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工業(yè)相控陣超聲檢測(cè)介紹—相控陣超聲檢測(cè)發(fā)展簡(jiǎn)史及現(xiàn)狀

2011 年，筆者首次在北京機(jī)床展上目睹奧林巴斯展示的工業(yè)相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)時(shí)初涉無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的我，為其成像功能所震撼。然而，當(dāng)我了解到其昂貴的價(jià)格，并發(fā)現(xiàn)相控陣儀器在焊接檢測(cè)中無(wú)法做到像在試塊上那樣獲取清晰的缺陷圖像時(shí)，我認(rèn)為相控陣檢測(cè)或許只是一個(gè)概念，甚至是一個(gè)噱頭，至少在民用領(lǐng)域如此。

當(dāng)時(shí)，A型數(shù)字超聲波探傷設(shè)備尚未全面普及，智能手機(jī)仍備受質(zhì)疑，電動(dòng)汽車(chē)還被視為富人的玩具。時(shí)至今日，13 年過(guò)去，工業(yè)相控陣檢測(cè)早已不再是一個(gè)概念，隨著硬件和軟件的不斷發(fā)展，以及行業(yè)對(duì)檢測(cè)要求的日益提升，工業(yè)相控陣檢測(cè)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

我們將推出工業(yè)相控陣超聲檢測(cè)專(zhuān)題系列，助力大家深入了解這一領(lǐng)域，敬請(qǐng)關(guān)注！

相控陣超聲檢測(cè)發(fā)展簡(jiǎn)史及現(xiàn)狀History and Current Status of Phased Array Ultrasonic Testing

相控陣超聲技術(shù)是借鑒相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的原理而發(fā)展起來(lái)的，相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)是由許多輻射單元排成陣列組成,通過(guò)控制陣列天線(xiàn)中各個(gè)單元上電流的幅度和相位,得到所需要的方向圖和波束指向,或者在一定的空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。

相控陣超聲技術(shù)初期主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有關(guān)研究從上世紀(jì)50年代末60年代初開(kāi)始，至80年代中期，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相控陣技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段，主要是對(duì)人體組織進(jìn)行成像（俗稱(chēng)B超），另外，還可配套大功率超聲儀器，利用其可控聚焦特性使人體內(nèi)目標(biāo)組織局部升溫?zé)岑煟p少非目標(biāo)組織的功率吸收。時(shí)至今日，醫(yī)學(xué)相控陣超聲技術(shù)在研發(fā)和應(yīng)用上仍然領(lǐng)先于工業(yè)相控陣技術(shù)。醫(yī)學(xué)相控陣歷史上有過(guò)多次重大改進(jìn)，包括使用軟件程序進(jìn)行探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)、波速預(yù)測(cè)計(jì)算、精確的波束位置計(jì)算、超高分辨率成像，以及用脈沖多普勒法進(jìn)行流體流動(dòng)速度評(píng)估等。

工業(yè)領(lǐng)域的超聲技術(shù)應(yīng)用比醫(yī)學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜得多，主要有以下原因：

1. ?醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中超聲傳播的介質(zhì)是人體的組織，在這些組織中，超聲信號(hào)擁有基本一致聲速和聲阻抗，因而折射現(xiàn)象和波型轉(zhuǎn)換在界面處很少發(fā)生，這使得超聲信號(hào)的識(shí)別變得相對(duì)簡(jiǎn)單；
2. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中檢測(cè)的目標(biāo)對(duì)象是人體器官或組織，其形狀結(jié)構(gòu)的個(gè)體差異很小，這給信號(hào)分析的標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來(lái)極大方便；
3. 人體表面是光滑、柔軟、連續(xù)的，所以耦合也比較好。缺陷的外形和幾何尺寸千差萬(wàn)別、各不相同，給信號(hào)分析帶來(lái)很大難度；
4. 缺陷中的介質(zhì)與材料本體的聲阻抗往往相差極大，從而導(dǎo)致聲波往往不能穿透并在缺陷表面形成反射、衍射和波型轉(zhuǎn)換，材料中存在的聲波類(lèi)型也極其復(fù)雜；
5. 市場(chǎng)相對(duì)較小、成本高等原因也是制約工業(yè)相控陣技術(shù)發(fā)展的重要原因。

90年代后期，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，促成了集相控陣信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)處理、顯示和分析等功能于一臺(tái)體積不大的電池驅(qū)動(dòng)型便攜式相控陣儀器上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)工業(yè)相控陣探頭設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)一步完善，在歐美等國(guó)家，相控陣超聲逐步開(kāi)始應(yīng)用于石油天然氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)焊縫檢測(cè)、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)環(huán)焊縫檢測(cè)及核電站檢測(cè)等領(lǐng)域。2000年以后，工業(yè)相控陣技術(shù)應(yīng)用的檢測(cè)對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多。

