专利名称：一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法，采用多个凹面相控阵换能器、高压开关阵列及多通道相控阵发射接收系统实现动态聚焦，使聚焦声束对管(棒)材进行快速扫描，对纵向和横向缺陷实现在线检测。
背景技术：
管(棒)材在生产过程中，由于多种原因会在其内部形成裂纹等缺陷，对安全生产存在极大的安全质量隐患，因此管(棒)材质量检测是出厂前检测的一个重要环节。在常规超声检测技术中，管材检测时需要管材在沿轴向运动的同时不断地旋转(检测探头不转)，或者检测探头不断地旋转(管材只需沿轴向平动)，这种管材或探头必须旋转的目的是让超声探头的辐射声束能够实现对管材各部位的扫描和检测。这种常规检测方式不仅因机械旋转导致检测速度低，而且检测信噪比低，检测结果不稳定，经常受到时间和环境的影响。特别是对管材内壁上的裂纹，经常出现漏检和误检。因而，在钢厂管材质量检测中，迫切需要一种快速可靠的无损检测技术。超声相控阵检测技术是近年发展起来的一种超声无损检测技术，这种技术能提高检测速度和检测信号的信噪比，具有快速、可靠、准确等特点。超声相控阵技术最主要的特点是采用超声阵列发射和阵列接收的方式，通过控制阵列上各个阵元激励信号的延时和幅度，以生成不同形式的电控声场，采用电子调焦手段能很方便地控制声束的形状和方向，实现动态聚焦、扫描和检测。将超声相控阵技术应用于管材检测，就能使相控阵聚焦声束在管材内实现快速旋转和扫描，使电子声束的高速旋转代替管材或探头的机械旋转方式，相控阵电子聚焦声束高速旋转并实现对管材内每一部位进行动态扫描和检测。超声相控阵技术的出现在提高管材在线检测精度的同时大大提高了检测速度。用于管材在线检测的超声相控阵换能器探头至关重要，不同类型的相控阵换能器具有不同的聚焦特性。必须针对具体的管材尺寸来设计相控阵换能器探头。目前，国外已有将超声相控阵技术应用于管材在线检测的仪器和设备，但存在技术上的封锁，对用于管材检测的相控阵换能器的指标和参数进行严格的保密。在国内，本专利申请的发明人曾针对管材检测开展过单个凹面相控阵换能器探头聚焦特性的理论研究，分析了单个凹面相控阵换能器的声聚焦性能与换能器阵元大小等几何尺度的关系。然而，单个凹面相控阵换能器是不能对管材进行全覆盖扫描，更不能对纵向和横向缺陷同时进行扫描与在线检测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于为管(棒)材可靠的在线检测提供一种管 (棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法。通过采用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，同时，利用高压开关阵列、多通道相控阵发射接收系统及多个凹面相控阵探头，在不同时刻控制不同的换能器阵元进行发射与接收，实现动态聚焦与扫描。这种扫描方式能够克服单个凹面相控阵探头聚焦声束在扫描区域上的限制，从而实现管材的
5全覆盖扫描，并同时实现对纵向和横向缺陷的扫描与检测。另外，本发明通过多个凹面相控阵换能器探头的组合方式以及高压开关阵列的控制，使相控阵聚焦声束在管材内全覆盖高速旋转和扫描，采用这种相控阵聚焦声束的电子旋转方式，完全避免常规检测方式中管材和超声探头之间的机械旋转方式，提高检测精度的同时大大提高了检测速度。为了实现上述目的，本发明的一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统，包括多个凹面相控阵探头、高压开关阵列、多通道相控阵发射接收系统以及控制系统。通过在管材周围设置多个凹面相控阵换能器探头，利用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，同时通过高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统， 在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器探头阵元发射和接收声信号，使相控阵聚焦声束在管材内全覆盖高速旋转和扫描。首先，在垂直于管材中心线的平面上设置多个凹面相控阵换能器探头，并使该多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，以进行管材内的纵向缺陷的扫描和检测，每个凹面相控阵换能器探头具有多个阵元，使所有凹面相控阵换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材，其中，每个阵元单独发射和接收声信号， 各个阵元发射信号的幅度和时延由控制系统进行计算机控制；通过所述高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，由于在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向各不相同，随着时间上的快速切换，各个凹面相控阵的聚焦声束在管材内形成快速的查扫，通过对管材周围空间的全方位查扫，从而实现对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测；然后，设置多个与管材中心线呈一定角度的所述凹面相控阵换能器探头，以进行管材内的横向缺陷的扫描和检测，每个探头所在平面与管材中心线的夹角α处在纵波临界角和横波临界角之间，每个探头在管材圆周方向上均勻分布，利用高压开关阵列不停地快速切换控制多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，通过多个凹面相控阵探头对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。