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相控阵超声检测(PAUT)是一种先进的无损检测方法。它让您可以使用一组小型超声探头检测材料中的缺陷，而无需损坏部件。与传统的单探头测试不同，您无需移动探头。
探头保持固定，您通过电子方式引导声束，实现精确的电子束聚焦。
如果您需要快速检查复杂几何形状或大表面，PAUT提供的扫描比传统方法更快且显示更多细节。
在本文中，我将解释相控阵超声检测的工作原理。
我们将介绍核心原理，如控制声束的聚焦法则和延迟法则，以及包括扇形扫描束控在内的技术。
您还将了解主要硬件组件及其最常见的应用。
如果您想先复习基础知识，请查看我们关于什么是超声检测以及它如何工作的指南。
它为理解超声检测的一般工作原理提供了良好的基础。
目录
什么是相控阵超声检测？
相控阵超声检测(PAUT)是一种检测方法，它依赖于装有许多小型超声元件的探头。
在较旧的技术中，您必须在表面上物理滑动单个探头。
PAUT则不同。
它让您可以以电子方式引导超声束，为您提供精确控制，而无需移动探头本身。
其名称揭示了它的工作原理。
“阵列”是指元件的集合，“相控”是指用于脉冲每个元件的特定计算机控制时序。
通过调整时序，您可以准确地塑造和引导声束到您需要的位置。这个过程使用波物理学的基本原理，其中声波相互干涉以聚焦能量。
历史发展
这项技术实际上起源于医疗领域，医生在20世纪将其用于超声成像。
工业无损检测采用它花了一段时间，因为早期系统对大多数团队来说过于复杂和昂贵。
一旦计算机变得更强大，制造成本下降，PAUT就成为一种出色的检测工具。
现在，您会发现它被用于许多要求严格的行业，如建筑、管道和发电，以验证材料质量。
但并非随处可见，因为与替代方案相比，它仍然是一种相对昂贵的控制工具。
关键组件
任何PAUT系统的核心是探头。
该组件容纳所有将电信号转换为超声波的压电晶体元件。
这些元件彼此分离，以防止它们在探头内部相互干扰。
探头有几种配置：线性阵列、矩阵阵列或环形阵列。
对于大多数工业应用，例如相控阵焊缝检测，您可能会使用包含16到32个元件的线性阵列。
该探头通过专用电缆连接到主机，但您也可以找到无线选项。
电子束聚焦如何工作
在相控阵技术中，您可以引导和塑造超声束，完全无需移动探头。
这是PAUT相对于传统方法的最大区别，它让您更快、更彻底地检查部件。
但您需要精确的时序和基本的波物理学来将声波发送到您想要的位置。
聚焦法则和延迟机制
您使用聚焦法则管理束聚焦。
这些是简单的指令，告诉每个阵列元件何时发射脉冲。
原理很简单，不是吗？
通过为每个元件的脉冲引入小的时间延迟，产生的波相互叠加，形成精确指向您需要位置的聚焦束。
这些延迟法则需要极高的精度，因为时序电路工作在约两纳秒。
这种精度使您能够调整束的角度和焦深以匹配您的部件几何形状。
通过适当的延迟，您可以根据特定部件的形状定制检测，以获得更好的结果。
波前生成
当阵列中的每个单独元件被激活并发射超声脉冲时，它会产生一个向外扩展的球形波，从点源向各个方向传播。
虽然单独的波元件在孤立状态下相对无效，但当使用聚焦法则精确同步时，它们变得更加强大。
这使得波汇聚并相互增强，产生一个可以准确指向特定目标位置的单一集中束。
您的焦点大小由有效孔径决定。
它代表同时激活的元件数量。由于增加发射元件的数量会导致焦点逐渐收紧，因此您能够动态塑造产生的束以检测和表征各种材料缺陷。
然而。
重要的是要认识到，这种聚焦能力仅在探头的近场内最佳工作，超出该范围，束会发散，聚焦优势会显著降低。
工作原理和技术
您使用相控阵工具处理超声生成和接收的方式与较旧的单元件工具不同。
PAUT系统一次触发一组元件，通常将4到32个元件脉冲在一起。
在像相控阵焊缝检测这样的常见任务中，您将使用大约16个元件。
仔细控制每个元件的脉冲时间，使声波合并成单个聚焦束。
当能量击中您的部件时，物理学开始起作用，无论您如何产生波都无关紧要。
让我们快速浏览一下可用的技术。
扇形扫描和束控
扇形扫描，或S扫描，是最常用的技术之一。
它仅用一组元件就能在多个角度扫过超声束，非常像探照灯。
您可以在不移动探头的情况下检查40到70度的区域。这就是束控的作用。
