全聚焦相控陣技術(shù)的場校準(zhǔn)

強(qiáng)天鵬，楊貴德，杜南開，陳建華，張國強(qiáng)，龔成剛

(1.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測有限公司,南京 225003；2.廣東汕頭超聲電子股份有限公司，汕頭 515041)

在全聚焦相控陣技術(shù)特性與應(yīng)用系列論文的第一篇[1]和第二篇[2]中曾指出，全聚焦相控陣是一種跟以往各種超聲檢測技術(shù)迥然不同的新型超聲檢測技術(shù)，它通過全矩陣數(shù)據(jù)采集獲取海量數(shù)據(jù)，通過全像素聚焦和疊加平均處理得到高分辨力、高靈敏度、高信噪比的圖像，其在工件中建立的聲場以及從聲場中接收的信號具有如下所述的非常獨特的性質(zhì)。

(1) 全聚焦相控陣采用小晶片多次發(fā)射和大窗口長時間接收，在一個信號周期內(nèi)系統(tǒng)接收的能量遠(yuǎn)大于常規(guī)超聲。

(2) 聲場的能量是通過小晶片多次發(fā)射注入的，小信號的累加效應(yīng)使得在全聚焦相控陣的聲場中，不同位置上的聲壓變化比常規(guī)脈沖反射法聲場的聲壓變化平緩。

(3) 由于小晶片發(fā)射的聲束擴(kuò)散角大，故探頭在工件中建立的聲場能覆蓋更大的范圍，目標(biāo)區(qū)中任何一個微小空間都充斥著超聲能量，又由于大窗口長時間接收，以及全像素聚焦，所以目標(biāo)區(qū)中任何一個微小空間的狀態(tài)及變化都能被系統(tǒng)探測到。

(4) 全聚焦相控陣系統(tǒng)對從聲場接收的信號進(jìn)行海量次數(shù)的疊加平均處理，輸出信號的信噪比非常高。

在對全聚焦相控陣的聲場特性和信號特性深入研究的基礎(chǔ)上，筆者提出了全聚焦相控陣檢測焊縫的新技術(shù)路線和方法，即用場測量和場校準(zhǔn)的方法來實施檢測。該方法不僅能夠解決全聚焦相控陣系統(tǒng)無法顯示有效A掃的問題，而且在靈敏度、可靠性、精度、效率、適應(yīng)性等方面凸顯出了其優(yōu)越的性能。

場測量已經(jīng)在該系列論文的第二篇[2]進(jìn)行了描述，因此文章將就場校準(zhǔn)的有關(guān)問題開展討論。

1 超聲檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)

1.1 超聲檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)項目

校準(zhǔn)是實施超聲檢測必不可少的步驟，是指用標(biāo)準(zhǔn)試塊或?qū)Ρ仍噳K上的特定結(jié)構(gòu)來標(biāo)定儀器狀態(tài)參數(shù)的操作。廣義的校準(zhǔn)通常還包括檢測參數(shù)測量和系統(tǒng)設(shè)置。不同超聲檢測方法的參數(shù)測量、系統(tǒng)設(shè)置與校準(zhǔn)項目不完全相同，操作上也存在一定差異，例如用脈沖反射法超聲檢測焊縫的系統(tǒng)校準(zhǔn)項目一般包括聲速測量與校準(zhǔn)，探頭前沿測量，折射角測量與校準(zhǔn)，楔塊聲程測量與儀器掃描線性校準(zhǔn)，掃查深度范圍設(shè)置，距離波幅曲線制作，增益設(shè)置等，而相控陣超聲檢測焊縫的校準(zhǔn)項目則包括聲速測量與校準(zhǔn)，掃查深度范圍設(shè)置，角度增益校準(zhǔn)(ACG)，時間增益校準(zhǔn)(TCG)，增益設(shè)置等。

1.2 A掃信號與校準(zhǔn)

以往各種超聲檢測方法的系統(tǒng)校準(zhǔn)都需要使用A掃信號，慣用的做法是用探頭對準(zhǔn)試塊上的某一個反射體，在A掃信號中尋找最高波幅，把最高波幅調(diào)節(jié)到適當(dāng)高度(例如屏幕的80%)，記錄探頭位置，通過測量和計算確定某個參數(shù)值。

