相控陣超聲聲束控制原理

相控陣超聲聲束控制原理

（發(fā)表在本雜志第8版中）。5相序參數(shù)和數(shù)據(jù)表示的計(jì)算機(jī)控制的評(píng)估5.1回波位置檢測(cè)1)原理:相控陣的超聲聲束控制是基于費(fèi)爾馬原理,即聲傳播遵循時(shí)間最短的行程。此原理可用于相控陣探頭陣元發(fā)射的超聲波前傳播聲程的聲線跟蹤,以計(jì)算出使聲束對(duì)準(zhǔn)特定位置時(shí)定時(shí)電子設(shè)備所需要的延遲時(shí)間。利用費(fèi)爾馬原理,輸入材料聲速,就可算出折射角和焦點(diǎn)位置。只要材料聲速準(zhǔn)確,算出的聲束位置也會(huì)準(zhǔn)確。2)變量:計(jì)算的準(zhǔn)確性相關(guān)于幾個(gè)變量,包括:被檢材料聲速,探頭組件尺寸(陣元尺寸,主頻率,楔內(nèi)延遲聲程),以及影響相位干涉圖形的脈沖發(fā)生器的定時(shí)準(zhǔn)確性。若所有變量都能準(zhǔn)確代入相應(yīng)公式,則聲束應(yīng)能準(zhǔn)確定位。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),操作者唯一可獲得的證據(jù),就是數(shù)據(jù)顯示。顯示圖會(huì)提供坐標(biāo)系統(tǒng),由此可測(cè)出兩維或三維人工標(biāo)靶的回波位置。將顯示圖上的理論測(cè)繪位置,與特定標(biāo)靶的實(shí)際已知位置聯(lián)系起來,是評(píng)價(jià)組合變量與計(jì)算機(jī)算法影響顯示準(zhǔn)確性的唯一有效方法。5.2相控陣元聲速的測(cè)定1)使用接觸式線陣列探頭,標(biāo)稱頻率5MHz,至少有16陣元,陣元間距≯1mm,配置兩個(gè)單獨(dú)的S掃描的軟件:一個(gè)±30°,鋼中焦距25mm(即聲束在鋼中聲程25mm處聚焦),另一個(gè)±30°,鋼中焦距50mm(即聲束在鋼中聲程50mm處聚焦)。對(duì)兩組聚焦法則,編程的角度進(jìn)階間隔均取0.5°;所有聚焦法則應(yīng)使用16相鄰陣元。2)確保數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化頻率至少為80MHz。3)在鋼試塊中加工一系列橫孔;材料聲速按ASTME494測(cè)試。將此聲速值用于聚焦法則。4)將相控陣探頭置于圖8所示試塊上,使陣元陣列中心對(duì)準(zhǔn)該試塊標(biāo)定的中心線。5)按25mm焦距進(jìn)行掃查,并存儲(chǔ)S掃描圖像。6)按50mm焦距進(jìn)行掃查,并存儲(chǔ)S掃描圖像。7)利用計(jì)算機(jī)顯示調(diào)整光標(biāo),并以表格形式記錄深度位置、偏離中心線的距離、以及對(duì)橫孔的掃查角度。對(duì)半徑50mm圓弧線上的橫孔,用為50mm焦距設(shè)置的聚焦法則所測(cè)試的結(jié)果;而對(duì)半徑25mm圓弧線上的橫孔,則用為25mm焦距設(shè)置的聚焦法則所測(cè)試的結(jié)果。8)測(cè)評(píng)結(jié)果要求:利用預(yù)先編程的軟件,將測(cè)評(píng)數(shù)值與試塊中橫孔實(shí)際位置進(jìn)行比較。計(jì)算機(jī)顯示上出現(xiàn)的聲程距離,所示橫孔位置誤差應(yīng)≯±0.5mm。橫孔深度位置和偏心位置誤差應(yīng)≯±0.5mm。對(duì)橫孔的所有掃查角度誤差應(yīng)≯±1.0°。6相控制矩陣中楔塊衰減和延遲的評(píng)估6.1動(dòng)態(tài)校正方法1)重要性:使用電子掃描或扇形掃描時(shí),各個(gè)脈沖發(fā)生器和接收器電子線路之間的差異,探頭陣元之間的差異,均可能引起聚焦法則之間在增益上的數(shù)值變化。