管材超聲波相控陣高速線性自動檢測系統(tǒng)優(yōu)化*

1 概 述

第一臺超聲波檢測設(shè)備ECHOGRAPH-HRPR采用常規(guī)超聲波檢測技術(shù)， 被用于檢測直徑10 ～170 mm 的管材。 該檢測系統(tǒng)無機(jī)械旋轉(zhuǎn)、 無機(jī)械磨損， 檢測速度較高， 與之匹配的液浸探頭盒為液浸非接觸式的可更換探頭， 不同尺寸的常規(guī)超聲波探頭用于檢測不同直徑的管材。 不同直徑的管材對應(yīng)的常規(guī)超聲探頭盒均配有16 個常規(guī)超聲探頭

， 而帶有不同曲率的復(fù)合探頭沿管材環(huán)向布置， 每個探頭的聲場會在管材內(nèi)部重疊，并使聲波沿管體周向和軸向均勻分布， 從而有效保證管體截面得到全覆蓋檢測。 被檢管體直線通過ECHOGRAPH-HRPR 檢測系統(tǒng)， 檢測系統(tǒng)快速開啟和關(guān)閉裝置， 檢測箱內(nèi)的耦合水也幾乎不會有損失， 這就可以保證超聲波檢測耦合良好，使被檢管材的管端檢測盲區(qū)最小化。 該檢測系統(tǒng)的液浸水箱安裝在升降臺上， 在檢測設(shè)備的前后均設(shè)有V 形輥或三輥定心裝置， 以實(shí)現(xiàn)管材的平穩(wěn)運(yùn)輸。 檢測過程中的管材位置公差必須盡可能小， 以確保檢測的可靠性。

HRPR 檢測系統(tǒng)采用了最新的超聲波相控陣檢測理論和方法， 以實(shí)現(xiàn)在高速檢測狀態(tài)下仍能保證較高的檢測靈敏度、 高信噪比SNR和較為精確的檢測結(jié)果， 同時(shí)還能降低制造成本和使用成本， 簡化操作。 為了滿足這些要求并提供最佳解決方案， 滿足大多數(shù)客戶的需求， 德國卡爾德意志檢測儀器設(shè)備有限公司（KARL DEUTSCH） 最新開發(fā)了相控陣超聲波管材檢測系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT。

上述比較軌跡的實(shí)驗(yàn)都是在固定拾放點(diǎn)(0，152.5，-850)→(0，-152.5，-850)進(jìn)行的，現(xiàn)為驗(yàn)證不同位置的最優(yōu)軌跡，選取以下點(diǎn)重復(fù)4.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)步驟，結(jié)果如表3。

最新開發(fā)的超聲波相控陣管材檢測系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 從外觀上與上一代常規(guī)超聲波檢測系統(tǒng)非常相似， 因此， 極易在常規(guī)超聲波檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造。 常規(guī)超聲波檢測系統(tǒng)的浸入式水箱可以保持不變， 探頭盒及探頭更換為最新的相控陣探頭， 進(jìn)而保證鋼管截面的覆蓋率達(dá)到100%。 檢測原理如圖1 所示， 圖1 （a） 為處于激活狀態(tài)的單個相控陣探頭， 圖1 （b） 為處于激活狀態(tài)的所有相控陣探頭， 新系統(tǒng)在逆時(shí)針 （CCW） 方向上實(shí)現(xiàn)了超聲波檢測的全覆蓋

， 新系統(tǒng)改進(jìn)后具有高速并行觸發(fā)功能， 檢測靈敏度更高。

同時(shí)該檢測系統(tǒng)提供了ECHOVIEW 軟件包， 可通過該軟件中的交互式向?qū)гO(shè)置相控陣電子參數(shù)， 按照要求管理、 記錄、 存儲和處理檢測參數(shù)、 自動分析和處理檢測結(jié)果數(shù)據(jù)、 自動生成檢測報(bào)告、 自動輸出分選信號和評判信號， 并支持與遠(yuǎn)程主機(jī)通信、 遠(yuǎn)程診斷等。

