超声相控阵检测教材第八章现场实际应用.docVIP

第八章现场实际应用 现场实际应用的实质就是超声检测工艺的执行及验证。超声检测工艺就是检测前对检测条件的选择，这必然要涉及到检测设备、探头及试块等。相控阵设备也是如此。超声相控阵设备分为便携式超声相控阵设备和全自动超声相控阵设备两种。因此，相控阵的检测工艺也是按这两种类型的设备进行介绍。 8.1便携式超声相控阵检测 8.1.1相控阵设备的选择 在进行相控阵检测时，首先检测选取的相控阵设备应满足以下要求： ◆水平线性误差小 ◆垂直线性好，衰减器精度高。 ◆对于检测大型工件，选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的设备。 ◆选择盲区小、分辨力好的设备。 ◆选择重量轻、抗干扰能力强、性能稳定、检测结果重复性好的设备。 相控阵设备除了满足常规超声设备的要求外，重点从以下几方面选择： ◆穿透能力：穿透能力取决于脉冲电压。脉冲电压高穿透能力强，脉冲电压低穿透能力弱。根据被检工件的厚度选择穿透能力。工件薄的，选择脉冲电压低的设备；工件厚的，选择脉冲电压高的。目前，市场上普遍流行的相控阵设备脉冲电压有80V（单向）、150V（单向）等。 ◆分辨力：相控阵设备属于成像设备，因此，要求成像质量必须好，分辨力必须高。分辨力低，成像质量差，成像质量差，进而影响缺陷定量。因为成像质量差，能将两个相邻且独立的缺陷连在一起，进而使缺陷放大。 ◆图像显示： 相控阵设备是成像设备，对成像显示方式主要有两种类型： 1）按声程显示成像 2）按真实几何结构成像。 按真实几何结构成像显示优点：图像显示直观、易懂，数据分析容易，很容易让人接受。见图8-1所示。 （a）按声程显示成像 （b）按真实几何结构成像 图8-1 成像显示方式 ◆抗干扰能力 便携式设备适用范围广，环境复杂。因此要选择抗干扰能力强、性能稳定及检测结果重复性好的相控阵设备。 8.1.2探头的选择 1、基本术语 1）相控阵探头晶片 相控阵探头的晶片由压电复合材料制作。压电复合材料的探头信噪比比一般压电陶瓷探头高10dB～30dB。是将一块整体压电复合材料的晶片切割成无数微小的晶片（如图8-2所示），每个晶片能单独激发。 图8-2 一维线性相控阵探头参数术语 A—主动孔径 W—晶片宽度（也叫被动孔径） e—阵元晶片长度 g—阵元晶片之间距离 P—e+g t—晶片厚度（高度） 2）声束 相控阵声束的三个重要的术语： ◆主瓣(M) ◆旁瓣(S) ◆柵瓣(G) 图8-3 典型的线性相控阵声束指向性图（8晶片线性相控阵探头，偏转角为30°） 2、探头参数 相控阵探头参数的选择主要从以下几方面考虑： ◆频率 ◆阵元间距 ◆阵元宽度 ◆阵元数量 ◆偏转角 1）频率 频率的影响： （1）频率高，灵敏度高。 由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为λ/2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。 （2）频率高，主瓣宽度小。 频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。 （3）频率高，聚焦效果好。 频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。 （4）频率高，近场长度大。 （5）频率高，衰减大。 2）阵元间距 阵元间距影响： （1）影响主瓣和栅瓣 阵元间距越大，主瓣宽度越窄，但是间距变大，会出现栅瓣（如图8-4所示），所以有一个极限值（0.1mm），小于这个值则不会出现栅瓣。 （2）对旁瓣影响不大 旁瓣随着阵元间距的增大而变化不大，这说明阵元间距对旁瓣影响不大。 图8-4 不同阵元间距的声束指向性 3）阵元宽度 阵元宽度影响： （1）阵元宽度大，声压值高，检测灵敏度高。 （2）阵元宽度对栅瓣位置没有影响，且对主瓣宽度和旁瓣影响不大。 旁瓣有所降低，但最大旁瓣高度基本不变。随着阵元宽度变大，主瓣高度降低，又因为最大旁瓣高度不变，相当于旁瓣级升高。所以，在满足其它要求不变的情况下，应尽量选择宽度小的阵元。 也就是说，阵元宽度变大，旁瓣级也升高，但是最大旁瓣高度基本不变。 4）阵元数量 （1）阵元数对旁瓣的影响 阵元晶片数增多，旁瓣级减小，如图8-5所示。 图8-5 阵元数与旁瓣的关系 由图8-5可知，当N从0增大时，旁瓣急剧减小；当N＞16并继续增大时，旁瓣趋于-13.5dB的极限值。可见，N对旁瓣的抑制作用非常明显，当设计相控阵探头对旁瓣有严格要求时，应首先考虑增加阵元数N。 （2）阵元数对主瓣的影响 阵元数的增加不但可以减小主瓣宽度，还可以降低旁瓣。如图8-6和图8-7所示。 图8-6 不同阵元数的指向性图8-7 阵元数与主瓣宽度的关系 由图可得，当N＞32时，阵元数的增加对主瓣宽度和旁瓣都影响不大。所以阵元数取32以上即可。 （3）阵元数增多，主动孔径（A）变大，也就是晶片尺寸变大，超声波能量大（也就是声压值高），检测灵敏度高。 （4）阵元数增多，聚焦效果好，见图8-8所示。 图8