必须改变加载在其上的电压 电压的改变和晶片的振动存在一定的关系 打个比方, 当一个人在打秋千时, 外加推力与摇摆的自然频率相同时, 秋千的摇摆幅度最大, 但随便给予推力, 可造成秋千的摇摆幅度减小 在超声检测时, 并不是总希望获得最大幅度 在需要精确测量时间时 ( 比如在检测薄板的厚度时 ), 短脉冲是更佳的 如果施加正确的脉冲甚至可以使环形探头衰减其振动 在超声探伤中常用三种脉冲激励方式, 尖脉冲方式, 双极性猝发声列, 方波, 如 图 4-1 所示 : 4.4 尖脉冲 图 4-1

28 Thyristor 半导体闸流管 (switch) ( 开关 ) dc power supply 直流电源 Transducer 换能器 charging resistor 充电电阻 + charging capacitor 充电电容 Tuned circuit (with damping resistor) 带有阻尼电阻器的调谐电路 图 4-2 为尖脉冲产生的电路 当电路中电容放电, 可以迅速在换能器两端产生尖脉冲 电路中衰减电阻 ( 或电感 ) 是为了加快尖脉冲的下降沿 这种衰减用于控制振铃时间, 利于实际检测 4.5 猝发声列通过改变猝发声列脉冲的频率可以使超声探头上获得最大的能量 猝发声列脉冲有几种方式, 见图 4-3 所示, 这些不同形状 不同频率 不同持续时间的脉冲可以由波形发生器产生 Sine wave 正弦波 Saw-tooth wave 锯齿波 Bi-directional square wave 双向方波 Negative square wave 负向方波 Change shape 改变形状 Change frequency 改变频率 Positive square wave 正向方波 Change ring time and pause time between pulses 改变脉冲串波型个数与脉冲串间的时间间隔 图 4-3 猝发声列脉冲波型形式 猝发声列脉冲通常包含多个信号周期 在用干涉法速度测定时常常被用到 同样, 因为猝发声列可以产生非常高的频率,, 因此被用于 GHz 频率范围上的超声显

29 微镜 4.6 方波脉冲 方波脉冲是试验室首选的一种脉冲方式 同尖脉冲一样, 方波脉冲是在电容上充电在换能器上放电 用电路中的开关管控制关闭的保持时间, 然后将脉冲电压快速恢复至零值使超声换能器获得 2 次激励 两次激励在相位上是相反的, 所以激励间隔可以引起第一次激励波反射的后沿与第二激励波发射的前沿间进行信号叠加 由于方波脉冲可以改变发射电压和脉冲宽度, 因此使得方波脉冲成为了优化超声换能器性能的最灵活的一种工具 通过选择最佳的发射脉冲宽度来获得波型叠加, 并且可以在换能器上施加低电压从而降低噪声水平 用高于换能器最大振幅的频率来激励探头, 可以增加探头带宽并且减少探头的低频成分 用低于换能器频率的信号来激励探头, 可以获得最大的振幅, 增加机械阻尼, 得到振铃相对较少尖锐干净的信号 这些方波脉冲发生器的特点在图 4-4 给予介绍 脉冲宽度 ns 最小电压值 V 脉冲宽度 ns 最小电压值 V 脉冲宽度 ns 最小电压值 V 图 4-4 脉冲宽度和其对探头激励的影响

30 在图 4-4 中方波激励脉冲显示在图的左侧 第一种情况, 当发射脉冲宽度设置相对较小时, 脉宽 ns, 发射电压 -498V 右侧为使用一块玻璃作为目标, 由一个标称频率为 30MHz 的复合材料换能器接收到的脉冲信号形状 该信号幅度较低显然不是换能器可以输出的最大幅值, 但可以看出该信号的优点在于信号带宽高 换能器低频成分并未被激发出来 图 4-4 中的第二种情况是, 发射脉宽被调整至 25.15ns 来获得换能器输出信号的最大幅值, 此处的发射电压为 -547V, 比第一种情况稍高一些 ( 第一种情况为脉冲设置在 ns 时仪器可以输出的最大电压值 ) 相对于第一种情况, 右侧信号中出现了低频信号成分, 但信号带宽在稍大于换能器共振频率处减小 在第三种情况中, 发射脉宽增至 51ns 而发射电压同第二种情况相同 换能器输出信号幅度变小, 信号振铃基本消除 所以在换能器共振频率之外增加发射脉冲宽度可以加大换能器晶片振动的衰减 使用双极性方波脉冲来激励, 可以显著增加换能器输出信号的幅度 双极性方波脉冲其中第一个下降沿 ( 或上升沿 ) 后电压的最大持续时间为探头晶片共振周期的一半, 之后电压反转至相反极性的等值电压, 该电压最大持续时间同样为换能器晶片共振周期的一半 双极性方波脉冲为图 4-3 中的单个周期的双方向方波脉冲串 当脉冲宽度和脉冲调制的效果可视化展现出来时更为显著 图 4-5 效果显示为用直径 12.5mm,7.5MHZ 的探头打到球形曲率半径为 150mm 的边沿所得成像 其中发射脉冲采用 700V 的尖脉冲 ( 无脉冲宽度可调 ) 但是, 在图 4-6 中使用远小于上述一半的电压 (180V) 就可在焦点获得相同声场强度 用调制脉宽和相位叠加脉冲发射器与等发射幅值的单晶非调制脉冲发生器相比检测效果要好 3-4 倍 图 4-5 单晶片探头用 700V 尖脉冲激励

31 图 晶片相控阵探头用 180V 调制脉冲 4.7 接收器 在超声探头上施加 100~1000V 的发射脉冲, 在探头上可获得 3~4 个 0.001~1V 低幅度的信号串 这会造成 2 个问题 其一, 在脉冲回波方式下发射脉冲的振幅同样被送到了接收器 ; 其二, 必须在不放大噪声的同时放大来自缺陷相对微弱的回波信号 因接收回波信号与发射脉冲包络 ( 叠加在探头接收的小信号之上 ) 处于不同频段导致第二个问题处理起来更为复杂 当将脉冲回波方式切换至发射 - 接收方式时, 发射器和接收器物理上已不存在连接, 见图 4-7 所示 PRF & sweep generator 脉冲重复频率 & 扫描发生器 PRF & sweep generator 脉冲重复频率 & 扫描发生器 Pulser 脉冲发生器 Receiver 信号接收器 Pulser 脉冲发生器 Receiver 信号接收器 Pulse-Echo connections Transmit-Receive connections 脉冲 - 回波模式 发射 - 接收模式 图 4-7 脉冲回波模式与发射 - 接收模式物理连接

32 为了使接收到的信号被显示和后续处理, 必须对通过探头微小振动而接收到的信号进行放大 放大过程比较复杂包括滤波和必要的衰减 接收器第一阶为保护电路, 在脉冲回波方式下保护接收器的前置放大器避免来自发射器高压脉冲的冲击 前置放大器可以使用晶体管类型放大器提供 20~40dB 的增益, 前置放大器的频率响应通常为整个仪器的宽带, 有时加入高通滤波器来消除来自探头和电子线路干扰的射频成份来改善信噪比 前置放大器的带宽一般设置成 1MHZ~15MHZ, 并且是仪器操作者不可更改的 在前置放大器之后, 信号要通过宽带衰减器 这避免信号在后续电路中饱和, 并且提供了一种用于信号高度校准调整的手段 衰减器通常能够以 20dB 的粗调步进和 1dB 精调步进来进行调整 有些便携式仪器使用放大量太大的前置放大器, 导致仪器即使使用最大衰减量, 仍无法将回波信号降至 100%FSH( 满屏信号 ) 以下 衰减信号被送至 RF 放大器,RF 放大器可能为线性放大器或对数放大器 大多数 UT 仪器使用的是线性 RF 放大器 当接收器使用线性放大器时, 信号幅度与接收器的电压成固定比例 但接收器增益是以 db 为单位增加的, 所以放大器增加 6dB 信号幅度翻倍 这样就限制了放大器的动态范围到 34dB(34dB 使 2%FSH 信号增至 100%FSH) 当使用对数放大器时, 增益 db 与信号幅度是线性的, 比如放大器增加 1dB 放大量信号幅度增大 1%FSH, 通过压缩, 使对数放大器的动态范围是线性放大器的 6.3 倍 有些对数放大器的动态范围甚至超过 100dB( 让 1dB 的放大量对应小于 1%FSH 信号幅度 ) 放大后的 RF 信号被送至滤波器, 通常带通滤波器可以减少来自高频段和低频段噪声 仪器操作者可以根据探头的标称频率来选择中心频率与此对应的带通滤波器 合适的带通滤波器并不会显著衰减信号幅度, 同样宽带滤波器也可以使用, 但通常会产生一些噪声 图 4-8 接收器

33 4.8 闸门 对于基于计算机的超声成像技术来说, 选取显示屏上某段时间的信号进行分析的能力是必须具备的, 这段时间被称为 闸门 当扫描时间到达闸门区域或信号达到在闸门规定的幅值或者是时间和幅值同时触发闸门, 仪器报警或者开始记录闸门内信号 在自动化检测系统中闸门是必备的组件 辅助控制常常对闸门位置有所帮助 闸门位置在 A-Scan 的显示屏上会被标记为额外的图形和标记 闸门控制包括开始和结束的调整, 门限值设置 ( 信号幅度值达到多少才触发报警和采集数据 ) 和正向或负向的设置 如果使用正向闸门, 信号幅值必须超过门限值 如果使用负向闸门, 信号幅值必须低于门限值才会报警 正向闸门典型应用于监视缺陷回波幅度 负向闸门典型应用于用一个穿透信号监视检测的耦合状态 图 4-9 给出了带 3 个闸门的数字 A-Scan 显示, 闸门内的数据采集选项有时间 幅度和波形 当选择采集时间和幅度时必须在垂直方向设置门限值 ( 幅值 ) 当选择采集波形信息时没有幅值门限, 所有在一个特定时间间隔内的波形都将被采集 Time Gate set at 30% FSH threshold 门限为 30% 全屏信号的时间闸门设置 Amplitude Gate set at 25% FSH threshold 门限为 25% 全屏信号的幅度闸门设置 Waveform Gate (threshold does not apply) 波形闸门 ( 不存在门限值 ) 4.9 TCG/TVG 图 4-9 闸门显示 当放大量随时间发生改变时, 提供了时间校正增益 (TCG) 技术, 也叫做时变增益 (TVG) 或扫描增益 通过给时间或距离较大的信号增加放大量, 使来自于不同深度同面积的反射体获取相同的信号幅值 给远端的回波信号增加放大量可避免使用不方便的距离幅度修正曲线进行报警, 从而使报警信号在整个屏幕上设定统一固定门限值即可 图 4-10 为对一个横通孔使用 TCG 技术来获得相同幅度值, 可以从 A-Scan 的底部连接

34 线上看出 TCG 放大点 图 4-10 闸门显示 4.10 数据采集和自动化系统 实验室 UT 仪器是复杂的数据采集系统软硬件中的一部分 数据采集系统可用于在科学实验中精确研究材料特性, 也可以是工业生产系统中的一部分 理解了自动化检测系统便可以很好的理解数据采集系统和实验仪器的很多特性 因为这些特性对于很多 NDT 方法都适用, 所以首先介绍下采集的一般概念 一般认为数据采集是对一实物对象或环境的信息收集 这通常包含采集一个参数关于另一个参数的信息, 比如监视温度随时间的变化 简单的数据采集可以由操作者手工读数来完成 在温度采集实例中, 操作者可以在一定时间间隔上记录温度计 ( 不论是模拟还是数字式 ) 显示的温度和相应的时间来完成数据采集 ( 单一参数的记录并无意义除非与其他参数相关联 ) 在今天科学和工程实践中需要采集大量精确的数据, 成百上千的数据可在数小时内由计算机轻松采集完成 当计算机被应用到数据采集控制过程中, 该过程变得非常自动化 计算机不单被应用到采集数据, 还要负责整理数据和后续的数据分析 自动化采集系统有以下优势 : 1 速度快 2 一致性 3 精确 4 重复性好 5 安全

35 6 成本低 7 性能高 速度 自动化系统能够一天检测成百上千的零件, 例如, 在汽车制造工业,ECT 对螺栓的检测能达到每小时 件, 是手工检测无法比及的 一致性 自动化系统应该在尽可能可控的条件下运行, 因此可以选择在略微更 主观 的人眼关注下不可能实现的严格的客观限制 比如, 在一块检测试块中许多反射体的回波幅值测量 精确记录位置信息 手工操作中当操作者在测量位置值能够保持 0.5~1.0mm 的精度时会被认为非常好, 但自动化系统一般能够精确到微米级别 (10-6 m) 重复性好 因为自动化系统在特定条件下运行和精确测量, 使检测结果保持很好的重复性 比如, 在役管道的涡流定检中, 缺陷指示的位置与 3 年前的结果保持 1mm 的差异范围内 安全 使用自动化系统一个最大的优势是出于安全的考虑 今天在各种有害的环境中使用了很多远程检测系统 比如, 在核电领域反应堆和部件存在 γ 射线源, 人无法手工检测 对于人无法直接接触的有害环境还有 : 极端的高温 低温 深水 腐蚀性气体等环境 成本 尽管自动化系统要花费大量资金并且有大量前期准备成本, 但降低了整体检测成本 比如, 比手工操作速度快, 节省了人工时 性能高 在某些检测只能使用自动化检测装置, 比如,CANDU 核反应堆燃料管道的在役检测 精确 一致性和重复性好可以有效说明被检部件无损害避免不必要的更换 ; 相反当发现微小的改变量时 ( 手工扫查可能检不到 ) 便可对此部件进行定性分析是修补还是替换, 进而可以因避免突发性故障而节省上百万美元 这个例子来说明自动化 NDT 系统是优势是非常充分的

36 自动化系统概述 一般自动化 NDT 系统包含以下部件 : 1 中心控制系统 通常是一台计算机 2 传感器和关联的器械 NDT 仪器 3 移动传感器或部件的装置 4 采集和显示 NDT 仪器输出的装置 4.12 系统部件 1. 整个系统的中心部件为计算机 计算机以各种形状和大小呈现 主要有 2 款计算机, 模拟式计算机和数字式计算机 模拟式计算机现在已过时并且已不被采用 它是利用电流和开关来访问相应的逻辑功能的固定连线设备 我们现在只关心数字式计算机 2. 传感器是 NDT 仪器的一部分 任何具有丰富经验的 NDT 技术人员都熟悉 NDT 仪器的功能 自动化系统一个重要的特点是如何利用仪器产生的信号 有些系统能给 NDT 仪器提供输入信号, 这方便控制 NDT 仪器的功能 这能够实现 远程 控制 3. 运动控制有多种形式, 最简单的就是控制电机的开与关 有些运动控制通过测量系统扭矩实现复杂的闭环反馈控制电机的位置和速度, 以达到避免检测装置超限 对于有效的数据显示需将位置信息添加到运动控制之中 位置信息大多数通过记录步进电机的步数和远动时间来获得, 或者更为精确的获得方式为使用位置编码器 4. 数据显示输出仅是一种有效提供检测结果的手段 最为简单的是 NDT 仪器输出的电压值随着时间变化而形成带状图或者是一组复杂的数据点相对于位置信息的变化而构成的波形图 计算机采集的相关信息可以被进一步处理 : 减小噪声 ( 比如, 信号平均 ) 增强相关信号 ( 幅度色阶化显示或者信号处理 ) 几何特性校正 ( 比如, 合成孔径聚焦技术 ) 图 4-11 示意了最基本的自动化系统中计算机作为所有检测活动的中央控制单元 PC 式计算机满足运动控制单元和从 NDT 检测仪器中读取模拟信号信息的要求 检测结果可以在计算机的显示器上显示并且可以送打印机打印

37 图 4-11 自动化扫查系统组成 4.13 仪器输出 在 NDT 检测中物理属性包括 : 温度 酸碱度 压力 距离 速度 质量 光 声和电子能量 传感器可以将这些物理属性转化成电气量, 如电压 电流或者阻抗 传感器作为这种变换的转换器件, 术语也被称为变换器 ( 将能量从一种形式变换到另一种形式 ) 电子数据可以被称为 信号 或 波型 通常是电压对时间的变化关系 信号可以是模拟量也可以是数字量 模拟量是连续的, 在任意时间间隔可能改变到任意量值 而计算机处理的为数字信号 数字信号在某一固定时间间隔上为离散值 如果数字信号幅度间隔很小且时间间隔也很小, 合成的数字信号能够等效成模拟信号 在信号质量上二者的差异由图 4-12 可以说明

38 A B C 图 4-12 模拟信号与数字信号波形对比 图 A 示意了幅度连续变换的原始输入信号 图 B 示意转换过程如何分配补偿值才能保证最大负向位移在分级最低值之上 信号在垂直方向上从最小到最大划分成 16 个级别 通常垂直分级以 2 的倍数分为 256 档 基于水平轴时基进行采样, 在每个时间间隔点上进行一次采样 采样值可能是这个间隔内的峰值或平均值, 并且在给定时间间隔内最接近整体的数值被赋予这个点 图 C 为代表模拟信号的已转换数字信号 其中左侧的幅度轴为参考, 每一个采样以垂直条来显示大小 垂直条大小易于转换成二进制码并可以被计算机读取, 比如, 垂直条的大小为 3, 读为 0011,4 读为 0100,7 读为 0111 将模拟信号变换成数字信号的过程称为数字化转换 完成这一工作的电子器件为模拟 - 数字转换器 (ADC), 并且相关的电子器件被集成到电子线路板之上, 该电子线路板可插入到计算机之中, 通常被称为 AD 转换卡 转换后的数字信号由比例因子和采样间隔构成, 比例因子为模拟量值与数字量值的比, 采样间隔为产生数字量的固定时间间隔 与信号数字化相反的过程也常被用到, 也就是把数字信号转换成模拟信号, 完成这一过程的器件称为数字模拟转换器 (DAC) 大多数人都知道这一转换在娱乐设备中的应用, 如音乐从 CD 或者 DVD 机的喇叭放出来 ( 喇叭输出的声音信号为模拟信号 )

39 检测装置中可能既用到数字器件又用到模拟器件 当在检测系统中存在多路模拟信号输入输出时, 这些信号通常通过多路器 (MUX) 连接至模拟数字转换器 (ADC) 或数字模拟转换器 (DAC) 在给定的时间内用多路器来选择哪路信号被转换 图 4-13 给出了各种模拟和数字输入输出在计算机中排布的原理框图 图 4-13 多路输入输出信号共用 ADCs 和 DACs 器件 数据采集中所用计算机存在多种尺寸 形式和价位 在过去一段时间内微型机 小型机和大型机三种机型被应用 这些机型以存储器的大小来简单区分 如今这些差异已不是界定机型的依据, 除非在大量数据需要被采集 快速处理而且同时处理其他任务 ( 多任务处理 ) 的情况下, 大多数检测系统可以用个人电脑来作为自动化的中心控制器 任何自动化数据采集系统配合数据采集软件才能构成完整的系统 数据采集软件可以采集数据 分析数据和显示结果 若无数据分析能力, 显示采集的数百万位数据对于大多数操作者来说是无法理解的 处理的数据能够以表格 图像 多重带状图 示波 (A 扫描 ) 的方式输出到显示器或者打印机 NDT 检测系统中存在多种类型的特殊软件 这些软件配合特殊仪器 有些数据采集软件采集信号的方方面面信息并记录仪器参数, 有些软件能够驱动电机和采集位置信息

