1 概 述

第一臺(tái)超聲波檢測(cè)設(shè)備ECHOGRAPH-HRPR采用常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)， 被用于檢測(cè)直徑10 ～170 mm 的管材。 該檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)、 無(wú)機(jī)械磨損， 檢測(cè)速度較高， 與之匹配的液浸探頭盒為液浸非接觸式的可更換探頭， 不同尺寸的常規(guī)超聲波探頭用于檢測(cè)不同直徑的管材。 不同直徑的管材對(duì)應(yīng)的常規(guī)超聲探頭盒均配有16 個(gè)常規(guī)超聲探頭

， 而帶有不同曲率的復(fù)合探頭沿管材環(huán)向布置， 每個(gè)探頭的聲場(chǎng)會(huì)在管材內(nèi)部重疊，并使聲波沿管體周向和軸向均勻分布， 從而有效保證管體截面得到全覆蓋檢測(cè)。 被檢管體直線(xiàn)通過(guò)ECHOGRAPH-HRPR 檢測(cè)系統(tǒng)， 檢測(cè)系統(tǒng)快速開(kāi)啟和關(guān)閉裝置， 檢測(cè)箱內(nèi)的耦合水也幾乎不會(huì)有損失， 這就可以保證超聲波檢測(cè)耦合良好，使被檢管材的管端檢測(cè)盲區(qū)最小化。 該檢測(cè)系統(tǒng)的液浸水箱安裝在升降臺(tái)上， 在檢測(cè)設(shè)備的前后均設(shè)有V 形輥或三輥定心裝置， 以實(shí)現(xiàn)管材的平穩(wěn)運(yùn)輸。 檢測(cè)過(guò)程中的管材位置公差必須盡可能小， 以確保檢測(cè)的可靠性。

HRPR 檢測(cè)系統(tǒng)采用了最新的超聲波相控陣檢測(cè)理論和方法， 以實(shí)現(xiàn)在高速檢測(cè)狀態(tài)下仍能保證較高的檢測(cè)靈敏度、 高信噪比SNR和較為精確的檢測(cè)結(jié)果， 同時(shí)還能降低制造成本和使用成本， 簡(jiǎn)化操作。 為了滿(mǎn)足這些要求并提供最佳解決方案， 滿(mǎn)足大多數(shù)客戶(hù)的需求， 德國(guó)卡爾德意志檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司（KARL DEUTSCH） 最新開(kāi)發(fā)了相控陣超聲波管材檢測(cè)系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT。

上述比較軌跡的實(shí)驗(yàn)都是在固定拾放點(diǎn)(0，152.5，-850)→(0，-152.5，-850)進(jìn)行的，現(xiàn)為驗(yàn)證不同位置的最優(yōu)軌跡，選取以下點(diǎn)重復(fù)4.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)步驟，結(jié)果如表3。

最新開(kāi)發(fā)的超聲波相控陣管材檢測(cè)系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 從外觀上與上一代常規(guī)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)非常相似， 因此， 極易在常規(guī)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造。 常規(guī)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的浸入式水箱可以保持不變， 探頭盒及探頭更換為最新的相控陣探頭， 進(jìn)而保證鋼管截面的覆蓋率達(dá)到100%。 檢測(cè)原理如圖1 所示， 圖1 （a） 為處于激活狀態(tài)的單個(gè)相控陣探頭， 圖1 （b） 為處于激活狀態(tài)的所有相控陣探頭， 新系統(tǒng)在逆時(shí)針 （CCW） 方向上實(shí)現(xiàn)了超聲波檢測(cè)的全覆蓋

， 新系統(tǒng)改進(jìn)后具有高速并行觸發(fā)功能， 檢測(cè)靈敏度更高。

同時(shí)該檢測(cè)系統(tǒng)提供了ECHOVIEW 軟件包， 可通過(guò)該軟件中的交互式向?qū)гO(shè)置相控陣電子參數(shù)， 按照要求管理、 記錄、 存儲(chǔ)和處理檢測(cè)參數(shù)、 自動(dòng)分析和處理檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)、 自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告、 自動(dòng)輸出分選信號(hào)和評(píng)判信號(hào)， 并支持與遠(yuǎn)程主機(jī)通信、 遠(yuǎn)程診斷等。

