一种用于相控阵超声探头楔块磨损有效性的测试及评价方法与流程

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种用于相控阵探头楔块磨损有效性的测试及评价方法。

背景技术：

相控阵超声检测技术是目前国内外无损检测技术发展的新方向，新动力、是最先进的检测技术之一。相控阵超声技术是利用电子方式控制相控阵超声探头的声束来实现超声波发射、接收的方法。相控阵超声探头晶片是由多个小晶片构成，每个小晶片又称为阵元。每个阵元能被独立的激发，并施加不同的时间延迟，所有阵元发射的超声波形成一个整体波阵面，能够实现动态聚焦，并能有效地控制发射超声束的形状和方向。它为确定缺陷的形状、大小和方向提供出比单个或多个常规超声波探头系统更大的能力。相控阵超声检测技术具有成像功能，检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描、S扫描、E扫描及P扫描等，直观易懂，存储的数据具有动态回放功能，并且还能记录扫查位置。这些功能是常规超声检测技术难以做到的。

相控阵超声检测技术已经在我国开始应用，例如在西气东输管道工程检测管道环焊缝，在安徽六安和安庆火力发电厂检测薄壁小径管环焊缝，对汽轮机叶片根部和涡轮圆盘的检测、火车轮轴检测、核电站主泵隔热板的检测等等，有着巨大的应用空间，体现出相控阵超声检测的优越性。

相控阵超声探头中的楔块在实际使用易磨损，造成缺陷定位偏差及影响扇形扫描角度偏转范围等。目前国外无损检测标准没有提到楔块磨损的测试方法，国内标准中JB/T11731《无损检测超声相控阵探头通用技术条件》有楔块波束角的测试方法，就是楔块角度的测试方法，相当于楔块磨损有效性的测试，但是这种方法采用试块进行测试的，仅在楔块底面一个部位测量楔块角度，对于未受磨损的楔块采用这种方法是可行的，而现场检测时楔块是受到磨损的，并且整个楔块底面都受到磨损，在楔块底面不同部位受磨损的程度各不相同，所以仅测量楔块底面一个部位是不合理的。另外JB/T11731标准中楔块角度测试方法仅适用于平面楔块，对于曲面楔块不适用。

采用试块法测量相控阵探头楔块磨损的有效性，属于实验室的测试方法，试块比较重，不便于现场携带，在检测过程中使用此法不方便，不适用于现场检测应用。

技术实现要素：

为了克服现有相控阵探头楔块波束角(即楔块角度)的测试方法不足，本发明提出了一种用于相控阵超声探头楔块磨损有效性的测试及评价方法。该测试方法适用于现场检测应用，能及时测试楔块磨损的严重程度，为相控阵超声技术应用提供保障措施。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

一种用于相控阵超声探头楔块磨损有效性的测试及评价方法，采用相控阵超声仪器激发相控阵探头晶片中阵元(小晶片)产生超声波入射到相控阵探头楔块底面产生的回波信号，通过测量回波信号的深度值或声程值并计算出楔块角度来判定楔块磨损的严重程度，进而判定楔块应用的有效性。

所述的相控阵探头楔块磨损有效性测试步骤包括：

第一步 将被测试的相控阵探头楔块安装在规格相同的相控阵探头晶片上；

第二步 将安装好的相控阵探头与相控阵超声仪器相连；

第三步 进行参数设置；

第四步 通过相控阵超声仪器激发相控阵探头中每个晶片，产生A扫描信号；

第五步 选择某个晶片产生的A扫描信号，进行优化A扫描波形；

第六步 测试及评价

(1)激发每一个晶片，确认幅度最高的晶片序号；

(2)将幅度最高的晶片波高调整到大于满屏高度的40％，此时的波高为基准波高；

(3)保持基准波高的灵敏度不变，测试每一个晶片的A扫描波形信号，并记录该晶片距离楔块底面的垂直距离h_n或声程值S_n，其中n为自然数；

(4)计算相控阵探头的主动孔径A：A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p

其中，e为阵元的宽度，p为相邻两晶片(阵元)中心线之间的距离，g为相邻两晶片(阵元)之间的间隙，n为晶片数量；

(5)根据每个晶片对应的垂直距离或声程值，计算Δh值或ΔS值；其中，Δh值为每个晶片对应的垂直距离差，ΔS值为每个晶片对应的声程值差；

(6)计算楔块磨损后的角度α：α＝Arcsin(Δh/A)或α＝Arctg(ΔS/A)，测试若干次取平均值；

(7)对楔块磨损后的楔块角度进行评价：当实际测量的楔块角度与楔块标称值偏差范围控制在-2°～+2°，不必更换楔块；当实际测量的楔块角度与楔块标称值偏差超出±2°时，应更换楔块或对楔块进行修磨。

