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奧林巴斯相控陣全聚焦TFM

更新時(shí)間:2019-11-01      點(diǎn)擊次數(shù):2093

OLYMPUS奧林巴斯OmniScan MX3相控陣全聚焦TFM

奧林巴斯工業(yè)資源TFM振幅保真度讀取抽象

總聚焦方法(TFM)檢查技術(shù)要求操作員定義TFM網(wǎng)格的位置和分辨率。新的檢查代碼要求TFM網(wǎng)格分辨率足夠精細(xì),以達(dá)到小于或等于2 dB的幅度保真度。幅度保真度對(duì)應(yīng)于由TFM網(wǎng)格分辨率參數(shù)引起的幅度變化(以dB標(biāo)度為單位)。這里提出使用簡(jiǎn)單且保守的理論模型來(lái)近似設(shè)置的振幅保真度值。該模型使用探針,零件和TFM網(wǎng)格中的參數(shù),計(jì)算壞情況下的幅度保真度。與兩個(gè)不同的TFM用例的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,理論模型為經(jīng)驗(yàn)測(cè)度提供了一個(gè)保守的近似值,總是稍微高估幅度保真度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,網(wǎng)格分辨率約為λ0 / 5是足以達(dá)到規(guī)范要求(2 dB為單位),而理論模型計(jì)算在λ稍微更精細(xì)的網(wǎng)格0 /7。

介紹

總聚焦法(TFM)作為一種*的標(biāo)準(zhǔn)化相控陣(PA)檢查技術(shù)的引入帶來(lái)了新的概念和參數(shù),需要操作員進(jìn)行定義。標(biāo)準(zhǔn)PA和TFM檢查之間的主要區(qū)別之一是感興趣區(qū)域(ROI)的概念。雖然在標(biāo)準(zhǔn)PA中,關(guān)注區(qū)域直接由聚焦法則方向(即折射角)定義,但TFM的關(guān)注區(qū)域可以獨(dú)立于聲傳播軸。感興趣的TFM區(qū)域通常由具有特定位置和分辨率的矩形框定義。雖然通常通過(guò)要檢查的區(qū)域和所選的聲學(xué)模式(例如TT,TTT,TLT等)來(lái)定義感興趣區(qū)域的定位,但要定義網(wǎng)格分辨率則比較棘手。

盡管非常精細(xì)的TFM網(wǎng)格(即高分辨率)可以提供更好的清晰度,并且可能更容易表征,但同時(shí)也增加了計(jì)算和存儲(chǔ)負(fù)擔(dān),因此降低了總體檢查效率。相反,較粗的網(wǎng)格(即低分辨率)降低了檢測(cè)的可能性,并削弱了特征和尺寸調(diào)整能力。基于幅度的大小調(diào)整技術(shù)(例如-6 dB下降技術(shù))高度依賴于缺陷的大幅度測(cè)量。因此,操作員在設(shè)置柵格分辨率時(shí)必須做出妥協(xié),以確保測(cè)量真實(shí)峰值幅度的可能性足夠高而不影響檢查效率。

盡管操作員可以任意確定這種折衷辦法,但有關(guān)TFM檢查的新編寫(xiě)的代碼和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,由網(wǎng)格分辨率引起的大幅度變化(也稱為幅度保真度)應(yīng)為2 dB。這為操作員提供了低限度的目標(biāo)。實(shí)際上,某些操作人員肯定會(huì)以小于2 dB的幅度保真度為目標(biāo),但盡可能接近此極限,以實(shí)現(xiàn)更高的檢查率。

本文檔旨在描述TFM網(wǎng)格分辨率為何以及如何影響幅度測(cè)量。它還提供了一種理論方法,可用于根據(jù)聲學(xué)設(shè)置,零件檢查和網(wǎng)格分辨率來(lái)計(jì)算TFM網(wǎng)格的幅度保真度值。將理論方法與在兩種不同檢查設(shè)置下獲得的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

問(wèn)題

正如簡(jiǎn)介中簡(jiǎn)要提到的那樣,TFM網(wǎng)格分辨率在確定檢測(cè)概率和調(diào)整大小能力方面起著重要作用?;诜鹊拇笮≌{(diào)整技術(shù)依賴于指示的大測(cè)量幅度來(lái)確定其寬度和高度。

圖1說(shuō)明了在脈沖回波TFM模式下檢測(cè)到的點(diǎn)散射器的典型整流幅度響應(yīng)。使用顏色圖顯示實(shí)際的散射體響應(yīng),大振幅值對(duì)應(yīng)于紅色區(qū)域,零振幅為白色。每個(gè)彩色的橢圓對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的振幅平穩(wěn)段,這是由于信號(hào)的校正(值)表示所致。每個(gè)灰色十字代表TFM網(wǎng)格的評(píng)估點(diǎn);相鄰點(diǎn)之間的水平和垂直距離分別代表橫向和深度網(wǎng)格分辨率?;疑摼€箭頭表示聲傳播軸(即信號(hào)相位變化的方向)。(λ為這樣的散射體的典型尺寸在探針中心波長(zhǎng)的術(shù)語(yǔ)還給出0 = C / F0)。

