超声相控阵检测技术及其应用
第26卷第5期2004年5月
无损检测NDT
Vol.26 No.5May 2004
综 述
超声相控阵检测技术及其应用
单宝华,喻 言,欧进萍
(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨 150090)
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。介绍国外超声
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:超声检验;相控阵;换能器;焊缝;轮轴
中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2004)0520235204
ULTRASONICPHASEDARRAYINSPECTIONICATIONS
SHANBao2hu,,(Haπerbin150090,China)erbinInstituteof,of,Haπ
Abstract:Theofultrasonicphasedarrayinspectiontechnologyandtheclassificationofsummarized.Itsapplicationstoweldandrailwaywheelandaxleinspectionweredescribed.Itwasthatultrasonicphasedarrayinspectiontechnologywashighinspeed,efficiency,suitableforcomplicatedstructureandreal2timeimagingcomparedwithconventionalultrasonictechnique,andwasgoodinapplicationprospectfornondestructivetestingofpressurevessels,nuclearpowerplantandoffshoreplatformstructureandsoon.
Keywords:Ultrasonictesting;Phasedarray;Transducer;Weld;Wheelandaxle
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[1,2]。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[3
,4]。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[5,6],使得超声相控阵检测技术得以快速发展,逐渐应用于
工业无损检测,如对气轮机叶片(根部)和涡轮圆盘的检测[7]、石油天然气管道焊缝检测[8]、火车轮轴检测
[9]、核电站检测和航空材料的检测等领域[10,11]。
目前,国内对超声相控阵技术的研究主要集中在医疗领域,对工业无损检测领域的研究尚处于探
索阶段[12]。以下主要介绍国外超声相控阵检测技
术在焊缝和火车轮轴检测方面的应用及成效。
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。图1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[13]。
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
图1 相控阵探头阵元几何排列示意图
收稿日期:2003210214
基金项目:国家863计划项目(2001AA602023)
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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[13,14]。
度、焦距和焦点尺寸的软件控制,与常规超声波检测技术相比,超声相控阵检测技术具有如下特点:
(1)生成可控的声束角度和聚焦深度,实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检测。
(2)通过局部晶片单元组合实现声场控制,可实现高速电子扫描;配置机械夹具,可对试件进行高速、全方位和多角度检测
。
(3)采用同样的脉冲电压驱动每个阵列单元
,聚焦区域的实际声场强度远大于常规的超声波检测技术,从而对于相同声衰减特性的材料可以使用较高的检测频率。
2 超声相控阵成像原理及特点
超声检测时需要对物体内某一区域进行成像,为此必须进行声束扫描。常用的快速扫描方式是机械扫描和电子扫描,两种方式均可获得图像显示,在超声相控阵成像技术中通常结合在一起使用。
超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收)脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)
物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术[15]态改变,图2。,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。
3 工程应用
3.1 焊缝检测
探伤,[17],[18],以[19]。
,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4为用于检测图5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
图2 超声相控阵系统波束偏转聚焦示意图
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[16]。
图3 超声相控阵系统
由于实现了超声波声束的角
波束动态聚焦示意图
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图4 超声相控阵探头
图5 使用超声相控阵探头检测焊缝
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[20]。
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6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
。
图8 超声相控阵在火车轮轴上的安置示意图
超声相控阵探头。探头1
用于检测制动盘的轮箍区
域,探头2用于检测车轮轮箍和轴颈,其相控阵探头频率f=2.7MHz,楔块角度β=48°,阵元尺寸为22mm×20mm,阵元数目16个,角度为28°~72°。
图6 一发一收技术的实时扫描
2mm深裂纹,图9C扫描图像。,时的一半,大大节省了时间,提高了缺陷检出率。
管道环焊缝检测通常按美国ASTM1998标准进行,术结合在一起使用,,图像直观可视。、海[21~23]。3.2 火车轮轴的检测
目前在德国,自动超声相控阵检测技术正逐步取代手动超声探伤方法检测火车轮轴的缺陷。该超声相控阵火车轮轴检测系统是由德国
Krautkramer公司和FederalInstitutefor
MaterialsResearchandTesting(BAM)合作研制开发的[9,24,25]。
图7为火车轮轴的几何形状,该结构的缺点为车轮和制动盘的间隙太窄,使相控阵的使用受限,因此只有沿圆周方向的运动是可行的,这需要对整个检测区域使用线性扫描来完成。鉴于火车轮轴的形状,使得横波检测所需入射角的范围必须在28°~72°才能确保结构的缺陷被检出。
图8为带有一个车轮和制动盘的火车车轮装置示意图,在车轮和制动盘间及制动盘外放置了两个
图9 轮轴检测的C扫描图像
4 结论
由于超声相控阵检测技术采用了声束的角度扫描和动态聚焦等技术,使检测效率和灵敏度得到提
高,且可满足复杂结构检测的需求,而且由于探伤图像可视化,因此具有实时检出和评定缺陷的优点。
目前超声相控阵检测技术的发展重点在于开发便携式设备和专业系统。超声相控阵检测系统的应用操作虽然简便,但设置检测参数时,需要对结构提出完整的检测算法,在此基础上进行精密计算才能确定,因此必须对探头声场特性有深入的理解。
超声相控阵检测技术作为一种高速、精确的探
图7 火车轮装置示意图
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单宝华等:
超声相控阵检测技术及其应用
伤方法不仅可用于焊缝和火车轮轴的检测,还可用于锻件和新型材料等的检测,该技术在压力容器、航空航天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。参考文献:
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中国国际机电工业博览会
即 将 举 行
宁波市人民政府联合中国机械工程学
会将于2004年9月16~19日在宁波国际会展中心举行2004中国国际机电工业博览会。展会以“高新技术提升传统产业”为主题,展示高科技对机电制造业的促进和影响。同时还将举行高水平的学术交流活动和科技论坛。详细内容请浏览材料与测试网(www.mat2test.com)。
译.美国无损检测手册・超声卷[M].上海:世界图书出版公司,1996.438-463.
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