本發(fā)明涉及無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種用于相控陣探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法。

背景技術(shù)：

相控陣超聲檢測技術(shù)是目前國內(nèi)外無損檢測技術(shù)發(fā)展的新方向，新動力、是最先進的檢測技術(shù)之一。相控陣超聲技術(shù)是利用電子方式控制相控陣超聲探頭的聲束來實現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的方法。相控陣超聲探頭晶片是由多個小晶片構(gòu)成，每個小晶片又稱為陣元。每個陣元能被獨立的激發(fā)，并施加不同的時間延遲，所有陣元發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)聚焦，并能有效地控制發(fā)射超聲束的形狀和方向。它為確定缺陷的形狀、大小和方向提供出比單個或多個常規(guī)超聲波探頭系統(tǒng)更大的能力。相控陣超聲檢測技術(shù)具有成像功能，檢測結(jié)果以圖像形式顯示，分為A掃描、B掃描、S掃描、E掃描及P掃描等，直觀易懂，存儲的數(shù)據(jù)具有動態(tài)回放功能，并且還能記錄掃查位置。這些功能是常規(guī)超聲檢測技術(shù)難以做到的。

相控陣超聲檢測技術(shù)已經(jīng)在我國開始應用，例如在西氣東輸管道工程檢測管道環(huán)焊縫，在安徽六安和安慶火力發(fā)電廠檢測薄壁小徑管環(huán)焊縫，對汽輪機葉片根部和渦輪圓盤的檢測、火車輪軸檢測、核電站主泵隔熱板的檢測等等，有著巨大的應用空間，體現(xiàn)出相控陣超聲檢測的優(yōu)越性。

相控陣超聲探頭中的楔塊在實際使用易磨損，造成缺陷定位偏差及影響扇形掃描角度偏轉(zhuǎn)范圍等。目前國外無損檢測標準沒有提到楔塊磨損的測試方法，國內(nèi)標準中JB/T11731《無損檢測超聲相控陣探頭通用技術(shù)條件》有楔塊波束角的測試方法，就是楔塊角度的測試方法，相當于楔塊磨損有效性的測試，但是這種方法采用試塊進行測試的，僅在楔塊底面一個部位測量楔塊角度，對于未受磨損的楔塊采用這種方法是可行的，而現(xiàn)場檢測時楔塊是受到磨損的，并且整個楔塊底面都受到磨損，在楔塊底面不同部位受磨損的程度各不相同，所以僅測量楔塊底面一個部位是不合理的。另外JB/T11731標準中楔塊角度測試方法僅適用于平面楔塊，對于曲面楔塊不適用。

采用試塊法測量相控陣探頭楔塊磨損的有效性，屬于實驗室的測試方法，試塊比較重，不便于現(xiàn)場攜帶，在檢測過程中使用此法不方便，不適用于現(xiàn)場檢測應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有相控陣探頭楔塊波束角(即楔塊角度)的測試方法不足，本發(fā)明提出了一種用于相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法。該測試方法適用于現(xiàn)場檢測應用，能及時測試楔塊磨損的嚴重程度，為相控陣超聲技術(shù)應用提供保障措施。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的方案是：

一種用于相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法，采用相控陣超聲儀器激發(fā)相控陣探頭晶片中陣元(小晶片)產(chǎn)生超聲波入射到相控陣探頭楔塊底面產(chǎn)生的回波信號，通過測量回波信號的深度值或聲程值并計算出楔塊角度來判定楔塊磨損的嚴重程度，進而判定楔塊應用的有效性。

所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性測試步驟包括：

第一步 將被測試的相控陣探頭楔塊安裝在規(guī)格相同的相控陣探頭晶片上；

第二步 將安裝好的相控陣探頭與相控陣超聲儀器相連；

第三步 進行參數(shù)設(shè)置；

第四步 通過相控陣超聲儀器激發(fā)相控陣探頭中每個晶片，產(chǎn)生A掃描信號；

第五步 選擇某個晶片產(chǎn)生的A掃描信號，進行優(yōu)化A掃描波形；

第六步 測試及評價

(1)激發(fā)每一個晶片，確認幅度最高的晶片序號；

(2)將幅度最高的晶片波高調(diào)整到大于滿屏高度的40％，此時的波高為基準波高；

(3)保持基準波高的靈敏度不變，測試每一個晶片的A掃描波形信號，并記錄該晶片距離楔塊底面的垂直距離h_n或聲程值S_n，其中n為自然數(shù)；

(4)計算相控陣探頭的主動孔徑A：A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p

其中，e為陣元的寬度，p為相鄰兩晶片(陣元)中心線之間的距離，g為相鄰兩晶片(陣元)之間的間隙，n為晶片數(shù)量；

(5)根據(jù)每個晶片對應的垂直距離或聲程值，計算Δh值或ΔS值；其中，Δh值為每個晶片對應的垂直距離差，ΔS值為每個晶片對應的聲程值差；

(6)計算楔塊磨損后的角度α：α＝Arcsin(Δh/A)或α＝Arctg(ΔS/A)，測試若干次取平均值；

(7)對楔塊磨損后的楔塊角度進行評價：當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差范圍控制在-2°～+2°，不必更換楔塊；當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應更換楔塊或?qū)π▔K進行修磨。

