Что такое фазированная решетка?

Фазированная решетка относится к ультразвуковым технологиям. Она хорошо применяется в области медицины. В акушерстве используется с начала 1980-х годов, но с середины 1990-х стала применятся и в неразрушающем контроле. Одной из причин такого временного различия является то, что скорость звука  в металлах обычно в 3 раза больше скорости звука в воде или ткани человека, поэтому требования к быстродействию электроники значительно выше.

Метод ультразвуковой фазированной решетки основан на преобразовании и генерировании ультразвуковых волн. Преобразователь (кристалл) решетки представляет собой множество пьезоэлектрических элементов. Генератор контролирует все элементы для формирования лучей. Выходом генератора является обычный амплитудный сигнал в реальном времени, эквивалентный стандартному A-скану.

Метод фазированной решетки более усовершенствованный и сложный по сравнению с традиционным ультразвуковым контролем, в котором используется одноэлементный преобразователь. Многие прикладные задачи дефектоскопии используют фазированные решетки, благодаря которым контроль осуществляется гораздо быстрее и проще.

Прежде чем изучать информацию дальше, рекомендуем просмотреть раздел Лексикон. Термины, связанные с фазированным решеткам, так или иначе, могут оказаться мудреными и новым для большинства людей, но на самом деле они не являются сложными.

В чем отличие от традиционного ультразвукового контроля?

Фазированные решетки -  это еще один надежный метод генерирования ультразвуковых волн. Если рассмотреть многоэлементный датчик, то основными параметрами, определяющими ультразвуковое излучение, являются апертура и частота.

Примем фокусное расстояние постоянным при постоянной частоте, и разобьем его на множество мелких элементов.  Теперь сделаем так, что бы  электроника могла контролировать  каждый элемент в отдельности, на излучение и прием ультразвуковой волны. Получили метод фазированной решетки, и теперь с помощью преобразователя Вы можете управлять пучком и фокусировать его точно в область дефекта. Так же есть возможность воспроизвести точно тот же  пучок с тем же фокусным расстоянием, глубиной проникновения и шириной на программном уровне.

Преимущества метода фазированной решетки лежат на поверхности: генератор может формировать пучок за пучком со скоростью самой быстродействующей электроники. Время, которое тратится на переключение с одного луча на другой, сравнимо со временем распространения ультразвуковой волны.

Впоследствии генератор предоставляет A-сканы, которые соответствуют пучкам, фазированная решетка обеспечивает изображения этих сканов в реальном времени, где амплитуда отмечается цветом. Кроме того, прибор еще предложит просмотреть эти сканы в реальном времени.

Преимущества.

Они многочисленны:

• Различные углы ввода пучков могут быть сгенерированы с помощью одного преобразователя, охватывающего гораздо большую интересующую Вас область (область, проверяемая на наличие дефекта). 
• Больший охват позволяет, как уменьшать скорость сканирования объекта, так и увеличивать разрешающую способность контроля, или совмещать их.
• Получение реальных изображений положения и размеров дефектов, а также их интерпретация происходит быстрее и проще.
• Все данные, учитывающие последовательность контроля, могут быть записаны в реальном времени.
• Отчеты представляются в виде изображения, что облегчает упрощение понимания результатов контроля  для персонала.

Когда компания  HARFANG представила первый в мире портативный прибор, основанный на методе фазированной решетки, в Июне 2002 года, многие заказчики посмотрели в сторону этого метода и  простоты пользовательского интерфейса. 

Как производится контроль?

Традиционный ультразвуковой контроль основан на отражении луча от дефекта в материале и представлении результата в виде A-скана. Метод фазированной решетки представляет собой то же самое, если используются изображения A-скана. Однако многие пользователи предпочли бы использование изображений ( S-скан ) для выполнения измерений и диагностики. Визуализация  основана на выведении каждого скана отдельно на экран в масштабе 1:1, поэтому  к примеру при положении курсора на изображении  под углом 45⁰  можно получить А-Скан на луче под  45⁰. Вы можете перемещать курсор "представление в декартовых координатах" по краям дефекта и получать и информацию о глубине и площади при соответствующем положении курсора.

Отвечает ли данный метод принятым стандартам?

По сути фазированная решетка отвечает принятым стандартам, так как это  один из способов генерирования ультразвуковых волн. Например, если по стандарту необходим датчик сдвиговой (поперечной) волны под углом 45⁰,  вы также можете использовать фазированную решетку. Так как вы генерируете лучи под множеством углов, то вы можете выбрать луч под углом 45⁰ с теми же параметрами (фокусное расстояние, ширина, глубина проникновения). Некоторые стандарты  могут потребовать использования DAC  или TGC. Все эти функции доступны для фазированной решетки. 

Возможен другой вариант, когда надо организовать выполнение демонстрации критерия. Хороший пример ASME Sec. XI, Appendix 8.

Многие организации, такие как ASME, AWS, ASTM and EN, трудятся над совместимостью их стандартов с методом фазированной решетки впоследствии  разработки методов поверки и калибровки данных систем.

Как я могу убедить руководство перейти на фазированные решетки ?

В первую очередь, повторно изучить эту страничку. Затем выстроить бизнес-план, учесть при этом стоимость фазированной решетки. Самое простое - это показать сэкономленное время работ в часах. HARFANG VEO может содействовать в организации целостного технологического процесса. Если у вас есть образцы, для которых необходим контроль, мы сможем организовать демонстрацию, показывающую выявление, положение и размер каждого дефекта (получая их все, естественно, с помощью метода фазированной решетки). Так же мы можем предоставить  перечень наших клиентов.

Сможет ли ФР сварить мне кофе?

В конце 1990-х годов фазированная решетка продавалась, как волшебное решение всех проблем. К сожалению, это слегка подмочило репутацию фазированной решетки, как технологии. HARFANG  гордится тем, что продвигает этот метод без преувеличения его возможностей . Фазированная решетка далека от того, что бы считаться универсальным средством для решения любой проблемы в неразрушающем контроле. Безусловно, это выдающийся мощный метод, позволяющий формировать изображения, но он так же использует ультразвук, имеющий волновые ограничения.

Общая картина

Мы попытались здесь разместить краткую информацию, дающую общие представления  о технологии фазированной решетки.

→ Лексикон

Вам также может понадобиться прочитать этот раздел для лучшего понимания выражений, употребляемых при упоминании фазированной решетки.  

Луч

Луч фазированной решетки такой же, как и любой другой. У него есть свое фокусное расстояние, глубина проникновения, ширина и отклонение.

Фокусировка

Луч фазированной решетки такой же, как и любой другой. У него есть свое фокусное расстояние, глубина проникновения, ширина и отклонение. 

Управление

Так же вы можете управлять лучами в большом диапазоне углов, с учетом конфигурации решетки и ее электроакустического исполнения.

Перемещение

Конечно, вы можете управлять несколькими элементами решетки одновременно, следовательно, можете перемещать индексную точку. Чем меньше элементов, тем меньше апертура, шире пучек и больше глубина проникновения поля. Это бывает полезно для выполнения  B-сканирования.

О многоэлементных датчиках

Есть возможность выпускать решетки, которые содержат до 128 элементов, от 1 до 18 МГц, с активной матрицей 8мм x 8мм, сопряженныч с металлом, призмой или водой, и со 100-метровым кабелем. Очевидно, что у датчиков на фазированных решетках высокая чувствительность. Они, естественно, дороже, чем одноэлементные, но предоставляют значительно большие возможности.