PAUT相控阵超声检测技术培训教程.pdf

PAUT（相控阵超声）检测技术（相控阵超声）检测技术 付汝龙付汝龙 18688034051 rlfust- 广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司 www.st- 第第1 1章章 相控阵超声原理相控阵超声原理 1.1 1.1 机械扫描雷达与相控阵雷达机械扫描雷达与相控阵雷达 波束扫描靠雷达天线的转动 电的方式控制雷达波束的指向变化 1.2 1.2 相控阵超声的发展历史相控阵超声的发展历史 相控阵技术最早应用于军用雷达，相控阵超声来源 于相控阵雷达技术。 相控阵超声（B超、彩超）最先应用于医疗领域， 并逐步发展成为四大医学影像技术之一。 上世纪80年代初，相控阵超声检测技术从医疗领域 跃入工业领域，在常规工业无损检测领域逐渐被广 泛应用。 国内于2001年首次引入PipeWIZARD全自动超声检 测系统，相控阵超声检测成功应用于西气东输工程。 1.3 1.3 什么是相控阵超声什么是相控阵超声 相控阵超声的基本概念来源于相控阵雷达技术来源于相控阵雷达技术，探头由多个晶片按一定 的规律分布排列，通过软件可以单独控制每个晶片的激发时间，从而控 制发射超声波束（波阵面）的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏 转和聚焦；可以检出不同方位及取向的缺陷，这些缺陷可能随机分布在 远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头因移动范围和声束角度有限对 方向不利的缺陷或远离声束轴线位置的缺陷易漏检。 1.4 1.4 相控阵发射与接收相控阵发射与接收 1.5 1.5 相控阵聚焦相控阵聚焦 1）通过探头晶片的延时控制，探 头可以将波束能量聚集在一点。 2）通过改变晶片的延时法则，波 束能聚焦在不同的深度。 3）在远场区，波束不能聚焦，只 能叠加。 4）使用1 维阵列时，波束只能在 一个平面上控制。 5）焦距与阵元数关系：一般情况 下，焦距小，使用聚焦的阵元数少； 焦距大，使用聚焦的阵元数多。 1）通过软件控制每一个晶片激发 的延时时间使超声波传播的波阵面 沿特定角度传播。 2）通过控制探头晶片的延时可以 改变波束的偏转角度。 3）使用单一的探头可以进行多角 度检测。 4）使用1 维阵列时，仅能在一个 平面上进行波束控制。 1.6 1.6 相控阵声束偏转相控阵声束偏转 1.7 1.7 聚焦与偏转动态演示聚焦与偏转动态演示 1.8 1.8 相控阵聚焦模式相控阵聚焦模式 根据焦点的轨迹路线，常用聚焦模式可分为深度、水平、 等声程、自由线四种模式。 深度：焦点自上而下，深度递增； 水平：焦点深度不变，水平移动； 等声程：焦点轨迹为圆弧； 自由线：焦点轨迹为任意倾斜直线。 1.9 1.9 相控阵线性扫查（电子扫查）相控阵线性扫查（电子扫查） 线性扫查(E-Scan)：阵列中的晶片组依次切换，且每 组晶片都使用相同的聚焦法则。声束则以恒定角度沿 相阵列探头长度方向进行 Beams 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 d 1.10 1.10 相控阵扇形扫描（方位扫描）相控阵扇形扫描（方位扫描） 扇形扫查(S-Scan)：又称方位扫描或角扫描，使阵列中 相同 晶片发射的声束对某一聚焦深度在扫描范围内移动。