所述相控陣超聲探頭楔塊為平面楔塊或曲面楔塊。

優(yōu)選的，α角度應計算三個值，取其平均值為楔塊磨損后的角度，即：

(1)利用第一個晶片對應的距離值與最后一個晶片對應的距離值計算α₁角度；

(2)將所有晶片平均分為兩段，分別利用前后兩段晶片對應的距離值計算α₂和α₃角度。

優(yōu)選的，第三步所述參數(shù)設(shè)置包括：

(1)激發(fā)電壓選擇最低級別；

(2)工件厚度設(shè)置為最小值或稍大于楔塊的厚度；

(3)材料聲速設(shè)置為楔塊聲速；

(4)入射角選擇0度角或與晶片陣列垂直的角度；

(5)測量值選擇深度值或聲程值，測量方式選擇波峰點；

(6)激發(fā)晶片數(shù)選擇為1。

優(yōu)選的，第五步所述A掃描波形通過調(diào)節(jié)濾波器及脈沖寬度優(yōu)化。

優(yōu)選的，第六步所述將幅度最高的晶片波高調(diào)整到滿屏高度的80％設(shè)置為基準波高。

本發(fā)明的積極效果在于：本發(fā)明方法操作簡單、實用，便于攜帶，無輻射，無污染，在檢測過程中能及時測試楔塊磨損的嚴重程度，能馬上判定楔塊是否可繼續(xù)應用，能保證缺陷準確定位及扇形掃描角度偏轉(zhuǎn)范圍。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明方法楔塊中每個晶片對應的距離值及楔塊角度示意圖；其中：A—主動孔徑，S—聲程值，h—深度值，α—楔塊角度；

附圖2為本發(fā)明方法所測試的相控陣探頭晶片結(jié)構(gòu)示意圖；其中：e—晶片的寬度，p—相鄰兩晶片中心線之間的距離，g—相鄰兩晶片之間的間隙，W—晶片的長度，n—晶片數(shù)量；

附圖3為本發(fā)明方法所測試的相控陣探頭楔塊的示意圖；其中：W1—楔塊頂面寬度，W2-楔塊底面寬度，H1—楔塊前端高度，H2—楔塊后端高度，α—楔塊角度，offset(邊距)--第一個晶片距楔塊后端的距離。

具體實施方式

現(xiàn)有國內(nèi)無損檢測標準中規(guī)定的相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試方法基本上都是實驗室方法，即需要的輔助器件試塊，不便于在檢測現(xiàn)場實際應用，所以本發(fā)明提出一種操作簡單、實用、便于在現(xiàn)場應用的相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法。

檢測方法

采用相控陣超聲儀器激發(fā)相控陣探頭晶片中陣元(小晶片)產(chǎn)生超聲波入射到相控陣探頭楔塊底面產(chǎn)生的回波信號，通過測量回波信號的深度值或聲程值并計算出楔塊角度來判定楔塊磨損的嚴重程度，進而判定楔塊應用的有效性。

實施例1：

實施例1是曲面楔塊，測試一個編號為7.5MHzS16-0.5×10W39/D60的相控陣探頭楔塊磨損有效性，該探頭具體參數(shù)是：楔塊的曲率半徑為30mm，楔塊的角度為39度。頻率為7.5MHz、晶片數(shù)(陣元數(shù))n為16個晶片、相鄰兩陣元中心線間距p為0.5mm，陣元寬度e為0.4mm，相鄰兩陣元之間的間隙g為0.1mm，陣元的長度為10mm，晶片的曲率半徑為35mm。

所述的相控陣超聲儀器是采用具有扇形掃描和線性掃描功能的ISONIC-PA-2009相控陣超聲儀器；

所述的相控陣探頭是采用編號為7.5MHzS16-0.5×10W39/D60的探頭，即:

(1)晶片參數(shù)：頻率為7.5MHz、晶片數(shù)(陣元數(shù))n為16、相鄰兩陣元中心線間距p為0.5mm、陣元的寬度e為0.4mm、相鄰兩陣元之間的間隙g為0.1mm，陣元的長度為10mm，晶片的曲率半徑為35mm。

(2)楔塊參數(shù)：楔塊的曲率半徑為30mm，楔塊角度(α)為39°，楔塊聲速為2337m/s，邊距(offset)為2mm，楔塊頂面寬度(W1)為8.11mm，楔塊底面寬度(W2)為18mm，楔塊前端高度(H1)為10mm，楔塊后端高度(H2)為2mm。

