寬帶高靈敏度柔性相控陣探頭的發展與應用

常俊杰，魏　強，小倉幸夫,盧　超，陳　果

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室， 南昌 330063；2.日本探頭株式會社, 橫濱 232-0033)

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寬帶高靈敏度柔性相控陣探頭的發展與應用

常俊杰1，2，魏強1，小倉幸夫2,盧超1，陳果1

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室， 南昌 330063；2.日本探頭株式會社, 橫濱 232-0033)

超聲相控陣技術因為檢測效率高和靈敏度高等優勢而常應用于工程實踐中，但對于一些復雜表面材料的檢測，常規相控陣探頭不能與材料緊密貼合而導致檢測困難。介紹了一種可以通過接觸法檢測材料的不規則表面和倒角處的柔性相控陣探頭，并對其性能進行改進，提出了一種新的柔性相控陣探頭。對新舊柔性相控陣探頭的性能進行比較，表明了新的柔性探頭具有高靈敏度和高分辨率(可達0.1 mm)。最后,列舉了新柔性相控陣探頭在實際工程中的應用。

超聲相控陣;柔性陣列探頭;高靈敏度;高分辨率;寬帶

20世紀80年代,超聲相控陣系統出現在工業檢測當中;經過多年來的發展，該技術已越來越成熟。由于采用超聲相控陣技術能夠在不移動探頭的情況下進行高速電子掃查、對于復雜幾何工件的檢測具有更高的靈活性以及能夠實現超聲波束偏轉和聚焦等[1]，故該技術的應用越來越廣泛，例如應用于螺栓的螺紋區域、汽輪機葉根[2-4]、火車輪軸[5]，TKY焊縫節點[6-8]等工件的檢測中。超聲相控陣探頭包括線性陣列和圓形陣列兩種[9]。在檢測過程中，探頭要緊貼被檢測物體，然后發射超聲波對材料進行檢測。對于一些不能與探頭耦合很好的工件，往往需通過楔塊來實現探頭與工件的耦合。然而，工程應用中許多工件的表面形狀并不一樣，故通過定制一個探頭和楔塊去檢測所有材料的表面是不可能的。因此,研制可與不同表面形狀的工件緊密耦合的相控陣探頭,具有重要的工程意義。

2010年，筆者研制了一種可以與任意表面形狀的被檢工件緊密耦合的柔性相控陣探頭(Flexible Array Probe，簡稱為FAP)。為了改進FAP的性能，筆者加上了一層阻尼層來吸收背面的振動，并且通過樹脂作為聲匹配層來減小超聲波的周期數。經過這些改進后，新的柔性相控陣探頭(Broadband Flexible Array Probe，簡稱為BFAP)的時間分辨率得到了顯著的提高，并且已經開始應用于飛機主翼的檢測中。

1　BFAP的結構和外觀

BFAP是一種使用PZT和較軟的環氧樹脂制作的特殊連接結構的壓電換能器[10]，因為制作探頭的材料具有柔性，所以探頭也具有柔性。BFAP的聲匹配層置于探頭的前面，用于吸收不必要的振動的阻尼層位于探頭的背面，其結構示意如圖1所示。BFAP外觀形狀如圖2所示，可見，探頭可以緊密貼合在被檢工件的彎曲表面進行檢測。BFAP 的通道數目為64，每個通道間的間距為1 mm，頻率為5 MHz。

圖1　BFAP的結構示意

圖2　BFAP的外觀形狀

2　阻尼層的作用

BFAP上有阻尼層，FAP上沒有阻尼層，為了了解阻尼層對柔性探頭性能的作用，對BFAP與傳統的FAP的性能進行比較。分別使用BFAP與FAP探頭接收20 mm厚的聚苯乙烯塊的底面回波，接收到的波形如圖3所示。在圖3(a)中，FAP接收到的底面回波的尾部還帶有一段信號，并且回波的周期數超過了5。但是在圖3(b)中，BFAP接收到的底面回波沒有這段信號，并且周期數為1.5。在探頭靈敏度方面，BFAP接收回波強度比FAP接收回波強度大3 dB左右。如圖4所示，對圖3所接收的底面反射波信號進行頻譜分析。在頻帶寬度方面，FAP接收信號的頻帶寬度(信號的帶寬除以信號的峰值頻率)為30%，而BFAP接收信號的頻帶寬度為116%。

圖3　 FAP和BFAP接收到的底面反射波形的對比

圖4　FAP和BFAP接收到的波形頻帶寬度的對比

為了比較這兩種探頭的空間分辨率，筆者通過相控陣儀器來檢測圖5所示的聚苯乙烯試塊，試塊上打了6個直徑為1 mm的圓孔，圓孔的間距為0.1 mm。圖6為對其的相控陣檢測結果，經過分析，BFAP的檢測結果中孔的顯示要比FAP中孔的顯示更清晰。因此，可以證明BFAP的空間分辨率要比FAP的空間分辨率高。

