CN105044206A

CN105044206A - 相控阵探头的自动检测方法

Info

Publication number: CN105044206A
Application number: CN201510302086.8A
Authority: CN
Inventors: 李德来; 谢锦深; 陈智发; 姚立恒
Original assignee: Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co Ltd
Current assignee: Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co Ltd
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2015-11-11

Abstract

一种相控阵探头的自动检测方法，利用超声相控阵仪器对相控阵探头进行检测，并包括下述步骤：（1）超声相控阵仪器根据待检测的相控阵探头，设置超声相控阵仪器工作参数，将超声相控阵仪器设置为单通道发射、单通道接收的工作模式，并自动执行各通道灵敏度校准流程；（2）连接相控阵探头，并保证相控阵探头发射的超声波直接作用于空气；（3）超声相控阵仪器对应相控阵探头所有晶片发射、接收，并记录各个晶片的回波数据；根据相控阵探头各个晶片接收回波数据，判断晶片是否正常；（4）保存检测结果，检测完成。本发明利用超声相控阵仪器本身，即可方便、简单地判断出相控阵探头所有晶片是否正常工作，无需专业相控阵探头检测设备。

Description

相控阵探头的自动检测方法

技术领域

本发明涉及超声相控阵仪器，具体涉及一种相控阵探头的自动检测方法。

背景技术

超声相控阵技术是无损检测技术领域的前沿技术，近几年发展迅速，已被广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。超声相控阵仪器的一个重要组成部分——相控阵探头，负责将超声相控阵仪器发射的电信号转换为超声信号，同时也将接收的超声信号转换为电信号，完成该功能的部分为相控阵探头的晶片部分。

相控阵探头由多个阵元组成，每个阵元对应一个晶片，每个晶片独立工作（独立发射超声波、接收超声波），同一个相控阵探头，要求其各晶片的工作参数（如灵敏度、工作频带等）必须一致，相控阵探头生产厂家采用专业的检测设备，保证生产的相控阵探头各个晶片的性能一致。

工业超声相控阵探头在长时间使用后，晶片可能老化、失效，或相控阵探头因受到撞击而使晶片损坏等，影响超声相控阵仪器的正常使用，甚至无法使用。普通用户无法正确判断相控阵探头是否损坏，一般需由生产厂家或专业机构判定晶片是否损坏。用户若使用已经部分损坏的相控阵探头进行探伤检测，其检测结果可能是错误的。用户在怀疑检测结果时，可能会咨询生产厂家，或将相控阵探头送到有检测相控阵探头能力的检测单位进行检测，但在晶片刚损坏，特别是只有1个或少数几个晶片损坏或出现性能偏差时，用户不一定能及时发现、送检，这时使用该相控阵探头所作的检测，其结果是不可靠的。

目前对相控阵探头的检测一般都由生产厂家或有能力检测相控阵探头的检测单位进行，所使用的检测设备都为专用的检测设备。针对超声相控阵仪器及相控阵探头的检测标准、方法还不完善，普通用户难以自行及时发现相控阵探头工作的异常，而频繁将相控阵仪器及相控阵探头送到具有超声相控阵仪器及相控阵探头检测能力的单位进行检测，必将影响超声相控阵仪器的正常使用，同时还需要承担高额的检测费用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种相控阵探头的自动检测方法，这种检测方法利用超声相控阵仪器本身，即可方便、简单地判断出相控阵探头所有晶片是否正常工作，无需专业相控阵探头检测设备。采用的技术方案如下：

一种相控阵探头的自动检测方法，其特征在于利用超声相控阵仪器对相控阵探头进行检测，并包括下述步骤：

（1）超声相控阵仪器的设置

超声相控阵仪器根据待检测的相控阵探头，自动设置超声相控阵仪器工作参数（如探头工作频率、最大晶片个数、晶片大小、晶片间距等），将超声相控阵仪器设置为单通道发射、单通道接收的工作模式，并自动执行超声相控阵仪器各通道灵敏度校准流程；

（2）连接相控阵探头

将待检测的相控阵探头连接至超声相控阵仪器，并保证相控阵探头发射的超声波直接作用于空气；

（3）检测

超声相控阵仪器从相控阵探头的第一个晶片开始工作，接收到的回波为超声波在空气中的反射回波，超声相控阵仪器自动根据接收到的回波幅度，调整超声相控阵仪器的整体接收增益，使晶片的回波幅度达到一个适当的幅度，并记录第一个晶片的回波数据；随后超声相控阵仪器继续工作，对应相控阵探头的第二个晶片发射、接收，并记录第二个晶片的回波数据；依此类推，直至对应相控阵探头所有晶片发射、接收，并记录了各个晶片的回波数据；

