相控陣超聲檢測(cè)儀器和系統(tǒng)特性評(píng)價(jià)

作者總結(jié)了se-2491相控制矩陣超聲成像和系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的一般要求。本文詳述具體要求。ASME列出的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)特性粗分7類(lèi),細(xì)分10項(xiàng),即:聲束寬度,變角范圍,陣元激活,聚焦能力,參數(shù)微控,數(shù)據(jù)顯示,楔塊衰減,延遲修正,垂直線性,水平線性。測(cè)試評(píng)價(jià)的要點(diǎn)是:每一特性參數(shù)的測(cè)試意義,測(cè)試配置條件和方法程序,及結(jié)果評(píng)價(jià)。1相控矩陣噪聲輪廓的測(cè)定1.1聲束寬度的測(cè)定相控陣聲束輪廓(寬度)影響檢測(cè)分辨力,它相關(guān)于焦深和折射角。通常要測(cè)定相控陣兩個(gè)方向的聲束寬度:一個(gè)是主動(dòng)窗(平行于陣列探頭長(zhǎng)度)方向的,另一個(gè)是被動(dòng)窗(平行于陣列探頭寬度)方向的。要測(cè)定聲束寬度的相控陣探頭可為直接接觸式探頭或水浸探頭。但要注意,測(cè)定接觸式探頭時(shí),務(wù)必采取適當(dāng)措施,確保接觸耦合良好,否則會(huì)引起測(cè)試誤差,評(píng)價(jià)失當(dāng)。1.2配置和測(cè)試要點(diǎn)1.2.1聲束寬度測(cè)試對(duì)聲束固定的單一聚焦法則(即不采用電子掃描或扇形掃描方式),且探頭用水浸法時(shí),可使用球體作測(cè)試標(biāo)靶(target),或用水聽(tīng)器(hydrophone,參閱ASTME1065)測(cè)試聲束寬度。對(duì)聲束為動(dòng)態(tài)性的相控陣探頭,因其使用多個(gè)聚焦法則進(jìn)行扇形掃描或電子掃描,無(wú)需機(jī)械移動(dòng)或稍作探頭移動(dòng),即可完成聲束寬度的測(cè)試。作機(jī)械移動(dòng)測(cè)試時(shí),應(yīng)有定位編碼器,使信號(hào)時(shí)間和波幅能與探頭移動(dòng)距離相關(guān)聯(lián)。編碼器的準(zhǔn)確度應(yīng)通過(guò)校驗(yàn),控制在聲束測(cè)試合適的誤差范圍內(nèi)。用接觸式探頭測(cè)評(píng)電子掃描和扇形掃描的聲束寬度時(shí),應(yīng)作適當(dāng)說(shuō)明。但要求用水浸法測(cè)試時(shí),可用適當(dāng)桿體或球體代替機(jī)械加工的測(cè)試標(biāo)靶。1.2.2聲束長(zhǎng)度評(píng)價(jià)線陣列探頭聲束發(fā)射方向具有主動(dòng)面和非主動(dòng)(被動(dòng))面。主動(dòng)面平行于陣列探頭軸線;被動(dòng)面平行于陣列探頭寬度或陣元長(zhǎng)度。評(píng)價(jià)主動(dòng)面中的聲束,探頭應(yīng)使用電子掃描程序,并有足夠陣元數(shù),以用電子方法使聲束掃查到要測(cè)試的所有標(biāo)靶。對(duì)使用大部分可用陣元來(lái)形成聲束的相控陣探頭,作電子光柵的剩余陣元數(shù)可能偏少,以致有些標(biāo)靶不能被聲束掃查到。在這種情況下,就需要通過(guò)有編碼的機(jī)械移動(dòng),分別對(duì)聲束沿主動(dòng)面移動(dòng)時(shí)所預(yù)置的各聚焦法則一一測(cè)評(píng)。