2 檢測原理

卡爾德意志的探頭開發(fā)過程分兩種方式， 即根據(jù)設(shè)備應(yīng)用和需求進(jìn)行開發(fā)， 或者優(yōu)化已有的ECHOGRAPH 探頭。 通常， 探頭的開發(fā)應(yīng)先對探頭參數(shù)進(jìn)行預(yù)定義， 在實(shí)際測試過程中再建模。由于所有ECHOGRAPH 探頭均由卡爾德意志內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造， 因此在批量生產(chǎn)之前， 要在測試機(jī)中對預(yù)生產(chǎn)的探頭樣品進(jìn)行驗(yàn)證

。

9月，秋高氣爽,碩果累累。清風(fēng)送來涼爽，天空一片蔚藍(lán)。我和夫人應(yīng)中國兵器淮海集團(tuán)的盛情邀請，前往山西長治，參加他們建廠80周年暨軍民融合論壇等一系列活動。

最新的相控陣超聲波檢測系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 就很好地解決了上述問題。該系統(tǒng)采用高速線性電子掃描方式， 在信號發(fā)射和接收中執(zhí)行并行和多次重構(gòu)， 從而提高了檢測速度。 在管材圓周方向使用了16 個相控陣探頭，可以在管材圓周和軸向同時(shí)執(zhí)行多次掃查。 相控陣探頭聲束可通過電子控制進(jìn)行聚焦、 操縱或仿形， 從而增大沿管體圓周方向掃查的靈敏度和均勻度， 同時(shí)可以將周向的振幅變化減小到1～3 dB。采用16 個相控陣探頭和48 個虛擬探頭對管材縱向外部刻槽進(jìn)行掃查， 管材尺寸為Φ46 mm×4.7 mm，刻槽尺寸為0.2 mm×10 mm。 在探頭機(jī)械角度調(diào)整方面， 新一代的相控陣檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)超聲檢測系統(tǒng)一樣， 保持了探頭盒內(nèi)所有探頭的統(tǒng)一機(jī)械角度調(diào)整功能， 從而減小電子調(diào)整范圍，這樣設(shè)置所需的相控陣探頭的電平很低 （通常只有8 個陣元）。 因此， 新開發(fā)的ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 僅需256 個并行相控陣通道， 降低了制造成本。

管材通過檢測設(shè)備過程中， 管材完全浸入耦合水中， 特殊的密封件和密封機(jī)構(gòu)可以保證管材通過的時(shí)候耦合水不會大量流失， 從而保證耦合的可靠， 凹形相控陣探頭安裝在探頭盒中。 對于不同直徑的管材， 需要使用不同的相控陣探頭及探頭盒， 將不同直徑的管材所使用的探頭安裝在相應(yīng)的探頭盒中， 可最大程度地縮短探頭更換過程中設(shè)備的校準(zhǔn)時(shí)間。

在最新的相控陣超聲波檢測系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 中， 探頭被優(yōu)化為8 陣元相控陣探頭， 其外殼尺寸和總長與常規(guī)超聲探頭相同， 只需更換常規(guī)超聲檢測系統(tǒng)的探頭盒和超聲波電子系統(tǒng)， 即可執(zhí)行相控陣檢測系統(tǒng)的檢測功能。此外， 通過對探頭盒內(nèi)的探頭所產(chǎn)生的超聲信號進(jìn)行分組， 可實(shí)現(xiàn)與超聲電子設(shè)備通過單電纜連接，從而縮短了切換檢測參數(shù)的時(shí)間。