而且,發(fā)生效率隨角度而變化,會(huì)因楔塊的自然角度而衰減。當(dāng)使用折射楔或延遲線時(shí),楔內(nèi)聲程的差異,會(huì)使一些聚焦法則需要加減放大器增益。因此需要有增益變異的調(diào)整方法,以使電子掃描或S掃描中的整套聚焦法則“規(guī)范化”。2)評(píng)價(jià)要求:當(dāng)相控陣探頭用延遲線或折射楔時(shí),聲束變角和投影顯示的計(jì)算均基于費(fèi)爾馬原理。這就要求操作者能識(shí)別在探頭陣元空間中的位置。這樣才能確保陣元到楔塊一鋼界面的行程距離準(zhǔn)確已知。要驗(yàn)證操作者使用的坐標(biāo)能提供正確的深度計(jì)算值,以確保顯示軟件可正確定位檢出的顯示。3)校正方法:可按某一時(shí)刻的聚焦法則,對(duì)衰減差異和延遲時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整;也可配置相應(yīng)軟件,進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。對(duì)半徑50mm圓弧線上的橫孔,可用為50mm焦距配置的聚焦法則;而對(duì)半徑25mm圓弧線上的橫孔,則用為25mm焦距配置的聚焦法則。6.2動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及數(shù)據(jù)處理1)以下所述方法導(dǎo)則是針對(duì)用一維線陣列探頭作E掃描或電子光柵掃描時(shí),有關(guān)楔塊衰減校正的評(píng)價(jià)。2)為電子光柵掃描要應(yīng)用的聚焦法則,配置相控陣系統(tǒng)。3)將相控陣探頭置于鉆有深度位置已知的橫孔試塊上(為方便起見,這里使用ⅡW試塊中Φ1.5mm的橫孔作為測(cè)試靶體)。4)為配置的第一個(gè)聚焦法則選用A掃描顯示,將探頭前后移動(dòng),找到橫孔的最大波幅信號(hào)。5)將橫孔回波幅度調(diào)至80%滿屏高,并將有關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)到聚焦法則文檔中。6)對(duì)每一聚焦法則,重復(fù)使橫孔回波信號(hào)達(dá)到最大并調(diào)至80%滿屏高的過程,完成對(duì)每一聚焦法則有關(guān)調(diào)整參數(shù)的文檔存儲(chǔ)。7)上述過程也可用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行,即通過計(jì)算機(jī)完成對(duì)靈敏度調(diào)整的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)計(jì)算。動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)只要求操作者對(duì)著橫孔前后移動(dòng)探頭,以確保使用的所有聚焦法則均有橫孔標(biāo)靶移動(dòng)通過聲束。隨后,就由相控陣系統(tǒng)計(jì)算,完成楔塊衰減校正,以確保每一聚焦法則檢出的橫孔回波幅度,均能調(diào)整到相同幅度。8)評(píng)價(jià)楔塊衰減補(bǔ)償時(shí),要求鋼中聲程保持不變,以確保只評(píng)價(jià)起作用的楔塊聲程變化。對(duì)使用一維線陣列探頭的S掃描,單個(gè)橫孔會(huì)導(dǎo)致每一聲束角度在鋼中的傳播聲程不同,這樣就不適于正確評(píng)價(jià)楔塊衰減校正。一般推薦的測(cè)試靶體是分布在類似于ⅡW試塊R100mm圓弧面上的橫孔。對(duì)S掃描來說,可采用(2)～(6)所述步驟,而不用分布在適當(dāng)半徑的圓弧線上的橫孔。