40 4.14 扫查显示和扫查装置 A 扫描 自罗伯特 麦克麦思特 NDT 手册 1959 年出版后, 扫描术语变得稍微复杂一些 回波幅度随时基的实时显示仍称为 A 扫描 这是所有的 UT 仪器均采用的成像方式 A 扫描中垂直方向偏移量可能是双向 (RF 显示 ) 也可能是单向 ( 检波方式 ), 水平方向代表已逝时间或声波传播距离 如图 4-14 所示 B 扫描 图 4-14 A 扫描显示 把运动作为显示的一个可选项时, 当时间显示作为一个轴, 探头位置作为另外一个轴, 探头从检测表面扫过时, 就成生了 B 扫图像 其中, 显示时间的量值取决于闸门的长度, 灰度或颜色用来指示幅度或相位大小 ( 若采用 RF 信号 ) 这一概念由图 4-15 来说明 若做一个成像模拟, 其可以看成由一系列 A 扫描排列在末端并一个挨着一个堆叠在一起 注 : 传统的 B 扫描定义是指横切面的概念, 它指被检试块和探头相对于波束方向的运动之间所成图像 虽大多数 B 扫使用零度纵波探头, 并且图像顶部代表入射波, 底部代表反射波 当波束带有角度, 用传统概念来理解成像有些困难, 但若以一轴为时间或距离, 另外一轴为探头偏移量的原理来理解, 则成像还是以 B 扫得方式来处理的

41 图 4-15 幅值 B 扫描 C 扫描 当在闸门区域采集最大回波幅度, 探头做栅格扫查, 便可形成 C 扫描图像 在这种情况下, 探头位置是沿两个坐标轴运动, 这是一种有效的平面观察方式, 如图 4-16 所示 图 4-16 幅值 C 扫描

42 幅度大小由强弱程度 ( 灰度等级 ) 或颜色来显示 按颜色来示意幅度的做法为将屏幕高度划分若干区域, 每一区域赋予不同颜色, 比如 0-20% 赋绿色,21%-50% 赋绿色,51-80% 赋橙色,81-100% 赋红色 另外, 对 C 扫描来讲, 也可以时间方式监视信号位置并将声程距离 ( 或深度 ) 赋颜色或灰度来成像 其它扫查方式 传统的扫查里有 A 扫描,B 扫描,C 扫描, 从这些最基本的扫查方式中演化出的变体, 其命名字母在字母表中增加 当参考坐标系为检测试块表面和与其垂直的检测波束, 命名方法是显而易见的 当带有角度的波束与检测试块表面不垂直时, 可能引起混乱 相对于检测试块斜 45 入射声束和垂直入射的声束所形成的 B 扫并无显著差异, 但对于操作人员辨别 45 B 扫图像中与探头相关位置便有些困难 图 4-17 偏斜角扫查缺陷与探头的位置补偿 在上述说明中, 探头移动到位置 3( 约 10mm 距离 ) 时, 缺陷信号达到峰值 缺陷实际位置是在探头之前的一段位置 在上例中, 如果折射角是 45 并且缺陷峰值信号声程 10mm, 则偏移值可以通过用声程乘以折射角的正弦值来计算 在此, 为

43 10*sin45 =10*0.707, 则从编码器位置到缺陷位置的偏移值为 7mm 明显可以看出缺陷的偏移值取决于声程值, 若缺陷越深则偏离越大 有些数据采集程序有校准显示位置的能力, 它在采集每个 A 扫的位置时都乘上了对应的校正因子并在显示时将其水平移位显示 当双探头用做 T-R 模式时, 仪器仍需采集一段时间的信号并且依探头的运动轨迹成像, 这便是 TOFD 显示的原理 在上述的 B 扫描和 C 扫描中, 都是在单一平面采集幅度信息 若将栅格扫查的 C 扫描和 B 扫描中所使用的逐点 A 扫描结合在一起, 就能获得体积扫查的所有可能的信息 采集闸门内门限上每一点的幅度信号, 因为时间等同于距离, 那么便有了试块三维体积空间内所有点的幅度信息 虽然这需要大量的存贮空间 ( 后面会介绍 ), 但它提供了断层可视化技术所需要的足够的信息 深度编码 C 扫描 如果用超过 5%FSH 闸门门限去观察试块俯视图, 并且闸门内信号每增加 20% 的深度用不同的颜色来表示, 那么可以画出闸门内缺陷的深度分布值, 这称为 深度编码 C 扫描, 如图 4-18 所示 图 4-18 深度编码 C 扫描

44 在栅格模式下用 0.1ms 的闸门来监视微小反射体的位置, 浅灰度图像说明缺陷离探头较远而深灰度图像说明缺陷离探头较近 在图中垂直部分从 9.1mm 位置处开始, 水平部分从 8.9mm 位置处开始并且二者相交处位于 C 扫描的左上方 从图中还可以看出垂直线上较低的 4 个反射体可以清晰地分开而水平线上却是粘连在一起的 用带角度的波束来检测一条焊缝, 并且由适当的数据采集系统收集数据, 从这些数据中可以提取出沿焊缝轴线的切片图像 对相应参数的分析显示只有一个点在 X-Y 坐标之上, 并且依角度校准后赋予相应深度值, 这便是 D 扫描 对于有些用户更喜欢采用 TOFD 扫描方法, 它的扫描方向平行于焊缝轴线 ( 注意这样一个术语需要焊缝轴线作为参考线 ) 使用 D 扫描术语的用户保留了 B 扫描这一术语, 为即用 TOFD 探头垂直于焊缝轴线运动的扫查方式 E 扫描和 P 扫描 图 4-19 投影扫查术语定义 其他扫查被用来区分视图显示,E 扫描 ( 底部视图 ) 和 P 扫描 ( 投影视图 ) 依据视图或者软件制造商来定义 S 扫描 相控阵仪器因波束的动态特性而提供一种新的扫描显示方式, 该方式入射角度可变被称为扇扫或者 S 扫描 图 4-20 为示意了一个典型的 S 扫描, 波束从 -5 变化到

45 +30, 幅度响应由颜色编码, 图中成像为 3 个横通孔 由垂直标尺和水平标尺可以直接读出横通孔的深度和水平位置 图 4-20 S 扫描显示 存贮与数字化方面 模拟数字转换部分描述中当采用 8 位 ADC 时便将垂直幅度分为 2 8 或 256 个台阶 ( 分辨率 ) ADC 的采样率决定 A 扫描信号被采集和数字化转换的时间间隔 快速 ADC 转换板典型的速度从 20MHZ 到 100MHZ, 但慢一些或快一些的转换板也是存在的 若用 100MHZ 的 ADC, 则采样间隔为 0.01us 在脉冲回波方式中, 该采样率在钢中精度为 0.016mm( 横波 ) 和 0.03mm( 纵波 ) 瞬间分辨率也决定了从模拟信号产生数字信号的质量 图 4-21 显示了由 10MHZ 探头产生了模拟信号, 由 100MHZ 的 ADC 数字化后可以再现原信号, 若由 20MHZ 的 ADC 数字化后无法恢复原信号 ( 图中模拟轨迹的虚线为参考信号, 只有点状信号才能够显示在屏幕上 )

46 图 4-21 同一波形的不同采样率数字化效果在示波器上的显示 最小采样率须为探头中心频率的 4 倍, 这保证数字化的幅度值与模拟量不超过 3dB 若要保证数字化幅度值与模拟量的误差不超过 1dB, 必须使采样率达到探头中心频率的 5 倍 比如, 对于 10MHZ 的探头, 推荐采用至少 50MHZ 的采样率 同样, 操作人员可以看到当采用更高采样率的 ADC 时, 采样信号更接近原始信号并且改进了信号特性 当信号在数字化前已进行整流和滤波处理, 则可适当降低 ADC 采样率 时间或距离的分辨率只取决于 ADC 的采样率, 但幅度分辨率既取决于 ADC 采样率也取决于 ADC 的转换分辨率 现大多数数据采集系统采用 8 位的转换分辨率 数字化幅度另外一个重要方面是对动态范围的影响 以往大多数系统常采用 8 位分频率 幅度精度取决于垂直方向上采样的划分数量 术语 比特率 来源于计算机的二进制数据处理, 其中一个字节由 8 位组成 在此 1 位可以有两种状态, 0 或 1 二进制幂值为 1, 当幂值提高至 8, 便形成 8 位比特率 若将幂值提高至 10 位, 便形成 10 位比特率 基于计算机的超声系统正在不断提高运算的比特率, 有些高端系统已使用 12 位 ADC 进行数字化 仪器的比特率是采样时将垂直量 ( 幅度 ) 范围划分多少数量, 比如 : 8 bit = 2 8 = 256, 垂直量为 256 间隔 (PipeWIZARD) 10 bit = 2 10 = 1024 垂直量为 1024 间隔 (Omniscan) 12 bit = 2 12 = 4096 垂直量为 6409 间隔 (Tomo3) 数字化对动态范围的影响可以图形来说明, 图 4-22 显示了在一侧带有幅度颜色编码的 RF 波形和检波波形

47 图 位数字化对动态范围的影响 信号的幅度由 db 来指示,dB 是一个比值的概念,dB= 20 log10 h1/h2, 其中 h1 和 h2 是两个信号的相对幅值 对于检波信号用 8 位 ADC 单元转换, 其电压从底部零点到正相偏移所有点来计算, 动态范围是 1/256 或者 20 log10 (1/256) = -48dB 显示屏上最小百分比间隔为 (1/256) x100=0.39% 对于 RF 信号同样的 8 位 ADC 转换没有偏置, 信号包含正相信号和负相信号 动态范围取决于零点到最大偏移点 (128) 的差值, 动态范围为 1/128 或者 20 log10 (1/128) = 42dB 注 : 一半幅度为 -6dB, 所以减少垂直方向一半的点数, 动态范围相当于减少了 6dB (48-6=42) 并且屏幕最小垂直间隔为 0.8% 当更高比特率的数字化被应用后, 仪器便呈现了高低端产品 大幅度的信号是 100% 屏高或者更高, 当然这并非是一个真实值, 它们只是 饱和 而已 这已被应用到模拟或者数字显示之中 当幅度作为重要要素并且需要其绝对值时, 意味着需要重复扫查来评价相对于参考水平的实际幅度值 在 8 位数字检波信号中, 一旦信号达到 256 量值, 其便饱和 相对于满屏显示来讲, 一个信号数字化量大于 256, 它可能是 101% 或者也可能大于 500% 用 10 位数字化率可以将信号在范围垂直方向上划分成 1024 个等值的量 这允许我们在较低的接收器增益上进行信号采集而采集后的数据可以采用电子方式 增加增益 用 1024 幅度量化是 8 位系统的 4 倍精度, 这意味可以在 20% 参考线上进行校准 ( 而 8 位系统一般在 80% 上进行校准 ) 并且以较低的幅度采集所有 A 扫信号 同样

48 的信号在 10 位系统上达到 25% 的屏高在 8 位系统上便达到了 100% 信号饱和的可能性在 10 位数字化系统中被很大程度减小 用 8 位系统评价动态范围的方式来评价 10 位系统,10 位系统对于检波信号可以达到 60dB 的动态范围 有两种方法来使用额外的动态范围 一种是用标准显示, 将最大信号幅度值显示成 100%, 将幅度标尺上的一个较低点设置为参考水平, 然后直接读出被测信号的在屏幕上的标尺数值 另外一种方法如图 4-23 所示, 虽然屏幕不再显示信号的幅度水平, 但可以通过闸门来测量, 操作者可以通过数字输出直接读出被测信号幅度 例如, 在 9 位数字化系统中, 屏幕最左边的信号闸门输出的幅度值为 200% 并且回波位置为 26.55mm 处, 第二个信号同样已饱和显示, 用一个单独的闸门 ( 绿色 ) 套住, 屏幕输出该信号幅度为 176%, 回波位置为 39.03mm 处 图 位数字化闸门显示增加动态范围 数字化 A 扫描是构建 B 扫描的第一步工作 但 A 扫描采集的数据必须存贮到计算机之中, 所以扫描范围和闸门长度越大, 需要占用计算机的存储器资源越多 使用 4MHz 接触式直探头对 50mm 厚板来进行简单 B 扫描, 需要用闸门监视整个厚度范围 推荐采用最小的 ADC 采样频率为 16MHz 并且必须考虑用纵波覆盖 50mm 板厚往返等效的时间, 即为 100mm; 因此, (50 x 2) 5.9 = 16.9 µs.

49 用 16MHz 的 ADC 每 1us 采样 16 个点, 对于 16.9us 的闸门来讲, 每个 A 扫描需要采集 270 个点 每一点的幅度值是 8 位, 便有 1 个字节的数据 若横跨焊缝和包括热影响区内采用 0 B 扫描,100mm 的扫查距离是足够的 ( 从焊缝一边到焊缝的中心线为 50mm) 若每隔 0.5mm 采集一个 A 扫描,100mm 的数据量为 :270 x 1 x 2 x 100 = bytes (54 kb) 第一个参数为 1 个 A 扫描共 270 个采样点 ; 第二个参数为每个 A 扫中每个采样点为 1 个字节 ; 第三个参数为 1mm 共有 2 个 A 扫描 ; 第四个参数 100mm 为扫描距离 为了生成全体积扫查对于基于深度编码的 C 扫描 D 扫描 E 扫描和 P 扫描需要在一次扫查中采集很多类似的 A 扫信号 在上述条件下, 即使扫查 100 x 100mm 的面积范围, 在上述条件下以 1mm 的栅格步进, 需要采集 5.4MB 的数据 需要注意的是采集这么大的信息量是绝对必须的 在多通道系统多个 B 扫描 ( 或者 D 扫描 ) 和 TOFD 扫描中, 即使简单的平行于焊缝轴线的线性扫查 ( 而非栅格扫查 ) 生成的数据文件都会达到几十 MB 左右 4.15 数据处理 数字采集系统额外的特征是能够对已存储数据进行后处理 当数字存储技术出现后, 衍生出很多技术提高了信息的收集能力, 这一过程称为数字信号处理 (DSP) DSP 处理效果取决于采集信号的质量, 包括以下因素 : 1 传感器与数据采集系统的匹配程度 2 采样周期 3 信号量化水平 4 校准 5 材料衰减程度 任何不需要的扰动出现在有用信号频带范围内被称为噪声, 噪声源于多种情况, 传感器本身 仪器 散射的伪回波信号 几何和波形转换信号 周围电噪声 缺陷可能源于几何结构中应力集中或者存留化学物质部位, 这些地方容易引起的腐蚀 裂纹或两者兼有 缺陷所在位置可能被腐蚀, 也可能完全被周围环境掩盖住 相反, 几何体也可能被误认为成缺陷 B 扫描 C 扫描或其它成像显示使缺陷检测能够以 大图片 方式呈现, 相比于静态的 A 扫描, 缺陷微小变化也很直观 显著

50 尽管以成像的方式能改善识别能力, 但来自于噪声的伪信号依然可能掩盖缺陷 各种技术已经被研究来提高有用信号成分抑制噪声干扰, 相应的数字信号处理一般分为两类, 一维和两维 一维处理应用在被采集波形可能是滤波或频谱分析 ; 二维处理关注如何提高空间结构的成像效果 一维数字信号处理在此简要涉及一些 利用快速傅立叶变换 信号平均来提高信噪比 当知道噪声频率组成比 UT 相关信号的频率要高或者要低, 可以使用带通滤波来过滤掉噪声 图 4-24 示意了如何从 A 扫描信号中有选择地剔除伪信号成分的方法 图 4-24 用 DPS 实现滤波另外一种稍微简单的处理方法是信号平均技术 利用信号平均法从噪声背景中提取缺陷的依据是, 缺陷信号是前后一致的, 噪声是随机的 当前后一致重复的信号本身相加 n 次, 将以 n 倍增加 ; 而噪声本身相加 n 次, 将以 n 倍增加 所以在 n 次重复后, 平均后波形的信噪比提高了 n 倍 两维数字信号处理技术用以提高空间信息 这样, 两维数字信号处理技术可以应用到 B 扫描和 C 扫描成像之中 因为 B 扫描和 C 扫描本身由 A 扫描信号生产, 所以这两种扫描方式并不比 A 扫描包含更多的信息 但它们提供了空间关系而非孤立的 A 扫描

51 幅度平均法有时被应用到 C 扫描成像显示之中 它可以平滑边缘和消减孤立峰值 一个栅格的平均值 (3x3, 5x5, 7x7 等 ) 被放到栅格最中间的格子 平均值可以由线性平均或加权平均计算而得 图 4-25 示意了图像滤波的一个实例 使用串列设置扫查 3 个平底孔, 扫描以闸门区域内 0.5mm 一个采样点,0.5mm 步进距离的栅格扫查进行 最上面的图像是原始信号成像结果, 下面是以 5x5 非加权栅格平均法处理后成像结果, 可以看出扫描中的锯齿已被补偿校正 最下面是以 9x9 卷积滤波器进一步平滑图像后的结果, 可以看出图像更加接近平底孔的圆形形状 图 维数字信号处理 ( 矩阵平均法 ) 同样有数字信号处理 (DSP) 方法用于增强 B 扫描 一种已用于 B 扫描的最有名的方法称为合成孔径聚焦技术 (SAFT) 其原理是 : 超声波束在传播中到达某点时存在探头位置和目标深度间的双曲线函数关系, 利用已知的双曲线函数方程来实现 A 扫描信号时间移位并进行叠加 当缺陷出现时波形相长干涉后信号增大, 当无缺陷出现时, 干涉是削减性的, 使信号变小 这种 SAFT 可用于两维或三维数字信号处理之中, 但是, 三维 SAFT 需要较长的处理时间 图 4-26 示意了利用 SAFT 来提高信号比和横向分辨率的实例 图 4-26 中扫描了三个 1mm 槽, 左边是原始数据 B 扫描成像结果, 右边是经过 SAFT 处理后的 B 扫描结果, 可以看出横向分辨率有很大提高

