全聚焦相控陣技術的場校準

強天鵬，楊貴德，杜南開，陳建華，張國強，龔成剛

(1.江蘇中特創業設備檢測有限公司,南京 225003；2.廣東汕頭超聲電子股份有限公司，汕頭 515041)

在全聚焦相控陣技術特性與應用系列論文的第一篇[1]和第二篇[2]中曾指出，全聚焦相控陣是一種跟以往各種超聲檢測技術迥然不同的新型超聲檢測技術，它通過全矩陣數據采集獲取海量數據，通過全像素聚焦和疊加平均處理得到高分辨力、高靈敏度、高信噪比的圖像，其在工件中建立的聲場以及從聲場中接收的信號具有如下所述的非常獨特的性質。

(1) 全聚焦相控陣采用小晶片多次發射和大窗口長時間接收，在一個信號周期內系統接收的能量遠大于常規超聲。

(2) 聲場的能量是通過小晶片多次發射注入的，小信號的累加效應使得在全聚焦相控陣的聲場中，不同位置上的聲壓變化比常規脈沖反射法聲場的聲壓變化平緩。

(3) 由于小晶片發射的聲束擴散角大，故探頭在工件中建立的聲場能覆蓋更大的范圍，目標區中任何一個微小空間都充斥著超聲能量，又由于大窗口長時間接收，以及全像素聚焦，所以目標區中任何一個微小空間的狀態及變化都能被系統探測到。

(4) 全聚焦相控陣系統對從聲場接收的信號進行海量次數的疊加平均處理，輸出信號的信噪比非常高。

在對全聚焦相控陣的聲場特性和信號特性深入研究的基礎上，筆者提出了全聚焦相控陣檢測焊縫的新技術路線和方法，即用場測量和場校準的方法來實施檢測。該方法不僅能夠解決全聚焦相控陣系統無法顯示有效A掃的問題，而且在靈敏度、可靠性、精度、效率、適應性等方面凸顯出了其優越的性能。

場測量已經在該系列論文的第二篇[2]進行了描述，因此文章將就場校準的有關問題開展討論。

1 超聲檢測系統的校準

1.1 超聲檢測系統的校準項目

校準是實施超聲檢測必不可少的步驟，是指用標準試塊或對比試塊上的特定結構來標定儀器狀態參數的操作。廣義的校準通常還包括檢測參數測量和系統設置。不同超聲檢測方法的參數測量、系統設置與校準項目不完全相同，操作上也存在一定差異，例如用脈沖反射法超聲檢測焊縫的系統校準項目一般包括聲速測量與校準，探頭前沿測量，折射角測量與校準，楔塊聲程測量與儀器掃描線性校準，掃查深度范圍設置，距離波幅曲線制作，增益設置等，而相控陣超聲檢測焊縫的校準項目則包括聲速測量與校準，掃查深度范圍設置，角度增益校準(ACG)，時間增益校準(TCG)，增益設置等。

1.2 A掃信號與校準

以往各種超聲檢測方法的系統校準都需要使用A掃信號，慣用的做法是用探頭對準試塊上的某一個反射體，在A掃信號中尋找最高波幅，把最高波幅調節到適當高度(例如屏幕的80%)，記錄探頭位置，通過測量和計算確定某個參數值。

在各個校準項目中，以脈沖反射法的距離波幅曲線和相控陣的TCG最為麻煩，二者需要測試多個不同深度的反射體，逐個尋找每一個反射體的最高波幅，不僅步驟多，耗時長，而且精度也不高。場校準方法更簡單、快捷、準確，對超聲檢測來說，是一項有意義的革新。

2 全聚焦相控陣的場校準概述

2.1 場校準原理

和場測量一樣，場校準是基于以下認識而提出的。使用全聚焦相控陣技術檢測焊縫時，將斜探頭前方的焊縫局部區域定義為檢測目標區(見圖1)，探頭發射超聲能量充斥于整個目標區內，形成全聚焦相控陣聲場，且按一定規律分布。聲場中任何擾動，或者說目標區內形態的任何改變(例如出現缺陷)，會使超聲能量分布相應改變，探頭接收的信號也會改變(捕捉到缺陷信息)。

