管材超聲波相控陣高速線性自動檢測系統優化*

1 概 述

第一臺超聲波檢測設備ECHOGRAPH-HRPR采用常規超聲波檢測技術， 被用于檢測直徑10 ～170 mm 的管材。 該檢測系統無機械旋轉、 無機械磨損， 檢測速度較高， 與之匹配的液浸探頭盒為液浸非接觸式的可更換探頭， 不同尺寸的常規超聲波探頭用于檢測不同直徑的管材。 不同直徑的管材對應的常規超聲探頭盒均配有16 個常規超聲探頭

， 而帶有不同曲率的復合探頭沿管材環向布置， 每個探頭的聲場會在管材內部重疊，并使聲波沿管體周向和軸向均勻分布， 從而有效保證管體截面得到全覆蓋檢測。 被檢管體直線通過ECHOGRAPH-HRPR 檢測系統， 檢測系統快速開啟和關閉裝置， 檢測箱內的耦合水也幾乎不會有損失， 這就可以保證超聲波檢測耦合良好，使被檢管材的管端檢測盲區最小化。 該檢測系統的液浸水箱安裝在升降臺上， 在檢測設備的前后均設有V 形輥或三輥定心裝置， 以實現管材的平穩運輸。 檢測過程中的管材位置公差必須盡可能小， 以確保檢測的可靠性。

HRPR 檢測系統采用了最新的超聲波相控陣檢測理論和方法， 以實現在高速檢測狀態下仍能保證較高的檢測靈敏度、 高信噪比SNR和較為精確的檢測結果， 同時還能降低制造成本和使用成本， 簡化操作。 為了滿足這些要求并提供最佳解決方案， 滿足大多數客戶的需求， 德國卡爾德意志檢測儀器設備有限公司（KARL DEUTSCH） 最新開發了相控陣超聲波管材檢測系統ECHOGRAPH-HRPR-PAUT。

上述比較軌跡的實驗都是在固定拾放點(0，152.5，-850)→(0，-152.5，-850)進行的，現為驗證不同位置的最優軌跡，選取以下點重復4.1節的實驗步驟，結果如表3。

最新開發的超聲波相控陣管材檢測系統ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 從外觀上與上一代常規超聲波檢測系統非常相似， 因此， 極易在常規超聲波檢測系統的基礎上進行升級改造。 常規超聲波檢測系統的浸入式水箱可以保持不變， 探頭盒及探頭更換為最新的相控陣探頭， 進而保證鋼管截面的覆蓋率達到100%。 檢測原理如圖1 所示， 圖1 （a） 為處于激活狀態的單個相控陣探頭， 圖1 （b） 為處于激活狀態的所有相控陣探頭， 新系統在逆時針 （CCW） 方向上實現了超聲波檢測的全覆蓋

， 新系統改進后具有高速并行觸發功能， 檢測靈敏度更高。

同時該檢測系統提供了ECHOVIEW 軟件包， 可通過該軟件中的交互式向導設置相控陣電子參數， 按照要求管理、 記錄、 存儲和處理檢測參數、 自動分析和處理檢測結果數據、 自動生成檢測報告、 自動輸出分選信號和評判信號， 并支持與遠程主機通信、 遠程診斷等。

2 檢測原理

卡爾德意志的探頭開發過程分兩種方式， 即根據設備應用和需求進行開發， 或者優化已有的ECHOGRAPH 探頭。 通常， 探頭的開發應先對探頭參數進行預定義， 在實際測試過程中再建模。由于所有ECHOGRAPH 探頭均由卡爾德意志內部設計和制造， 因此在批量生產之前， 要在測試機中對預生產的探頭樣品進行驗證

。

9月，秋高氣爽,碩果累累。清風送來涼爽，天空一片蔚藍。我和夫人應中國兵器淮海集團的盛情邀請，前往山西長治，參加他們建廠80周年暨軍民融合論壇等一系列活動。

最新的相控陣超聲波檢測系統ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 就很好地解決了上述問題。該系統采用高速線性電子掃描方式， 在信號發射和接收中執行并行和多次重構， 從而提高了檢測速度。 在管材圓周方向使用了16 個相控陣探頭，可以在管材圓周和軸向同時執行多次掃查。 相控陣探頭聲束可通過電子控制進行聚焦、 操縱或仿形， 從而增大沿管體圓周方向掃查的靈敏度和均勻度， 同時可以將周向的振幅變化減小到1～3 dB。采用16 個相控陣探頭和48 個虛擬探頭對管材縱向外部刻槽進行掃查， 管材尺寸為Φ46 mm×4.7 mm，刻槽尺寸為0.2 mm×10 mm。 在探頭機械角度調整方面， 新一代的相控陣檢測系統與傳統超聲檢測系統一樣， 保持了探頭盒內所有探頭的統一機械角度調整功能， 從而減小電子調整范圍，這樣設置所需的相控陣探頭的電平很低 （通常只有8 個陣元）。 因此， 新開發的ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 僅需256 個并行相控陣通道， 降低了制造成本。

