Normal 0 false false false MicrosoftInternetExplorer4

 

1.0 Giới thiệu

 

1.1 Giới thiệu chung về kiểm tra siêu âm

1.2 Sơ lược về lịch sử của kiểm tra siêu âm phased array

1.3 Các loại thiết bị hiện tại

1.4 Hệ thống phased array là gì?

1.5 Chức năng của chúng là gì?

1.6 Các ưu điểm của kiểm tra siêu âm phased array so với siêu âm thông thường

 

2.0 Đầu dò

 

2.1 Cấu trúc đầu dò siêu âm thông thường

2.2 Những đặc tính của chùm tia thông thường

2.3 Các tính chất động của mặt sóng trong đầu dò thông thường

2.4 Đầu dò liên khối tổng hợp

2.5 Đặc tính của đầu dò tinh thể đơn

2.55 Phased array là gì

2.6 Bên trong đầu dò phased array

2.7 Đặc tính của đầu dò phased array

2.8 Các nêm của đầu dò phased array

2.9 Sự phát xung phased array và những ảnh hưởng của nó

2.10 Quét theo dãy

2.11 Tạo hình dạng chùm tia

2.12 Lái chùm tia

2.13 Hai dạng nhiễu chùm tia

2.14 Hội tụ với đầu dò phased array

2.15 Tóm tắt về sự lựa chọn đầu dò

 

3.0 Những nét cơ bản về tạo hình ảnh

 

3.1 Giới thiệu

3.2 Dữ liệu A-scan

3.3 Giá trị đơn B-scan

3.4 C-scan

3.5 C-scan bằng phased array

3.6 B-scan tiết diện

3.7 Quét quạt tuyến tính phased array (S-scan)

3.8 Quét quạt góc phased array (S-scan)

3.9 Các dạng hình ảnh kết hợp

 

4.0 Thiết bị phased array

4.1 Khái quát

4.2 Sơ đồ khối của thiết bị

4.3 Các đặc tính kỹ thuật quan trọng

4.3.1 Thiết bị siêu âm thông thường

4.3.2 Thiết bị siêu âm phased array

4.3.2 Các phương pháp hiệu chuẩn và chuẩn hóa

4.3.3 Sự kết hợp thiết bị siêu âm thông thường và thiết bị siêu âm phased array

 

5.0 Phân tích chi tiết sự hiển thị của kỹ thuật phased array

 

5.1 Phân tích chi tiết sự hiển thị của kỹ thuật phased array

5.2 Thiết lập thời gian trễ quét

5.3 Quét với chùm tia thẳng tuyến tính

5.4 Quét với chùm tia góc tuyến tính

5.5 Thiết lập thứ tự quét

5.6 Xác định vị trí khuyết tật

5.7 Quét góc quạt

 

6.0 Các ứng dụng tiêu biểu

 

6.1 Danh sách các ghi chép về ứng dụng hiện tại

 

7.0 Giải nghĩa các thuật ngữ trong công nghệ phased array

1.0 Giới thiệu

1.1 Giới thiệu chung về kiểm tra siêu âm

Các thiết bị siêu âm được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp đã được sử dụng từ hơn 60 năm. Từ những năm 1940, các định luật vật lý về sự lan truyền của sóng âm tần số cao qua vật liệu rắn được sử dụng để phát hiện các vết nứt, rỗ khí, lỗ rỗng, và các bất liên tục khác tiềm ẩn hiện diện trong kim loại, vật liệu tổng hợp, nhựa, và gốm sứ, cũng như để đo chiều dày và phân tích các tính chất của vật liệu. Kiểm tra siêu âm hoàn toàn là phương pháp kiểm tra không phá hủy, an toàn được thiết lập trong các công nghiệp sản xuất, chế biến, và dịch vụ cơ bản, đặc biệt trong những ứng dụng liên quan đến hàn và kết cấu kim loại.

 

Sự phát triển rộng lớn của kiểm tra siêu âm song song với sự phát triển trong ngành điện tử và sau này là trong lĩnh vực máy tính. Những công trình thực nghiệm ban đầu ở Châu Âu và Mỹ vào những năm 1930 đã cho thấy rằng sóng âm tần số cao sẽ phản xạ từ bất liên tục hay đường biên của vật liệu theo cách có thể tiên đoán trước, tạo ra hình dạng xung phân biệt mà có thể hiển thị trên màn hình máy hiện sóng. Hệ thống định vị dưới mặt nước phát triển trong chiến tranh thế giới lần thứ hai đã thúc đẩy sự nghiên cứu về lĩnh vực siêu âm. Năm 1945, nhà nghiên cứu ngưởi Mỹ, Floyd Firestone đã phát minh ra thiết bị được ông gọi là máy dò khuyết tật siêu âm (Supersonic Reflectoscope). Nó được coi là thiết bị dò khuyết tật siêu âm đầu tiên sử dụng kỹ thuật xung vọng mà ngày nay thường sử dụng. Nó mở đầu cho rất nhiều thiết bị được giới thiệu trong các năm sau đó. Trong những công ty dẫn đầu trong sự phát triển các thiết bị dò khuyết tật bằng siêu âm, các máy đo, và đầu dò vào những năm 1960 và 1970 là Panametrics, Staveley, và Harisonic, tất cả các công ty này nay là thành viên của tập đoàn Olympus NDT.

 

Trong những năm cuối của thập kỷ 1940, các nhà nghiên cứu Nhật bản đã đi tiên phong trong việc sử dụng kiểm tra siêu âm trong chẩn đoán y học bằng cách sử dụng thiết bị có dạng hiển thi B-scan trước đây cung cấp hình ảnh hai chiều của các lớp mô. Vào những năm 1960, những kiểu máy quét y khoa đầu tiên đã được sử dụng để phát hiện và phác thảo đường nét bên ngoài của khối u, sỏi mật, và các căn bệnh khác. Trong những năm 1970, sự ra đời thiết bị đo chiều dày chính xác đã đưa kiểm tra siêu âm tới các công đoạn sản xuất khác nhau mà cần đo chiều dày của các chi tiết mà chỉ có thể tiếp cận từ một bên, và các thiết bị đo ăn mòn đã được ứng dụng rộng rãi trong việc đo chiều dày còn lại trong các đường ống và bể chứa kim loại.

 

Những tiến bộ mới nhất trong các thiết bị siêu âm dựa trên kỹ thuật xử lý tín hiệu kỹ thuật số và những bộ vi xử lý giá thành hợp lý đã xuất hiện từ những năm 1980. Nhờ ứng dụng các kỹ thuật mới trên dẫn đến việc cho ra đời một thế hệ thiết bị sách tay có độ tin cậy cao, nhỏ gọn và các hệ thống kiểm tra trực tiếp trên dây truyền để phát hiện khuyết tật, đo chiều dày, và tạo hình ảnh âm học.

 

 

1.2 Sơ lược về lịch sử của kiểm tra siêu âm phased array

 

Trong vài thập niên đầu tiên, các thiết bị siêu âm thương mại dựa hoàn toàn vào đầu dò tinh thể đơn mà sử dụng một tinh thể áp điện để phát và nhận sóng âm; đầu dò tinh thể kép mà sử dụng hai tinh thể truyền và nhận sóng âm riên rẽ, và hệ thống phóng/nhận hay truyền qua được dùng thành cặp tinh thể đơn như trong kỹ thuật cặp đôi. Các kỹ thuật này vẫn được dùng chủ yếu trong thiết kế chế tạo máy siêu âm thương mại ngày nay để phát hiện khuyết tật và đo chiều dày, tuy nhiên các thiết bị dùng đầu dò phased array đang dần trở nên quan trọng trong lĩnh vực kiểm tra NDT dùng sóng siêu âm.

Nguyên lý giao thoa tăng và giảm của sóng được chứng minh bởi nhà khoa học người Anh Thomas Young vào năm 1801 bằng thử nghiệm đáng chú ý mà sử dụng hai điểm phát sáng để tạo hình dạng vân giao thoa. Các sóng cùng pha kết hợp làm tăng cường độ, trong khi sự kết hợp của các sóng nghịch pha sẽ triệt tiêu nhau.

