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用于厚件超声波检查的增强分辨率传感器:FERMAT传感器概念

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2020-12-29

    非球面聚焦换能器被设计为通过平坦,圆柱或复曲面界面聚焦在具有给定折射角的材料中的精确点上。

    这次演讲将展示这种特定聚焦技术的主要优势,这要归功于压电复合技术及其成形能力。

    我们还将关注压电复合技术的机械和电声特性,从而可以设计出无与伦比的高分辨率和信噪比传感器。

    某些需要特殊调整的检查手段的应用,例如坯料,锻件或加压零件的检查,将重点介绍。

    也将介绍这种技术与相控阵概念相结合的可能性。

介绍

    一些必须用非破坏性方法检查的关键部件,是由于其衰减或均匀性差而被认为对超声波难以加工的材料制成的,例如钛或奥氏体钢。这些材料要求低检查频率,高灵敏度和大带宽。

    同时,要检测的缺陷的大小和深度(有时是大小)需要较高的横向分辨率。高横向分辨率,长声程和低频的结合使得必须使用大孔径和聚焦换能器。

    另外,检查通常是通过具有散焦效果的界面进行的。

    为了提高这些困难检查的性能,Imasonic开发了Fermat换能器概念。

费马换能器的概念

    传感器定义
    Fermat传感器的主要特征是其非球面聚焦有源表面,与传统传感器相比,其尺寸通常较大。

    换能器的定义是通过计算来确定的,该计算定义了一个表面,从该表面起每个点都同时飞向缺陷。该传感器专用于一种特定的设置,并考虑到:

    • 检查材料(声速)

    • 预期折射角

    • 检查深度或声音路径

    • 界面几何形状(平面,圆柱,复曲面等)

    计算活动表面时要考虑到预期的横向分辨率和景深。图1显示了Fermat换能器形状的示例。


     图1:费马换能器的形状示例。

    理论上的改进
    图2和图3展示了在给定的设置下由于采用了费马(Fermat)概念而获得的改进,并且对传统的聚焦换能器和费马(Fermat)换能器进行了比较。标称设置如下:

    • 工作频率:2MHz

    • 折射角:65°

    • 对焦距离:55毫米

    • 横向分辨率:<5mm

    • 接口几何形状:圆柱形,凹形


    图2:使用传统的聚焦换能器进行光束仿真:
  • 折射角:55°

  • 聚焦距离:25 mm

  • 横向分辨率:4mm。

  • 图3:使用Fermat换能器进行光束仿真:
  • 折射角:62°

  • 对焦距离:55毫米

  • 横向分辨率:4.5毫米

  • Fermat概念可在适当的折射角度下实现更精确的聚焦

技术

    1-3
    压电复合材料Fermat换能器的压电层是由压电复合材料制成的。Imasonic的压电复合材料的结构称为1-3,如图4所示。压电陶瓷棒嵌入聚合物材料中。


     图4:1-3压电复合结构的示意图。

    这些压电复合材料的电声和机械性能对Fermat换能器非常感兴趣。(请参阅以下参考资料中的论文(1))


     图5:根据陶瓷的百分比,压电复合材料的特性变化。


    电声性能
    1-3结构的特征之一是陶瓷的百分比。可以通过修改杆的尺寸及其间距来进行调整。图5显示了陶瓷百分比对压电复合材料性能的影响。垂直的红线显示了Fermat传感器的最佳百分比。它对应于高电阻抗(低介电常数E 33),低声阻抗(Z)和高耦合系数(kt)。

高电阻

    高电阻抗允许大孔径传感器,同时保持与大多数超声脉冲发生器/接收器兼容的电阻抗。

低声阻抗

    声阻抗与水匹配。与整体式压电陶瓷相比,这导致了更好的能量传递,并结合了强大的电声性能,使灵敏度水平提高了10至50dB。

高耦合系数

    高耦合系数的结果是高灵敏度和高信噪比。

    此外,复合材料的自然阻尼可实现60%至90%的相对带宽,同时保持非常好的灵敏度。

    机械性能
    聚合物的机械性能用于使压电复合材料成形为聚焦换能器。图6显示了一个宽口费马换能器,其有效区域是凸形的,以便聚焦通过孔的圆柱形界面。

    1-3结构还使复合材料具有更好的抗机械冲击和振动性。

    聚合物的膨胀系数接近换能器其他组件(正面,背面等)的膨胀系数,导致传感器在温度和热冲击方面的性能得到改善。


     图6:带有活动区域整形的宽孔径探头(100毫米)的示例。 图7:使用透镜聚焦和通过有效区域的形状聚焦之间的比较。 图8:由Imasonic开发的用于Fermat换能器计算的Quick Sonic软件

设计

    主动曲面计算
    Imasonic已开发了一个特定的软件(参见图8),主要有2个目标

    • 快速模拟给定频率和有效尺寸的横向分辨率,或快速计算有效频率和有效分辨率的有效尺寸

    • 计算用于制造换能器的有效表面的形状

    波束模拟
    换能器的精确设计是由CEA开发的CIVA软件(见图9)完成的,在这种情况下,可以进行两种类型的模拟:

