Способ ультразвукового контроля методом фазированной антенной решетки с использованием дефектоскопа с малым количеством независимых каналов
ULTRASONIC INSPECTION METHOD BY PHASED ANTENNA ARRAY USING FLAW DETECTOR WITH FEW INDEPENDENT CHANNELS

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля.
Известен способ ультразвукового контроля (УЗК) с использованием метода ультразвуковой томографии [Пат. RU №2458342. Самокрутов А.А., Соколов Н.Ю., Шевалдыкин В.Г., Алёхин С.Г. Способ ультразвуковой томографии и устройство для его осуществления. Опубл. 10.08.2012].
Недостатком способа является необходимость использования больших вычислительных мощностей и специальных алгоритмов распараллеливания при обработке данных.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ УЗК методом фазированной антенной решетки (ФАР) [Пат. US №7,784,347 В2. Barry Messer, Jose R. Fuentes. Ultrasound phased array devices and methods. Опубл. 31.08.2010].
Известный способ не позволяет при проведении ультразвукового контроля использовать ФАР дефектоскопы совместно с ультразвуковыми антенными решетками (АР), если количество пьезоэлементов в них больше чем количество независимых каналов дефектоскопа на излучение и прием. При его применении невозможно совместно задействовать в одном законе фокусировки все пьезоэлементы АР, если их количество превышает число независимых каналов дефектоскопа.
Предложен способ ультразвукового контроля методом фазированной антенной решетки, заключающийся в том, что дефектоскоп, с несколькими независимыми каналами, состоящими из генератора, приемного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, с помощью ультразвуковой антенной решетки излучает и принимает ультразвуковые колебания (с учетом ранее рассчитанных задержек), отцифровывает их и формирует изображение в виде сектора, отличающийся тем, что элементы АР делятся на группы с количеством элементов, равным количеству независимых каналов дефектоскопа, производится излучение и прием так, чтобы каждая группа элементов АР последовательно излучила и приняла эхосигналы, в соответствии с ранее рассчитанными задержками, затем эхосигналы, зарегистрированные в каждом из измерений, складываются когерентно, вычисляется огибающая и формируется итоговое изображение в виде сектора.
Для пояснения описываемого способа:
На фигуре 1 приведена схема работы ФАР дефектоскопа с количеством независимых каналов на излучение и прием, превышающим количество пьезоэлементов АР.
На фигуре 2 приведена схема работы ФАР дефектоскопа с количеством независимых каналов на излучение и прием, равным количеству пьезоэлементов АР.
На фигуре 3 приведены изображения отверстий бокового сверления диаметром 0,1 мм, расположенных на глубинах от 20 до 80 мм с шагом 15 мм (слева), увеличенное изображение отверстия на глубине 50 мм и его срез «по лучу» (справа), полученные в режиме ФАР, когда на излучение и прием используются 32 элемента АР.
На фигуре 4 приведены изображения отверстий бокового сверления диаметром 0,1 мм, расположенных на глубинах от 20 до 80 мм с шагом 15 мм (слева), увеличенное изображение отверстия на глубине 50 мм и его срез «по лучу» (справа), полученные в режиме ФАР, когда на излучение и прием используются элементы АР №1-16.
На фигуре 5 приведены формы эхосигналов от отверстий бокового сверления, расположенных на глубинах 35, 45, 65, 80 мм, при различных вариантах комбинаций излучатель-приемник.
На фигуре 6 приведены амплитуды сигналов от отверстий бокового сверления, расположенных на глубинах 35, 45, 65, 80 мм, полученные при использовании 32-х элементов АР на излучение и прием и при использовании на излучение и прием по 16 элементов с последующим сложением.
Предложенный способ ультразвукового контроля методом ФАР осуществляется следующим образом. На фигуре 1 приведена схема работы ФАР дефектоскопа совместно с которым может быть использована АР с числом пьезоэлементов, превышающим число независимых каналов дефектоскопа. Главным конструктивным отличием его от классического ФАР дефектоскопа, схема работы которого представлена на фигуре 2, является наличие модуля коммутации, который позволяет задействовать АР с большим числом пьезоэлементов, и сумматора, формирующего итоговое изображение.
На фигуре 3 приведены изображения отверстий бокового сверления диаметром 1 мм, расположенных на глубинах от 20 до 80 мм с шагом 15 мм (слева), увеличенное изображение отверстия на глубине 50 мм и его срез «по лучу» (справа), полученные в режиме ФАР, когда на излучение и прием используются все 32 элемента АР. Фокусировка выполнялась по вертикальной линии, проходящей через центры отверстий. Для сравнения, на фигуре 4 приведены изображения отверстий этих же отверстий, когда на излучение и прием было задействовано только половина элементов АР (№1-16). Фронтальная разрешающая способность данных изображений в два раза ниже чем на изображениях, приведенных на фигуре 3.
При использовании предложенного метода контроля необходимо рассчитать задержки на излучение и прием при условии, что все элементы антенной будут использованы одновременно, с учетом выбранных АР, призмы, параметров фокусировки и объекта контроля.
Элементы АР делятся на группы с числом элементов равным числу независимых каналов дефектоскопа и задается режим работы модуля коммутации так, чтобы каждая группа элементов зарегистрировала эхосигналы, излученные самой собой и другими группами, в соответствии с ранее рассчитанными задержками. Описанная процедура соответствует проведению нескольких измерений в классическом ФАР режиме, но с меньшим числом одновременно задействованных элементов АР. На фигуре 5 приведены формы эхосигналов от отверстий бокового сверления, расположенных на глубинах 35, 45, 65, 80 мм, при различных вариантах комбинаций излучатель-приемник:
- излучают и принимают элементы АР №1-16;
- излучают и принимают элементы АР №17-32;
- излучают элементы АР №1-16, а принимают - 17-32;
Фаза эхосигналов для разных циклов излучение-прием совпадает с высокой точностью.
Наборы эхосигналов, полученные в каждом цикле излучение-прием, необходимо когерентно просуммировать. Сумматор (фигура 2) может быть реализован аппаратно и входить непосредственно в состав дефектоскопа, так и программно, путем объединения ранее сохраненных с помощью дефектоскопа файлов. После суммирования эхосигналов необходимо выделить огибающую и отобразить результат в виде сектора, как в классическом ФАР режиме. На фигуре 6 приведены амплитуды сигналов от отверстий бокового сверления, расположенных на глубинах 35, 45, 65, 80 мм, полученные при использовании всех 32-х элементов АР на излучение и прием и при сложении трех сигналов при использовании на излучение и прием по 16 элементов. Амплитуда суммарного сигнала с погрешностью не более 5% совпадает с амплитудой сигнала, полученного, когда на излучение и прием работают все элементы АР.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет при проведении УЗК методом ФАР использовать дефектоскоп с количеством независимых каналов на излучение и прием меньшим, чем количество пьезоэлементов АР, без ухудшения качества результатов контроля. Уменьшение числа независимых каналов в дефектоскопе позволит снизить его стоимость.
Также предлагаемый способ позволит расширить область применения имеющихся дефектоскопов, дав возможность использовать с ними АР с большим количеством пьезоэлементов.