其中，设置在垂直于管材中心线的平面上的所述凹面相控阵换能器探头数量，可根据管材的直径大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。设置在相对于管材中心线倾斜呈一定夹角α的平面上的所述凹面相控阵换能器探头的数量，也可根据管材大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。另外，所述多通道相控阵发射接收系统的独立通道数可根据管材大小及检测速度进行设置。优选每个所述凹面相控阵换能器探头对应的相控独立通道数η为8 64。另外，本发明的一种管(棒)材超声相控阵在线检测方法，包括如下步骤1)在垂直于管材中心线的平面上设置多个凹面相控阵换能器探头，并使该多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，以进行管材内的纵向缺陷的扫描和检测，每个凹面相控阵换能器探头具有多个阵元，使所有凹面相控阵换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材，其中，每个阵元单独发射和接收声信号，各个阵元发射信号的幅度和时延由控制系统进行计算机控制；2)通过高压开关阵列不停地快速切换控制多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的换能器阵元发射和接收声信号，由于在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向各不相同，随着时间上的快速切换，各个凹面相控阵的聚焦声束在管材内形成快速的查扫，通过对管材周围空间的全方位查扫，从而实现对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测；3)相对于管材中心线倾斜地放置设置多个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面与管材中心线相交α角度，以进行管材内的横向缺陷的扫描和检测，每个所述凹面相控阵换能器探头所在平面与管材中心线的夹角α处在纵波临界角和横波临界角之间，多个探头均勻地分布在管材周围方向上，利用高压开关阵列不停地快速切换控制多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，通过多个凹面相控阵探头对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。本发明的一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法的有益效果在于首先，本发明采用凹面超声相控阵换能器阵列发射和阵列接收声信号，通过控制各阵元上激励信号的延时和幅度，以生成不同形式的电子聚焦声束，采用电子调焦手段方便快速地控制聚焦声束的形状和方向，在管材内实现动态聚焦、扫描和检测，能对管材的每一部位进行动态扫描。其次，采用了多个凹面相控阵换能器探头均勻分布在管材周围实现360度方位的全覆盖扫描，每个凹面相控阵换能器探头都由多个独立通道来控制发射和接收声信号，通过高压开关阵列电路不停地快速切换，相控阵聚焦声束在管材内高速旋转。在不移动相控阵换能器探头位置的情况下，能对管材的每一部位进行扫描和检测，从而在整个检测过程中不需要管材和探头之间的旋转方式，只需管材沿其轴向平动即可进行纵向缺陷的扫描和检查，避免了由于旋转过程带来的不稳定因素，提高了检测精度及稳定性等因素，同时也大大提高了管材的在线检测速度。而且，针对横向缺陷，提出了采用多个凹面相控阵换能器探头相对管材倾斜放置， 使聚焦声束在360度范围内对横向缺陷进行扫描与检测，这种扫描与检测方式同样避免了管材与凹面探头之间的相对旋转运动。这样，利用设置在管材外围不同平面上的多个凹面相控阵换能器探头，就能在360多范围内同时对管材中的纵向缺陷和横向缺陷进行快速扫描和在线检测。另外，相控阵检测技术还具有聚焦接收等功能，通过对接收的阵列信号进行不同延时和幅度的叠加，使缺陷信号的信噪比得到很大程度的提高，一些在单发单收情况下比较弱的缺陷信号通过聚焦接收后能提高很多倍。而且，相控阵技术还具有多波束合成和动态变迹等处理技术，能得到多条合成波束，从而能得到高分辨率的检测图像。