管材通過檢測設備過程中， 管材完全浸入耦合水中， 特殊的密封件和密封機構可以保證管材通過的時候耦合水不會大量流失， 從而保證耦合的可靠， 凹形相控陣探頭安裝在探頭盒中。 對于不同直徑的管材， 需要使用不同的相控陣探頭及探頭盒， 將不同直徑的管材所使用的探頭安裝在相應的探頭盒中， 可最大程度地縮短探頭更換過程中設備的校準時間。

在最新的相控陣超聲波檢測系統ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 中， 探頭被優化為8 陣元相控陣探頭， 其外殼尺寸和總長與常規超聲探頭相同， 只需更換常規超聲檢測系統的探頭盒和超聲波電子系統， 即可執行相控陣檢測系統的檢測功能。此外， 通過對探頭盒內的探頭所產生的超聲信號進行分組， 可實現與超聲電子設備通過單電纜連接，從而縮短了切換檢測參數的時間。

在新型職業農民教育和培訓工作過程中，要想充分發揮農民科技教育中心的應有作用，師資隊伍建設是其中十分關鍵的環節[2]。從當前的農民教育培訓實際來看，許多農民科技教育中心都存在師資隊伍建設水平不高、教師結構不合理的情況。許多農民科技教育培訓中心的培訓教師都沒有較高的農業科技水平，或者雖然具有較高的理論水平，但是缺少實際的農業生產經驗，因此在進行農民科學教育培訓的過程中理論知識的講解與農業生產實踐相互脫節，再加上農民本身科學文化素質就不高，因此這種培訓形式的整體效果不佳。

相控陣可視化界面如圖6 所示， 通過設置每個虛擬探頭的基本參數， 并創建相控陣探頭的掃描模式， 紅色表示一個聲束 （虛擬探針）的激活陣元組， 通過激活陣元組可以分析評估管材中的多次折射 （綠色顯示聲程路徑）， 其中主要檢測參數包括： ①管材尺寸 （直徑和壁厚）； ②掃描模式 （在一個相控陣探頭內進行線性掃描， 在一個相控陣探頭內進行重疊掃查的次數）； ③水層厚度； ④掃查角度和焦點形狀， 主要用于聲束建模； ⑤延遲法則； ⑥A 掃描起始點和寬度； ⑦內部和外部缺陷的測量范圍 （閘門設置）； ⑧基本增益 （模擬和數字增益）； ⑨TCG 特性； ⑩閾值和觸發

。

探頭陣元之間存在細微的靈敏度差異， 為了盡可能縮小各個探頭之間的靈敏度差異， 需要分別對每個探頭進行配平， 此功能還可縮小因探頭老化產生的靈敏度差異， 用戶也可以根據其操作規程設置相應的配平標準

。

在每個探頭盒中， 所有探頭的中心角度均可調節， 探頭角度是經過機械預設的， 用于檢測縱向缺陷， 從而提供最佳的入射角度。 通過使用相控陣技術進行電子聚焦、 聲束控制和成形， 可以提供圓周方向上的檢測靈敏度。 相控陣探頭配置的可視化界面如圖3 所示， 紅色表示一個聲束（虛擬探針） 的激活陣元組， 根據圖3 可以對信號在管材中的折射進行分析 （綠色顯示聲程路徑）。 相控陣聲束的重疊數量大大高于使用常規超聲單晶探頭的發射數量。

如果使用完整環形相控陣探頭， 則檢測設備需要更多的陣元數量。 當分別沿順時針和逆時針方向進行掃查時， 應保持陣元間距為0.5 ～1 mm。 直徑為120 mm 的管材通常需要1 024 個檢測通道， 由此導致探頭和電子設備的成本大大提高。 因此， 應采用最新的相控陣超聲波檢測系統ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 進行線性管材的相控陣檢測， 此外， 該掃查方法還可用于管材100%的壁厚監控。

3 相控陣探頭開發

超聲波相控陣檢測系統ECHOGRAPHHRPR-PAUT 使用浸入式水箱， 采用傳統常規超聲波系統ECHOGRAPH-HRPR 的成熟理念， 管材檢測機械系統如圖2 所示。 第一個檢測箱包含用于順時針 （CW） 方向的探頭盒， 第二個檢測箱包含用于逆時針 （CCW） 方向的探頭盒， 還可以將用于測量壁厚及測定夾層的直探頭添加到其中一個探頭盒中。

家長進行家長助教時要做好充分的物質準備，教師應該指導家長準備好充足的物質材料，并且明確各個材料投放的具體環節，對教材的應用做到心中有數。如，對于幼兒的操作材料，教師應該先告知家長班級人數，請家長按照多于班級人數的份額準備材料，并按小組分門別類地放好，以方便操作。讓家長做好充足的物質準備，便于活動開展。

