相控阵检测探头晶片检查的几种方法

李鹏频

(海洋石油工程股份有限公司，珠海 519000)

0 引 言

超声相控阵检测技术作为新兴的检测方法，已经在海洋工程领域的各个项目中得到了广泛应用。相控阵检测技术主要通过相控阵探头内的多个相互独立的压电晶片来实现超声波声束的偏转和聚焦。未被激活的晶片数量过多，会影响声束聚焦、偏转能力、灵敏度和分辨率，影响检测结果的准确性，因此相控阵探头的晶片检查是相控阵检测的必要环节。

1 相控阵检测探头

相控阵探头由多个独立的小的压电晶片按照一定形状和尺寸排列，由这些小的压电晶片组成组件(即探头)，辐射的总能量形成超声波声束，每个晶片有单独的发射和接收电路。使用相控阵设备可以按照一定规则和时间顺序对探头中的一组或所有晶片分别进行激发，即在不同的时间内相继激发探头中的多个晶片，每个激发的晶片振动产生的波阵面相互干涉形成了新的波阵面。干涉所产生的波阵面就形成了波束。波束的形状、偏转角度和聚焦可以通过调整激发晶片的数量和时间来控制。图1为3种基本的相控阵波束控制方式。

相控阵检测探头作为换能器的晶片组合，有3种主要的阵列类型： 线形(线阵列)、面形(二维矩阵)和环形(圆形阵列)，其设计基于惠更斯原理。阵列是换能器晶片的组合,在确定不连续性的大小、形状和方向上比单个或多个换能器系统具有更强的能力，如图2所示。

与面形和环形阵列相比，线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单，容易实现等优点，因此在实际应用中使用较多。环形阵列由于不能进行声束偏转控制，大多应用在医学成像中。二维矩形阵列电路复杂和制作成本高，故主要应用于医用B超上,工业上很少使用。本文主要研究常用的线形阵列的相控阵探头的晶片检查方法。

图1 相控阵探头声束控制

图2 相控阵探头阵元几何排列示意图

2 相控阵线形阵列探头晶片基本参数

线形阵列的相控阵检测探头主要以多个小晶片组成矩形排列。其主要参数为主轴孔径、负轴孔径、晶片间隙、晶片宽度、晶片间距和晶片数量等，如图3所示。

图3 线形阵列晶片排列

主轴孔径(A)： 主轴控制面上被激活晶片的大小。

负轴孔径(W)： 垂直主轴控制面方向上晶片的尺寸，在线形阵列中它不具备控制波束的能力。

晶片间隙(g)： 两个相邻晶片之间的空隙。

晶片宽度(e)： 在一个矩形晶片中，晶片两个边中较短的尺寸。

晶片间距(p)： 阵列中两个相邻晶片中心之间的间距。

晶片数量(n)： 相控阵检测探头中晶片的数量。

3 相控阵检测晶片检查方法

相控阵检测声束控制主要是通过控制晶片来实现的，晶片的状态直接影响到声束的控制。相控阵检测探头中晶片的数量通常是以16、 32、 64和128等形式制作的。众多晶片中是否存在坏死的晶片和晶片增益响应是否能满足相关要求，需要通过特定的工艺方法才能确定。正常晶片如图4所示，坏晶片如图5所示。本文主要介绍3种晶片检查的方法。

图4 正常晶片

图5 坏晶片

3.1 直接接触检测法

直接接触检测法是在不连接楔块的情况下直接与一定厚度的工件耦合，通过观察底面反射回波的情况来判断晶片状态(见图6)。直接接触法检测步骤如下：

(1) 将未连接楔块的相控阵探头均匀地与试块(如ⅡW试块25mm)耦合，以保证相控阵探头与试块中的间隙相一致。

(2) 设置相控阵检测仪器，将扫查方式设置成电子扫查，激发探头所有晶片且每次只激发一个晶片，激发角度为0°。

(3) 调节增益，使得其中的一个晶片的底面反射回波达到一定波幅高度(80% Fsh)。

(4) 调整设备的参数，依次移动指针以逐次激发不同的晶片，记录每个晶片的反射波幅和增益值。

图6 直接接触检测法

3.2 楔块连接检测法

3.2.1 0°楔块连接检测法

楔块连接检测法指将楔块与探头通过耦合剂连接后再与试块耦合，再通过观察回波反射情况来判断晶片状态。

0°楔块连接检测法与直接接触检测法的方法基本一致，只需将0°楔块与相控阵探头连接后再与试块(如ⅡW试块25 mm)均匀耦合，然后观察记录底面反射回波情况。

3.2.2 角度楔块连接检测法

(1) 将相控阵探头与角度楔块(如SA11-N55S-IHC)连接。

(2) 将连接好的楔块放置在带角度的斜面试块上(见图7)。

(3) 在设置中选择5L32-A11探头和SA11-N55S-IHC楔块，将扫查方式设置成电子扫查，再设置激发探头所有晶片且每次只激发一个晶片，激发角度为试块斜面角度。