对其它 不同焦点深度可增加扫描范围，扇形扫描区大小可变。 1.11 1.11 相控阵动态深度聚焦相控阵动态深度聚焦 动态深度聚焦(DDF)：超声波束沿 声束轴线对不同聚焦深度进行扫描， 采用同一种聚焦法则多次发射，接 收采用多种聚焦法则对信号接收进 行可编程深度重新聚焦 无 动 态 深 度 聚 焦 无 动 态 深 度 聚 焦 有 动 态 深 度 聚 焦 有 动 态 深 度 聚 焦 1.12 1.12 线性扫查声束合成线性扫查声束合成 一个聚焦法则形成一条声束，零度线扫及角度线扫 1.13 1.13 扇形扫查声束合成扇形扫查声束合成 一个聚焦法则形成一条声束， 任意两条声束之间的间隔角 度相同 1 2 无楔块纵波扇扫 带楔块横波扇扫 1.14 1.14 典型扫描图像典型扫描图像 1）一个聚焦法则形成一条声束 2）每条声束上的波幅变化采用不同的彩色色阶表示 3）声束与声束之间的间隔采用线性插值 4）所有声束的数据及插值数据组成图像 零度线扫零度线扫 角度线扫角度线扫 横波扇扫横波扇扫 1.15 1.15 相控阵偏转与聚焦效果相控阵偏转与聚焦效果 1、上图，激发晶片32个，聚焦深度为10mm、30mm、50mm； 2、下图，激发晶片8个，聚焦深度为10mm、30mm、50mm； 3、结论：晶片数量少对远程聚焦的能力较弱；聚焦深度较小时， 应使用较少的激发晶片。 1.16 1.16 常用视图模式分类常用视图模式分类 B扫描视图、C扫描视图、D扫描视图 1.17 1.17 扇扫模式下的视图分类扇扫模式下的视图分类 扇扫模式下，利用编码器进行位置记录，可形成的 视图有：单角度切片B扫视图、体积校正B扫视图、 C扫视图（声程）、体积校正C扫视图 1.18 1.18 扇扫模式下的视图分类扇扫模式下的视图分类 单角度切片B扫视图：与常规单探头B扫描成像类似。 体积校正B扫视图：每一条声束均作垂直方向的投 影，然后叠加成为一条声束。 C扫视图（声程）：与常规C扫成像类似，每一条 声束沿声束方向投影，然后叠加。 体积校正C扫视图：每一条声束均作垂直方向的投 影，然后叠加称为一条声束。 1.19 1.19 典型典型C C扫描图像扫描图像 零度线扫零度线扫+C扫扫 横波扇扫横波扇扫+C扫扫 零度线扫下的C扫：深度方向上的投影，对于水平方向的缺陷可以精确测量 其面积，适合应用在板材及复合材料的检测。 横波扇扫下的C扫：声束方向上的投影，对于垂直声束方向的缺陷可以精确 测量其面积，适合应用在焊缝检测。经过体积修正B扫，可以测量缺陷高度。 1.20 1.20 角度增益补偿（角度增益补偿（ACGACG） 1、波束受角度、楔块、衰减的因素影响，每一条声束的灵敏度可能不一 致，需要对每一条声束的灵敏进行增益补偿，使信号幅值到达同样的高度。 2、仪器工作在扇扫模式下，在CSK-IA试块或者半圆试块上，调节增益， 使所有角度声束的波高低于100%。需对每一条声束均进行增益补偿。 3、操作时需前后移动探头找到每条声束的最高回波，然后调节修正增益， 使波高到达50%或80%。 1.21 1.21 时间增益补偿（时间增益补偿（TCGTCG） 1、原因：声程的增加，超声波产生衰减，不同声程的回波灵敏度不一致。 2、方法：获取某一条声束从不同深度反射体（横孔）上获得回波高度，绘 制DAC曲线。通过逆运算将所有回波的灵敏度提高到相同高度（如80%）， 并以此覆盖到所有声束，对所有声束通过软件进行增益补偿。 1.22 1.22 楔块延时校准及零点补偿楔块延时校准及零点补偿 1、在采用带楔块进行检测的情况下，对楔块的延时进行校准。 