内容发布更新时间 : 2024/11/20 14:35:07星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

超声编码相控阵的应用

李 晏

摘 要: 介绍超声编码相控阵的技术特性和典型应用，包括腐蚀检测、小径管检测、大径管检测、管道自动检测和钢厂在线检测等，意在为国内承压设备焊缝无损检测,推广符合国际法规要求的半自动或全自动超声相控阵技术，提供有用借鉴。

关键词：超声检测; 相控阵技术；定位编码；专用扫查器；承压设备；焊缝

Applications of Ultrasonic Encoded Phased Arrays

LI Yan

Abstract：This article described technical characteristics and applications of ultrasonic

encoded phased array, including corrosion mapping, small diameter pipe inspection, large diameter pipes, pipeline AUT, in-line inspection systems (pipe mills), etc. The intention is to provide useful references to promoting further the use of auto- or semi-auto PAUT technology at home, meeting the requirements of the recent international code and standards.

Keywords: Ultrasonic examination; Phased Array technology; Location encoding; Special scanner; Pressure equipment; Welded joints

最新国际标准ASME(2011a)要求：承压设备焊缝UT应采用半自动或全自动计算机成像超声技术（即CITs ——Computerized Imaging Techniques)。目前可作半自动或全自动CITs的有两类：TOFD和相控阵（PA），而编码相控阵是实施半自动或全自动PAUT的重要条件。

这里，先简述超声相控阵原理，再说明相控阵超声编码线扫查的技术特性优势，然后介绍使用匹配专用扫查器的各种成套检测系统在工业上的应用实例，如配用充水型探头扫查器（Hydro-FORM）测量腐蚀，配用手镯式扫查器（Cobra）检测小径管焊缝，配用漫游式扫查器（WeldROVER）检测大径管，配用跟踪式扫查器（PipeWIZARD）检测管道环焊缝，以及钢管厂的生产现场整套在线检测系统。超声相控阵检测用的主机，属于便携式的典型仪器有OmniScan MX2，移动式的有Focus LT?等。

1 相控阵工作原理

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超声相控阵专著专述，早有发表 [1][2]，有关操作细节此处不再详述。简言之，相控阵是由一系列电隔离的晶片（称为阵元，每个阵元都有自己的连接器）、延时电路和模数转换卡组成的。阵列自身可为线阵（直线排列状）、2D矩阵、环阵或其它特形阵。其中线阵最常用（因编程容易）。阵列中的阵元通常是定相成群激励脉冲的。定相涉及到调整阵元的脉冲激励时间，以产生相长干涉或相消干涉，由此实现相位调整。实际上，相控阵的使用有两种方法：手动法[3]和编码法[4]。两者的差别在于配置不一[5],但根本问题是：只有编码线扫（或．．．．．．．．自动）相控阵，才是全数据采集——有位置记录，因此，检测数据可查阅、分析和重建。国．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．际权威法规ASME最新版（2011a）规定：承压设备焊缝必须使用有编码定位的半自动或全．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．自动相控阵仪器进行超声检测。 ．．．．．．．．．．．．．．

2 相控阵技术优势

相控阵能通过施加于阵列的给定延时律（Focal laws 或 Delay laws），使超声波束聚焦、扫查和变角、转向，见图1。

阵列要适于应用，如适合于平板尺寸、材料种类等。若法规有规定，也要符合法规要求。通常，用编码线扫相控阵，能提供优于传统技术——如手工UT或RT的优势如下：（1）速度快；（2）灵活性好；（3）数据便于查阅；（4）缺陷检测率高；（5）易于缺陷定量。

实际上，总的检测费用减小，有先进的成像技术，是相控阵之所以能在短时间内在工业上推广应用、卓有成效的主要原因。而且，相控阵并不改变超声物理特性，与常规UT的区别，主要是产生和接收超声信号的方法有所不同。

无疑，相控阵也有局限性。也会碰到普通超声碰到的一些问题，如：耦合、楔块磨损、阵列选择、盲区等。另外，还会碰到相控阵所特有的一些问题，如：栅瓣、S扫最佳角度、范围校验，特别是人员培训[6]。

E（电子）扫描延时量ns聚焦律1阵元距离S（扇形）扫描深度聚焦聚焦律5声束焦点声场1声场5声束焦点(a)(b)(c) （a）水平变焦； （b）斜角变焦； （c）深度变焦

图1 超声相控阵E扫、S扫和深度聚焦特性示图

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3 定位编码器技术特性

探头机械夹持器应装上定位编码器，编码器与A扫描取样同步。

编码器应按制造单位的推荐进行校验，至少每移动500mm验证一次，显示距离误差不大于实际移动距离的±1%。

编码器的校验周期：时间间隔应不超过一个月，或初次使用后不超过一个月。 ASME第Ⅴ卷第四章强制性附录Ⅴ规定了用线阵列相控阵探头，通过声束角度固定的相控阵电子扫描（E扫）和声束角度可变的扇形扫描（S扫），进行编码线扫查的检测要求。

编码相控阵设备具有利用编码器收集和存储扫查数据及探头位置数据的能力。将编码器加在电子设备上，还涉及到相关软件。编码相控阵设备可收集完整的A扫描波形数据，存储和操作显示，给出顶视图、侧视图和端视图，能处理这些数据。换言之，编码相控阵设备是轻便、低价的自动超声检测（简称AUT）设备，相控阵扫查数据可现场实时显示分析, 也可存储后重新释放, 作离线数据分析。而一般的声束扫描相控阵设备, 充其量只是配有可变角和可变焦换能器的超声检测设备。

编码相控阵设备对检测焊缝之类的对象，具有省时省费用的优势。图2表示传统UT，要靠手工移动，使超声单斜探头对着焊缝作前后移动，即令超声波束对焊接接头横断面进行光栅式扫查，再加探头在焊缝长度方向的左右移动，以及两种移动方式的组合，反复循环，以此来完成对整个焊缝长度的体积检测。图3 则表示用相控阵UT的特征：相控阵斜探头无需对焊缝前后移动，只需沿焊缝长度方向作单道直线状扫查——即所谓“线扫”，而探头阵列则进行光栅式扫查动作，光栅扫与线扫两结合，就能完成对整个焊缝长度的体积检测。声束扫描相控阵仅执行光栅式扫查，而编码相控阵除了光栅扫，还能进行线扫。图2是为常规手工光栅扫，图3是相控阵线扫。相控阵线扫在速度上能提供明显优势，约为常规单探头检测速度的5～10倍。

数据采集零数据采集

图2 传统UT的光栅式扫查

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