相控阵扫查器定位对检测结果准确性的影响分析

李 欢,孔令昌,黄小辉,夏 浩

(1.广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东 珠海 519002;2.广东省特种设备检测研究院惠州检测院，广东 惠州 516003)

在目前的工业无损检测领域中，超声检测是一个重要方法之一。超声检测具有适用性强、穿透力好、设备便携、操作安全等优势，应用极为广泛[1]。相控阵检测利用计算机技术和新材料，将常规超声检测发展为一种具有电子控制、信号成像、自动记录等多功能先进的检测仪器和方法。尤其在特种设备检测过程中，采用相控阵对焊缝检测时，不需要象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后移动，而只是沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查。随着计算机系统设计、硬软件水平、计算机技术应用等的日臻成熟，相控阵检测将成为特种设备无损检测的重要方法。相控阵凭借其多晶片动态聚焦、计算机成像处理等先进技术和检测可靠性，具有广阔的应用和发展空间，将成为主流检测方法，有代替射线、常规超声检测的趋势。2016年2月24日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布了GB/T 32563-2016《无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法》。随着相关标准的颁布，相控阵将是继超声波衍射时差法(TOFD)检测之后，国家和行业主推的无损检测方法，将得到大范围推广和应用。

本文对超声相控阵原理及特点和现有检测装置进行了介绍，对相控阵手动扫查检验方法进行了分析，重点分析了扫查器定位准确性对相控阵检测结果影响，并提出了未来相控阵自动扫查研究动向及发展趋势，对相控阵检测具有重要的参考意义。

1 相控阵检测原理及检测优势

目前的超声波相控阵检测仪器通过相控阵探头由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个阵元，一般由多个阵元组成的一维或二维阵列。如图1(a)所示，通过电子系统控制压电探头阵列中的各个阵元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，如图1(b)所示，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示，从而实现工件的无损检测[2-5]。

与传统的超声检测技术相比，超声相控阵技术具有以下优势:(1)检测速度大大提高，检测灵活性更强，可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测；(2)仪器对检测人员操作要求较低，无需来回移动，只需平行于检测工件平行移动即可完成检测；(3)相控阵检测相对于超声波检测有较高的分辨力，信噪比较好、缺陷检出率更高；(4)通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫描，对试件进行高速，全方位和多角度检测；(5)检测结果更加直观、可实时显示，如:在扫查的同时可进行分析和评判，并可对图像进行保存，可实现检测结果永久保存[6-8]。

图1 相控阵检测原理示意图

2 相控阵检测装置

相控阵检测装置主要有相控阵主机系统，相控阵探头，相控阵锲块，相控阵扫查器以及相控阵检测过程中辅助设备。相控阵探头是相控阵检测主要的信息接收部件，采用多晶片，通过控制延迟产生聚焦波束、可变角度和焦距，不用前后移动(垂直于焊缝)探头即可检测到整个截面，通过水平移动(平行于焊缝)探头可以探测工件不同部位(截面)的缺陷[9-10]。

相控阵探头它包括两个部分：相控阵探头发射和相控阵探头接收，相控阵探头发射时，各晶片受相同频率的脉冲激励，电子系统依据事先设定的聚焦法则来发射超声波，不同相位的超声波在声场空间内叠加与干涉，产生合成声束与新波阵面；相控阵探头接收时，以缺陷回波返回各晶片的时差为依据进行回波信号延时补偿，之后对各回波信号进行合成，将待定位置回波信号叠加，将其他位置回波信号减弱[11-12]。最后主机系统将合成信号以图像方式实时显示出来。相控阵楔块根据不同工件尺寸进行设计，楔块使超声波束安装一定角度入射到工件表面，其材质较硬，具有耐磨性强特点。

3 相控阵手动扫查的局限性

目前相控阵检测时，多采用人工平行移动进行检测，探头的水平移动一般通过手持探头或简易支架来实现，然而简易的相控阵扫查器使用极少，其主要因为目前市面上所使用的相控阵扫查器较为笨重，使用不方便，在移动过程中，手持探头或简易支架无法保证探头到焊缝距离的一致性、移动速度的均匀性、探头和工件接触的稳定性、耦合效果符合性。采用手持式探头扫查对检测区域的有效覆盖、定位准确性、信号采集的完整性都有影响、还影响到检测灵敏度，最终会造成漏检或误判。采用手工扫查器无论从检测效率、检测质量，都已不适合大批量相控阵检测应用工作。

