相控阵超声检测系统特性评价的具体要求（上）
李衍 无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会
ASME BPVC 2009最新增补版有关相控阵超声无损检测仪器和系统特性评价的具体要求：1)声束轮廓的测定； 2)声束变角范围的测定；3)阵元激活性的测定；4)聚焦能力的测定；5)参数和数据显示的计算机控制；6)探头楔块衰减和延迟补偿的评价：7)仪器垂直线性和水平线性及动态范围的评价。
1 相控阵声束轮廓的测定
1．1 概述
相控阵声束轮廓(宽度)影响检测分辨力，它相关于焦深和折射角。通常要测定相控阵两个方向的声束宽度：一个是主动窗(平行于阵列探头长度)方向的，另一个是被动窗(平行于阵列探头宽度)方向的。
要测定声束宽度的相控阵探头可为直接接触式探头或水浸探头。但要注意，测定接触式探头时，务必采取适当措施，确保接触耦合良好，否则会引起测试误差，评价失当。
1．2 配置和测试要点
1．2．1 定态声束与动态声束
对声束固定的单一聚焦法则(即不采用电子扫描或扇形扫描方式)，且探头用水浸法时，可使用球体作测试标靶(ta rget)，或用水听器
(hydrophone，参阅ASTM E 1065)测试声束宽度。对声束为动态性的相控阵探头，因其使用多个聚焦法则进行扇形扫描或电子扫描，无需机械移动或稍作探头移动，即可完成声束宽度的测试。作机械移动测试时，应有定位编码器，使信号时间和波幅能与探头移动距离相关联。编码器的准确度应通过校验，控制在声束测试合适的误差范围内。用接触式探头测评电子扫描和扇形扫描的声束宽度时，应作适当说明。但要求用水浸法测试时，可用适当杆体或球体代替机械加工的测试标靶。无损检测
1．2．2线阵列探头的声束测评
线阵列探头声束发射方向具有主动面和非主动(被动)面。主动面平行于阵列探头轴线；被动面平行于阵列探头宽度或阵元长度。评价主动面中的声束，探头应使用电子扫描程序，并有足够阵元数，以用电子方法使声束扫查到要测试的所有标靶。对使用大部分可用阵元来形成声束的相控阵探头，作电子光栅的剩余阵元数可能偏少，以致有些标靶不能被声束扫查到。在这种情况下，就需要通过有编码的机械移
动，分别对声束沿主动面移动时所预置的各聚焦法则一一测评。
1．2．3靶体设置和电子扫描示例
应在无缺陷的试样(试块)材料中，在不同深度位置，设置一系列横孔，并预先对其聚焦法则编程。利用相控阵系统的线扫查特征，使声束扫过不同深度的测试标靶(即横孔)。图1即表示相控阵探头作电子线扫描时，纵波波束对试样中一系列深度和横轴坐标各异的横孔标靶快速依次扫查的状态。
1．2．4标靶的纵波和横波电子扫描B型显示图像
对测试范围内出现的所有波形，都要进行数据采集。显示图像应以色彩或灰度等级来表示波幅的强弱。显示纵坐标表示超声波在试样材料中的传播时间或相应深度距离，而横坐标则表示电子扫描(或相应声束)水平位移距离。这就是典型的B型显示图像。与图l所示深度位置和水平距离各异的横孔标靶一一对应。
对安置在斜楔上的相控阵探头，作电子扫描时的超声横波数据显示，也可用类似的时间(深度位置)一水平位移直角坐标显示图像，或者用声束角度已作校准的显示图像。
1．2．5纵向分辨力和轴向分辨力
沿位移轴(纵向)的分辨力，相关于电子扫描的步距大小；若用编码机械夹具进行扫查，则该分辨力取决于编码器取样用的步距尺寸。沿声束轴线的分辨力，相关于相邻横孔之间的声程间距。对高聚焦声束，到达相邻横孔之间的声程差最好小些(如1～2mm)。
