管材超声波相控阵高速线性自动检测系统优化*

1 概 述

第一台超声波检测设备ECHOGRAPH-HRPR采用常规超声波检测技术， 被用于检测直径10 ～170 mm 的管材。 该检测系统无机械旋转、 无机械磨损， 检测速度较高， 与之匹配的液浸探头盒为液浸非接触式的可更换探头， 不同尺寸的常规超声波探头用于检测不同直径的管材。 不同直径的管材对应的常规超声探头盒均配有16 个常规超声探头

， 而带有不同曲率的复合探头沿管材环向布置， 每个探头的声场会在管材内部重叠，并使声波沿管体周向和轴向均匀分布， 从而有效保证管体截面得到全覆盖检测。 被检管体直线通过ECHOGRAPH-HRPR 检测系统， 检测系统快速开启和关闭装置， 检测箱内的耦合水也几乎不会有损失， 这就可以保证超声波检测耦合良好，使被检管材的管端检测盲区最小化。 该检测系统的液浸水箱安装在升降台上， 在检测设备的前后均设有V 形辊或三辊定心装置， 以实现管材的平稳运输。 检测过程中的管材位置公差必须尽可能小， 以确保检测的可靠性。

HRPR 检测系统采用了最新的超声波相控阵检测理论和方法， 以实现在高速检测状态下仍能保证较高的检测灵敏度、 高信噪比SNR和较为精确的检测结果， 同时还能降低制造成本和使用成本， 简化操作。 为了满足这些要求并提供最佳解决方案， 满足大多数客户的需求， 德国卡尔德意志检测仪器设备有限公司（KARL DEUTSCH） 最新开发了相控阵超声波管材检测系统ECHOGRAPH-HRPR-PAUT。

上述比较轨迹的实验都是在固定拾放点(0，152.5，-850)→(0，-152.5，-850)进行的，现为验证不同位置的最优轨迹，选取以下点重复4.1节的实验步骤，结果如表3。

最新开发的超声波相控阵管材检测系统ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 从外观上与上一代常规超声波检测系统非常相似， 因此， 极易在常规超声波检测系统的基础上进行升级改造。 常规超声波检测系统的浸入式水箱可以保持不变， 探头盒及探头更换为最新的相控阵探头， 进而保证钢管截面的覆盖率达到100%。 检测原理如图1 所示， 图1 （a） 为处于激活状态的单个相控阵探头， 图1 （b） 为处于激活状态的所有相控阵探头， 新系统在逆时针 （CCW） 方向上实现了超声波检测的全覆盖

， 新系统改进后具有高速并行触发功能， 检测灵敏度更高。

同时该检测系统提供了ECHOVIEW 软件包， 可通过该软件中的交互式向导设置相控阵电子参数， 按照要求管理、 记录、 存储和处理检测参数、 自动分析和处理检测结果数据、 自动生成检测报告、 自动输出分选信号和评判信号， 并支持与远程主机通信、 远程诊断等。

2 检测原理

卡尔德意志的探头开发过程分两种方式， 即根据设备应用和需求进行开发， 或者优化已有的ECHOGRAPH 探头。 通常， 探头的开发应先对探头参数进行预定义， 在实际测试过程中再建模。由于所有ECHOGRAPH 探头均由卡尔德意志内部设计和制造， 因此在批量生产之前， 要在测试机中对预生产的探头样品进行验证

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9月，秋高气爽,硕果累累。清风送来凉爽，天空一片蔚蓝。我和夫人应中国兵器淮海集团的盛情邀请，前往山西长治，参加他们建厂80周年暨军民融合论坛等一系列活动。

最新的相控阵超声波检测系统ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 就很好地解决了上述问题。该系统采用高速线性电子扫描方式， 在信号发射和接收中执行并行和多次重构， 从而提高了检测速度。 在管材圆周方向使用了16 个相控阵探头，可以在管材圆周和轴向同时执行多次扫查。 相控阵探头声束可通过电子控制进行聚焦、 操纵或仿形， 从而增大沿管体圆周方向扫查的灵敏度和均匀度， 同时可以将周向的振幅变化减小到1～3 dB。采用16 个相控阵探头和48 个虚拟探头对管材纵向外部刻槽进行扫查， 管材尺寸为Φ46 mm×4.7 mm，刻槽尺寸为0.2 mm×10 mm。 在探头机械角度调整方面， 新一代的相控阵检测系统与传统超声检测系统一样， 保持了探头盒内所有探头的统一机械角度调整功能， 从而减小电子调整范围，这样设置所需的相控阵探头的电平很低 （通常只有8 个阵元）。 因此， 新开发的ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 仅需256 个并行相控阵通道， 降低了制造成本。