圖1 全聚焦相控陣目標區示意

和場測量一樣，場校準不像常規脈沖反射法那樣必須知道波束指向，波束中心線路徑和邊界角的位置。因為常規脈沖反射法像用一支手電筒的光束去掃描檢測區域，必須知道光束何時指向何處，而全聚焦相控陣聲場中，能量像太陽光一樣普照在目標區，無處不在。至于陽光的強弱(能量分布不均勻)帶來的問題，可以通過增益補償加以解決。

由于全聚焦相控陣的超聲信號具有高信噪比的特性，即使某個局部區域的聲能量很弱，回波信號波幅很小，也可通過巨量增益補償滿足檢測要求。

2.2 場校準過程特點

場校準不需要觀察和利用A掃，校準過程中不需要考慮波束路徑，不需要逐個測試不同深度的反射體，不需要尋找最高波，不需要調節波高，因此極其簡便。與常規相控陣校準項目相關的所有內容，包括TCG，ACG，增益設置，檢測覆蓋范圍等，通過一次校準即可完成其校準。

2.3 場校準種類

根據設置的目標區尺寸和校準點的分布，場校準可分為狹場校準和寬場校準，兩種校準的用途有所不同。

3 狹場校準

焊縫掃查過程中使用的數據采集系統可以采用狹場校準的方法來校準。

3.1 狹場校準儀器系統

試驗采用的系統組成包括儀器主機(國產全聚焦相控陣3D實時成像系統)，探頭[頻率為5 MHz，晶片尺寸為0.6 mm×10 mm(陣元中心距×長度)，64陣元線陣探頭]和專用軟件。

3.2 狹場校準試塊

狹場校準試驗一般采用橫孔試塊(見圖2)。如果認為有必要，也可采用其它試塊。試塊尺寸的要求為：高度應不小于焊縫母材厚度；試塊寬度一般應大于探頭楔塊寬度的510 mm；試塊應能保證放置探頭的一側有足夠的掃查長度，一般不小于焊接接頭寬度與楔塊長度之和的20 mm；對面一側長度以不出現干擾信號為宜，一般不小于40 mm。

圖2 橫孔試塊結構示意

采用橫孔的優點是其加工容易，成本低。另外，橫孔尺寸可按現行脈沖反射法超聲或相控陣超聲標準的規定選取，這樣有利于在靈敏度設置和缺陷測量等項目上跟有關標準進行比較和互換。橫孔的深度間距一般取10 mm，也可以根據要求增大或減小；橫孔數量應保證其足以在焊縫母材厚度范圍內按照規定的間距均布。

3.3 狹場校準的信號采集

狹場校準的信號采集過程極其簡單，步驟說明如下。

(1) 設定目標區。在試塊上設定的目標區如圖3所示(圖中坐標系為左手坐標系)。目標區是一個立方體，其三維尺寸的選擇依據為：x方向為焊縫的長度方向，試驗中取目標區長度為探頭孔徑的1/2，即 5 mm；y方向為焊縫的寬度方向，取目標區寬度為40 mm；z方向為工件的厚度方向，取目標區的厚度為100 mm，即該系統一次掃查覆蓋深度范圍為100 mm。

