相控陣掃查器定位對檢測結果準確性的影響分析

李 歡,孔令昌,黃小輝,夏 浩

(1.廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002;2.廣東省特種設備檢測研究院惠州檢測院，廣東 惠州 516003)

在目前的工業無損檢測領域中，超聲檢測是一個重要方法之一。超聲檢測具有適用性強、穿透力好、設備便攜、操作安全等優勢，應用極為廣泛[1]。相控陣檢測利用計算機技術和新材料，將常規超聲檢測發展為一種具有電子控制、信號成像、自動記錄等多功能先進的檢測儀器和方法。尤其在特種設備檢測過程中，采用相控陣對焊縫檢測時，不需要象普通單探頭那樣在焊縫兩側頻繁地來回前后移動，而只是沿著焊縫長度方向平行于焊縫進行直線掃查。隨著計算機系統設計、硬軟件水平、計算機技術應用等的日臻成熟，相控陣檢測將成為特種設備無損檢測的重要方法。相控陣憑借其多晶片動態聚焦、計算機成像處理等先進技術和檢測可靠性，具有廣闊的應用和發展空間，將成為主流檢測方法，有代替射線、常規超聲檢測的趨勢。2016年2月24日，國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會批準發布了GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》。隨著相關標準的頒布，相控陣將是繼超聲波衍射時差法(TOFD)檢測之后，國家和行業主推的無損檢測方法，將得到大范圍推廣和應用。

本文對超聲相控陣原理及特點和現有檢測裝置進行了介紹，對相控陣手動掃查檢驗方法進行了分析，重點分析了掃查器定位準確性對相控陣檢測結果影響，并提出了未來相控陣自動掃查研究動向及發展趨勢，對相控陣檢測具有重要的參考意義。

1 相控陣檢測原理及檢測優勢

目前的超聲波相控陣檢測儀器通過相控陣探頭由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個陣元，一般由多個陣元組成的一維或二維陣列。如圖1(a)所示，通過電子系統控制壓電探頭陣列中的各個陣元，按一定的規則和時序用電子系統控制激發，使陣列中各單元發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，如圖1(b)所示，在反射波的接收過程中，按一定規則和時序控制接收單元的接收并進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示，從而實現工件的無損檢測[2-5]。

與傳統的超聲檢測技術相比，超聲相控陣技術具有以下優勢:(1)檢測速度大大提高，檢測靈活性更強，可實現對復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測；(2)儀器對檢測人員操作要求較低，無需來回移動，只需平行于檢測工件平行移動即可完成檢測；(3)相控陣檢測相對于超聲波檢測有較高的分辨力，信噪比較好、缺陷檢出率更高；(4)通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實現高速電子掃描，對試件進行高速，全方位和多角度檢測；(5)檢測結果更加直觀、可實時顯示，如:在掃查的同時可進行分析和評判，并可對圖像進行保存，可實現檢測結果永久保存[6-8]。

圖1 相控陣檢測原理示意圖

2 相控陣檢測裝置

相控陣檢測裝置主要有相控陣主機系統，相控陣探頭，相控陣鍥塊，相控陣掃查器以及相控陣檢測過程中輔助設備。相控陣探頭是相控陣檢測主要的信息接收部件，采用多晶片，通過控制延遲產生聚焦波束、可變角度和焦距，不用前后移動(垂直于焊縫)探頭即可檢測到整個截面，通過水平移動(平行于焊縫)探頭可以探測工件不同部位(截面)的缺陷[9-10]。

相控陣探頭它包括兩個部分：相控陣探頭發射和相控陣探頭接收，相控陣探頭發射時，各晶片受相同頻率的脈沖激勵，電子系統依據事先設定的聚焦法則來發射超聲波，不同相位的超聲波在聲場空間內疊加與干涉，產生合成聲束與新波陣面；相控陣探頭接收時，以缺陷回波返回各晶片的時差為依據進行回波信號延時補償，之后對各回波信號進行合成，將待定位置回波信號疊加，將其他位置回波信號減弱[11-12]。最后主機系統將合成信號以圖像方式實時顯示出來。相控陣楔塊根據不同工件尺寸進行設計，楔塊使超聲波束安裝一定角度入射到工件表面，其材質較硬，具有耐磨性強特點。