    • 通过界面进行光束模拟,并考虑到了费马有效表面

    • 模拟上面计算的光束与可以在软件中描述的缺陷之间的相互作用


     图9:CEA开发的CIVA仿真软件,用于Fermat换能器设计。

可选功能

    费马换能器通常是单元件浸入式换能器。但是,它们的特点是可以匹配不同的使用条件,或者与相控阵技术结合使用(请参见下面参考文献中的论文(2))。

    接触式Fermat传感器

     图10:使用软质材料楔形件和水耦合系统接触Fermat传感器。
    当出于环境或工业原因无法使用浸入技术时,可以将楔子与Fermat换能器一起使用以代替水路。在这种情况下,Imasonic会使用柔软的材料楔形件,其声学特性接近水。楔形可以与界面几何形状匹配。耦合是通过水膜完成的,并且探头可以集成水灌溉系统(请参见图10)。


    这种楔形的优点是:

    • 柔软的正面可以稍微适合界面上的不规则之处

    • 接近水的声阻抗减少了由于水膜厚度变化而引起的问题

    相控阵Fermat换能器
    Fermat概念也可以与相控阵技术相结合。在这种情况下,除了机械聚焦外,还可以对光束进行电子控制,以增加检查区域。已经开发了不同的解决方案,将在下面的应用示例中更详细地显示。

应用实例

    钛钢坯
    的检验根据GE标准,已经设计和制造了多套Fermat换能器,用于直径6“至13”的钛钢坯的多区域检验。图11a中显示了这些用于6“坯料的传感器。

    检查是在L0°探头浸入水中进行的,每个探头专用于大约1“的深度范围。必须在此范围内检测到FBH#2(0.8mm),孔之间的均匀性要好于3dB。区域,信噪比的最低要求为16dB。

    到目前为止,设计的所有类型的传感器均已在工业检查系统中成功测试并实现(如图11b所示)。


    图11a和b:用于检查钛坯料的单元素费马换能器组。

    使用相控阵技术检测钛坯料
    一些特殊的矩阵相控阵费马换能器已为SNECMA开发,用于钛坯料检测。这些传感器已与M.FINK(法国ESPCI)开发的时间倒转镜技术配合使用(请参见下面参考文献中的论文(3))。这项技术可以进行3D光束控制并补偿钛的不均匀性。这种矩阵费马换能器的示例如图12所示。


     图12:采用时间倒转镜技术的用于钛坯检验的Matrix Fermat换能器。

    获得的结果非常有前景,并且在140mm深度处检测到FBH#1(0.4mm),信噪比无与伦比

    从内孔检查转子叶片的凹槽
    与Tecnatom合作开发了三个Fermat传感器,用于从内孔检查涡轮叶片的凹槽(请参见下面参考文献中的论文(2))。上面的图6中显示了这些传感器中的一个,其有效表面被划分为16个环以电子地改变聚焦距离,而图13中显示了三个传感器在其探头支架上。

    检查的主要困难之一是不同参数的组合:

    • UT路径非常长,约为400mm

    • 只能从直径150mm的内孔进入

    • 在复杂的几何区域中发现的缺陷,临界尺寸为1.5mm

    该检查已成功使用校准块进行了测试,并检测到所有缺陷,并在火力发电厂中进行了进一步的检查,证明了该技术的工业适用性。

    同时,将破坏性测试方法替换为非破坏性方法,并减少了检查时间和成本。

    高温核容器检查
    与CEA CEREM(Commissariatאl'יnergie Atomique –法国)一起开发了特殊的Fermat换能器,用于核容器的高温检查(见图14)。检查是在180°C的浸入水中完成的。

    探头的设计必须结合换能器的大孔径和热约束。压电复合材料的机械性能可承受温度变化,同时保持有源区域的形状和性能。


    图13:探头支架上的三个费马探头。图14:高温费马换能器。

    检查主泵的热障

     图15:热障检查配置的示意图。
    主泵热障检查的主要要求如下(见图15)。


    • 通过奥氏体钢中200mm的声音路径进行检查

    • 通过最小半径为50mm的复曲面接口进行检查

    • 能够检测5mm的缺陷,并以5mm的分辨率确定其周向延伸尺寸

    • 折射角0°LW

    为了满足这些要求,Imasonic设计并制造了具有费马表面的弯曲线性相控阵探头。探头如图16所示,费马有效表面分为16个元素,如图17所示。

    • 线性阵列用于控制光束并确定缺陷延伸的尺寸

    • Fermat表面旨在通过复曲面界面聚焦

    • 实施了软质材料楔形物以与水膜形成连接。

    聚焦区域的光束尺寸约为12x13mm,这与仿真非常一致。用这种技术进行这种检查的可行性已被成功证明。


     图16:接触式Fermat线性相控阵探头。 图17:图16中所示探针的活动区域的视图

结论

    本文中说明的示例清楚地证明了费马传感器的功能和性能。

    多项检查可以提高以下参数的性能:

    • 灵敏度和信噪比

    • 横向分辨率

    • 光束预测与控制

    同时,可以开发新的检查技术,并针对以下问题提供解决方案:

    • 复杂的界面几何

    • 声音路径长

    • 难以检查的材料


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