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非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：管志超1 陈福安2 谢旭梦3

[导读] 摘要：超声相控阵因其灵活的声束形成以及快速成像性能得到了越来越多的关注，成为超声无损检测领域新近发展起来的研究热点。

        （1.3 浙江省特种设备检验科学研究院浙江杭州 310000；
        2 浙江赛福特特种设备检测有限公司浙江杭州 310000）
        摘要：超声相控阵因其灵活的声束形成以及快速成像性能得到了越来越多的关注，成为超声无损检测领域新近发展起来的研究热点。本文探讨了基于非线性超声相控阵的无损检测系统，并利用超声检测的标准试件对该系统的性能进行了检验。
        关键词：相控阵；非线性超声；无损检测；反相脉冲
        前言
        超声相控阵则是用若干压电阵元组成阵列换能器，实现声束的相控发射与接收。近年来医学领域B型超声诊断仪最先应用了超声相控阵技术进行动态聚焦，但是由于各种原因在工业无损检测中它的应用直到几年前还是空白。虽然如此，最近几年来对相控阵超声检测的研究已成为热点，而且正在逐步走向应用。
        1超声相控阵原理概述
        相控阵发射：多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器，分别调整每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，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。
        图1（a）中，阵列换能器各阵元的激励时序是两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟，使得合成的波阵面指向一个曲率中心，即发射相控聚焦。
        图1（b）中，阵列换能器各阵元的激励时序是等间隔增加发射延迟，使得合成波阵面具有一个指向角，就形成了发射声束相控偏转效果。

        图1发射相控聚焦与偏转
        相控阵接收：换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。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，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。
        2超声相控阵的国内外发展及研究现状
        国外研究及应用超声相控阵较为深入的国家主要有法国、加拿大、英国、德国、美国等。1959年，第一个超声相控阵检测系统诞生，是由TomBrown研制的环形动态聚焦换能器系统，并注册了相关专利。20世纪70年代初期，市场上出现了第一个医用超声相控阵换能器，可对人体进行横断面成像。此后很长一段时间，超声相控阵仅应用于医疗领域。至80年代，第1台工业用超声相控阵检测仪研制成功，主要用于核电站相关零部件的检测。但这台检测仪系统非常复杂，体积庞大且价格昂贵，因此其在工业中的应用并不广泛。
        近年来，随着微电子、计算机等高新技术的飞速发展，超声相控阵在工业中的应用逐渐推广开来，得到了越来越多的关注。
        1992年，美国通用电气公司（GE）研制成功了数字式超声相控阵实时成像系统，实现完全可编程的数字式声束形成，可更加灵活地控制声束；1994年，英国科学家Hatfield研制了可手持式操作的高集成度超声相控阵系统；1998年，法国原子能委员会（CEA）研制了自适应聚焦超声成像系统（即FAUST系统），实现了更灵活，适应性更强的检测；2000年，CEA又成功研发了曲率半径为15 mm的曲面换能器，用于曲表面零件的检测。同年，柔性相控阵探头于法国研制成功，用于不规则表面零件的检测；加拿大的R/D TECH公司致力于管道环焊缝的检测系统研究，于2002年研制了PipeWIZARD超声相控阵管道检测系统；2005年，GE研发的超声相控阵油气管道检测系统正式投入使用，得到良好的检测效果；同时，GE与联邦材料试验研究所（BAM）、德国铁路（DB）联合研发了用于检测火车轮轴关键部位横向裂纹的超声相控阵系统。
        目前，国外研发的一些小型便携式超声相控阵检测仪已经商业化，如Olympus生产的TomoScan系列和OmniScan系列。其他类似应用较多的便携式检测仪器还有英国SONATEST公司的veo系列、法国M2M公司的Multi2000系列等。
        3超声相控阵无损检测系统及实验
        超声相控阵在焊缝检测中的应用已非常广泛，其中对管道环焊缝的检测是最常见的，本节就以油气管道环焊缝的检测为例，介绍超声相控阵在焊缝检测中的应用。对于焊缝，一般要按照ASTM标准将其分区域检测，将焊缝划分为7个检测区域，因此，需要多种不同入射角度的声束进行检测。使用传统的超声波探伤法对管道环焊缝进行检测时，超声探头需要沿着管道的周向和轴向进行频繁的移动扫描，如图2（a）所示，检测过程复杂。应用超声相控阵对环焊缝进行探伤时，只需一次简单的线性扫查即可完成全焊缝检测，如图2（b）所示，不需要复杂的扫查装置，不需要更换探头，只通过软件参数设置就可实现对焊缝区域的多角度扫查，能适应不同工况，整个检测系统具有更高的灵活性。

        图2传统超声检测与相控阵超声检测比较
        为提高检测效率，一般采用2个相控阵探头对称地放置于环焊缝左右两侧，2个探头的检测方案完全一样，分别负责焊缝中心左右两侧区域的检测。2个探头要安装在爬行器械上，沿管道上的爬行轨道以一定速度完成圆周方向的扫查。爬行器械是检测系统的动力机械部分，包括爬行器和爬行机架。爬行器安装了相控阵探头和驱动电机，爬行机架提供爬行器运动的爬行轨道，。
        4结论
        超声相控阵通过对各阵元的有序激励可得到灵活的偏转及聚焦声束，联合线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等独特的工作方式，使其比传统超声检测具有更快的检测速度与更高的灵敏度，且图像化的检测结果更加直观，更适用于复杂结构零件的高精度检测。近年来，微电子、计算机、人工智能、数字信号处理等技术水平的快速提高，为超声相控阵检测技术的发展又提供了新的契机，国内外对超声相控阵检测技术的研究及应用层出不穷，使其快速成长为无损检测领域一颗备受瞩目的新星。
        参考文献：
        [1]孙芳．超声相控阵技术若干关键问题的研究［D］．天津：天津大学，2017．
        [2]詹湘琳．超声相控阵油气管道环焊缝缺陷检测技术的研究［D］．天津：天津大学，2016．