1.2.3相控陣接頭線掃查特征應(yīng)在無(wú)缺陷的試樣(試塊)材料中,在不同深度位置,設(shè)置一系列橫孔,并預(yù)先對(duì)其聚焦法則編程。利用相控陣系統(tǒng)的線掃查特征,使聲束掃過(guò)不同深度的測(cè)試標(biāo)靶(即橫孔)。圖1即表示相控陣探頭作電子線掃描時(shí),縱波波束對(duì)試樣中一系列深度和橫軸坐標(biāo)各異的橫孔標(biāo)靶快速依次掃查的狀態(tài)。對(duì)安置在斜楔上的相控陣探頭,作電子掃描時(shí)的超聲橫波數(shù)據(jù)顯示,也可用類(lèi)似的時(shí)間(深度位置)-水平位移直角坐標(biāo)顯示圖像,或者用聲束角度已作校準(zhǔn)的顯示圖像,見(jiàn)圖3。1.2.5機(jī)械夾具掃查法沿位移軸(縱向)的分辨力,相關(guān)于電子掃描的步距大小;若用編碼機(jī)械夾具進(jìn)行掃查,則該分辨力取決于編碼器取樣用的步距尺寸。沿聲束軸線的分辨力,相關(guān)于相鄰橫孔之間的聲程間距。對(duì)高聚焦聲束,到達(dá)相鄰橫孔之間的聲程差最好小些(如1mm～2mm)。1.2.6被動(dòng)面聲束尺寸測(cè)試對(duì)被動(dòng)面內(nèi)的聲束輪廓(寬度),也能進(jìn)行測(cè)試。線陣列探頭中的被動(dòng)面與主動(dòng)面相互垂直,被動(dòng)面是指聲束不會(huì)因相位效應(yīng)而變角轉(zhuǎn)向的一面。對(duì)被動(dòng)面內(nèi)的聲束輪廓,要求通過(guò)機(jī)械掃查進(jìn)行測(cè)試。將主動(dòng)面中的電子掃描與被動(dòng)面中的編碼機(jī)械移動(dòng)兩者組合,采集信號(hào)波形,由此提供可作投影修正的數(shù)據(jù),進(jìn)而測(cè)得在被動(dòng)面內(nèi)的聲束尺寸。圖4即表示在被動(dòng)面內(nèi)的聲束評(píng)價(jià)方法。此法利用了階梯試塊上一系列平底孔的端角反射。圖5表示用平板試塊中的斜通孔取代圖4所示階梯間距,來(lái)測(cè)試聲束在被動(dòng)面內(nèi)寬度尺寸的方法。斜通孔軸線垂直于聲束軸線,探頭各陣元到達(dá)橫孔標(biāo)靶的聲程呈連續(xù)變化。根據(jù)指示波幅降落值的色標(biāo)或灰度,或根據(jù)幅度相對(duì)于位移的計(jì)算機(jī)顯示,即可通過(guò)C掃描投影顯示,測(cè)出聲束尺寸。C掃描投影顯示的示意圖見(jiàn)圖6。2相控制矩陣噪聲變形角的測(cè)定2.1聲束可變角能力(1)這里說(shuō)明測(cè)定相控陣探頭聲束轉(zhuǎn)向能力的變角范圍,所述方法只涉及在主動(dòng)面內(nèi)的聲束變角情況。探頭可用水浸法,也可用接觸法測(cè)試。但要注意,用接觸法測(cè)試時(shí),若不采取適當(dāng)措施,確保耦合條件穩(wěn)定,遇到的變量有可能使測(cè)試值超差。(2)相控陣探頭聲束掃查有效角度范圍的推薦值,相關(guān)于探頭陣列中各陣元的聲束擴(kuò)散角。當(dāng)采用脈沖回波法時(shí),可考慮單個(gè)陣元用6dB回波包絡(luò)法確定的變角范圍。因此,可根據(jù)標(biāo)稱(chēng)頻率和制造方提供的陣元尺寸,計(jì)算出相控陣探頭聲束可變角范圍的理論值。但有幾個(gè)參數(shù)會(huì)影響理論計(jì)算。這些參數(shù)主要相關(guān)于探頭的標(biāo)稱(chēng)頻率。