3 相控陣手動掃查的局限性

目前相控陣檢測時，多采用人工平行移動進行檢測，探頭的水平移動一般通過手持探頭或簡易支架來實現，然而簡易的相控陣掃查器使用極少，其主要因為目前市面上所使用的相控陣掃查器較為笨重，使用不方便，在移動過程中，手持探頭或簡易支架無法保證探頭到焊縫距離的一致性、移動速度的均勻性、探頭和工件接觸的穩定性、耦合效果符合性。采用手持式探頭掃查對檢測區域的有效覆蓋、定位準確性、信號采集的完整性都有影響、還影響到檢測靈敏度，最終會造成漏檢或誤判。采用手工掃查器無論從檢測效率、檢測質量，都已不適合大批量相控陣檢測應用工作。

近年、國內相控陣自動掃查器研究較少，適合壓力容器等更大應用范圍的定位型自動掃查器在市場上并沒有成熟產品出現，市面上出現的少數的自動掃查器使用不便利，并且自動掃查器造價較高，達到15～30萬，這價格已經超過了國產的相控陣檢測儀器價格，因而并沒有得到廣泛推廣。

4 掃查器定位準確性對相控陣檢測結果影響

目前采用手持探頭或簡易手動掃查器進行掃查，檢測過程中要求相控陣探頭與焊縫需要保持一定距離，探頭到焊縫的距離不能隨意變化。其定位的準確性對相控陣檢測結果影響如下：(1)手持探頭檢測移動過程中與所檢測的焊縫不能保持固定的距離，當探頭與焊縫的距離超過一定數值時，超聲束不能射入到所檢測工件內部從而反射到儀器中，不能形成檢測全覆蓋，工件會造成漏檢；(2)探頭到焊縫的距離的變化會影響到缺陷的定位，影響缺陷的準確性，影響缺陷的判定和消除，由于探頭到焊縫距離的變化檢測區域發生變化，將底面或焊縫邊角反射波束誤以為缺陷波束從而影響缺陷定位及缺陷準確性;(3)相控陣檢測時現場作業環境較為惡劣，檢測的位置需搭設腳手架，檢測人員穿戴安全帶，高空作業，非常危險，在惡劣的操作條件下想要保持相控陣探頭與檢測工件的距離一定難度較高，對檢測人員要求較高，稍微操作不注意則會影響檢測結果，檢測的可靠性不高。

綜上所述，手持探頭和手動掃查器無法保證探頭到焊縫距離的一致性、移動速度的均勻性、探頭和工件接觸的穩定性、耦合效果符合性，不利于對缺陷的精確定位，檢測中容易將偽缺陷當成缺陷，降低了檢測靈敏度，容易造成漏檢。

因此，相控陣檢測使用自動掃查器尤為重要，有利于實現自動化檢測，將極大地提高相控陣檢測質量和檢測效率，降低勞動強度。檢測質量的提升，有助于提高缺陷的檢出率，提高被檢設備安全性能，降低安全風險，延長設備運行周期，減少檢修成本。檢測效率的提高，可以縮短檢測工期，進而可以縮短產品制造周期或工廠停產時間。勞動強度的降低，可以降低人工成本。

5 自動掃查器的研究方向

針對手動掃查器存在的問題，對相控陣檢測的定位定量的影響，相控陣自動掃查的研發及應用推廣尤為重要，近幾年的研究表明自動掃查器的研究主要方向為：自動掃查器設計成柔性結構，如何設計成能在不同曲率的工件外表面實現可靠的相控陣檢測作業；對自動掃查器的動力機構及傳動機構進行研究，使相控陣自動掃查器在工件表面上能勻速自行的行走；自動掃查器與工件表面的貼合力研究，研究如何能使相控陣掃查器在工件表面貼合程度，且在不同的耦合劑下不同的工況下進行檢測作業；研究如何使自動掃查器保持直線行駛，超出一定偏差進行自動報警，對于目前的技術研究掃查器的直線行走是一項難題，其技術難點與無人自動駕駛汽車保持精密的直線行駛一致，因而是目前較為難解決的問題。

6 結束語

本文重點分析了目前相控陣檢測檢測用手動掃查器存在的問題，指明了使用手動掃查器檢測時定位準確性對相控陣檢測結果的影響。手持探頭和手動掃查器無法保證探頭到檢測工件的距離保持一定、移動速度均勻、探頭和工件接觸的穩定性、耦合效果符合性。采用手持式探頭掃查器不僅對檢測區域的有效覆蓋、定位準確性、信號采集的完整性有影響、甚至影響到檢測靈敏度，最終造成漏檢或誤判。給出了設計制作并使用自動掃查器的建議，對今后相控陣檢測有著重要的指導意義。