校正幅度TFM圖像的色標(biāo)表示

圖1 –使用常見(jiàn)的大帶寬脈沖信號(hào)的假設(shè)點(diǎn)散射器的校正幅度TFM圖像的色標(biāo)表示。聲波傳播軸與近似散射尺寸一起示出在探針中心波長(zhǎng)λ而言0。

由于真實(shí)的大振幅(紅色區(qū)域)位于測(cè)量點(diǎn)之間,因此不會(huì)在TFM圖像中檢測(cè)到。相反,將測(cè)量較低的大值(黃色)。如果使用基于幅度的大小調(diào)整技術(shù)(例如-6 dB技術(shù)),則由于較差的網(wǎng)格分辨率而導(dǎo)致的大幅度誤差將導(dǎo)致缺陷尺寸大大高估。盡管在當(dāng)前網(wǎng)格位置中未測(cè)量實(shí)際大值,但如果僅將網(wǎng)格移動(dòng)一小段距離,則TFM網(wǎng)格點(diǎn)之一將檢測(cè)到實(shí)際大值。

幅度保真度要求定義為T(mén)FM網(wǎng)格測(cè)得的實(shí)際大值(紅色區(qū)域)與小大幅度之間的大幅度變化(以dB標(biāo)度為單位)。換句話說(shuō),幅度保真度是如果具有恒定分辨率的TFM網(wǎng)格在所有方向上以非常小的增量移動(dòng),則測(cè)得的大峰值的幅度變化。因此,可以通過(guò)移動(dòng)TFM網(wǎng)格并在以檢測(cè)到的缺陷為中心的區(qū)域中記錄大幅度,來(lái)憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)量幅度變化。在某些位置,實(shí)際大值將直接在TFM網(wǎng)格評(píng)估點(diǎn)上(產(chǎn)生A max),在其他位置,它將直接位于兩個(gè)評(píng)估點(diǎn)的中間(產(chǎn)生A min))。下面給出了用于計(jì)算振幅保真度的公式。

AF = 20日志10 ?(A 分鐘 / A 大)

雖然對(duì)幅度保真度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測(cè)量是可行的,但它有些復(fù)雜。因此,這里提出一種使用簡(jiǎn)單聲學(xué)模型的理論方法。

振幅保真度計(jì)算-理論基礎(chǔ)

如圖2所示,聲傳播軸(灰色箭頭)對(duì)應(yīng)于大幅度變化的方向??梢允褂酶咚拐{(diào)制正弦波1(使用探頭和被檢零件參數(shù))來(lái)估算沿該方向的信號(hào)分布(圖2)。振蕩信號(hào)將在此處用作幅度保真度讀數(shù)的典型散射響應(yīng)。

高斯波形的表示

圖2 –高斯波形的表示。傳播軸(x軸)相對(duì)于所述探頭的中心頻率波長(zhǎng)被表示(λ 0)。波形參數(shù):f 0 = 7.5 MHz,c = 5890 m / s,BW = 1.0。

高斯波形使用以下公式計(jì)算:

克(ρ)= E (-ρ 2 /(2C 2 σ 2)) cos?(K 0 ρ+θ 0)

其中ρ表示沿著傳播軸的距離,c是在被檢查部的音速,σ是探針帶寬和中心角頻率之間的關(guān)系,(ω 0)中,k 0和θ對(duì)應(yīng)于中心頻率波數(shù),0是介于0到2π之間的相位偏移。使用以下公式計(jì)算波數(shù)(k 0)和帶寬項(xiàng)(σ)。

? 0 =ω 0 / C

σ=√(8ln?2)/(BWω 0)

由于需要計(jì)算幅度保真度壞情況并確保它不會(huì)被低估,因此將帶寬設(shè)置為BW = 1.0并將相位偏移設(shè)置為θ0 =0。這允許沿著聲波更窄的波形傳播軸和在其包絡(luò)線內(nèi)居中的峰(請(qǐng)參見(jiàn)圖2中的示例)。由于始終對(duì)TFM圖像進(jìn)行校正(值),因此波形方程變?yōu)?/span>

g(ρ)= | ë (-ρ 2 /(2C 2 σ 2)) cos?(K 0 ρ)|

同樣,為了計(jì)算壞情況的幅度保真度值,必須在TFM網(wǎng)格上對(duì)角線選擇聲傳播軸ρ。因此,聲傳播軸分辨率是沿x軸和z軸的分辨率的函數(shù)。

ΔD= +√(ΔX 2 +ΔZ 2)