在各個校準(zhǔn)項目中，以脈沖反射法的距離波幅曲線和相控陣的TCG最為麻煩，二者需要測試多個不同深度的反射體，逐個尋找每一個反射體的最高波幅，不僅步驟多，耗時長，而且精度也不高。場校準(zhǔn)方法更簡單、快捷、準(zhǔn)確，對超聲檢測來說，是一項有意義的革新。

2 全聚焦相控陣的場校準(zhǔn)概述

2.1 場校準(zhǔn)原理

和場測量一樣，場校準(zhǔn)是基于以下認(rèn)識而提出的。使用全聚焦相控陣技術(shù)檢測焊縫時，將斜探頭前方的焊縫局部區(qū)域定義為檢測目標(biāo)區(qū)(見圖1)，探頭發(fā)射超聲能量充斥于整個目標(biāo)區(qū)內(nèi)，形成全聚焦相控陣聲場，且按一定規(guī)律分布。聲場中任何擾動，或者說目標(biāo)區(qū)內(nèi)形態(tài)的任何改變(例如出現(xiàn)缺陷)，會使超聲能量分布相應(yīng)改變，探頭接收的信號也會改變(捕捉到缺陷信息)。

圖1 全聚焦相控陣目標(biāo)區(qū)示意

和場測量一樣，場校準(zhǔn)不像常規(guī)脈沖反射法那樣必須知道波束指向，波束中心線路徑和邊界角的位置。因為常規(guī)脈沖反射法像用一支手電筒的光束去掃描檢測區(qū)域，必須知道光束何時指向何處，而全聚焦相控陣聲場中，能量像太陽光一樣普照在目標(biāo)區(qū)，無處不在。至于陽光的強(qiáng)弱(能量分布不均勻)帶來的問題，可以通過增益補(bǔ)償加以解決。

由于全聚焦相控陣的超聲信號具有高信噪比的特性，即使某個局部區(qū)域的聲能量很弱，回波信號波幅很小，也可通過巨量增益補(bǔ)償滿足檢測要求。

2.2 場校準(zhǔn)過程特點

場校準(zhǔn)不需要觀察和利用A掃，校準(zhǔn)過程中不需要考慮波束路徑，不需要逐個測試不同深度的反射體，不需要尋找最高波，不需要調(diào)節(jié)波高，因此極其簡便。與常規(guī)相控陣校準(zhǔn)項目相關(guān)的所有內(nèi)容，包括TCG，ACG，增益設(shè)置，檢測覆蓋范圍等，通過一次校準(zhǔn)即可完成其校準(zhǔn)。

2.3 場校準(zhǔn)種類

根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)區(qū)尺寸和校準(zhǔn)點的分布，場校準(zhǔn)可分為狹場校準(zhǔn)和寬場校準(zhǔn)，兩種校準(zhǔn)的用途有所不同。

3 狹場校準(zhǔn)

焊縫掃查過程中使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采用狹場校準(zhǔn)的方法來校準(zhǔn)。

3.1 狹場校準(zhǔn)儀器系統(tǒng)

試驗采用的系統(tǒng)組成包括儀器主機(jī)(國產(chǎn)全聚焦相控陣3D實時成像系統(tǒng))，探頭[頻率為5 MHz，晶片尺寸為0.6 mm×10 mm(陣元中心距×長度)，64陣元線陣探頭]和專用軟件。

3.2 狹場校準(zhǔn)試塊

狹場校準(zhǔn)試驗一般采用橫孔試塊(見圖2)。如果認(rèn)為有必要，也可采用其它試塊。試塊尺寸的要求為：高度應(yīng)不小于焊縫母材厚度；試塊寬度一般應(yīng)大于探頭楔塊寬度的510 mm；試塊應(yīng)能保證放置探頭的一側(cè)有足夠的掃查長度，一般不小于焊接接頭寬度與楔塊長度之和的20 mm；對面一側(cè)長度以不出現(xiàn)干擾信號為宜，一般不小于40 mm。

