Scan Master 水浸超声C 扫描检测系统

莫瑕琳

(西安西航集团莱特航空制造技术有限公司,西安 710021)

随着我国对航空、航天产品质量要求的提高,水浸超声C 扫描检测系统以其稳定的机械扫描能力、合适声场的水距选择、声束角度可调等优势,广泛应用于航空、航天领域。笔者着重从系统主要参数及操作过程两方面探讨水浸Scan Master 超声C 扫描检测系统的应用。

1 系统主要参数

1.1 脉冲波形

(1)尖脉冲发生器是用来激励压电换能器的最早电路之一,高效的尖脉冲发生器电路比较简单,所用基本元器件如图1 所示。其中开关元件采用雪崩晶体管或可控硅整流器。

图1 脉冲发生器基本元器件示意图

通过充电电阻RC和阻尼电阻RD对充电电容C充电,充至高压V(典型值为250～400 V)。大多数便携式仪器的阻容值可使充电电容在不到1 ms的时间内充至直流电源电压的满值,也就是可达到1 000 Hz 的脉冲重复频率。通用仪器大多采用尖脉冲发生器,所用的开关器件的电气工作点一般不可调节,只能对阻尼电阻RD进行调节。

(2)方波脉冲的使用增强了探伤人员对重要检测参数的控制和稳定能力,并且方波脉冲还能提高脉冲幅度。

方波脉冲发生器和尖脉冲发生器电路类似,不同的是前者所用开关元件采用金属氧化物超导体场效应晶体管。适当调节方波脉冲发生器,可激发两倍于充电电压相同的尖脉冲发生器所激发的信号电压。为使方波脉冲发生器发挥出它的最佳性能,阻尼电阻RD和脉冲宽度都要根据每个换能器的具体情况予以分别调节。

ScanMaster 设备采用方波脉冲发生器,可对脉冲宽度和阻尼电阻分别调节。

1.2 脉冲宽度

脉冲宽度由检验人员通过仪器设置面板进行调节,如脉冲宽度设置太宽, 可观察到畸变的超声波形;脉冲宽度太窄,所获得的超声波幅将明显低于同样电压的尖脉冲发生器所达到的波幅。一个合适的脉冲宽度起始值PW=1×109/4fc(ns),其中fc为探头中心频率。通常脉冲宽度在不影响穿透力的同时尽量小,这样可提高近表面分辨率。

1.3 阻尼电阻

阻尼电阻从小到大分为1～8 个档级,由检验人员根据换能器的不同予以调节。对阻尼阻抗调节很重要,通过改变发射电路中的阻尼电阻来调节发射超声波的强度,发射强度随着阻尼电阻的增大而增大,通常发射强度越大,脉冲越宽。阻尼电阻直接决定换能器的振铃时间,影响近表面分辨率。

1.4 脉冲宽度和阻尼电阻的配合

UPR100 探伤仪发射方波脉冲,为使方波脉冲发生器发挥出它的最佳性能,阻尼电阻和脉冲宽度都要根据每个换能器的具体情况予以分别调节,经适当调节的方波脉冲发生器可以激发出两倍于充电电压的尖波脉冲发生器所能激发的信号电压。

1.5 脉冲重复频率

脉冲重复频率可在1 Hz～10 kHz 之间调节,选择脉冲重复频率数值对自动化检测十分重要。高重复频率使两次脉冲间隔时间变短,有可能导致未充分衰减的多次反射进入下一周期,形成所谓的“幻像波”,造成缺陷误判。因此,自动化检测的扫描速度也受到可用的最大重复频率限制。

重复频率=表面速度/周向扫描间距(CI)

在实际自动化检测中,脉冲重复频率的大小与周向扫描间距和零件的速度有关,最大以不出现“幻像波”为准,其次在工艺要求的规定范围内。

1.6 采样频率

数字探伤仪是通过对连续变化的模拟信号进行高速度、等间距的采样,将其变为一列大小变化的数字,进而对这些数字进行计算、处理、显示。如果以数字的大小作为幅度,将这列数字仍按相同的间隔在直角坐标系中描绘出来,则重新构成了一个由分离的点组成的曲线,即数字化的波形,图2 为模/数转换示意图。

