相控阵超声检测仪器和系统特性评价

相控阵超声检测仪器和系统特性评价

作者总结了se-2491相控制矩阵超声成像和系统性能评价的一般要求。本文详述具体要求。ASME列出的相控阵超声检测系统特性粗分7类,细分10项,即:声束宽度,变角范围,阵元激活,聚焦能力,参数微控,数据显示,楔块衰减,延迟修正,垂直线性,水平线性。测试评价的要点是:每一特性参数的测试意义,测试配置条件和方法程序,及结果评价。1相控矩阵噪声轮廓的测定1.1声束宽度的测定相控阵声束轮廓(宽度)影响检测分辨力,它相关于焦深和折射角。通常要测定相控阵两个方向的声束宽度:一个是主动窗(平行于阵列探头长度)方向的,另一个是被动窗(平行于阵列探头宽度)方向的。要测定声束宽度的相控阵探头可为直接接触式探头或水浸探头。但要注意,测定接触式探头时,务必采取适当措施,确保接触耦合良好,否则会引起测试误差,评价失当。1.2配置和测试要点1.2.1声束宽度测试对声束固定的单一聚焦法则(即不采用电子扫描或扇形扫描方式),且探头用水浸法时,可使用球体作测试标靶(target),或用水听器(hydrophone,参阅ASTME1065)测试声束宽度。对声束为动态性的相控阵探头,因其使用多个聚焦法则进行扇形扫描或电子扫描,无需机械移动或稍作探头移动,即可完成声束宽度的测试。作机械移动测试时,应有定位编码器,使信号时间和波幅能与探头移动距离相关联。编码器的准确度应通过校验,控制在声束测试合适的误差范围内。用接触式探头测评电子扫描和扇形扫描的声束宽度时,应作适当说明。但要求用水浸法测试时,可用适当杆体或球体代替机械加工的测试标靶。1.2.2声束长度评价线阵列探头声束发射方向具有主动面和非主动(被动)面。主动面平行于阵列探头轴线;被动面平行于阵列探头宽度或阵元长度。评价主动面中的声束,探头应使用电子扫描程序,并有足够阵元数,以用电子方法使声束扫查到要测试的所有标靶。对使用大部分可用阵元来形成声束的相控阵探头,作电子光栅的剩余阵元数可能偏少,以致有些标靶不能被声束扫查到。在这种情况下,就需要通过有编码的机械移动,分别对声束沿主动面移动时所预置的各聚焦法则一一测评。1.2.3相控阵接头线扫查特征应在无缺陷的试样(试块)材料中,在不同深度位置,设置一系列横孔,并预先对其聚焦法则编程。利用相控阵系统的线扫查特征,使声束扫过不同深度的测试标靶(即横孔)。图1即表示相控阵探头作电子线扫描时,纵波波束对试样中一系列深度和横轴坐标各异的横孔标靶快速依次扫查的状态。对安置在斜楔上的相控阵探头,作电子扫描时的超声横波数据显示,也可用类似的时间(深度位置)-水平位移直角坐标显示图像,或者用声束角度已作校准的显示图像,见图3。1.2.5机械夹具扫查法沿位移轴(纵向)的分辨力,相关于电子扫描的步距大小;若用编码机械夹具进行扫查,则该分辨力取决于编码器取样用的步距尺寸。沿声束轴线的分辨力,相关于相邻横孔之间的声程间距。对高聚焦声束,到达相邻横孔之间的声程差最好小些(如1mm～2mm)。1.2.6被动面声束尺寸测试对被动面内的声束轮廓(宽度),也能进行测试。线阵列探头中的被动面与主动面相互垂直,被动面是指声束不会因相位效应而变角转向的一面。对被动面内的声束轮廓,要求通过机械扫查进行测试。将主动面中的电子扫描与被动面中的编码机械移动两者组合,采集信号波形,由此提供可作投影修正的数据,进而测得在被动面内的声束尺寸。图4即表示在被动面内的声束评价方法。此法利用了阶梯试块上一系列平底孔的端角反射。图5表示用平板试块中的斜通孔取代图4所示阶梯间距,来测试声束在被动面内宽度尺寸的方法。斜通孔轴线垂直于声束轴线,探头各阵元到达横孔标靶的声程呈连续变化。根据指示波幅降落值的色标或灰度,或根据幅度相对于位移的计算机显示,即可通过C扫描投影显示,测出声束尺寸。C扫描投影显示的示意图见图6。