圖2 橫孔試塊結(jié)構(gòu)示意

采用橫孔的優(yōu)點是其加工容易，成本低。另外，橫孔尺寸可按現(xiàn)行脈沖反射法超聲或相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取，這樣有利于在靈敏度設(shè)置和缺陷測量等項目上跟有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較和互換。橫孔的深度間距一般取10 mm，也可以根據(jù)要求增大或減小；橫孔數(shù)量應(yīng)保證其足以在焊縫母材厚度范圍內(nèi)按照規(guī)定的間距均布。

3.3 狹場校準(zhǔn)的信號采集

狹場校準(zhǔn)的信號采集過程極其簡單，步驟說明如下。

(1) 設(shè)定目標(biāo)區(qū)。在試塊上設(shè)定的目標(biāo)區(qū)如圖3所示(圖中坐標(biāo)系為左手坐標(biāo)系)。目標(biāo)區(qū)是一個立方體，其三維尺寸的選擇依據(jù)為：x方向為焊縫的長度方向，試驗中取目標(biāo)區(qū)長度為探頭孔徑的1/2，即 5 mm；y方向為焊縫的寬度方向，取目標(biāo)區(qū)寬度為40 mm；z方向為工件的厚度方向，取目標(biāo)區(qū)的厚度為100 mm，即該系統(tǒng)一次掃查覆蓋深度范圍為100 mm。

圖3 在試塊上設(shè)定的目標(biāo)區(qū)示意

(2) 在試塊上畫出探頭移動起點和探頭移動距離。校準(zhǔn)時探頭沿y方向移動，探頭移動距離為焊縫寬度與兩側(cè)熱影響區(qū)寬度之和。

(3) 在儀器上進(jìn)行初始設(shè)置，探頭連接編碼器，放在起始位置。

(4) 開始掃查，平穩(wěn)移動探頭至終點，注意保持良好耦合，探頭移動方向如圖4所示。

圖4 狹場校準(zhǔn)信號采集探頭移動方向示意

(5) 信號采集結(jié)束，存儲。

3.4 狹場校準(zhǔn)的增益補(bǔ)償

增益補(bǔ)償和校準(zhǔn)通過操作軟件完成，步驟如下。

(1) 預(yù)覽。所采集的目標(biāo)區(qū)三維體積圖像如圖5所示，觀察圖像是否完整，信號幅度是否恰當(dāng)，信噪比是否足夠，如果不滿意，可重新采集。由圖5可以看到，全聚焦相控陣探頭聲場覆蓋范圍非常大，試驗采集到9個橫孔的信號，覆蓋的深度范圍是100 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)脈沖反射法超聲檢測和常規(guī)相控陣檢測的覆蓋深度，這意味著全聚焦相控陣對100 mm厚的焊縫可一次完成檢測，不需要進(jìn)行分區(qū)檢測。

圖5 目標(biāo)區(qū)三維體積圖像

(2) 切片。啟動軟件進(jìn)行切片。按設(shè)定的距離將目標(biāo)區(qū)切成若干薄片，切面上出現(xiàn)未校準(zhǔn)系統(tǒng)所采集的未作補(bǔ)償?shù)臋M孔信號顯示，不同位置的切片如圖6所示，圖6顯示的切片之間的設(shè)定距離是10 mm。觀察各切片圖像，應(yīng)無耦合不良跡象，無影響和干擾橫孔信號識別的非相關(guān)顯示。由于尚未進(jìn)行補(bǔ)償，故探頭在不同位置上探測不同深度橫孔的回波大小不一樣(圖像上各個孔的信號顏色不一樣)。有些橫孔的信號沒有顯示，例如第一個切片的最下面兩個橫孔以及第三個切片的最上面一個橫孔。出現(xiàn)此類情況并沒有關(guān)系，由于全聚焦相控陣技術(shù)所采集的信號具有很高的信噪比，在進(jìn)行增益補(bǔ)償后，所有橫孔信號都能很好地顯示出來。

