超声相控阵技术原理应用及研究现状.docx

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超声相控阵技术原理应用及研究现状

超声相控阵技术原理、应用及研究现状

摘要：

简述超声相控阵检测技术的发展、原理、特点及相控阵换能器的分类。

超声相控阵技术通过对超声阵列换能器各阵元进行相位控制，能获得灵活可控的合成波束，进行动态聚焦、成像检测，能够提高检测灵敏度、分辨力和信噪比。

介绍了国外超声相控阵检测成像技术在焊缝和火车轮轴检测方面的应用。

超声相控阵检测技术较常规超声波检测具有高速、高效、适合复杂结构件以及能实时成像等优点,在压力容器、核电站和海洋平台结构等工业无损检测领域具有良好的应用前景。

关键词：

焊接；缺陷检测；相控阵；焊缝；超声检测

0前言

超声相控阵检测技术的应用始于20世纪60年代，目前已广泛应用于医学超声成像领域。

由于该系统复杂且制作成本高，因而在工业无损检测方面的应用受到限制。

近年来,超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。

在国外，相控阵技术发展十分迅速，尤其在医学诊断和工业检测方面的研究非常活跃。

一些公司如R/DTECH、SIMENS及IMASONIC还推出了商品化相控阵超声工业检测系统。

由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用,使得超声相控阵检测技术得以快速发展,逐渐应用于工业无损检测,如对气轮机叶片检测、和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域。

而在国内，超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医疗领域，在工业检测方面还非常落后，主要的设备都依赖于进口，2001年首先引入相控阵系统PIPEWIZARD全自动超声检测系统，成功应用于国家重点工程——西气东输。

1超声相控阵技术原理

超声相控阵换能器的工作原理是基于惠更斯—菲涅耳原理。

当各阵元被同一频率的脉冲信号激励时，它们发出的声波是相干波，即空间中一些点的声压幅度因为声波同相叠加而得到增强，另一些点的声压幅度由于声波的反相抵消而减弱，从而在空间中形成稳定的超声场。

超声相控阵换能器的结构是由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面;同样，

接收反射波时，按一定的规则和时序控制接收单元并进行信号合成和显示。

因此可以通过单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚集位置和焦点尺寸。

超声检测时需要对物体内某一区域进行成像,为此必须进行声束扫描。

常用的快速扫描方式是机械扫描和电子扫描,两种方式均可获得图像显示,在超声相控阵成像技术中通常结合在一起使用。

超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励（或接收）脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术。

由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束度可控和可动态聚焦两大特点。

图2为超声波束偏转聚焦示意。

超声相控阵中的每个阵元被相同脉冲采用不同延迟时间激发,通过控制延迟时间控制偏转角度和焦点。

实际上,焦点的快速偏转使得对试件实施二维成像成为可能。

图3为超声相控阵系统动态聚焦示意。

为实现快速动态聚焦,超声相控阵系统的发射器按波束聚波束聚焦定理向每个阵元发射信号。

根据互易原理,相控阵接收时的方向控制也用延迟来达到。

各阵元回波信号经延迟后叠加,即可获得某方向上目标的反射回波,由此形成的图像分辨力可显著提高。

1.1相控阵探头

超声相控阵技术需使用不同形状的多阵元换能器来满足构件检测的需求。

为不同形状的超声相控阵换能器,按其阵元排列方式分为一维线形阵列、一维环形阵列、二维矩形阵列、二维分段交错环形阵列和圆形阵列四种形式与面形和环形阵列相比,线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单,容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。