管材通过检测设备过程中， 管材完全浸入耦合水中， 特殊的密封件和密封机构可以保证管材通过的时候耦合水不会大量流失， 从而保证耦合的可靠， 凹形相控阵探头安装在探头盒中。 对于不同直径的管材， 需要使用不同的相控阵探头及探头盒， 将不同直径的管材所使用的探头安装在相应的探头盒中， 可最大程度地缩短探头更换过程中设备的校准时间。

在最新的相控阵超声波检测系统ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 中， 探头被优化为8 阵元相控阵探头， 其外壳尺寸和总长与常规超声探头相同， 只需更换常规超声检测系统的探头盒和超声波电子系统， 即可执行相控阵检测系统的检测功能。此外， 通过对探头盒内的探头所产生的超声信号进行分组， 可实现与超声电子设备通过单电缆连接，从而缩短了切换检测参数的时间。

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相控阵可视化界面如图6 所示， 通过设置每个虚拟探头的基本参数， 并创建相控阵探头的扫描模式， 红色表示一个声束 （虚拟探针）的激活阵元组， 通过激活阵元组可以分析评估管材中的多次折射 （绿色显示声程路径）， 其中主要检测参数包括： ①管材尺寸 （直径和壁厚）； ②扫描模式 （在一个相控阵探头内进行线性扫描， 在一个相控阵探头内进行重叠扫查的次数）； ③水层厚度； ④扫查角度和焦点形状， 主要用于声束建模； ⑤延迟法则； ⑥A 扫描起始点和宽度； ⑦内部和外部缺陷的测量范围 （闸门设置）； ⑧基本增益 （模拟和数字增益）； ⑨TCG 特性； ⑩阈值和触发

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探头阵元之间存在细微的灵敏度差异， 为了尽可能缩小各个探头之间的灵敏度差异， 需要分别对每个探头进行配平， 此功能还可缩小因探头老化产生的灵敏度差异， 用户也可以根据其操作规程设置相应的配平标准

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在每个探头盒中， 所有探头的中心角度均可调节， 探头角度是经过机械预设的， 用于检测纵向缺陷， 从而提供最佳的入射角度。 通过使用相控阵技术进行电子聚焦、 声束控制和成形， 可以提供圆周方向上的检测灵敏度。 相控阵探头配置的可视化界面如图3 所示， 红色表示一个声束（虚拟探针） 的激活阵元组， 根据图3 可以对信号在管材中的折射进行分析 （绿色显示声程路径）。 相控阵声束的重叠数量大大高于使用常规超声单晶探头的发射数量。

如果使用完整环形相控阵探头， 则检测设备需要更多的阵元数量。 当分别沿顺时针和逆时针方向进行扫查时， 应保持阵元间距为0.5 ～1 mm。 直径为120 mm 的管材通常需要1 024 个检测通道， 由此导致探头和电子设备的成本大大提高。 因此， 应采用最新的相控阵超声波检测系统ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 进行线性管材的相控阵检测， 此外， 该扫查方法还可用于管材100%的壁厚监控。

3 相控阵探头开发

超声波相控阵检测系统ECHOGRAPHHRPR-PAUT 使用浸入式水箱， 采用传统常规超声波系统ECHOGRAPH-HRPR 的成熟理念， 管材检测机械系统如图2 所示。 第一个检测箱包含用于顺时针 （CW） 方向的探头盒， 第二个检测箱包含用于逆时针 （CCW） 方向的探头盒， 还可以将用于测量壁厚及测定夹层的直探头添加到其中一个探头盒中。

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4 数据管理软件ECHOVIEW

ECHOVIEW 软件提供了相控阵系统的参数设置功能以及客户需要的数据管理功能， 同时还可以链接到客户工厂的上位机或本地自动化系统。

4.1 ECHOGRAPH-PAUT 参数设置

管材表面两个相同的刻槽 （深度为0.2 mm）扫查结果

的回波动态图如图4 所示， 图中分别显示了一个相控阵探头和一个虚拟探头的扫查结果， 其信噪比SNR 较好， 图4 中沿圆周方向的动态波形为单个虚拟探头的覆盖范围， 可见单个虚拟探头的覆盖范围良好。

