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取樣相控陣超聲實時三維成像的工業應用
發布時間：2017-09-01
近年來,由于使用傳感器陣列各陣元產生的基波(惠更斯原理)傳播,能通過高速數字計算,重建合成相控陣信號,以此實現超聲波束任意轉角變向或按需改變焦深,因而"取樣相控陣"技術相比于常規相控陣法,應用更為普遍。因陣列中各個換能器的近聲場是類似點源的近聲場,故靠近換能器的探測區要比一般情況下--即近聲場取決于換能器陣列的全孔徑(full aperture)時,缺陷探測要有利得多。而且,特殊的IZFP法能將檢測物件快速三維成像,即通過切片組合,將二維法算出的合成孔徑聚焦(SAFT)B型顯示圖像,變成三維數據立體圖像,由此可提供多視角投影數據,對檢測結果進行評價和分析。三維(3D)SAFT法也可考慮改進的換能器設計,使之在每一空間方向均有大角度的聲束特性,這方面還在研制之中。本文綜述"取樣相控陣"法的基本原理,并通過一些工業應用實例,來說明取樣相控陣的種種優勢。
1取樣相控陣法原理和特性
常規相控陣技術(CPA)是通過電子發收延遲控制,來使聲束變角轉向的,而取樣相控陣技術(SPA)則利用基波合成法來重建扇形圖像。這樣,通過發射一次脈沖,可以重建包含各種入射角的扇形圖像,此過程利用了基爾霍夫偏移算法(Kirchhoff migra2tion algorithm)。因此,合成聚焦可存在于每個成像點(見圖1)。
為改善用取樣相控陣(SPA)技術對被檢工件中材料缺陷的檢出能力,要使用有最大聲束擴散的超聲換能器。由于相控陣陣元的孔徑(Aperture)尺寸相比于一般單晶片換能器要小,故特別適用于取樣相控陣法的合成聚焦。
圖像重建原理可簡述如下:如圖2所示,在所有探頭位置(X),可獲得被檢體積層析圖像重建所需要的完整高頻信號。因為是大聲束擴散,所以來自不同反射體的疊加回波信號會同時接收到,并儲存起來。所捕獲的信息量代表垂直于被檢工件表面的某一個平面。超聲波從每個探頭位置到該平面上每一像素體的傳播時間均可由計算機算出。
與SAFT(Synthetic Aperture Technique合成孔徑)算法相似,圖1所示工件橫截面或體積可分成許多產生像點的像素(見圖2)。對每個像點來說,到達換能器各單元(陣元)的超聲傳播時間均可由計算機算出,并分配與時間相關的超聲波幅值。圖2即說明了圖像重建的原理:單個像素相關于陣元位置,其聲傳播時間呈雙曲線分布;而圖像重建則相關于像點位置。
然而,要在相控陣換能器的一個位置,通過取樣相控陣來提高缺陷檢出率,會受到其近聲場的限制。特別是對一個尺寸較大的工件來說,檢測的體積大多在探頭近聲場之外。因此,要發揮取樣相控陣對整個檢測體積的優勢,探頭的有效發射孔徑就要設法增大,由不同位置取得的超聲信息,就要疊加一起。
合成孔徑的累積可令檢測體積的某一平面上聚焦區域增大(圖3)。與經典的SAFT圖像重建法不同,取樣相控陣法疊加的不是單一時間信號(即A掃描顯示),而是兩維扇形圖像,將兩維孔徑一一累加,就可進行切片層析照相,從而提高三維空間分辨率。陣元長度減小的專用相控陣換能器,因在探頭移動方向有較大的聲束擴散角,因而可改善檢測結果。
2取樣相控陣三維成像的應用
為展示取樣相控陣法對工業用戶的優勢,以下列舉有關取樣相控陣技術工業實際應用效果的一些實例。
2.1鑄件現場檢測
鑄件中缺陷多為體積型(裂紋、翻皮、冷隔除外),缺陷取向規律不夠明顯,但主要與冷縮應力方向有關。此外,鑄件晶粒一般都較粗大,有各向異性,給超聲檢測帶來不少困難。通常,對縮孔、疏松類大缺陷,用常規方法,比如按脈沖回波DGS法,不能進行正確評價。
圖4表示用取樣相控陣技術對大型鑄件進行超聲檢測的結果。用普通單直探頭脈沖回波DGS(距離-增益-大小)法,測出的缺陷當量尺寸為??3.5 mm平底孔;而用取樣相控陣法,測出的實際缺陷尺寸約為80mm×40mm×30mm,與金相分析結果一致。可見兩者差別很大。使用取樣相控陣檢測被檢工件,通過三維層析圖像的重建,可對檢測結果進行接近實際的定量評價。已經推出的便攜式取樣相控陣檢測儀,由雙軸操縱器、相控陣換能器和UT電子設備組成。相控陣探頭進行掃查時,評價系統(主機)能實時顯示三維圖像。相控陣檢測儀不管是進行一次性的便攜式服務,還是作為日常使用的檢測設備,都能為用戶提供材料缺陷的快速分析。