2 檢測(cè)原理

卡爾德意志的探頭開(kāi)發(fā)過(guò)程分兩種方式， 即根據(jù)設(shè)備應(yīng)用和需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)， 或者優(yōu)化已有的ECHOGRAPH 探頭。 通常， 探頭的開(kāi)發(fā)應(yīng)先對(duì)探頭參數(shù)進(jìn)行預(yù)定義， 在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中再建模。由于所有ECHOGRAPH 探頭均由卡爾德意志內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造， 因此在批量生產(chǎn)之前， 要在測(cè)試機(jī)中對(duì)預(yù)生產(chǎn)的探頭樣品進(jìn)行驗(yàn)證

。

9月，秋高氣爽,碩果累累。清風(fēng)送來(lái)涼爽，天空一片蔚藍(lán)。我和夫人應(yīng)中國(guó)兵器淮海集團(tuán)的盛情邀請(qǐng)，前往山西長(zhǎng)治，參加他們建廠80周年暨軍民融合論壇等一系列活動(dòng)。

最新的相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 就很好地解決了上述問(wèn)題。該系統(tǒng)采用高速線(xiàn)性電子掃描方式， 在信號(hào)發(fā)射和接收中執(zhí)行并行和多次重構(gòu)， 從而提高了檢測(cè)速度。 在管材圓周方向使用了16 個(gè)相控陣探頭，可以在管材圓周和軸向同時(shí)執(zhí)行多次掃查。 相控陣探頭聲束可通過(guò)電子控制進(jìn)行聚焦、 操縱或仿形， 從而增大沿管體圓周方向掃查的靈敏度和均勻度， 同時(shí)可以將周向的振幅變化減小到1～3 dB。采用16 個(gè)相控陣探頭和48 個(gè)虛擬探頭對(duì)管材縱向外部刻槽進(jìn)行掃查， 管材尺寸為Φ46 mm×4.7 mm，刻槽尺寸為0.2 mm×10 mm。 在探頭機(jī)械角度調(diào)整方面， 新一代的相控陣檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)一樣， 保持了探頭盒內(nèi)所有探頭的統(tǒng)一機(jī)械角度調(diào)整功能， 從而減小電子調(diào)整范圍，這樣設(shè)置所需的相控陣探頭的電平很低 （通常只有8 個(gè)陣元）。 因此， 新開(kāi)發(fā)的ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 僅需256 個(gè)并行相控陣通道， 降低了制造成本。

管材通過(guò)檢測(cè)設(shè)備過(guò)程中， 管材完全浸入耦合水中， 特殊的密封件和密封機(jī)構(gòu)可以保證管材通過(guò)的時(shí)候耦合水不會(huì)大量流失， 從而保證耦合的可靠， 凹形相控陣探頭安裝在探頭盒中。 對(duì)于不同直徑的管材， 需要使用不同的相控陣探頭及探頭盒， 將不同直徑的管材所使用的探頭安裝在相應(yīng)的探頭盒中， 可最大程度地縮短探頭更換過(guò)程中設(shè)備的校準(zhǔn)時(shí)間。

在最新的相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 中， 探頭被優(yōu)化為8 陣元相控陣探頭， 其外殼尺寸和總長(zhǎng)與常規(guī)超聲探頭相同， 只需更換常規(guī)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的探頭盒和超聲波電子系統(tǒng)， 即可執(zhí)行相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)功能。此外， 通過(guò)對(duì)探頭盒內(nèi)的探頭所產(chǎn)生的超聲信號(hào)進(jìn)行分組， 可實(shí)現(xiàn)與超聲電子設(shè)備通過(guò)單電纜連接，從而縮短了切換檢測(cè)參數(shù)的時(shí)間。

在新型職業(yè)農(nóng)民教育和培訓(xùn)工作過(guò)程中，要想充分發(fā)揮農(nóng)民科技教育中心的應(yīng)有作用，師資隊(duì)伍建設(shè)是其中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[2]。從當(dāng)前的農(nóng)民教育培訓(xùn)實(shí)際來(lái)看，許多農(nóng)民科技教育中心都存在師資隊(duì)伍建設(shè)水平不高、教師結(jié)構(gòu)不合理的情況。許多農(nóng)民科技教育培訓(xùn)中心的培訓(xùn)教師都沒(méi)有較高的農(nóng)業(yè)科技水平，或者雖然具有較高的理論水平，但是缺少實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，因此在進(jìn)行農(nóng)民科學(xué)教育培訓(xùn)的過(guò)程中理論知識(shí)的講解與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相互脫節(jié)，再加上農(nóng)民本身科學(xué)文化素質(zhì)就不高，因此這種培訓(xùn)形式的整體效果不佳。