有些參數(shù)則影響實(shí)際頻率,如脈沖長(zhǎng)度、阻尼、延遲線或折射楔的使用、以及制造過(guò)程中厚度搭接層和匹配層的變化等。(3)對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的程序,聲束可變角能力的評(píng)價(jià)是基于改變角度位移時(shí)的信噪比的比較。聲束可變角能力也受聲束投影要求的影響。要求聲束聚焦的應(yīng)用,可不要求達(dá)到非聚焦聲束一樣的可變角范圍。(4)可變角能力隨聲程距離、陣列窗口(aperture)及材質(zhì)而異。2.2聲束公司內(nèi)標(biāo)出條件調(diào)整(1)按檢測(cè)條件,設(shè)置探頭聚焦法則。檢測(cè)條件包括水浸或接觸式、折射楔或延遲線、非聚焦或聚焦式(界定的焦距),以及被檢材料等。(2)視應(yīng)用的距離或距離范圍,在材料與被檢試件相同的試塊中,加工一系列深度位置不同而聲程距離相同的橫孔,如圖7所示。圖中以放置探頭的位置為中心,以半徑分別為25mm和50mm的圓弧線上,鉆有一系列相鄰間隔為5°的橫孔(孔徑分別為φ1mm和φ2mm)。(3)對(duì)不同的應(yīng)用,也可作類(lèi)似的評(píng)價(jià)。當(dāng)需設(shè)置一組聚焦法則以給出在某一平面內(nèi)而非某一聲程距離處的分辨力時(shí),就可用相關(guān)平面來(lái)評(píng)定聲束的變角范圍。用于評(píng)定的試塊可在相關(guān)平面內(nèi)設(shè)置橫孔。如圖8所示,在離標(biāo)稱(chēng)入射點(diǎn)特定距離的垂直面和水平面上,加工了一系列橫孔,相鄰聲線間隔均為5°另外,也可根據(jù)需要,將橫孔設(shè)置在對(duì)探測(cè)面有一定傾角的其他平面上。(4)應(yīng)將探頭置于試塊上,使聲束入射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)試塊中心線,來(lái)進(jìn)行聲束特性評(píng)定。若使用無(wú)延時(shí)線(即無(wú)折射楔)的探頭,即采用排在一個(gè)平面內(nèi)的所有晶片陣列,應(yīng)使晶片陣列的中點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)此中心線。對(duì)只用部分陣元的聚焦法則來(lái)說(shuō),應(yīng)使陣元窗口的中點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)此中心線。當(dāng)使用延時(shí)線、折射楔或水浸法時(shí),要求通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)修正表觀入射點(diǎn)在試塊探測(cè)面上的移動(dòng)。若探頭用直接接觸法在圖8所示評(píng)定試塊上測(cè)試,則中心線兩側(cè)的不對(duì)稱(chēng)性,可防止正負(fù)掃查角度被同時(shí)評(píng)定。要用這種試塊評(píng)定兩個(gè)方向的掃查范圍,應(yīng)先將探頭朝一個(gè)方向測(cè)試,然后轉(zhuǎn)過(guò)180°,再朝反方向進(jìn)行測(cè)試。(5)A掃描取樣過(guò)程中的角度步進(jìn)量,對(duì)認(rèn)知的掃查范圍有影響。S掃描取樣過(guò)程中,建議可變角測(cè)評(píng)用的角度步進(jìn)限值最大為1°。