当部件具有复杂形状或难以触及的位置时，它很有帮助，让您可以选择最适合发现缺陷的角度。
电子扫描
电子扫描大大加快了速度。
它复制了您手动移动UT探头时所做的事情，但在这里，没有任何东西物理移动。
仪器沿着探头依次打开元件组。这会将束发送到您检查的区域。
您可以快速覆盖大表面，并可以将其与电子束聚焦配对以保持清晰的分辨率。
全聚焦方法
想要更清晰的图像？
使用全聚焦方法(TFM)。
它不会形成单个束。相反，TFM从阵列中的所有发射器-接收器对获取原始数据。
您的系统将检测区域分解为微小像素的网格，并计算出正确的时间延迟以在每个像素处聚焦声音。
这就是您如何获得该区域详细、准确的图像。
数据采集和显示
您的PAUT系统通过以精确定时的间隔发送超声束来收集信息。它一次捕获数百个信号，获取大量原始数据。
通过处理这些数据以创建清晰的图像，它将为您提供材料内部的实时视图，这是提高质量评估的有效方法。
此过程还会创建检测的永久可追溯记录。
为了获得更高的精度，您可以在探头上安装编码器。它记录每次测量的确切物理位置，将视觉数据链接到部件上的特定位置。
软件要求
系统的性能依赖于其软件，这是处理繁重工作的部分。
它计算复杂的时序，称为延迟法则和聚焦法则，以精确引导和聚焦超声束到您需要的位置。软件还管理每个探头元件的校准并组织数据以便清晰呈现。
虽然初次设置需要仔细配置，但您可以将设置保存到文件中。此功能允许您在几秒钟内重新加载完整设置，这对于常规工作是一个重要优势。
扫描类型和成像
软件将收集的信号转换为实时显示物体横截面的图像。有多种类型的扫描：
- 线性扫描：沿探头电子移动束
- 扇形扫描：使用束控从单点扫过一系列角度。
这种技术，称为扇形扫描束控，产生扇形图像，非常适合检查焊缝和复杂几何形状。
这种电子束聚焦提供了部件的清晰视觉切片，使解释比传统方法容易得多。
要了解有关成像标准的更多信息，您可以查阅ASNT等组织的无损检测资源。
相控阵检测的工业应用
您可以依靠相控阵超声检测在不破坏材料的情况下检查材料。
它很灵活，因此适用于许多不同行业的多种部件。您可以发现焊缝中的缺陷，检查铆钉的质量，并发现腐蚀产生的裂纹、孔隙或凹坑等问题。
以下是快速概述。
焊缝检查
对于焊缝检测，PAUT非常适合压力容器和管道等艰巨工作。它可以发现常见缺陷，如融合不良、气孔或夹渣。
您可以调整束角以适应焊缝的形状，从而使检测更加可靠。该过程遵循ASTM E2700等接触测试标准。
厚度和腐蚀测量
PAUT还准确测量材料厚度。
这有助于您随时间跟踪腐蚀或侵蚀造成的损坏。您可以绘制大表面上的材料损失图，以获得完整的图像。
例如，它用于检查支撑下的管道，那里很容易隐藏锈蚀。您获得的数据可帮助您确定部件是否仍然安全或需要维修。
其他应用
您可以将PAUT用于焊缝和腐蚀以外的用途。它用于检查铁路行业的火车车轮和车轴。
该技术还可方便地检查复合材料和绘制粘合接头中的粘合剂图。无论您是在建筑工地还是在发电厂，它都为质量检查和规划维护工作提供良好的数据。
实施模式
相控阵系统为您提供使用方式的灵活性。
您选择的方法取决于检测的具体需求，平衡速度、部件可及性、预算和安全性。
您有三个主要选项：手动、半自动或全自动。
手动检测
对于快速检查或检查形状复杂的部件，手动检测是一个实用的选择。
在这种自由运行模式下，技术人员用手在部件表面上移动探头。探头可以与耦合剂一起使用，安装在硬楔上，或安装在轮式探头中以实现更平滑的扫描。
这种方法为您提供出色的便携性并提供即时的实时反馈。
编码和自动化系统
半自动系统，也称为编码系统，为手动扫描带来更高的精度。
连接到探头的编码器记录其确切位置。此过程准确存储和映射所有检测数据。拥有这些数据可帮助您追溯结果并轻松重复检测。
全自动系统使用电动扫描仪来提高生产率和安全性。这些扫描仪可以使用磁力轮沿管道爬行，或使用多轴臂处理复杂部件，自动移动探头。
这种方法使操作员远离潜在的不安全环境，并为大规模检测提供高度可重复的结果。
设置和校准
开始使用相控阵超声检测系统时，正确设置至关重要，因为这会带来更好的检测结果。
该过程类似于您可能已经熟悉的超声检测。但PAUT具有多个元件，因此在设置和校准期间需要更多关注。
您可以从熟悉的基础知识开始，然后针对您的确切任务进行调整。
参数选择