相控陣可視化界面如圖6 所示， 通過(guò)設(shè)置每個(gè)虛擬探頭的基本參數(shù)， 并創(chuàng)建相控陣探頭的掃描模式， 紅色表示一個(gè)聲束 （虛擬探針）的激活陣元組， 通過(guò)激活陣元組可以分析評(píng)估管材中的多次折射 （綠色顯示聲程路徑）， 其中主要檢測(cè)參數(shù)包括： ①管材尺寸 （直徑和壁厚）； ②掃描模式 （在一個(gè)相控陣探頭內(nèi)進(jìn)行線(xiàn)性?huà)呙瑁?在一個(gè)相控陣探頭內(nèi)進(jìn)行重疊掃查的次數(shù)）； ③水層厚度； ④掃查角度和焦點(diǎn)形狀， 主要用于聲束建模； ⑤延遲法則； ⑥A 掃描起始點(diǎn)和寬度； ⑦內(nèi)部和外部缺陷的測(cè)量范圍 （閘門(mén)設(shè)置）； ⑧基本增益 （模擬和數(shù)字增益）； ⑨TCG 特性； ⑩閾值和觸發(fā)

。

探頭陣元之間存在細(xì)微的靈敏度差異， 為了盡可能縮小各個(gè)探頭之間的靈敏度差異， 需要分別對(duì)每個(gè)探頭進(jìn)行配平， 此功能還可縮小因探頭老化產(chǎn)生的靈敏度差異， 用戶(hù)也可以根據(jù)其操作規(guī)程設(shè)置相應(yīng)的配平標(biāo)準(zhǔn)

。

在每個(gè)探頭盒中， 所有探頭的中心角度均可調(diào)節(jié)， 探頭角度是經(jīng)過(guò)機(jī)械預(yù)設(shè)的， 用于檢測(cè)縱向缺陷， 從而提供最佳的入射角度。 通過(guò)使用相控陣技術(shù)進(jìn)行電子聚焦、 聲束控制和成形， 可以提供圓周方向上的檢測(cè)靈敏度。 相控陣探頭配置的可視化界面如圖3 所示， 紅色表示一個(gè)聲束（虛擬探針） 的激活陣元組， 根據(jù)圖3 可以對(duì)信號(hào)在管材中的折射進(jìn)行分析 （綠色顯示聲程路徑）。 相控陣聲束的重疊數(shù)量大大高于使用常規(guī)超聲單晶探頭的發(fā)射數(shù)量。

如果使用完整環(huán)形相控陣探頭， 則檢測(cè)設(shè)備需要更多的陣元數(shù)量。 當(dāng)分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行掃查時(shí)， 應(yīng)保持陣元間距為0.5 ～1 mm。 直徑為120 mm 的管材通常需要1 024 個(gè)檢測(cè)通道， 由此導(dǎo)致探頭和電子設(shè)備的成本大大提高。 因此， 應(yīng)采用最新的相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR-PAUT 進(jìn)行線(xiàn)性管材的相控陣檢測(cè)， 此外， 該掃查方法還可用于管材100%的壁厚監(jiān)控。

3 相控陣探頭開(kāi)發(fā)

超聲波相控陣檢測(cè)系統(tǒng)ECHOGRAPHHRPR-PAUT 使用浸入式水箱， 采用傳統(tǒng)常規(guī)超聲波系統(tǒng)ECHOGRAPH-HRPR 的成熟理念， 管材檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)如圖2 所示。 第一個(gè)檢測(cè)箱包含用于順時(shí)針 （CW） 方向的探頭盒， 第二個(gè)檢測(cè)箱包含用于逆時(shí)針 （CCW） 方向的探頭盒， 還可以將用于測(cè)量壁厚及測(cè)定夾層的直探頭添加到其中一個(gè)探頭盒中。

家長(zhǎng)進(jìn)行家長(zhǎng)助教時(shí)要做好充分的物質(zhì)準(zhǔn)備，教師應(yīng)該指導(dǎo)家長(zhǎng)準(zhǔn)備好充足的物質(zhì)材料，并且明確各個(gè)材料投放的具體環(huán)節(jié)，對(duì)教材的應(yīng)用做到心中有數(shù)。如，對(duì)于幼兒的操作材料，教師應(yīng)該先告知家長(zhǎng)班級(jí)人數(shù)，請(qǐng)家長(zhǎng)按照多于班級(jí)人數(shù)的份額準(zhǔn)備材料，并按小組分門(mén)別類(lèi)地放好，以方便操作。讓家長(zhǎng)做好充足的物質(zhì)準(zhǔn)備，便于活動(dòng)開(kāi)展。

