工业相控阵超声检测与监测系统的发展与挑战-下

浏览量：362次发布时间：2025年01月15日 A+A A- A+A A-

05激光超声的相控阵检测系统

激光超声检测通过热弹效应或热蚀效应在材料内部产生超声波以实现非接触测量。Bruder等针对锂电池极耳焊接结构

形状复杂、尺寸小的问题，提出了一种激光诱导的导波TFM成像方法，通过Nd：YAG脉冲激光器（1064 nm）和激光

干涉仪（532 nm）采集了FMC信息集。根据频散曲线分析0.4 mm厚铝板检测中各个波包的模态，选择了2.5~3.5

MHz的S0模态导波进行FMC-TFM成像。结果显示，该方法能有效识别ϕ2 mm的缺陷，并讨论了边缘反射的影响。

He等针对激光超声相控阵成像中的伪影问题，研究了TFM成像的指向性修正方法，通过假设在均匀介质中存在虚拟的

点状缺陷，推导出理论孔径数据分布，当实测与理论数据不相关时，认为该点无缺陷。实验使用了1064 nm激光器和

532 nm干涉仪，相比于传统的激光超声TFM成像，考虑孔径数据相关性后可有效抑制多类伪影。

Cantero等提出了一种激光超声相控阵TFM成像检测的工艺参数优化方法，结合激光超声的射线追踪模型、POD和误

报率，建立了激光超声相控阵横波检测的SNR模型。通过调整物理孔径和阵元间距，最大化检测能力并最小化检测时

间。实验使用1064 nm激光器和532 nm干涉仪，通过5 MHz的横波检测铝块中1 mm的横孔缺陷，结果显示，理论

SNR模型和实验测量值吻合良好，最优和最差工艺条件下TFM成像的SNR分别为22.6 dB和8.7 dB，且裂纹为0°时物

理孔径可大于40 mm，有助于降低检测时间。

Mei等提出了一种基于深度学习对复杂形状缺陷进行激光超声相控阵TFM成像的智能重构方法。首先，通过COMSOL

计算不同种类缺陷，生成204幅TFM仿真图；其次，构建基于视觉几何组（VGG）改进语义分割的Unet网络，采用

VGG16代替UNet的左侧编码器层，增加卷积层数；最后，以TFM仿真图为输入、以缺陷设计图为标签训练网络。结果

显示，VGG-UNet网络能有效再现M型、T型、S型缺陷的大小和位置特征。

然而，当前激光超声相控阵TFM成像的指向性修正主要针对各向同性材料，缺乏对各向异性材料的研究，且主要集中在

二维TFM成像。另外，激光超声相控阵检测系统的价格昂贵，未来使用空耦系统或EMAT系统接收信号，可降低系统的

成本。

06相控阵超声过程监测系统

对加工或疲劳过程进行在线监测或原位监测，也是工业相控阵超声技术发展的热点之一。Chen等针对增材制造（AM）

加工过程的在线监测，提出了一种超快速激光超声相控阵表面波成像方法。该方法主要通过德国SCANLAB RTC5激光

控制卡控制扫描振镜，用1064 nm激光器和633 nm激光测振仪绕每一个检测点做快速的圆周扫描，并进行缺陷的聚焦

成像。结果表明，当缺陷尺寸大于0.2 mm时，最小可检测缺陷达到0.1 mm，定量误差可降至6.46%，比水浸C扫描效

率提高300%，有效检出了AM构件粗糙表面下的表面和亚表面缺陷。

还有研究用导波相控阵方法对带有缺口的1 mm厚铝板的疲劳裂纹扩展进行原位监测，将两个6通道线阵对称布置在缺

口两侧，同时反射和透射式地用BF技术激励了300 kHz导波信号，再结合基线法、模式匹配和模糊逻辑推理，定义了健

康度（DOH）矩阵作为损伤指数。结果表明，通过DOH矩阵实现损伤指数的可视化，可以有效监测裂纹扩展过程。

Gauthier等提出了一种基于单比特数字化的轻量级无幅值数据采集方案，用于解决相控阵超声云监测中的数据传输瓶颈

，存储容量比传统TFM降低47倍。通过Pogo仿真软件研究了使用符号相干因子、矢量相干因子（VCF）及改进VCF的

体波成像方法。实验使用Vantage 64 LE系统检测含横孔不锈钢和含凹槽低碳钢试块，验证了改进VCF与传统VCF成像

