相控陣檢測探頭晶片檢查的幾種方法

李鵬頻

(海洋石油工程股份有限公司，珠海 519000)

0 引 言

超聲相控陣檢測技術(shù)作為新興的檢測方法，已經(jīng)在海洋工程領(lǐng)域的各個項目中得到了廣泛應(yīng)用。相控陣檢測技術(shù)主要通過相控陣探頭內(nèi)的多個相互獨立的壓電晶片來實現(xiàn)超聲波聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。未被激活的晶片數(shù)量過多，會影響聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)能力、靈敏度和分辨率，影響檢測結(jié)果的準確性，因此相控陣探頭的晶片檢查是相控陣檢測的必要環(huán)節(jié)。

1 相控陣檢測探頭

相控陣探頭由多個獨立的小的壓電晶片按照一定形狀和尺寸排列，由這些小的壓電晶片組成組件(即探頭)，輻射的總能量形成超聲波聲束，每個晶片有單獨的發(fā)射和接收電路。使用相控陣設(shè)備可以按照一定規(guī)則和時間順序?qū)μ筋^中的一組或所有晶片分別進行激發(fā)，即在不同的時間內(nèi)相繼激發(fā)探頭中的多個晶片，每個激發(fā)的晶片振動產(chǎn)生的波陣面相互干涉形成了新的波陣面。干涉所產(chǎn)生的波陣面就形成了波束。波束的形狀、偏轉(zhuǎn)角度和聚焦可以通過調(diào)整激發(fā)晶片的數(shù)量和時間來控制。圖1為3種基本的相控陣波束控制方式。

相控陣檢測探頭作為換能器的晶片組合，有3種主要的陣列類型： 線形(線陣列)、面形(二維矩陣)和環(huán)形(圓形陣列)，其設(shè)計基于惠更斯原理。陣列是換能器晶片的組合,在確定不連續(xù)性的大小、形狀和方向上比單個或多個換能器系統(tǒng)具有更強的能力，如圖2所示。

與面形和環(huán)形陣列相比，線形陣列具有容易加工,發(fā)射接收延遲控制電路較簡單，容易實現(xiàn)等優(yōu)點，因此在實際應(yīng)用中使用較多。環(huán)形陣列由于不能進行聲束偏轉(zhuǎn)控制，大多應(yīng)用在醫(yī)學成像中。二維矩形陣列電路復雜和制作成本高，故主要應(yīng)用于醫(yī)用B超上,工業(yè)上很少使用。本文主要研究常用的線形陣列的相控陣探頭的晶片檢查方法。

圖1 相控陣探頭聲束控制

圖2 相控陣探頭陣元幾何排列示意圖

2 相控陣線形陣列探頭晶片基本參數(shù)

線形陣列的相控陣檢測探頭主要以多個小晶片組成矩形排列。其主要參數(shù)為主軸孔徑、負軸孔徑、晶片間隙、晶片寬度、晶片間距和晶片數(shù)量等，如圖3所示。

圖3 線形陣列晶片排列

主軸孔徑(A)： 主軸控制面上被激活晶片的大小。

負軸孔徑(W)： 垂直主軸控制面方向上晶片的尺寸，在線形陣列中它不具備控制波束的能力。

晶片間隙(g)： 兩個相鄰晶片之間的空隙。

晶片寬度(e)： 在一個矩形晶片中，晶片兩個邊中較短的尺寸。

晶片間距(p)： 陣列中兩個相鄰晶片中心之間的間距。

晶片數(shù)量(n)： 相控陣檢測探頭中晶片的數(shù)量。

3 相控陣檢測晶片檢查方法

相控陣檢測聲束控制主要是通過控制晶片來實現(xiàn)的，晶片的狀態(tài)直接影響到聲束的控制。相控陣檢測探頭中晶片的數(shù)量通常是以16、 32、 64和128等形式制作的。眾多晶片中是否存在壞死的晶片和晶片增益響應(yīng)是否能滿足相關(guān)要求，需要通過特定的工藝方法才能確定。正常晶片如圖4所示，壞晶片如圖5所示。本文主要介紹3種晶片檢查的方法。