如果您以前做过传统UT，开始时的感觉是一样的。
使用单探头工作中的值选择测试频率、孔径大小、焦距和入射角。
接下来，您调整延迟法则，也称为聚焦法则，以管理电子束聚焦。这有助于您将检测与材料相匹配。您需要考虑其声速和信号减弱程度。
对于厚碳钢焊缝，相比薄不锈钢部件，您应使用较低的频率和较大的孔径。
标准和资格
正确校准并遵守行业标准。这种方法为您提供可信任的结果（这也是客户和质量经理的必然要求）。
有很多国际标准要遵循，您的方法工程师将为您提供操作员需要遵循的标准。仅举其中一些：
- ASTM International提供可靠的规则，如E2491，可帮助您检查相控阵系统的特性。
- 对于焊缝裂纹尺寸测定等任务，请查看API QUSE-Phased Array考试等资格。
在检测之前，始终先使用演示块进行校准。它确保每个阵列元件都能工作，并且时间延迟正确对齐。
结论
相控阵超声检测是一种更智能的材料检测方法。
您使用具有许多小元件的探头，计算机应用所谓的聚焦法则或延迟法则来精确控制每个脉冲的时序。这会创建一个您可以通过电子束聚焦可控向聚焦的声束，因此您不必手动扫描。
这种电子控制在速度和准确性方面为您带来真正的优势。
通过扇形扫描束控，您可以非常快速地将束引导到大表面或复杂部件中。
您可以获得更可靠的数据，并且可以更有信心地发现隐藏的缺陷，而无需担心射线照相的安全问题。
但它并不适用于每一项工作。
前期成本高于传统UT，并且您需要专门培训才能获得良好结果。
它非常适合相控阵焊缝检测和腐蚀绘图。对于其他任务，如发现表面裂纹，不同的方法可能会更好地为您服务。
要充分利用PAUT，您需要一名熟练的操作员，能够选择正确的参数并将技术与工作相匹配。随着软件的改进以及全聚焦方法(TFM)等方法变得普遍，这项技术变得更加强大且更易于使用。
那您呢，您在工作中使用PAUT吗？
常见问题
什么是相控阵超声检测(PAUT)？
相控阵超声检测(PAUT)是一种先进的无损检测方法。它使用多元件探头以电子方式生成、引导和聚焦超声束，无需物理探头移动即可检测材料。这与传统的单元件超声检测有显著不同，提供了增强的功能。
PAUT如何创建和控制超声束？
PAUT通过使用精确计算的时间延迟单独脉冲探头中的每个元件来创建和控制束。这些延迟操纵声波，使其建设性干涉并形成可以引导到被检测材料内不同角度和深度的聚焦束。
PAUT相对于传统超声检测的主要优势是什么？
PAUT相对于传统超声检测具有多个优势。它通过电子扫描提供更快的检测速度，由于束引导和聚焦而提高缺陷检测精度，并通过永久数据记录增强可靠性。单个PAUT探头通常可以替换多个传统探头，简化设置。
PAUT可以有效检测材料中的哪些类型的缺陷？
PAUT在检测材料中的各种缺陷方面非常有效。它可以识别焊缝中的裂纹、孔隙、气孔和夹渣。它还擅长腐蚀绘图和厚度测量，允许评估管道和压力容器等部件内的材料损失和侵蚀模式。
电子束聚焦如何增强PAUT检测能力？
电子束聚焦通过精确控制超声能量在材料内的汇聚位置来增强PAUT能力。通过应用特定的时间延迟，PAUT将束聚焦在选定的深度和角度，从而提高信噪比。这允许在检测区域内更准确地表征和测量缺陷尺寸。
PAUT中的全聚焦方法(TFM)是什么？
全聚焦方法(TFM)是一种先进的PAUT技术，它将聚焦应用于定义的感兴趣区域内的每个像素。它将检测区域分割成网格，然后使用复杂的波束形成来增强整个网格的分辨率。与传统相控阵相比，TFM提供高度详细的图像。
PAUT设备和培训的主要考虑因素是什么？
PAUT设备的初始成本通常高于传统UT系统。此外，其复杂性要求操作员接受超出标准UT认证的专门培训。虽然设置和解释存在学习曲线，但随着时间的推移，效率提升可以降低总拥有成本。
聚焦法则如何影响PAUT系统的性能？
聚焦法则是精确控制PAUT束特性的关键软件和硬件参数集。它们规定了应用于每个元件的时间延迟，确定束将聚焦的位置和角度。正确定义的聚焦法则对于优化声学灵敏度和检测有效性至关重要。
PAUT广泛用于哪些工业部门进行质量保证？
PAUT广泛用于各种工业部门的质量保证。它在建筑、石油和天然气(用于管道和压力容器)、发电和运输(用于机车车辆检测)中得到广泛使用。它在焊缝检查、腐蚀绘图和复合材料检测方面表现出色。