圖6 未作增益補(bǔ)償?shù)牟煌恢玫臄?shù)據(jù)切片

(3) 基準(zhǔn)增益設(shè)置。選擇一個圖像清晰且顏色適當(dāng)(橙色)的反射體信號作為增益基準(zhǔn)點，進(jìn)行基準(zhǔn)增益設(shè)置。

(4) 整個目標(biāo)區(qū)體積范圍內(nèi)的增益補(bǔ)償和校準(zhǔn)。使用軟件自動進(jìn)行增益補(bǔ)償和校準(zhǔn)，完成整個目標(biāo)區(qū)體積范圍內(nèi)的相當(dāng)于普通相控陣的TCG，ACG以及系統(tǒng)增益設(shè)置。進(jìn)行增益補(bǔ)償和翻轉(zhuǎn)后不同位置的數(shù)據(jù)切片如圖7所示。

圖7 增益補(bǔ)償和翻轉(zhuǎn)后不同位置的數(shù)據(jù)切片

(5) 翻轉(zhuǎn)。需要注意，實際檢測掃查焊縫時，信號獲取的聲程正好與校準(zhǔn)時相反，即校準(zhǔn)時的探頭起點的切片，對應(yīng)的是焊縫檢測時緊鄰探頭的熱影響區(qū)的信號波幅；校準(zhǔn)時探頭終點的切片，對應(yīng)焊縫檢測時遠(yuǎn)離探頭的熱影響區(qū)的信號波幅。因此，采集的信號和校準(zhǔn)的切片的位置要翻轉(zhuǎn)。

(6) 復(fù)查。利用校準(zhǔn)后的系統(tǒng)重新采集試塊中的橫孔信號，檢查各個切面補(bǔ)償后的圖像，所有反射體信號是否齊全，所有信號顏色是否一致，是否與增益基準(zhǔn)相同，同時檢查深度覆蓋范圍及效果。

4 寬場校準(zhǔn)

寬場校準(zhǔn)是另一類型的校準(zhǔn)，其思路是通過對聲場進(jìn)行全體積測量，得到立體網(wǎng)格各節(jié)點(見圖8)的反射體回波幅度(聲壓)，然后進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖8 寬場校準(zhǔn)的立體網(wǎng)格節(jié)點

該方法可測得立體聲場中各位置的實際聲壓，因此可用于全聚焦相控陣聲場特性研究試驗，也可用于檢測系統(tǒng)性能參數(shù)的測試，例如橫向分辨率的的測試。寬場校準(zhǔn)的系統(tǒng)同樣可用于檢測，并且可作一些特殊應(yīng)用，例如，將探頭固定于某一位置對單個缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以測定缺陷的長度和高度，排除移動探頭測長的誤差。

寬場校準(zhǔn)與狹場校準(zhǔn)有兩個主要區(qū)別，一個是寬場校準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)寬度較大，狹場校準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)寬度為探頭孔徑的1/4～1/2，而寬場校準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)寬度根據(jù)應(yīng)用需要，可選擇為探頭孔徑的1倍甚至2倍；另一個區(qū)別是狹場校準(zhǔn)一般使用橫孔試塊進(jìn)行，而寬場校準(zhǔn)為得到網(wǎng)格中各節(jié)點的聲壓，采用一種新型試塊——簇狀球底水平孔試塊進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 簇狀球底水平孔及其試塊結(jié)構(gòu)示意

4.1 寬場校準(zhǔn)儀器系統(tǒng)

試驗的系統(tǒng)組成包括儀器主機(jī)(國產(chǎn)全聚焦相控陣3D實時成像系統(tǒng))，探頭[頻率為5 MHz，晶片尺寸為3 mm×3 mm(陣元中心距×長度)，64陣元面陣探頭]，專用軟件。