 

 

Sự dịch chuyển pha hay tạo pha lần lượt tuyền ra phía trước theo hình dạng, thời gian dịch chuyển phụ thuộc vào sự tác động qua lại của hai hay nhiều nguồn phát sóng ban đầu. Sự dịch chuyển pha có thể được dùng để uốn cong, dẫn hướng hay hội tụ năng lượng của mặt sóng. Vào những năm 1960, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển hệ thống siêu âm phased array sử dụng đầu dò nhiều điểm phát, phát xung để tạo hướng chùm tia sóng âm bằng cách kiểm soát hình dạng vân giao thoa. Vào đầu của những năm 1970, hệ thống phased array thương mại dùng để chuẩn đoán trong y tế đã được sử dụng lần đầu tiên, bằng sử dụng chùm tia được điều khiển để tạo hình ảnh cắt lớp cơ thể con người.

 

 

Ban đầu, việc sử dụng hệ thống siêu âm phased array chỉ giới hạn phần lớn trong lĩnh vực y tế, được hỗ trợ bởi thực chất là thành phần và cấu trúc cơ thể người có thể dự đoán được làm cho việc thiết kế thiết bị và giải đoán hình ảnh tương đối dễ. Việc ứng dụng trong công nghiệp thì khác hẳn, có nhiều khó khăn lớn hơn do sự thay đổi lớn đặc tính âm của kim loại, composite, gốm, nhựa và sợi thủy tinh, thêm vào đó sự thay đổi về chiều dày và hình dạng rất lớn gặp phải khi thực hiện kiểm tra trong công nghiệp. Hệ thống phased array dùng trong công nghiệp đầu tiên vào những năm 1980 là cực lớn và các thông tin yêu cầu truyền sang máy tính để xử lý và giải đoán hình ảnh. Các hệ thống này chủ yếu được sử dụng trong việc kiểm định nhà máy điện trong giai đoạn vận hành. Phần lớn, kỹ thuật này đang được đẩy mạnh vào thị trường nguyên tử, ở đó việc đánh giá quan trọng hơn nhiều cho phép sử dụng kỹ thuật cắt cạnh để tăng khả năng phát hiện. Những ứng dụng ban đầu khác liên quan tới các trục rèn lớn và các turbine áp lực thấp.

Những thiết bị phased array sử dụng pin, xách tay dùng trong công nghiệp xuất hiện vào những năm 1990. Thiết bị dạng analog đòi hỏi nguồn điện và khoảng không để tạo cấu hình đa kênh cần thiết để điều khiển chùm tia, nhưng việc truyền thông tin dưới dạng số hóa và việc phát triển mạnh của thiết bị vi xử lý nhúng đã thúc đẩy sự phát triển nhanh các thiết bị phased array thế hệ mới. Hơn nữa, sự có mặt của các linh kiện điện tử ít tiêu hao năng lượng, các kết cấu tiết kiệm điện hơn và việc sử dụng rộng loại thiết kế bảng gắn các linh kiện điện tử này trên bề mặt làm cho các thiết bị sử dụng công nghệ hiện đại sau này có kích thước nhỏ gọn hơn. Nhờ điều này mà các thiết bị phased array cho phép thiết bị cài đặt, xử lý thông tin, hiển thị thông tin trên màn hình và phân tích thông tin hoàn toàn thực hiện trong thiết bị xách tay, và nó đã mở ra cho việc sử dụng kỹ thuật này trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Điều này cũng dẫn tới khả năng xác định đầu dò phased array tiêu chuẩn cho những ứng dụng thông thường.

 

1.3 Các loại thiết bị hiện tại

 

Các nhóm thiết bị kiểm tra siêu âm, hệ thống phased array khác nhau có các hình dạng khác nhau với nhiều khả năng hơn và mức độ phức tạp cũng tăng lên. Các thiết bị có nhiều loại từ mô hình cơ bản mà chỉ thực hiện trong lĩnh vực đơn giản và quét đường với đầu dò 16 biến tử tới những hệ thống tiên tiến có phần mềm giải đoán hiện đại và có khả năng hoạt động nhiều kênh với đầu dò lên tới 256 biến tử. Để có thêm thông tin, hãy truy cấp vào trang web của Olympus NDT.

1.4 Hệ thống phased array là gì?

Đầu dò phased array là dạng đầu dò đơn giản có chứa một số tinh thể riêng rẽ nằm trong cùng một đầu dò và được tạo pha phụ thuộc vào trình tự phát xung của các biến tử như thế nào. Hệ thống phased array là hệ thống dựa trên đầu dò siêu âm đặc biệt có nhiều biến tử riêng rẽ (thông thường từ 16 tới 256 tinh thể), các biến tử này phát xung độc lập theo cách đã được lập trình trước. Các đầu dò này có thể được dùng với nhiều loại nêm khác nhau, trong kỹ thuật kiểm tra tiếp xúc hoặc kiểm tra nhúng. Những đầu dò này có thể có hình dạng hình vuông, hình chữ nhật hay hình tròn và thông thường có tần số nằm trong khoảng 1 tới 10 MHz. Những thông tin chi tiết về đầu dò phased array sẽ được trình bày trong những phần sau.

1.5 Chức năng của chúng là gì?

 

Hệ thống phased array phát xung và nhận xung từ đa biến tử trong dãy. Các tinh thể này được kích hoạt tạo xung theo cách sao cho các tia kết hợp với nhau và tạo thành mặt sóng đơn lan truyền theo hướng mong muốn. Tương tự, chức năng nhận xung là sự kết hợp tín hiệu nhận được từ nhiều tinh thể khác nhau tạo thành một tín hiệu duy nhất trên màn hình.

Bởi vì kỹ thuật truyền pha cho phép điều khiển hình dạng và hướng đi của chùm tia bằng điện tử, nên nó có thể tạo ra rất nhiều dạng chùm tia siêu âm khác nhau, từ một đầu dò và việc dịch chuyển của chùm tia này có thể được lập trình tạo thành dạng quét điện tử:

Điều này cho phép đầu dò có khả năng thực hiện các việc sau:

1. Điều khiển góc chùm tia, khoảng cách hội tụ và kích thước đầu phát chùm tia bằng phần mềm. Những thông số này có thể được quét tại mỗi vị trí kiểm tra để tối ưu hóa góc tới và tỷ số tín hiệu xung/nhiễu đối với mỗi dạng hình học của từng chi tiết.

2. Kiểm tra bằng nhiều góc có thể được thực hiện với một đầu dò, nhỏ, nhiều biến tử và chỉ cần một nêm đầu dò, có thể quét với một góc cố định hoặc quét thông qua dải các góc khác nhau.

3. Khả năng này làm tăng mức độ linh hoạt trong việc kiểm tra các chi tiết hình dạng phức tạp và kiểm tra những chi tiết khó tiếp cận (do không gian hạn chế).

4. Sự ghép kênh từ nhiều biến tử cho phép quét tốc độ cao mà không cần dịch chuyển đầu dò từ một vị trí của đầu dò. Có thể nhiều kiểu quét được thực hiện từ một vị trí đầu dò với nhiều góc kiểm tra khác nhau.

1.6 Các ưu điểm của kiểm tra Siêu âm Phased array so với siêu âm thông thường

 

Các hệ thống kiểm tra siêu âm phased array có tiềm năng sử dụng tại phần lớn những vị trí mà hiện nay thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường vẫn đang được sử dụng. Kiểm tra chất lượng đường hàn và phát hiện vết nứt là những ứng dụng quan trọng nhất và những kiểm tra này được thực hiện trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: hàng không, nhà máy điện, hóa dầu, các nhà sản xuất sản phẩm kim loại dạng ống và thanh, thi công và bảo dưỡng tuyến ống, kim loại kết cấu và sản xuất nói chung. Phương pháp phased array còn có thể được sử dụng hiệu quả để xác định dạng chiều dày thành còn lại trong các ứng dụng khảo sát ăn mòn.