1．2．6被动面内的声束宽度测试
对被动面内的声束轮廓(宽度)，也能进行测试。线阵列探头中的被动面与主动面相互垂直，被动面是指声束不会因相位效应而变角转向的一面。对被动面内的声束轮廓，要求通过机械扫查进行测试。
将主动面中的电子扫描与被动面中的编码机械移动两者组合，采集信号波形，由此提供可作投影修正的数据，进而测得在被动面内的声束尺寸。图2即表示在被动面内的声束评价方法。此法利用了阶梯试块上一系列平底孔的端角反射。
图3表示用平板试块中的斜通孔取代图4所示阶梯间距，来测试声束在被动面内宽度尺寸的方法。斜通孔轴线垂直于声束轴线，探头各阵元到达横孔标靶的声程呈连续变化。
根据指示波幅降落值的色标或灰度，或根据幅度相对于位移的计算机显示，即可通过C扫描投影显示，测出声束尺寸。C扫描投影显示的示意图见图
1 相控阵声束轮廓的测定
1．1 概述
相控阵
要测定声束宽度的相控阵
1．2 配置和测试要点
1．2．1 定态声束与动态声束
对声束固定的单一聚焦法则(即不采用电子扫描或扇形扫描方式)，且探头用水浸法时，可使用球体作测试标靶(ta rget)，或用水听器
(hydrophone，参阅ASTM E 1065)测试声束宽度。对声束为动态性的相控阵
1．2．2线阵列探头的声束测评
线阵列探头声束发射方向具有主动面和非主动(被动)面。主动面平行于阵列探头轴线；被动面平行于阵列探头宽度或阵元长度。评价主动面中的声束，探头应使用电子扫描程序，并有足够阵元数，以用电子方法使声束扫查到要测试的所有标靶。对使用大部分可用阵元来形成声束的相控阵
动，分别对声束沿主动面移动时所预置的各聚焦法则一一测评。
1．2．3靶体设置和电子扫描示例
应在无缺陷的试样(试块)材料中，在不同深度位置，设置一系列横孔，并预先对其聚焦法则编程。利用相控阵
1．2．4标靶的纵波和横波电子扫描B型显示图像
对测试范围内出现的所有波形，都要进行数据采集。显示图像应以色彩或灰度等级来表示波幅的强弱。显示纵坐标表示超声波在试样材料中的传播时间或相应深度距离，而横坐标则表示电子扫描(或相应声束)水平位移距离。这就是典型的B型显示图像。与图l所示深度位置和水平距离各异的横孔标靶一一对应。
对安置在斜楔上的相控阵
1．2．5纵向分辨力和轴向分辨力
沿位移轴(纵向)的分辨力，相关于电子扫描的步距大小；若用编码机械夹具进行扫查，则该分辨力取决于编码器取样用的步距尺寸。沿声束轴线的分辨力，相关于相邻横孔之间的声程间距。对高聚焦声束，到达相邻横孔之间的声程差最好小些(如1～2mm)。
1．2．6被动面内的声束宽度测试
对被动面内的声束轮廓(宽度)，也能进行测试。线阵列探头中的被动面与主动面相互垂直，被动面是指声束不会因相位效应而变角转向的一面。对被动面内的声束轮廓，要求通过机械扫查进行测试。
将主动面中的电子扫描与被动面中的编码机械移动两者组合，采集信号波形，由此提供可作投影修正的数据，进而测得在被动面内的声束尺寸。图2即表示在被动面内的声束评价方法。此法利用了阶梯试块上一系列平底孔的端角反射。
图3表示用平板试块中的斜通孔取代图4所示阶梯间距，来测试声束在被动面内宽度尺寸的方法。斜通孔轴线垂直于声束轴线，探头各阵元到达横孔标靶的声程呈连续变化。
根据指示波幅降落值的色标或灰度，或根据幅度相对于位移的计算机显示，即可通过C扫描投影显示，测出声束尺寸。C扫描投影显示的示意图见图