2、仪器工作在线扫或扇扫的模式下，采用已知规格的参考反射体， 校准后的每一条声束的对同样的参考反射体测量距离均一致。 3、扇扫模式下仪器应具备零点偏移补偿功能。 横波扇扫横波扇扫-声程声程 横波或纵波扇扫横波或纵波扇扫 声程声程 横波扇扫横波扇扫-深度深度 纵波线扫纵波线扫-深度深度 第第2 2章章 相控阵探头相控阵探头 2.12.1 概述概述 1）晶片由复合材料 制成，用机械方法切 割成若干个小晶片， 每个晶片可单独激发。 2）根据晶片阵列型 式不同，工业常用的 相控阵探头阵列主要 有12种。 3）相当于多个常规 探头的组合 2.22.2 线阵参数线阵参数 1）晶片数量(n)，常用16/32/64 2）频率 (f)，跟常规选择类似 3）晶片阵列方向孔径 (A) 4）晶片加工方向宽度 (H) 5）单个晶片宽度 (e) 6）两个晶片中心之间的间距 (p) 7）两个晶片之间的间隙(g) 2.32.3 阵元一致性要求阵元一致性要求 中心频率、带宽、灵敏度要求每个晶片的一致性较高， 因此相控阵探头的制作工艺较为复杂，难度较高。灵 敏度偏差一般不应大于3dB 2.42.4 楔块参数楔块参数 1）规格：长宽高(A/B/C)； 2）声速； 3）入射角度； 4）中心阵元高度； 5）前沿长度； 6）入射点：楔块的入射点跟入射的角度有关系， 每个晶片的入射点不同。 7）主动孔径偏移：探头扫查方向第一个阵 元中心到参考点的距离。 8）被动孔径偏移：被动孔径方向阵元中心 到参考点的距离 2.5 2.5 声束偏转的要求声束偏转的要求 1）纵向声束偏转：声束沿 着楔块长度方向的扫查。 2）横向声束偏转：声束沿 着楔块宽度方向的扫查。 3）斜向声束偏转：声束沿 着平行于主动孔径方向但是 具有倾斜角的扫查 2.6 2.6 接触面耦合的要求接触面耦合的要求 1）对一些曲面工件如管材进行检测 2）包括斜探头及直探头楔块 3）软件应包含相应的聚焦法则修正。 2.7 2.7 常用相控阵探头及楔块常用相控阵探头及楔块 2.8 2.8 相控阵轮式探头相控阵轮式探头 轮式探头，轻轻滚动探头，图像即可呈现轮式探头，轻轻滚动探头，图像即可呈现 2.7 2.7 相控阵柔性探头相控阵柔性探头 柔性探头，非常适用于曲面工件检测柔性探头，非常适用于曲面工件检测 第3章 应用示例 3.1 3.1 焊缝检测焊缝检测 相控阵扇形扫查，利用一次波及二次波 对焊缝进行全覆盖，沿线扫查替代锯齿 形扫查，检测效率大大提高，对于特殊 结构的焊缝如T型及Y型，检测可靠性 显著提高。对于异种钢焊缝一般使用低 频TRL相控阵探头；铸造不锈钢焊缝采 用低频TRL两维面阵相控阵探头；GBT 32563-2016 无损检测 超声检测 相控 阵超声检测方法。 3.1 3.1 焊缝检测焊缝检测 对接焊缝对接焊缝 A+S+C扫扫 3.2 3.2 叶根检测叶根检测 探头移动的空间受限，常规检测时需要使用不同角度的探 头，利用相控阵检测进行扇形扫查可实现全覆盖检测，检 测效率与可靠性大大提高。标准DL/T714-2011 汽轮机叶 片超声波检验技术导则提到可以用相控阵检测枞树型叶根。 3.3 3.3 燕尾槽检测燕尾槽检测 可放置探头的空间很窄，探头几乎无法移动，利 用相控阵扇形扫查检测可实现全覆盖检测，满足 检测的需要。 3.4 3.4 螺栓检测螺栓检测 在许多钢结构的连接中使用到螺 栓，螺栓的根径裂纹严重影响到 螺纹的使用，利用相控阵的小角 度扇扫覆盖螺栓的螺纹区域，图 像化显示结果很容易判断螺纹有 没有产生裂纹。