宽带高灵敏度柔性相控阵探头的发展与应用

常俊杰，魏　强，小倉幸夫,卢　超，陈　果

(1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室， 南昌 330063；2.日本探头株式会社, 横滨 232-0033)



宽带高灵敏度柔性相控阵探头的发展与应用

常俊杰1，2，魏强1，小倉幸夫2,卢超1，陈果1

(1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室， 南昌 330063；2.日本探头株式会社, 横滨 232-0033)

超声相控阵技术因为检测效率高和灵敏度高等优势而常应用于工程实践中，但对于一些复杂表面材料的检测，常规相控阵探头不能与材料紧密贴合而导致检测困难。介绍了一种可以通过接触法检测材料的不规则表面和倒角处的柔性相控阵探头，并对其性能进行改进，提出了一种新的柔性相控阵探头。对新旧柔性相控阵探头的性能进行比较，表明了新的柔性探头具有高灵敏度和高分辨率(可达0.1 mm)。最后,列举了新柔性相控阵探头在实际工程中的应用。

超声相控阵;柔性阵列探头;高灵敏度;高分辨率;宽带

20世纪80年代,超声相控阵系统出现在工业检测当中;经过多年来的发展，该技术已越来越成熟。由于采用超声相控阵技术能够在不移动探头的情况下进行高速电子扫查、对于复杂几何工件的检测具有更高的灵活性以及能够实现超声波束偏转和聚焦等[1]，故该技术的应用越来越广泛，例如应用于螺栓的螺纹区域、汽轮机叶根[2-4]、火车轮轴[5]，TKY焊缝节点[6-8]等工件的检测中。超声相控阵探头包括线性阵列和圆形阵列两种[9]。在检测过程中，探头要紧贴被检测物体，然后发射超声波对材料进行检测。对于一些不能与探头耦合很好的工件，往往需通过楔块来实现探头与工件的耦合。然而，工程应用中许多工件的表面形状并不一样，故通过定制一个探头和楔块去检测所有材料的表面是不可能的。因此,研制可与不同表面形状的工件紧密耦合的相控阵探头,具有重要的工程意义。

2010年，笔者研制了一种可以与任意表面形状的被检工件紧密耦合的柔性相控阵探头(Flexible Array Probe，简称为FAP)。为了改进FAP的性能，笔者加上了一层阻尼层来吸收背面的振动，并且通过树脂作为声匹配层来减小超声波的周期数。经过这些改进后，新的柔性相控阵探头(Broadband Flexible Array Probe，简称为BFAP)的时间分辨率得到了显著的提高，并且已经开始应用于飞机主翼的检测中。

1　BFAP的结构和外观

BFAP是一种使用PZT和较软的环氧树脂制作的特殊连接结构的压电换能器[10]，因为制作探头的材料具有柔性，所以探头也具有柔性。BFAP的声匹配层置于探头的前面，用于吸收不必要的振动的阻尼层位于探头的背面，其结构示意如图1所示。BFAP外观形状如图2所示，可见，探头可以紧密贴合在被检工件的弯曲表面进行检测。BFAP 的通道数目为64，每个通道间的间距为1 mm，频率为5 MHz。

图1　BFAP的结构示意

图2　BFAP的外观形状

2　阻尼层的作用

BFAP上有阻尼层，FAP上没有阻尼层，为了了解阻尼层对柔性探头性能的作用，对BFAP与传统的FAP的性能进行比较。分别使用BFAP与FAP探头接收20 mm厚的聚苯乙烯块的底面回波，接收到的波形如图3所示。在图3(a)中，FAP接收到的底面回波的尾部还带有一段信号，并且回波的周期数超过了5。但是在图3(b)中，BFAP接收到的底面回波没有这段信号，并且周期数为1.5。在探头灵敏度方面，BFAP接收回波强度比FAP接收回波强度大3 dB左右。如图4所示，对图3所接收的底面反射波信号进行频谱分析。在频带宽度方面，FAP接收信号的频带宽度(信号的带宽除以信号的峰值频率)为30%，而BFAP接收信号的频带宽度为116%。

图3　 FAP和BFAP接收到的底面反射波形的对比

图4　FAP和BFAP接收到的波形频带宽度的对比

为了比较这两种探头的空间分辨率，笔者通过相控阵仪器来检测图5所示的聚苯乙烯试块，试块上打了6个直径为1 mm的圆孔，圆孔的间距为0.1 mm。图6为对其的相控阵检测结果，经过分析，BFAP的检测结果中孔的显示要比FAP中孔的显示更清晰。因此，可以证明BFAP的空间分辨率要比FAP的空间分辨率高。