环形阵列由于不能进行声束偏转控制,大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。

其中二维分段交错环形阵列比较特殊,专门用于棒材检测。

由于目前加工工艺限制,及电路复杂和制作成本高,使二维矩形阵列仍主要应用于医用B超上,工业上很少使用。

圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷。

1.2相控阵技术特点

与常规超声探头比较，相控阵检测具有明显的优势：

（1）超声相控阵系统使用的探头盘体积小、质量轻。

（2）突破了传统机械聚集只能形成估计焦点的局限性。

通过软件参数的设置就能对所关心区域的多角度、多方向扫查，可以更好的适应工况，整个检测系统更加灵活。

（3）可以对焦柱长度、焦点尺寸、声束方向进行优化控制，提高了缺陷分辨率、信噪比及缺陷检出率。

超声相控阵换能器按其晶片形式主要分为三类，即线阵、面阵和环形阵列。

2超声相控阵检测技术的应用及局限性

超声波相控阵检测系统可以是手动，半自动，或者全自动工作。

相对于常规的单探头超声波检测方法，超声波相控阵检测技术的特点在于：

简单手工操作；具有多种扫描方式；检测效率高；适应性强。

超声相控阵检测适用于能源工业、石化工业、航空航天工业、船舶、铁轨、汽车等行业。

如核电站和能源工厂重要零部件的检测，如涡轮盘、涡轮叶片根部、核反应堆的管道、容器和转子、法兰盘等，管道检验，腐蚀检测和绘制腐蚀图，大型曲面板材、铝合金焊缝、搭接连接、环形件和喷嘴、各种制件的结构完整评价等。

2.1粗晶、后壁工件检测

在核动力装置及设备中,厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件多,设备和管道中某些焊缝可达性及可检性差而申请免检多。

此时,应用相控阵技术可提高检测效率,减少辐照时间,扩大超声检测应用范围,取得显著的经济效益和社会效益。

用相控阵技术对盛装核废料的罐体封头和筒体间电子束焊环焊缝进行100%全自动超声检测,可避免采用复杂机械装置,利用其动态聚焦能力并结合分离谱技术可减少粗晶的影响,提高信噪比。

采用含64个单元的相控阵换能器进行水浸法B扫描检测,在模拟试块中可检出焊缝区内直径为13mm的人工边孔。

900MW压水堆主泵隔热板热疲劳裂纹的检测存在的困难是,凸缘和轴承之间空间狭小（图6）,探头移动空间极为有限,可达性差;双曲面形状的凸缘使声束强烈发散。

然而,使用具有16个单元的线性阵列探头进行检测,可不拆卸轴承和密封圈等结构;具有双曲面形状的楔块可实现探头和凸缘间的耦合;根据楔块形状调整延迟,校正畸变声场。

该系统可扫查圆周外表面以下200mm的范围,可检出径向平面内5mm以上的疲劳裂纹。

图6粗晶奥氏体钢在核工业中应用广泛,但其可靠检测一直是个难题。

最新研究表明,相控阵技术同TRL及DSP技术结合起来已成为行之有效的检测手段,其最大特点是检测信噪比高,且只需一个相控阵换能器就可检测不同深度缺陷。

汽轮机转子叶根、轮槽和键槽等的超声检测由于其结构限制而难以用普通单一探头进行。

以叶根检测为例,若使用相控阵换能器,可在不拆卸叶片的条件下从图7中

Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三个方向检测,既能提高检测效率,又能避免拆卸损坏。

在其它工业领域,相控阵技术亦有着广泛的应用,如压力容器、高能管道焊缝和输油管道焊缝的检测。

R/DTECH公司研制的管道全自动超声相控阵系统可检测壁厚650mm,直径1001400mm的管道,扫查速度为100mm/s,4min可检测一条完整的陆地输油管焊缝（包括仪器安装和拆除）,结合声时衍射技术（TOFD）提高缺陷检出能力和定量精度。

2.2焊缝检测

超声相控阵检测技术已被成功应用于各种焊缝探伤,如航空薄铝板摩擦焊缝的微小缺陷探测。

用超声相控阵探头对焊缝进行横波斜探伤时,无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地前后来回移动,焊缝长度方向的全体积扫查可借助于装有超声相控阵探头的机械扫查器,沿着精确定位的轨道滑动完成,以实现高速探伤。

