? ? 超聲相控陣技術最早應用在醫療領域,從上個世紀80年代起,超聲相控陣技術開始應用到核電領域。20多年以來,超聲相控陣技術在工業上的應用范圍越來越廣泛,在電力、航空、航天、石化等行業都能夠看到它的身影。相信隨著相控陣設備價格的不斷下降、人員培訓規模的日益擴大以及相關標準的逐步建立與完善,工業相控陣技術的應用會越來越普及。
? ? 1、超聲相控陣技術簡介
? ? 普通超聲探頭通常由一個晶片來產生超聲波,其聲束的傳播角度是唯一的,在實際檢測中,為了防止漏檢,通常需要進行不同角度的掃查。相控陣探頭是由許多獨立的晶片構成的,每個晶片都能被單獨激發。這些探頭由特殊的裝置驅動,能夠在每個通道獨立的、同步的發射和接收信號。超聲相控陣的一個重要特性就是可以通過軟件來改變超聲波束的特性。根據系統軟件設置,每個晶片都能通過不同的時間延時來激活,并發射和接收超聲信號。另外掃查角度范圍、聚焦深度和焦點尺寸等也都能通過軟件控制。因而在一定程度上克服了常規超聲由于聲束的方向性造成的在缺陷檢出和定量上的限制。
? ? 超聲相控陣的兩個重要特性是偏轉和聚焦,這些特性在理論上的實現都是基于波的疊加和干涉以及惠更斯原理。相控陣探頭根據晶片的排布可以分成環陣、一維線陣、扇形環陣、二維矩陣、曲率線陣等。超聲相控陣技術在掃查方式上主要分為線性掃查、扇形掃查、動態深度聚焦等,在顯示方式上分為A顯示、B顯示、C顯示、D顯示、S顯示等。
? ? 上世紀80年代,出現了工業用相控陣系統,這種系統非常的大,需要把數據傳入電腦來進行數據處理和圖像展示,至少需要兩個人來操作。這類設備大部分都是用在在役電站的檢查中,特別是核電領域。上世紀90年代以來,隨著電子和軟件技術的發展,依靠低功率的電子元件、低能耗的結構,結合微處理器技術,使得電池驅動的相控陣設備的產生成為可能。1997年,RD/TECH公司發布了便攜式的相控陣設備TomoscanFOCUS,它使得相控陣信號產生、數據處理、顯示和分析都能在一臺儀器上完成,從此相控陣技術的應用領域更加廣闊。下面將介紹一些國外相控陣應用的實例。
? ? 2、電力
? ? 超聲相控陣技術可以檢測電站汽輪機葉根的應力腐蝕裂紋。汽輪機的幾何形狀比較復雜,被檢工件的接觸面有限,在檢測時需要保證缺陷漏檢率越小越好,利用超聲相控陣技術可以根據應用來優化探頭設計,依據聲線追蹤功能來改進掃查工藝,同時還能使用相對較高的探頭頻率,利用CAD覆蓋功能直觀的顯示缺陷的位置,利用扇形掃查可以進行多角度的掃查,因此相比常規超聲來說,檢出率要高,另外由于采用電子掃查取代柵格掃查,因此檢測速度要快得多[1]。
? ? 長期以來,接管的檢測主要采用常規超聲的方法,由于接管幾何形狀的復雜性需要考慮儀器的設置,接管的壁厚以及曲率效應的影響,加上常規超聲的A掃顯示方式,因此判讀接管缺陷需要耗費大量的時間,國外的研究表明,結合自動掃查架和編碼器,利用相控陣自動掃查接管的內表面和外表面是可行的[2]。
? ? 利用相控陣進行小口徑奧氏體管焊縫檢測,這類焊縫都是氣焊的,輪廓是接近垂直的,管焊縫的壁是很薄的,管道之間的空間非常狹小[3]。檢測這類焊縫要采用手動掃查或者小型的掃查器,同時由于安全方面的原因,在應用中是不允許使用射線的。這項應用需要快速而可靠的檢測方法,并且保證所有數據被記錄。奧氏體不銹鋼管焊縫的檢測可以利用兩個陣列來產生橫波,在掃查上使用線性掃查和并采用編碼器記錄數據,另外在掃查上也能使用扇掃,并且數據以C掃描的形式顯示。
? ? 利用常規自動超聲技術檢測核電站管道焊縫的晶間應力腐蝕裂紋需要在焊縫兩側進行至少五次掃查,每一次的掃查方式都是柵格掃查,需要花費大量的時間和人力[4]。EPRI的NDE中心工作人員完成了奧氏體和鐵素體管道焊縫缺陷的自動超聲相控陣缺陷檢出和測長的附錄規程8[5]。他們的研究發現,相控陣的主要優勢在于它的多線掃查技術,這種技術在檢測速度、焊縫覆蓋和可靠性上與常規超聲相比有很大的優勢。為了保證聲束的覆蓋,在掃查前利用ZETEC公司的3D聲線追蹤軟件做聲束覆蓋仿真。在探頭上使用1.5MHz的2D陣列探頭,每個陣列有15個晶片。
? ? 在核電領域,對于壓水堆來說,安全殼顯得非常重要,因為在發生核事故時,將由它來阻擋放射性物質的傳播。安全殼很厚,成分是混凝土。整個密封結構是圓柱形的,并且有個半球形的頂。隨著操作環境和服役條件的變化,這個密封結構可能老化,為了保證結構性能極其密封性,需要對其進行檢測。IRSN資助了一個研究項目,這個項目的主要工作是研究混凝土墻中裂紋的檢測方法[6]。
? ? 3、航空
? ? 在航空領域,EADS軍用飛行器是用來評價超聲設備及其耦合情況的系統,這個系統主要用來進行老舊飛機的維護,它的應用集中于碳纖維復合材料結構及其腐蝕問題的檢測[7]。傳統的檢測方式是使用X/Y掃查器以及一個單探頭做單線掃查,這種檢測方法速度慢而且是不能移動的。對于雙曲面的飛機結構來說,普通的呈條形排列的并且擁有一個大而平的底面的陣列的檢測效果并不好,還可能對飛行器表面造成損害,但是被檢工件表面的耦合依然是必須的,因此需要使用一個柔韌的耦合系統,并且使用軟楔塊。在這個應用中,在柔軟的隔膜表面和陣列表面加上了水延遲塊,柔軟隔膜表面是和被檢結構的凹凸程度相吻合的。
? ? 廣州多浦樂電子科技有限公司是一家專注于超聲設備及超聲換能器(探頭)研發、產品包括相控陣超聲探頭,相控陣超聲板卡,相控陣掃查器,超聲自動化設備等,制造的高新技術企業,致力于打造世界一流的超聲品牌!