相控陣探頭晶片的選擇是采用規(guī)格相同且具有廠家合格證的相控陣探頭晶片。

所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性測試步驟包括：

第一步 將相控陣探頭晶片安裝在被測試的7.5MHzS16-0.5×10W39/D60相控陣探頭楔塊上；

第二步 將安裝好的相控陣探頭與相控陣超聲儀器相連；

第三步 進行參數(shù)設(shè)置

(1)激發(fā)電壓選擇最低級別，本實施例激發(fā)等級選擇為1；

(2)工件厚度設(shè)置為稍大于楔塊的厚度，即20mm；

(3)材料聲速設(shè)置為楔塊聲速，即為2337m/s；

(4)入射角選擇0度角與晶片陣列垂直的角度；

(5)測量值選擇深度值或聲程值，測量方式選擇波峰點；

(6)激發(fā)晶片數(shù)選擇為1，從第一個晶片開始激發(fā)。

第四步 通過相控陣超聲儀器激發(fā)相控陣探頭中每個晶片，產(chǎn)生A掃描信號；

第五步 選擇2#晶片產(chǎn)生的A掃描信號，將濾波器低頻設(shè)置為6.1MHz、濾波器高頻設(shè)置為9.1MHz及脈沖寬度設(shè)置為75ns等，進行優(yōu)化A掃描波形，使A掃描信號達到最佳狀態(tài)；

第六步 開始測試

(1)先從第一個晶片開始激發(fā)，直到最后一個晶片，確認幅度最高的晶片序號為2#。

(2)將幅度最高的2#晶片波高調(diào)整到滿屏高度的80％，增益值為58dB，此時的波高為基準波高。

(3)保持基準波高的增益值(靈敏度)58dB不變，從第一個晶片開始激發(fā)，激發(fā)第一個晶片時會產(chǎn)生一個A掃描波形信號，將閘門移到A掃描信號上，此時從測量值中讀出“該晶片距離楔塊底面的垂直距離(h₁)或聲程值(S₁)”，記下第一個晶片對應的數(shù)值(h₁或S₁)；然后激發(fā)第二個晶片，同樣再記下第二個晶片對應的數(shù)值(h₂或S₂)；以此類推，直到激發(fā)最后一個晶片，記下最后一個晶片對應的數(shù)值(h_n或S_n)為止，見圖1所示。

所述的根據(jù)測試結(jié)果計算楔塊磨損后的角度(α)，其特征是：

(1)計算相控陣探頭主動孔徑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)計算Δh＝h_n–h，ΔS＝S_n-S₁，采用深度值計算，即：

根據(jù)第1個晶片、第8個晶片、第9個晶片及第16個晶片對應的深度值，計算Δh值。

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

(3)計算α

α＝Arcsin(Δh/A)

根據(jù)公式計算α。

α角度應計算三個值，取其平均值為楔塊磨損后的角度。即：

①第1個晶片對應的距離值與第16個晶片對應的距離值，計算的α₁角度，即α₁＝Arcsin(Δh₁/A_1-16)＝39.8°；

②第1個晶片對應的距離值與第8個晶片對應的距離值，計算的α₂角度，即α₂＝Arcsin(Δh₂/A_1-8)＝34.8°；

③第9個晶片對應的距離值與第16個晶片對應的距離值，計算的α₃角度，即α₃＝Arcsin(Δh₃/A_9-16)＝41.1°；

④取三個角度平均值，即α＝38.6°。

所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性的評價就是對楔塊磨損后的楔塊角度的判定：當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差范圍控制在-2°～+2°，不必更換楔塊；當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應更換楔塊或?qū)π▔K進行修磨。

計算結(jié)果α＝38.6°，楔塊角度標稱值為39°，兩者相差0.4°，符合評價規(guī)律，不必更換楔塊。

實施例2：

實施例2是平面楔塊，測試一個編號為104379的相控陣探頭楔塊磨損有效性，該探頭具體參數(shù)是：楔塊的角度為36度。頻率為5MHz、晶片數(shù)(陣元數(shù))n為32個晶片、相鄰兩晶片(陣元)中心線間距p為0.5mm，晶片(陣元)寬度e為0.4mm，相鄰兩晶片(陣元)之間的間隙g為0.1mm，晶片(陣元)的長度為10mm。

所述的相控陣超聲儀器是采用具有扇形掃描和線性掃描功能的ISONIC-PA-2009相控陣超聲儀器；

所述的相控陣探頭是采用編號為104379的相控陣探頭，即:

(1)晶片參數(shù)：頻率為5MHz、晶片數(shù)(陣元數(shù))n為32個晶片、相鄰兩陣元中心線間距p為0.5mm，陣元的寬度e為0.4mm，相鄰兩陣元之間的間隙g為0.1mm，陣元的長度為10mm。