使用為S掃描設(shè)置的半徑,也能對(duì)角度變化所固有的回波傳輸效應(yīng)進(jìn)行校正。注:若不能進(jìn)行適當(dāng)校正,如角度范圍太大,以致信號(hào)幅度無法有效校正,則必須將角度范圍減小到可作校正的程度。9)對(duì)不同楔塊和不同掃描型式的配置,有關(guān)相控陣探頭的動(dòng)作示意,見圖11。6.3動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的計(jì)算1)當(dāng)使用折射斜楔作E掃描或S掃查,或使用固定厚度的延遲線作S掃查時(shí),不同聚焦法則涉及的楔塊材料中的聲程也不同。需要對(duì)這種延時(shí)差進(jìn)行校正,以確保檢出的信號(hào)在投影掃描顯示中正確定位,即令試件中的深度位置和角度得以正確測(cè)繪。2)為在S掃查或電子掃描中要用到的聚焦法則,配置相應(yīng)的相控陣系統(tǒng)。3)將相控陣探頭置于曲面半徑已知的試塊上。為此可使用ⅡW試塊R100mm或小型試塊R50mm的圓弧面作為測(cè)試靶體。4)對(duì)設(shè)置的第一聚焦法則,選用A掃描顯示,前后移動(dòng)探頭,以從半徑選定的圓弧面上獲得波幅最高的反射信號(hào)。5)調(diào)整指示金屬聲程的延時(shí)值,以正確顯示所用圓弧面半徑,將聚焦法則有關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)起來。6)對(duì)掃描設(shè)定的每一聚焦法則,重復(fù)半徑一定的圓弧面反射波幅達(dá)到最高的過程,在每一延遲值調(diào)好后,將有關(guān)參數(shù)值存儲(chǔ)起來。7)上述過程也可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行,即用計(jì)算機(jī)完成有關(guān)延時(shí)調(diào)整動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的計(jì)算。作動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)時(shí),操作者只需在試塊入射點(diǎn)附近前后移動(dòng)探頭,以確保所使用的所有聚焦法則,都能找到與聲束角度相應(yīng)的一定半徑圓弧面上獲得最大波幅的聲束中心線。8)對(duì)小角度縱波的聚焦法則,要求定制專用試塊作楔塊延遲校正。9)適應(yīng)不同楔塊、不同掃描型式設(shè)置的探頭動(dòng)作示意,見圖12。7相序設(shè)備的線性評(píng)估7.1儀器線性要求相控陣超聲儀各脈沖發(fā)生器和接收器的操作,基本上與任何單通道超聲探傷儀相同。儀器線性要求可按ASTME317所述評(píng)價(jià)。但由于所有相控陣儀器均有數(shù)控特性,再加使用多重脈沖發(fā)生器和接收器,因此對(duì)相控陣儀器要求評(píng)價(jià)不同于傳統(tǒng)單通道儀器的線性。7.2線性校驗(yàn)試塊1)相控陣儀器配置A掃描顯示。2)將A掃描時(shí)基線調(diào)到適當(dāng)范圍,以顯示選定的脈沖回波信號(hào)來驗(yàn)證線性。選用類似于ASTME317所示線性試塊,以獲取回波信號(hào),評(píng)價(jià)儀器線性狀態(tài)。圖13即為安置了單晶探頭的線性校驗(yàn)試塊。3)就頻率和帶通濾波器,選用適當(dāng)脈沖源參數(shù),使驗(yàn)證線性用的脈沖回波(單晶)探頭獲得最佳回波信號(hào)。4)調(diào)節(jié)接收器增益,用非飽和波形顯示相關(guān)信號(hào),以此對(duì)儀器顯示屏高線性和波幅控制線性進(jìn)行評(píng)價(jià)。