圖3 在試塊上設定的目標區示意

(2) 在試塊上畫出探頭移動起點和探頭移動距離。校準時探頭沿y方向移動，探頭移動距離為焊縫寬度與兩側熱影響區寬度之和。

(3) 在儀器上進行初始設置，探頭連接編碼器，放在起始位置。

(4) 開始掃查，平穩移動探頭至終點，注意保持良好耦合，探頭移動方向如圖4所示。

圖4 狹場校準信號采集探頭移動方向示意

(5) 信號采集結束，存儲。

3.4 狹場校準的增益補償

增益補償和校準通過操作軟件完成，步驟如下。

(1) 預覽。所采集的目標區三維體積圖像如圖5所示，觀察圖像是否完整，信號幅度是否恰當，信噪比是否足夠，如果不滿意，可重新采集。由圖5可以看到，全聚焦相控陣探頭聲場覆蓋范圍非常大，試驗采集到9個橫孔的信號，覆蓋的深度范圍是100 mm，遠遠超過常規脈沖反射法超聲檢測和常規相控陣檢測的覆蓋深度，這意味著全聚焦相控陣對100 mm厚的焊縫可一次完成檢測，不需要進行分區檢測。

圖5 目標區三維體積圖像

(2) 切片。啟動軟件進行切片。按設定的距離將目標區切成若干薄片，切面上出現未校準系統所采集的未作補償的橫孔信號顯示，不同位置的切片如圖6所示，圖6顯示的切片之間的設定距離是10 mm。觀察各切片圖像，應無耦合不良跡象，無影響和干擾橫孔信號識別的非相關顯示。由于尚未進行補償，故探頭在不同位置上探測不同深度橫孔的回波大小不一樣(圖像上各個孔的信號顏色不一樣)。有些橫孔的信號沒有顯示，例如第一個切片的最下面兩個橫孔以及第三個切片的最上面一個橫孔。出現此類情況并沒有關系，由于全聚焦相控陣技術所采集的信號具有很高的信噪比，在進行增益補償后，所有橫孔信號都能很好地顯示出來。

圖6 未作增益補償的不同位置的數據切片

(3) 基準增益設置。選擇一個圖像清晰且顏色適當(橙色)的反射體信號作為增益基準點，進行基準增益設置。

(4) 整個目標區體積范圍內的增益補償和校準。使用軟件自動進行增益補償和校準，完成整個目標區體積范圍內的相當于普通相控陣的TCG，ACG以及系統增益設置。進行增益補償和翻轉后不同位置的數據切片如圖7所示。

圖7 增益補償和翻轉后不同位置的數據切片

(5) 翻轉。需要注意，實際檢測掃查焊縫時，信號獲取的聲程正好與校準時相反，即校準時的探頭起點的切片，對應的是焊縫檢測時緊鄰探頭的熱影響區的信號波幅；校準時探頭終點的切片，對應焊縫檢測時遠離探頭的熱影響區的信號波幅。因此，采集的信號和校準的切片的位置要翻轉。

(6) 復查。利用校準后的系統重新采集試塊中的橫孔信號，檢查各個切面補償后的圖像，所有反射體信號是否齊全，所有信號顏色是否一致，是否與增益基準相同，同時檢查深度覆蓋范圍及效果。

4 寬場校準

寬場校準是另一類型的校準，其思路是通過對聲場進行全體積測量，得到立體網格各節點(見圖8)的反射體回波幅度(聲壓)，然后進行校準。

圖8 寬場校準的立體網格節點

該方法可測得立體聲場中各位置的實際聲壓，因此可用于全聚焦相控陣聲場特性研究試驗，也可用于檢測系統性能參數的測試，例如橫向分辨率的的測試。寬場校準的系統同樣可用于檢測，并且可作一些特殊應用，例如，將探頭固定于某一位置對單個缺陷進行數據采集，可以測定缺陷的長度和高度，排除移動探頭測長的誤差。

寬場校準與狹場校準有兩個主要區別，一個是寬場校準的目標區寬度較大，狹場校準的目標區寬度為探頭孔徑的1/4～1/2，而寬場校準的目標區寬度根據應用需要，可選擇為探頭孔徑的1倍甚至2倍；另一個區別是狹場校準一般使用橫孔試塊進行，而寬場校準為得到網格中各節點的聲壓，采用一種新型試塊——簇狀球底水平孔試塊進行，其結構如圖9所示。