所述相控阵超声探头楔块为平面楔块或曲面楔块。

优选的，α角度应计算三个值，取其平均值为楔块磨损后的角度，即：

(1)利用第一个晶片对应的距离值与最后一个晶片对应的距离值计算α₁角度；

(2)将所有晶片平均分为两段，分别利用前后两段晶片对应的距离值计算α₂和α₃角度。

优选的，第三步所述参数设置包括：

(1)激发电压选择最低级别；

(2)工件厚度设置为最小值或稍大于楔块的厚度；

(3)材料声速设置为楔块声速；

(4)入射角选择0度角或与晶片阵列垂直的角度；

(5)测量值选择深度值或声程值，测量方式选择波峰点；

(6)激发晶片数选择为1。

优选的，第五步所述A扫描波形通过调节滤波器及脉冲宽度优化。

优选的，第六步所述将幅度最高的晶片波高调整到满屏高度的80％设置为基准波高。

本发明的积极效果在于：本发明方法操作简单、实用，便于携带，无辐射，无污染，在检测过程中能及时测试楔块磨损的严重程度，能马上判定楔块是否可继续应用，能保证缺陷准确定位及扇形扫描角度偏转范围。

附图说明

附图1为本发明方法楔块中每个晶片对应的距离值及楔块角度示意图；其中：A—主动孔径，S—声程值，h—深度值，α—楔块角度；

附图2为本发明方法所测试的相控阵探头晶片结构示意图；其中：e—晶片的宽度，p—相邻两晶片中心线之间的距离，g—相邻两晶片之间的间隙，W—晶片的长度，n—晶片数量；

附图3为本发明方法所测试的相控阵探头楔块的示意图；其中：W1—楔块顶面宽度，W2-楔块底面宽度，H1—楔块前端高度，H2—楔块后端高度，α—楔块角度，offset(边距)--第一个晶片距楔块后端的距离。

具体实施方式

现有国内无损检测标准中规定的相控阵超声探头楔块磨损有效性的测试方法基本上都是实验室方法，即需要的辅助器件试块，不便于在检测现场实际应用，所以本发明提出一种操作简单、实用、便于在现场应用的相控阵超声探头楔块磨损有效性的测试及评价方法。

检测方法

采用相控阵超声仪器激发相控阵探头晶片中阵元(小晶片)产生超声波入射到相控阵探头楔块底面产生的回波信号，通过测量回波信号的深度值或声程值并计算出楔块角度来判定楔块磨损的严重程度，进而判定楔块应用的有效性。

实施例1：

实施例1是曲面楔块，测试一个编号为7.5MHzS16-0.5×10W39/D60的相控阵探头楔块磨损有效性，该探头具体参数是：楔块的曲率半径为30mm，楔块的角度为39度。频率为7.5MHz、晶片数(阵元数)n为16个晶片、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm，阵元宽度e为0.4mm，相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm，阵元的长度为10mm，晶片的曲率半径为35mm。

所述的相控阵超声仪器是采用具有扇形扫描和线性扫描功能的ISONIC-PA-2009相控阵超声仪器；

所述的相控阵探头是采用编号为7.5MHzS16-0.5×10W39/D60的探头，即:

(1)晶片参数：频率为7.5MHz、晶片数(阵元数)n为16、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm、阵元的宽度e为0.4mm、相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm，阵元的长度为10mm，晶片的曲率半径为35mm。

(2)楔块参数：楔块的曲率半径为30mm，楔块角度(α)为39°，楔块声速为2337m/s，边距(offset)为2mm，楔块顶面宽度(W1)为8.11mm，楔块底面宽度(W2)为18mm，楔块前端高度(H1)为10mm，楔块后端高度(H2)为2mm。