图8为用于检测图9所示焊缝（厚为15～40mm）的超声相控阵探头。

其探头频率为3MHz,阵元数为64,阵元尺寸为1.2mm×12mm,阵元间隙为0.05mm,整个晶片尺寸为80mm×12mm,楔块角度为34°。

一组八个阵元产生的声束可以随着入射角和焦距的改变产生偏转,该阵元组能沿着阵列长度方向进行电子移位,通过激活阵元9,断开阵元1和激活阵元10,断开阵元2的一系列变化促使声波真正地沿着检测表面移动。

对100%焊缝检测

只需平行于焊缝扫描,即垂直于焊缝的机械扫描运动可以省略。

超声相控阵允许使用衍射波时差法（TOFD技术）,选择邻近的阵元形成阵元组,一组发射,一组接收。

保持两组压电元件间隔一定,控制阵元组在被检结构的表面沿着相控阵方向进行实时扫描。

图10为该技术应用到薄壁管道环焊缝的检测实例,通过改变入射角αE和接收角αS检测焊缝缺陷。

3超声相控阵技术研究趋势

超声相控阵无损检测技术由于其诸多优点,已经成为了现代无损检测技术最有发展前景的技术之一"根据国内外的研究现状总结出超声相控阵无损检测技术的发展技术主要有一下几个方面:

（1）相控阵超声检测声场的建模和仿真

虽然超声相控阵探头的基本理论很早就有了,但是对相控阵探头的建模和仿真,直到最近才开始"要准确模拟换能器发射声场是比较困难的,利用数值计算和计算机仿真技术的方法建立相控阵超声检测计算模型,从理论上分析相控阵超声场声压的变化规律!

声束聚焦偏转的特性以及检测缺陷模型等,对进一步超声相控阵的研究具有重要的意义,并且为以后的实验提供有力的理论指导仿真"。

（2）二维超声相控阵探头的设计

超声相控阵探头的优化设计,可以大大提高聚焦点的大小!

偏转角度和检测效率,提高后续的超声成像质量"目前超声相控阵检测中用的大部分都是一维的线性阵列换能器,这种探头只能对面扫描成像"国外也有学者对二维阵列和圆形阵列的换能器的声场进行了研究,这种探讨可以进行空间聚焦偏转扫描,也是以后的重点研究方向"。

（3）超声相控阵检测中的自适应聚焦技术

随着工程技术的发展,对工件的性能要求越来越高,从而超声检测的分辨力越来越高"超声相控阵检测在声束的焦点处具有较高的分辨力,因此可以通过准确聚焦的方式能提高检测的分辨力"但是在实际检测时,由于检测工件存在材料的不均匀性等原因,使得理想的焦点和实际的焦点存在偏差,严重时可能实际并不存在焦点,这些情况都会影响系统的检测分辨力"自适应聚焦是指在超声相控阵检测时,能根据检测参数自动调整各个通道的发射和接收延迟,实现声束在预定点的聚焦"。

（4）超声相控阵系统图像显示与重建

超声相控阵检测中的一个难点是对采集的缺陷信号进行分析成像,但是将检测得到的数据进行图像重建得到的是A扫图像,不是很直观"超声相控阵成像技术是超声检测在运用相控阵技术后,在成像数据的获取!

处理以及显示方面的技术如（B扫、C扫）"同时其成像质量的主要指标有空间分辨力、对比分辨力和时间分辨力,如何提高相控阵超声成像的分辨率也是超声相控阵检测和成像的重要问题"。

4对无损检测的认识

当今社会，工业产品逐渐进入各个行业和人们的日常生活中为人们服务。

无论是简单的生活工具还是在高强度工作环境下工作的大型设备和基础设施，都在生活和工作中起着重要作用，承担着保证人们生活质量和整体工作正常和安全进行的关键作用，其安全性受到了用户的广泛关注。

如何在不破坏被测工件内部和外部结构及特性的情况下，对其质量、性能或内部有无缺陷进行检测，并进而对缺陷进行定性及定量分析的一种技术，即称为无损检测（Non-destructiveTesting，即NDT）。