图1是本发明的一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统构成示意图。图2是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及方法中的频率为3. 5MHz的凹面相控阵换能器探头外形照片。图3是本发明的一个实施方式的用于外径为30mm 80mm的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及方法中的具有128阵元的凹面相控阵换能器探头的剖面图。图4是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及方法中的凹面相控阵换能器16个阵元形成的相控阵聚焦声束示意图。图5是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测方法中的对横向
7缺陷进行扫描时凹面相控阵换能器探头的布置方式示例。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明的一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法进行详细的说明。图1是本发明的管(棒)材超声相控阵在线检测系统构成示意图。如图1所示， 本发明的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，包括多个凹面相控阵探头、高压开关阵列、 多通道相控阵发射接收系统以及控制系统。通过在管材周围设置多个凹面相控阵换能器探头，利用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，同时通过高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，使相控阵聚焦声束在管材内全覆盖高速旋转和扫描，无需管材和探头之间的机械旋转，就可实现对纵向和横向缺陷的扫描与检测。本发明的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，首先在垂直于管材中心线的平面上设置多个凹面相控阵换能器探头，并使该多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，以进行管材内的纵向缺陷的扫描和检测，每个凹面相控阵换能器探头具有多个阵元，使所有凹面相控阵换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材，其中，每个阵元单独发射和接收声信号，各个阵元发射信号的幅度和时延由控制系统进行计算机控制；通过所述高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，由于在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向各不相同，随着时间上的快速切换，各个凹面相控阵的聚焦声束在管材内形成快速的查扫，通过对管材周围空间的全方位查扫，从而实现对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测；然后，设置多个与管材中心线呈一定角度的所述凹面相控阵换能器探头，以进行管材内的横向缺陷的扫描和检测，每个探头所在平面与管材中心线的夹角α处在纵波临界角和横波临界角之间，每个探头在管材圆周方向上均勻分布，利用高压开关阵列不停地快速切换控制多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，通过多个凹面相控阵探头对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。其中，所述角度α，根据检测时的耦合水和不同材质的管棒材两种介质及其交界面的情况，来相应地调整其取值，例如，当声波从水入射到钢材料中时，纵波临界角为14. 7 度，横波临界角为27. 6度，则该情况下的管材检测时的角度α就取值为14.7度< α < 27. 6 度。另外，设置在垂直于管材中心线的平面上的所述凹面相控阵换能器探头数量，可根据管材的直径大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。设置在相对于管材中心线倾斜呈一定夹角α的平面上的所述凹面相控阵换能器探头的数量，也可根据管材大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。另外，所述多通道相控阵发射接收系统的独立通道数可根据管材大小及检测速度进行设置。优选每个所述凹面相控阵换能器探头对应的相控独立通道数η为8 64。另外，上述构成的本发明的管(棒)材超声相控阵在线检测系统的在线检测方法， 包括如下步骤
1)首先，在垂直于管材中心线的平面上设置多个凹面相控阵换能器探头，并使该多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，以进行管材内的纵向缺陷的扫描和检测，每个凹面相控阵换能器探头具有多个阵元，使所有凹面相控阵换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材，其中，每个阵元单独发射和接收声信号，各个阵元发射信号的幅度和时延由控制系统进行计算机控制。图2是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及方法中的频率为3. 5MHz的凹面相控阵换能器探头外形照片。