4 數(shù)據(jù)管理軟件ECHOVIEW

ECHOVIEW 軟件提供了相控陣系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置功能以及客戶(hù)需要的數(shù)據(jù)管理功能， 同時(shí)還可以鏈接到客戶(hù)工廠的上位機(jī)或本地自動(dòng)化系統(tǒng)。

4.1 ECHOGRAPH-PAUT 參數(shù)設(shè)置

管材表面兩個(gè)相同的刻槽 （深度為0.2 mm）掃查結(jié)果

的回波動(dòng)態(tài)圖如圖4 所示， 圖中分別顯示了一個(gè)相控陣探頭和一個(gè)虛擬探頭的掃查結(jié)果， 其信噪比SNR 較好， 圖4 中沿圓周方向的動(dòng)態(tài)波形為單個(gè)虛擬探頭的覆蓋范圍， 可見(jiàn)單個(gè)虛擬探頭的覆蓋范圍良好。

將所有單個(gè)探頭配置合并到檢測(cè)設(shè)置中， 其中主要考慮所有虛擬探針的發(fā)射順序、 傳輸模式下的并行掃查及最佳脈沖重復(fù)頻率。 如具有2×16 個(gè)相控陣探頭的多窗口同步顯示圖 （16 個(gè)相控陣探頭， 分順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较颍?32 個(gè)相控陣探頭的A 掃圖如圖7 所示。

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何在保護(hù)好耕地的同時(shí)進(jìn)一步增加糧食產(chǎn)量，成為了一個(gè)關(guān)乎我國(guó)糧食安全和耕地質(zhì)量安全的大課題。為了探索國(guó)外先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，聚焦測(cè)土配方施肥技術(shù)，賦能中國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展，11月3日，由荷蘭瓦格寧根大學(xué)和蚯蚓測(cè)土實(shí)驗(yàn)室共同主辦，國(guó)際標(biāo)委會(huì)ISO|TC134技術(shù)委員會(huì)無(wú)機(jī)肥料工作組美國(guó)Agsource實(shí)驗(yàn)室承辦的“測(cè)土配方施肥國(guó)際論壇”在山東省臨沭縣史丹利科研綜合大樓會(huì)議中心順利召開(kāi)。

虛榮心是成長(zhǎng)之大敵，如何培養(yǎng)孩子的愛(ài)好、滿(mǎn)足孩子的興趣，是所有家長(zhǎng)都需要思考的問(wèn)題，但在這件事情中，影視公司的問(wèn)題更值得思考和重視。

4.2 相控陣探頭的陣元配平

常規(guī)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)使用16 個(gè)單晶探頭，每個(gè)圓周方向組合了16 個(gè)重疊的聲場(chǎng)， 這些聲場(chǎng)的間隙應(yīng)盡可能小， 從而保證能進(jìn)行可重疊缺陷檢測(cè)。 實(shí)際上， 隨著管材直徑和壁厚的變化， 波高波動(dòng)差大約為3～6 dB， 動(dòng)態(tài)波形如圖5 所示。 與其他管材檢測(cè)系統(tǒng)一樣， 對(duì)于內(nèi)部缺陷和外部缺陷， 調(diào)整常規(guī)超聲探頭的入射角較難， 特別是對(duì)于厚壁管， 要找到最佳的入射角就更加困難

。

4.3 虛擬探頭配平

虛擬探頭自動(dòng)化配平功能是通過(guò)靜態(tài)模式中的人工刻槽調(diào)整每個(gè)虛擬探頭和每個(gè)相控陣探頭的靈敏度。 ECHOVIEW 軟件會(huì)自動(dòng)配平， 并減小與預(yù)設(shè)目標(biāo)值的靈敏度差， 并相應(yīng)地調(diào)整配平所需的增益值， 對(duì)于既定的管材尺寸， 配平后的設(shè)置最終會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)

。 根據(jù)管材超聲波相控陣檢測(cè)程序， 定期使用標(biāo)準(zhǔn)樣品在動(dòng)態(tài)模式下以額定檢測(cè)速度（1～2 m/s）檢查探傷靈敏度。 如果未正確檢測(cè)到任何一個(gè)人工缺陷， 則必須再次檢查和調(diào)整、 修改虛擬探頭靈敏度。