由于網(wǎng)格分辨率而可以測(cè)量的小大值(A min)對(duì)應(yīng)于從波形大峰值位置開(kāi)始的ρ=±Δd/ 2處的信號(hào)幅度。由于建模波形沿傳播軸居中(在ρ= 0處為峰值),并且大值A(chǔ) max = 1,因此理論幅度保真度計(jì)算非常簡(jiǎn)單。圖3顯示了一個(gè)以ρ= 0為中心的整流波形的示例,其網(wǎng)格分辨率(藍(lán)點(diǎn))允許振幅保真度為2 dB。

AF = -20日志10 ?((G(ρ=ΔD/ 2))/ A 大)= -20日志10 ?(克(ρ=ΔD/ 2))

相對(duì)于探頭中心頻率波長(zhǎng)λ_0具有無(wú)因次傳播軸的整流(值)波形圖

圖3 -無(wú)量綱相對(duì)于探頭中心頻率波長(zhǎng)λ的傳播軸的整流(值)波形的插圖0。大峰沿傳播軸居中(ρ= 0)。藍(lán)點(diǎn)代表點(diǎn)在ρ/λ 0 =±0.1,其對(duì)應(yīng)于AF =2分貝的振幅保真度值。波形參數(shù):f 0 = 7.5 MHz,c = 5890 m / s,BW = 1.0。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)說(shuō)明的是,上述的理論模型可以用于計(jì)算振幅保真度值。如前所述,理論模型使用了壞情況的方案,與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,它可以高估幅度保真度。

使用兩個(gè)不同設(shè)置上的兩個(gè)回波進(jìn)行比較。一部分介紹了使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及如何進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)幅度保真度測(cè)量,而第二部分介紹了理論和經(jīng)驗(yàn)結(jié)果并提供了完整的分析。

實(shí)證檢驗(yàn)說(shuō)明

驗(yàn)證使用了兩個(gè)不同的TFM用例(如下圖所示)。一種設(shè)置使用7.5 MHz探頭,該探頭直接與包含一系列側(cè)面鉆孔(SDH)的零件接觸。第二種設(shè)置使用5 MHz探頭,該探頭在也包含SDH的碳鋼塊上帶有傾斜的楔形。一種設(shè)置使用直接LL傳播模式(使用縱波),而第二種設(shè)置使用直接TT模式(剪切波)。

 

兩種不同的TFM用例

 

使用這兩種設(shè)置,選擇了兩個(gè)不同的SDH,總共四個(gè)。圖5顯示了圖像TFM -高分辨率(λ 0 /100) -所選擇的SDHs。注意聲學(xué)傳播方向的差異。對(duì)于一種使用情況(頂行),聲傳播大部分是垂直的,而在第二種情況下,聲傳播對(duì)角線(左下)而幾乎水平(右下)位于網(wǎng)格上。

高分辨率TFM圖像

圖4 -高分辨率(λ 0 /100)的所有四個(gè)SDHs useds用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的TFM圖像。頂行:一種情況下(λ 0 =0.785毫米),底排:第二殼體(λ 0 =0.648毫米)。

為了將理論模型與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,必須針對(duì)一系列不同的TFM網(wǎng)格分辨率測(cè)量幅度保真度。因此,所有四個(gè)SDHs計(jì)算五個(gè)不同的網(wǎng)格分辨率,即(λ 0/20,λ 0 /10,λ 0 /5,λ 0 /4,λ 0 /3)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),TFM圖像的x軸和z軸都具有相同的分辨率(方形TFM網(wǎng)格分辨率)。

為了獲得振幅保真度測(cè)量,我們需要在TFM圖像中以定義的分辨率測(cè)得的峰值A(chǔ) max的實(shí)際大值和小的A min。高分辨率TFM圖像(參見(jiàn)圖5)用于獲得實(shí)際大值A(chǔ) max。確定小的大值A(chǔ) min會(huì)比較麻煩。實(shí)際上,TFM圖像必須使用寫(xiě)為中心波長(zhǎng)的一小部分所定義的網(wǎng)格分辨率(計(jì)算λ 0/ x),并且必須測(cè)量大值。然后,將網(wǎng)格位置沿不同方向稍微移動(dòng),并在每個(gè)增量步長(zhǎng)處測(cè)量大值。由于各種可能的缺陷方向,在圖6所示的所有點(diǎn)組合中移動(dòng)網(wǎng)格非常重要。在此圖中,藍(lán)網(wǎng)格表示具有定義分辨率的初始TFM網(wǎng)格。較細(xì)的灰網(wǎng)格表示需要逐步評(píng)估的所有網(wǎng)格點(diǎn)。紅點(diǎn)代表特定增量的評(píng)估體素。在當(dāng)前研究中,增量步長(zhǎng)設(shè)置為網(wǎng)格分辨率的1/20。在所有測(cè)得的大值中,取小的一個(gè)以計(jì)算幅度保真度值。

