國內(nèi)外超聲相控陣探頭測試與評價標準的比較與分析

潘強華，孔祥夷2，侯金剛，朱雨虹，嚴志海

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；2 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，鄭州 450000)

超聲相控陣探頭是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列。激發(fā)時，其按照預先設定的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，來有效地控制發(fā)射超聲束(波陣面)的形狀和方對面，從而實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。在確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向方面，能提供出比單個或多個探頭系統(tǒng)更大的能力。因此相控陣探頭的性能對整個相控陣超聲檢測系統(tǒng)至關重要。

筆者主要針對國內(nèi)外超聲相控陣探頭性能測試與評價的標準/規(guī)范，從超聲相控陣探頭的適用范圍、測試條件、測試項目、測試方法和驗收要求等幾個方面進行了比較分析，并對標準中的一些規(guī)定進行了分析。通過分析，幫助使用者了解有關超聲相控陣探頭性能方面的測試方法及差異，并可以有效地選擇超聲相控陣探頭。

1 相關標準

國際上具有一定影響力的標準體系主要有： ASTM(美國材料與試驗協(xié)會)標準、ISO(國際標準化組織)國際標準和EN(歐洲標準)等。關于超聲相控陣探頭的性能測試標準，ISO國際標準與EN標準相差不大。國內(nèi)大部分標準是參照這些國際標準制定的，關于超聲相控陣探頭性能的相關標準如下所述。

(1) EN 16392-2-2014Non-destructiveTestingCharacterisationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipmentPart2Probes。

(2) ASTM E2904-2017StandardPracticeforCharacterizationandVerificationofPhasedArrayProbes。

(3) ASTM E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems。

(4) JB/T 11731-2013 無損檢測 超聲相控陣探頭通用技術條件。

(5) GB/T 29302-2012 相控陣超聲檢測系統(tǒng)的性能與檢驗(修改采用ASTM E2491)。

2 標準的適用范圍、測試條件、測試項目、測試方法和驗收要求的比較

2.1 標準的適用范圍

第一部分介紹了國內(nèi)外超聲相控陣探頭的相關標準，其中EN 16392-2-2014、ASTM E2904-2017和JB/T 11731-2013標準為探頭的性能標準。ASTM E2491-2013和GB/T 29302-2012標準為相控陣儀器和探頭組合性能要求的標準。文章主要介紹EN 16392-2-2014、ASTM E2904-2017和JB/T 11731-2013標準，該3項標準中規(guī)定適用的范圍見表1。

表1 各項標準的適用范圍

2.2 測試條件

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014以及JB/T 11731-2013標準都嚴格規(guī)定了所采用的電子設備及測試試塊，其中電子設備包括：數(shù)字式示波器、信號發(fā)生器、高壓脈沖發(fā)生器、阻抗分析儀、頻譜分析儀和接收器等。各標準所采用的電子設備相差不大。各項標準中都嚴格規(guī)定了測試條件，但測試步驟不夠詳細。各標準對測試儀器的具體要求見表2。

表2 各標準對測試儀器的具體要求

2.3 測試項目

相控陣探頭性能指標要求大致分為兩部分。第一部分：探頭基本物理性能，主要包括探頭型號、探頭尺寸、探頭電纜線長度、探頭陣元數(shù)量等基本物理信息。第二部分：探頭特性性能參數(shù)，主要包括探頭的電阻抗或靜電容、脈沖波形、脈沖持續(xù)時間、探頭靈敏度、串擾、陣元焦距和聚焦長度，陣元一致性等相關性能參數(shù)。

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標準對于探頭的基本物理性能，測試項目要求基本相同。其中EN 16392-2-2014和ASTM E2904-2017標準對探頭線直徑和材料有相應要求，而JB/T 11731-2013標準對探頭線直徑和材料沒有要求。

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標準對探頭特性性能參數(shù)的測試項目基本相同。標準JB/T 11731-2013除了含有ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014測試項目要求外，還包括以下測試項目：焦距、防滲漏性、環(huán)境適應性、性能一致性以及楔塊波束角等。各標準對測試項目的要求見表3。

表3 各標準對測試項目的具體要求

2.4 測試方法的比較

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標準中涉及的測試項目主要為兩類。第一類為基本物理性能，該部分的測試項目為基本的規(guī)格尺寸，其測試方法未進行敘述。第二類為探頭特性，關于探頭特性各測試項目的測試方法，筆者經(jīng)過對比分析，將其分為兩部分:第一部分為探頭特性——共性參數(shù)(指ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標準中相同的測試項目)，主要包括脈沖波形、脈沖持續(xù)時間、中心頻率和相對帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性和串擾；第二部分為探頭特性——非共性參數(shù)(指JB/T 11731-2013標準中不同于其他兩項標準的測試項目)，主要包括背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、性能一致性、防滲漏性和楔塊波束角。

2.4.1 探頭特性——共性參數(shù)