图2 模/数转换示意图

可见,为使重建波形不失真,应尽可能增加采样密度,即提高采样频率。

U PR100 探伤仪采样频率范围分为25, 50 和100 MHz。可通过面板进行选择设置,一般设置原则是采样频率至少是探头中心频率的4 倍。

1.7 增益

增益是由接收器增益(0～96 dB)和脉冲器(前置放大器)增益(0,15,30 和45 dB)组成。

由缺陷回波引起的压电晶片产生的射频电压通常只有几十毫伏至几百毫伏,放大电路需对其进行足够的放大(约100 dB),才能达到示波管显示所需的上百伏电压。前置放大器使原始信号增益20～45 dB,这样高的增益,足以消除大多数接收器本身的噪声影响,补偿电缆的传输损失,将信号提升到足以克服后续放大级和滤波级的噪声电平高度。

前置放大器增益和TCG(时间校正增益)功能结合使用,可将接收器信噪比提高45 dB。

若前置放大器中的自动控制不被选中,仪器的接收器增益是38 dB,前置放大器增益是0 dB,这意味接收器把接收到的信号都放大,从而影响信噪比;若自动控制被选中,仪器总增益38 dB,接收器增益是8 dB,前置放大器增益是30 dB,可使信噪比提高30 dB。

2 操作过程

2.1 水距选择

航空锻件的水浸超声波检测,主要用水浸点聚焦探头。水距分为表面点聚焦和表面下聚焦,使用表面点聚焦检测工件时,实际使用的水距值应是实际测量的焦距,不一定是探头的标称焦距。水距确定后,在对比试块上制作TCG 曲线的设置应与检测工件时的设置一致。

2.2 界面垂直调整

在水浸纵波检测中,探头的声束是否垂直检测表面,对检测结果关系较大。调整界面垂直,应在实际焦距或近场点的基础上提高30 mm 作为水距,分别调节A轴(运动方向垂直于X轴方向),B轴(运动方向垂直于Y轴方向),使来自表面的不饱和波幅达最高。

2.2.1 点聚焦探头

(1)多次底波法

调整A,B轴,使10 mm 薄试块的底波反射达最多,即调整好界面垂直,如图3 所示。

图3 点聚焦探头界面垂直调整多次底波法波形图

(2)界面波高度法

在实际工作现场,界面波高度法更便于检验人员操作,且可提高工作效率。探头直接落在被检件的上方,在实际水距的基础上增加30 mm ,使电子闸门放在界面波上。用局部扫描软件系统,自动调整A,B轴,找到最高界面波,即调整好界面垂直,如图4 所示。

图4 点聚焦探头界面垂直调整界面波高法波形图

2.2.2 平探头

水浸平探头采用界面波高度法,探头直接落在被检件的上方,水距为实际近场距离加30 mm ,使电子闸门放在界面波上,用局部扫描软件系统,自动调整A,B轴,并自动找到最高界面波,即调整好界面垂直,如图5 所示。

图5 平探头界面垂直调整界面波高法波形图

2.3 扫描覆盖

为提供足够数据获取空间(检验覆盖范围),应选择最大的扫描速度和扫描间距。使用下列方程确定径向/轴向扫描间距,周向扫描间距(数据采集率),脉冲重复频率和转台转速RP M。

径向/轴向扫描间距(R A I)=有效声速宽度(EB W)×75%,周向扫描间距或数据获取率(CI)=转速/分钟(RP M)=60/(周长/表面速度),其中EB W为-2, -3 或-6 dB 下的有效声束宽度。

如果检验速度为305 mm/s(12 in/s),EB W为2.3 mm(0.09 in.),扫描间距为EB W的75%,则如 图6 所示,没有漏检区域。

图6 扫描覆盖示意图

2.4 C扫描显示

该设备的C 扫描系统需要用闸门通道。若以各点的亮度代表回波传播时间,则可得到缺陷的深度分布,称为TOF(time of flight)图。

例如:试件材料为LD7, 规格为φ200 mm ×50 mm ,有三个人工缺陷(图7),C 扫描图像如图8所示。

3 结语

探讨了ScanMaster 水浸超声探伤系统的主要参数设置及操作过程。如何更好地学习、应用与开发国外先进的无损检测技术与设备,是今后无损检测工作的重要任务。