在新型職業(yè)農(nóng)民教育和培訓(xùn)工作過程中，要想充分發(fā)揮農(nóng)民科技教育中心的應(yīng)有作用，師資隊(duì)伍建設(shè)是其中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[2]。從當(dāng)前的農(nóng)民教育培訓(xùn)實(shí)際來看，許多農(nóng)民科技教育中心都存在師資隊(duì)伍建設(shè)水平不高、教師結(jié)構(gòu)不合理的情況。許多農(nóng)民科技教育培訓(xùn)中心的培訓(xùn)教師都沒有較高的農(nóng)業(yè)科技水平，或者雖然具有較高的理論水平，但是缺少實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，因此在進(jìn)行農(nóng)民科學(xué)教育培訓(xùn)的過程中理論知識的講解與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相互脫節(jié)，再加上農(nóng)民本身科學(xué)文化素質(zhì)就不高，因此這種培訓(xùn)形式的整體效果不佳。

相控陣可視化界面如圖6 所示， 通過設(shè)置每個虛擬探頭的基本參數(shù)， 并創(chuàng)建相控陣探頭的掃描模式， 紅色表示一個聲束 （虛擬探針）的激活陣元組， 通過激活陣元組可以分析評估管材中的多次折射 （綠色顯示聲程路徑）， 其中主要檢測參數(shù)包括： ①管材尺寸 （直徑和壁厚）； ②掃描模式 （在一個相控陣探頭內(nèi)進(jìn)行線性掃描， 在一個相控陣探頭內(nèi)進(jìn)行重疊掃查的次數(shù)）； ③水層厚度； ④掃查角度和焦點(diǎn)形狀， 主要用于聲束建模； ⑤延遲法則； ⑥A 掃描起始點(diǎn)和寬度； ⑦內(nèi)部和外部缺陷的測量范圍 （閘門設(shè)置）； ⑧基本增益 （模擬和數(shù)字增益）； ⑨TCG 特性； ⑩閾值和觸發(fā)

。

探頭陣元之間存在細(xì)微的靈敏度差異， 為了盡可能縮小各個探頭之間的靈敏度差異， 需要分別對每個探頭進(jìn)行配平， 此功能還可縮小因探頭老化產(chǎn)生的靈敏度差異， 用戶也可以根據(jù)其操作規(guī)程設(shè)置相應(yīng)的配平標(biāo)準(zhǔn)

。

在每個探頭盒中， 所有探頭的中心角度均可調(diào)節(jié)， 探頭角度是經(jīng)過機(jī)械預(yù)設(shè)的， 用于檢測縱向缺陷， 從而提供最佳的入射角度。 通過使用相控陣技術(shù)進(jìn)行電子聚焦、 聲束控制和成形， 可以提供圓周方向上的檢測靈敏度。 相控陣探頭配置的可視化界面如圖3 所示， 紅色表示一個聲束（虛擬探針） 的激活陣元組， 根據(jù)圖3 可以對信號在管材中的折射進(jìn)行分析 （綠色顯示聲程路徑）。 相控陣聲束的重疊數(shù)量大大高于使用常規(guī)超聲單晶探頭的發(fā)射數(shù)量。

如果使用完整環(huán)形相控陣探頭， 則檢測設(shè)備需要更多的陣元數(shù)量。 當(dāng)分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向進(jìn)行掃查時(shí)， 應(yīng)保持陣元間距為0.5 ～1 mm。 直徑為120 mm 的管材通常需要1 024 個檢測通道， 由此導(dǎo)致探頭和電子設(shè)備的成本大大提高。 因此， 應(yīng)采用最新的相控陣超聲波檢測系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 進(jìn)行線性管材的相控陣檢測， 此外， 該掃查方法還可用于管材100%的壁厚監(jiān)控。

3 相控陣探頭開發(fā)

超聲波相控陣檢測系統(tǒng)ECHOGRAPHHRPR-PAUT 使用浸入式水箱， 采用傳統(tǒng)常規(guī)超聲波系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR 的成熟理念， 管材檢測機(jī)械系統(tǒng)如圖2 所示。 第一個檢測箱包含用于順時(shí)針 （CW） 方向的探頭盒， 第二個檢測箱包含用于逆時(shí)針 （CCW） 方向的探頭盒， 還可以將用于測量壁厚及測定夾層的直探頭添加到其中一個探頭盒中。