探頭特性——共性參數(shù)主要包括脈沖波形、脈沖持續(xù)時間、中心頻率和相對帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性和串擾。下面簡要介紹各項性能參數(shù)的測試方法。

(1) 脈沖持續(xù)時間、中心頻率和相對帶寬

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標準僅給定了簡要的測試條件和測試方法，并沒有詳細的測試步驟說明。而JB/T 11731-2013標準中較詳細地介紹了測試條件及測試方法。主要測試方法如下：采用外部的高壓信號發(fā)生器(指函數(shù)發(fā)生器)，將探頭置于參考試塊上，另一端連接高壓信號發(fā)生器。使用數(shù)字示波器觀察探頭回波信號(將數(shù)字示波器與高壓信號發(fā)生器同步)，高壓信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵電壓，并接收探頭的回波信號。數(shù)字示波器讀取高壓信號發(fā)生器的回波信號，然后采用數(shù)字示波器進行分析或連接計算機進行頻譜分析，儀器連接示意見圖1(a),各測試裝置示意如圖1(b)(e)所示。

圖1 超聲脈沖反射法檢測的測試裝置示意

針對不同探頭類型，選用合適的測試方法。測試時，應記錄高壓信號發(fā)生器的設置參數(shù)，測量發(fā)射脈沖的峰-峰振幅。所有的陣元都測試，脈沖持續(xù)時間示意見圖2(h為峰-峰振幅;L為脈沖持續(xù)時間)。

圖2 脈沖持續(xù)時間示意

采用頻譜分析儀或離散型傅里葉變換，以閘門監(jiān)控反射體回波并確定頻譜。來自探頭楔塊、殼體、阻尼塊等的虛假回波不要與來自參考試塊的回波一起分析。閘門內(nèi)應至少包括兩倍的脈沖持續(xù)時間,并使脈沖最大值居中。測量回波振幅下降6 dB的高低端頻率(高端頻率為fu，低端頻率為f1)，根據(jù)高低端頻率計算中心頻率fc和相對帶寬Δfrel。

fc=(fu+f1)/2

(1)

(2)

(2) 探頭靈敏度和陣元靈敏度一致性

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標準分別給出了探頭靈敏度和陣元靈敏度一致性的測試條件和測試方法，且測試方法相差不大。而JB/T 11731-2013標準僅介紹脈沖回波靈敏度的測試條件及測試方法。

① EN 16392-2-2014標準對于陣元靈敏度一致性和探頭靈敏度測試方法如下所述。

采用如圖1所示的測試設備及方法，陣元靈敏度一致性Sel按式(3)計算。

(3)

式中：Uel為來自規(guī)定反射體回波放大前的峰-峰電壓(單個陣元)；Uav為所測所有陣元Uel的平均值。

(4)

式中：Uav為所測所有陣元Uel的平均值；Uref為施加到單個陣元上的峰-峰電壓。

② JB/T 11731-2013標準對于脈沖回波靈敏度測試方法如下所述。

脈沖靈敏度Srel按式(5)計算。

(5)

式中：Uc為來自規(guī)定反射體回波放大前的峰-峰值電壓，最好是平面反射體；Ua為施加到探頭上的峰-峰值電壓。

圖3 串擾測試示意

(3) 串擾

按照如圖3所示裝置進行測試，高壓信號發(fā)生器輸出頻率設置為探頭的中心頻率，采用連續(xù)正弦波工作模式，高壓信號發(fā)生器輸出端接探頭的某一陣元，用示波器測量此陣元帶載荷條件下的激勵信號幅度，此值標為A1，再用示波器另一通道測量與之相鄰的陣元所接收到的信號幅度，此值標為A2，串擾值為20lg(A2/A1)。

檢查頭尾2對陣元，中間均勻間隔取2對陣元。

2.4.2 探頭特性——非共性參數(shù)

探頭特性——非共性參數(shù)主要包括：背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、性能一致性、防滲漏性能和楔塊波束角。JB/T 11731-2013標準對該5項性能指標做了詳細敘述，下面簡要介紹各項性能參數(shù)的測試方法。

(1) 背襯回波量

測量背襯材料聲速與厚度后，利用靈敏度余量超過100 dB的相控陣超聲檢測儀或A型脈沖反射式超聲檢測儀，將換能器調(diào)至焦點處，調(diào)節(jié)增益，將第一次回波幅度調(diào)至屏幕滿屏高度的50%，記錄此時的增益B1，加大增益至背面反射回波幅度達屏幕高度的50%，記錄此時的增益值B2。背面回波量B按式(6)進行計算。

B=B1-B2

(6)

(2) 陣元焦距和聚焦長度

采用圖1所示的液浸回波模式測量。利用一個可視作點聲源的小反射體或小型水聲接收器(靶)，在水中通過探頭與靶之間的相對移動來記錄探頭掃描波束的參數(shù)。如果將靶作為反射體，則使用的是回波模式，探頭的發(fā)射與接收特性都可以得到驗證。如果靶是水聲接收器，使用的是發(fā)射模式，則只能驗證探頭的發(fā)射特性。