(4) 调节增益，使得其中的一个晶片的底面反射回波达到一定波幅高度(80%屏幕高度)。

(5) 调整设备的指针参数，依次移动指针以逐次激发不同的晶片，记录每个晶片的反射波幅和增益值。

图7 角度楔块连接检测法

3.3 水浸检测法

水浸检测法是将试块浸泡在水中，将探头浸入水中并与试块保持固定的距离，通过水和试块上表面产生的界面回波情况来判断晶片情况，水浸检测法可以使用未连接楔块的探头直接浸入水中检查，也可以将探头连接上0°楔块浸入水中检查。其聚焦法则的设置方法与直接接触检测法一致。

图8 水浸检测法

4 标准对于相控阵探头晶片的相关要求

4.1 ASME标准要求

在ASTM SE2491(Standard guide for evaluating performance characteristics of phased-array ultrasonic testing instruments and systems)标准中A3.2.8指出探头中未激活的晶片总数和相邻未激活晶片数,需要经约定并在书面规程中明确。A3.2.9指出允许未激活晶片的数量应根据其他性能而定(如聚焦法则中的焦距和偏转限度)，对于无效晶片的允许数量没有具体的规定,通常，如果一个探头上有多于25%的晶片不能被激活，则探头的灵敏度和波束控制能力就会受到影响。对于能激活的晶片，晶片与晶片的波幅增益相差不能超过±2dB。

4.2 ISO标准要求

ISO 18563 (Non-destructive testing -Characterization and verification of ultrasonic phased array equipment-Part 2)对相控阵探头性能有专门要求：

4.2.1 晶片灵敏度要求

对于非矩阵阵列探头，对所有具有相同大小和形状的晶片，其相对灵敏度变化必须在±3 dB范围内。对于环阵列探头，所有差值必须在±4 dB范围内。

对于2D-matrix阵列探头，灵敏度变化要求如表1所示。

表1 可接受2D-matrix阵列探头晶片灵敏度偏离值

4.2.2 晶片频率的要求

所有晶片的平均中心频率必须在标称频率的±10%范围内，每个晶片的中心频率必须在标称频率的±10%范围内。

4.2.3 晶片灵敏度要求

灵敏度变化超过4.2.1节和4.2.2节中描述的范围的晶片称为失效晶片。

对于非矩阵相控阵探头，不接受失效晶片。而对于2D-matrix阵列探头，失效晶片的最大数不能超过如表2所规定的数值。

表2 最大允许的失效晶片数

5 晶片检查方法对比分析

鉴于直接接触检测法、0°楔块连接检测法和水浸检测法的测试方法基本一致，故本文采用直接接触检测法和角度楔块连接检测法进行对比。实验采用Olympus MX2仪器、5L32-A11探头、SA11-N55S楔块。实验效果如图9和图10所示。

从图9和图10可以看出，直接接触检测法和角度楔块连接检测法都能发现探头中有一个晶片未被激活。通过图像对比可以看出，使用直接接触检测法测试比角度楔块连接检测法测试的扇扫显示每个晶片波幅响更为均匀。

图9 直接接触检测法实验效果

图10 角度楔块连接检测法实验效果

直接接触检测法： 使用相控阵探头直接与试块面接触进行晶片检查，方便快捷，检测数据相对较为准确。但是探头直接与试块面接触，使用次数过多会对相控阵探头的保护膜产生磨损，对探头整体会有损伤。

0°楔块连接检测法： 能有效保护探头，检测数据相对较为准确，需要配备与探头相匹配的平面楔块。

角度楔块连接检测法： 可以使用日常使用的楔块直接测试，省去了拆装楔块的步骤，但是探头发射的声束在角度楔块中穿过的声程不一致，能量衰减也不一样，导致测试的数据精确度不高。但可以用于检查探头中晶片是否有坏死的情况。不建议用于评估晶片性能。

水浸检测法： 能够保证测试充分耦合，测试精度高，测试中需要保证探头晶片与水平面垂直。

综上所述，直接接触检测法和0°楔块连接测试法较为简单快捷，检测数据较为准确，适合于现场施工。

6 现场应用

相控阵探头的晶片检查，可简单实用地检测出探头晶片的情况。PAUT检验工程师在进行现场检验前或现场检验完成后，先通过角度楔块连接检测法对相控阵探头进行初步评估，若发现相控阵探头存在异常，再通过直接接触法对探头中的各个晶片进行精准重新评估，根据标准要求确认探头能否继续使用。该检测流程已经成功地在某场地的各PAUT检验的项目中应用，有效地避免了长期使用直接接触法检查晶片造成的探头损伤，同时减少了更换楔块的时间，提高了检查相控阵探头的效率。

7 结 语

直接接触检测法是现场检验中最常规的晶片检查方法，但其检查方法受耦合剂均匀度和检查人员压探头的力度影响，可能存在较小的误差。0°楔块检测法与直接接触检测法相比需要使用0°楔块，但有利于保护探头，使相控阵探头的损耗降低。水浸检测法的优点在于其耦合剂均匀，不受人员操作影响，但操作不方便。可根据实际使用需求，综合考虑选择晶片检查的方法。