2相控制矩阵噪声变形角的测定2.1声束可变角能力(1)这里说明测定相控阵探头声束转向能力的变角范围,所述方法只涉及在主动面内的声束变角情况。探头可用水浸法,也可用接触法测试。但要注意,用接触法测试时,若不采取适当措施,确保耦合条件稳定,遇到的变量有可能使测试值超差。(2)相控阵探头声束扫查有效角度范围的推荐值,相关于探头阵列中各阵元的声束扩散角。当采用脉冲回波法时,可考虑单个阵元用6dB回波包络法确定的变角范围。因此,可根据标称频率和制造方提供的阵元尺寸,计算出相控阵探头声束可变角范围的理论值。但有几个参数会影响理论计算。这些参数主要相关于探头的标称频率。有些参数则影响实际频率,如脉冲长度、阻尼、延迟线或折射楔的使用、以及制造过程中厚度搭接层和匹配层的变化等。(3)对本标准规定的程序,声束可变角能力的评价是基于改变角度位移时的信噪比的比较。声束可变角能力也受声束投影要求的影响。要求声束聚焦的应用,可不要求达到非聚焦声束一样的可变角范围。(4)可变角能力随声程距离、阵列窗口(aperture)及材质而异。2.2声束公司内标出条件调整(1)按检测条件,设置探头聚焦法则。检测条件包括水浸或接触式、折射楔或延迟线、非聚焦或聚焦式(界定的焦距),以及被检材料等。(2)视应用的距离或距离范围,在材料与被检试件相同的试块中,加工一系列深度位置不同而声程距离相同的横孔,如图7所示。图中以放置探头的位置为中心,以半径分别为25mm和50mm的圆弧线上,钻有一系列相邻间隔为5°的横孔(孔径分别为φ1mm和φ2mm)。(3)对不同的应用,也可作类似的评价。当需设置一组聚焦法则以给出在某一平面内而非某一声程距离处的分辨力时,就可用相关平面来评定声束的变角范围。用于评定的试块可在相关平面内设置横孔。如图8所示,在离标称入射点特定距离的垂直面和水平面上,加工了一系列横孔,相邻声线间隔均为5°另外,也可根据需要,将横孔设置在对探测面有一定倾角的其他平面上。(4)应将探头置于试块上,使声束入射点对准试块中心线,来进行声束特性评定。若使用无延时线(即无折射楔)的探头,即采用排在一个平面内的所有晶片阵列,应使晶片阵列的中点对准此中心线。对只用部分阵元的聚焦法则来说,应使阵元窗口的中点对准此中心线。当使用延时线、折射楔或水浸法时,要求通过校准来修正表观入射点在试块探测面上的移动。若探头用直接接触法在图8所示评定试块上测试,则中心线两侧的不对称性,可防止正负扫查角度被同时评定。要用这种试块评定两个方向的扫查范围,应先将探头朝一个方向测试,然后转过180°,再朝反方向进行测试。(5)A扫描取样过程中的角度步进量,对认知的扫查范围有影响。S扫描取样过程中,建议可变角测评用的角度步进限值最大为1°。在图7和图8中,大多数标靶(横孔)相邻间隔为5°,但根据所需分辨力,也可采用或大或小的间隔。(6)可变角限值的评定应使用相邻两横孔之间最大与最小信号波幅的dB差来进行。例如,当相控阵探头置于图7所示试块上扫查+45°横孔时,波幅差为6dB的高端横孔对,应视为探头设置的最大可变角能力。(7)认可的变角范围,可用相邻孔之间达到预定波幅差的最大与最小角度表示。根据应用,可规定用6dB或20dB作为所需分隔的波幅差。(8)可变角能力可看作相控阵调控超声声束的先决条件。例如,相控阵系统要求达到的最小变角能力是:对φ2mm横孔具有5°分辨力,对标称的中间角度有加减20°的范围。反之,系统可能要求限于S扫描不超过达到规定信号间隔的评定角度,如相隔5°的φmm横孔之间波幅差20dB。(9)另外,也可用给定深度或声程距离的单个横孔进行测试评定。可变角能力的评定,要根据最大和最小角度时的A扫描显示,观察回波幅度最高时的信噪比。可变角范围要达到预定的信噪比。用此法时必须注意,不要在栅瓣信号上达到峰值。此法也要求确认横孔位于算出的折射角上。