每个换能器阵元的大小等参数都与管材大小有关，可采用多个凹面相控阵换能器，使所有换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材。单个凹面相控阵换能器探头不能对管材在周向上实现360范围的扫描和检测，需要采用多个凹面相控阵换能器探头联合使用。不同管径的管材，所需要的凹面相控阵探头的个数并不相同。图3是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及方法中的具有128阵元的凹面相控阵换能器探头的剖面图。其探头设计针对了外径 (30-80)mm的管材，我们设计并研制出了 6个这种凹面相控阵换能器探头，这种凹面相控阵换能器具有1 个阵元，每个阵元的中心频率为3. 5MHz，它们均勻分布在半径为64. 75mm 的圆周上，每个凹面相控阵换能器探头的所有阵元所形成的圆心角为71. 45度，将6个这种凹面相控阵换能器探头均勻分布在管材周围，使换能器所有阵元包围管材周围空间。每个凹面相控阵换能器探头仍然由16个独立通道控制，以形成相控阵聚焦声束进行扫描，即每个凹面相控阵探头控制60度的扇区进行扫描和检测。这样，6个均勻分布在管材周围的凹面相控阵换能器探头，各自进行60度扇区的扫描和检测，从而实现对管材周围空间的全方位查扫，避免了管材和探头之间的机械旋转方式。另外，对于外径为30mm以下的管材，可以采用4个凹面相控阵换能器探头，每个凹面相控阵换能器探头具有96个阵元，中心频率为3. 5MHz，所有阵元均勻分布在半径为 22. 9mm的圆周上，每个凹面相控阵换能器探头的所有阵元所形成的圆心角为142. 5度。将 4个这样的凹面相控阵换能器探头分布在管材周围，使换能器所有阵元包围管材周围空间。 每个凹面相控阵换能器探头都由16个独立通道控制，以形成相控阵聚焦声束进行扫描，即每个凹面相控阵探头控制90度的扇区进行扫描和检测。这样，4个均勻分布在管材周围的凹面相控阵换能器探头，各自进行90度扇区的扫描和检测，从而实现对管材周围空间的全方位查扫。采用4个这种的凹面相控阵换能器探头，能使换能器所有阵元包围管材(外径 30mm以下)一圈，每个凹面相控阵换能器负责各自90度的扫描扇区。在实际管材在线检测中，采用4个这样的凹面相控阵换能器探头，管材只需沿其轴向平动，就能实现对管材内所有空间的扫描和检测，从而完全避免了常规检测方法中超声探头和管材之间的相对机械旋转方式。当然，设置在垂直于管材中心线的平面上的凹面相控阵换能器探头数量，可以根据管材的直径大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。2)接着，通过高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，由于在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向各不相同，随着时间上的快速切换，各个凹面相控阵的聚焦声束在管材内形成快速的查扫，通过对管材周围空间的全方位查扫，从而实现对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测。图4是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及方法中的凹面相控阵换能器形成的相控阵聚焦声束示意图。例如，如果相控阵检测系统的独立通道数为16，即每一时刻有16个通道发射和接收声信号，通过开关阵列不停的快速切换，使每一时刻激励不同的换能器阵元来发射和接收声信号。例如，某一时刻，将凹面相控阵换能器的阵元1，2，3，…，16进行激励，使它们发射声信号，然后各自接收来自管材的回波脉冲声信号；下一时刻，将凹面相控阵换能器的阵元2，3，4，···，17阵元进行激励，使它们发射和接收声信号；再下一时刻，将相控阵换能器的阵元3，4，5，…，18阵元进行激励，发射和接收声信号。这样，在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向是各不相同的，随着时间上的快速切换，凹面相控阵的聚焦声束就在管材内形成快速的查扫。高压开关阵列是实现系统动态扫描的一个重要环节，对于一个128阵元的凹面相控阵换能器，多通道相控阵发射接收系统的16路独立通道跟1 路换能器阵元的连接都是通过高压开关阵电路来完成的。目前的高压开关阵列都能很方便地根据具体要求进行快速切换，将16路激励信号加载到所需要激励的16个阵元上。另外，所述多通道相控阵发射接收系统的独立通道数可以根据管材大小及检测速度进行设置，优选每个所述凹面相控阵换能器探头对应的相控独立通道数η为8 64。以上的扫描方式是对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测，对于横向缺陷，凹面相控阵换能器探头必须处在特殊的位置上，才能使聚焦声束能够垂直或接近垂直地入射到横向缺陷上。