Ưu điểm của kỹ thuật phased array so với phương pháp UT thông thường là khả năng sử dụng nhiều biến tử để điều khiển, hội tụ và quét chùm tia với một hệ thống đầu dò. Việc điều khiển chùm tia, thông thường có dạng quét hình quạt, có thể được dùng để quét chi tiết với các góc thích hợp. Nhờ khả năng này mà việc kiểm tra các chi tiết với hình dạng phức tạp sẽ đơn giản hơn. Kích thước đầu dò nhỏ và khả năng quét chùm tia mà không cần dịch chuyển đầu dò còn giúp cho thực hiện kiểm tra được cả những chi tiết ở trong điều kiện khó tiếp cận để quét bằng máy. Quét dạng quạt là dạng quét thường được dùng để kiểm tra đường hàn. Với dạng quét này, việc kiểm tra mối hàn được thực hiện từ nhiều góc với chỉ một đầu dò làm tăng khả năng phát hiện các bất liên tục. Hội tụ điện tử cho phép tối ưu hóa hình dạng và kích thước chùm tia tại vị trí nghi ngờ có khuyết tật, cũng như tăng khả năng phát hiện khuyết tật. Khả năng hội tụ tại nhiều độ sâu khác nhau còn cải thiện khả năng xác định kích thước cơ bản của khuyết tật khi kiểm tra vật dạng khối. Quét hội tụ có thể cải tạo đáng kể tỷ lệ tín hiệu/nhiễu trong những ứng dụng phức tạp và phương pháp quét điện từng với nhiều nhóm biến tử còn cho phép tạo thành hình ảnh dạng C-Scan rất nhanh.

Những nhược điểm của các hệ thống phased array là chi phí đầu tư thiết bị cao hơn và đòi hỏi người vận hành phải qua đào tạo, tuy nhiên các chi phí này được thường xuyên bù đắp bởi khả năng linh hoạt của phased array và giảm bớt thời gian yêu cầu để thực hiện công việc kiểm tra.

2.0 Đầu dò

2.1 Cấu trúc đầu dò siêu âm thông thường

 

Để hiểu được đầu dò phased array làm việc như thế nào, trước tiên cần phải xem xét các loại đầu dò siêu âm thông thường được thiết kế cho các ứng dụng NDT.

Các đầu dò này có rất nhiều kích thước, tần số và hình dạng bên ngoài khác nhau, nhưng phần lớn chúng có cấu trúc bên trong giống nhau. Thông thường, biến tử của đầu dò là gồm tấm áp điện có dạng hình đĩa, vuông hay chữ nhật mỏng mà biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học (dao động siêu âm) và ngược lại. Nó được bảo vệ chống hư hỏng bởi tấm chống ăn mòn hay thấu kính âm phía trước, và phía sau bởi khối vật liệu giảm chấn mà giảm bớt sự dao động của đầu dò sau khi xung sóng âm được tạo ra. Tất cả các chi tiết siêu âm trên được lắp trong vỏ đầu dò và được nối với đầu cắm điện thích hợp. Các loại đầu dò góc, nhúng, đường trễ và tiếp xúc thông thường đều sử dụng dạng thiết kế này. Đầu dò tinh thể kép thông thường được dùng trong khảo sát ăn mòn có thiết kế khác, chúng có tinh thể phát và thu riêng rẽ bằng tấm ngăn cách âm, không có tấm lót sau, và được gắn với phần trễ khác so với tấm chống mài mòn hay thấu kính âm.

 

2.2 Những đặc tính của chùm tia thông thường

Đầu dò siêu âm sóng dọc một biến tử thông thường làm việc như nguồn pistong phát ra dao động cơ học hay sóng âm với tần số cao. Khi có điện áp tác dụng, tinh thể đầu dò áp điện thay đổi hình dạng do tác dụng nén theo hước vuông góc với bề mặt của nó. Khi thôi tác dụng điện, thông thường không tới micro giây sau, tinh thể lại bật trở lại tạo ra thành xung năng lượng cơ học kết hợp với sóng siêu âm.

Các đầu dò thông dụng nhất dùng trong kiểm tra siêu âm NDT sẽ bao gồm các đặc điệm chức năng cơ bản sau:

Dạng – Đầu dò sẽ được đặt tên theo đúng chức năng của nó như dạng đầu dò nhúng, góc, trễ hay tiếp xúc. Phụ thuộc vào đặc điểm của vật liệu kiểm tra như độ nhám bề mặt, nhiệt độ và khả năng tiếp cận cũng như vị trí của khuyết tật trong vật liệu và tốc độ kiểm tra mà chọn lựa loại đầu dò phù hợp.

Đường kính – Đường kính của biến tử, thường được đặt trong vỏ đầu dò to hơn đường kính tinh thể một chút.

Tần số – Số lượng chu kỳ sóng thực hiện trong 1 giây, thông thường được thể hiện ở dạng Kilohertz (KHz) hay Megahezt (MHz). Phần lớn kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thường thực hiện ở khoảng tần số từ 500 KHz tới 20 MHz, nên phần lớn các đầu dò có tần số nằm trong vùng này, tuy nhiên trên thị trường cũng có sẵn các loại đầu dò tần số dưới 50 KHz và lớn hơn 200 MHz. khả năng xuyên sâu sẽ tăng lên khi tần số đầu dò giảm xuống, trong khi đó độ phận giải và độ sắc nét sẽ tăng lên khi tần số đầu dò tăng lên.

Băng tần – Phần dải tần số mà rơi vào vùng giới hạn biên độ quy định. Điều này nghĩa là, cần phải hiểu rằng các đầu dò NDT thông thường không tạo ra sóng âm ở tần số đơn duy nhất, mà trong một dải tần số tập trung quanh tần số đầu dò thiết kế. Tiêu chuẩn công nghiệp quy định rằng dải tần này tại điểm -6dB (hay một nửa biên độ).

Thời gian tạo sóng – Có một số lượng chu kỳ sóng được tạo ra bởi đầu dò trong một đơn vị thời gian tạo xung. Đầu dò có dải tần hẹp tạo nhiều chu kỳ hơn so với đầu dò dải tần rộng. Đường kính tinh thể, vật liệu lót, phương pháp điều chỉnh điện và kích thích đầu dò, tất cả đều tác động tời thời gian tạo sóng.

Độ nhạy – Là mối quan hệ giữa biên độ xung kích thích và biên độ xung tín hiệu nhận được từ một điểm định trước.

Theo tính toán gần đúng, chùm tia phát ra từ đầu dò dạng tròn không hội tụ thông thường có dạng cột năng lượng xuất phát từ vùng tinh thể, đường kính tăng lên và cuối cùng là tán xạ.

Trong thực tế, hình dạng chùm tia thực tế phức tạp hơn, cường độ năng lượng chùm tia thay đổi theo cả trục dọc và trục ngang. Biên dạng chùm tia được minh giải theo hình dưới đây, vùng màu đỏ thể hiện vùng có năng lượng cao nhất, trong khi đó vùng màu xanh có mức năng lượng thấp hơn.

Trường sóng âm của đầu dò được chia thành hai vùng, vùng trường gần và vùng trường xa. Vùng trường gần là vùng ngay gần sát đầu dò, tại vùng này cường độ sóng âm đi qua một loạt điểm cực đại và cực tiểu, cuối cùng của trường gần cường độ đạt giá trị cực đại tại trục tại vị trí cách bề mặt tinh thể khoảng N. Khoảng cách N của trường gần thể hiện tiêu điểm tự nhiên của đầu dò.