52 图 4-26 合成孔径聚焦技术 SAFT 的一个变体是 ALOK, 利用双曲线中预期的传播时间来提高缺陷的信噪比, 而处理中并未合成聚焦 同样的处理可以应用到相控阵扫描结果之上 图 4-27 示意了用 S 扫描采集原始数据之前和之后的情况 数字信号处理 (DSP) 用来校正发生的角度偏移 数据采集基于线性时基显示 ( 下面线性未校正图像 ), 然后探头保持不动并且计算 S 扫描聚焦法则形成弧形上缺陷的位置 基于单个超声声源发射点进行校正并且显示探测目标 ( 在上面图像中只有 4 个缺陷被处理 ), 这样缺陷目标看起来是相对于探头位置显示的 图 4-27 S 扫描中校正角度偏移

53 a) 扫描装置 扫描装置需要提供位置信息 仅知道检测试块中存在一个反射体是无用的, 除非能够确定反射体的位置 位置在确定反射体信号是缺陷信号还是几何发射信号中起至关重要的作用, 若反射体信号被定为缺陷信号, 其应位于焊缝之中, 位置能帮助评价和评定 虽然在试块表面放置简单标尺测量常用于手工扫查之中, 而位置编码装置常用于机械化扫查之中 当探头已移动过检测部位, 两者的相对位置很难精确记录 管道检测台通常装有带状记录器, 依进给速度和记录带中指示出的位置来定位指示信号 在管道制造厂当回波出现在闸门之上, 声音报警器和打标器用以提示检测者异常信号出现的时刻和位置 打标器安装在一串探头之下, 其打标动作依据探头与管子的运动速度在报警后延时一段时间进行打标 当探头在固定被检对象上移动时, 机械化扫查存在几种方式 为了固定几种方式的原点位置, 需要探头夹持器和相关辅助框架 位置由某种方式的编码器提供, 探头移动靠手工方式 探头也可以选择用装在框架上的电机来驱动, 位置一样由编码器提供 b) 机械化扫查的限制 并非所有检测均需采用机械化扫查 也有某些情况手工检测更加有效, 尽管在假定不限定成本的情况下, 任何手工扫查都在某种程度上可变成机械化扫查 但是需要注意到机械化系统机械方面的限制 最为普通的限制便是扫查速度 即使计算机和超声系统能够在高速移动下产生并采集数据, 在探头以计算机能够采集的最大速度下移动时仍会出现机械障碍 在长扫查架上, 扫查架支柱会使探头震动导致耦合路径和耦合质量下降 或者扫查器本身震动致使一些零部件松动 这些因素对系统破坏的风险如焊接中飞入杂质对焊缝质量的影响一样, 在高速扫查时比低速扫查时对系统的破坏力要强得多 管道环焊缝检测是技术进步的一个实例, 在 1980 年早期系统是基于发射器的重复频率并且将焊缝分成 6 个区, 扫查速度不超过 40mm/s 如今, 相控阵系统能够扫描 12 个分区的焊缝, 并且采集全波型数据, 实现 TOFD 扫查 6 个测厚通道 穿透法耦合监视通道 8 个全波型 B 扫描 ( 或 D 扫描 ) 这一系统要比早期系统实现上述工作扫查速度快一倍 ( 大概 80~100mm/s) 当考虑扫描文件大小时, 这会给人更深刻的印象 对于早期系统来讲, 扫描文件大小正常为 100KB 左右, 并且只有幅度和时间信息, 任一投影扫查 ( 如 B 扫描 ) 只有图像并无保存全波型数据, 并且不能生成 TOFD 扫查 现相控阵系统在早期系统 2 倍的扫查速度下一般要采集的数据量是早期系统的 1000 倍 ( 约 10~15MB) 图 4-28 介绍了几款扫查装置, 不管其所用方式是接触法 水浸法还是间隙法, 这些方式的相关原理是一样的

54 图 4-28 带编码器的扫查器上图是一个带探头加持装置的磁性爬行器, 探头可由电机带动左右运动, 磁性轮组带动整个爬行器前后运动 ( 应用于压力容器 ) 上图左边是一个实验室扫查器, 可实现 X, Y, Z & θ 电动扫查 上图右边是相控阵管道环焊缝检测装置 4.19 扫查速度 ADC 的采样速率已在前期探讨过, 若 B 扫需要设置较宽的闸门时, 计算机 CPU 的处理信息能力将限制扫查速度 若计算机在采样空闲期间无足够的处理时间, 那 B 扫描的结果将出现丢点的情况 同样, 在高速扫查时,C 扫描也可能出现丢点情况 然而, 计算机 CPU 并非限制扫查速度的唯一因素 即使计算机不用负责数据采集, 脉冲重复频率也会限制扫查速度 诸如带状记录器等记录装置的反映时间需要几个脉冲信号, 才能确保捕捉到信号的最大幅度值 所以, 探头需要在发射体附近提供给记录装置足够的反应时间

55 这部分取决于波束的大小 校准的孔的大小或最小目标 静态校准需要设置增益来获得需要的信号幅度, 但当仪器以高速扫查动态运行时, 被记录的信号幅度会小于静态校准的值 扫查速度可以以经验来确定, 或者规范 法规中基于探头 波束尺寸和 PRF 来规定的最大速度来确定 下面为计算扫查速度 Vc 的一个例子 : 式中 Wc 为探头设计时在适当工作距离内最窄的 -6dB 宽度,PRF 为探头有效的脉冲重复频率 在此例中 6dB 波束宽度内需要 3 个脉冲激发 在一个由多路器切换, 依次激发多个探头的系统中,PRF 需要除以探头的数量 尽管很多系统标称 PRF 为 2KHz, 当该系统接入 10 个探头, 对于每个探头有效的 PRF 仅为 200Hz 改进的技术不用考虑 PRF 的影响 在带有数字控制的数据采集系统中, 从激发晶片到采集 显示 存储接收信号的全过程均由计算机控制 这仍然存在一个主时钟, 计算机所有的事务按此时钟执行 例如, 管道环焊缝检测使用一对相控阵探头在扫查过程中很多事务被执行 整个焊缝被垂直分区并且每一区由一束波覆盖 ( 在焊缝另一侧覆盖是对称的 ), 每个分区都有一个带状图来显示闸门内的幅度和时间, 同时一些通道采集脉冲回波波形和 TOFD 波形 但对于数据采集系统来讲, 并无独立的脉冲发射器, 不停发射脉冲 扫查中所有的事务序列依据编码器变动 1mm 发出的脉冲而开始相关事务 当扫查器由电机驱动前进 ( 通过电机控制卡与计算机通信连接和控制单元来控制 ) 时, 编码器转动并且在单位距离内发射特定数量的激励脉冲 当编码器指示位于 1mm 间隔的起点时, 序列中的所有功能便开始 : 1. 计算机记录编码器的位置 ( 以规定的原点为参考, 以毫米或英尺为单位校准 ); 2. 计算机调入第一组聚焦法则 ; 3. 发射器以正确的序列和延时激发脉冲 ; 4. 接收器接收超声信号 ; 5. 对接收器所用的通道施加正确的增益 ; 6. 采集时间闸门内的时间信息 ; 7. 采集幅度闸门内的幅度信息 ; 8. 将幅度和时间存贮到存储器内 ; 9. 对所有通道重复上述步骤 ( 当可行时存贮波型信息而非幅度和时间 ); 10. 在监视器显示一条数据的图像信息 ; 11. 等待编码器下一个 1mm 变动, 依次重复

56 许多更细小的检查和功能被执行, 但总体而言影响这些工作传达的是许多功能都基于来自编码器的初始脉冲触发 有些系统的扫查速度约在 100mm/s 左右 这意味着在 1mm 内需要执行的上述事件序列中的所有步骤在 1 秒内将重复 100 次 这里仍存在一个限制就是计算机需在如此短的时间内完成所有处理, 若扫查速度太快以至于在此 1mm 内计算机不能完成所有处理, 那么此 1mm 的所有信息将丢失, 将在显示图像上看到一条黑线 图 4-29 就是当扫描速度很高时,C 扫描图像中出现丢失数据的情况 ( 丢失的数据为黑线或黑点 ) 图 4-29 丢失数据成像结果 此公式并不能应用于上述编码器触发的数据采集系统 事实上, 脉冲发射器的每一次激发是受编码器距离步长来控制的, 这就要求操作者需要确定 6dB 波束宽度 Wc 的尺寸并且保证编码器采样步长小于 1/3 的 Wc 尺寸来保证规范的要求 4.20 编码器 旋转光学编码器是用光来检测旋转轴的速度 角度和方向的一种传感器 线性编码器采取读出线带而非圆盘的方式, 同样可以为线性运动提供速度 方向信息 光学编码器采用光学原理而非接触法来检测位置信息, 因此, 它有无磨损且数字输出无抖动的优点 光学编码器的精度同码盘一样高 码盘图案由均带有高精度视觉系统进行闭环导引的精密数字绘图仪和冲压机或激光切割机生成 编码器常常采用 LED 点光源而非传统的 LED 或者灯丝光源 大多数光学编码器是发射式, 它将光校准成平行光并穿过圆盘或线带, 所成图像由相控阵单片传感器检测并转换成数字 TTL 正交输出 反射式编码器的反射码盘将校准光反射并检测, 其将所有电子器件装配在码盘一侧使之较发射式编码器更小一些 图 4-30 介绍了在编码器中使用光电二极管来产生正交编码输出, 输出中包含了距离和方向信息, 方向取决于两个脉冲信号的相位差

57 图 4-30 光电编码器组件 大多数增量编码器有一个在相位上与第一组脉冲存在偏移的第二组脉冲, 并有一个独立的脉冲指示每次编码器轮转动一整圈的时刻 若 A 脉冲超前 B 脉冲, 轮轴顺时针旋转 ; 若 B 脉冲超前 A 脉冲, 轮轴逆时针旋转 ;C 脉冲轮轴每转一周出现一次 图 4-31 示意了正交编码器脉冲模式提供的方向信息 ( 通道 C 作为旋转一周的参考脉冲 ) 图 4-31 光电编码器正交输出脉冲自动扫查系统装配的光学编码器需要校准, 具体做法是将扫查器在已知距离移动, 记录编码器产生的脉冲个数, 便可以确定校准系数了 ( 即确定 1mm 内的脉冲个数 ) 其他指示位置的装置还有电位器和旋转变压器 4.21 异步和同步系统大多数超声检测技术人员使用过传统单晶探头脉冲回波检测方式, 对 PRF 的概念非常熟悉 PRF 是超声仪器高压激励探头的脉冲频率 在由 PRF 控制多个探头的多通道系统中, 需要高速 PRF 时钟来保证所有通道在采样间隔内完成激发 当编码器生成的脉冲与超声脉冲存在交叠时, 在这种系统中, 超声 PRF 与编码位置脉冲称为异步, 两者间的关系由图 4-32 的上半部分来示意

58 用编码位置脉冲来同步超声激发脉冲以保证所有通道在采样间隔内完成激发为同步系统 同步系统只局限于计算机的计算能力 图 4-32 异步与同步系统 在使用相控阵系统产生超声信号时, 系统必须是同步的 在超声相控阵系统中, 可以认为每一个超声通道为一个聚焦法则, 那么编码器脉冲需在下一个脉冲前将所有聚焦法则触发 异步系统的数据采集单元在编码器脉冲间隔内采集数据, 并利用计算机算法选择闸门内信号的最大值 最小值或者平均值 这些值送至计算机做数据显示或者存贮 同步系统对于每个通道只有一个脉冲激励 ( 除使用多点平均显示外 ), 所以每个通道或每个聚焦法则只有单一闸门数据被传送至存贮器做数据显示 在超声数据采集系统中常应用 经验方法 这要求在 6dB 波束宽度内对每个通道至少激发 3 个脉冲 事实上, 一些规范或标准也应用下面的公式 : 当考虑扫查速度时,4-19 部分详细解释了该公式 对于同步系统来讲, 该公式同样适用, 需在 6dB 波束宽度内采集 3 个数据值 所以对于同步系统或者依据位置激发的系统来讲, 若波束宽度为 3mm 及以上时, 每 1mm 采集 1 个数据值是完全满足波束覆盖要求的 5.0 相控阵超声焊缝检测中校准与扫查的注意事项

59 尽管相控阵系统被用于无损检测的许多应用中, 但最多样化的应用之一是焊缝检测 传统单晶片类型探头的焊缝检测一般需要二或三个不同的探头来实现 这些探头通常使用一束波束检查试样, 斜入射波束产生的干涉可检出可能的分层缺陷, 可外加一个或多个对准焊缝的固定角度波束用于检测焊接或维修缺陷 检测参数如探头尺寸 波束角度 探头标称频率和扫描方式的允许值范围通常在说明或规范标准中给出 相控阵检测确切来说并不是无损检测工业中的一个新事物, 然而其规范没有得到有效的维护 相控阵应用一直被认为能够简单的使用现有的手动超声检查规则 但当使用高级相控阵技术时甚至最简单的管理规范 要求 都常常不能够符合应用要求 本章将讨论焊缝检测中的普遍规则 当传统超声和相控阵检测要求之间的区别引起争议时, 我们将指出并进行评论 5.1 相控阵校准 关于校准相控阵系统的问题主要与处理大量的变量有关 ( 与使用固定角度楔块的单晶片探头比较而言 ) 操作者可以根据与单晶片应用相同的原理选择特定频率的探头 然而, 之后的探头选择和使用其所需的信息变得更加复杂 当使用一个电子或扇形扫描时, 每个脉冲发射和接收器之间的电子差异及每个探头晶片之间的差异, 可能导致由一个聚焦法则到下一个聚焦法则之间轻微的增益变化 此外, 激发效率随角度而变, 并且随着与楔块 自然 角度的偏离而下降 当使用延迟线或折射楔块时, 楔块中的声程变化将导致一些聚焦法则需要更多或较少的放大器增益 因此为了对一个电子或扇形扫描中的聚焦法则进行 归一化, 需要一种用于增益变化的补偿方法 当一个相控阵探头配合延迟线或折射楔块使用时, 波束偏转和投影显示的计算依赖于费马原理 这要求操作者确定探头晶片的位置 ( 在 3 维空间中 ) 这可以确保准确得知到楔块 - 钢之间界面的声程 确保操作者所使用的坐标系能够提供正确的深度计算是必须的 这可以确保显示软件正确的定位检测到的缺陷 探头和楔块的参数设置通常使用如图 5-1 所示的用户输入菜单字段进行设置 注意对晶片总数和间距尺寸的需求位于探头输入部分

60 探头探头反向探头类型线阵探头扭转角度 ( 度 ) 晶片数晶片间距 (mm) 楔块楔块角度 ( 度 ) 顶部角度 ( 度 ) 声速 (m/s) 第一晶片中部的高度 (mm) 第一晶片中部在激活轴上的偏移量 (mm) 第一晶片中部在被动轴上的偏移量 (mm) 图 5-1 探头 - 楔块数据输入菜单 楔块所包含的信息有楔块角度 声速 与工件的距离和楔块上的一些参考位置的间距 ( 楔块后沿或楔块前沿 ), 这些信息可以用于软件计算费马方程 参考位置如图 5 2 所示 图 5-2 探头 - 楔块参考数值

61 楔块角度高度轴激活轴偏移量被动轴偏移量 每次在一个聚焦法则中都应对衰减变化和延迟时间进行补偿或者使用软件 向导 将软件设置为动态进行补偿 校准范围和 延迟 超声设备使用 A 扫描设置范围 这也适用于相控阵设备 对一个使用 0 度聚焦法则的电子扫描, 有无楔块, 范围的设置都与单晶片的 0 度探头相同 这需要简单的设置从平板 ( 如 25mm 厚的 IIW 试块 ) 的响应 操作者针对所选探头, 需要输入关于探头和聚焦法则的相应信息, 还包括工件的声速 ( 在这个案例中 IIW 试块的压缩波波速约为 5900m/s) 在没有 向导 的情况下每个聚焦法则中到第一个底波的距离需要逐一设置 对于 IIW 试块 25mm 厚度方向, 这一距离将为 25mm 如果一个向导可用延时校正传播时间, 由 μs 转换为 mm 声程 ( 也称为 半声程 ) 即可在一个步骤中配置所以的聚焦法则 这将需要定义如图 5 3 所示的电子扫描中所有聚焦法则由一次底波与二次底波之间的 深度 图 聚焦法则电子扫描的范围设置 探头底波红色闸门类似范围和延时的调整, 可为扇扫和使用带角度或延时线楔块的扫描进行楔块中传播距离变化的补偿, 但这些工作需要一个如 V1 或 V2 试块上提供的半径 设置如图 5 4 所示 下图 5 4 中的探头来回地移动, 当其中一个聚焦法则的波束垂直入射到半径上时, 可以看见达到峰值 由于材料声速和半径假定为已知值, 在钢中的时间能被计算出, 并且能够从时钟开始的总时间中减去 剩余的时间就是楔块时间, 利用总时间减去楔块时间就可提供 零 深度或入射表面

62 图 5 4 扇扫和带角度电子扫描聚焦法则的范围设置带折射楔块时扇扫中的延迟调整运动带折射楔块时电子扫描中的延迟调整运动带延迟线时 0 度的延迟调整运动 对应聚焦法则, 由半径反射的最大振幅对准 100mm 半径中心 对此聚焦法则, 这个 IIW 试块上带有标记线的对齐位置指示出了波束从楔块中的 出射点 在 V1 试块上来回移动相控阵探头的过程等同于单晶片探头确定探头 / 楔块 出射点 的过程 由于所有的相控阵系统都能够允许用户使用单个 A 扫描监控聚焦法则的响应, 这一过程也能够被用于说明所用的一系列聚焦法则出射点的移动 虽然操作者能够将出射点标记在探头上, 并以此来确认一个特定的角度 ( 使用与单晶片探头相同的过程 ), 但这通常不是为相控阵系统执行的一个功能 既然这里没有单个的 出射点, 相控阵楔块上也没有标记, 因此确定探头的出射点是与旧技术不同的项目之一 同样, 确认单一的折射角也不是相控阵的一个有用的功能 在本章后面将会看到, 大多数分析借助显示软件完成 旧的手动方法中, 操作者依赖于知道精确的角度和精确的传播距离以便在纸上手工绘制指示位置 实际角度中的任何错误都可能导致错误的缺陷位置 在相控阵系统中, 绘制由软件的计算能力完成 其准确性通过使用一个已知的校准 / 参考试块来确认 衰减补偿