4 數據管理軟件ECHOVIEW

ECHOVIEW 軟件提供了相控陣系統的參數設置功能以及客戶需要的數據管理功能， 同時還可以鏈接到客戶工廠的上位機或本地自動化系統。

4.1 ECHOGRAPH-PAUT 參數設置

管材表面兩個相同的刻槽 （深度為0.2 mm）掃查結果

的回波動態圖如圖4 所示， 圖中分別顯示了一個相控陣探頭和一個虛擬探頭的掃查結果， 其信噪比SNR 較好， 圖4 中沿圓周方向的動態波形為單個虛擬探頭的覆蓋范圍， 可見單個虛擬探頭的覆蓋范圍良好。

將所有單個探頭配置合并到檢測設置中， 其中主要考慮所有虛擬探針的發射順序、 傳輸模式下的并行掃查及最佳脈沖重復頻率。 如具有2×16 個相控陣探頭的多窗口同步顯示圖 （16 個相控陣探頭， 分順時針方向和逆時針方向）， 32 個相控陣探頭的A 掃圖如圖7 所示。

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4.2 相控陣探頭的陣元配平

常規超聲波檢測系統使用16 個單晶探頭，每個圓周方向組合了16 個重疊的聲場， 這些聲場的間隙應盡可能小， 從而保證能進行可重疊缺陷檢測。 實際上， 隨著管材直徑和壁厚的變化， 波高波動差大約為3～6 dB， 動態波形如圖5 所示。 與其他管材檢測系統一樣， 對于內部缺陷和外部缺陷， 調整常規超聲探頭的入射角較難， 特別是對于厚壁管， 要找到最佳的入射角就更加困難

。

4.3 虛擬探頭配平

虛擬探頭自動化配平功能是通過靜態模式中的人工刻槽調整每個虛擬探頭和每個相控陣探頭的靈敏度。 ECHOVIEW 軟件會自動配平， 并減小與預設目標值的靈敏度差， 并相應地調整配平所需的增益值， 對于既定的管材尺寸， 配平后的設置最終會存儲在數據庫

。 根據管材超聲波相控陣檢測程序， 定期使用標準樣品在動態模式下以額定檢測速度（1～2 m/s）檢查探傷靈敏度。 如果未正確檢測到任何一個人工缺陷， 則必須再次檢查和調整、 修改虛擬探頭靈敏度。

4.4 批量檢測參數設置

對于新的樣管批量檢測， 必須加載批量檢測數據和指定的檢測參數。 在ECHOVIEW 的設置菜單中有專門的設置窗口， 可以從窗口的下拉列表中選擇并加載對應的檢測配置， 也可以重新設置參數。 除了可以手動輸入批次信息外， 還可以從客戶的生產管理系統或上位機自動接收數據。

4.5 測試結果

使用ECHOVIEW 數據管理軟件模塊可以實時顯示檢測結果， 檢測結果如圖8 所示， 其中黑色、綠色/紅色為缺陷線性圖， 藍色/紅色為耦合監控，軟件窗口布局可以自定義。 檢測結果以線性圖形顯示， 圖中顯示了被測管材的長度、 管材上缺陷的位置和波幅等信息。 多個不同的線性圖匯總了所有探頭的檢測結果， 同時還顯示耦合監控功能。顯示界面還可以為沿周向分布的探頭提供各自獨立的線性圖， 也可以區分顯示內部缺陷和外部缺陷的線性圖。 典型的線性檢測結果圖包括： ①縱向內部缺陷的順時針方向線性圖； ②縱向內部缺陷的逆時針方向線性圖； ③管體內壁縱向缺陷檢測圖； ④縱向外部缺陷的順時針方向的線性圖； ⑤縱向外部缺陷的逆時針方向的線性圖； ⑥管體外壁縱向缺陷檢測圖； ⑦順時針探頭耦合監控線性圖；⑧逆時針探頭耦合監控線性圖

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4.6 工件檢測數據包及檢測報告

每個檢測結果都存儲在數據庫文件中， 生成工件數據包， 同時也可離線生成檢測報告。 一個典型的零件檢測報告應顯示兩個缺陷線性圖和兩個耦合監控線性圖， 如圖9 所示。

5 結 論

（1） 通過對常規超聲波檢測系統進行升級，可以顯著提高各探頭或探頭陣元檢測靈敏度的均勻性， 提高相控陣檢測結果的可視化程度， 探頭調整由機械調整更新為電子調整， 調整方式簡化， 縮短了調整時間。

（2） 由于檢測設備機械運動原理保持不變，因此該系統最重要的優點得以保留。 與帶有旋轉探頭的檢測設備相比， 該設備沒有機械旋轉， 機械磨損較小。 采取全新的方法來對管材進行線性超聲波掃查， 從而實現對管材全截面的縱向缺陷檢測。 相控陣探頭的陣元總數以及所需通道數量也保持相對較小的數值， 且相控陣探頭可以與其他探頭組合使用。

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