超声相控阵仪器根据相控阵探头各个晶片接收回波数据，判断晶片是否正常；

（4）保存步骤（3）检测的检测结果，检测完成。

用于相控阵探头检测的超声相控阵仪器，其本身各个通道（包括发射、接收通道）的工作必须是正常，才能保证对相控阵探头的检测结果可靠。优选上述步骤（1）中，超声相控阵仪器各通道灵敏度校准流程为：（11）开始；（12）第一个通道工作，并记录接收信号的幅度；（13）下一个通道工作，并记录接收信号的幅度；（14）判断是否为最后一个通道工作，判断是否最后一个通道的依据是所选择相控阵探头的最大阵元数n（n为大于1的自然数）；如果判断为否则返还步骤（13），如果判断为是则进入下一步骤（15）；（15）根据超声相控阵仪器n个通道接收到的信号幅度，对超声相控阵仪器各通道的接收增益进行调整，保证各通道接收到的回波信号幅度一致；（16）完成，超声相控阵仪器退出各通道灵敏度校准流程。

上述步骤（12）和步骤（13），即从第1通道到第n通道各发射、接收，并记录每次接收到信号的幅度。上述步骤（15）中，如原通道接收的信号幅度较低，便提高该通道的增益，使接收回波信号达到所有通道接收回波幅度的平均值；如原通道接收的信号幅度较高，便降低该通道的增益，使接收回波信号降低到所有通道接收回波幅度的平均值。

步骤（2）中，为保证相控阵探头发射的超声波直接作用于空气，相控阵探头应不耦合任何工件，不加装锲块，并且表面没有耦合剂。

在正常情况下，同一个相控阵探头的各个晶片的灵敏度（晶片灵敏度指晶片将电信号转换为超声信号，以及将超声信号转换为电信号的能力）、工作频带（激发或接收的超声波频带，即将一定频带的电信号转换为超声波或将一定频带的超声波转换为电信号）基本一致，偏差很小。当某些晶片出现异常或损坏时，其灵敏度或工作频带对比其它正常晶片将有明显差异，该差异将体现于晶片发射的超声波和接收的信号上。步骤（3）中，判断晶片是否正常的主要依据为回波幅度和回波峰值变化情况。回波幅度与平均值相差较多的晶片，列为异常晶片。一般认为，晶片接收到的回波幅度低于平均值3dB为老化晶片，低于平均值6dB以上为损坏晶片。回波峰值变化情况：主要根据回波出现峰值的次数、峰值出现的位置、峰值的衰减趋势等进行判断，若出现与其它晶片回波偏差较大的晶片回波，则对应的晶片列为异常晶片。

步骤（3）超声相控阵仪器判断完成后，以报告形式显示给用户。

实现上述检测方法的超声相控阵仪器必须可以工作在单通道模式，并可对各通道接收增益进行单独校准。

相控阵探头将超声波发射到空气中时，超声波快速衰减，相控阵探头同时接收到空气对超声波的反射信号，同一相控阵探头的所有晶片，发射的超声波信号在空气中的反射情况基本相同（主要为衰减快慢），如出现某些晶片发射的超声波在空气中的衰减过快或过慢，可说明该晶片参数出现异常，超声波在空气中的衰减情况，将表现为回拨的峰值变化情况。本发明利用空气对超声波的快速衰减特点，对晶片性能一致性进行检测，判断相控阵探头是否有晶片损坏，同时利用空气作为超声波反射介质，避免了用户使用其它类型的介质存在差异而影响判断标准。

本发明的检测方法可方便、简单的检测出相控阵探头的工作状态，避免在相控阵探头工作异常的情况下仍用于探伤检测而得出不可靠的检测结果。本发明的检测方法可作为超声相控阵仪器的一个功能，超声相控阵仪器用户启动该功能，即可自动进行相控阵探头的检测，评估所用的相控阵探头是否工作正常，这样，用户可以方便的对使用的相控阵探头进行检测，无需专业的检测设备，无需相控阵探头方面专业知识，便可完成相控阵探头检测，而且，用户可随时对相控阵探头进行检测，避免在相控阵探头损坏仍然进行探伤检测，得到不可靠探伤结果的情况。

附图说明

图1是本发明优选实施例的总体流程图；

图2是本发明优选实施例步骤（1）的流程图；

图3是本发明优选实施例所用超声相控阵仪器的电路原理框图；

图4是本发明优选实施例对一相控阵探头进行检测得到的检测数据图像。

具体实施方式

参考图1，本实施例的相控阵探头的自动检测方法（本实施例的检测方法可作为超声相控阵仪器的一个功能，超声相控阵仪器用户启动该功能，即可自动进行相控阵探头的检测），利用超声相控阵仪器对相控阵探头进行检测，并包括下述步骤：

（1）超声相控阵仪器的设置

参考图2，本步骤（1）中，超声相控阵仪器各通道灵敏度校准流程为：（11）开始；（12）第一个通道工作，并记录接收信号的幅度；（13）下一个通道工作，并记录接收信号的幅度；（14）判断是否为最后一个通道工作，判断是否最后一个通道的依据是所选择相控阵探头的最大阵元数n（n为大于1的自然数）；如果判断为否则返还步骤（13），如果判断为是则进入下一步骤（15）；（15）根据超声相控阵仪器n个通道接收到的信号幅度，对超声相控阵仪器各通道的接收增益进行调整，保证各通道接收到的回波信号幅度一致；（16）完成，超声相控阵仪器退出各通道灵敏度校准流程。上述步骤（12）和步骤（13），即从第1通道到第n通道各发射、接收，并记录每次接收到信号的幅度。上述步骤（15）中，如原通道接收的信号幅度较低，便提高该通道的增益，使接收回波信号达到所有通道接收回波幅度的平均值；如原通道接收的信号幅度较高，便降低该通道的增益，使接收回波信号降低到所有通道接收回波幅度的平均值。