圖4 正常晶片

圖5 壞晶片

3.1 直接接觸檢測法

直接接觸檢測法是在不連接楔塊的情況下直接與一定厚度的工件耦合，通過觀察底面反射回波的情況來判斷晶片狀態(tài)(見圖6)。直接接觸法檢測步驟如下：

(1) 將未連接楔塊的相控陣探頭均勻地與試塊(如ⅡW試塊25mm)耦合，以保證相控陣探頭與試塊中的間隙相一致。

(2) 設(shè)置相控陣檢測儀器，將掃查方式設(shè)置成電子掃查，激發(fā)探頭所有晶片且每次只激發(fā)一個晶片，激發(fā)角度為0°。

(3) 調(diào)節(jié)增益，使得其中的一個晶片的底面反射回波達到一定波幅高度(80% Fsh)。

(4) 調(diào)整設(shè)備的參數(shù)，依次移動指針以逐次激發(fā)不同的晶片，記錄每個晶片的反射波幅和增益值。

圖6 直接接觸檢測法

3.2 楔塊連接檢測法

3.2.1 0°楔塊連接檢測法

楔塊連接檢測法指將楔塊與探頭通過耦合劑連接后再與試塊耦合，再通過觀察回波反射情況來判斷晶片狀態(tài)。

0°楔塊連接檢測法與直接接觸檢測法的方法基本一致，只需將0°楔塊與相控陣探頭連接后再與試塊(如ⅡW試塊25 mm)均勻耦合，然后觀察記錄底面反射回波情況。

3.2.2 角度楔塊連接檢測法

(1) 將相控陣探頭與角度楔塊(如SA11-N55S-IHC)連接。

(2) 將連接好的楔塊放置在帶角度的斜面試塊上(見圖7)。

(3) 在設(shè)置中選擇5L32-A11探頭和SA11-N55S-IHC楔塊，將掃查方式設(shè)置成電子掃查，再設(shè)置激發(fā)探頭所有晶片且每次只激發(fā)一個晶片，激發(fā)角度為試塊斜面角度。

(4) 調(diào)節(jié)增益，使得其中的一個晶片的底面反射回波達到一定波幅高度(80%屏幕高度)。

(5) 調(diào)整設(shè)備的指針參數(shù)，依次移動指針以逐次激發(fā)不同的晶片，記錄每個晶片的反射波幅和增益值。

圖7 角度楔塊連接檢測法

3.3 水浸檢測法

水浸檢測法是將試塊浸泡在水中，將探頭浸入水中并與試塊保持固定的距離，通過水和試塊上表面產(chǎn)生的界面回波情況來判斷晶片情況，水浸檢測法可以使用未連接楔塊的探頭直接浸入水中檢查，也可以將探頭連接上0°楔塊浸入水中檢查。其聚焦法則的設(shè)置方法與直接接觸檢測法一致。

圖8 水浸檢測法

4 標準對于相控陣探頭晶片的相關(guān)要求

4.1 ASME標準要求

在ASTM SE2491(Standard guide for evaluating performance characteristics of phased-array ultrasonic testing instruments and systems)標準中A3.2.8指出探頭中未激活的晶片總數(shù)和相鄰未激活晶片數(shù),需要經(jīng)約定并在書面規(guī)程中明確。A3.2.9指出允許未激活晶片的數(shù)量應(yīng)根據(jù)其他性能而定(如聚焦法則中的焦距和偏轉(zhuǎn)限度)，對于無效晶片的允許數(shù)量沒有具體的規(guī)定,通常，如果一個探頭上有多于25%的晶片不能被激活，則探頭的靈敏度和波束控制能力就會受到影響。對于能激活的晶片，晶片與晶片的波幅增益相差不能超過±2dB。

4.2 ISO標準要求

ISO 18563 (Non-destructive testing -Characterization and verification of ultrasonic phased array equipment-Part 2)對相控陣探頭性能有專門要求：

4.2.1 晶片靈敏度要求

對于非矩陣陣列探頭，對所有具有相同大小和形狀的晶片，其相對靈敏度變化必須在±3 dB范圍內(nèi)。對于環(huán)陣列探頭，所有差值必須在±4 dB范圍內(nèi)。