Vùng trường xa là vùng kề sát vùng trường gần cách tinh thể khoảng lớn hơn N, trong vùng này cường độ sóng âm giảm dần tới không trong khi đó đường kính chùm tia tăng lên và năng lượng củ nó mất dần. Khoảng cách vùng trường gần phụ thuộc và tần số và đường kính đầu dò và cả vận tốc sóng âm trong môi trường kiểm tra. Khoảng cách trường gần có thể tính được theo công thức dưới đây với đầu dò tinh thể hình vuông hoặc hình chữ nhật như thông thường vẫn thấy trong kiểm tra phased array:

Do cường độ âm thay đổi nhiều trong vùng trường gần, nên có thể rất khó khăn xác định được chính xác khuyết tật nếu dùng kỹ thuật dựa vào biên độ (tuy nhiên với thiết bị đo chiều dày thì vùng trường gần không ảnh hưởng). Thêm vào đó N thể hiện khoảng cách lớn nhất mà chùm tia của đầu dò có thể hội tụ lại nhờ kỹ thuật thấu kính âm hay tạo pha. Sự hội tụ chùm tia sẽ được bàn kỹ trong phần sau, Sự hội tụ với đầu dò Phased Array.

Hằng số tỷ lệ hình dạng được trình bày trong bảng sau, hằng số này phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều ngắn và dài của tinh thể:

Trong trường hợp tinh thể dạng hình tròn, hệ số k không được dùng và đường kính tinh thể (D) được dùng thay thế cho chiều dài:

2.3 Các tính chất động của mặt sóng trong đầu dò thông thường

Sự tạo mặt sóng

Trong khi đầu dò tinh thể được có thể được xem như nguồn phát pistong, tinh thể dạng đĩa hay tấm sẽ được hướng và vật liệu kiểm tra, sóng âm được tạo thành và có thể được mô hình hóa toán học như tổng hợp của các sóng âm từ rất nhiều các điểm phát. Điều này bắt nguồn từ nguyên lý của Huygen, được lần đầu phát minh bởi Christiaan Huygen –nhà vật lý người Hà Lan vào thế kỷ 17, nguyên lý phát biểu rằng mỗi điểm trên mặt sóng lan tỏa có thể được xem như một điểm phát, điểm phát này phát ra sóng dạng cầu mới và sau đó các sóng này hợp nhất nhau tạo thành sóng tổng hợp của tất cả các sóng cầu riêng rẽ.

 

Sự mở rộng chùm tia

Theo lý thuyết, sóng âm tạo thành bởi đầu dò sẽ truyền đi theo đường thẳng tới khi nó va vào bề mặt gianh giới của vật liệu. Nhưng thực tế điều gì xảy ra sẽ được bàn tới sau đây. Nếu quãng đường truyền sóng âm lớn hơn chiều dài vùng trường gần, chùm tia sẽ có đường kinh tăng lên, phân kỳ giống như đàn chiếu. Góc mở của chùm tia của đầu dò không hội tụ có thể được tính toán theo công thức sau:

Từ công thức này ta có thể nhận thấy rằng góc mở chùm tia tăng lên khi tần số giảm và đường kính tinh thể giảm. Nếu góc mở chùm tia lớn có thể gây ra hiện tượng suy giảm năng lượng âm rất nhanh trong một đơn vị diện tích với khoảng các xác định, giảm độ nhạy phát hiện với các vật phản xạ nhỏ, biên độ xung trong một số trường hợp áp dụng với quãng đường truyền dài có thể được cải thiện bằng cách dùng đầu dò tần số cao hơn và/hoặc đường kính lớn hơn.

Độ suy giảm

Khi sóng âm truyền qua môi trường, sóng âm được tạo ra trật tự từ đầu dò siêu âm sẽ bắt đầu bị suy giảm về năng lượng sóng âm do sự truyền không hoàn hảo qua cấu trúc tế vi của bất cứ vật liệu nào. Dao động cơ học có tổ chức (sóng âm) sẽ chuyển thành dao động cơ học ngẫu nhiên (nhiệt) tới khi sóng không thể truyền được xa hơn. Quá trình này được biết như là sự suy giảm âm.

Theo lý thuyết toán học thì độ suy giảm âm và tán xạ là phức tạp. Sự tổn hao biên độ do sự suy giảm trên quãng đường truyền âm cho trước sẽ là sự tổng hợp của suy giảm do hấp thụ (tăng lên tỷ lệ với tần số), suy giảm do tán xạ (thay đổi qua ba vùng phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước hạt của vật liệu với chiều dài bước sóng). Trong mọi trường hợp, suy giảm do tán xạ sẽ tăng lên theo tần số đầu dò. Với vật liệu nhất định tại nhiệt độ nhất định, kiểm tra tại tần số nhất định, sẽ có hệ số suy giảm riêng, thông thường được thể hiện bằng đơn vị Nepers trên cm (Np/cm). Khi biết được hệ số suy giảm âm, tổng năng lượng tổn hao trên quãng đường truyền cho trước có thể tính được theo công thức:

 

 

 

 

 

 

Trong trường hợp thực tế, khi tiến hành kiểm tra UT hệ số suy giảm thường được đo chính xác hơn bằng tính toán. Đầu dò với tần số cao hơn sẽ bị suy giảm mạnh hơn so với đầu dò tần số thấp trong bất kỳ môi trường nào, do đó kiểm tra với tần số thấp thường được dùng khi kiểm tra các vật liệu với hệ số trở âm cao giống như là cao su và nhựa tỷ trọng thấp.

Hiện tượng phản xạ và truyền qua tại bề mặt phân cách vuông góc

Khi sóng âm truyền qua môi trường này đi tới mặt phân cách với môi trường khác nằm vuông góc với hướng truyền sóng, một phần năng lượng sóng âm sẽ bị phản xạ thẳng trở lại và một phần khác sẽ tiếp tục đi thẳng về phía trước. Tỷ lệ phần trăm phần sóng âm phản xạ so với phần đi qua liên quan tới trở âm tương đối của hai vật liệu. Trở âm của vật liệu được xác định bởi tích số tỷ trọng của vật liệu và vận tốc sóng âm trong vật liệu. Hệ số phản xạ tại bề mặt phân cách, vuông góc với hướng truyền sóng mà bị phải xạ lại nguồn phát, có thể được xác định theo công thức sau:

Từ công thức này có thể nhận thấy rằng nếu trở âm của hai vật liệu càng tương tự nhau thì hệ số phản xạ sẽ suy càng giảm, còn nếu trở âm của hai vật liệu càng khác nhau thì hệ số phản xạ càng tăng. Theo lý thuyết hệ số phản xạ từ mặt phân cách của hai vật liệu giống nhau là bằng 0, trong khi đó trong trường hợp hai vật liệu có trở âm khác xa nhau, như mặt phân cách giữa thép và không khí, thì hệ só phản xạ sẽ gần bằng 100%.

Hiện tượng khúc xạ và chuyển đổi mô hình tại bề mặt không vuông góc

Khi sóng âm truyền qua vật liệu tới bề mặt phân cách với vật liệu khác với một góc khác 0⁰, một phần năng lượng sóng âm sẽ bị phản xạ theo hướng tạo một góc nghiêng bằng góc nghiêng của tia sóng âm tới. Cũng trong thời gian đó, một phần năng lượng sóng âm sẽ truyền vào môi trường thứ hai và bị khúc xạ theo Định luật Snell. Định luật này được phát minh độc lập bởi ít nhất hai nhà toán học thời thế kỷ 17. Định luật Snell chỉ ra mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ với vận tốc vận tốc sóng âm trong từng môi trường như biểu đồ dưới đây.