63 设置灵敏度是许多无损检测系统中使用的标准功能 其主要功能是保证一个最小或商定水平的增益或 检测, 提供可重复检测的手段 可能存在的风险指的是 最小检测 标准 这意味着我们总能够发现一定尺寸的缺陷 然而, 当使用超声方法时, 放大器增益并不是决定能否检测到特定缺陷的唯一参数 相对于波束的缺陷走向, 缺陷大小, 针对缺陷的波束覆盖区域, 相对于脉冲频率成分的缺陷频率响应, 以及其它几个参数都在缺陷的 检测 中发挥作用 为克服上述不确定因素中的一些问题通常将 灵敏度 设置在一个固定的简单目标上 在检测焊缝时这些都是对称不变并且易于加工的形状 平底孔 (FBHs), 和横通孔 (SDHs) 制造简单并且在通常情况下适用性最强 表面凹槽也被使用, 但其非常依赖于角度 凹槽, 平底孔和横通孔都为评估不同声程下的波束灵敏度提供了选择 为避免成本高昂的校准试块所设计的距离增益幅值 (DGS, 或者德语中的 AVG) 方法是另一种选择 通过对参考幅值设置一个回波响应, 所有这些目标提供了一个可重现的参考, 并考虑了材料的衰减效应 然而, 使用相控阵技术时除材料的衰减效应外, 还需额外考虑其它的参数 这些参数主要用于处理楔块的变化 楔块衰减补偿的方法可以用于 1 维线阵探头电子扫描的楔块衰减评估 为弥补衰减的影响, 针对所使用的聚焦法则对相控阵系统进行设置 探头与带有已知深度横通孔的试块相耦合 IIW 试块中的 1.5mm 直径横通孔 (SDH) 是用于此目的的一种方便的目标 为设置第一个聚焦法则, 选择 A 扫描显示并来回移动探头以确定横通孔反射的最大幅值信号的位置 调整横通孔的回波高度到设定值 ( 例如 80% 的满屏高度 ) 并将参数保存在聚焦法则文件中 重复这一过程, 针对每个聚焦法则, 将横通孔的回波信号最大化并调整至 80% 满屏高度 (FSH), 完成后保存设置文件 或者这一过程也可计算机化, 以便于使用计算机来计算灵敏度调整的动态评估 一个动态评估将简单的要求操作者在横通孔上方来回移动探头, 保证所有聚焦法则的波束从横通孔目标上通过 相控阵系统将计算出楔块衰减修正, 从而保证每个聚焦法则检测到的横通孔回波振幅被调整到同一幅值 图 5 5 说明了 0 角电子扫描时的这一过程

64 图 5-5 电子扫描的衰减补偿 0 延迟线的灵敏度调整带折射楔块的电子扫描的灵敏度调整楔块衰减补偿评估需要确定在钢中固定的路径, 从而保证仅评估楔块变化产生的影响 对使用 1 维线阵探头的扇扫, 单一的 SDH 将导致不同角度在钢中的路径不同 这使得此方法不适合于这项任务 对于扇扫推荐的目标是半圆弧, 类似于 V1 试块中的半径 100mm 的半圆弧或 V2 试块中的半径为 25mm 或 50mm 的半圆弧 使用半圆弧进行扇扫设置还能提供角度变化时固有的回波透射率影响的修正 图 5-6 扇扫的衰减补偿

65 带折射楔块的扇扫的灵敏度调整 每个聚焦法则的优化响应最好使用一个能为每个聚焦法则自动调整增益的 向导 来实现, 从而使来自同一声程上的同一目标的回波幅值相同 图 5 7 说明的视图可以用于此目的 操作者将幅值级别设置到希望达到的程度 ( 在本例中为 80%) 然后如图 5 6 所示的那样来回移动探头, 可以看到每个聚焦法则的峰值振幅达到目标水平 ( 如波浪线 ) 聚焦法则 ( 沿水平轴显示 ) 提供峰值振幅, 然后由软件为每个单独的聚焦法则增加适当的增益, 从而调整其振幅水平达到目标水平 ( 例如此案例为 80%) 校准 : 灵敏度 图 5-7 针对衰减影响的自动增益附加 如果不能进行适当的补偿, 举例来说, 如果角度范围过大造成信号幅值无法有效的补偿, 则必须减小范围直到能够进行补偿 这仅可能发生在操作者试图建立一组波束偏转超过探头设计者推荐值的聚焦法则时 仪器线性 相控阵仪器内单独的脉冲发射和接收组件的操作本质上同任何单通道超声仪器是相同的 线性要求可以按照一些国家或国际标准 ( 例如 ASTM 317) 执行 然而, 由于所有相控阵仪器的数字化控制本质, 且事实上使用多个脉冲发射和接收器, 因此相控阵设备与传统的单通道设备的线性评估相比需要不同的方法 这包括对相控阵仪器 A 扫描显示的评估 首先调整 A 扫描的时基到一个合适的范围以显示用于验证线性的脉冲反射信号 选择一个类似 ASTM E 317 中所描述的线性试块来提供评估仪器线性方面的信号 图 5 8 中显示了一个单晶探头放在这样一个试块之上

66 图 5-8 相控阵线性试块 不同的声阻抗插头为验证线性, 根据频率和带通滤波器选择脉冲发射器参数以优化聚焦法则 ( 或可以使用一个单晶探头 ) 脉冲反射回波的响应 为显示回波高度并评估幅值控制的线性, 设置接收器增益以显示感兴趣的非饱和信号 显示高度线性连有探头 ( 横波或纵波 ) 的相控阵仪器耦合到任何试块时将产生如图 5 9 所示的 2 个信号, 调整探头使这两个信号的幅值为显示屏高度的 80% 和 40% 如果相控阵仪器能提供单晶片探头的脉冲回波模式, 则如图 5 8 所示的定制的带有两个声阻抗调节插销的平底孔线性试块提供上述信号 图 5-9 显示高度线性检验使用接收器的增益调节增加增益从而获得 100% 满屏高度的较大响应 在此增益下较低响应的高度以满屏高度的百分比形式被记录下来 注 : 对于 8 位的数字化系

67 统这个值应该为 99%, 因为 100% 将提供饱和的信号 然后较高回波的高度以 10% 为步长降低至 10% 的满屏高度, 并且记录下每个步长第二个回波的高度 将较大的回波调回 80% 以确认较小的信号没有因耦合变化从其原始的 40% 水平漂移 如果第二个信号的变化大于 41% 或小于 39% 的满屏高度则重复上述测试 作为一个可接受的容差, 由 2 个反射体产生的回波在 10% 到 100%( 当 100% 饱和时为 99%) 的满屏高度范围内应具有 2 比 1 的关系, 偏差不超过 +/-3% 的满屏高度 结果记录在一张仪器线性表内 幅值控制线性相控阵设备的级别主要由发射 / 接收器的数量和支持的晶片总数决定 一台 16/64 的相控阵仪器有 16 个发射和接收器用以支持最多 64 个晶片 一台 32/128 的相控阵仪器有 32 个发射和接收器, 并能够支持最多 128 个晶片 每个发射接收组件都经过检查以确定仪器放大功能的线性 要检查接收放大器可以选择一个晶片数与相控阵超声设备发射器数量一致的一维线阵平探头 ( 正交入射 ) 使用这个探头, 配置相控阵超声仪器进行电子栅格扫查 每个聚焦法则包含一个晶片, 扫描将从 1 号晶片开始, 于相控阵仪器中发射器数量对应的晶片数结束 将探头耦合到一个合适的表面以获得每个聚焦法则的脉冲回波响应 如图 5 8 所示的 25mm 厚的 IIW 试块底面回波或 20mm 厚定制的线性试块底面回波均提供了一个合适的目标选项 或者也可使用水浸检测 水浸设置不容易受从探头一端到另一端耦合问题的影响 选择相控阵仪器脉冲发射 / 接收器的 1 通道 使用 A 扫描显示, 监视所选目标的回波 调整增益使信号达到 40% 屏幕高度 如图 5 10 所示 图 5-10 设置第 1 通道的底波至 40%

68 逐步以 1dB,2dB,4dB 和 6dB 的增量增加接收器的增益 每次增加后移除所增加的增益以确认信号回到 40% 屏幕高度 以显示高度百分比的形式记录下信号的实际高度 然后, 调整信号高度到 100% 显示高度, 降低 6dB 增益并以显示高度百分比的形式记录下信号的实际高度 信号幅值应处于表 5 1 中所允许的高度范围所要求的偏差不超过 ±3% 显示高度的一个区域内 对其它所有发射 / 接收通道重复从 40% 初始水平调整增益的序列 对拥有 10 或 12 位幅值数字化器并配置为可从闸门区域读取超过显示器上可见范围幅值的仪器, 可以使用较大范围的检查点 这些仪器使用闸门的输出取代 A 扫描显示用于验证线性 ( 注 : 一个幅值大于 100% 显示高度的例子如 A7 4 所示, 其中闸门 A% 显示了一个 200% 的信号, 闸门 B% 显示为 176%) 时基线性 ( 水平线性 ) 显示 的时基评价已经过时了, 那是在模拟阴极射线管时代, 其用于显示时基的磁偏转板常常不稳定或容易受撞击而错位 尽管已经过时, 此功能仍然在数字显示中执行 相同的功能可以检查相控阵仪器, 只需要使用单通道 ( 因为 显示 等价的应用于所有通道 ) 检查显示 为评估时基, 设置相控阵仪器显示一个 A 扫描 选择任意的压缩波探头或 0 压缩波聚焦法则, 并设置相控阵仪器的显示范围, 可显示一个已知厚度的试块产生的至少 10 次背面反射回波 25mm 壁厚的 IIW 试块是进行此项测试的一个方便的选择 设置相控阵仪器的模数转换率 ( 采样频率 ) 到至少 80MHz 将探头耦合到试块, 如图 5 11 所示,A 扫描显示出 10 个清晰定义的多次回波, 可以用显示软件对相邻底面回波之间的间隔进行评估 图 5-11 水平线性的 A 扫描显示

69 试块的声速应使用类似于 ASTM E 494 中所描述的方法预先确定 这些都包含在显示软件中, 并且显示设置为可读出距离 ( 厚度或真实深度 ) 使用参考和测量光标确定每个多次回波之间的时间间隔, 并记录前 10 次回波的间隔 基于由模拟数字转换率得到的一个相应距离, 可接受的线性能通过一个误差容限建立 例如 100MHz 下, 时基的每个采样为 10ns 脉冲回波模式下,5900m/s 的钢中沿着时基 (10ns) 的每次采样代表 30μm 大多数模拟到数字的系统能够实现误差为 ± 3 的定时采样 可以允许一定程度下的速度测量误差 (~1%) 对一块钢板来说, 通常多次回波的误差不应超过 ± 0.5mm 表 5 1 显示了线性检查的一个采样记录表 表 5 1 线性验证报告表 地点 日期 操作者 签字 仪器 耦合剂 脉冲电压 脉冲宽度 接收器 ( 带宽 ) 接收器平滑 数字化频率 (MHz) 平均滤波 显示高度线性 幅度控制线性 大 (%) 小 允许范围 小实际 (%) 指示高度 允许范围

70 幅值控制线性通道结构 :( 注明所有未进入允许范围的通道 ) 通道 ( 对 32 或 64 发射 / 接收单元可按需增加 ) 时基线性 ( 针对 25mm IIW 试块 ) 回波次数厚度测量间隔允许偏差 有效晶片评估 这个评估是用来确定相控阵探头所有晶片的有效性和声学能量的一致性 在相控阵探头的一般操作中, 每个晶片由一个独立的脉冲发射和接收器处理 相位

71 原理认为每个晶片与其相邻晶片的贡献相同 为确认构造了一个统一的波束, 必须使用一种方法来确认相控阵仪器晶片与晶片之间电气性能的一致, 并且确保任何的差异归因于探头自身 选择一个单独的发射 / 接收通道处理每个晶片, 从而确保晶片性能的任何变化仅由探头制造决定 为独立的评价每个晶片, 将延迟线或折射楔块从待检的相控阵探头上拆除后将探头与相控阵超声仪器相连 然后将探头与 25mm 厚的 IIW 试块通过一个均匀的耦合剂层进行声学耦合 这可以通过一种接触间隔技术来实现, 例如将探头试块界面置于水中 ( 以确保均匀耦合 ) 或者可以使用一种固定水程的水浸方法, 并以监视水 钢界面的信号替代钢壁厚度 设置一个由一个晶片组成, 每次步进一个晶片直到阵列晶片总数的电子扫描 应确保每个聚焦法则都使用 1 号发射 / 接收器或通道可选时每个晶片都使用同一个通道 为优化回波, 针对探头的标称频率设置发射参数, 并为探头的每个晶片建立一个从试块底面或水程反射的 80% 显示高度的脉冲回波 观察阵列中每个晶片的 A 扫描显示, 并为每个晶片记录达到 80% 信号幅值时接收器所需的增益 结果可以记录在类似表 5 2 的表格中 注明并记录下任何没有提供底面或水程信号的晶片 ( 失效晶片 ) 如果预先打包的程序能够用于检查晶片的有效性, 也可选择使用 表 5 2 探头晶片有效表 : 输入达到 80% 满屏高度的接收器增益晶片增益有效失效

72 采集的数据被用于评估探头的一致性和功能性 利用存储在文件中相同的仪器设置 ( 包括增益 ) 与前面的评估进行比较 提供 80% 回波的接收器增益应该在前面任意评估的 ±3dB 范围内, 并且彼此的差异也应在 ±3dB 以内 一个探头中失效的晶片总数和相邻的失效晶片数应与书面工艺一致并明确标识 对基准线和在役检验这个数字可能不同 一些相控阵探头可能有几百个晶片, 甚至新的相控阵探头可能发现存在失效晶片, 这是由于在毫米尺寸上的分段排序使得保证晶片电气连接的制造困难所致 允许的失效晶片数量应基于其它功能的性能, 例如所用聚焦法则的聚焦和偏转限制 对于所有的相控阵探头而言, 无法为失效晶片制定简单的规则 通常, 如果一个探头超过 25% 的晶片失效, 灵敏度和波束偏转功能将受到损害 同样, 允许的失效相邻晶片数也应由具体应用所需的偏转和电子栅格分辨率所决定 耦合稳定性是对比评估的基础 如果使用接触法时, 晶片评估中生成的信号超过 ± 3dB 范围, 应检查耦合情况并重新测试 如果仍然超过可接受的范围, 探头应终止使用并在进一步使用前先行校正 水 / 钢界面使用固定水程的测试可以减少耦合变化 条件允许下, 在终止使用探头前应更换缆线以确认失效晶片不是由于缆线损坏造成的 可以制作缆线导通适配器用于多股导线连接器的独立测试 这些适配器能够与相控阵仪器直接相连从而验证所有输出通道是否有效或连接到探头末端的缆线用以显示中间连线的独立同轴连接器的连通性 图 5 12 说明了一个用以确认相控阵仪器或缆线失效通道显示的示例 图 5-12 B 扫描显示晶片有效性 每条水平彩色线表示一个单独的晶片 ( 通道 )

73 缺失线 ( 无颜色 ) 显示失效晶片 ( 可以看到 3 个失效晶片 ) 波束特性描述 ( 轮廓描述 ) 波束特征描述是大多数应用中一个常见的步骤 当波束沿轴线移动时, 波束的尺寸是检测能力和尺寸测量方法的一个重要组成部分 不论水浸还是接触法探头均可使用这些程序来满足应用 如果没有采取适当的预防措施以保证稳定的耦合条件, 接触法探头的评估可能会受到不良影响 对于固定波束并且探头在水浸设置下使用的单个聚焦法则, 可以选择使用如 ASTM E 1065 中所述单晶片特性描述方法中叙述的球形目标或水听器 对利用多组聚焦法则生成扇形或电子扫查的相控阵探头, 有可能无需或仅需微小移动即可完成波束轮廓描述的评估 当使用机械运动时, 其编码精度相对于信号时间和移动距离的幅值要更高 线阵探头有一个主动平面和一个非主动或被动平面 在主动平面里对波束的评估应使用一个具有足够多数量晶片的探头, 使用电子扫查序列, 利用电子推进方式通过目标 对于相控阵探头, 当使用大多数可用晶片形成波束聚焦法则时, 剩下的可用于电子删格扫描的晶片数量很少, 导致无法使波束通过目标 在这种情况下, 编码的机械移动和沿主动平面对每个聚焦法则进行单独评估将是必要的 可用使用 SDHs( 横通孔 ) 对接触探头进行轮廓描述的评估 在一个与聚焦法则计划使用的材料相同且无任何缺陷的试样中, 横通孔排列在不同深度上 使用相控阵系统的线性扫描特性, 波束可通过不同深度上感兴趣的目标 电子扫描如图 5 13 所示 图 5-13 横通孔的外形轮廓电子扫描

74 使用装有楔块的相控阵探头的电子扫描可以生成类似的数据显示 这将使用一个简单的时间对应位移的正交显示或如图 5 15 中描述的进行角度校正的显示 图 5-14 角度校正后的横通孔轮廓描述 B 扫描显示 偏离轴线的波瓣效应沿位移轴的分辨率是电子扫描步进距离的函数, 或当扫描使用固定分辨率的机械编码器时分辨率依赖于采样中所用的编码器步长 沿波束轴的分辨率是数字化频率和目标路径间距的函数 对高度聚焦的波束而言, 可以认为声波路径和目标路径之间差异很小 ( 例如 1mm 或 2mm) 在被动平面也可进行波束轮廓评测 线阵探头的被动平面垂直于主动平面并指向无法由相控阵效应形成波束偏转的平面 在被动方向上的波束轮廓描述需要机械扫查 结合主动平面上电子扫描和被动平面上编码机械运动, 采集信号波形以提供数据, 这些数据经投影校正后提供被动平面上的波束尺寸 图 5 16 举例说明了一种被动平面上的波束评估方法 这种技术使用了一个由一系列阶梯深度的底部钻孔得到的弯角反射 图 5-15 被动轴上的波束轮廓评测图 5 16a 描述了图 5 15 显示的步进间距的另一种方式 在这个案例中垂直于所需的折射角度布有一个通孔用于提供到目标的连续过渡的路径长度

75 图 5-16a 主动和被动轴的组合波束轮廓评测 电子扫描斜瞳孔步进聚焦法则机械扫描通过使用投影 C 扫描表现采集到的数据, 可以基于颜色或灰度显示的波幅落差评估波束的尺寸 投影 C 扫描选项如图 5 17b 所示 图 5-16b 主动和被动轴的组合波束轮廓评测投影 C 扫描选项 被动平面主动平面 相控阵波束偏转范围的确定 应注意到在相控阵探头设计中有的因素将限制波束与垂直方向偏转的角度 这些在 中给出并解释 : 偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有关 : 最大偏转角度 ( 6dB 下 ), 由下式给出