将所有单个探头配置合并到检测设置中， 其中主要考虑所有虚拟探针的发射顺序、 传输模式下的并行扫查及最佳脉冲重复频率。 如具有2×16 个相控阵探头的多窗口同步显示图 （16 个相控阵探头， 分顺时针方向和逆时针方向）， 32 个相控阵探头的A 扫图如图7 所示。

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4.2 相控阵探头的阵元配平

常规超声波检测系统使用16 个单晶探头，每个圆周方向组合了16 个重叠的声场， 这些声场的间隙应尽可能小， 从而保证能进行可重叠缺陷检测。 实际上， 随着管材直径和壁厚的变化， 波高波动差大约为3～6 dB， 动态波形如图5 所示。 与其他管材检测系统一样， 对于内部缺陷和外部缺陷， 调整常规超声探头的入射角较难， 特别是对于厚壁管， 要找到最佳的入射角就更加困难

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4.3 虚拟探头配平

虚拟探头自动化配平功能是通过静态模式中的人工刻槽调整每个虚拟探头和每个相控阵探头的灵敏度。 ECHOVIEW 软件会自动配平， 并减小与预设目标值的灵敏度差， 并相应地调整配平所需的增益值， 对于既定的管材尺寸， 配平后的设置最终会存储在数据库

。 根据管材超声波相控阵检测程序， 定期使用标准样品在动态模式下以额定检测速度（1～2 m/s）检查探伤灵敏度。 如果未正确检测到任何一个人工缺陷， 则必须再次检查和调整、 修改虚拟探头灵敏度。

4.4 批量检测参数设置

对于新的样管批量检测， 必须加载批量检测数据和指定的检测参数。 在ECHOVIEW 的设置菜单中有专门的设置窗口， 可以从窗口的下拉列表中选择并加载对应的检测配置， 也可以重新设置参数。 除了可以手动输入批次信息外， 还可以从客户的生产管理系统或上位机自动接收数据。

4.5 测试结果

使用ECHOVIEW 数据管理软件模块可以实时显示检测结果， 检测结果如图8 所示， 其中黑色、绿色/红色为缺陷线性图， 蓝色/红色为耦合监控，软件窗口布局可以自定义。 检测结果以线性图形显示， 图中显示了被测管材的长度、 管材上缺陷的位置和波幅等信息。 多个不同的线性图汇总了所有探头的检测结果， 同时还显示耦合监控功能。显示界面还可以为沿周向分布的探头提供各自独立的线性图， 也可以区分显示内部缺陷和外部缺陷的线性图。 典型的线性检测结果图包括： ①纵向内部缺陷的顺时针方向线性图； ②纵向内部缺陷的逆时针方向线性图； ③管体内壁纵向缺陷检测图； ④纵向外部缺陷的顺时针方向的线性图； ⑤纵向外部缺陷的逆时针方向的线性图； ⑥管体外壁纵向缺陷检测图； ⑦顺时针探头耦合监控线性图；⑧逆时针探头耦合监控线性图

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4.6 工件检测数据包及检测报告

每个检测结果都存储在数据库文件中， 生成工件数据包， 同时也可离线生成检测报告。 一个典型的零件检测报告应显示两个缺陷线性图和两个耦合监控线性图， 如图9 所示。

5 结 论

（1） 通过对常规超声波检测系统进行升级，可以显著提高各探头或探头阵元检测灵敏度的均匀性， 提高相控阵检测结果的可视化程度， 探头调整由机械调整更新为电子调整， 调整方式简化， 缩短了调整时间。

（2） 由于检测设备机械运动原理保持不变，因此该系统最重要的优点得以保留。 与带有旋转探头的检测设备相比， 该设备没有机械旋转， 机械磨损较小。 采取全新的方法来对管材进行线性超声波扫查， 从而实现对管材全截面的纵向缺陷检测。 相控阵探头的阵元总数以及所需通道数量也保持相对较小的数值， 且相控阵探头可以与其他探头组合使用。

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