全聚焦相控阵技术的场校准

强天鹏，杨贵德，杜南开，陈建华，张国强，龚成刚

(1.江苏中特创业设备检测有限公司,南京 225003；2.广东汕头超声电子股份有限公司，汕头 515041)

在全聚焦相控阵技术特性与应用系列论文的第一篇[1]和第二篇[2]中曾指出，全聚焦相控阵是一种跟以往各种超声检测技术迥然不同的新型超声检测技术，它通过全矩阵数据采集获取海量数据，通过全像素聚焦和叠加平均处理得到高分辨力、高灵敏度、高信噪比的图像，其在工件中建立的声场以及从声场中接收的信号具有如下所述的非常独特的性质。

(1) 全聚焦相控阵采用小晶片多次发射和大窗口长时间接收，在一个信号周期内系统接收的能量远大于常规超声。

(2) 声场的能量是通过小晶片多次发射注入的，小信号的累加效应使得在全聚焦相控阵的声场中，不同位置上的声压变化比常规脉冲反射法声场的声压变化平缓。

(3) 由于小晶片发射的声束扩散角大，故探头在工件中建立的声场能覆盖更大的范围，目标区中任何一个微小空间都充斥着超声能量，又由于大窗口长时间接收，以及全像素聚焦，所以目标区中任何一个微小空间的状态及变化都能被系统探测到。

(4) 全聚焦相控阵系统对从声场接收的信号进行海量次数的叠加平均处理，输出信号的信噪比非常高。

在对全聚焦相控阵的声场特性和信号特性深入研究的基础上，笔者提出了全聚焦相控阵检测焊缝的新技术路线和方法，即用场测量和场校准的方法来实施检测。该方法不仅能够解决全聚焦相控阵系统无法显示有效A扫的问题，而且在灵敏度、可靠性、精度、效率、适应性等方面凸显出了其优越的性能。

场测量已经在该系列论文的第二篇[2]进行了描述，因此文章将就场校准的有关问题开展讨论。

1 超声检测系统的校准

1.1 超声检测系统的校准项目

校准是实施超声检测必不可少的步骤，是指用标准试块或对比试块上的特定结构来标定仪器状态参数的操作。广义的校准通常还包括检测参数测量和系统设置。不同超声检测方法的参数测量、系统设置与校准项目不完全相同，操作上也存在一定差异，例如用脉冲反射法超声检测焊缝的系统校准项目一般包括声速测量与校准，探头前沿测量，折射角测量与校准，楔块声程测量与仪器扫描线性校准，扫查深度范围设置，距离波幅曲线制作，增益设置等，而相控阵超声检测焊缝的校准项目则包括声速测量与校准，扫查深度范围设置，角度增益校准(ACG)，时间增益校准(TCG)，增益设置等。

1.2 A扫信号与校准

以往各种超声检测方法的系统校准都需要使用A扫信号，惯用的做法是用探头对准试块上的某一个反射体，在A扫信号中寻找最高波幅，把最高波幅调节到适当高度(例如屏幕的80%)，记录探头位置，通过测量和计算确定某个参数值。

在各个校准项目中，以脉冲反射法的距离波幅曲线和相控阵的TCG最为麻烦，二者需要测试多个不同深度的反射体，逐个寻找每一个反射体的最高波幅，不仅步骤多，耗时长，而且精度也不高。场校准方法更简单、快捷、准确，对超声检测来说，是一项有意义的革新。

2 全聚焦相控阵的场校准概述

2.1 场校准原理

和场测量一样，场校准是基于以下认识而提出的。使用全聚焦相控阵技术检测焊缝时，将斜探头前方的焊缝局部区域定义为检测目标区(见图1)，探头发射超声能量充斥于整个目标区内，形成全聚焦相控阵声场，且按一定规律分布。声场中任何扰动，或者说目标区内形态的任何改变(例如出现缺陷)，会使超声能量分布相应改变，探头接收的信号也会改变(捕捉到缺陷信息)。

图1 全聚焦相控阵目标区示意

和场测量一样，场校准不像常规脉冲反射法那样必须知道波束指向，波束中心线路径和边界角的位置。因为常规脉冲反射法像用一支手电筒的光束去扫描检测区域，必须知道光束何时指向何处，而全聚焦相控阵声场中，能量像太阳光一样普照在目标区，无处不在。至于阳光的强弱(能量分布不均匀)带来的问题，可以通过增益补偿加以解决。

由于全聚焦相控阵的超声信号具有高信噪比的特性，即使某个局部区域的声能量很弱，回波信号波幅很小，也可通过巨量增益补偿满足检测要求。

2.2 场校准过程特点

场校准不需要观察和利用A扫，校准过程中不需要考虑波束路径，不需要逐个测试不同深度的反射体，不需要寻找最高波，不需要调节波高，因此极其简便。与常规相控阵校准项目相关的所有内容，包括TCG，ACG，增益设置，检测覆盖范围等，通过一次校准即可完成其校准。