在圖7和圖8中,大多數(shù)標(biāo)靶(橫孔)相鄰間隔為5°,但根據(jù)所需分辨力,也可采用或大或小的間隔。(6)可變角限值的評(píng)定應(yīng)使用相鄰兩橫孔之間最大與最小信號(hào)波幅的dB差來(lái)進(jìn)行。例如,當(dāng)相控陣探頭置于圖7所示試塊上掃查+45°橫孔時(shí),波幅差為6dB的高端橫孔對(duì),應(yīng)視為探頭設(shè)置的最大可變角能力。(7)認(rèn)可的變角范圍,可用相鄰孔之間達(dá)到預(yù)定波幅差的最大與最小角度表示。根據(jù)應(yīng)用,可規(guī)定用6dB或20dB作為所需分隔的波幅差。(8)可變角能力可看作相控陣調(diào)控超聲聲束的先決條件。例如,相控陣系統(tǒng)要求達(dá)到的最小變角能力是:對(duì)φ2mm橫孔具有5°分辨力,對(duì)標(biāo)稱(chēng)的中間角度有加減20°的范圍。反之,系統(tǒng)可能要求限于S掃描不超過(guò)達(dá)到規(guī)定信號(hào)間隔的評(píng)定角度,如相隔5°的φmm橫孔之間波幅差20dB。(9)另外,也可用給定深度或聲程距離的單個(gè)橫孔進(jìn)行測(cè)試評(píng)定?？勺兘悄芰Φ脑u(píng)定,要根據(jù)最大和最小角度時(shí)的A掃描顯示,觀察回波幅度最高時(shí)的信噪比?？勺兘欠秶_(dá)到預(yù)定的信噪比。用此法時(shí)必須注意,不要在柵瓣信號(hào)上達(dá)到峰值。此法也要求確認(rèn)橫孔位于算出的折射角上。3相控制矩陣的有效性的測(cè)定3.1脈沖發(fā)生器和閱讀器此特性評(píng)價(jià)用于確定相控陣探頭的所有陣元是否有效(可激活),各陣元發(fā)射聲能是否一致。這是因?yàn)樵谡５臅r(shí)控操作過(guò)程中,每一陣元均需有單獨(dú)的脈沖發(fā)生器和接收器編址,所用方法必須確保相控陣儀器的電子性能對(duì)各陣元保持一致,任何差別只可歸屬于探頭本身。為確保陣元特性的變化只能歸屬于探頭結(jié)構(gòu),每一陣元只能選定一個(gè)脈沖發(fā)生器—接收器連接通道。3.2相控陣檢測(cè)的一般程序(1)將要測(cè)試的相控陣探頭連接到相控陣超聲儀器上,使延遲線或折射楔在探頭上移動(dòng)。(2)將探頭置于IIW試塊25mm厚度的探測(cè)面上,探頭與試塊接觸面之間有均勻的耦合層。為此可采用間隙接觸法,探頭—試塊充水耦合,也可采用水程固定的水浸法(用水—鋼界面信號(hào)監(jiān)視耦合狀態(tài))。(3)設(shè)置一個(gè)陣元的電子掃描,即對(duì)陣列中的所有陣元來(lái)說(shuō),只在某一時(shí)刻沿一個(gè)陣元掃描(這就是保證每一聚焦律只用一個(gè)脈沖發(fā)生器—接收器;若通道可選,則每個(gè)陣元用的通道應(yīng)相同)。調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器參數(shù),令探頭陣列在正常頻率下獲得最佳響應(yīng),對(duì)探頭中的每一陣元來(lái)說(shuō),就是要將試塊底面的一個(gè)脈沖回波,或水程回波調(diào)到80%滿屏高。(4)對(duì)陣列中的每一陣元,觀察其A掃描顯示,并記錄每一陣元要求達(dá)到的80%信號(hào)幅度的接收器增益。將結(jié)果記錄在表1所示表格中。(5)注意并記錄未得底波或水程信號(hào)的陣元(即無(wú)效陣元)。將結(jié)果也記錄在表1中。(6)若可用事先打包的編程來(lái)核查陣元的有效與否,這也可作為變通方法。