3)对于横向缺陷，相对于管材中心线倾斜地放置多个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面与管材中心线相交α角度，以进行管材内的横向缺陷的扫描和检测，每个所述凹面相控阵换能器探头所在平面与管材中心线的夹角α取值在纵波临界角和横波临界角之间，并使多个所述凹面相控阵换能器探头均勻分布在管材圆周方向上，利用所述高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，通过多个所述凹面相控阵探头对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。图5是本发明的一个实施方式的管(棒)材超声相控阵在线检测方法中对横向缺陷进行扫描时凹面相控阵换能器探头的布置方式示例。图5中只画出了一个凹面相控阵换能器探头，实际上可以采用多个凹面相控阵探头联合布置，每个探头所在平面与管材中心线的夹角α处在纵波临界角和横波临界角之间，多个探头均勻分布在管材周围，多个这样的凹面相控阵探头能对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。上述用于检测横向缺陷的设置在相对于管材中心线倾斜呈一定夹角α的平面上的所述凹面相控阵换能器探头的数量，也可根据管材大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。例如，对于外径在30mm 80mm管材的横向缺陷检测，可以在相对于管材中心线倾斜的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面相对于管材中心线相交α角度，每个探头在管材圆周方向上对称地均勻分布，其中，α角度取值在纵波临界角和横波临界角之间，根据管材材料的不同进行相应的调整。例如，在实际的管材检测中，存在耦合水和钢材料两种介质及其交界面的情况，当声波从水入射到钢材料中时，纵波临界角为14.7度，横波临界角为27.6度，则该情况下的管材检测时的角度α就取值为14. 7度 < α < 27. 6 度。另外，对于外径在30mm以下管材的横向缺陷检测，也可以同样在相对于管材中心线倾斜的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头，并使每个探头所在平面相对于管材中心线相交α角度，每个探头在管材圆周方向上对称地均勻分布，其中，α角度取值在纵波临界角和横波临界角之间，根据管棒材材料的不同进行相应的调整。即，在实际的缺陷检测过程中，对于不同材料的管棒材，如钢管、铜管以及铝合金管棒材等，根据检测时的耦合水和管棒材两种介质及其交界面的情况，来相应地调整角度α的取值。综上所述，本发明的管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法，采用凹面超声相控阵换能器阵列发射和阵列接收声信号，通过控制各阵元上激励信号的延时和幅度， 以生成不同形式的电子聚焦声束，采用电子调焦手段方便快速地控制聚焦声束的形状和方向，在管材内实现动态聚焦、扫描和检测，能对管材的每一部位进行动态扫描。其次，采用了多个不同结构的凹面相控阵换能器探头均勻分布在管材周围的圆周上，每个凹面相控阵换能器探头都由8 64个独立通道来控制发射和接收声信号，通过电子开关不停地快速切换，相控阵聚焦声束在管材内高速旋转。在不移动相控阵换能器探头位置的情况下，能对管材的每一部位进行扫描和检测，从而在整个检测过程中不需要管材和探头之间的旋转方式，只需管材沿其轴向平动即可，避免了由于旋转过程带来的不稳定因素，提高了检测精度及稳定性等因素，同时也大大提高了管材的在线检测速度。另外，相控阵检测技术还具有聚焦接收等功能，通过对接收的阵列信号进行不同延时和幅度的叠加，使缺陷信号的信噪比得到很大程度的提高，一些在单发单收情况下比较弱的缺陷信号通过聚焦接收后能提高很多倍。而且，相控阵技术还具有多波束合成和动态变迹等处理技术，能得到多条合成波束，从而能得到高分辨率的检测图像。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1权利要求
1.一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，包括多个凹面相控阵探头、高压开关阵列、多通道相控阵发射接收系统以及控制系统，通过在管材周围设置多个凹面相控阵换能器探头，利用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，同时通过高压开关阵列不停的快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器探头阵元发射和接收声信号，使相控阵聚焦声束在管材内全覆盖高速旋转和扫描，首先，在垂直于管材中心线的平面上设置多个所述凹面相控阵换能器探头，并使该多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，以进行管材内的纵向缺陷的扫描和检测，每个所述凹面相控阵换能器探头具有多个阵元，使所有所述凹面相控阵换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材，其中，每个阵元单独发射和接收声信号，各个阵元发射信号的幅度和时延由所述控制系统进行计算机控制；接着，通过所述高压开关阵列不停地快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统， 