對于2D-matrix陣列探頭，靈敏度變化要求如表1所示。

表1 可接受2D-matrix陣列探頭晶片靈敏度偏離值

4.2.2 晶片頻率的要求

所有晶片的平均中心頻率必須在標稱頻率的±10%范圍內(nèi)，每個晶片的中心頻率必須在標稱頻率的±10%范圍內(nèi)。

4.2.3 晶片靈敏度要求

靈敏度變化超過4.2.1節(jié)和4.2.2節(jié)中描述的范圍的晶片稱為失效晶片。

對于非矩陣相控陣探頭，不接受失效晶片。而對于2D-matrix陣列探頭，失效晶片的最大數(shù)不能超過如表2所規(guī)定的數(shù)值。

表2 最大允許的失效晶片數(shù)

5 晶片檢查方法對比分析

鑒于直接接觸檢測法、0°楔塊連接檢測法和水浸檢測法的測試方法基本一致，故本文采用直接接觸檢測法和角度楔塊連接檢測法進行對比。實驗采用Olympus MX2儀器、5L32-A11探頭、SA11-N55S楔塊。實驗效果如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10可以看出，直接接觸檢測法和角度楔塊連接檢測法都能發(fā)現(xiàn)探頭中有一個晶片未被激活。通過圖像對比可以看出，使用直接接觸檢測法測試比角度楔塊連接檢測法測試的扇掃顯示每個晶片波幅響更為均勻。

圖9 直接接觸檢測法實驗效果

圖10 角度楔塊連接檢測法實驗效果

直接接觸檢測法： 使用相控陣探頭直接與試塊面接觸進行晶片檢查，方便快捷，檢測數(shù)據(jù)相對較為準確。但是探頭直接與試塊面接觸，使用次數(shù)過多會對相控陣探頭的保護膜產(chǎn)生磨損，對探頭整體會有損傷。

0°楔塊連接檢測法： 能有效保護探頭，檢測數(shù)據(jù)相對較為準確，需要配備與探頭相匹配的平面楔塊。

角度楔塊連接檢測法： 可以使用日常使用的楔塊直接測試，省去了拆裝楔塊的步驟，但是探頭發(fā)射的聲束在角度楔塊中穿過的聲程不一致，能量衰減也不一樣，導致測試的數(shù)據(jù)精確度不高。但可以用于檢查探頭中晶片是否有壞死的情況。不建議用于評估晶片性能。

水浸檢測法： 能夠保證測試充分耦合，測試精度高，測試中需要保證探頭晶片與水平面垂直。

綜上所述，直接接觸檢測法和0°楔塊連接測試法較為簡單快捷，檢測數(shù)據(jù)較為準確，適合于現(xiàn)場施工。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

相控陣探頭的晶片檢查，可簡單實用地檢測出探頭晶片的情況。PAUT檢驗工程師在進行現(xiàn)場檢驗前或現(xiàn)場檢驗完成后，先通過角度楔塊連接檢測法對相控陣探頭進行初步評估，若發(fā)現(xiàn)相控陣探頭存在異常，再通過直接接觸法對探頭中的各個晶片進行精準重新評估，根據(jù)標準要求確認探頭能否繼續(xù)使用。該檢測流程已經(jīng)成功地在某場地的各PAUT檢驗的項目中應(yīng)用，有效地避免了長期使用直接接觸法檢查晶片造成的探頭損傷，同時減少了更換楔塊的時間，提高了檢查相控陣探頭的效率。

7 結(jié) 語

直接接觸檢測法是現(xiàn)場檢驗中最常規(guī)的晶片檢查方法，但其檢查方法受耦合劑均勻度和檢查人員壓探頭的力度影響，可能存在較小的誤差。0°楔塊檢測法與直接接觸檢測法相比需要使用0°楔塊，但有利于保護探頭，使相控陣探頭的損耗降低。水浸檢測法的優(yōu)點在于其耦合劑均勻，不受人員操作影響，但操作不方便?？筛鶕?jù)實際使用需求，綜合考慮選擇晶片檢查的方法。