Nếu vận tốc sóng âm trong môi trường thứ 2 cao hơn so với môi trường thứ nhất, thì sự lệch góc nhất định sẽ xảy ra cùng với chuyển đổi dạng sóng, thông thường là từ sóng dọc chuyển thành sóng ngang. Đây là nguyên lý cơ bản được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật kiểm tra siêu âm bằng tia chiếu góc. Nếu góc tới trong môi trường thứ nhất (vận tốc chậm hơn) như trong nêm đầu dò hay nước tăng lên, góc khúc xạ sóng dọc trong môi trường thứ hai (vận tốc nhanh hơn) như kim loại cũng sẽ tăng lên. Khi góc khúc xạ sóng dọc đạt gần tới 90⁰, phần lớn năng lượng sóng âm sẽ biến đổi thành sóng ngang có vận tốc thấp hơn, góc khúc xạ của sóng trượt này tính được theo Định luật Snell. Khi góc tới tăng cao hơn sẽ tạo góc khúc xạ sóng dọc 90⁰, toàn bộ sóng khúc xạ trong môi trường thứ hai là sóng ngang. Khi vẫn tiếp tục tăng góc tới tới trạng thái tới hạn ở đó sóng trượt theo lý thuyết bị khúc xạ ở góc 90⁰, tại thời điểm này sóng mặt tạo thành trong môi trường thứ hai. Biểu đồ dưới đây chỉ ra tác động của sự thay đổi góc tới tới các dạng sóng trong vật liệu thép.

 

2.4 Đầu dò liên khối tổng hợp

 

Trong những thập niên đầu tiên của kỹ thuật UT trong NDT, đầu dò thường được làm từ gốm áp điện hay thạch anh dạng đĩa. Nhưng gần đây, đầu dò ghép đã được giới thiệu để thay thế. Việc tăng chi phí sản xuất làm cho loại đầu dò này đắt hơn, tuy nhiên chúng có ưu điểm đáng kể là có độ nhạy cao hơn 12 dB so với tinh thể đầu dò thông thường với cùng độ rộng dải tần và tốc độ nhận xung tương đối nhanh.

Đầu dò ghép được làm bằng cách tạo khối vuông cho vật liệu áp điện tiêu chuẩn và cho vào vỉ. Khoảng không giữa các tinh thể dạng khối vuông được điền đầy bởi keo epoxy, và phía mặt đáy được mài bằng để lộ ra chuỗi khối các tinh thể áp điện nhỏ nằm trong ma trận epoxy. Cả hai mặt sau đó được làm phẳng để tiếp xúc điện. Vật liệu thô được cắt tạo dạng hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình tròn phụ thuộc vào loại đầu dò cần chế tạo.

Trong tinh thể đầu dò tạo thành, nhiều khối vật liệu áp điện có tác động như những điểm phát sóng dạng cầu, các sóng này kết hợp tạo thành sóng đơn tuân theo Nguyên lý Huygen. Độ nhạy của đầu dò được tăng lên do các khối tinh thể áp điện riêng rẽ có thể mở rộng và co lại tự do hơn so với phát ra từ một điểm cho trước ở giữa tấm hay đĩa tinh thể rắn. Thêm vào đó, sự có mặt của epoxy có trở âm thấp hơn đầu dò, tạo ra sóng âm truyền hiệu quả hơn đi vào nêm góc, phần trễ và nước cũng như các vật liệu kiểm tra phi kim loại như các vật liệu composit và polymer. Một bất lợi tiềm tàng là độ phân giải tại vùng sát bề mặt từ đầu dò công hưởng tự do hơn khi kiểm tra tiếp xúc trực tiếp. Kỹ thuật sản xuất đầu dò đặc biệt này là đặc biệt phù hợp vì nó thiết lập cơ sở trong chế tạo đầu dò phased array và căn bằng mặt sóng.

 

2.5 Đặc tính của đầu dò tinh thể đơn

Đầu dò siêu âm trong NDT thông thường có đặc điểm do nhà sản xuất quy định phù hợp với các quy trình tiêu chuẩn công nghiệp như là ASTM E1065. Đặc trưng độ nhạy, dạng sóng phổ tần số của đầu dò sẽ được kiểm tra và ghi lại dưới dạng hồ sơ. Mẫu báo cáo đặc tính của đầu dò được chỉ ra ở hình dưới.

2.55 Dãy là gì

Dãy (Array) là số lượng lớn các vật được sắp xếp có tổ chức. Dạng đơn giản nhất của dãy siêu âm trong NDT là một loạt các tinh thể đầu dò đơn được sắp xếp theo cách để làm tăng vùng quét và/hoặc tốc độ quét đầu dò khi kiểm tra thực tế. Các thí dụ minh họa như sau:

- Kiểm tra ống, ở đó nhiều đầu dò thường được dùng để phát hiện cả khuyết tật nứt, tìm tách lớp và đo chiều dày tổng thể.

- Kiểm tra những chi tiết kim loại rèn, cũng thường đòi hỏi nhiều đầu dò hội tụ các độ sâu khác nhau đảm bảo phát hiện được các khuyết tật nhỏ trong theo từng vùng.

- Việc bố trí các đầu dò thành đường thẳng dọc theo bề mặt làm tăng khả năng phát hiện các khuyết tật tách lớp trong vật liệu hỗn hợp hay sự ăn mòn kim loại.

Những việc kiểm tra này đòi hỏi máy siêu âm đa kênh tốc độ cao với các bộ phận phát xung, nhận và cổng logic phù hợp để xử lý từng kênh cũng như cố định chắc chắn từng đầu dò để thiết lập chế độ phù hợp cho các vùng kiểm tra.

Trong dạng đơn giản nhất, đầu dò phased array có thể coi như một loạt các biến tử riêng được sắp xếp trong một đầu dò. Trong thực tế các tinh thể có kích thước nhỏ hơn nhiều so với tinh thể trong đầu dò đơn thông thường, các tinh thể này có thể phát xung theo từng nhóm sao cho hướng, hình dạng sóng truyền có thể kiểm soát được. “Hình dạng chùm tia điện tử” kiểu này cho phép nhiều vùng kiểm tra sẽ được lập trình và phân tích với tốc độ rất cao từ một vị trí đặt đầu dò. Điều này sẽ được bàn rõ hơn trong các phần tiếp theo.

 

2.6 Bên trong đầu dò đa biến tử

Đầu dò phased array có nhiều kiểu kích thước, hình dạng, tần số và số lượng tinh thể khác nhau, nhưng tất cả đều có điểm chung là biến tử áp điện mà nó được chia nhỏ ra thành một nhiều phần.

Hiện nay các đầu dò phased array ứng dụng trong NDT công nghiệp thường được chế tạo từ vật liệu áp điện tổng hợp, chúng được làm từ nhiều dây dẫn gốm phân cực mỏng, nhỏ được gắn trong ma trận (matrix) polymer. Đây là khó khăn lớn với những nhà sản xuất, đầu dò ghép đặc trưng thường có độ nhạy từ 10 tới 30 dB cao hơn đầu dò gốm áp điện được thiết kế theo cách khác. Những đoạn tấm kim loại sử dụng chia thanh hợp chất thành nhiều tinh thể điện tử riêng rẽ, những tinh thể này có thể tạo phát xung riêng rẽ. Những đoạn tinh thể này sau đó được kết hợp nhau trong bộ đầu dò bao gồm cả lớp nêm, bộ phận lót, cáp nối và lớp vỏ ngoài.

Các tinh thể có thể được sắp xếp thành dạng ma trận để tạo ra nhiều tia phát ra trên toàn bề mặt ngang của đầu dò, hoặc có thể bố trí thành dạng tròn để chùm tia có dạng hội tụ chỏm cầu hơn.

Có rất nhiều loại đầu dò phased array đang có mặt trên thị trường. Trong khi các đầu dò tinh thể bố trí theo dạng thẳng hiện nay là loại hình dạng được dùng phổ biến nhất, những đầu dò làm theo đơn đặt hàng với số lượng tinh thể rất lớn và rất nhiều cách sắp xếp tinh thể khác nhau cũng có trên thị trường, thường những thiết kế này để đáp ứng các nhu cầu trong ứng dụng như đẩy cao tốc độ quét toàn bộ thể tích và/hoặc điều khiển chùm tia theo hình dạng phức tạp. Để đáp ứng các nhu cầu này, có các mức độ thiết bị phased array khác nhau hiện trên thị trường chia thành 03 nhóm thiết bị chính là: thiết bị thủ công xách tay làm việc tại hiện trường, thiết bị tự động xách tay làm việc tại hiện trường và thiết bị cố định kiểm tra tại hiện trường.