图5　带有一列圆孔的聚苯乙烯试块结构示意

图6　FAP和BFAP空间分辨率的对比

对上面的试验结果进行总结，FAP与BFAP的某些性能的对比如表1所示，可见,与传统的FAP相比，BFAP的许多性能得到了提高。

表1　FAP和BFAP的性能比较

3　BFAP的耐用性试验

如图7(a)所示，笔者设计了一套检测探头耐用性的试验装置。对BFAP做了40 000次冲击试验。在冲击试验后，每个换能器灵敏度的变化如图7(b)所示。从对图7(b)的结果分析可知，换能器灵敏度的变化都在0.5 dB之内。

图7　BFAP耐用性检测装置及其冲击试验后灵敏度的变化

4　BFAP的检测应用

由于空间分辨率高且探头具柔性等优点，BFAP常被用于一些复杂工件以及薄工件的检测中，下面就具体地介绍BFAP在实际检测中的应用。

(1) 检测薄的CFRP(碳纤维增强复合材料)

图8　某CFRP材料中人工缺陷位置示意及其BFAP检测结果

如图8(a)所示，CFRP在表面下1.8,2.5和3.2 mm处存在3个人工缺陷。如图8(b)所示，B扫检测结果中可清楚地显示出CFRP表面下的三个人工缺陷。

(2) 检测曲面焊缝

在曲面焊缝的中央制作了一个直径为1.5 mm的人工缺陷。在检测过程中，BFAP能与工件的曲面紧密贴合(见图9(a))。通过对B扫的结果(见图9(b))分析可知， BFAP可以清楚地检测出曲面焊缝中的人工缺陷。

图9　BFAP对某曲面焊缝的检测操作示意及检测结果

(3) 检测表面形状复杂的材料

如图10(a)所示，某材料的表面为波浪面，在其中加工了5个人工孔洞。在检测中，BFAP也能与工件紧密贴合，BFAP上面的光纤可对波浪表面的位置进行修正，以此来获得缺陷在材料中的真实位置。图10(b)为B扫检测结果，可见，BFAP可以清楚地检测出材料中的5个人工缺陷。

图10　BFAP对某波浪表面材料的检测操作示意及检测结果

5　结论

(1) 由于宽带柔性相控阵探头(BFAP)可自由紧密贴合材料表面，故可实现对弯曲侧面、凹凸面、焊缝直接检测、粗糙表面等的检测。

(2) BFAP可作为宽带高灵敏度阵列探头去检测近表面缺陷。

(3) BFAP不能用于水浸检测，只能作为阵列探头通过接触法进行检测。

[1]靳世久,杨晓霞,陈世利,等.超声相控阵检测技术的发展及应用[J].电子测量与仪器学报,2014,28(9):925-934.

[2]牛保献,靳峰,宋国营.采用超声相控阵技术检测汽轮机转子叉型叶根[J].无损检测,2014,36(1):58-79.

[3]刘晓睿,刘斯以,吴斌斌.超声相控阵技术在工业上的应用[J].硅谷,2012(17):125-127.

[4]钟志民,梅德松.超声相控阵技术的发展及应用[J].无损检测,2001,24(2):69-71.

[5]汪春晓,张浩,高晓蓉,等.超声相控阵技术在车轮轮辋探伤中的应用[J].中国铁路,2009(5):69-71.

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[9]单宝华,喻言,欧进萍.超声相控阵检测技术及其应用[J].无损检测,2004,26(5):235-238.

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Development and Application of Broadband High Sensitive Flexible Phased Array Probe

CHANG Jun-jie1,2, WEI Qiang1, YUKIO Ogura2, LU Chao1, CHEN Guo1

(1.Key Lab. of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;2.Japan Probe Co., Ltd., Yokohama 232-0033, Japan)

Ultrasonic phased array technology is often used in engineering application for high detection efficiency and high sensitivity. But for the detection of complex surface material, since the conventional phased array probe can not fit closely with the material it is therefore difficult for one to detect the material. This paper describes a flexible phased array probe that is available for detection of irregular surface & corner part of the specimen by direct contact method，and furthermore through improving the performance of the flexible phased array probe a new flexible phased array probe was developed. Through the performance comparison with the old flexible phased array probe, it is demonstrated that the new flexible phased array probe possesses high sensitivity and high resolution of 0.1 mm. Several practical engineering applications of the new flexible phased array probe are presented. The more engineering application of flexible phased array probe is expected.

Ultrasonic phased array; Flexible phased array probe; High sensitivity; High resolution; Broadband

2015-11-06

国家自然科学基金资助项目(AA201408160)

常俊杰(1964-),女,副教授,硕士研究生导师,主要从事固体力学及超声无损检测与评价方面的研究,E-mail: junjiechang@hotmail.com。

魏强(1991-),男,硕士研究生,主要从事超声无损检测技术研究,E-mail: 843438673@qq.com。

10.11973/wsjc201606006

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0024-04