相控阵探头晶片的选择是采用规格相同且具有厂家合格证的相控阵探头晶片。

所述的相控阵探头楔块磨损有效性测试步骤包括：

第一步 将相控阵探头晶片安装在被测试的7.5MHzS16-0.5×10W39/D60相控阵探头楔块上；

第二步 将安装好的相控阵探头与相控阵超声仪器相连；

第三步 进行参数设置

(1)激发电压选择最低级别，本实施例激发等级选择为1；

(2)工件厚度设置为稍大于楔块的厚度，即20mm；

(3)材料声速设置为楔块声速，即为2337m/s；

(4)入射角选择0度角与晶片阵列垂直的角度；

(5)测量值选择深度值或声程值，测量方式选择波峰点；

(6)激发晶片数选择为1，从第一个晶片开始激发。

第四步 通过相控阵超声仪器激发相控阵探头中每个晶片，产生A扫描信号；

第五步 选择2#晶片产生的A扫描信号，将滤波器低频设置为6.1MHz、滤波器高频设置为9.1MHz及脉冲宽度设置为75ns等，进行优化A扫描波形，使A扫描信号达到最佳状态；

第六步 开始测试

(1)先从第一个晶片开始激发，直到最后一个晶片，确认幅度最高的晶片序号为2#。

(2)将幅度最高的2#晶片波高调整到满屏高度的80％，增益值为58dB，此时的波高为基准波高。

(3)保持基准波高的增益值(灵敏度)58dB不变，从第一个晶片开始激发，激发第一个晶片时会产生一个A扫描波形信号，将闸门移到A扫描信号上，此时从测量值中读出“该晶片距离楔块底面的垂直距离(h₁)或声程值(S₁)”，记下第一个晶片对应的数值(h₁或S₁)；然后激发第二个晶片，同样再记下第二个晶片对应的数值(h₂或S₂)；以此类推，直到激发最后一个晶片，记下最后一个晶片对应的数值(h_n或S_n)为止，见图1所示。

所述的根据测试结果计算楔块磨损后的角度(α)，其特征是：

(1)计算相控阵探头主动孔径A

A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p

A_1-16＝(16-1)×0.5＝7.5mm

A_1-8＝(8-1)×0.5＝3.5mm

A_9-16＝(8-1)×0.5＝3.5mm

(2)计算Δh＝h_n–h，ΔS＝S_n-S₁，采用深度值计算，即：

根据第1个晶片、第8个晶片、第9个晶片及第16个晶片对应的深度值，计算Δh值。

Δh₁＝8.7-3.9＝4.8，Δh₂＝5.9-3.9＝2，Δh₃＝8.7-6.4＝2.3

(3)计算α

α＝Arcsin(Δh/A)

根据公式计算α。

α角度应计算三个值，取其平均值为楔块磨损后的角度。即：

①第1个晶片对应的距离值与第16个晶片对应的距离值，计算的α₁角度，即α₁＝Arcsin(Δh₁/A_1-16)＝39.8°；

②第1个晶片对应的距离值与第8个晶片对应的距离值，计算的α₂角度，即α₂＝Arcsin(Δh₂/A_1-8)＝34.8°；

③第9个晶片对应的距离值与第16个晶片对应的距离值，计算的α₃角度，即α₃＝Arcsin(Δh₃/A_9-16)＝41.1°；

④取三个角度平均值，即α＝38.6°。

所述的相控阵探头楔块磨损有效性的评价就是对楔块磨损后的楔块角度的判定：当实际测量的楔块角度与楔块标称值偏差范围控制在-2°～+2°，不必更换楔块；当实际测量的楔块角度与楔块标称值偏差超出±2°时，应更换楔块或对楔块进行修磨。

计算结果α＝38.6°，楔块角度标称值为39°，两者相差0.4°，符合评价规律，不必更换楔块。

实施例2：

实施例2是平面楔块，测试一个编号为104379的相控阵探头楔块磨损有效性，该探头具体参数是：楔块的角度为36度。频率为5MHz、晶片数(阵元数)n为32个晶片、相邻两晶片(阵元)中心线间距p为0.5mm，晶片(阵元)宽度e为0.4mm，相邻两晶片(阵元)之间的间隙g为0.1mm，晶片(阵元)的长度为10mm。

所述的相控阵超声仪器是采用具有扇形扫描和线性扫描功能的ISONIC-PA-2009相控阵超声仪器；

所述的相控阵探头是采用编号为104379的相控阵探头，即:

(1)晶片参数：频率为5MHz、晶片数(阵元数)n为32个晶片、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm，阵元的宽度e为0.4mm，相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm，阵元的长度为10mm。

(2)楔块参数：楔块角度(α)为36°，楔块声速为2337m/s，边距(offset)为2.77mm，楔块顶面宽度(W1)为15.87mm，楔块底面宽度(W2)为32.6mm，楔块前端高度(H1)为18.5mm，楔块后端高度(H2)为6.35mm。