2.2厚壁堆焊縫檢測
承壓設備在用檢測,材料缺陷的準確定量,而后進行有依據的安全評價,可延長設備使用壽命。取樣相控陣法最適合于與安全有關的承壓部件的正確分析。圖5即表示有缺陷堆焊試件用取樣相控陣法的檢測結果。掃查是用2MHz相控陣換能器從試件堆焊側進行的(慢掃查)。探頭沿聲束掃查方向步進間距1mm,探頭橫向移動步進間距3mm。從B顯示圖上,可分辨出裂紋的上下端點。由此可準確測出裂紋在被檢工件中的位置和高度、長度尺寸。
取樣相控陣法對此類工件的最大檢測優勢,在于它有較高的空間分辨力。這是因為檢測信息的獲取采用了合成孔徑再聚焦法,而隨后的三維成像又使檢測結果一目了然,易于評判。
2.3碳纖維復合材料檢測
碳纖維復合材料的超聲檢測,相比于其他應用,面臨多項特殊問題。超聲檢測的實際應用,與這種材料所產生的缺陷密切有關,特別是分層、密集氣孔、塑料膜或紙膜、波狀缺陷等。
因材料厚度較薄,缺陷走向與探測面平行,故常用直探頭對復合板進行超聲檢測。但對復雜的幾何形狀,如角接接頭和T型接頭,可采用相控陣探頭進行檢測。
多年來,對重量輕的試件作相控陣檢測,已成為航空工業的高端技術。對檢測面積甚大試件來說,可使用由更多晶片(陣元)組成的大尺寸相控陣探頭進行線性掃查,以快速覆蓋檢測范圍,從而提高檢測效率。
取樣相控陣技術因可平行觸發幾個虛擬探頭(平行覆蓋原理),有助于提高檢測速度;因可合成聚焦圖像中的每一點,也能提高缺陷檢出率。因此,不管試件是平面狀或曲面狀(角接接頭),處于所有不同位置的缺陷(包括碳纖維合成材料的第一層和最后一層),均可通過三維實時成像,被可靠地檢出。隨后,取樣相控陣的超聲檢測結果還可實現自動評價,即通過信號和圖像處理來自動識別不同種類的材料缺陷,如分層、塑料膜等(圖6)。
圖7表示用取樣相控陣水浸法檢測設有人工缺陷的碳纖維合成材料試板的檢測結果。由IZFP(德國無損檢測研究所)研制的"三維聚焦"法,不僅能快速重建圖像,還能進行多項操作,如對圖像顯示進行定位、定量,也能實施一些預操作步驟(如旋轉、變焦),以及實時改變顯示視圖等。
由于現代碳纖維復合材料的生產速度較高,亟需使用取樣相控陣的自動超聲檢測設備,以能配合生產進行快速可靠檢測,圖8即為用取樣相控陣對碳纖維復合材料進行超聲自動檢測的設備布置示例圖。
2.4厚板超聲定量檢測
按現行法規和標準,厚鋼板的超聲檢測一般是用多通道超聲自動檢測設備進行的,UT顯示自動評價。為能精細評價材料缺陷,德國夫朗和費無損檢測研究所(Fraunhofer-IZFP)研制了一種移動式的超聲檢測設備,它利用了合成孔徑(SAFT)成像原理,能對材料缺陷提供高分辨力的超聲成像。這種設備可用于對選定區域進行離線(脫機)分析。
經典的SAFT法可延用于取樣相控陣技術,能大大提高檢測速度。圖9即表示含有自然缺陷的軋制厚鋼板,用取樣相控陣超聲技術的檢測布置和檢測結果的三維圖像顯示。
2.5海上管道檢測
圖10表示用取樣相控陣技術對海上內嵌鋼件的塑料管道,進行超聲檢測診斷的結果顯示。檢測目的是保證嵌入金屬件質量完好、位置正確,從而確保管道安全使用。
檢測任務用三維圖像顯示成功解決,如圖所示,關鍵區域的診斷結果一目了然。由于塑料與鋼的聲傳播與聲衰減特性明顯不同,通過取樣相控陣超聲層析成像,金屬件的嵌入情況畢露無遺。
3小結
上述實際應用彰顯了取樣相控陣技術的最大潛在優勢:能快速成像,可靠檢測,定量評價。取樣相控陣超聲儀快速檢測,可用于涉及安全的承壓設備在用檢測結果的離線分析,也可用于生產過程中的在線自動檢測。
其他優點:因采用合成孔徑成像原理,空間分辨力高,信噪比高,可用于大面積掃查范圍內檢測體積的聚焦。此特別適用于要求工件檢測結果顯示優于常規顯示的場合。
取樣相控陣能使檢測體積中的材料缺陷三維成像,這對有快速自動檢測要求的工件檢測最為有利。對不同形狀如幾何形狀復雜的工件,檢測結果要顯示在正確位置,缺陷要作可靠定量,取樣相控陣的高分辨力也提供了有利條件。但此類檢測任務,要求對檢測幾何,如與3D圖像重建軟件有關的CAD模型,有大量的先驗性知識,以確保優化超聲檢測數據分析。這方面可視為取樣相控陣技術后繼開發的短期目標。
摘自：中國計量測控網