DLT 694-2012 高温紧固螺栓超声波检测技术导 则的附录D高温螺栓超声相控阵 检测技术可参考。 3.5 3.5 钢轨焊缝检测钢轨焊缝检测 钢轨焊缝的检测需要采用多种探头采用满 足焊缝的全覆盖检测，设计专用的扫查架、 探头、仪器可使钢轨焊缝的检测效率与可 靠性明显提高 3.6 3.6 车轴检测车轴检测 车轴的检测需要采用多种角度的探头前后移动才可 满足全覆盖检测，而采用相控阵扇扫则可满足车轴 卸荷槽及压装部位的全覆盖检测。 3.7 3.7 搅拌摩擦焊缝搅拌摩擦焊缝 在焊缝两侧各用一相控阵探 头检测纵向缺陷，如有规定， 另用一相控阵探头检测横向 缺陷；使用65和35横波 检测纵向缺陷；使用45度横 波和-3030扇扫检测横向 缺陷。QJ 20045-2011 铝合 金搅拌摩擦焊超声相控阵检 测方法。 3.8 3.8 法兰腐蚀检测法兰腐蚀检测 3.9 3.9 乙烯管道电熔接头检测乙烯管道电熔接头检测 扫查装置及检测原理，一般采用扫查装置及检测原理，一般采用 相控阵纵波线扫扫描成像。相控阵纵波线扫扫描成像。GBT 29461-2012 聚乙烯管道电熔接聚乙烯管道电熔接 头超声检验头超声检验 3.9 3.9 乙烯管道电熔接头检测乙烯管道电熔接头检测 焊接良好焊接良好 未熔焊接未熔焊接 夹渣（泥或沙）夹渣（泥或沙） 过烧焊接过烧焊接 3.10 3.10 乙烯管道热熔接头检测乙烯管道热熔接头检测 扫查方案：串列式、爬扫查方案：串列式、爬 波、扇形扫查、波、扇形扫查、TOFD 扫查夹具扫查夹具 3.11 3.11 活塞内冷油道检测活塞内冷油道检测 实 物 图 检 测 原 理 图 无 缺 陷 位 置 图 像 有 缺 陷 位 置 图 像 3.12 3.12 复合材料（蜂窝板与蜂窝芯粘接）复合材料（蜂窝板与蜂窝芯粘接） 3.12 3.12 双轴拉线编码器定位双轴拉线编码器定位C C扫描扫描 3.13 3.13 曲轴检测曲轴检测 曲轴曲轴R角部位角部位 探头移动空间受限探头移动空间受限 3D模型仿真模型仿真 第第4 4章章 相控阵的优缺点相控阵的优缺点 1）采用电子方法控制声束聚焦和扫描，检测速度成倍提高，超声波 束方向可自由变换，焦点可以调节甚至实现动态聚焦，探头固定不动 便能实现超声波扇扫或者线扫。 2）具有良好的声束可达性，能对复杂形状的工件进行扫查，不需要 辅助扫查装置，能够使用一个相控阵探头就能涵盖多种应用。 3）通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、 信噪比和灵敏度等性能得到提高。 4）检测数据以电子文件格式存储，成像由各声束A扫数据产生，同 步显示A、B、S、C、D、3D扫描图像。 5）提供仿真成像技术，解决几何复杂构件检测难题，现场实时生成 几何形状图像，轻松指出缺陷真实特征位置。 4.1 4.1 相控阵的优点相控阵的优点 1）仪器校准困难，需要进行ACG（角度增益补偿）、TCG（时间增 益补偿）的校准才能保证显示图像灵敏度的一致性，但由于相控阵声 场的复杂性，很难实现。 2）缺陷定量困难，通过图像测量缺陷高度尺寸误差较大，设置灵敏 度有很大关系。 3）缺陷判定困难，目前尚无成熟的验收标准体系可用，验收只能通 过业主与检测方进行协商，不利该技术的推广，特别是在我们国内需 要标准先行的状况。 4）图像分析困难，存在各种可能的回波图像，需要丰富经验判别。 4.2 4.2 相控阵的缺点相控阵的缺点 谢谢！