7.3線性校驗(yàn)試驗(yàn)1)將連接到相控陣儀器的橫波或縱波探頭,耦合到試塊上,獲得圖13所示兩回波信號(hào),調(diào)整探頭位置,使兩回波信號(hào)幅度分別為顯示屏高度(簡稱滿屏高)的80%和40%。若相控陣儀器有脈沖回波式單晶探頭的設(shè)置,則用專用線性校驗(yàn)試塊(裝有聲阻抗可調(diào)的插件),由兩平底孔可獲得上述兩波幅比為2:1的信號(hào)。2)調(diào)節(jié)接收器增益,將上述第一信號(hào)調(diào)至100%滿屏高,記錄此時(shí)第二信號(hào)的百分?jǐn)?shù)值(即滿屏高的%)。3)然后,將第一信號(hào)逐步降至10%滿屏高,每步波幅降10%,記錄第二信號(hào)的相應(yīng)波高。4)再次調(diào)節(jié)接收器增益,將第一信號(hào)回復(fù)到80%滿屏高,要確保第二信號(hào)不因耦合變化產(chǎn)生波動(dòng),以致偏離40%滿屏高。若第二信號(hào)高于41%或低于39%滿屏高,則應(yīng)重新校驗(yàn)。5)容許誤差:來自兩反射體的回波幅度,應(yīng)保持2:1的關(guān)系,在10%～100%滿屏高的范圍內(nèi),誤差≯±3%滿屏高。若100%飽和,應(yīng)代之以99%。6)將測(cè)試結(jié)果記入儀器線性校驗(yàn)報(bào)告(見表2)。7.4脈沖發(fā)生器信號(hào)的校驗(yàn)1)16/64相控陣儀器由16個(gè)脈沖發(fā)生器和接收器組成,有64個(gè)陣元編址。為確定儀器放大線性(垂直線性),應(yīng)對(duì)各個(gè)脈沖發(fā)生器一接收器組元逐一校驗(yàn)。2)選用平面(標(biāo)稱入射點(diǎn))線陣列相控探頭,其陣元數(shù)至少與相控陣超聲儀所擁有的脈沖發(fā)生器數(shù)等同。3)用上述探頭,配置相控陣超聲儀作電子光柵掃描。每個(gè)聚焦法則只歸屬于1個(gè)陣元;掃描始于1號(hào)陣元,而終于對(duì)應(yīng)于相控陣超聲儀中脈沖發(fā)生器數(shù)的陣元數(shù)。4)將探頭耦合到選定的校驗(yàn)試塊上,以按每個(gè)聚焦法則,從試塊底面獲得1個(gè)回波信號(hào)?？墒褂肐IW試塊25mm厚度部分的底面回波。校驗(yàn)可用直接接觸法,也可用水浸法進(jìn)行。5)選用相控陣超聲儀脈沖發(fā)生器-接收器的1號(hào)通道。用A掃描顯示,監(jiān)視選定靶體(這里是指試塊底面)的回波信號(hào)。通過增益調(diào)節(jié)器,將回波信號(hào)調(diào)至40%滿屏高(見圖14)。6)將增益按1dB、2dB,再4dB、6dB的增量,逐一加到接收器上。每次遞加dB增量后,又要去掉添加的增益量值,以使回波信號(hào),又回到40%滿屏高。將信號(hào)實(shí)際高度以滿屏高的百分比值記錄下來。7)將回波信號(hào)調(diào)至100%滿屏高,去除6dB增益量,記錄信號(hào)實(shí)際高度(滿屏高百分比)。8)在表2所示屏高范圍內(nèi),容許的信號(hào)幅度波動(dòng)范圍》±3%滿屏高。9)對(duì)其它脈沖發(fā)生器一接收器通道,應(yīng)重復(fù)上述(5)～(7)的過程。10)某些儀器具有10比特或12比特的波幅數(shù)字化特性,其設(shè)置還能在門控區(qū)讀出大于顯示屏上看到的波幅,對(duì)此類儀器,可使用大范圍的校驗(yàn)點(diǎn),因而也可使用門控輸出而不用A掃描顯示來校驗(yàn)儀器波幅控制線性。7.5底波信號(hào)的采集1)相控陣儀器配置A掃描顯示。2)選用縱波探頭,設(shè)置相控陣儀器,顯示范圍適于從厚度已知的試塊獲得至少10次底面反射。為此,可利用ⅡW試塊25mm厚度的底面。