76 其中 :λ 是波长,"e" 是单个晶片宽度制造商通常会根据这一原理并留有一些余量的提供关于限制的指导 因此可以在标称频率和制造商提供的晶片尺寸信息的基础上计算理论值 然而, 一些参数可能影响到理论计算 这些参数主要与探头的标称频率有关 一些影响实际频率的参数包括 : 脉冲长度 阻尼 使用延迟线或折射楔块以及厚度研磨和层匹配的制造过程中产生的差异 特定情况下, 当要求说明系统限制时, 用户也许想要确定特殊的探头和楔块组合的限制 偏转的限制不能简单的由看到 IIW 试块嵌入物有多少个角度能被检出 偏转能力通常基于不同角度位移下的信噪比的比较 偏转能力也会受到项目要求的影响 要求必须聚焦的应用和强调波束偏转的应用所能到达的限制不同 偏转能力可以特别针对一种声程距离 孔径和材料 以下推荐的方法使用一系列的横通孔和为此用途配置的一套相控阵系统 ; 例如有无折射楔块或延迟线, 不聚焦或一个定义的聚焦长度和具体的测试材料 准备一个带有一系列横通孔的试块, 以满足应用中不同距离的使用要求 横通孔样式如图 5 17 或 5 18 所示 当不使用聚焦或聚焦在一个固定的声程距离时孔的显示如图 5 17 这些孔位于距探头放置中心 25mm 和 50mm 的距离, 孔间间隔为 5 图 5-17 波束偏转评估试块 - 常量声程

77 图 5-18 波束偏转评估试块 - 固定平面声程 距出射点 50mm 的垂直平面距出射点 25mm 的水平平面试块尺寸 150mm 100mm 25mm 类似的评估可用于不同的应用 当准备一套聚焦法则用于提供在平面上的分辨率而不是一个声程距离上的分辨率时, 此平面可以被用于波束偏转范围的评估 用于评估的试块在目标平面上布置了若干横通孔 试块如图 5 18 所示, 在距出射点指定距离的垂直和水平平面上加工了一系列孔 横通孔也可布置在其它感兴趣的平面上 ( 角度 ) 使用如图 5 17 所示的试块进行评估, 探头地放置应满足入射的波束中心位于指示中心线上 当探头不使用延迟线或折射楔块时, 聚焦法则晶片阵列的中点与中心线对齐 聚焦法则仅使用全部可用晶片的一部分时, 晶片孔径的中点应与中心线对齐 当使用延迟线 折射楔块或水浸法时, 需要进行校正以补偿沿试块进入表面的 明显的 出射点的移动 当探头与如图 5 18 所示的验证试块直接接触使用时, 中心线的任何一侧都缺少对称性妨碍了正向和负向扫查角度的连续评估 当使用这种样式的试块时, 为从两个方向评估扫描范围需要先从一个方向对探头进行评估, 然后将其旋转 180 对反向扫描进行评估 A 扫描样本之间的角度步进会影响测量的角度范围 角度偏转评估中推荐扇扫采样间最大值为 1, 然而角度步进受系统激励脉冲和晶片跨距特征之间的时间延迟能力限制 大多数如图 5 17 和 5 18 描述的目标相距 5 ; 也可以使用再大一些或小一些的间隔, 这取决于所需的分辨率 当然, 这也意味着这些试块需要基于所要达到的

78 容限进行定制 使用两个相邻横通孔的回波信号幅值的最大和最小值的 db 差来进行偏转范围的评估 例如, 当一个相控阵探头设置为在如图 5 18 所示的试块上扫描 + / 45 时, 一对横通孔的最高回波达到了 6dB 的间隔, 则可认为是此探头设置的最大偏转能力 但是 6dB 的间隔不一定总能满足需要 可接受的偏转范围, 即最大最小的角度, 能够通过在相邻孔之间达到预先指定的 db 差来决定 可以选取 6dB 或 20dB( 或一些其它值 ) 作为所需的间隔 偏转能力是系统规格的一部分 ; 例如, 一套相控阵系统要求达到的最小偏转能力为从标称的中间角度正负 20 的 2mm 直径横通孔的分辨率为 5 与此相反, 一套系统可能只限制扇扫不得超过指定信号间隔的评估角度, 例如间隔 5 的 2mm 直径横通孔之间 20dB 另一种评估可以使用在特定深度或声程距离的单个横通孔 显示所使用的最大和最小角度的 A 扫描, 可以通过观察峰值回波的信噪比对偏转能力进行评估 这种方法能够将偏转范围预先定义为能达到的信噪比 在任何情况下, 评估偏转范围时, 都必须小心观察栅瓣信号 栅瓣信号可能出现在与主信号或 预期 信号有显著角度间隔处 此外强烈的栅瓣可能出现在偏离主 ( 预期的 ) 信号所在轴 之处, 栅瓣也可能出现在分离模式中 例如 ; 预定的聚焦法则将形成一个 55 横波脉冲, 但是它也在 80 产生了一个强烈的压缩模式 这会导致从执行实际检测的几何来源处产生误导信号, 致使操作者要求对不存在缺陷的地方进行修理 5.2 扫查校准在 中我们接触到了设置延迟和灵敏度 相控阵检测中需要延迟调整以确保分析软件正确的识别探头或探头 楔块和试样之间的界面 在楔块内衰减效应的相关部分讨论了灵敏度 准备进行焊缝探伤时对材料衰减和波束扩散的影响也要补偿 对手动超声技术这些通常使用距离波幅校正 (DAC) 曲线或时间校正增益 (TCG) 或理论 AVG 或 DGS 曲线来处理 相控阵检测也可使用一个类似的函数 衰减和扩散效应可以近似的表示为一个指数曲线 其中 V d 为在衰减系数为 α 的材料中一定距离 d 处的信号测量高度,V 0 为初始信号 ( 电压 ) 这里假设材料是各向同性的 ( 所有方向的衰减相同 ) 中描述的灵敏度校正使用一个固定金属声程的单一目标 ( 电子扫描中的一个固

79 定深度的横通孔或扇扫的一个半圆 ) 这不仅为了校正不同聚焦法则中楔块路径的差异, 也为了校正较高的折射角度因反射 透射效应导致在发射和接收信号时的效率降低 一旦对楔块和反射 透射进行了补偿, 这就只剩下衰减的指数下降效应要在相控阵灵敏度设置中处理 这减少了与单晶片探头一样的使用一系列不同声程的相同目标 ( 例如平底孔或横通孔 ) 对材料衰减效应进行补偿的过程 目前在相控阵使用中没有实现 AVG/DGS 曲线的选项 然而,DAC 或是 TCG 选项都能适用于相控阵检测 在相控阵单元中使用 DAC 是可能的 ; 但其适用性仍有争议 操作者使用 DAC 作为制图或计算曲线, 将其关联或不关联闸门系统, 以便于当信号打破 DAC 时发出一个警告 但是使用 DAC 将仅限于设置为单个聚焦法则的系统的应用, 操作者使用探头如同使用单晶片探头一样 图 5 20 显示了一个在 35 横波聚焦法则 A 扫描显示上构造的 DAC 图 5-19 一个相控阵聚焦法则的 DAC 大多数相控阵应用都使用投影扫描 (B 扫描,C 扫描和 S 扫描 ) 进行分析, 并且看不到实际的 A 扫描, 除非为了尖端尺寸特征描述需要信号的某些方面 使用颜色表示波幅的彩色调色板组成投影扫描, 因此 A 扫描上的 DAC 对分析没有帮助 相反, 为使操作者能够对投影扫描应用分析技术, 所有特定颜色的信号应当与已经为声程传播校正过的波幅相关 这通过 TCG 实现, 时间上较晚的信号随传播时间增加而提高的增益进行放大 通过把相同大小的目标设置在递增的深度上并使信号回波达到一个常量水平来设置 TCG 当完成时, 一系列相同直径的横通孔拥有同样的波幅而与到横通孔的距离无关 如图 5 20 所示

80 图 5-20 一个相控阵聚焦法则的 TCG 在此形成的错觉是可能认为相控阵系统存在一个问题 看起来每个聚焦法则都需要一个单独的 TCG 这在构造时将会非常耗时 然而, 应该记住如果延迟和楔块衰减的作用在初始设置时已经过处理, 则仅有材料衰减和波束扩散会降低目标的反射回波 那意味着系统将楔块和声波传播的延迟和灵敏度补偿步骤合并, 因此仅一个 TCG 即可被应用于所有的聚焦法则 需要注意的是操作者观察到被 TCG 覆盖的 A 扫描! 如果时基为真实深度单位时 ( 即角度校正 ), 操作者观察各个 A 扫描时, 将看到 TCG 的一个明显的移动 然而, 如果显示设置为 half path, 同样的 TCG 将应用于所有聚焦法则 图 5 21 描述了在一个典型的校准试块中随时间增加 ( 声程距离 ), 一系列聚焦法则通过横通孔后如何产生相同类型的幅值下降模式

81 图 5-21 使用横通孔校准相控阵聚焦法则 5.3 相控阵技术发展 5.1 节中建立了特性验证方法,5.2 节中建立了典型焊缝体积检测的扫描灵敏度设置方法, 下一步将讲述怎样使用相控阵波束提供有效的焊缝检测 为了达到这个目标, 我们认为大多数可能的缺陷类型与焊缝中心线方向平行 因此尽量对焊缝体积和热影响区 (HAZ) 提供有效的的波束覆盖, 以检出未熔合 未焊透 夹渣 气孔和中心裂纹等缺陷 通常在大多数焊接工艺中很少出现横向裂纹 ; 如果需要对其检测, 可以增加例如具有波束扭转能力的二维面阵和多探头配置或侧转探头使波束指向与焊缝轴基本平行 为焊缝检测做准备时, 操作员使用相控阵仪器和技术要考虑的必要参数与使用单晶片手工扫查时非常类似 每个参数都在手工扫查中存在对应 参数 相控阵 单晶片 角度 允许的单一角度或角度范围 每个探头仅有一个角度 孔径 在主动方向可变, 被动方向固 单个探头尺寸的选择 定 频率 每个探头有单一频率 每个探头有单一频率 显示 扇扫 / 电子扫描 ( 其它 ) 仅有 A 扫, 除非机械化扫查 ( 但永远没有扇扫 ) 手工或机械 均可 均可

82 5.3.1 手动栅格扫查扫查技术能够发展为使用相控阵探头作为一种手持手动操作的部件, 操作与使用简单 A 扫和单晶片探头进行传统焊缝检测的栅格扫查方式相同 然而, 使用相控阵探头, 操作者可以监视扇扫并使用屏幕中出现上下检测面的显示辅助定位原始信号 较之于电子扫描, 扇扫更可能在相控阵探头的手动栅格操作中使用 编码线性扫描 虽然可以使用典型单晶片技术的手工栅格移动来完成相控阵焊缝检测, 但相控阵焊缝检测的最大优势是使用不同的机械化角度 焊缝检测的机械化不需要像使用二轴或三轴电机驱动的运动控制那样复杂 机械化的最简单形式是将探头与一个编码器相连, 然后沿焊缝移动 这种简单的 线性扫查, 被证明是相控阵焊缝检测最流行的选择 这种简单的线性扫查选项也增强了它的角度 当焊缝盖帽未被去除时与焊缝的距离控制有时候只需要操作者尽可能的靠近焊缝滑动探头即可满足要求 这种方法产生的距离变化相对较小, 大约 3 4mm 可以通过使用直尺导向进行提高 在检测钢制构件时, 可以使用磁条 大多数标准要求从焊缝的两侧 ( 当可能时 ) 对焊缝进行检测 使用单个相控阵探头时需要两次扫描 然而, 一些相控阵系统可以同时安排满足两个相控阵探头 于是相控阵仪器必须设置合适的参数输入采集数据以确保缺陷位置的旋转正确 ( 即两个探头之间偏转相差 180 ) 装有编码器的单和双相控阵如图 5 24 所示 图 5-22 相控阵探头和编码器编码器喷水连接器双探头架使用磁性导向条 ( 如图 5 23) 能够很好的控制偏移距离, 且能够显著提高缺陷定位

83 精度 牢固的导向条做为移动的依靠还有助于改善耦合, 防止运动不顺畅 ( 可能由于速度过快导致丢失数据 ), 并且通常能够通过避免因丢失数据或耦合不良造成的重新扫查而加快整个数据采集的过程 图 5-23 使用带导向条的相控阵探头和编码器 带有固定轨道 装有电机的运动控制能够进一步增加过程的机械化程度 当对一个外形相同的部件 ( 例如管道环焊缝 ) 需要很高的检测效率时, 可以使用定位环来帮助快速安装和拆卸扫查装置 扫查装置可以是一个简单的单或双探头支架, 或在一个单独的固定装置上安装多个相控阵探头, 以满足更复杂的扫查 ( 见图 5 24) 图 5-24 装有电机的相控阵扫查器

84 5.3.3 焊缝检测建模 - 扫查计划几乎所有的国家和国际标准都要求包含一份试样体积 ( 波束 ) 覆盖的描述 根据特定工业地点所用的术语的不同, 这个描述被称为 扫查计划, 扫查技术, 或者工艺, 使用单晶片固定角度波束的工艺相对简单, 并且通常使用一幅 铅笔草图 就足以显示探头的移动, 实现焊缝和热影响区的覆盖 对于处理插管时三维问题的复杂性和处理扇扫可用扫描角度时诸多可跳过的选项, 许多用户发现, 开发计算机辅助绘图软件将便于处理上述问题 一些选项被开发出来 ; 基于试算表 简单的光线追踪 复杂的光线追踪 有限元模型为了简化分区鉴别的过程, 具有硬件反馈的建模工具被开发出来 所有的相控阵聚焦都基于 Fermat 模型, 凭借使用一个沿指定路径的最小到达时间来计算聚焦法则延迟 于是环焊缝检测软件允许操作者通过输入近似值定义坡口形状 定义希望的区域数量来设计焊缝 聚焦法则参数显示在一张表格中, 波束中心图像提供了波束方向和聚焦位置的显示 ( 见图 5 25) 图 5-25 基于试算标的波束模型 使用相控阵探头进行焊缝检测, 要在单一直线扫描中尽量减少探头移动, 这需要制定方案以保证波束的充分覆盖

85 扇扫通常能够使用一个单探头偏置完成简单的对接焊检测 然而, 为使每个体积区域能够有至少 2 条不同角度的声束穿过, 通常需要至少 2 组扇扫和一个有足够晶片的探头, 这些晶片能够提供 S 扫描聚焦法则起始晶片具有足够距离 使用简单的光线追踪模型完成优化, 显示带有允许的盖帽的焊缝, 热影响区和探头 / 楔块尺寸 图像显示了一对相控阵探头放置在一个 50mm 厚板上在两侧, 每个探头有 2 组扇扫 (45 70 ) 能够看出图 5 26 中每侧单个扇扫的覆盖是不充分的, 无法达到整个体积的覆盖 图 5-26 简单的光线追踪波束模型 制造商提供了更多与相控阵聚焦法则设置相关联的复杂模型的选择 ONDT( 奥林巴斯 NDT) 开发了高级聚焦法则计算器,Harfang 微电子提供了他们的 Phase FX 软件用于波束成型延迟和组合聚焦 当所需的阵列是具有超过单个平面偏转能力的二维阵列时 ( 见图 5 27) 这些软件是非常有必要的 ( 且是绝对必要的 )

86 图 5-27 相控阵波束成型模型 Phase FX 高级聚焦法则计算器显然, 由波束的有限元计算提供波束模型是最详细的 ( 也是最复杂和最耗时的 ) 一些程序现在不仅能够对波束路径和形状还能对特定条件下的预期的 A 扫描做出很好的预测 图 5 28 描述了相控阵探头在 4 个不同位置向焊缝移动过程中进行的 4 个扇扫 焊缝模型是一个在带有不锈钢包覆层的碳钢上的奥氏体焊缝 ( 如 B 扫描轮廓所示 ) 在图像的右下方可以看到一个 A 扫描, 显示了一个位于焊缝金属中的缺陷, 在缺陷信号之前还出现了晶粒结构的 噪声 散射效应 ( 这个图像来自 L. Le Ber 的演讲并使用了 CEA 的 CIVA 仿真软件 ) +4 位置步进累积的扇形扫查信噪比预测 图 5-28 基于有限元的相控阵波束预测模型

87 允许检测效果优化 ( 例如幅值阈值...) 5.4 相控阵数据分析数据采集及设置软件给操作者提供了许多选项, 通过这些选项, 操作者可以设置聚焦法则, 而且可以确保采集的数据满足工艺设计的要求 数据采集时, 使用编码器进行采集是首选的方法, 同时大多数设备也提供了基于时间采集数据的方法 ( 例如每秒采集一定量的数据样本 ) 基于时间采集数据的方法可用于分析指定位置的数据, 但如果要对缺陷精确测长时, 应该使用编码器采集方法, 因为真实的长度单位更有助于操作者对缺陷进行测量 在进行扫查参数设置时, 操作者不需要使用太多的视图 仅使用 A 扫视图来查看波幅, 设置 TCG 曲线及范围 实际检测中使用的所有基本参数设置都包含在检测参数表中 这些参数对于不同检测工艺的对比 ( 保证工艺能正确实施 ) 是非常有用的, 同时检测参数表中提供的参数设置可以在后续的检测中反复使用于相同的工艺 虽然检测参数表的格式 / 布局会因生产商或检测公司的不同而有一些变化, 但参数表中所记录的各个条目通常来说是类似的 图 5-30 介绍了一种典型的参数设置表格式, 应该注意的是, 检测参数设置表一般会标出 设置文件名 检测中使用所有的参数会存储到特定的文件中 这样便于操作者在后续的检测中及时查找这些基本参数 在现场数据采集时, 由于 B 扫包含了扫查路径上所有数据的完整波形显示, 操作者通常设置一个 B 扫视图, 通过该视图来评估扫查质量 同时操作者还可以通过 B 扫来评估扫查中探头与检测面的耦合是否完好, 扫查速度设置是否恰当 ( 例如, 为了避免丢失数据, 扫查速度不能设置太快 ) 在没有导向磁条或探头固定装置的情况下使用单探头进行检测时, 为了确保探头不偏离焊缝, 可以利用焊缝几何特性诸如余高及根部几何特征, 通过监控扫查开始后探头的距离变化量来保证扫查质量 ( 在扫查开始点时, 假定探头是被准确定位的 ) 文件存储及命名协议在扫查完成后, 如果采集的检测数据可以很好的用于后续的数据分析, 操作者可以将这些数据作为一个文件存储下来 实际的检测中将检测数据存储于一个文件下并不实用 在许多项目中可能会扫查成百上千米的焊缝数据 每条焊缝可能就有 20-30m 长, 可以将其分成 0.5-1m 作为一段数据, 对每段数据冠以合适的文件名, 这样做对于分析检测数据及编写检测报告都是非常有好处的 项目结束时, 常常要求提交带有原始数据的检测结果, 这些原始数据存储在 CD DVD 或其他类似的存储设备中 在检测报告中可以通过文件名对原始数据进行准确的追溯 检测报告中不需要提供单个的文件名, 然而, 无论使用什么系统, 这些文件名都会作为报告工序的一部分被记录 数据分析显示显示选项 由于相控阵设备能够采集到不同角度及步进距离的脉冲回波数据, 因此, 对于数据