Sau đây là đặc điểm 06 loại đầu dò phased array khác nhau, thường được sử dụng:

1 – Đầu dò dạng thẳng 1D (1D Linear): Đây là dạng bố trí tinh thể đầu dò thông dụng nhất, dùng cả trong kiểm tra bằng tia chiếu thẳng và tia chiếu góc.

Ưu điểm: chế tạo và lắp vào nêm đầu dò dễ, hội tụ theo một trục với độ sâu và góc khác nhau.

Nhựơc điểm: đòi hỏi kích thước lớn có điểm hội tụ sâu, góc lệch chùm tia tăng lên khi góc và độ sâu tăng, không thể dịch chuyển nghiêng.

2 – Đầu dò dạng hình vuông 2D (2D Square):

Ưu điểm: có khả năng điều khiển chùm tia hội tụ theo vùng, chỏm cầu hoặc theo trục đơn.

Nhựơc điểm: quá trình thiết kế và chế tạo phức tạp, đòi hỏi số lượng lớn tinh thể phát /nhận xung và việc lập trình phức tạp.

3 – Đầu dò dạng hình vuông 1.5D (1.5D Square):

Ưu điểm: có khả năng điều khiển (lái) rất tốt, hội tụ theo một trục ở các độ sâu và góc khác nhau, giảm các tia không mong muốn.

Nhựơc điểm: quá trình thiết kế và chế tạo phức tạp, đòi hỏi số lượng lớn tinh thể phát /nhận xung và việc lập trình phức tạp.

4 – Đầu dò dạng vòng khuyên 1D (1 D Annular):

Ưu điểm: hội tụ dạng chỏm cầu ở các độ sâu khác nhau, phát hiện những phản xạ kích thước nhỏ.

Nhựơc điểm: không có khả năng lái, đòi hỏi hội tụ có độ mở lớn và việc lập trình phức tạp.

5 – Đầu dò dạng vòng khuyên 2D (2 D Annular):

Ưu điểm: chùm tia có dạng elip hoặc cầu và có khả năng lái chùm tia tới các độ sâu và góc khác nhau.

Nhựơc điểm: quá trình thiết kế và chế tạo phức tạp, đòi hỏi số lượng lớn tinh thể phát /nhận xung và việc lập trình phức tạp, chỉ tạo ra sóng dọc.

6 – Đầu dò dạng hình tròn 1D (1 D Circular):

Ưu điểm: chùm tia có dạng elip hoặc cầu và có khả năng lái chùm tia tới các độ sâu khác nhau, thường dùng với vật có dạng cong.

Nhược điểm: quá trình thiết kế và chế tạo phức tạp.

 

2.7 Đặc tính của đầu dò đa biến tử

Các đầu dò phsaed array được phân loại chức năng theo các yếu tố cơ bản sau:

Theo dạng: Phần lớn các đầu dò phsaed array có dạng đầu dò góc, chúng được thiết kế với nêm góc bằng nhựa hoặc nêm thẳng bằng nhựa (nêm đầu dò 00) hoặc nêm trễ. Cách phân chia khác là đầu dò tiếp xúc trực tiếp và đầu dò nhúng cũng được dùng.

Theo tần số: Phần lớn máy siêu âm khuyết tật làm việc trong khoảng tần số từ 2MHz tới 10MHz, nên phần lớn đầu dò phased array có tần số nằm trong vùng đó. Đầu dò có tần số cao hơn và thấp hơn giới hạn trên cũng có mặt trên thị trường. Với những loại đầu dò thông thường, độ đâm xuyên của sóng âm tăng lên khi tần số đầu dò giảm, trong khi đó độ phân giải và độ sắc nét chỉ thị tăng lên khi tần số tăng lên.

Số lượng tinh thể: Các đầu dò phased array thông thường nhất có từ 16 tới 128 tinh thể, trong một số trường hợp số tinh thể có thể tới 256 tinh thể. Số lượng tinh thể càng lớn thì khả năng hội tụ và điều khiển (lái) chùm tia tăng lên, và cả khoảng quét của chùm tia tăng lên, nhưng chi phí mua thiết bị và đầu dò cũng tăng lên. Mỗi tinh thể được tạo xung riêng rẽ để tạo mặt sóng quan tâm. Kích thước mặt cắt của cách tinh thể này thường liên quan tới hướng tác động hay hướng lái.

Kích thước các tinh thể: Bề rộng tinh thể càng nhỏ khả năng điều khiển tăng lên, nhưng diện tích quét lớn sẽ đòi hỏi nhiều tinh thể hơn với chi phí cao hơn.

Các kích thước của đầu dò phased array được định nghĩa và quy định như sau:

Thông tin này được dùng trong phần mềm thiết bị để tạo ra hình dạng chùm tia mong muốn. Nếu nó không được nhập vào tự động bởi phần mềm nhận diện đầu dò, thì nó phải được nhập vào bởi người sử dụng trong khi cài đặt thiết bị.

2.8 Các nêm của đầu dò đa biến tử

 

Bổ xung về đầu dò dãy, linh kiện gắn kèm với đầu dò phased array thường dùng là nêm đầu dò. Nêm đầu dò được dùng cho cả khi sử dụng sóng ngang và sóng dọc, bao gồm cả khi quét chùm tia chiếu thẳng. Những nêm đầu dò này thực hiện chức năng cơ bản giống nhau trong cả hệ thống siêu âm phased array và trong thiết bị siêu âm dò khuyết tật một biến tử thông thường, nêm đầu dò cho phép năng lượng âm từ đầu dò truyền qua đi tới vật kiểm tra theo cách, nêm biến đổi dạng sóng và/hoặc khúc xạ với góc mong muốn theo Định luật Snell. Khi thực hiện kiểm tra bằng hệ thống phased array, chùm tia sẽ được điều khiển tạo ra nhiều góc khác nhau từ một nêm đầu dò, tác động khúc xạ cũng là một phần trong quá trình truyền tia sóng âm. Nêm đầu dò sóng ngang trông rất giống so với nêm của các đầu dò thông thường, và giống như nêm đầu dò thông thường chúng có nhiều kích thước và dạng khác nhau. Một số nêm đầu dò có lỗ để cấp chất tiếp âm khi quét đầu dò. Dạng nêm đầu dò phased array thông thường nhìn thấy dưới đây.

Nêm đầu dò 0⁰ thường là những khối nhựa được dùng để năng lượng truyền qua theo đường thẳng và quét với sóng dọc với góc nhỏ (và bảo vệ bề mặt đầu dò không bị phồng rộp hay mài mòn).

Nêm đầu dò còn có thể được chế tạo theo đặt hàng của khách hàng để phù hợp kiểm tra chi tiết có hình dạng phực tạp. Có nhiều kích thước nêm đầu dò cần bổ xung ứng với mỗi góc tới khi lập trình quét phased array, để đảm bảo hiệu chuẩn đúng tại khoảng cách và độ sâu, cũng như với góc khúc xạ phù hợp. Những thông số này này sẽ được liệt kê ra trong hồ sơ, chứng chỉ nêm đầu dò của nhà sản xuất là nên được ghi chép lại để tham khảo.

2.9 Sự phát xung đa biến tử và những ảnh hưởng của nó

 

Bất cứ khi nào mà sóng âm bắt nguồn từ 2 hay nhiều điểm tương tác nhau, sẽ có hiệu ứng giao thoa dẫn đến có hiện tượng tăng lên hoặc giảm đi của năng lượng sóng âm tại vị trí giao nhau. Khi các sóng dao động có cùng tần số giao nhau theo cách sự dịch chuyển vị trí của chúng là đồng pha chính xác (cùng pha, hoặc góc pha 0⁰), năng lượng của sóng âm sẽ kết hợp nhau tạo ra sóng có cường độ lớn hơn. Nếu chúng giao nhau theo cách các vị trí dịch chuyển của chúng là hoàn toàn ngược nhau (góc pha 180⁰), thì năng lượng sóng âm sẽ triệt tiêu nhau. Với góc pha nằm trong khoảng 0⁰ tới 180⁰, sẽ có các giai đoạn trung gian nằm giữa hoàn toàn cộng nhau hoặc triệt tiêu nhau. Bằng cách thay đổi thời gian truyền của sóng âm từ rất nhiều nguồn phát, có thể sử dụng các tác động này để cả lái và hội tụ để tạo dạng sóng kết hợp. Đây là nguyên tắc cơ bản của kiểm tra phased array.