2.3 场校准种类

根据设置的目标区尺寸和校准点的分布，场校准可分为狭场校准和宽场校准，两种校准的用途有所不同。

3 狭场校准

焊缝扫查过程中使用的数据采集系统可以采用狭场校准的方法来校准。

3.1 狭场校准仪器系统

试验采用的系统组成包括仪器主机(国产全聚焦相控阵3D实时成像系统)，探头[频率为5 MHz，晶片尺寸为0.6 mm×10 mm(阵元中心距×长度)，64阵元线阵探头]和专用软件。

3.2 狭场校准试块

狭场校准试验一般采用横孔试块(见图2)。如果认为有必要，也可采用其它试块。试块尺寸的要求为：高度应不小于焊缝母材厚度；试块宽度一般应大于探头楔块宽度的510 mm；试块应能保证放置探头的一侧有足够的扫查长度，一般不小于焊接接头宽度与楔块长度之和的20 mm；对面一侧长度以不出现干扰信号为宜，一般不小于40 mm。

图2 横孔试块结构示意

采用横孔的优点是其加工容易，成本低。另外，横孔尺寸可按现行脉冲反射法超声或相控阵超声标准的规定选取，这样有利于在灵敏度设置和缺陷测量等项目上跟有关标准进行比较和互换。横孔的深度间距一般取10 mm，也可以根据要求增大或减小；横孔数量应保证其足以在焊缝母材厚度范围内按照规定的间距均布。

3.3 狭场校准的信号采集

狭场校准的信号采集过程极其简单，步骤说明如下。

(1) 设定目标区。在试块上设定的目标区如图3所示(图中坐标系为左手坐标系)。目标区是一个立方体，其三维尺寸的选择依据为：x方向为焊缝的长度方向，试验中取目标区长度为探头孔径的1/2，即 5 mm；y方向为焊缝的宽度方向，取目标区宽度为40 mm；z方向为工件的厚度方向，取目标区的厚度为100 mm，即该系统一次扫查覆盖深度范围为100 mm。

图3 在试块上设定的目标区示意

(2) 在试块上画出探头移动起点和探头移动距离。校准时探头沿y方向移动，探头移动距离为焊缝宽度与两侧热影响区宽度之和。

(3) 在仪器上进行初始设置，探头连接编码器，放在起始位置。

(4) 开始扫查，平稳移动探头至终点，注意保持良好耦合，探头移动方向如图4所示。

图4 狭场校准信号采集探头移动方向示意

(5) 信号采集结束，存储。

3.4 狭场校准的增益补偿

增益补偿和校准通过操作软件完成，步骤如下。

(1) 预览。所采集的目标区三维体积图像如图5所示，观察图像是否完整，信号幅度是否恰当，信噪比是否足够，如果不满意，可重新采集。由图5可以看到，全聚焦相控阵探头声场覆盖范围非常大，试验采集到9个横孔的信号，覆盖的深度范围是100 mm，远远超过常规脉冲反射法超声检测和常规相控阵检测的覆盖深度，这意味着全聚焦相控阵对100 mm厚的焊缝可一次完成检测，不需要进行分区检测。

图5 目标区三维体积图像

(2) 切片。启动软件进行切片。按设定的距离将目标区切成若干薄片，切面上出现未校准系统所采集的未作补偿的横孔信号显示，不同位置的切片如图6所示，图6显示的切片之间的设定距离是10 mm。观察各切片图像，应无耦合不良迹象，无影响和干扰横孔信号识别的非相关显示。由于尚未进行补偿，故探头在不同位置上探测不同深度横孔的回波大小不一样(图像上各个孔的信号颜色不一样)。有些横孔的信号没有显示，例如第一个切片的最下面两个横孔以及第三个切片的最上面一个横孔。出现此类情况并没有关系，由于全聚焦相控阵技术所采集的信号具有很高的信噪比，在进行增益补偿后，所有横孔信号都能很好地显示出来。

图6 未作增益补偿的不同位置的数据切片

(3) 基准增益设置。选择一个图像清晰且颜色适当(橙色)的反射体信号作为增益基准点，进行基准增益设置。

(4) 整个目标区体积范围内的增益补偿和校准。使用软件自动进行增益补偿和校准，完成整个目标区体积范围内的相当于普通相控阵的TCG，ACG以及系统增益设置。进行增益补偿和翻转后不同位置的数据切片如图7所示。

图7 增益补偿和翻转后不同位置的数据切片

(5) 翻转。需要注意，实际检测扫查焊缝时，信号获取的声程正好与校准时相反，即校准时的探头起点的切片，对应的是焊缝检测时紧邻探头的热影响区的信号波幅；校准时探头终点的切片，对应焊缝检测时远离探头的热影响区的信号波幅。因此，采集的信号和校准的切片的位置要翻转。