• 1998年美國(guó)發(fā)布石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接接頭多通道分區(qū)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（ASTME1961）；
• 2011年歐盟發(fā)布相控陣術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)（EN16018）；
• 2012年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布關(guān)于焊縫檢測(cè)的相控陣方法標(biāo)準(zhǔn)（ISO13588）；

國(guó)內(nèi)在相控陣超聲檢測(cè)理論、相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用方面的研究相對(duì)滯后，始于2000年初，但近年來(lái)發(fā)展很快。

?2001年，西氣東輸天然氣管道建設(shè)過(guò)程中引進(jìn)國(guó)外全自動(dòng)超聲檢測(cè)（AUT）設(shè)備進(jìn)行了多通道分區(qū)檢測(cè)，嚴(yán)格意義上屬于采用相控陣設(shè)備進(jìn)行多通道分區(qū)的A+B型脈沖反射法超聲檢測(cè)和TOFD檢測(cè)，中石油同時(shí)配套制訂了SY/T0327-2003《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲波檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，后于2009年制訂了適用于在役管道的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6755-2009《在役油氣管道對(duì)接接頭相控陣超聲及多探頭檢測(cè)》。2002年，安徽理工大學(xué)研究了檢測(cè)管道焊縫的相控陣超聲儀器。2003年，清華大學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了16通道相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了數(shù)字波形相位延時(shí)的原理和實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到了較高的發(fā)射延時(shí)分辨率。2005年，大連理工大學(xué)研究了相控陣超聲精確延時(shí)控制技術(shù)．完成了通道控制方案的設(shè)計(jì)。應(yīng)用研究方面，2007年，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院在新疆獨(dú)山子石化1000萬(wàn)噸/年煉油及120萬(wàn)噸/年乙烯改擴(kuò)建工程開(kāi)展了將相控陣超聲應(yīng)用于承壓設(shè)備焊接接頭；2009年，西南交通大學(xué)開(kāi)展了將相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用于車(chē)輪輪輞探傷；2010年，北京航空材料研究所開(kāi)展了將相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用于航空復(fù)合材料制品。相控陣檢測(cè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)方面，航天一院制訂了QJ20045-2011《鋁合金攪拌摩擦焊相控陣超聲檢測(cè)方法》，2013年中國(guó)特檢院制訂了Q/CSEI01-《鋼制承壓設(shè)備焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)》；2017年安徽電建一公司制訂了DL/T1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》；2021年NB/T47013.15《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)》發(fā)布。在工業(yè)相控陣超聲檢測(cè)儀器研制方面，國(guó)外起步較早：1992年美國(guó)通用電氣公司（GE）研制出數(shù)字式相控陣超聲實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完全可編程的數(shù)字式聲束形成；1994年，英國(guó)科學(xué)家Hatfield研制了可手持式操作的高集成度相控陣超聲系統(tǒng)；1998年，法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）研制了自適應(yīng)聚焦超聲成像系統(tǒng)（FAUST系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)了更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的檢測(cè)；2000年，柔性相控陣探頭于法國(guó)研制成功，可用于不規(guī)則表面零件的檢測(cè)；2001年,加拿大R/DTECH公司研制出相控陣超聲管道檢測(cè)系統(tǒng)；2005年，GE與德國(guó)聯(lián)邦材料試驗(yàn)研究所（BAM）、德國(guó)鐵路（DB）聯(lián)合研發(fā)用于檢測(cè)火車(chē)輪軸關(guān)鍵部位橫向裂紋的相控陣超聲系統(tǒng)。目前，國(guó)外具有成熟的商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀產(chǎn)品的公司有Olympus、ISONIC、GE、ZETEC、M2M、SONATEST等公司。

國(guó)內(nèi)儀器研制方面起步較晚，系統(tǒng)開(kāi)展工業(yè)相控陣檢測(cè)儀器的研制始于21世紀(jì)初：

2010年前后，汕頭超聲研究所和廣州多浦樂(lè)公司先后推出第一代商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀產(chǎn)品，2008年至2009年，多浦樂(lè)公司和汕頭超聲研究所先后設(shè)計(jì)制造出實(shí)用化的相控陣探頭，目前國(guó)內(nèi)具有成熟的商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀產(chǎn)品的公司還有汕頭超聲電子、武漢中科、深圳神視和南通友聯(lián)，國(guó)內(nèi)相控陣產(chǎn)品正在迎頭趕上，小型便攜機(jī)的技術(shù)水平已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平甚至部分性能指標(biāo)已經(jīng)超出國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。