3)調(diào)整相控陣儀器的模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率至少為80Hz。4)將探頭耦合到試塊上,使A掃描顯示屏上清晰地顯示10次底面回波(見圖15)。利用顯示軟件可確定相鄰兩底波信號(hào)之間的時(shí)間間隔。5)試塊聲速可按ASTME494所述方法測(cè)定,而后將該聲速輸入顯示軟件,由設(shè)置的顯示即可讀出相應(yīng)距離(厚度)。6)用基準(zhǔn)線和測(cè)試光標(biāo),即可確定各底波信號(hào)之間的間隔,記錄最初10個(gè)底波信號(hào)之間的間隔數(shù)值。7)根據(jù)轉(zhuǎn)換成等效距離的模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率,可用誤差容限確定線性合格與否。例如,取樣頻率為100MHz時(shí),時(shí)基線上每次取樣時(shí)間即為10ns。對(duì)鋼來說,聲速為5900m/s,則脈沖回波式中沿時(shí)基線(10ns)每次取樣時(shí)間是30μs。大多數(shù)模數(shù)系統(tǒng)定時(shí)取樣應(yīng)能達(dá)到±3%的容差。有些容差應(yīng)按聲速確定(～1%)。對(duì)鋼板,通常多次回波的時(shí)基誤差應(yīng)不大于±0.5mm。8)時(shí)基線性的校驗(yàn)記錄樣表見表2。8元激活性檢測(cè)1)相控陣聲束寬度相關(guān)于對(duì)相鄰小缺陷的分辨力,也相關(guān)于缺陷測(cè)長精確度、特別是裂紋類小缺陷的測(cè)高精確度。2)相控陣聲束變角范圍相關(guān)于對(duì)焊接接頭用一次波和二次波的可檢范圍。橫波一次波通常設(shè)置為35°～75°的范圍;二次波檢出的缺陷,在S掃描顯示中,常用其鏡像表示。需要預(yù)制兩種標(biāo)靶設(shè)置不同的聲束可變角評(píng)定試塊:一種是標(biāo)靶聲程固定而方位各異的試塊;另一種是標(biāo)靶聲程有變的試塊,內(nèi)設(shè)水平距離相同而深度位置各異的標(biāo)靶,或深度位置相同而水平距離各異的標(biāo)靶。3)相控陣陣元激活性相關(guān)于陣列探頭的整體功能的有效性,包括可變角范圍、聚焦法則、靈敏度和分辨力等。具體要求取決于應(yīng)用對(duì)象。若不達(dá)標(biāo),要求停用或更換。4)相控陣聚焦能力相關(guān)于缺陷定位、定量、定性、表征的有效性。聚焦越清晰,分辨力越高;聚焦不好,會(huì)使缺陷顯示圖像大于實(shí)際尺寸。在材料衰減許可情況下,應(yīng)盡可能采用較高頻率。5)相控陣參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算機(jī)控制涉及相關(guān)軟件的使用。作為相控陣UT操作者,應(yīng)充分熟悉常用檢測(cè)軟件、常用檢測(cè)工具的應(yīng)用程序,熟悉參變數(shù)的輸入和圖像數(shù)據(jù)的讀出。要能通過評(píng)定試塊試樣的操作演示,善于將顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比照分析。6)相控陣探頭衰減和延遲校正,相關(guān)于缺陷定位、定量的準(zhǔn)確性?？衫芒騑I型和Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)試塊R100、R50、R25mm圓弧面,或?qū)Ｓ迷u(píng)定試塊進(jìn)行校驗(yàn)。對(duì)電子掃描和扇形掃描應(yīng)分別進(jìn)行校驗(yàn)。7)相控陣儀器的垂直線性和水平線性偏差相關(guān)于缺陷定量定位。其測(cè)定方法與常規(guī)儀器的線性測(cè)定有同有異?？捎?/p>