NDT技术涉及的领域广阔，包含产品设计、加工制造、成品检测，在线维护检测等。

通过对被测对象的内部缺陷结构和尺寸的检测，有助于进一步了解加工工艺和被测对象工作状态，有利助于优化产品的开发和保障产品的安全运行及有效使用。

常规的无损检测方法有以下几种：

射线探伤（RT）、渗透探伤（PT）、磁粉探伤（MT）、涡流探伤（ET）和超声探伤（UT）。

每种方法都有各自的优点和局限性。

4.1射线探伤法

射线探伤法，指通过利用γ射线或X射线对被测工件材料的透射性能以及不同材料对射线吸收、衰减程度不相同的特性，使底片感光形成灰度不同的图像，以观察被测工件内部缺陷状况的方法。

当射线通过气泡、裂纹、通孔、熔渣等缺陷时，底片上会相应显示出阴影区。

通过对底片图像的分析就能检测出缺陷的形状和大小，获得缺陷永久记录。

但射线探伤使用的大型设备和底片均不易携带。

而且射线对人体有危害性，需要增加探伤人员的防护器械支出。

4.2渗透探伤法（PT）

渗透探伤法，指利用某些液体涂刷在被测物表层，由于润湿作用和毛细现象，这些液体会渗入被测工件表面的狭缝间隙，随后被吸附显像。

通过放大，表面缺陷图像可以被肉眼识别。

此方法适用范围广，操作简易，投资较少，设备便携。

但是探伤被局限在被测物表面，而且对于被测表面的清洁程度要求高，孔隙表面的洞隙会造成伪缺陷。

4.3磁粉探伤（MT）

磁粉探伤法，指通过磁粉在物体缺陷附近漏磁场中的聚集现象，来检测工件表面或近表面处的缺陷，缺陷位置、尺寸等信息决定了漏磁场的强度与分布。

与渗透探伤相似，备件缺陷局限在被测物表面。

而且被检测工件必须具有铁磁性，需要在检测前将工件磁化，探伤后给工件退磁。

4.4涡流探伤（ET）

涡流检测法，指运用电磁感应原理，通过确定被测工件内部感生涡流的变化来检测缺陷。

探头线圈内的电流变化的大小反映了缺陷的情况。

这种方法测量简便，不需要耦合剂，探测时不必接触。

但是由于存在趋肤效应，其检测范围只局限在被测工件近表面或者表面，测量结果由磁场穿透力的影响。

4.5超声探伤（UT）

超声探伤法，指通过观察超声波在被检工件中传播时，受到工件的声学特性和内部组织的变化的影响，来判断工件内部缺陷尺寸等信息的探伤方法。

常用的方法有穿透法、串列法和脉冲反射法。

在工业超声检测中，应用的最广泛的是脉冲反射法，这是指超声波的在传播过程中，遇到与被测工件声阻抗差过大的缺陷，如气泡、熔渣、裂纹等缺陷时，会在界面处发生反射或折射现象。

缺陷回波体现了缺陷的大小和缺陷距离发射平面的声程。

其方法具有较高的检测灵敏度和较强的适应性，对人体伤害性小，成本低廉，对焊缝等检测对象进行检测效率较高，效果好等优点。

但其存在需要耦合剂，探伤结果需要专业人员解释等缺点。

传统的超声波自动探伤技术仍存在一些不足，限制了其应用。

通常在超声波在发射和反射时，声束会发生扩散，导致声束能量的减弱，使得检测灵敏度的降低。

而且，在变换测量环境和对象时要进行重新安装调试。

为了提高检测灵敏度，使检测声束能检测到微小缺陷，则需增加被检工件中声束能量。

通过增加换能器的工作频率，可以增加声束的能量，但会导致声束在介质中传播时的能量衰减更为严重。

所以，换能器的工作频率不应过高。

于是对声束聚焦的思想被提出，人

们按照光束聚焦的原理，思考将换能器表面直接做成具有一定曲率的凹面实现发射声束的聚焦，但这种方法只能实现一定的某种声束控制，调整不方便，但在超声检测中常常需要改变声束方向、聚焦等特性，使用这种方法检测速度较低。

于是提出了超声相控阵的无损检测方法。

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