(7)采集到的數(shù)據(jù)可用于評(píng)價(jià)探頭的一致性和功能性?？捎帽４娴轿臋n中的同樣的儀器調(diào)整值(包括增益),與以往的評(píng)價(jià)進(jìn)行比較。提供80%滿屏高的接收器增益值,與以往評(píng)價(jià)的數(shù)值誤差應(yīng)在±2dB范圍內(nèi),而相互之間的誤差也應(yīng)保持在±2dB以?xún)?nèi)。(8)探頭中無(wú)效陣元和相鄰無(wú)效陣元的總數(shù)應(yīng)由合同雙方商定并在書(shū)面規(guī)程中注明。對(duì)基準(zhǔn)值和在用檢測(cè)來(lái)說(shuō),此數(shù)值可以不同。有些相控陣探頭可能有數(shù)百個(gè)陣元;還有些新型相控陣探頭,為保證與陣元的電連接達(dá)到零點(diǎn)幾毫米的數(shù)量級(jí),因制造困難,以致存在無(wú)效陣元。(9)允許的無(wú)效陣元數(shù)應(yīng)根據(jù)其他能力特性要求而定,如要使用的聚焦法則的聚焦范圍和可變角范圍。無(wú)效陣元數(shù)無(wú)一簡(jiǎn)單規(guī)則可適用于各種相控陣探頭。通常,一個(gè)探頭中若有25%以上的無(wú)效陣元,靈敏度和可變角能力是可以兼顧的。同理,允許的無(wú)效相鄰陣元數(shù),應(yīng)根據(jù)應(yīng)用所需可變角和電子光柵分辨力決定。(10)為進(jìn)行比照評(píng)價(jià),耦合的穩(wěn)定性很重要。用接觸法時(shí),若陣元評(píng)價(jià)產(chǎn)生的信號(hào)超出±2dB范圍,則需核查耦合,重新測(cè)試。若再測(cè)后還是超標(biāo),則該探頭應(yīng)停用,經(jīng)修正后再用。采用水程固定的水浸法,可減少耦合變異。(11)如有可能,探頭停用前,測(cè)試用的電纜最好另?yè)Q一根電纜,以驗(yàn)證確認(rèn)無(wú)效陣元不是由壞電纜引起的。(12)電纜連接適配器應(yīng)能允許多股連接器可單獨(dú)檢測(cè)使用。這種適配器可直接連到相控陣儀器上,以驗(yàn)證所有輸出通道均有效;也可連到電纜的探頭端,以確認(rèn)互聯(lián)電纜中各同軸連接器的連通性。圖9即為用于識(shí)別相控陣儀器或電纜中無(wú)效通道的顯示示例(根據(jù)箭頭指示生成圖像來(lái)檢查相控陣脈沖發(fā)生器—接收器控制板的工作是否正常,有白色條紋者表示有無(wú)效陣元存在)。4相控制矩陣聚焦能力的評(píng)估4.1聲束穩(wěn)定性分析超聲波束的聚焦是基于眾所周知的原理。但與普通單晶探頭不同的是,相控陣系統(tǒng)可設(shè)置成在一系列聲程范圍內(nèi)聚焦,而且發(fā)射和接收兩種方式均可聚焦。聚焦算法的有效性可通過(guò)聲束特性尺寸的測(cè)定來(lái)評(píng)價(jià)。這類(lèi)似于本文第1節(jié)所述相控陣聲束輪廓的測(cè)定。聚焦的限度是探頭參數(shù)所固有的,它受制于相控陣超聲儀器的最低延時(shí)能力。4.2用法評(píng)價(jià)聚焦能力(1)按要評(píng)價(jià)的聚焦法則配置相控陣系統(tǒng),將相控陣探頭置于圖1所示橫孔試塊上。對(duì)設(shè)有延遲線或不設(shè)延遲線的縱波探頭,以及對(duì)裝有折射楔塊的橫波探頭,均可用此法評(píng)價(jià)。(2)用此法可評(píng)價(jià)單一折射角的聚焦能力。用多個(gè)折射角時(shí),就要對(duì)各個(gè)折射角分別評(píng)價(jià)聚