88 分析来说, 如何显示相控阵数据是非常重要的 为了对焊缝检测数据做出合理且快速的判定, 操作者需要确定怎样最好的排列这些数据显示视图 分别查看每个 A 扫视图通常并不是一种高效的方法 再者, 单个的 A 扫视图并不能反映整个扫查段的总体状况 可使用的视图选项包括 : 俯 / 侧 / 端视图 未进行体积校正及体积校正的视图 极坐标视图 扫查视图 投影图 ( 某角度截面的投影或指定平面的投影 ) 所有的融合数据或选定的聚焦法则 除了上述的视图之外, 还有一些视图增强功能选项 这些选项随软件而定, 大致包括 : 轮廓图 ( 焊缝外形, 缺陷 ) 阈值调节 电子增益 ( 软增益 ), 调色板 像素平滑 时基轴选择 ( 如半声程, 真实深度, 时间 ) 光标 ( 包括标记器和参考及测量指针 ) 熟悉并正确区分这些透视图对于正确地分析所采集的数据是非常关键的 为了达到这个目的, 早期的 R/D 公司开发了能对应各个视图的三维立方体模型 图 5-31 介绍了俯 - 侧 - 端视图, 当使用相控阵探头对焊缝进行扫查时, 在每种视图中都可以看到相应的数据显示 在 5-29 中描述了和左面视图相关联的相应的超声数据显示方式, 在图中左侧为各类视图, 在右侧是与其相对应的焊缝立体模型及相控阵探头 值得注意的是 : 不同视图间相同轴的颜色显示都保持一致 主视图显示了沿焊缝方向的扫查长度 ( 以相应的蓝色显示 ) 及以绿色显示的步进 ( 探头相对于焊缝中心线的距离 ) 深度显示可以以时间 半声程 真实深度 ( 进行了角度修正 ) 及 TOFD 来显示 超声轴一般以红色来显示 图 5-29 立方体视图

89 典型的数据分析及其视图显示和扫查方式及扫查的各组成部分都有关系, 图 5 30 是对于管节点焊缝从内表面进行扫查的示例 在本例中, 为增强视图的显示功能而增加了焊缝轮廓 操作者通过焊缝轮廓功能可以看到超声波束在焊缝中的具体位置 由于步进偏移距离是探头前沿到焊缝中心线的距离, 因此操作者必须在设置中正确设定步进偏移以便于视图中正确表示探头离焊缝中心线的水平距离 图 5-30 管节点焊缝的俯 - 侧 - 端视图 图 5 30 中由相同扫查区域的两组视图组成 在左边一组视图的俯视及侧视视图中可以看到位于垂直的红色光标上的红色点状物 ( 缺陷信号指示 ) 通过视图 联动 功能, 我们可以在右上窗口经过 体积校正 的扇扫视图中看到左侧视图中红色光标上的红色点状物信号 在右上窗口扇扫视图中点击鼠标左键, 将该视图的黑色定位指针拖动到红色 ( 最高波幅 ) 显示上, 使指针穿过该信号的最高波幅处 软件显示出最高波幅位于聚焦法则为 53 的位置 通过视图中 焊缝描述 功能, 操作者能够看到该缺陷信号位于焊缝中心线前 6mm 的位置, 在视图左上部的窗口中可以看到较弱的线性显示贯穿整段扫查长度, 这条显示是由于根部的几何反射信号引起的 焊缝整体笼廓由以焊缝余高面为镜面的镜像图形组成 因此, 我们可以通过底面反射的第二个半跨距将根部缺陷及几何反射信号检测到 由于这些视图是联动的, 如果将位于端视图 ( 经过体积校正的扇扫 ) 中的黑色光标移动到该视图中没有缺陷的另一个角度 (61 ) 时, 俯视图及侧视图被更新, 同时可以看到该角度下俯视图及侧视图中的任意扫查位置都没有缺陷显示 在上面两组视图中都包含了 A 扫描, 我们可以看到右上窗口扇扫视图中黑色指针所指示缺陷信号在右下方有相应的 A 扫描与之对应 A 扫描中波幅的高低与黑色指针和缺陷显示交叉点处的不同颜色直接对应 在同一焊缝中, 缺陷显示在焊缝中的位置不变, 因此, 我们可以通过分析焊缝另一侧的扫查数据来证实目前的扫查视图中相应显示是否为缺陷, 并可以更加确定其距焊缝中心线的距离是 6mm 图 5 31 中使用从焊缝两侧扫查 ( 如 90 及 270 偏转角 ) 所得到的经过体积校正的扇扫视图来进一步证实缺陷的位置 在图 5 31 右侧的显示表明该缺陷信号确实位于侧视图中对应根部几何形状的直线之后

90 图 5-31 使用焊缝两侧的两个扇扫来确认缺陷位置 通过简单的模型我们可以看到, 在焊缝任意一侧使用一对扇扫, 均不能达到对整个焊缝的完全覆盖, 即使使用来自于管外壁的反射波也不能完全覆盖焊缝 当对此管线焊缝从管子内表面进行检测, 使用管外壁的一倍跨距覆盖焊缝的根部区域, 使用半跨距覆盖焊缝的余高区域 从焊缝轮廓描述我们就可以看到使用一个探头在焊缝任意一侧进行扫查时, 焊缝余高处存在漏检区域 因此, 在实际检测中, 如图 5 32 中所示, 对于该焊缝我们可以在焊缝两侧各使用一对扇扫来达到整个焊缝区域的全覆盖 图 组扇扫对管节点焊缝全覆盖模型 当使用从四个扇扫得到的全部 A 扫描并使之 融合 时, 操作者能够进行全体积的分析 利用一些其它增强手段, 例如使用跨距校准和平滑滤波来减少马赛克, 可以使分析变得容易一些 图 5 33 是一幅由四个融合扇扫中的单幅端视图合成的图像,

91 在图像中还有两个与扇扫波束对齐的相控阵探头草图 沿着管道内表面采集一系列的扇扫 ( 每 1mm), 逐步建立起焊缝和热影响区的所有融合检测体积 在开始的切片中可以看到焊缝轮廓并且由于使用软件进行了跨距校准, 图 5 33 中看到的焊缝镜像图像此刻只是 20mm 壁厚的焊缝坡口轮廓 图 5-33 带有校正和平滑的融合扇扫融合的过程是将检测体积划分为由三个不同扫查维度组成的小体积 ; 扫查增量 X A 扫描时间 ( 距离 ) 间距 X 角度 ( 或偏离 ) 增量上述过程产生的小体积称为 体元, 它相当于计算机图像术语 像素 ( 是一种映像点和元素的缩写 ) 的体积图像 当软件允许数据融合并且使用体元化的概念, 整个检测体积可以被看作被划分为这些小体积数据包 合适的焊缝检测工艺将保证至少有 2 条波束穿过每个体元 这保证了焊缝的每个体积都至少被 2 条波束监测 利用多个扇扫和跨距, 穿过一个体积点的实际波束数可能是四条或更多 通过使用每个聚焦法则波束轴的计算中线并结合跨距的几何校正, 软件即可确定出穿过每个体元的波束 然后必须确定在每个体元中每条波束的波幅, 并将所有波束中出现的最大波幅赋值给这个体元 在融合数据中仅显示一个波幅值 ( 最大波幅 ) 每个体元的波幅值被用来重建体积 将整个检测体积对应到一个三维网格, 然后就可以通过每个正交平面网格制作 切片 用于融合俯 侧 端视图的三个正交投影以图表的形式在图 5 34 中说明 沿扫描方向的每个取样位置 ( 通常为 1mm 增量 ) 能够利用每个偏移和深度位置确定的最大波幅来重建 通过关联的光标, 软件可以从单个 切片 或由一个正交平面的多个切片投影

92 图 5-34 使用投影合并扇扫 端面投影深度投影侧面投影投影由通过表面正交投影得到的单一 切片 或一个范围内的切片组成通过将投影的范围限制在单一的平面或只是某一平面的一个小范围内, 可以更容易的识别指示内容中我们关心的细节 图 5-35 是与图 5-31 相同焊缝的投影显示 位于这种情况下, 通过小投影的限制, 融合的数据只显示缺陷周围几毫米的范围, 使得缺陷可以被高亮的显示 从 俯视图 ( 左上图 ) 看到的缺陷沿着扫查长度方向位于 382mm 到 405mm 的范围 这些限制用来约束侧视图 ( 右上图 ) 由于侧视图显示的是所有从 382 至 405mm( 共 23 毫米 ) 范围内的端面视图, 所以, 它提供了沿扫查方向的 23 个采样点的最大波幅信息 俯视图 ( 左上图 ) 也表明这个缺陷大约在距离焊缝中心线 6 毫米处 通过调整两端的投影指针 ( 即右上窗格端面视图中的红色和蓝色垂直线 ) 侧视图 ( 左下窗格 ) 显示的只是距中心线 5-10mm 的范围内的

93 缺陷投影 这显示了缺陷指示的长度和高度 俯视图显示指示的原因, 事实上是由于投影的深度是限制在距底部 5 毫米的范围内 观察俯视图 ( 左上角 ) 下方的紫色颜色条, 在该颜色条上我们看到两个黑色的标记, 在该颜色条末端的值指示为 15 毫米 ( 左边 ) 和 20.7 毫米 ( 右边 ) 这表明, 该俯视图是距检测面 15~20.7mm 的区域内的投影 这相当于该区域直至并包括管子的外表面 图 5-35 中提供了一个 A 扫描显示, 然而, 这并不是一个从原始数据中提取的真正的 A 扫描 相反, 这是一个为所有体单元虚拟出参考指针 ( 右上窗格端面视图中的红色指针 ) 位置而合成的最大波幅 可以看到, 这个虚拟的 A 扫描呈锯齿形状 ( 而不是一个在时基上 100 MHz 数字化率的特征 ), 而且峰值发生在 20mm 刚刚超过 40mm 和 60mm 处 他们发生在半跨距 一倍跨距和一倍半跨距的位置处, 并且与聚焦法则中探测焊缝盖面区域 (20mm 和 60mm 的真实深度 ) 一倍跨距时的根部几何反射等信号相符合 5.5 相控阵检测标准和规范 图 5-35 无损检测的标准和规范一般分为两类, 一类为对特殊测试方法的设备校准方面的规范, 另一类为对特殊的测试方法在应用中如何执行以及设置步骤的要求 设备的规范性文件的例子包括 ; EN : 无损检测 - 超声检查设备的表征及验证 - 仪器 ISO18175: 无损检验不使用电子测量仪器评价超声脉冲回波检验系统的性能特征 ASTM E- 317: 不用电子测量仪, 超声波脉冲回音试验至运转性能的评估的标准操作规程执行规范的测试方法的标准包括 : EN1714: 焊缝无损探伤检测 焊接接

94 头的超波检测 AS2207: 无损检测 - 对碳钢及低合金钢中熔焊连接的超声波检测 ASTM E -164: 焊接超声接触检验在第二组中, 包含如下指导标准 :; BS7706(1993) 裂纹的探伤 定位及尺寸用超声时间损耗衍射技术的校正及确定指南 1993 版英国标准协会 欧洲标准化委员会 CEN pren583-6 探测和定尺寸用飞行时间衍射技术方法 ASTM E 用超声法测定平面裂纹高度尺寸的标准指南如上述所列的这些规范是工业界为确保最低级别的功能性要求及质量要求所做出的努力 当一个新的技术到来时, 工业界往往落后于与这项技术有关的研究与开发 举个例子来说, 这也就是为什么 TOFD 技术从其在 1976 年首次被介绍到第一个标准的出台花了 20 年时间的原因 相控阵技术被 NDT 人员应用至少在 1990 年之前, 它在工业界也遇到了相似的问题, 即缺乏标准 这个问题的一部分看起来根源于一个事实, 即可以简单的假设超声相控阵检测只是超声脉冲回波检测的另一种形式 在某种程度上这是正确的 然而, 标准和规范的制定者们将其放进现有的手工单晶片超声波检测规范中, 使得该标准与相控阵技术的应用产生了矛盾 例如 : 在楔块上实际测量的波束出射点与厂商标示的波束出射点之间的误差上的局限性要求 在楔块上实际测量的波束角度与厂商标示的波束角度之间的最大误差的局限性 探头所占区域的局限性 无法处理使用多组发射 - 接收器的事实 这些以及一些其他的观点使得一些标准及规范甚至在最近的版本, 都不适用于相控阵技术的使用 但是, 标准是一个提供高质量检测的工具, 当我们站在这个角度来看这个问题时, 明显大多数人认为相控阵检测通常可以提供比单晶片探头更好的检测效果 为了称呼这项新的技术, 一些标准使用了一些合成的词汇来描述它, 以与手工超声波检测这样的传统应用相区别 例如 :EN1714- 焊缝的无损检测 - 焊接接头内的超声检测, 在使用范围声明中写道 : 在一些指定及适当的场合, 象自动化设备这样的技术, 在缔约方一致同意的基础上, 也可以使用 AWS D1.1- 结构 ( 钢 ) 焊缝国家标准, 检测工艺 设备以及不包含在第六章节 F 部分之内的验收标准等内容如需变更, 必须得到工程师的认可 这些变化包括其他壁厚 焊缝几何形状 探头尺寸 频率 耦合状况 表面涂层 检测方法等等 在 EN1714 的案例中, 使用 自动化设备 需要大量的解释, 用以认可相控阵系统以及所有与其有关的复杂联合系统 AWS D1.1 明确了在缔约方同意以及工程师批准的情况下, 可以使用其他选择 在焊缝超声检测时经常采用的另一个标准是 ASME( 美国机械工程师协会 ) 的锅炉及压力容器标准 他们很早就认可相控阵系统作为超声检测的一种选择 ASME

95 第五部分在 1992 年 12 月的附录中就认可超声相控阵技术是进行单晶片手工超声波检测时的另一种选择 在那时, 相控阵技术的应用作为一种非强制性附录被添加进 ASME 标准, 标准将其视为一种 计算机成像技术 (CITs) 其后,ASME 将其发展称为强制性附录, 并在相控阵系统进行焊缝检测时的正确使用及校准方面提出了更为清楚的使用指导说明 对设备性能评估的更基础的关注点是压力容器工业之外提出来的 这引领了一个 ASTM( 美国测试与材料协会 ) 标准的发展 即 ASTM E-2491 超声相控阵检测设备及系统工作性能评估指导 本书的 5.1 章节中的材料便是基于此文档编写的 6.0 超声相控阵的工业应用超声相控阵设备进入工业应用开始时较为缓慢, 但是现在, 在一些案例中用户发现了其相对于常规超声检测巨大的优越性及先进性 这些案例将会在本章节中讲述 6.1 电阻焊焊缝使用固定形状的阵列探头替代焊缝两侧布局的几个单探头 传统技术要求操作者必须使用摩擦导轮进行调整, 使焊缝中心线一直处于两侧探头之间 这样并不可靠, 而且我们关心的区域经常会落在波束覆盖范围之外 使用相控阵探头及电子扫查方式可以确保电阻焊焊缝始终位于波束覆盖范围之内, 从而解决焊缝跟踪问题 图 6-1 给出了常规超声检测时的设置, 图 6-2 显示的是相控阵技术的波束覆盖 图 6-2 电阻焊焊缝常规超声检测

96 图 6-2 电阻焊焊缝相控阵超声检测 6.2 飞机机身紧固件裂纹 / 腐蚀 Autoscan 1701A 型紧固孔检测系统主要用于在紧固件安装的情况下, 检测机翼表面紧固孔搭接面出现的微小裂纹 该系统设计时使用了同时具有检测和对中功能的相控阵探头 它被设计成一个轻量化 手动 快速以及操作简单 ( 每个紧固件检测用时少于 1 分钟 ) 的系统, 同时, 它需要进行盲测验证 图 6-3 左图说明了紧固件缺陷存在的位置, 右图是一个极坐标形式的相控阵探头放置在紧固件之上的示意图 超过 500 个晶片的探头直径约 4cm 图 6-3 的下图示意了该系统如何应用于机翼下表面的检测 图 6-3 飞机紧固件相控阵超声检测

97 6.3 电力 涡轮叶片根部 涡轮工件由于可接近性以及形状复杂的检测面, 对无损检测提出了特殊的需求 相控阵技术已经成为一个流行的解决方案, 它可以通过单点的波束入射, 提供多个区域的覆盖 图 6-4 的左图描述了叶根剖面的一个角度覆盖区域, 右图是叶片根部的机械化扫查装置以及一幅叶片的图片 图 6-4 涡轮叶片根部的超声相控阵波束偏转检测 6.4 电力 - 大型接管 解决在大型接管检测时的曲率以及其受限制的检测位置等检测问题, 给相控阵技术提供了另外一个舞台 图 6-5 示意了如何使用相控阵的扇形扫查功能对大型接管的内表面重要区域进行有效的覆盖 图 6-5 接管内部区域的相控阵超声扇型扫查 6.5 石化管线建造 (PipeWIZARD) 管道环焊缝的超声检测很快便替代了射线检测 将焊缝在垂直方向上分成不同的区域并使用不同的波束对这些区域分别检测, 这种原理为分区扫查技术提供了基础 传统的多探头系统 ( 图 6-6 中右图所示 ) 现在已被更小型化的相控阵系统 ( 图 6-6 中左图所示 ) 所取代 相控阵系统机头上只使用 2 个相控阵探头, 重约 5kg, 可以实现原来 24 个以上的探头, 重约 15-20kg 的多探头系统完全一样的功能 定制的

98 用户图形界面为配置典型剖面焊缝的聚焦法则提供了简单 快速的方法 操作者只需输入板厚以及定义需要定义的分区数量, 一个基本的设置就已建立, 并转换进相控阵控制软件 ( 见图 6-7) 图 6-6 环焊缝的相控阵与常规超声对比 图 6-7 环焊缝相控阵检测聚焦法则 6.6 超声相控阵技术的其他应用前面的相控阵实例中讲述了在一些特殊工业应用中, 相控阵技术对检测的改良 包括在检测位置受限的情况下改善波束覆盖 提高检测速度 以及潜在的对缺陷检出以及定量上的改善 但是相控阵技术可以很容易的对常规超声的各种检测方法进

