Фазированная решетка при неразрушающего контроля

Фазированная решетка при неразрушающего контроля, используемая для исследований, помогает избежать применения таких дорогостоящих методик, как:

• рентгенография,
• применение магнитопорошковой методики
• или использование капиллярного метода.

Принцип работы ультразвуковой фазированной решетки основывается на способности отраженного луча искажаться и обнаруживать дефект внутри тестируемой поверхности.

Результатом является АК-скан. Применение традиционной методики позволяет получить только один скан. Использование фазированной решетки позволяет получить множество А-сканов. Количество АК-сканов зависит от числа преобразователей, которые имеет фазированный датчик. Впоследствии множество снимков преобразуется в один S-скан, помогающий визуально определить структуру исследуемого материала. В основе его получения лежит выявление частоты амплитудных колебаний.

Данная методика значительно увеличивает область обследуемой зоны и скорость процесса сканирования.

Многие люди знакомы с медицинскими применениями ультразвуковой визуализации, где высокочастотные звуковые волны используются для создания высоко детализированных секторных изображений внутренних органов. Медицинские УЗИ, как правило, сняты с использованием специализированных многоэлементных преобразователей -фазированных антенных решеток и сопровождающей аппаратной и программной части. Но применение технологии фазированной решетки не ограничивается медицинской диагностикой. В последние годы системы ФАР имеют все большее применение в промышленных установках для того чтобы обеспечить высокую информативность и визуализацию в процессе ультразвукового контроля. Технология применяется при контроле сварных соединений, композитных материалов, профилирования, толщинометрии, и для обнаружения трещин. В этой статье содержатся краткие вводные сведения о работе фазированных решеток и об их использовании в промышленном ультразвуковом неразрушающем контроле.

Что такое система ФР?
Традиционные ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля обычно состоят либо из одного активного элемента, который генерирует и принимает звуковые волны высокой частоты, либо из двух сопряженных элементов, один для передачи и один для приема. Преобразователи с фазированной решеткой, как правило, состоят из датчика включающий от 16 до 256 отдельных маленьких элементов, каждый из которых может излучать самостоятельно. Они могут располагаться в виде полоски (линейный массив), кольцом (кольцевой массив),в виде круговой матрицы (круговой массив) или в более сложной форме. Как и в случае с обычными преобразователями, преобразователи с фазированной решеткой могут быть рассчитаны на использование с прямым контактом, с призмой, или в имерсионном варианте. Частоты преобразователя обычно находятся в диапазоне от 2 МГц до 10 МГц. Система ФР также включает в себя высокотехнологичный электронный блок, который способен управлять многоэлементным преобразователем, принимать и оцифровывать эхо сигналы. В отличие от обычных дефектоскопов, системы ФАР могут излучать звуковую волну на нескольких углах или вдоль линейного пути, или динамически фокусировать луч на разных глубинах, увеличивая гибкость настроек контроля.

Принцип работы?
В общем принципе, система ФР использует физику поэтапного возбуждения волны, изменяя время между импульсами таким образом, что отдельные волновые фронты, созданные каждым элементом в массиве взаимодействуют друг с другом, чтобы увеличить или погасить энергию в определенных направлениях, что позволяет эффективно управлять формой звукового луча.
Это достигается путем излучения отдельными элементами зонда в разное время. Как правило элементы излучают группами от 4 до 32 в целях повышения эффективной чувствительности за счет увеличения диафрагмы, что снижает нежелательное рассеяние луча и позволяет лучше фокусироваться. Программное обеспечение, рассчитывает фокусный закон, устанавливает конкретные времена задержки для излучения каждой группы элементов, для того чтобы создать нужную форму луча, с учетом используемых преобразователей и призм, а также геометрии и акустических свойств исследуемого материала. Запрограммированная последовательность импульсов запускает ряд отдельных волновых фронтов в исследуемом материале. Эти волновые фронты, в свою очередь, объединяют конструктивно и деструктивно в единый первичный волновой фронт, проходящий через исследуемый материал и отражающийся от трещин, разрывов, задних стенок, и прочих границ, как и любая ультразвуковая волна. Луч может быть динамически управляем посредством изменения угла, фокусных расстояний и размеров фокусного пятна таким образом, что один преобразователь способен изучать в исследуемый материал различные типы волн. Это управление лучом происходит очень быстро, так что сканирование с разных ракурсов или с несколькими фокальными законами могут быть выполнены в малую долю секунды.
Возвращающиеся эхосигналы поступают на различные элементы или группы элементов и сдвинутые по времени по мере необходимости для компенсации различных задержек, а затем обрабатываются. При обработке с помощью программного обеспечения прибора, каждый возвращенный закон фокусировки представляет отражение от определенного углового компонента луча, определенной точки на прямолинейной траектории, и/или отражении от определенной глубины фокусировки. После обработки Эхо-сигнал может быть отображен в любой из нескольких форматов.