家長進(jìn)行家長助教時(shí)要做好充分的物質(zhì)準(zhǔn)備，教師應(yīng)該指導(dǎo)家長準(zhǔn)備好充足的物質(zhì)材料，并且明確各個材料投放的具體環(huán)節(jié)，對教材的應(yīng)用做到心中有數(shù)。如，對于幼兒的操作材料，教師應(yīng)該先告知家長班級人數(shù)，請家長按照多于班級人數(shù)的份額準(zhǔn)備材料，并按小組分門別類地放好，以方便操作。讓家長做好充足的物質(zhì)準(zhǔn)備，便于活動開展。

4 數(shù)據(jù)管理軟件ECHOVIEW

ECHOVIEW 軟件提供了相控陣系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置功能以及客戶需要的數(shù)據(jù)管理功能， 同時(shí)還可以鏈接到客戶工廠的上位機(jī)或本地自動化系統(tǒng)。

4.1 ECHOGRAPH-PAUT 參數(shù)設(shè)置

管材表面兩個相同的刻槽 （深度為0.2 mm）掃查結(jié)果

的回波動態(tài)圖如圖4 所示， 圖中分別顯示了一個相控陣探頭和一個虛擬探頭的掃查結(jié)果， 其信噪比SNR 較好， 圖4 中沿圓周方向的動態(tài)波形為單個虛擬探頭的覆蓋范圍， 可見單個虛擬探頭的覆蓋范圍良好。

將所有單個探頭配置合并到檢測設(shè)置中， 其中主要考慮所有虛擬探針的發(fā)射順序、 傳輸模式下的并行掃查及最佳脈沖重復(fù)頻率。 如具有2×16 個相控陣探頭的多窗口同步顯示圖 （16 個相控陣探頭， 分順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向）， 32 個相控陣探頭的A 掃圖如圖7 所示。

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何在保護(hù)好耕地的同時(shí)進(jìn)一步增加糧食產(chǎn)量，成為了一個關(guān)乎我國糧食安全和耕地質(zhì)量安全的大課題。為了探索國外先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，聚焦測土配方施肥技術(shù)，賦能中國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展，11月3日，由荷蘭瓦格寧根大學(xué)和蚯蚓測土實(shí)驗(yàn)室共同主辦，國際標(biāo)委會ISO|TC134技術(shù)委員會無機(jī)肥料工作組美國Agsource實(shí)驗(yàn)室承辦的“測土配方施肥國際論壇”在山東省臨沭縣史丹利科研綜合大樓會議中心順利召開。

虛榮心是成長之大敵，如何培養(yǎng)孩子的愛好、滿足孩子的興趣，是所有家長都需要思考的問題，但在這件事情中，影視公司的問題更值得思考和重視。

4.2 相控陣探頭的陣元配平

常規(guī)超聲波檢測系統(tǒng)使用16 個單晶探頭，每個圓周方向組合了16 個重疊的聲場， 這些聲場的間隙應(yīng)盡可能小， 從而保證能進(jìn)行可重疊缺陷檢測。 實(shí)際上， 隨著管材直徑和壁厚的變化， 波高波動差大約為3～6 dB， 動態(tài)波形如圖5 所示。 與其他管材檢測系統(tǒng)一樣， 對于內(nèi)部缺陷和外部缺陷， 調(diào)整常規(guī)超聲探頭的入射角較難， 特別是對于厚壁管， 要找到最佳的入射角就更加困難

。

4.3 虛擬探頭配平

虛擬探頭自動化配平功能是通過靜態(tài)模式中的人工刻槽調(diào)整每個虛擬探頭和每個相控陣探頭的靈敏度。 ECHOVIEW 軟件會自動配平， 并減小與預(yù)設(shè)目標(biāo)值的靈敏度差， 并相應(yīng)地調(diào)整配平所需的增益值， 對于既定的管材尺寸， 配平后的設(shè)置最終會存儲在數(shù)據(jù)庫