99 行组合使用, 且可以实现本质上与单探头完全相同的效果, 以 TOFD 以及反向散射定量为例 6.7 使用相控阵进行 TOFD 检测图 6-8 显示了两种不同方案得出的 TOFD 检测结果 左图使用的是使用 6mm 直径 10MHz 的单晶片 TOFD 探头对板厚为 45mm 的试板进行检测的结果 右图是使用 7.5MHz 的相控阵探头, 激发 12 个晶片 ( 等同于 12mm 的晶片 ), 对板厚为 32mm 的试块进行 TOFD 检测的结果 唯一的不同在于信号脉冲持续时间的影响, 可以看出相控阵的检测结果有比较低的频谱 ( 注意直通波具有较长的持续时间 ) 使用单晶片 TOFD 探头对的检测人员得到的结果总是具有一些局限性, 但是使用相控阵技术的操作人员可以在某种程度上进行一些设置的优化 例如调整激发晶片的数量来改变波束的覆盖, 增大或减小入射波的角度从而优化近表面的分辨率, 而且, 相控阵操作人员还具有通过使用聚焦波束优化缺陷定量精度的能力 相控阵技术的各种特点, 诸如多角度波束检测以及波束发散特性等可以在一次扫查时同时实现 而单晶片探头则需要一个大型的检测阵列或者在同一个试块上进行多次扫查来实现 6.8 反向散射定量 图 6-8 常规和相控阵 TOFD 缺陷定量一直是无损检测中的一个重要方面, 近些年来, 人们逐渐认识到尖端衍射技术的超声定量方法给我们提供了最好的选择 图 6-9 阐述了使用反向散射定量技术对表面开口缺陷的检测原理 注意这个原理既适用于单晶片探头, 也适用于双晶探头 但图 6-9 的例子中只描述了使用简单的横波模式在两种不同位置时缺陷尖端的最高波, 即第一个半跨距 ( 上图 ) 和第二个半跨距 ( 下图 ) 时的缺陷尖端最高波

100 图 6-9 例子 : 脉冲回波横波尖端衍射信号 对于一个平面状缺陷, 其尖端衍射信号的起源的大体情形见图 6-10 中的描述 图 6-10 尖端信号起源 D1 和 D2 之间的时间差可以用来进行一些定量方面的计算 : 其中,D 是缺陷末端之间的距离,θ 是入射波束与面状缺陷的法线方向所形成的夹角 但是, 在缺陷定量以及确定缺陷走向时分析时, 依赖于探头的移动 而分析

101 时需要使用的波幅峰值信息也依赖于耦合的变化 分析缺陷深度以及走向性的技术原理可参见图 6-11 中探头位置以及相应的缺陷动态回波峰值位置的描述 图 6-11 中探头位置以及相应的缺陷动态回波峰值位置 图 6-12 说明了使用的扫查类型 通过扫查装置使探头始终平行于刻槽方向, 使用预先设定的多组聚焦法则依次经过刻槽 图 6-12 相控阵探头在刻槽试块上扫查 FL1 = 第一聚焦法则 FL25 = 第 25 聚焦法则 相比于机械式的栅格扫查, 使用相控阵技术在接触法检测时完成栅格扫查功能

102 时, 可以节省更多的时间, 同时获得更加稳定的耦合效果 也就是说相控阵技术获得的波幅轨迹相比于单探头系统通过推拉形成的波幅轨迹具有更小的波动变化 这也可以说是机械式栅格扫查的一个缺点 结束检测时, 可以将扫查数据在一个平面视图内显示成所有位置最高波的叠加图 ( 即传统的 C 扫描图像 ) 这样可以确定缺陷位于检测长度的什么位置 由于采集到的波形中, 通过电子方式实现的栅格扫查也是真实发生的, 所以在扫查长度方向上每个点堆栈的 A 扫描信号 (B 扫描图像 ) 提供了波束在缺陷上的动态回波图像 当使用足够大的增益时, 尖端衍射信号可以被分辨出来 由于在栅格扫查时缺陷的动态回波是可利用的, 这样的扫查方式达到了缺陷分析的第一步要求 图 6-13 演示了通过 A,B,C 扫描的联合使用, 可以使操作者在分析时看到简短的衍射信号 图中左上方时 C 扫描 ( 俯视图 ), 右上方式体积校正的断面视图 (B 扫描 ), 即检测到刻槽时的某个位置, 每个聚焦法则的 A 扫描信号, 其均沿 45 度方向显示 左下图显示的是体积校正的侧视图 (B 扫描 ), 它由代表全部聚焦法则的纵轴, 以及代表扫查方向上每个编码采集数据点的横轴组合而成 右下方显示的是右上方图象中角度指针对应的 A 扫描信号 图 6-13 扫查显示图像 图 6-14 描述了一个使用相控阵反向散射技术进行缺陷定量以及缺陷方向评估的例子 在指针位置的 4mm 刻槽显示, 其大小为 4.2mm, 角度为 44.7 度

103 6.9 便携式相控阵设备 图 6-14 根据实际检测应用, 可以咨询文档编辑者 详情请. 7.0 管道环焊缝 在 6.5 节中提及了使用相控阵技术进行管道环焊缝检测的应用 这种相控阵技术的特殊应用在长久而又缺少变化的工业 NDT 领域扮演着重要的角色 在半个世纪以前, 生产中的管道环焊缝检测是射线检测独占的领域 到 20 世纪 70 年代末期, 管道射线检测的 老男孩俱乐部 开始注意到一种创新的特殊超声检测方法 感谢鹿特丹 RTD 公司 J. de Sterke 在 1959 年的超前眼光,20 世纪 70 年代, 负责英国标准 PD6493 的委员会在 适应目标 的观念下使这项技术有了更进一步发展, 并于 1980 年形成了正式法规 这样, 与射线检测相比, 另一种更有效 更可靠的检测方法发展起来

104 De Sterke 拟通过 3 个探头沿着焊缝进行多轨迹扫查来检测焊缝的完整性 这种思想有效地将焊缝分割成了几个垂直区域, 并成为日后分区检测技术的基础 在确定什么样纵横比的缺陷在决定焊缝强度时是临界的, 并以此定出典型缺陷尺寸的容许范围时, 超声检测分区可以很容易的与 适应目标 思想相结合 20 世纪 60 年代这种简单的 3 探头设备很快演变成了拥有 20 个以上的多探头系统, 简单的 3 个分区也随着分区尺寸的减小而增加 在 20 世纪 90 年代初期, 加拿大管道建设工程使用了自动化超声检测系统 (AUT) 这套系统使用了分区扫查的概念, 且其接受标准基于 工程临界评估 确定 ( 最初来源于 PD6493) 这些系统现今已在所有大直径管线建设时, 被批准替代射线检测 在 20 世纪 90 年代末期, 国际管道研究委员会 (PRCI) 认可了一个项目, 该项目为相控阵 AUT 可以实现与使用单晶探头的多探头系统有同等甚至更好的检测结果建立了证据 虽然相控阵系统还没有完全的取代多探头系统的老技术, 但是它有力的成为了优先选择的设备 到目前为止, 现今在管道建设行业应用最广的相控阵系统是 Olympus 生产的 PipeWIZARD (PWZ) 截止到 2008 年, 在世界范围内有接近 100 台 PWZ 系统在使用 一些在开始时使用多探头系统的公司也在努力转变为使用相控阵系统 RTD 开始尝试 Technology Design 公司的硬件设计 Shaw Pipeline Services Limited 与 Krautkramer 合作, 在多年努力后, 没有成功开发出自己可靠的系统 但是 Krautkramer( 现属 GENDT) 与 UT Quality 研发了一个叫做 WeldStar 的版本, 取得了一些成功 虽然不是非常普遍, 但是也有一些系统发展为将相控阵特征以及分区扫查技术联合起来使用, 其中有一个是 NDT Brasil( 使用一台 TD 的 Focus 系统 ) 图 7-1 介绍了一些现在用于分区扫查技术的相控阵系统

105 图 7-1 分区扫查技术的相控阵系统 7.1 分区检测技术原理可以注意到, 相控阵系统应用到这样一种工业领域全是根据使用多探头系统的原理而发展过来的 这个方法最先在 20 世纪 60 年代被设想出来, 然后延续至 20 世纪 70 年代, 使用了标准的接触式探头 在 20 世纪 80 年代后期, 随着内部聚焦接触式探头的发展, 该技术完成了一个重要的改进, 这使得波束能够集中在焊缝熔合线等较为关注的区域 聚焦的优势改良了分区检测技术, 因此改良了缺陷定量评估, 同时它也带来了另外一种伴随效果, 那就是降低了那些由于操作者误将几何反射信号当作是缺陷信号而引起的返修误报 分区扫查技术的原理可以总结如下 : 焊缝被分为典型尺寸为 1-3mm 高度的区域, 波束角度依据焊缝的熔合面即焊缝坡口面的角度进行选择, 使其能够获得最优的响应信号, 见图 7-2

106 图 7-2 管道环焊缝中三种典型剖口焊缝形状的 AUT 焊缝分区和波束路径 探头阵列通常使用一个电动的夹持装置携带, 使其沿着环焊缝进行运动 加持装置一般沿轨道进行运动, 典型的情况是使用焊接设备的轨道 设备采集回的超声信号由电子闸门监控, 闸门范围内信号的波幅以及渡越时间均属于被监控的范围 闸门范围从理论上的焊缝预制坡口之前开始, 到焊缝中心线之后结束 闸门内信号的渡越时间 波幅甚至波形信息均被数字化并且以带状图格式进行显示 操作者通过带状图结果进行评估, 依据缺陷信号的持续长度是否满足操作说明书及控制标准中的极限值来决定焊缝的可接受性 内表面刻槽以及 2-3mm 直径的平底孔被规定为典型的人工反射体, 用于设置信号的波幅以及渡越时间闸门 这些人工反射体应加工在从实际工程管道上截取的管子上, 并且按照理论的焊缝坡口型式进行机械加工 所谓的体积通道也被添加进来, 用以用以辨别和检测小的非走向性缺陷, 例如气孔等 同时, 现在许多系统也在配置中结合了一些形式的 TOFD 检测 图 7-3 列举了许多缺陷及几何特征, 这些都是 AUT 系统应有能力检测及区分开的 这些缺陷显示在 CRC 坡口上, 并且典型的缺陷可能由 不发火 的异常情况形成 不发火 在这里指的是 CRC 型焊缝在使用熔化极气体保护焊的工艺进行内部预焊接时具有的一种独特情形 它发生在当电弧没有成功启动时, 是一种没有金属熔敷到母材上的结果 它被认为是区别于未焊透 (IP), 未焊透也许是一种用于垂直区域没有完全熔合时更适当的术语 ( 但是在 CRC 焊缝的术语中将其创新的称为钝边区未熔合或 LCP)

107 图 7-3 在 GMAW 焊缝中的焊缝缺陷情况 事实上按照设定的超声分区将焊缝中的焊道分开是不可能的 在焊接过程中, 尤其是焊缝在接头垂直方向的形成过程中, 焊接熔池沿着焊缝周向并不是溶敷等厚度的金属层 重力总是使熔池向下的, 所以形成了上部的溶敷层总是偏薄而下部的溶敷层总是偏厚的趋势 当管道可以沿着圆弧进行旋转, 或者焊缝象海工领域 J-lay 的情形一样, 是沿着水平方向时, 焊道的种种厚度变化将不明显 由于焊道和超声 AUT 检测分区并不总是一致的, 但 AUT 的分区经常是由焊道确定的, 所以在一些时候这两个概念总是容易混淆 例如在图 7-3 中, 我们看到各个焊接区域不规则的轮廓描述, 分别有热焊区 三个填充区 ( 最后一个填充区域即盖面区域 ) 但是,AUT 系统会有 2 个热焊区及 2 个填充区 作为一种更好的选择, 图 7-3 中描述的焊接工艺采用了一个内部的根部焊接区域, 它故意将焊缝烧穿, 从而消除了钝边区域的垂直边 所以, 即使这里设计了一个 AUT 的钝边区分区, 实际焊缝中也并没有一个分离的与钝边区金属溶敷相一致的焊道 由于超声波束的聚焦点不需要总是与焊道一致, 所以超声从一个单独缺陷获得的响应信号经常会显示在一连好几个分区上 ( 如图 7-4 中, 位于填充 2 焊道的单个缺陷在 AUT 的填充 1, 填充 2 及填充 3 通道均能看到 )

108 图 7-4 焦点的大小是波束聚焦的结果 以下是实际中接触式探头可选择的三种聚焦方法 1. 透镜聚焦 ( 平面的晶片, 在其前面安装曲面的塑料盘, 如图 7-5) 2. 曲面晶片聚焦 ( 晶片是带曲率的, 并且在曲面中加入了填充物, 如图 7-6) 3 相控阵聚焦 ( 如图 7-7) 图 7-5 透镜聚焦 图 7-6 曲面晶片聚焦

109 图 7-7 相控阵聚焦 单个相控阵探头可以产生许多不同聚焦类型角度波束的能力提供了比单晶片聚焦探头非常显著的优势 在所有情况下 ( 单晶片探头及相控阵探头 ) 在聚焦上的局限是相似的, 这些在 3.2 章节中已有描述 在分区扫查技术中极其重要的是波束的校正, 这是使用具有工程特性的管道部件, 在其上加工人工反射体并使用这些人工反射体而实现的 人工反射体是平底孔或表面刻槽 平底孔位于每个分区的中心, 且孔的底部应通过铣或使用电火花加工, 使其与焊缝坡口的理论位置相符合 所谓 具有工程特性 是指用于制作校准试块的管道与工程建造使用的管道应来自同一家公司的同一批产品 这是用来处理不同管道厂家潜在的钢材中声速极端变化的情况 图 7-9 中显示了校准试块的例子, 它可能需要一个装置, 用来将其固定, 以方便扫查装置携带探头从人工反射体旁移动 图中可以看到在实体 CAD 模型中采用透明化处理后的人工反射体位置 右图是一个安装在其装置上的实际校准试块 图 7-9 CAD 模型和实际校准试块

110 使用实际工程的同种材料的目的是需要在校准试块上和实际被测管道上得到完全一致的波束角度 但是, 在进行一个适当的楔块以及聚焦法则设置之前, 材料的声速总是在工作之前就已经确定了 这包括使用一个 SH 模式的剪切波探头并评价在评估中所见的双折射对的 快 波 图 7-10 介绍了如何计算出一条波束, 使其沿着尽量垂直于理论熔合面的轨迹入射 或者另外一些情形下, 为了得到最优的接收信号, 使用反射路径的串列式探头 ( 聚焦法则 ) 设置 在多探头系统中, 这意味着每一个分区都需要单独的探头 ( 或者串列扫查探头对 ) 而相控阵探头只需要关心在壁厚以及角度一定的前提下, 选用的探头和楔块是否能提供足够的长度, 使所有波束的出射点与单探头时的出射点一致 如果焊缝外形和相控阵的探头尺寸不能很好匹配, 那么则需要使用多个相控阵探头或者设计一个晶片更多 晶片高度或 ( 和 ) 间隙更大的探头 图 7-10 同时也介绍了为什么有些校准试块设计成 Z 型的原因 当使用端铣刀来加工平底孔这种人工反射体时,2mm-3mm 的平底孔可以在刀头没有损坏风险的情况下加工至大约 20-25mm 将校准试块放置于理论焊缝中心线向外 20mm 处, 以使人工反射体的切削深度最小化 图 7-10 相控阵分区聚焦 有些用户喜欢在在试块上增加表面刻槽作为额外的盖面区人工反射体 这种外表面刻槽需相对比较小 (1mm 深,5mm 长 ), 方便提供一个与平底孔接近的灵敏度 除了各分区的人工反射体外, 体积通道人工反射体 横向人工反射体 有时 TOFD 人工反射体也会被添加 体积通道人工反射体使用的是 1.5mm 直径的平底孔, 它被制作为 45 度方向, 平底孔的末端位于焊缝中心线上, 如图 7-11 所示 如果板厚 ( 没说完 )

111 7.2 带状图 图 7-11 源于 Arie de Sterke 的一些观念, 带状图显示方式成为了一个非常重要的技术 这并不是说 de Sterke 发明了带状图显示, 他只是在多通道数据采集时使用了这项老技术可利用的一些优势 事实上, 后来另外一些人将带状图数据显示作为一种优先选择的工具并演变为今天我们所看到的这样 在多通道带状图格式的发展中, 加入了体积 B 扫描以及 TOFD 显示, 这使得评定 AUT 数据的过程可以快速且可靠 带状图部分的显示是非常直观的 各个通道的排列就像是焊缝沿着中心线展开一样, 外侧显示的是最上方 ( 外表面 ) 的区域 而两个内部区域 ( 带状图区域的正中间 ) 总是管子的内表面 带状图上对称的左半部分和右半部分是沿着焊缝方向对称的, 用以区分一根管子与另一根管子并能够标记 焊缝的一侧 ( 通常用 上游 及 下游 表示 ) 基本的对称性如图 7-12 所示 图 7-12 增加的 B 扫描和 TOFD 通道位置安排时与带状图的对称思想是类似的 有些显示将 TOFD 放在带状图和 B 扫描的正中间, 也有些将 TOFD 放在一侧 B 扫描总是成对出

112 现, 所以将他们象表示波幅 - 时间的带状图一样对待, 将他们按照 上游 和 下游, 对称于焊缝中心线放置 数据的组织方式也是存在变化的 大部分公司在评估屏幕上的数据时使用一个较大的电脑显示器 (21 英寸 ) 但是当需要很大数量的分区时, 例如在较厚的工件上的应用时, 每个通道在显示器上显示的宽度可能会非常小, 以至于操作者对数据不能得到一个合理的评估 有些 UT 公司通过推介分层显示解决了这些局限性 通过切换视图可以做到, 例如在一个视图上观察所有的带状图以及 TOFD 显示, 而在另一个视图上观察所有体积通道 B 扫描以及 TOFD 显示 操作者将依据显示器上的各个带状显示, 来评估校准的质量和焊缝焊接的质量 ( 包括数据采集的质量 ) 评估是个一步步的过程 最后一步是回顾, 查看指示记录上的缺陷指示, 确定他们是否超过了允许值的极限 这些是从校准评估开始的, 用以确认设备工作正常并能给出焊缝上的准确情况 一些主要需求的检查清单需要在校准扫查确认时执行 评估标题的正确性及完整性 ( 文件 / 工程的名称 ) 评估每个分区人工反射体的波幅是否正确 ( 例如 :70%-99%) 确认通道之间的覆盖, 应有 -6dB 至 -14dB 之间的波幅分离 ( 可适应的 ) 确认人工反射体信号之间是否有足够的横向间隔确认人工反射体信号位于时间闸门中正确的位置确认波幅闸门以及时间闸门中的颜色转换阈值是否正确确认体积人工反射体在成像通道的反射体信号幅度设为 80% TOFD 通道的直通波信号能够平稳的位于屏高 50% 90% 之间图 7-13 介绍了一些数据质量方面需要注意, 并应在移动上焊缝进行检测之前改正的情况 也介绍了数据采集的其他方面, 包括 TOFD,B 扫描以及耦合状况显示