Trong các đầu dò thông thường, các tác động giao thoa kết hợp và triệt tiêu sẽ tạo ra vùng trường gần và vùng trường xa, và sự thay đổi áp âm tại đó. Thêm nữa đầu dò góc thông thường sử dụng tinh thể đơn để truyền sóng âm qua nêm đầu dò. Các điểm trêm bề mặt sóng trải qua các khoảng thời gian trễ khác nhau nguyên nhân do hình dạng của nêm đầu dò. Những khoảng thời gian trễ này là trễ cơ học, nó khác hẳn với trễ điện tử được áp dụng trong kiểm tra phased array. Khi mặt sóng đập vào bề mặt đáy nó có thể quan sát được qua Nguyên lý Huygen như một loạt điểm phát sóng. Các sóng cầu theo theo lý thuyết từ những điểm phát sóng sẽ giao nhau tạo thành sóng đơn từ góc được xác định theo Định luật Snell.

Trong kiểm tra phased array, các tác động cộng nhau và khử nhau có thể dự đoán được là do hiện tượng dịch pha được sử dụng để tạo ra hình dạng và lái (điều khiển) chùm tia sóng siêu âm. Từng tinh thể hay nhóm tinh thể bị tác dụng xung với khoảng thời gian trễ khác nhau để tạo ra một loạt điểm phát sóng, các điểm này sẽ kết hợp với nhau tạo thành dạng sóng đơn và sóng đơn này sẽ truyền đi theo góc chọn trước. Tác động của tinh thể này cũng giống như việc tạo ra thời gian trễ cơ trong nêm đầu dò thông thường, nhưng nó có thể được điều khiển nhiều hơn nữa bằng cách thay đổi kiểu dạng thời gian trễ. Khi giao thoa trùng pha, biên độ của sóng kết hợp có thể tăng lên đáng kể so với biên độ của bất kỳ một sóng riêng nào đó tham gia tạo sóng kết hợp. Tương tự, thay đổi thời gian trễ được sử dụng trong quá trình nhận xung của từng tinh thể trong chuỗi, tổng hợp tín hiệu theo cách thể hiện như góc đơn và/hoặc thành phần trục chính của chùm tia tổng. Thêm nữa có sự thay đổi hướng của dạng sóng đầu tiên, sự kết hợp của các thành phần tia riêng rẽ này cho phép chùm tia hướng vào bất cứ điểm nào trong trường gần.

Các tinh thể thông thường được tác động xung theo từng nhóm từ 4 tới 32 tinh thể để cải thiện độ nhạy hiệu dụng bằng cách tăng khẩu độ, điều này sẽ giảm góc mở chùm tia không mong muốn và có khả năng tạo hình ảnh sắc nét hơn.

Các xung quay lại được nhận bằng nhiều tinh thể khác nhau hay nhóm tinh thể và sự lệch thời gian cần thiết để bù lại sự thay đổi thời gian trễ trong nêm đầu dò và sau đó được tổng lại. Không giống như đầu dò tinh thể đơn thông thường sẽ kết hợp hiệu quả khi tất cả thành phần chùm tia va vào bề mặt đầu dò, đầu dò phased array có thể sắp đặt sóng phản hồi theo không gian phù hợp với thời gian truyền và biên độ của mỗi tinh thể. Khi được xử lý bằng phần mềm của thiết bị, quy luật hội tụ của chùm tia trở lại biểu diễn hiện tượng phản xạ từ các thành phần góc nghiêng của chùm tia, là các điểm nằm dọc theo đường đi của chùm tia, và/hoặc phản xạ từ độ sâu hội tụ liên quan. Thông tin xung có thể sau đó được hiển thị theo bất kỳ dạng chuẩn nào.

2.10 Quét theo dãy

 

Như đã trình bày ở phần trước, các chùm tia phase array được tạo ra bằng cách tác dụng xung lên các tinh thể đầu dò đơn lẻ hoặc nhóm tinh thể theo mô hình riêng. Thiết bị phase array sẽ tạo ra những chùm tia này dựa những thông tin mà người sử dụng nhập vào máy.

Phần mềm được hiểu như là máy tính điều khiển quá trình quét, thời gian trễ được thiết lập riêng để tác động vào từng nhóm tinh thể để tạo ra hình dạng chùm tia mong muốn thông qua việc giao thoa của sóng, có tính đến đặc tính của đầu dò và nêm đầu dò cũng như hình dạng và đặc tính âm của vật liệu kiểm tra. Các dạng sóng này khi cùng pha với nhau và ngược pha nhau tạo dạng sóng cơ bản đơn truyền qua vật liệu kiểm tra và phản xạ từ vết nứt, bất liên tục, mặt đáy và bề mặt giao với vật liệu khác giống như bất kỳ dạng sóng siêu âm thông thường khác.

Chùm tia có thể được điều khiển nhanh qua các góc, khoảng cách hội tụ và kích thước điểm hội tụ khác nhau giống như trong hệ thống đầu dò đơn để có thể kiểm tra vật liệu với các khoảng độ sâu khác nhau. Việc dịch chuyển chùm tia này diễn ra rất nhanh, do đó việc quét từ nhiều góc hay nhiều độ sâu hội tụ khác nhau có thể được thực hiện chỉ trong vài phần giây.

2.11 Tạo hình dạng chùm tia

 

Sự phản hồi của bất cứ hệ thống kiểm tra siêu là sự kết hợp của các yếu tố: biến tử đã sử dụng, lọai thiết bị đã sử dụng và chế độ cài đặt của nó, và đặc tính âm của vật liệu kiểm tra. Các đặc trưng được tạo ra bởi đầu dò phased array, giống như trong các đầu dò siêu âm dùng trong NDT khác, nó liên quan tới cả các thông số thiết kế của đầu dò như tần số, kích thước và nguyên tắc giảm chấn cơ học, và các thông số xung kích thích mà được dùng để điều khiển chùm tia.

Bốn thông số quan trọng đầu dò sẽ tác động tương hỗ với nhau khi thực hiện kiểm tra siêu âm.

Tần số -Như đề cập trong phần trước đây, tần số kiểm tra có ảnh hưởng tới chiều dài vùng trường gần và góc mở chùm tia. Trong thực tế, tần số cao hơn có thể tạo ra tỷ lệ tín hiệu/nhiễu tốt hơn so với tần số thấp vì chúng thường có khả năng hội tụ sắc nét hơn và do đó có được điểm hội tụ nhỏ hơn và tối ưu hơn. Cùng với đó, độ xuyên sâu trong bất ký vật liệu kiểm tra nào sẽ giảm đi theo sự tăng lên của tần số vì sự suy giảm âm trong vật liệu tăng lên khi tần số tăng lên. Việc áp dụng với quãng đường âm rất dài hoặc những vật liệu kiểm tra mà có trở âm hay tán xạ cao sẽ đòi hỏi sử dụng đầu dò tần số thấp hơn. Thông thường đầu dò phased array có tần số nằm trong khoảng 1 MHz tới 15 MHz.

Kích thước tinh thể - Nếu kích thước của các tinh thể riêng trong chuỗi giảm, khả năng điều khiển chùm tia của nó tăng lên. Kích thước tinh thể riêng nhỏ nhất trong các đầu dò có mặt trên thị trường thông thường khoảng 0,2mm. Tuy nhiên nếu kích thước tinh thể nhỏ hơn chiều dài một bước sóng, hiện tượng sóng âm nhiễu mạnh tại các thùy bên cạnh sẽ xảy ra.