。 根據(jù)管材超聲波相控陣檢測程序， 定期使用標(biāo)準(zhǔn)樣品在動態(tài)模式下以額定檢測速度（1～2 m/s）檢查探傷靈敏度。 如果未正確檢測到任何一個人工缺陷， 則必須再次檢查和調(diào)整、 修改虛擬探頭靈敏度。

4.4 批量檢測參數(shù)設(shè)置

對于新的樣管批量檢測， 必須加載批量檢測數(shù)據(jù)和指定的檢測參數(shù)。 在ECHOVIEW 的設(shè)置菜單中有專門的設(shè)置窗口， 可以從窗口的下拉列表中選擇并加載對應(yīng)的檢測配置， 也可以重新設(shè)置參數(shù)。 除了可以手動輸入批次信息外， 還可以從客戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)或上位機(jī)自動接收數(shù)據(jù)。

4.5 測試結(jié)果

使用ECHOVIEW 數(shù)據(jù)管理軟件模塊可以實(shí)時(shí)顯示檢測結(jié)果， 檢測結(jié)果如圖8 所示， 其中黑色、綠色/紅色為缺陷線性圖， 藍(lán)色/紅色為耦合監(jiān)控，軟件窗口布局可以自定義。 檢測結(jié)果以線性圖形顯示， 圖中顯示了被測管材的長度、 管材上缺陷的位置和波幅等信息。 多個不同的線性圖匯總了所有探頭的檢測結(jié)果， 同時(shí)還顯示耦合監(jiān)控功能。顯示界面還可以為沿周向分布的探頭提供各自獨(dú)立的線性圖， 也可以區(qū)分顯示內(nèi)部缺陷和外部缺陷的線性圖。 典型的線性檢測結(jié)果圖包括： ①縱向內(nèi)部缺陷的順時(shí)針方向線性圖； ②縱向內(nèi)部缺陷的逆時(shí)針方向線性圖； ③管體內(nèi)壁縱向缺陷檢測圖； ④縱向外部缺陷的順時(shí)針方向的線性圖； ⑤縱向外部缺陷的逆時(shí)針方向的線性圖； ⑥管體外壁縱向缺陷檢測圖； ⑦順時(shí)針探頭耦合監(jiān)控線性圖；⑧逆時(shí)針探頭耦合監(jiān)控線性圖

。

4.6 工件檢測數(shù)據(jù)包及檢測報(bào)告

每個檢測結(jié)果都存儲在數(shù)據(jù)庫文件中， 生成工件數(shù)據(jù)包， 同時(shí)也可離線生成檢測報(bào)告。 一個典型的零件檢測報(bào)告應(yīng)顯示兩個缺陷線性圖和兩個耦合監(jiān)控線性圖， 如圖9 所示。

5 結(jié) 論

（1） 通過對常規(guī)超聲波檢測系統(tǒng)進(jìn)行升級，可以顯著提高各探頭或探頭陣元檢測靈敏度的均勻性， 提高相控陣檢測結(jié)果的可視化程度， 探頭調(diào)整由機(jī)械調(diào)整更新為電子調(diào)整， 調(diào)整方式簡化， 縮短了調(diào)整時(shí)間。

（2） 由于檢測設(shè)備機(jī)械運(yùn)動原理保持不變，因此該系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)得以保留。 與帶有旋轉(zhuǎn)探頭的檢測設(shè)備相比， 該設(shè)備沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)， 機(jī)械磨損較小。 采取全新的方法來對管材進(jìn)行線性超聲波掃查， 從而實(shí)現(xiàn)對管材全截面的縱向缺陷檢測。 相控陣探頭的陣元總數(shù)以及所需通道數(shù)量也保持相對較小的數(shù)值， 且相控陣探頭可以與其他探頭組合使用。

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