近年、国内相控阵自动扫查器研究较少，适合压力容器等更大应用范围的定位型自动扫查器在市场上并没有成熟产品出现，市面上出现的少数的自动扫查器使用不便利，并且自动扫查器造价较高，达到15～30万，这价格已经超过了国产的相控阵检测仪器价格，因而并没有得到广泛推广。

4 扫查器定位准确性对相控阵检测结果影响

目前采用手持探头或简易手动扫查器进行扫查，检测过程中要求相控阵探头与焊缝需要保持一定距离，探头到焊缝的距离不能随意变化。其定位的准确性对相控阵检测结果影响如下：(1)手持探头检测移动过程中与所检测的焊缝不能保持固定的距离，当探头与焊缝的距离超过一定数值时，超声束不能射入到所检测工件内部从而反射到仪器中，不能形成检测全覆盖，工件会造成漏检；(2)探头到焊缝的距离的变化会影响到缺陷的定位，影响缺陷的准确性，影响缺陷的判定和消除，由于探头到焊缝距离的变化检测区域发生变化，将底面或焊缝边角反射波束误以为缺陷波束从而影响缺陷定位及缺陷准确性;(3)相控阵检测时现场作业环境较为恶劣，检测的位置需搭设脚手架，检测人员穿戴安全带，高空作业，非常危险，在恶劣的操作条件下想要保持相控阵探头与检测工件的距离一定难度较高，对检测人员要求较高，稍微操作不注意则会影响检测结果，检测的可靠性不高。

综上所述，手持探头和手动扫查器无法保证探头到焊缝距离的一致性、移动速度的均匀性、探头和工件接触的稳定性、耦合效果符合性，不利于对缺陷的精确定位，检测中容易将伪缺陷当成缺陷，降低了检测灵敏度，容易造成漏检。

因此，相控阵检测使用自动扫查器尤为重要，有利于实现自动化检测，将极大地提高相控阵检测质量和检测效率，降低劳动强度。检测质量的提升，有助于提高缺陷的检出率，提高被检设备安全性能，降低安全风险，延长设备运行周期，减少检修成本。检测效率的提高，可以缩短检测工期，进而可以缩短产品制造周期或工厂停产时间。劳动强度的降低，可以降低人工成本。

5 自动扫查器的研究方向

针对手动扫查器存在的问题，对相控阵检测的定位定量的影响，相控阵自动扫查的研发及应用推广尤为重要，近几年的研究表明自动扫查器的研究主要方向为：自动扫查器设计成柔性结构，如何设计成能在不同曲率的工件外表面实现可靠的相控阵检测作业；对自动扫查器的动力机构及传动机构进行研究，使相控阵自动扫查器在工件表面上能匀速自行的行走；自动扫查器与工件表面的贴合力研究，研究如何能使相控阵扫查器在工件表面贴合程度，且在不同的耦合剂下不同的工况下进行检测作业；研究如何使自动扫查器保持直线行驶，超出一定偏差进行自动报警，对于目前的技术研究扫查器的直线行走是一项难题，其技术难点与无人自动驾驶汽车保持精密的直线行驶一致，因而是目前较为难解决的问题。

6 结束语

本文重点分析了目前相控阵检测检测用手动扫查器存在的问题，指明了使用手动扫查器检测时定位准确性对相控阵检测结果的影响。手持探头和手动扫查器无法保证探头到检测工件的距离保持一定、移动速度均匀、探头和工件接触的稳定性、耦合效果符合性。采用手持式探头扫查器不仅对检测区域的有效覆盖、定位准确性、信号采集的完整性有影响、甚至影响到检测灵敏度，最终造成漏检或误判。给出了设计制作并使用自动扫查器的建议，对今后相控阵检测有着重要的指导意义。