圖9 簇狀球底水平孔及其試塊結構示意

4.1 寬場校準儀器系統

試驗的系統組成包括儀器主機(國產全聚焦相控陣3D實時成像系統)，探頭[頻率為5 MHz，晶片尺寸為3 mm×3 mm(陣元中心距×長度)，64陣元面陣探頭]，專用軟件。

4.2 寬場校準試塊

試塊設計基于以下考慮。

(1) 欲在一個平面上布置多個反射體，且反射體位置在平面上呈節點分布，采用水平孔是比較好的方案。

(2) 采用球底孔而不用平底孔，是因為球底孔的回波信號波幅受超聲波入射角度變化的影響比平底孔小很多。

(3) 另一方面，球底孔回波信號波幅比平底孔低，這意味著校準時，采用球底孔比采用相同直徑的平底孔的靈敏度更高，換言之，如果校準靈敏度相同，球底孔的直徑可以做得比平底孔大一些，從而更便于加工。例如，與φ1.5 mm的平底孔等當量的球底孔的直徑為3 mm[3]，而后者的加工難度比前者小很多。此外，就機加工本身特點而言，球底加工難度也比平底小。

4.3 寬場校準的信號采集

步驟說明如下：① 選擇目標區尺寸(覆蓋9個孔)；② 在試塊上畫出探頭起點和探頭移動距離(見圖10)；③ 儀器系統進行初始設置；④ 探頭連接編碼器，放在起始位置；⑤ 開始掃查，平穩移動探頭，注意保持良好耦合；⑥ 信號采集結束，存儲。

圖10 探頭移動距離和目標區體積范圍示意

4.4 寬場校準的增益補償

增益補償和校準通過軟件操作完成，步驟跟狹場校準相同，包括預覽、切片、基準增益設置、整個目標區體積范圍內的增益補償和校準、翻轉和復查。復查時，用校準后的系統再次采集試塊信號，觀察信號的圖像，檢查和評估增益補償的效果。

4.5 寬場校準試驗的數據切片

未經校準的數據切片圖11(a)所示，在同一位置，利用校準后的系統再次采集數據，得到增益補償后的數據切片如圖11(b)所示。由顏色標尺可以看到，試驗系統的A/D(模/數)轉換為8位，信號幅度范圍為0～255[A/D轉換器輸出值(無量綱)]，最大動態范圍為48 dB。從圖11的切片中可以看到9個反射體信號，校準前系統采集的信號最大波幅:最小波幅為255…94，dB差為8.67，校準后系統采集的信號最大波幅：最小波幅為255…230，dB差為0.90。

圖11 寬場校準前后的數據切片對比

從理論上說，校準后的系統采集的不同位置相同尺寸的球底孔信號，經過增益補償后，所有孔的信號波幅應該相同，試驗出現0.90 dB的偏差，分析原因可能來自兩個方面，一方面是第二次信號采集的耦合狀態跟第一次采集的不同；另一方面是計算機校準軟件的聲壓變化曲線與實際聲場存在差異。但對超聲檢測工程應用來說，0.90 dB的偏差可以忽略不計。

以上數據說明全聚焦相控陣的場校準路線和方案以及設計制造的儀器系統優勢明顯，TCG和ACG的精度非常高，遠遠超過常規脈沖反射法超聲對逐個孔進行測試，然后繪制的DAC(距離-波幅)曲線的補償精度，以及普通相控陣超聲對逐個孔進行測試，然后繪制的TCG和ACG曲線的補償精度。

5 結語

場校準是基于對全聚焦相控陣技術在工件中建立的聲場，以及從聲場中接收的信號所具有的獨特性質的深刻理解而提出的創新概念。其技術路線和方法具有過程簡單，操作快捷，精度高，自動化程度高等一系列優點，極大地簡化了焊縫超聲檢測的操作，提高了檢測精度和檢測效率，全面提升了全聚焦相控陣技術的優勢。