(6) 复查。利用校准后的系统重新采集试块中的横孔信号，检查各个切面补偿后的图像，所有反射体信号是否齐全，所有信号颜色是否一致，是否与增益基准相同，同时检查深度覆盖范围及效果。

4 宽场校准

宽场校准是另一类型的校准，其思路是通过对声场进行全体积测量，得到立体网格各节点(见图8)的反射体回波幅度(声压)，然后进行校准。

图8 宽场校准的立体网格节点

该方法可测得立体声场中各位置的实际声压，因此可用于全聚焦相控阵声场特性研究试验，也可用于检测系统性能参数的测试，例如横向分辨率的的测试。宽场校准的系统同样可用于检测，并且可作一些特殊应用，例如，将探头固定于某一位置对单个缺陷进行数据采集，可以测定缺陷的长度和高度，排除移动探头测长的误差。

宽场校准与狭场校准有两个主要区别，一个是宽场校准的目标区宽度较大，狭场校准的目标区宽度为探头孔径的1/4～1/2，而宽场校准的目标区宽度根据应用需要，可选择为探头孔径的1倍甚至2倍；另一个区别是狭场校准一般使用横孔试块进行，而宽场校准为得到网格中各节点的声压，采用一种新型试块——簇状球底水平孔试块进行，其结构如图9所示。

图9 簇状球底水平孔及其试块结构示意

4.1 宽场校准仪器系统

试验的系统组成包括仪器主机(国产全聚焦相控阵3D实时成像系统)，探头[频率为5 MHz，晶片尺寸为3 mm×3 mm(阵元中心距×长度)，64阵元面阵探头]，专用软件。

4.2 宽场校准试块

试块设计基于以下考虑。

(1) 欲在一个平面上布置多个反射体，且反射体位置在平面上呈节点分布，采用水平孔是比较好的方案。

(2) 采用球底孔而不用平底孔，是因为球底孔的回波信号波幅受超声波入射角度变化的影响比平底孔小很多。

(3) 另一方面，球底孔回波信号波幅比平底孔低，这意味着校准时，采用球底孔比采用相同直径的平底孔的灵敏度更高，换言之，如果校准灵敏度相同，球底孔的直径可以做得比平底孔大一些，从而更便于加工。例如，与φ1.5 mm的平底孔等当量的球底孔的直径为3 mm[3]，而后者的加工难度比前者小很多。此外，就机加工本身特点而言，球底加工难度也比平底小。

4.3 宽场校准的信号采集

步骤说明如下：① 选择目标区尺寸(覆盖9个孔)；② 在试块上画出探头起点和探头移动距离(见图10)；③ 仪器系统进行初始设置；④ 探头连接编码器，放在起始位置；⑤ 开始扫查，平稳移动探头，注意保持良好耦合；⑥ 信号采集结束，存储。

图10 探头移动距离和目标区体积范围示意

4.4 宽场校准的增益补偿

增益补偿和校准通过软件操作完成，步骤跟狭场校准相同，包括预览、切片、基准增益设置、整个目标区体积范围内的增益补偿和校准、翻转和复查。复查时，用校准后的系统再次采集试块信号，观察信号的图像，检查和评估增益补偿的效果。

4.5 宽场校准试验的数据切片

未经校准的数据切片图11(a)所示，在同一位置，利用校准后的系统再次采集数据，得到增益补偿后的数据切片如图11(b)所示。由颜色标尺可以看到，试验系统的A/D(模/数)转换为8位，信号幅度范围为0～255[A/D转换器输出值(无量纲)]，最大动态范围为48 dB。从图11的切片中可以看到9个反射体信号，校准前系统采集的信号最大波幅:最小波幅为255…94，dB差为8.67，校准后系统采集的信号最大波幅：最小波幅为255…230，dB差为0.90。

图11 宽场校准前后的数据切片对比

从理论上说，校准后的系统采集的不同位置相同尺寸的球底孔信号，经过增益补偿后，所有孔的信号波幅应该相同，试验出现0.90 dB的偏差，分析原因可能来自两个方面，一方面是第二次信号采集的耦合状态跟第一次采集的不同；另一方面是计算机校准软件的声压变化曲线与实际声场存在差异。但对超声检测工程应用来说，0.90 dB的偏差可以忽略不计。

以上数据说明全聚焦相控阵的场校准路线和方案以及设计制造的仪器系统优势明显，TCG和ACG的精度非常高，远远超过常规脉冲反射法超声对逐个孔进行测试，然后绘制的DAC(距离-波幅)曲线的补偿精度，以及普通相控阵超声对逐个孔进行测试，然后绘制的TCG和ACG曲线的补偿精度。

5 结语

场校准是基于对全聚焦相控阵技术在工件中建立的声场，以及从声场中接收的信号所具有的独特性质的深刻理解而提出的创新概念。其技术路线和方法具有过程简单，操作快捷，精度高，自动化程度高等一系列优点，极大地简化了焊缝超声检测的操作，提高了检测精度和检测效率，全面提升了全聚焦相控阵技术的优势。