3相控制矩阵的有效性的测定3.1脉冲发生器和阅读器此特性评价用于确定相控阵探头的所有阵元是否有效(可激活),各阵元发射声能是否一致。这是因为在正常的时控操作过程中,每一阵元均需有单独的脉冲发生器和接收器编址,所用方法必须确保相控阵仪器的电子性能对各阵元保持一致,任何差别只可归属于探头本身。为确保阵元特性的变化只能归属于探头结构,每一阵元只能选定一个脉冲发生器—接收器连接通道。3.2相控阵检测的一般程序(1)将要测试的相控阵探头连接到相控阵超声仪器上,使延迟线或折射楔在探头上移动。(2)将探头置于IIW试块25mm厚度的探测面上,探头与试块接触面之间有均匀的耦合层。为此可采用间隙接触法,探头—试块充水耦合,也可采用水程固定的水浸法(用水—钢界面信号监视耦合状态)。(3)设置一个阵元的电子扫描,即对阵列中的所有阵元来说,只在某一时刻沿一个阵元扫描(这就是保证每一聚焦律只用一个脉冲发生器—接收器;若通道可选,则每个阵元用的通道应相同)。调节脉冲发生器参数,令探头阵列在正常频率下获得最佳响应,对探头中的每一阵元来说,就是要将试块底面的一个脉冲回波,或水程回波调到80%满屏高。(4)对阵列中的每一阵元,观察其A扫描显示,并记录每一阵元要求达到的80%信号幅度的接收器增益。将结果记录在表1所示表格中。(5)注意并记录未得底波或水程信号的阵元(即无效阵元)。将结果也记录在表1中。(6)若可用事先打包的编程来核查阵元的有效与否,这也可作为变通方法。(7)采集到的数据可用于评价探头的一致性和功能性。可用保存到文档中的同样的仪器调整值(包括增益),与以往的评价进行比较。提供80%满屏高的接收器增益值,与以往评价的数值误差应在±2dB范围内,而相互之间的误差也应保持在±2dB以内。(8)探头中无效阵元和相邻无效阵元的总数应由合同双方商定并在书面规程中注明。对基准值和在用检测来说,此数值可以不同。有些相控阵探头可能有数百个阵元;还有些新型相控阵探头,为保证与阵元的电连接达到零点几毫米的数量级,因制造困难,以致存在无效阵元。(9)允许的无效阵元数应根据其他能力特性要求而定,如要使用的聚焦法则的聚焦范围和可变角范围。无效阵元数无一简单规则可适用于各种相控阵探头。通常,一个探头中若有25%以上的无效阵元,灵敏度和可变角能力是可以兼顾的。同理,允许的无效相邻阵元数,应根据应用所需可变角和电子光栅分辨力决定。(10)为进行比照评价,耦合的稳定性很重要。用接触法时,若阵元评价产生的信号超出±2dB范围,则需核查耦合,重新测试。若再测后还是超标,则该探头应停用,经修正后再用。采用水程固定的水浸法,可减少耦合变异。(11)如有可能,探头停用前,测试用的电缆最好另换一根电缆,以验证确认无效阵元不是由坏电缆引起的。(12)电缆连接适配器应能允许多股连接器可单独检测使用。这种适配器可直接连到相控阵仪器上,以验证所有输出通道均有效;也可连到电缆的探头端,以确认互联电缆中各同轴连接器的连通性。图9即为用于识别相控阵仪器或电缆中无效通道的显示示例(根据箭头指示生成图像来检查相控阵脉冲发生器—接收器控制板的工作是否正常,有白色条纹者表示有无效阵元存在)。4相控制矩阵聚焦能力的评估4.1声束稳定性分析超声波束的聚焦是基于众所周知的原理。但与普通单晶探头不同的是,相控阵系统可设置成在一系列声程范围内聚焦,而且发射和接收两种方式均可聚焦。聚焦算法的有效性可通过声束特性尺寸的测定来评价。这类似于本文第1节所述相控阵声束轮廓的测定。聚焦的限度是探头参数所固有的,它受制于相控阵超声仪器的最低延时能力。4.2用法评价聚焦能力(1)按要评价的聚焦法则配置相控阵系统,将相控阵探头置于图1所示横孔试块上。对设有延迟线或不设延迟线的纵波探头,以及对装有折射楔块的横波探头,均可用此法评价。(2)用此法可评价单一折射角的聚焦能力。用多个折射角时,就要对各个折射角分别评价聚