Как выглядят изображения ФАР?
В большинстве системах дефектоскопии и толщинометрии отображение ультразвуковых данных будет основываться на времени и амплитуде полученных из обработанных сигналов ВЧ. Эти сигналы и информация, полученная из них, как правило, представляются в одном или нескольких из четырех форматов: А-скан, B-скан, С-скан, или S-скан. В этом разделе показаны некоторые примеры получения изображения от классических и ФАР дефектоскопов.

A-скан
А-сканирование - это простой сигнал представляющий зависимость амплитуды ультразвукового сигнала от времени и, как правило, является стандартной формой отображения для традиционных ультразвуковых дефектоскопов и толщиномеров. А-скан представляет собой отражения одной звуковой волны.

Одноэлементный угловой датчик при использовании с обычным дефектоскопом будет генерировать луч вдоль одного углового пути. При распространении луча диаметр луча возрастает по мере увеличения расстояния от пьезопластины. 45 градусный преобразователь в одном фиксированном положении способен обнаружить два боковых цилиндрических отверстия в испытательном блоке, поскольку они подпадают под его луч, но это не возможно, чтобы обнаружить третий без перемещения датчика вперед.
Система ФАР покажет похожие формы a-сканов, однако в большинстве случаев они будут дополнены B-сканами, С-сканами, или S-сканами, как показано ниже. Эти стандартные форматы изображений позволяют оператору визуализировать дефект и определить тип и расположение дефектов в объекте контроля.

B-скан
B-сканирование представляет собой изображение поперечного профиля через один вертикальный разрез, показывающий глубины отражателей относительно их линейного положения. Для получения B-скана, необходимо сканирование – перемещение луча вдоль выбранной оси образца, механически или электронно, таеже необходима цифровая запись и хранение соответствующих данных. В примере ниже, B-скан показывает два отражателя на одной глубине и один верхний отражатель. С помощью обычного ультразвукового дефектоскопа можно получить B-скан, перемещая преобразователя вдоль контролируемого изделия.
Система ФАР, может использовать электронное сканирование вдоль линейной матрицы пьезокристаллов, аналогично создавая профиль поперечного сечения без перемещения преобразователя.

С-скан
С-сканирование - двумерное представление данных в виде вертикального или плоскостного разреза образца, аналогичного с графической точки зрения рентгеновскому снимку, где цвет представляет амплитуду сигнала в каждой точке объекта контроля. С обычными дефектоскопами, один элемент датчика должен быть перемещен в Х-ю растровую точку рисунка. С системами с фазированными решетками, преобразователь физически перемещается по одной оси, а луч выполняет электронное сканирование вдоль другой. Энкодеры, как правило, используются всякий раз, когда должны быть получены и сохранены точные геометрические параметры отражателей, хотя во многих случаях данные, записанные без энкодера, могут предоставить оператору полезную информацию.

S-скан
В S-скане или секторном сканировании изображения представляют собой двумерные поперечные сечения, полученные из множества А-сканов, которые были получены с учетом времени задержки и угла преломления. Горизонтальная ось соответствует оси перпендикулярной оси сканирования, а вертикальная – глубине образца. Это самый распространенный формат данных для медицинской томографии, а также для промышленного сканирования. Звуковой луч проходит через множество углов, чтобы создать изображение конусообразной формы. Следует отметить, что в данном примере, охватывая пучка фазированного ПЭП способен сопоставить все три отверстия от одного датчика положения.

Где используются системы на фазированных решетках?
Ультразвуковые фазированные антенные решетки могут потенциально быть использованы в любой отрасли, где традиционно использовались классические ультразвуковые дефектоскопы. Контроль сварных соединений и обнаружения трещин в наиболее важных изделиях в широком диапазоне отраслей промышленности, включая: аэрокосмическую, энергетическую, нефтехимическую, металлургическую, при изготовлении различных заготовок и трубной продукции, строительстве и эксплуатации трубопроводов и конструкционных материалов. Фазированные решетки также могут быть эффективно использованы для определения остаточной толщины стенки и коррозионного износа.

Преимущества технологии ФР по сравнению с обычными УЗ приходят от его способности использовать несколько элементов одного датчика, для управления и фокусировкой луча. Управление лучом, обычно называемое секторным сканированием, может быть использовано для отображения компонентов на разных углах сканирования. Это может значительно упростить контроль компонентов со сложной геометрией. Компактность прибора и возможность развертки луча без перемещения преобразователя, позволяет контролировать изделия при ограниченном доступе для механического сканирования. Секторное сканирование также обычно используется для контроля сварных швов. Возможность контроля сварных швов несколькими углами от одного преобразователя значительно увеличивает вероятность обнаружения дефектов. Электронная фокусировка позволяет оптимизировать форму и размер пучка в ожидаемом месте расположения дефекта. Таким образом, увеличивается вероятность обнаружения. Способность сфокусироваться на различных глубинах также улучшает чувствительность контроля. Фокусировка может существенно улучшить отношение сигнал-шум для контроля крупнозернистых материалов.