4.2 寬場校準(zhǔn)試塊

試塊設(shè)計基于以下考慮。

(1) 欲在一個平面上布置多個反射體，且反射體位置在平面上呈節(jié)點分布，采用水平孔是比較好的方案。

(2) 采用球底孔而不用平底孔，是因為球底孔的回波信號波幅受超聲波入射角度變化的影響比平底孔小很多。

(3) 另一方面，球底孔回波信號波幅比平底孔低，這意味著校準(zhǔn)時，采用球底孔比采用相同直徑的平底孔的靈敏度更高，換言之，如果校準(zhǔn)靈敏度相同，球底孔的直徑可以做得比平底孔大一些，從而更便于加工。例如，與φ1.5 mm的平底孔等當(dāng)量的球底孔的直徑為3 mm[3]，而后者的加工難度比前者小很多。此外，就機(jī)加工本身特點而言，球底加工難度也比平底小。

4.3 寬場校準(zhǔn)的信號采集

步驟說明如下：① 選擇目標(biāo)區(qū)尺寸(覆蓋9個孔)；② 在試塊上畫出探頭起點和探頭移動距離(見圖10)；③ 儀器系統(tǒng)進(jìn)行初始設(shè)置；④ 探頭連接編碼器，放在起始位置；⑤ 開始掃查，平穩(wěn)移動探頭，注意保持良好耦合；⑥ 信號采集結(jié)束，存儲。

圖10 探頭移動距離和目標(biāo)區(qū)體積范圍示意

4.4 寬場校準(zhǔn)的增益補(bǔ)償

增益補(bǔ)償和校準(zhǔn)通過軟件操作完成，步驟跟狹場校準(zhǔn)相同，包括預(yù)覽、切片、基準(zhǔn)增益設(shè)置、整個目標(biāo)區(qū)體積范圍內(nèi)的增益補(bǔ)償和校準(zhǔn)、翻轉(zhuǎn)和復(fù)查。復(fù)查時，用校準(zhǔn)后的系統(tǒng)再次采集試塊信號，觀察信號的圖像，檢查和評估增益補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

4.5 寬場校準(zhǔn)試驗的數(shù)據(jù)切片

未經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)切片圖11(a)所示，在同一位置，利用校準(zhǔn)后的系統(tǒng)再次采集數(shù)據(jù)，得到增益補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)切片如圖11(b)所示。由顏色標(biāo)尺可以看到，試驗系統(tǒng)的A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換為8位，信號幅度范圍為0～255[A/D轉(zhuǎn)換器輸出值(無量綱)]，最大動態(tài)范圍為48 dB。從圖11的切片中可以看到9個反射體信號，校準(zhǔn)前系統(tǒng)采集的信號最大波幅:最小波幅為255…94，dB差為8.67，校準(zhǔn)后系統(tǒng)采集的信號最大波幅：最小波幅為255…230，dB差為0.90。

圖11 寬場校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)切片對比

從理論上說，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)采集的不同位置相同尺寸的球底孔信號，經(jīng)過增益補(bǔ)償后，所有孔的信號波幅應(yīng)該相同，試驗出現(xiàn)0.90 dB的偏差，分析原因可能來自兩個方面，一方面是第二次信號采集的耦合狀態(tài)跟第一次采集的不同；另一方面是計算機(jī)校準(zhǔn)軟件的聲壓變化曲線與實際聲場存在差異。但對超聲檢測工程應(yīng)用來說，0.90 dB的偏差可以忽略不計。

以上數(shù)據(jù)說明全聚焦相控陣的場校準(zhǔn)路線和方案以及設(shè)計制造的儀器系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，TCG和ACG的精度非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)脈沖反射法超聲對逐個孔進(jìn)行測試，然后繪制的DAC(距離-波幅)曲線的補(bǔ)償精度，以及普通相控陣超聲對逐個孔進(jìn)行測試，然后繪制的TCG和ACG曲線的補(bǔ)償精度。

5 結(jié)語

場校準(zhǔn)是基于對全聚焦相控陣技術(shù)在工件中建立的聲場，以及從聲場中接收的信號所具有的獨特性質(zhì)的深刻理解而提出的創(chuàng)新概念。其技術(shù)路線和方法具有過程簡單，操作快捷，精度高，自動化程度高等一系列優(yōu)點，極大地簡化了焊縫超聲檢測的操作，提高了檢測精度和檢測效率，全面提升了全聚焦相控陣技術(shù)的優(yōu)勢。