(2)楔塊參數(shù)：楔塊角度(α)為36°，楔塊聲速為2337m/s，邊距(offset)為2.77mm，楔塊頂面寬度(W1)為15.87mm，楔塊底面寬度(W2)為32.6mm，楔塊前端高度(H1)為18.5mm，楔塊后端高度(H2)為6.35mm。

相控陣探頭晶片的選擇是采用規(guī)格相同且具有廠家合格證的相控陣探頭晶片。

所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性測試步驟包括：

第一步 將相控陣探頭晶片安裝在被測試的104379編號的相控陣探頭楔塊上；

第二步 將安裝好的相控陣探頭與相控陣超聲儀器相連；

第三步 進行參數(shù)設(shè)置

(1)激發(fā)電壓選擇最低級別，本實施例激發(fā)等級選擇為1；

(2)工件厚度設(shè)置為稍大于楔塊的厚度，即30mm；

(3)材料聲速設(shè)置為楔塊聲速，即為2337m/s；

(4)入射角選擇0度角與晶片陣列垂直的角度；

(5)測量值選擇深度值或聲程值，測量方式選擇波峰點；

(6)激發(fā)晶片數(shù)選擇為1，從第一個晶片開始激發(fā)。

第四步 通過相控陣超聲儀器激發(fā)相控陣探頭中每個晶片，產(chǎn)生A掃描信號；

第五步 選擇1#晶片產(chǎn)生的A掃描信號，將濾波器低頻設(shè)置為1.9MHz、濾波器高頻設(shè)置為5.2MHz及脈沖寬度設(shè)置為125ns等，進行優(yōu)化A掃描波形，使A掃描信號達到最佳狀態(tài)；

第六步 開始測試

(1)先從第一個晶片開始激發(fā)，直到最后一個晶片，確認幅度最高的晶片序號為1#。

(2)將幅度最高的1#晶片波高調(diào)整到滿屏高度的80％，增益值為30dB，此時的波高為基準波高。

(3)保持基準波高的增益值(靈敏度)30dB不變，從第一個晶片開始激發(fā)，激發(fā)第一個晶片時會產(chǎn)生一個A掃描波形信號，將閘門移到A掃描信號上，此時從測量值中讀出“該晶片距離楔塊底面的垂直距離(h₁)或聲程值(S₁)”，記下第一個晶片對應的數(shù)值(h₁或S₁)；然后激發(fā)第二個晶片，同樣再記下第二個晶片對應的數(shù)值(h₂或S₂)；以此類推，直到激發(fā)最后一個晶片，記下最后一個晶片對應的數(shù)值(h_n或S_n)為止，見圖1所示。

所述的根據(jù)測試結(jié)果計算楔塊磨損后的角度α，其特征是：

(1)計算相控陣探頭主動孔徑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)計算Δh＝h_n–h，ΔS＝S_n-S₁，采用深度值計算，即：

根據(jù)第1個晶片、第16個晶片、第17個晶片及第32個晶片對應的深度值，計算Δh值。

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

(3)計算α

α＝Arcsin(Δh/A)

根據(jù)公式計算α。

α角度應計算三個值，取其平均值為楔塊磨損后的角度。即：

①第1個晶片對應的距離值與第32個晶片對應的距離值，計算的α₁角度，即α₁＝Arcsin(Δh₁/A_1-32)＝34.1°；

②第1個晶片對應的距離值與第16個晶片對應的距離值，計算的α₂角度，即α₂＝Arcsin(Δh₂/A_1-16)＝35.9°；

③第17個晶片對應的距離值與第32個晶片對應的距離值，計算的α₃角度，即α₃＝Arcsin(Δh₃/A_17-32)＝31.3°；

④取三個角度平均值，即α＝33.8°。

所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性的評價就是對楔塊磨損后的楔塊角度的判定：當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差范圍控制在-2°～+2°，不必更換楔塊；當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應更換楔塊或?qū)π▔K進行修磨。

計算結(jié)果α＝33.8°，楔塊角度標稱值為36°，兩者相差2.2°，符合評價規(guī)律，應更換楔塊或?qū)π▔K進行修磨。

本發(fā)明相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法的特點：

(1)本發(fā)明方法操作簡單、實用、便于現(xiàn)場應用；

(2)本發(fā)明方法不需要試塊輔助工具；

(3)本發(fā)明方法無輻射、無污染；

(4)本發(fā)明方法及時測試楔塊磨損的嚴重程度，能馬上判定楔塊是否可繼續(xù)應用，能保證缺陷準確定位及扇形掃描角度偏轉(zhuǎn)范圍。

(5)本發(fā)明方法不僅適用于平面楔塊的相控陣探頭，也適用于曲面楔塊的相控陣探頭。

以上所述實施方式僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。