圖5　帶有一列圓孔的聚苯乙烯試塊結構示意

圖6　FAP和BFAP空間分辨率的對比

對上面的試驗結果進行總結，FAP與BFAP的某些性能的對比如表1所示，可見,與傳統的FAP相比，BFAP的許多性能得到了提高。

表1　FAP和BFAP的性能比較

3　BFAP的耐用性試驗

如圖7(a)所示，筆者設計了一套檢測探頭耐用性的試驗裝置。對BFAP做了40 000次沖擊試驗。在沖擊試驗后，每個換能器靈敏度的變化如圖7(b)所示。從對圖7(b)的結果分析可知，換能器靈敏度的變化都在0.5 dB之內。

圖7　BFAP耐用性檢測裝置及其沖擊試驗后靈敏度的變化

4　BFAP的檢測應用

由于空間分辨率高且探頭具柔性等優點，BFAP常被用于一些復雜工件以及薄工件的檢測中，下面就具體地介紹BFAP在實際檢測中的應用。

(1) 檢測薄的CFRP(碳纖維增強復合材料)

圖8　某CFRP材料中人工缺陷位置示意及其BFAP檢測結果

如圖8(a)所示，CFRP在表面下1.8,2.5和3.2 mm處存在3個人工缺陷。如圖8(b)所示，B掃檢測結果中可清楚地顯示出CFRP表面下的三個人工缺陷。

(2) 檢測曲面焊縫

在曲面焊縫的中央制作了一個直徑為1.5 mm的人工缺陷。在檢測過程中，BFAP能與工件的曲面緊密貼合(見圖9(a))。通過對B掃的結果(見圖9(b))分析可知， BFAP可以清楚地檢測出曲面焊縫中的人工缺陷。

圖9　BFAP對某曲面焊縫的檢測操作示意及檢測結果

(3) 檢測表面形狀復雜的材料

如圖10(a)所示，某材料的表面為波浪面，在其中加工了5個人工孔洞。在檢測中，BFAP也能與工件緊密貼合，BFAP上面的光纖可對波浪表面的位置進行修正，以此來獲得缺陷在材料中的真實位置。圖10(b)為B掃檢測結果，可見，BFAP可以清楚地檢測出材料中的5個人工缺陷。

圖10　BFAP對某波浪表面材料的檢測操作示意及檢測結果

5　結論

(1) 由于寬帶柔性相控陣探頭(BFAP)可自由緊密貼合材料表面，故可實現對彎曲側面、凹凸面、焊縫直接檢測、粗糙表面等的檢測。

(2) BFAP可作為寬帶高靈敏度陣列探頭去檢測近表面缺陷。

(3) BFAP不能用于水浸檢測，只能作為陣列探頭通過接觸法進行檢測。

[1]靳世久,楊曉霞,陳世利,等.超聲相控陣檢測技術的發展及應用[J].電子測量與儀器學報,2014,28(9):925-934.

[2]牛保獻,靳峰,宋國營.采用超聲相控陣技術檢測汽輪機轉子叉型葉根[J].無損檢測,2014,36(1):58-79.

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Development and Application of Broadband High Sensitive Flexible Phased Array Probe

CHANG Jun-jie1,2, WEI Qiang1, YUKIO Ogura2, LU Chao1, CHEN Guo1

(1.Key Lab. of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;2.Japan Probe Co., Ltd., Yokohama 232-0033, Japan)

Ultrasonic phased array technology is often used in engineering application for high detection efficiency and high sensitivity. But for the detection of complex surface material, since the conventional phased array probe can not fit closely with the material it is therefore difficult for one to detect the material. This paper describes a flexible phased array probe that is available for detection of irregular surface & corner part of the specimen by direct contact method，and furthermore through improving the performance of the flexible phased array probe a new flexible phased array probe was developed. Through the performance comparison with the old flexible phased array probe, it is demonstrated that the new flexible phased array probe possesses high sensitivity and high resolution of 0.1 mm. Several practical engineering applications of the new flexible phased array probe are presented. The more engineering application of flexible phased array probe is expected.

Ultrasonic phased array; Flexible phased array probe; High sensitivity; High resolution; Broadband

2015-11-06

國家自然科學基金資助項目(AA201408160)

常俊杰(1964-),女,副教授,碩士研究生導師,主要從事固體力學及超聲無損檢測與評價方面的研究,E-mail: junjiechang@hotmail.com。

魏強(1991-),男,碩士研究生,主要從事超聲無損檢測技術研究,E-mail: 843438673@qq.com。

10.11973/wsjc201606006

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0024-04