在不同时刻使不同的凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，由于在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向各不相同，随着时间上的快速切换，各个凹面相控阵的聚焦声束在管材内形成快速的查扫，通过对管材周围空间的全方位查扫，从而实现对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测；然后，相对于管材中心线倾斜地放置多个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面与管材中心线相交α角度，以进行管材内的横向缺陷的扫描和检测，每个所述凹面相控阵换能器探头所在平面与管材中心线的夹角α处在纵波临界角和横波临界角之间，多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，利用所述高压开关阵列不停地快速切换控制所述多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，通过多个所述凹面相控阵探头对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。
2.如权利要求1所述的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，设置在垂直于管材中心线的平面上的所述凹面相控阵换能器探头数量，根据管材大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。
3.如权利要求1所述的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，设置在相对于管材中心线倾斜呈一定夹角α的平面上的所述凹面相控阵换能器探头的数量，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。
4.如权利要求1所述的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，所述多通道相控阵发射接收系统的独立通道数根据管材大小及检测速度进行设置，优选每个所述凹面相控阵换能器探头对应的相控独立通道数η为8 64。
5.如权利要求1所述的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，对于外径在 30mm 80mm的管材，在垂直于管材中心线的平面上设置6个所述凹面相控阵换能器探头， 通过将该6个探头均勻分布在管材周围来检测纵向缺陷，每个所述凹面相控阵换能器探头具有1 个阵元，每个阵元的中心频率为3. 5MHz，上述阵元均勻分布在半径为64. 75mm的圆周上，每个所述凹面相控阵换能器探头上的所有阵元所形成的圆心角为71. 45度；对于横向缺陷，在相对于管材中心线倾斜的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面相对于管材中心线相交α角度，每个探头在管材圆周方向上对称地均勻分布，所述α角度取值在纵波临界角和横波临界角之间，根据管材材料的不同进行相应的调整。
6.如权利要求1所述的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，对于外径在30mm以下的管材，在垂直于管材中心线的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头， 通过将该4个探头均勻分布在管材周围来检测纵向缺陷，每个所述凹面相控阵换能器具有 96个阵元，每个阵元的中心频率为3. 5MHz，上述阵元均勻分布在半径为22. 9mm的圆周上， 每个所述凹面相控阵换能器探头上的所有阵元形成的圆心角为142. 5度；对于横向缺陷， 在相对于管材中心线倾斜的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面相对于管材中心线相交α角度，每个探头在管材圆周方向上对称地均勻分布，所述α角度取值在纵波临界角和横波临界角之间，根据管材材料的不同进行相应的调整。
7.如权利要求1 6中任意一项所述的管(棒)材超声相控阵在线检测系统，其特征在于，所述角度α，根据检测时的耦合水和不同材质的管棒材两种介质及其交界面的情况， 来相应地调整其取值，当声波从水入射到钢材料中时，纵波临界角为14. 7度，横波临界角为27. 6度，则该情况下的管材检测时的角度α就取值为14. 7度< α < 27. 6度。