4.4 批量檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

對(duì)于新的樣管批量檢測(cè)， 必須加載批量檢測(cè)數(shù)據(jù)和指定的檢測(cè)參數(shù)。 在ECHOVIEW 的設(shè)置菜單中有專(zhuān)門(mén)的設(shè)置窗口， 可以從窗口的下拉列表中選擇并加載對(duì)應(yīng)的檢測(cè)配置， 也可以重新設(shè)置參數(shù)。 除了可以手動(dòng)輸入批次信息外， 還可以從客戶(hù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)或上位機(jī)自動(dòng)接收數(shù)據(jù)。

4.5 測(cè)試結(jié)果

使用ECHOVIEW 數(shù)據(jù)管理軟件模塊可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果， 檢測(cè)結(jié)果如圖8 所示， 其中黑色、綠色/紅色為缺陷線(xiàn)性圖， 藍(lán)色/紅色為耦合監(jiān)控，軟件窗口布局可以自定義。 檢測(cè)結(jié)果以線(xiàn)性圖形顯示， 圖中顯示了被測(cè)管材的長(zhǎng)度、 管材上缺陷的位置和波幅等信息。 多個(gè)不同的線(xiàn)性圖匯總了所有探頭的檢測(cè)結(jié)果， 同時(shí)還顯示耦合監(jiān)控功能。顯示界面還可以為沿周向分布的探頭提供各自獨(dú)立的線(xiàn)性圖， 也可以區(qū)分顯示內(nèi)部缺陷和外部缺陷的線(xiàn)性圖。 典型的線(xiàn)性檢測(cè)結(jié)果圖包括： ①縱向內(nèi)部缺陷的順時(shí)針?lè)较蚓€(xiàn)性圖； ②縱向內(nèi)部缺陷的逆時(shí)針?lè)较蚓€(xiàn)性圖； ③管體內(nèi)壁縱向缺陷檢測(cè)圖； ④縱向外部缺陷的順時(shí)針?lè)较虻木€(xiàn)性圖； ⑤縱向外部缺陷的逆時(shí)針?lè)较虻木€(xiàn)性圖； ⑥管體外壁縱向缺陷檢測(cè)圖； ⑦順時(shí)針探頭耦合監(jiān)控線(xiàn)性圖；⑧逆時(shí)針探頭耦合監(jiān)控線(xiàn)性圖

。

4.6 工件檢測(cè)數(shù)據(jù)包及檢測(cè)報(bào)告

每個(gè)檢測(cè)結(jié)果都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)文件中， 生成工件數(shù)據(jù)包， 同時(shí)也可離線(xiàn)生成檢測(cè)報(bào)告。 一個(gè)典型的零件檢測(cè)報(bào)告應(yīng)顯示兩個(gè)缺陷線(xiàn)性圖和兩個(gè)耦合監(jiān)控線(xiàn)性圖， 如圖9 所示。

5 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)常規(guī)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，可以顯著提高各探頭或探頭陣元檢測(cè)靈敏度的均勻性， 提高相控陣檢測(cè)結(jié)果的可視化程度， 探頭調(diào)整由機(jī)械調(diào)整更新為電子調(diào)整， 調(diào)整方式簡(jiǎn)化， 縮短了調(diào)整時(shí)間。

（2） 由于檢測(cè)設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理保持不變，因此該系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)得以保留。 與帶有旋轉(zhuǎn)探頭的檢測(cè)設(shè)備相比， 該設(shè)備沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)， 機(jī)械磨損較小。 采取全新的方法來(lái)對(duì)管材進(jìn)行線(xiàn)性超聲波掃查， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管材全截面的縱向缺陷檢測(cè)。 相控陣探頭的陣元總數(shù)以及所需通道數(shù)量也保持相對(duì)較小的數(shù)值， 且相控陣探頭可以與其他探頭組合使用。

[1] 美國(guó)石油協(xié)會(huì).管線(xiàn)鋼管規(guī)范：API SPEC 5L（第46 版）[S].華盛頓，美國(guó)：美國(guó)石油協(xié)會(huì)出版業(yè)務(wù)部.2018.

[2] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 石油天然氣工業(yè)管線(xiàn)輸送系統(tǒng)用鋼管：GB/T 9711 2017[S]. 北京：石油工業(yè)出版社，2017.

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