相控阵声速校准、延迟校准、灵敏度校准、TCG修正方法

超声相控阵检测技术的声束发射和声束接收与A型扫描超声波检测类似，都基于超声波脉冲反射法的原理。相控阵仪器发射电脉冲激发探头晶片，晶片发生逆压电效应产生超声波脉冲声束。系统通过声束入射到反射体的发射与接收时间的关系，自动算出反射体的声程、深度、水平距离并显示在仪器屏幕上。因此，为了让仪器显示的数据准确，在实施检测前应对仪器进行校准。超声相控阵校准分四个步骤依次进行，声速校准、延迟校准、灵敏度校准（ACG修正）以及TCG修正。本文以奥林巴斯OMNISCAN仪器为例讲解各类校准的方法。

一、声速校准

原理：相控阵扇形扫查、线性扫查分别与A型扫描超声检测斜探头、直探头校准的方法相似。扇形扫查的声束入射到两个半径为50mm与100m同心圆，线性扫查声束入射两个不同厚度的试块，系统通过入射到两个反射体的发射与接收时间关系计算出声速。校准声速的目的是让仪器计算的声速与被检工件声速相近，减少测量误差。

（1）扇形扫查：调节角度指针至设置的扇形扫查范围中心角度，例如：扇形扫查范围为30°-70°，调节角度指针至50°。将探头至于CSK-IA试块，前后移动探头找到两个同心半圆的最大反射回波，固定探头，分别移动闸门套住回波依次“得到位”，最后确定完成声速校准。

（2）线性扫查：移动探头找到探头最大回波，闸门依次套住回波“得到位”，最后确定完成声速校准。

注意事项：校准声速的过程中应注意温度变化，应事先了解被检测材料的声学特性等。

二、延迟校准

本人对相控阵延迟的理解：相控阵的超声波脉冲发射装置由探头晶片与楔块组成，延迟激发晶片发射超声波形成扇形声束，各角度的声束经过楔块与耦合层到达工件接触面所需要的时间，如图1，红色线为各角度声束的延迟。虽然在仪器初始设置过程中输入了探头与楔块等相关参数，但是输入的参数与实际参数的误差，楔块磨损，扫查角度，耦合剂等因素都会影响实际的延迟数值。

图1 相控阵延迟影响因素示意图

    超声相控阵延迟采用横孔校准，每个聚焦法则形成的声束入射到相同深度的横孔，系统通过入射到横孔的发射与接收时间，自动将每个角度的声束延迟校准到平衡位置。

方法： 超声相控阵的延迟常采用CSK-IA试块深度为15mm的φ2横通孔校准，将闸门锁定的深度设置为10-20mm。探头放置在CSK-IA试块上前后移动探头，依次选择“校准”、“确定”完成延迟校准。完成后的屏幕图像如图3所示。

图2 延迟校准示意图

图3 超声相控阵延迟校准

三、灵敏度校准

原理：《相控阵超声检测方法意见征求稿》第10.1.3条规定：为避免角度灵敏度差异，在校准前也可先进行ACG修正即灵敏度校准。仪器对相同深度、不同声程处相同尺寸反射体的回波进行增益修正，使之达到相同幅值（一般达到波高80%）。所谓的灵敏度校准也就是ACG修正，因此，也可以采用半圆弧来校准，仪器对扇扫描中不同角度波束在同一声程处相同反射体的回波进行增益。

方法：与延迟校准方法类似，采用CSK-IA试块深度为15mm的φ2横通孔校准，将闸门锁定的深度设置为10-20mm。探头放置在CSK-IA试块上前后移动探头，选择“校准”将每个角度的回波达到相同的波幅（波高80%）、最后“确定”完成延迟校准。

图4.超声相控阵灵敏度校准

四、TCG修正：

原理：TCG也成为时间增益修正，仪器对不同声程处相同尺寸反射体的回波进行增益修正，使之达到相同幅值。修正后得到的是一条直线，即所有深度的相同直径的横孔的反射波高都是一样的。

TCG特点：(1)因为所有深度的相同直径的横孔的反射波高都是一样的，所以TCG是一条直线，不像DAC是近高远低的曲线，在屏幕上显示不完全，顾得了头就顾不了尾；(2)由于TCG直接动用增益进行补偿，所以近处的检测灵敏度自动降低，远处的检测灵敏度自动提高，不但波形观察方便，而且实际的检测灵敏度比DAC高。

方法：《相控阵超声检测方法意见征求稿》规定TCG校准应采用CSK-ⅡA系列试块，但是在实际校准中通常采用CAK-IIIA试块或RB-2（RB-3）试块（相控阵超声TCG校准试块选择和传统A型扫描超声检测相似，根据检测标准的要求来选择）。

相控阵超声TCG修正和传统A型扫描超声检测相似。选择不同深度的横孔，通过闸门自动锁定每个角度的最大反射回波，并采集该回波信号。通过系统增益补偿让每个角度的声束回波达到相同幅值。最后选择点，绘制TCG曲线。

图5 TCG修正

图6 TCG修正完成后

本文作者：曹智（原创）

参考文献：

[1] 《相控阵超声检测方法意见征求稿》

[2] 强天鹏 《从常规超声到相控阵的思考》博客

• 责任编辑：曹智
• 博主微信：ndtblog
• 原创说明：如需转载本站原创文章请联系博主！未经允许转载，将追究其责任！

关注「NDT新思想」公众号，更多干货等你来！