8.—种管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤1)在垂直于管材中心线的平面上设置多个凹面相控阵换能器探头，并使该多个所述凹面相控阵换能器探头均勻地分布在管材周围，以进行管材内的纵向缺陷的扫描和检测，每个凹面相控阵换能器探头具有多个阵元，使所有凹面相控阵换能器探头的阵元形成一圈包围待测管材，其中，每个阵元单独发射和接收声信号，各个阵元发射信号的幅度和时延由控制系统进行计算机控制；2)通过高压开关阵列不停地快速切换控制多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的换能器阵元发射和接收声信号，由于在每一时刻所形成的相控阵聚焦声束的方向各不相同，随着时间上的快速切换，各个凹面相控阵的聚焦声束在管材内形成快速的查扫，通过对管材周围空间的全方位查扫，从而实现对管材内的纵向缺陷进行扫描和检测；3)相对于管材中心线倾斜地放置设置多个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面与管材中心线相交α角度，以进行管材内的横向缺陷的扫描和检测，所述角度α处在纵波临界角和横波临界角之间，多个所述凹面相控阵换能器探头在管材圆周方向上均勻分布，利用高压开关阵列不停的快速切换控制多通道相控阵发射接收系统，在不同时刻使不同的所述凹面相控阵换能器阵元发射和接收声信号，通过多个凹面相控阵探头对管材内的横向缺陷在360度的范围内进行扫描和在线检测。
9.如权利要求8所述的管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，设置在垂直于管材中心线的平面上的所述凹面相控阵换能器探头数量，根据管材的直径大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。
10.如权利要求8所述的管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，设置在相对于管材中心线倾斜呈一定夹角α的平面上的所述凹面相控阵换能器探头的数量，根据管材大小进行选择，对于直径在150mm以下的管材，优选为3 10个。
11.如权利要求8所述的管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，所述多通道相控阵发射接收系统的独立通道数根据管材大小及检测速度进行设置，优选每个所述凹面相控阵换能器探头对应的相控独立通道数η为8 64。
12.如权利要求8所述的管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，对于外径在30mm 80mm的管材，在垂直于管材中心线的平面上设置6个所述凹面相控阵换能器探头，通过将该6个探头均勻分布在管材周围来检测纵向缺陷，每个所述凹面相控阵换能器具有1 个阵元，每个阵元的中心频率为3. 5MHz，上述阵元均勻分布在半径为64. 75mm的圆周上，所有阵元所形成的圆心角为71. 45度；对于横向缺陷，在相对于管材中心线倾斜的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面相对于管材中心线相交α角度，每个探头在管材圆周方向上均勻分布，所述α角度在纵波临界角和横波临界角之间， 根据管材材料的不同进行相应的调整。
13.如权利要求8所述的管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，对于外径在30mm以下的管材，在垂直于管材中心线的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头， 通过将该4个探头均勻分布在管材周围来检测纵向缺陷，每个所述凹面相控阵换能器具有 96个阵元，每个阵元的中心频率为3. 5MHz，上述阵元均勻分布在半径为22. 9mm的圆周上， 每个所述凹面相控阵换能器探头上的所有阵元形成的圆心角为142. 5度；对于横向缺陷， 在相对于管材中心线倾斜的平面上设置4个所述凹面相控阵换能器探头，每个探头所在平面相对于管材中心线相交α角度，每个探头在管材圆周方向上对称地均勻分布，所述α角度取值在纵波临界角和横波临界角之间，根据管材材料的不同进行相应的调整。
14.如权利要求8 13中任意一项所述的管(棒)材超声相控阵在线检测方法，其特征在于，所述角度α，根据检测时的耦合水和不同材质的管棒材两种介质及其交界面的情况，来相应地调整其取值，当声波从水入射到钢材料中时，纵波临界角为14. 7度，横波临界角为27. 6度，则该情况下的管材检测时的角度α就取值为14.7度< α < 27. 6度。
全文摘要
本发明提供一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法，通过在管材周围在垂直于管材中心线的平面以及在与管材中心线呈一定夹角的位置上设置多个凹面相控阵换能器探头，利用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，并利用高压开关阵列、多通道相控阵发射接收系统及控制系统，通过高压开关阵列电路不停地快速切换，在不同时刻控制不同的换能器阵元进行发射与接收，使相控阵聚焦声束在管材内高速旋转，从而实现动态聚焦与扫描。利用本发明，能够在不移动相控阵换能器探头位置的情况下，实现对管材360度方位的全覆盖扫描，可同时实现对纵向和横向缺陷的扫描与检测，提高检测精度的同时大大提高了检测速度。
文档编号G01N29/26GK102175766SQ20101062179
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者吴先梅, 宫俊杰, 师芳芳, 张碧星, 章成广 申请人:中国科学院声学研究所, 长江大学