經(jīng)驗(yàn)振幅保真度測(cè)量的TFM網(wǎng)格位置增量方向說(shuō)明

圖5 –經(jīng)驗(yàn)振幅保真度測(cè)量的TFM網(wǎng)格位置增量的方向示意圖。藍(lán)網(wǎng)格代表初始TFM網(wǎng)格,而精細(xì)的灰網(wǎng)格代表所有TFM網(wǎng)格的增量移動(dòng)以獲得幅度變化。

同樣,在所有方向上移動(dòng)TFM網(wǎng)格以測(cè)量可靠的幅度保真度值非常重要。例如,如果,對(duì)于一次使用的情況下,網(wǎng)格只沿x軸,測(cè)量將是相當(dāng)?shù)偷?,因?yàn)槁晜鞑シ较蚴谴怪庇趚軸的振幅的保真度移動(dòng)。相反,由于傳播軸沿垂直軸,因此沿z軸移動(dòng)網(wǎng)格將提供更可靠的測(cè)量。

實(shí)證和理論結(jié)果分析

圖7顯示了兩個(gè)測(cè)試案例的經(jīng)驗(yàn)幅度保真度和理論幅度保真度測(cè)量之間的比較。使用前述方法計(jì)算理論曲線(純曲線)。計(jì)算了兩條不同的曲線,一條曲線直接使用網(wǎng)格分辨率(Δx或Δz),第二條曲線使用對(duì)角軸分辨率(Δd)。

對(duì)于每種網(wǎng)格分辨率,經(jīng)驗(yàn)曲線(虛線)表示在所有軸上獲得的大振幅保真度。除了經(jīng)驗(yàn)和理論結(jié)果外,紅色虛線還表示了TFM碼要求(2 dB)。

TFM聯(lián)系人用例(LL模式)

TFM傾斜楔形用例(TT模式)

圖6 –兩個(gè)TFM用例的實(shí)驗(yàn)和理論幅度保真度測(cè)量比較。左側(cè):聯(lián)系用例(LL模式)。右側(cè):傾斜楔形用例(TT模式)。紅色虛線表示2 dB代碼要求。

查看一個(gè)用例的結(jié)果(左圖7),兩個(gè)SDH的幅度保真度測(cè)量都類似于使用x軸分辨率(Δx)的理論曲線。實(shí)際上,由于SDH沿垂直(聲傳播)軸的方向(見(jiàn)圖5),這才有意義。同樣,由于SDH的相似性,經(jīng)驗(yàn)曲線幾乎相同。需要注意的是,在這種情況下,以符合所需的網(wǎng)格分辨率與代碼要求達(dá)到在約λ 0 /5使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)并在約λ 0使用理論模型(壞情況)時(shí)/ 7。

在第二個(gè)用例(右圖7)上獲得的結(jié)果表明,SDH的幅度保真度之間存在差異。這主要是由于它們的方向(參見(jiàn)圖5),因?yàn)橐粋€(gè)SDH在TFM網(wǎng)格上對(duì)角地取向,在該位置分辨率較差,因此提供了高的幅度保真度值。但是,即使在這種情況下,沿對(duì)角軸(橙色曲線)的理論結(jié)果仍然可以提供幅度值的保守估計(jì)。在這種情況下,λ的網(wǎng)格分辨率0需要/ 6使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),以及λ當(dāng)滿足規(guī)范要求0 /7,如果使用的理論模型。

在這兩種使用案例中,理論模型都提供了一種保守的方法,可以根據(jù)其分辨率,零件速度和探針參數(shù)來(lái)近似估算TFM網(wǎng)格的振幅保真度。

結(jié)論

TFM檢查技術(shù)要求用戶正確選擇網(wǎng)格參數(shù),例如其位置和分辨率。柵格位置取決于被檢零件的幾何形狀和可達(dá)到的聲區(qū),柵格分辨率定義應(yīng)取決于所使用的探頭頻率和聲模。本文所述的幅度保真度讀數(shù)可幫助用戶確定必要的網(wǎng)格分辨率。該讀數(shù)可測(cè)量由網(wǎng)格分辨率引起的幅度變化,該值將包括在新檢查代碼(例如ASME第V節(jié))的要求中。

本文證明了所描述的理論模型提供了一種保守的方法來(lái)近似振幅保真度值。此處顯示的另一個(gè)重要方面是幅度保真度測(cè)量對(duì)缺陷方向的依賴性。在經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的情況下,必須通過(guò)在所有四個(gè)選定方向上移動(dòng)網(wǎng)格來(lái)測(cè)量幅度變化。

在CIVA(EXTENDE)軟件中使用這種近似值來(lái)定義超聲探頭脈沖波形。

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