（2）连接相控阵探头

本步骤（2）中，为保证相控阵探头发射的超声波直接作用于空气，相控阵探头应不耦合任何工件，不加装锲块，并且表面没有耦合剂。相控阵探头将超声波发射到空气中时，超声波快速衰减，相控阵探头同时接收到空气对超声波的反射信号。

（3）检测

本步骤（3）中，判断晶片是否正常的主要依据为回波幅度和回波峰值变化情况。回波幅度与平均值相差较多的晶片，列为异常晶片。一般认为，晶片接收到的回波幅度低于平均值3dB为老化晶片，低于平均值6dB以上为损坏晶片。回波峰值变化情况：主要根据回波出现峰值的次数、峰值出现的位置、峰值的衰减趋势等进行判断，若出现与其它晶片回波偏差较大的晶片回波，则对应的晶片列为异常晶片。

（4）保存步骤（3）检测的检测结果，检测完成。

例如，利用上述相控阵探头检测方法，对一5M，64阵元，阵元间距1mm的相控阵探头进行检测，检测结果为：相控阵探头有5个晶片异常，位置分别为第9、第20、第30、第39、第49阵元。检测数据形成图像如图4所示，从该图像也可以看出，图像中有5条异常扫描线，所对应的便是5个异常工作的晶片。可见，本发明能有效检测相控阵晶片是否工作异常。

实现上述检测方法的超声相控阵仪器必须可以工作在单通道模式，并可对各通道接收增益进行单独校准。该超声相控阵仪器本身各个通道（包括发射、接收通道）的工作必须是正常，才能保证对相控阵探头的检测结果可靠。

参考图3，使用的超声相控阵仪器，包括系统控制模块1、显示装置2、控制面板3、超声前端控制器4、发射电路5、相控阵模拟接收前端电路6、模数转换器7和相控阵探头8。其中：

系统控制模块1是整台超声相控阵仪器的控制部分，包括控制整机工作，数字信号处理等；

显示装置2：用于显示由系统控制模块1发来的信息，包括液晶显示器及报警指示灯等；

控制面板3：用于输入指令等至系统控制模块1，包括用户可操作的按钮、触摸屏、旋钮等；

超声前端控制器4：控制超声前端的发射、接收，并将接收到的数字超声回波信号初步处理后送系统控制模块1；

发射电路5：在超声前端控制器4的控制下，产生激励相控阵探头8的发射脉冲，其每个发射通道可独立工作；

相控阵模拟接收前端电路6：对相控阵探头8接收的超声回波信号进行放大、滤波等一系列处理，其每个接收通道可独立工作，放大倍数可调；

模数转换器7：将相控阵模拟接收前端电路6输送来的模拟回波信号转换为数字信号，并输送至超声前端控制器4；

相控阵探头8（待检测的相控阵探头）：相控阵探头8包含多个晶片，每个晶片可独立将电信号转换为超声波，同时把接收到的超声波转换为电信号。上述步骤（2）中，将待检测的相控阵探头与发射电路5及相控阵模拟接收前端电路6连接，从而将待检测的相控阵探头连接至超声相控阵仪器。

Claims

1.一种相控阵探头的自动检测方法，其特征在于利用超声相控阵仪器对相控阵探头进行检测，并包括下述步骤：

（1）超声相控阵仪器的设置

超声相控阵仪器根据待检测的相控阵探头，自动设置超声相控阵仪器工作参数，将超声相控阵仪器设置为单通道发射、单通道接收的工作模式，并自动执行超声相控阵仪器各通道灵敏度校准流程；

（2）连接相控阵探头

（3）检测

（4）保存步骤（3）检测的检测结果，检测完成。

2.根据权利要求1所述的相控阵探头的自动检测方法，其特征是：步骤（1）中，超声相控阵仪器各通道灵敏度校准流程为：（11）开始；（12）第一个通道工作，并记录接收信号的幅度；（13）下一个通道工作，并记录接收信号的幅度；（14）判断是否为最后一个通道工作，判断是否最后一个通道的依据是所选择相控阵探头的最大阵元数n；如果判断为否则返还步骤（13），如果判断为是则进入下一步骤（15）；（15）根据超声相控阵仪器n个通道接收到的信号幅度，对超声相控阵仪器各通道的接收增益进行调整，保证各通道接收到的回波信号幅度一致；（16）完成，超声相控阵仪器退出各通道灵敏度校准流程。

3.根据权利要求1所述的相控阵探头的自动检测方法，其特征是：步骤（3）中，判断晶片是否正常的依据为回波幅度和回波峰值变化情况。

4.根据权利要求1－3任一项所述的相控阵探头的自动检测方法，其特征是：实现所述检测方法的超声相控阵仪器可工作在单通道模式，并可对各通道接收增益进行单独校准。