113 图 7-13 在校准扫查的典型情况 在评估完校准是可接受的以后, 焊缝的检测程序就可以开始了 扫查装置需要从校准试块上拿下来, 并且将扫查器上的零点参考记号对准环焊缝的零点起始位置放置在焊缝上, 然后扫查就可以开始了 近距离的观察带状图的细节有助于更好的了解信息是如何显示的 图 7-14 是在校准试块上扫查后前四个分区通道响应的展开图 它的轴向位置显示从 0-70mm( 见左侧的刻度 注意横穿带状图顶部的参考指针显示 5.4mm) 在可以看到信号的 4 条带状区域, 一个十等分的刻度覆盖在其上 ( 右下 ) 通过移动带状显示左侧的黑线可以指示区域内的波幅信息, 其值可以通过黑线向带状显示右侧边缘移动的数量表示出来 类似的, 颜色块相对于带状区域中点的变化也可以通过图上插入的刻度尺比较 R1U,R2U 以及 LU 的显示均与中点值接近, 但是 HU 的显示距离中点值向右有一个显著的偏差 ( 大约横穿 60%HU 通道的带状区域 ) R1U,R2U 和 LU 中, 每个通道的时间闸门长度均被操作者显示为 10mm 长, 但 HU 通道只有 8mm 长 因此, 在 R1U,R2U 及 LU 通道中, 每个刻度表示 1mm, 通过颜色块可以看出距离中心位置小于 1 个单位的距离 但是, 由于 HU 通道中时间闸门的长度只有 8mm 长, 所以插入的刻度上每个单位代表 1.25mm HU 通道中颜色块向中心位置右边的偏移大约有 1 个单位, 所以缺陷大约位于理论熔合线之内 1.2mm 处 但是由于校准试块上该通道的人工反射体是设置在理论熔合线上的, 因此,HU 通道的的校准位置与理想值产生了一个约 12% 闸门距离的偏差 在做完一个好的校准扫查之后, 操作者就可以进一步在焊缝上进行扫查了 在操作者开始对扫查数据进行评估, 以确认焊缝是否可接受之前, 他们必须确认扫查质量的可接受性 再者, 在每次扫查完之后, 需要执行一些检查列表上的内容 对总图质量确认的内容应包括 : 确认标题的正确性, 包括焊缝的名称和代码

114 确认耦合监控符合要求, 不能存在大于最小缺陷长度的数据丢失区域 并且应该存在如何使用 TOFD 以及成像通道辅助检查耦合监控通道提示数据丢失区域的方法. 记住, 在一发一收的耦合监控方式下, 并不是所有耦合监控出现数据丢失信号时, 都真的发生了耦合丢失现象 检查根部几何反射信号的到达时间, 以确认导轨的位置是否正确 检查是否有数据线丢失现象 ( 扫查速度过快 ), 有些是可以接受的, 但是如果太多 ( 例如大于 1-2% 的扫查长度, 或者仅仅是 2-3 个邻近的数据线丢失 ) 就会妨碍依据接受准则对焊缝进行评估, 甚至有缺陷漏检的风险 如果存在焊缝扫查时数据的质量问题, 那么需要对焊缝重新进行扫查以修正他们 这就类似于射线检测出现丢失工件号 焊缝的处理标记 或黑度过高及过低等情况时, 需要重新进行拍照一样 在 AUT 中, 则需要重新扫查 当焊缝扫查的质量被认为可以接收时, 就可以进行数据判读的程序了 AUT 系统采集的超声数据包含三种来源, 带状图 体积投影 (B 扫描或成像 ) 以及 TOFD 操作者需要对每一种显示进行回顾及评估 总的来说, 显示其上显示的信号了一份为 3 种类型 缺陷几何反射信号伪显示 ( 重复显示 ) 缺陷包括 : 未熔合 ( 坡口 ), 中心线裂纹, 未焊透, 钝边区未熔合, 层间未熔合 ( 冷隔 ), 气孔, 少数情况下也有夹铜 只有 缺陷 需要参照接受准则进行评估 几何条件包括错边 ( 一高一低 ), 焊缝表面余高 根部余高, 以及在焊缝边缘的管子表面 伪显示是 AUT 中使用线性扫查时, 一条确定位置的波束会有一些垂直方向上的延伸, 在特殊情况下形成的一种结果 它们是在一些通道中看到的缺陷信号发生了轴向偏移, 其实际上是发生在另外一个通道, 而不是检测到他们的这个通道 几何反射信号以及错误的显示必须准确的鉴别出来, 以防止将这些 非相关显示 的信号响应按照接收准则进行处理 既然这里有三种显示类型, 那操作者应该从评估其中一种显示类型开始, 然后再进而进行其他显示类型的评估 大多数接收准则都是基于波幅响应进行判断的, 所以分析带状图数据是数据分析的第一步, 进而操作者再带着定量及定性的目的对体积通道及 TOFD 通道的数据进行分析 7.3 评估闸门第一步应重点观察带状图上所有超过评估线高度的信号 缺陷信号只有超过评估线高度, 才会被考虑评估其是否超过了允许的长度标准 需要注意的是评估线的水平是可以改变的 最早在加拿大的工作中执行的是使用一个 2mm 的平底孔, 使其回波高度达到 80% 满屏高, 并将 80% 满屏高定位 参考水平 或灵敏度参考水平 所有超过或达到该波高一半 ( 例如 40%) 的缺陷信号均需要进行长度评估 因此, 其评

115 估线为 40% 之后, 有些应用中将 3mm 的平底孔的波幅调整至 80% 来建立 参考水平, 而使用 20% 满屏高作为 评估线 即达到或超过 20% 满屏高的缺陷信号会进行测长并与允许的缺陷长度标准作比较 当使用等效的反射体参数时, 可以看到这些评估线会非常类似 ( 主要的不同仅仅是当使用 2mm 直径的平底孔灵敏度时, 由于增加的轴向灵敏度偏差而造成的明显的误差带程度 ) 7.4 几种缺陷指示类型的案例 这里对三种缺陷类型的每一种均列举了一个实例 操作者的经验及对三个显示 ( 带状图,B 扫描及 TOFD) 中可用到的信息进行合理的推测均可用于对缺陷或其他我们关心的特征进行合理的评估 False Signal Indications

116 Flaw Signal Indications 7.5 验收标准和缺陷定量 当操作者判定一个指示信号为缺陷时, 需要判定这个缺陷是否可以接受 依据规定这可能意味着一个或者两个步骤 大多数传统验收标准是基于 良好的工艺 或者一个好焊工可以持续焊接的水平来制定的 这与缺陷对于结构有效性的影响无关 几乎所有这些标准都来源于影像学的结果, 其渊源可追溯到 20 世纪 50 年代 当转换为超声波的工艺验收标准后, 要求操作者仅仅评估缺陷迹象的长度, 也就是是否超过参考水平, 例如是否超过参考水平的 50%. 在这个领域的应用通常意味着, 操作者通过找出信号高度刚刚超过满屏高度 40% 时两个点来测量缺陷长度 我们注意到, 当断裂力学工程师们基于 适合目的 概念

117 开发出 BS PD 6493, 需要缺陷的高度和长度以与计算的临界缺陷尺寸比较时, 分区检测的方法显示了很大的优势 当验收标准是基于这些 ECA( 欧洲法规符合性学会 ) 概念时, 操作者必须估计缺陷在垂直方向的延伸范围 这时也经常使用幅度限值来估计长度 典型的方法是依据幅度 20% 或者 40% 的两个端点来评估长度范围 虽然这种估算长度尺寸的方法不是非常准确 ( 一般为 + / - 3 毫米的实际长度 ), 但对于大多数应用这种方法已经足够了 然而从断裂力学工程师的角度来看, 缺陷的垂直范围的大小更关键 众多用户在应用分区扫查技术时的方法多种多样 这些方法通常基于邻近的区域检测到缺陷的幅值分配形式来确定缺陷高度 在可行情况下, 操作者可以利用 TOFD 提高垂直尺寸估计的准确度 在所有的无损检测方法中, 缺陷大小的判断必须从统计的角度去考虑 特别是对缺陷的定量是从一维方向考虑的, 而检测时的实际情况却是受到两维尺寸的影响, 这是超声波检测时存在的问题之一 当使用信号的幅度作为评估缺陷大小的依据时, 必须注意, 这个信号的幅度来源于缺陷反射面 缺陷的长度 宽度 方向 表面粗糙度和缺陷内部的介质 ( 空气 硅石, 水, 等等 ) 都对幅度有影响 经过多年努力, 在应用分区技术评估各种缺陷的大小时, 缺陷尺寸的 标准差 误差目前减少到约 1 毫米 标准偏差是优先选用的评估误差的科学方法, 并不同于在墨西哥湾的一些用户选用的简单的误差的 平均, 标准偏差提供了一个现实的尺寸精度指标 在单独的尺寸评估时, 如果只是考虑整体 准确度, 则丢掉了 精确度 的指标 准确 是对数值真实的程度的度量, 而 精确 是对再现性的度量 以射击打靶为例, 准确描述了射击结果与靶心的接近程度 射击结果与靶心越接近则准确度越高 越接近一个系统的测量中心或 接受 的价值, 则被认为是更准确的系统 因此, 当进行大量射击, 并且这些射击的结果均匀的分布在靶心的周围时, 系统就被认为是 正确的 如果所有的结果紧密的堆在一起, 但已远离中心, 系统被认为是 精确的 精确测量, 虽然不必要一定准确 但是, 在单独的测量中, 如果仅依靠达到准确而不考虑精确是不可行的 如果射击结果不是紧密的集中在一起, 那么他们就不可能都靠近中心 他们的平均位置可能是一个中心的准确的估计, 但单独的射击结果是不准确的 这些概念的表示在图 7-18

118 参考值 概率密度 准确度 精确度值中 ( 均 ) 值和参考 ( 真 ) 值之间的差异为测量系统的偏差, 一般在 AUT 中, 保守考虑, 更好的选择是在误差的欲度中允许有轻微的偏差 使用表征众多估计值与中值距离的标准差作为精确度的估计值 标准差是通过数值与他们的均值得出的方差的均方根 例如,{4, 8} 的一组数, 其均值为 6, 每个值与均值的偏差为 { 2, 2} 这些偏差值的平方为 {4, 4}, 他们的平均值 ( 方差 ) 为 4, 因此, 标准差为 4 的均方根, 也就是 2. 当工程师提出 BS PD 6493 标准时, 考虑了尺寸误差值的标准差的估计 在 20 世纪 80 年代, 自动化 UT 对缺陷高度尺寸的标准差的估计为 2mm 在过去的短短的二十年, 这个值减小了一半 对于 ECA 的验收标准来说, 尺寸的误差是一个重要的因素, 因为在 AUT 系统计算最大允许缺陷长度时, 会将其加入到缺陷尺寸的估计值中去 一个典型的工艺式验收表如图 7-19 所示, 基于 ECA 的典型的验收规范如图 7-20 所示 图 7-19 工艺式验收标准

119 8.0 词汇术语

120 该术语表中条款的建立来源于行业内的制造商和用户的贡献 1 角度校正增益 : 也叫 ACG, 这是在扇形扫查的校准中, 对从固定声程处接收到的信号波幅的变化进行补偿 这种补偿一般是通过电子方式针对不同的角度进行 注意 :ACG 有许多技术上的限制 ( 例如 : 超过某一角度范围, 补偿是不能进行的 ) 2 波束偏转 : 在不移动探头的情况下, 相控阵系统通过电子的方式使波束在一定入射角范围内扫描的能力 3 失效晶片 : 在阵列中不再有效的晶片, 失效晶片可能会影响超声波束的生成 4 深度聚焦 : 与传统换能器相比, 通过电子调整使波束在更大范围内形成聚焦 5 动态深度聚焦 (DDF) : 是一种可编程的实时阵列响应, 它通过在接收时改变每个晶片的延迟时间 增益以及激励等时间功能来实现 ( 如以下图所示 ). 对相同的聚焦范围,DDF 可替代多重聚焦法, 它通过在接收阶段将发射的波束进行卷积计算分割成众多的聚焦波束来实现 换言之, 在信号返回相控阵探头时,DDF 可动态地改变焦距 DDF 可明显增大聚焦场的深度, 提高信噪比 6 电子扫查 : 也叫 E 扫描, 步进点扫频或者电子光栅扫描 注意 : 在某些行业,E 扫描也被称为 线性扫描 相同的聚焦法则多次的被施加到不同的激活晶片组上 ; E 扫描的波束执行一个固定角度, 并沿相控阵探头长度方向移动, 其相当于常规超声探头在执行栅格扫查 对于角度波束扫描, 聚焦法则通常用于补偿楔块厚度的变化

121 7 聚焦法则 : 严格来说, 是一个用于激发相控阵设备的数学方程 更通俗的讲, 聚焦法则是一个包含了整套相控阵硬件和软件的运行参数的文件 它定义了在完成发射及接收两种功能时需要激发的晶片 时间延迟 电压等 8 聚焦 ( 类型 ): 深度聚焦 : 适用于相控阵探头的几个可供选择的聚焦方式之一 聚焦可在特定平面上, 如 ( 真实 ) 深度, 投影 ( 垂直平面 ) 或其他一些聚焦平面 另一种选择是在一个固定的声程处聚焦 在任何情况下, 聚焦功能指示一种波束近场区的功能, 它只能在声程小于相同孔径的非聚焦探头近场长度时才能够发生 9 线性扫查 : 在一些行业也称之为单线扫查, 是指沿着一个单一的与焊缝或者被检查区域平行的路径进行的机械扫查 10 多组 : 也被称为 multi-group 在一次单一的扫查中, 激发并显示多种扫查方式, 如, 进行使用不同的参数设置或者不同的出射点位置的 S 扫,E 扫,TOFD 的联合检测, 也可能使用多个阵列 11 相控阵 : 相控阵技术是一个通过由精确的延时脉冲控制的多个晶片所形成的相位干涉产生超声数据的过程 相控阵阵列可以执在一个角度范围内的波束切换 (S 扫描 ), 固定角度的波束扫描 (E 扫描 ), 波束聚焦, 横向扫描以及依靠于阵列和工艺的多种其他扫描 每一个晶片由一个独立的连接有电线的换能器组成, 并配有适合的脉冲发生器, 多路复用器,A / D 转换器, 并且晶片之间处于声学隔离状态 相控阵系统是计算机控制的, 这种控制通过与用户友好的软件界面进行, 以便于操作者可以容易的设置需要的检测参数 通常, 楔块被用来优化检测角度和最大限度的减少磨损 相控阵对于不易接近的区域, 像焊缝这样需要快速检测的工件, 检测成像和存储数据, 以及使用尖端衍射信号进行裂纹测量是非常有用的 探头类型 :

122 a. 环形相控阵探头 : 探头由排列成同心环形的换能器组成, 环阵相控阵探头允许波束沿着一个轴聚焦在不同的深度 环形换能器的表面积一般是不变的, 也就意味着每一个环形具有不同的宽度 b. 圆形相控阵探头 : 晶片沿圆柱面排列, 在不需要反射镜的情况下, 可从管道内部进行检查 c. 凸形相控阵探头 : 设计成弧形的相控阵探头, 通常用于从管道内部进行检查 d. 凹形相控阵探头 : 设计成弧形的相控阵探头, 通常用于从管道外部进行检查 e. 菊花形相控阵探头 : 菊花形相控阵探头相当于将线性相控阵的探头弄成弧形, 以便于超声波沿着圆 / 圆柱的轴线方向发射 这种类型的阵列可以结合反射镜从管道内部检测 f. 线性相控阵探头 : 探头是由一组沿着一个轴并排的晶片组成, 它们可以使波

123 束沿着一个固定角度的平面 ( 有效轴 ) 光栅移动 聚焦 扫频和偏转 g. 矩阵探头 : 这类探头具有被沿着两个方向分割成不同晶片的有效区域 虽然也使用一些其它的设计, 但矩阵探头通常会设计成棋盘格式 这类探头可以在三维方向控制波束 h. 扇形阵列探头 : 探头的环形被细分为多个晶片的环阵探头 i. 稀疏矩形阵 : 一个包含不足 100% 的晶片的矩形阵列, 以便于晶片之间留有空隙 稀疏矩阵一般应用于设备和阵列成本显著的较大阵列 j. TRL PA: 发射 - 接收纵波相控阵探头 是一个双阵列探头 ; 它发射纵波, 主要用于奥氏体金属的检查 折射转向角 : 相对于自然折射角的偏差 1 扇形扫查 : 也叫 S 扫, 角度扫查或者方位角扫查, 这些可能与波束的移动及数据显示的形式有关 作为数据显示, 它是所有 A 扫的二维视图, 并且对每一组晶片的延时和折射角度进行了修正 当使用波束移动时, 即等量的晶片数通过一系列聚焦法则来实现限定角度范围内的扫查 转向 : 相控阵探头使波束转离主轴线的能力 具备这个能力需要矩形阵列或者 2 维阵列 2 相控阵探头的术语 a. 栅瓣 : 由阵列中规律及周期性的晶片间隔造成的超声能量中的不需要的旁瓣 b. 主动孔径 : 一组激活晶片的大小 (A) c. 轴向分辨率 : 轴向分辨率是在同一角度, 按照从波峰到波谷大于 6 分贝波幅衰减为依据, 沿声轴方向可以区分的位于不同深度的两个邻近的缺陷的最小距离 d. 串扰 : 又被称为 cross-talk 当阵列晶片被激活时, 在相邻晶片之间产生电子或声学干扰的不良情况 e. 晶片宽度 : 在一个矩形晶片中, 晶片两个边中较短的尺寸 (e) f. 晶片长度 : 在一个矩形晶片中, 声学晶片两个边中较长 (W), (L), (H) 的尺寸 见被动孔径 g. 晶片间距 : 阵列中两个相邻晶片中心之间的距离 (p) 高度 : 与被动孔径相同 i.

124 高度聚焦 : 在被动方向, 通过应用透镜或者晶片形状使传感器聚焦 j. 横向分辨率 : 横向分辨率是指按照从波峰到波谷最小 6 分贝波幅衰减为依据, 在同一深度可以清晰区分的两个邻近的缺陷的最小距离 k. 被动孔径 : 阵列中晶片的长度尺寸 l. 切口 : 也被称为 缝隙 ( 间隙 ) 两个相邻晶片之间的空隙 (g) 虚拟探头 : 一组独立的阵列晶片, 同时或按照相位控制产生脉冲, 以此产生一个更大的声学孔径 e p g 17. 与相控阵探头相关的楔块参数 a. 耦合 : 用来保持被测物表面润湿或者处于声波可传播状态的方法, 也被称为 irrigation b. 仿形楔块 : 指经过加工做成的与工件外形相匹配的楔块, 例如, 加工成弧形的与管道形状相匹配的楔块 c. 可以对楔块进行多个维度方向的仿形加工 ( 如下图所示 ) d. 双阵列楔块 : 楔块被加工成可以安装两个相控阵探头 通常应用于一发一收的情况 他们通常会有一个声绝缘介质将其分割成两个部分 e. 第一晶片高度 : 第一晶片中心到楔块底面的垂直距离 ( 如下图所示 ) f. 横向阵列楔块 : 与常规的阵列安装方式相比, 横向阵列楔块将