相控阵探头晶片的选择是采用规格相同且具有厂家合格证的相控阵探头晶片。

所述的相控阵探头楔块磨损有效性测试步骤包括：

第一步 将相控阵探头晶片安装在被测试的104379编号的相控阵探头楔块上；

第二步 将安装好的相控阵探头与相控阵超声仪器相连；

第三步 进行参数设置

(1)激发电压选择最低级别，本实施例激发等级选择为1；

(2)工件厚度设置为稍大于楔块的厚度，即30mm；

(3)材料声速设置为楔块声速，即为2337m/s；

(4)入射角选择0度角与晶片阵列垂直的角度；

(5)测量值选择深度值或声程值，测量方式选择波峰点；

(6)激发晶片数选择为1，从第一个晶片开始激发。

第四步 通过相控阵超声仪器激发相控阵探头中每个晶片，产生A扫描信号；

第五步 选择1#晶片产生的A扫描信号，将滤波器低频设置为1.9MHz、滤波器高频设置为5.2MHz及脉冲宽度设置为125ns等，进行优化A扫描波形，使A扫描信号达到最佳状态；

第六步 开始测试

(1)先从第一个晶片开始激发，直到最后一个晶片，确认幅度最高的晶片序号为1#。

(2)将幅度最高的1#晶片波高调整到满屏高度的80％，增益值为30dB，此时的波高为基准波高。

(3)保持基准波高的增益值(灵敏度)30dB不变，从第一个晶片开始激发，激发第一个晶片时会产生一个A扫描波形信号，将闸门移到A扫描信号上，此时从测量值中读出“该晶片距离楔块底面的垂直距离(h₁)或声程值(S₁)”，记下第一个晶片对应的数值(h₁或S₁)；然后激发第二个晶片，同样再记下第二个晶片对应的数值(h₂或S₂)；以此类推，直到激发最后一个晶片，记下最后一个晶片对应的数值(h_n或S_n)为止，见图1所示。

所述的根据测试结果计算楔块磨损后的角度α，其特征是：

(1)计算相控阵探头主动孔径A

A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p

A_1-32＝(32-1)×0.5＝15.5mm

A_1-16＝(16-1)×0.5＝7.5mm

A_17-32＝(16-1)×0.5＝7.5mm

(2)计算Δh＝h_n–h，ΔS＝S_n-S₁，采用深度值计算，即：

根据第1个晶片、第16个晶片、第17个晶片及第32个晶片对应的深度值，计算Δh值。

Δh₁＝16.9-8.2＝8.7，Δh₂＝12.6-8.2＝4.4，Δh₃＝16.9-13＝3.9

(3)计算α

α＝Arcsin(Δh/A)

根据公式计算α。

α角度应计算三个值，取其平均值为楔块磨损后的角度。即：

①第1个晶片对应的距离值与第32个晶片对应的距离值，计算的α₁角度，即α₁＝Arcsin(Δh₁/A_1-32)＝34.1°；

②第1个晶片对应的距离值与第16个晶片对应的距离值，计算的α₂角度，即α₂＝Arcsin(Δh₂/A_1-16)＝35.9°；

③第17个晶片对应的距离值与第32个晶片对应的距离值，计算的α₃角度，即α₃＝Arcsin(Δh₃/A_17-32)＝31.3°；

④取三个角度平均值，即α＝33.8°。

所述的相控阵探头楔块磨损有效性的评价就是对楔块磨损后的楔块角度的判定：当实际测量的楔块角度与楔块标称值偏差范围控制在-2°～+2°，不必更换楔块；当实际测量的楔块角度与楔块标称值偏差超出±2°时，应更换楔块或对楔块进行修磨。

计算结果α＝33.8°，楔块角度标称值为36°，两者相差2.2°，符合评价规律，应更换楔块或对楔块进行修磨。

本发明相控阵超声探头楔块磨损有效性的测试及评价方法的特点：

(1)本发明方法操作简单、实用、便于现场应用；

(2)本发明方法不需要试块辅助工具；

(3)本发明方法无辐射、无污染；

(4)本发明方法及时测试楔块磨损的严重程度，能马上判定楔块是否可继续应用，能保证缺陷准确定位及扇形扫描角度偏转范围。

(5)本发明方法不仅适用于平面楔块的相控阵探头，也适用于曲面楔块的相控阵探头。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。