圖4 液浸法測試焦距原理示意

對于一個具體的探頭，所有波束參數(shù)的測量應使用相同的發(fā)射體或水聲接收器。超聲儀器或脈沖接收器的設置(包括激勵脈沖電壓、脈沖寬度、阻尼、帶寬和增益)應與探頭數(shù)據(jù)表的定義相同。

將換能器固定于液浸槽中，調(diào)整x、y軸，通過調(diào)整角度把換能器調(diào)至回波靈敏度最大的位置，再調(diào)整z軸，把換能器移動至回波的最大值位置。液浸法測試焦距原理示意如圖4所示，記錄回波與始波時間間隔t，焦距按式(7)進行計算。

FD=vt/2

(7)

式中：v為超聲波在水中的傳播速度。

通過增加和減少探頭與反射體之間的距離找到聚焦區(qū)兩端的極限。如果使用的是反射體，應找到回波峰-峰值減少6 dB的兩個位置；如果使用的是水聲接收器，則減少3 dB，液浸探頭聲場的周向輪廓與橫向輪廓如圖5，6所示。其中，zL1和zL2是這些點在z軸上的坐標。聚焦區(qū)的長度FL按式(8)進行計算。

FL=|zL2-zL1|

(8)

圖5 液浸探頭聲場的周向輪廓

圖6 液浸探頭聲場的橫向輪廓

(3) 性能一致性

根據(jù)陣元靈敏度、中心頻率和相對帶寬的測試值，靈敏度一致性的計算方法為

(9)

式中：S為標準差；n為陣元數(shù)；為算術平均數(shù)；xi為1至n陣元性能測試值。

(10)

式中：C×V為變異系數(shù)。

(4) 防滲漏性能

對于非液浸探頭，把探頭浸于深1 m的水下，12 h后取出探頭，將探頭表面擦拭干凈。再把探頭放入真空缸中，抽真空至-1 kPa以下，持續(xù)5 min，用5～20倍放大鏡檢查探頭表面是否滲漏。

對于液浸探頭，把探頭浸于深1 m的水下，48 h后取出探頭，把探頭表面擦拭干凈，再把探頭放入真空缸內(nèi)，抽真空至-1 kPa以下，持續(xù)5 min，用5～20倍放大鏡檢查探頭表面是否有滲漏。

(5) 楔塊波束角

楔塊波束角測量原理示意如圖7所示，利用1號標準試塊測量，首先前后平移探頭，找到R100圓弧反射回波的最大位置，此位置即為探頭入射點位置；再平行移動探頭，找出圓孔回波最大位置，對應角度刻度即楔塊的波束角。

2.5 驗收要求的比較

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標準探頭特性參數(shù)基本相同，主要包括：脈沖持續(xù)時間、中心頻率和相對帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性和串擾。其中EN16392-2-2014標準對該5項指標都具有明確的驗收要求，ASTM E2904-2013標準中該5項指標大部分都是根據(jù)用戶協(xié)商確定的。

JB/T 11731-2013標準除了對以上5項指標有明確要求外，還對探頭的電阻抗或靜電容、背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、防滲漏性能、性能一致性以及楔塊波束角等都有驗收要求。各標準探頭特性性能指標驗收要求見表4。

圖7 楔塊波束角測量原理示意

表4 各標準探頭特性性能指標驗收要求

3 結(jié)語

(1) 在標準適用范圍方面：ASTM E2904-2017標準和 EN 16392-2-2014標準適用于中心頻率范圍在0.5 MHz～10 MHz的線陣超聲相控陣探頭，檢測過程中可采用楔塊、不采用楔塊或水浸方式。而標準JB/T 11731-2013適用于中心頻率范圍在0.5 MHz～10 MHz、陣元數(shù)為4～256的超聲相控陣探頭的型式檢驗和出廠檢驗。

(2) 在采用電子設備及試塊方面：ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標準都嚴格規(guī)定了所采用的電子設備及測試試塊，電子設備幾乎相同(主要包括：數(shù)字式示波器、信號發(fā)生器以及頻譜分析儀等)，而試塊不盡相同。

(3) 在測試項目和測試方法方面：大致分為兩類，第一類為探頭基本物理性能，以上3項標準測試項目及測試方法幾乎相同。第二類為探頭特性性能參數(shù)，筆者經(jīng)過對比分析，JB/T 11731-2013標準中具有不同于其他兩項標準的測試項目，主要包括：背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、性能一致性、防滲漏性和楔塊波束角等。

(4) 在標準驗收要求方面：EN16392-2-2014標準針對脈沖持續(xù)時間、中心頻率和相對帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性、串擾等都具有明確的驗收要求；ASTM E2904-2017標準對該6項指標驗收要求主要根據(jù)用戶協(xié)商確定；而JB/T 11731-2013標準除了對以上6項指標有明確要求外，還對探頭的電阻抗或靜電容、脈沖持續(xù)時間、背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、防滲漏性、性能一致性以及楔塊波束角等都有驗收要求。