结果基本一致，比TFM成像的对比度噪声只降低约10 dB，为未来将数据上传到云平台进行实时处理和分析奠定了基础。

Sun等研发了一种低成本柔性超声波相控阵系统，用于大型结构的多点位长期原位监测。通过简化电路和优化柔性探头

设计，所开发的18阵元相控阵系统单套成本约为13848元。尽管基于多路复用模块进行FMC的耗时较长，但对于长期

监测是可接受的。实验显示，该系统可对平面、曲面构件进行高分辨率的TFM成像，经过温度补偿后，在连续监测3个

月后发现横孔缺陷直径有0.1 mm的变化。

目前，使用相控阵超声进行在线/原位监测时，对于高实时性、高分辨率、低成本的目标，现阶段最多只能同时满足两

个目标，且缺乏针对位错弦、位错偶、位错密度及驻留滑移带等早期损伤的相控阵监测方法。

07特殊相控阵探头的应用

1横波干耦合相控阵探头

Yang等针对桥梁和隧道容易出现空洞、裂缝缺陷的问题，使用德国ACS公司MIRA A1040型便携式32阵元相控阵仪器

与50 kHz的S1802横波干耦合探头检测混凝土结构。研究中对比了3种TFM的校正方法：扩散衰减校正、固体指向性校

正及两者的结合。结果显示，联合使用两种校正法能显著提升对远距离大角度缺陷的检测效果，并实现高分辨率成像。

张辉等使用横波干耦合的相控阵探头，研究了非连续阻抗粘接结构脱粘缺陷的稀疏阵列成像方法。研究指出，横波干耦

合探头能用于无人机超声探伤和钢管导波检测，但表面粗糙度的影响仍需深入探讨。

2可拉伸柔性相控阵探头

基于压电陶瓷的柔性相控阵探头由于变形能力有限，通常难以贴合如具有双扭曲面的复杂型面构件。Hu等设计了一种

基于压电陶瓷的10×10阵元二维可拉伸柔性相控阵探头，首先，主要采用“岛-桥”结构，其中“岛”为高性能的1-3

压电复合材料换能器，“桥”为多层蛇形电极，通过硅橡胶封装保持局部刚性和整体柔软性，以及高机电耦合系数（0.60），

SNR（20.28 dB）、宽带宽（47.11%）及低串扰水平（-70 dB），且可拉伸超过50%；其次，利用DMAS算法对复杂

型面试块中不同取向的横通孔实现了三维成像，但仍需降低成本以促进此类探头的应用。

3涂层式相控阵探头

涂层式或直写式相控阵探头是当前研究的热点之一。Haque等使用直写式按需喷墨打印技术制备了聚偏氟乙烯-三氟乙

烯（PVDF-TrFE）涂层。Shen等在1.27 mm铝板上用直写式PVDF-TrFE涂层制备了4阵元的梳状相控阵导波探头，通过

1.3 MHz的A0模态Lamb波实现了缺陷成像。

Zhou等采用直写式方法制备了具有压阻效应的石墨烯/聚酰胺酸（G/PPA）纳米复合材料涂层，结合MUSIC算法实现了

8阵元的导波相控阵成像。

Li等通过喷墨打印、原位热退火和电晕极化技术制备了PVDF-TrFE的涂层式相控阵探头，并印制了电极对铝板进行导波

检测和冲击定位。Li等在平面、凸面和凹面构件上制备了基于压电聚合物涂层的相控阵探头，对ϕ2 mm横通孔进行TFM

成像，并讨论了用两个阵元一发一收测量零群速度模态Lamb波的可行性。涂层式相控阵探头及其应用示意图如图5所示。

尽管这些技术展示了良好的应用前景，但目前微电子电路按需喷墨打印成本较高，降低生产成本成为其应用的关键挑战。

图5 涂层式相控阵探头及其应用示意图

4植入式相控阵探头带有嵌入式传感器的智能材料适用于长期、连续的结构健康监测，且由于不会破坏表面的空气动力学设计，尤其适合于航空、航天领域。同时，因为受到智能材料复合结构的保护，传感器受外部环境的影响更小、SNR更高。当前，植入式相控阵超声探头是智能材料中主要的嵌入式传感器类型之一。

Su等在纤维纺织品中用化学气相沉积法，将碳纳米管（CNT）原位嫁接到玻璃纤维（GF）上，制备了20个植入式的CNT-g-GF传感器，再将高导电薄膜编织到纺织品中作为导线。植入式相控阵探头及其应用示意图如图6所示。结果表明，碳纳米管质量分数越高，阵列激励的导波幅值越大，在225 kHz附近S0模态导波响应最大。