Số lượng tinh thể - Nếu số lượng tinh thể trong chuỗi tăng lên, vùng diện tích che phủ vật lý của đầu dò và độ nhạy, khả năng hội tụ, khả năng bị điều khiển của chùm tia cũng tăng lên. Cùng với đó, việc sử dụng số lượng lớn tinh thể phải được xem xét cân đối với các vấn đề chi phí và mức độ phức tạp của hệ thống.

Bước và khẩu độ - Bước là khoảng cách giữa các tinh thể liền kề, khẩu độ là kích thước hiệu dụng của tinh thể phát xung, thông thường bao gồm một nhóm tinh thể riêng bị tác động xung đồng thời (khẩu độ ảo). Để điều khiển chùm tia trong khoảng mong muốn, bước phải chọn nhỏ. Để đạt độ nhạy tối ưu, sự mở rộng của chùm tia không mong muốn nhỏ tối thiểu, hội tụ tốt, khẩu độ phải chọn lớn. Ngày nay thiết bị phased array thông thường hỗ trợ hội tụ có khẩu độ lên tới 16 tinh thể. Một số hệ thống hiện đại cho phép khẩu độ tới 32 tinh thể hay thậm chí 64 tinh thể.

Khái niệm then chốt để có hiểu về chùm tia phased array có thể được tổng hợp như sau: nhóm các tinh thể bị tác động theo nguyên tắc hội tụ đã được lập trình trước. Điều này sẽ tạo ra đặc tính chùm tia và khẩu độ đầu dò mong muốn:

Giảm chiều dài bước và bề rộng tinh thể với số lượng tinh thể giữ nguyên	Tăng khả năng điều khiển chùm tia
Tăng khoảng cách bước hoặc tần số	Tạo ra các thùy dạng lưới không mong muốn
Tăng bề rộng tinh thể	Tạo ra các thùy bên cạnh (giống như trong UT thông thường), giảm khả năng điều khiển chùm tia
Tăng khẩu độ hoạt động bằng cách sử dụng nhiều tinh thể nhỏ với khoảng cách bước nhỏ	Tăng hệ số hội tụ (độ sắc nét của chùm tia)

2.12 Lái chùm tia

 

Như đã đề cập trong phần trước, cốt lõi của kiểm tra phased array là chùm tia mà hướng (góc khúc xạ) và khả năng hội tụ có thể điều khiển bằng điện nhờ việc thay đổi thời gian tác động trễ của từng tinh thể hay nhóm tinh thể. Việc điều khiển chùm tia này cho phép kiểm tra thực hiện từ nhiều góc và/hoặc từ nhiều điểm từ một đầu dò và một vị trí đặt đầu dò.

Theo giải thích trước đây, đặc tính của chùm tia siêu âm được xác định bởi nhiều yếu tố. Ngoài các yếu tố quyết định đến việc vận hành của đầu dò tinh thể đơn thông thường như kích thước tinh thể, tần số và giảm chấn, bản chất của đầu dò phased array còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố như: những tinh thể đơn kích thước nhỏ như thế nào được đặt trong đầu dò, kích thước tinh thể, khẩu độ hiệu dụng của nhóm tinh thể so với đầu dò tinh thể đơn thông thường tương ứng.

Với đầu dò phased array N tinh thể được nhóm lại với nhau tạo thành khẩu độ hiệu dụng mà sự mở rộng của chùm tia có thể xấp xỉ model đầu dò thông thường.

Với đầu dò phased array, góc điều khiển lớn nhất (tại -6dB) trong trường hợp nhất định được xác định được từ công thức tính góc mở chùm tia. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng các tinh thể nhỏ có góc mở chùm tia lớn hơn và do đó phần năng lượng theo góc lớn hơn, nó có thể kết hợp để việc điều khiển chùm tia lớn nhất. Khi kích thước tinh thể giảm, nhiều tinh thể hơn phải được phát xung cùng nhau để duy trì độ nhạy.

Nên nhớ rằng giới hạn thực tế các nhà sản xuất đầu dò phased array quy định rằng bề rộng tối thiểu của tinh thể đầu dò đơn là 0.2 mm, khẩu độ hoạt động của đầu dò 16 tinh thể với bề rộng 0.2 mm là 3.2 mm. Để tạo ra khẩu độ là 6.4 mm cần phải có 32 inh thể. Các đầu dò đó có khả năng điều khiển lớn nhất, khẩu độ nhỏ có thể hạn chế về vùng diện tích bị chiếu bởi chùm tia khi không dịch chuyển đầu dò, độ nhạy và khả năng hội tụ.

Khoảng điều khiển có thể được thay đổi nhiều hơn bằng cách sử dụng nêm góc để thay đổi góc tới của chùm tia đi vào không phụ thuộc vào vấn đề điều khiển điện.

2.13 Hai dạng nhiễu chùm tia

 

Một hiện tượng khác diễn ra đồng thời khi dùng đầu dò phased array là sự hình thành các thùy lưới hay thùy cạnh không mong muốn, hai hiện tượng này diễn ra tương đối gần nhau gây ra do năng lượng âm phát ra từ đầu dò mở rộng tạo các góc khác với hướng trục chính chùm tia. Hiện tượng này không chỉ xảy ra trong hệ thống phased array – sự tạo thành các thùy không mong muốn này còn diễn ra trong các đầu dò siêu âm thông thường. Trên đường đi của mình các chùm tia không mong muốn này có thể bị phản xạ từ các bề mặt phân cách trong vật kiểm tra và tạo ra các chỉ thị giả trên màn hình. Biên độ của các thùy dạng lưới này chịu tác động đáng kể bởi khoảng cách giữa các tinh thể, số lượng tinh thể, tần số và dải tần. Hướng của chùm tia trong 2 trường hợp được so sánh trong 2 hình dưới, khẩu độ đầu dò là xấp xỉ nhau, nhưng trong chùm tia hình bên trái được tạo ra bởi 6 tinh thể với khoảng cách giữa các tinh thể là 0.4 mm và chùm tia bên phải được tạo bởi 3 tinh thể với khoảng cách giữa các tinh thể là 1 mm. Chùm tia ở hình bên trái có hình dạng giống như hình nón, trong khi đó chùm tia bên hình phải có hai thùy với góc nghiêng khoảng 30⁰ so với trục chính của chùm tia.

Các thùy dạng lưới sẽ tạo ra bất cứ khi nào kích thước các tinh thể đơn trong chuỗi có bằng hoặc lớn hơn chiều dài bước sóng, và sẽ không có thùy dạng lưới khi kích thước tinh thể nhỏ hơn ½ chiều dài bước sóng. (Với các tinh thể có kích thước lớn hơn ½ chiều dài bước sóng và nhỏ hơn 1 bước sóng, việc tạo thành thùy dạng lưới sẽ phụ thuộc vào góc điều khiển). Tuy nhiên một cách đơn giản nhất để hạn chế sự tạo thành thùy dạng lưới trong trường hợp ứng dụng cụ thể là sử dụng đầu dò với khoảng cách giữa các tinh thể nhỏ. Đầu dò được thiết kết đặc biệt bằng cách gắn kết các mảnh tinh thể nhỏ (cắt các tinh thể thành các tinh thể nhỏ hơn) và thay đổi khoảng cách giữa các tinh thể sẽ làm giảm các thùy không mong muốn.

2.14 Hội tụ với đầu dò phased array

Khi biết được góc mở chùm tia, đường kính của chùm tia tại khoảng cách nào đó từ đầu dò có thể tính toán được. Trong trường hợp đầu dò phased array có dạng hình vuông hay chữ nhật, việc mở rộng chùm tia trong mặt phẳng thụ động sẽ tương tự như trong đầu dò không hội tụ. Trong mặt phẳng điều khiển hay hoạt động, chùm tia có thể điều khiểm điện để hội tụ tập trung năng lượng âm tại độ sâu mong muốn. Với đầu dò hội tụ, hướng của chùm tia có thể được thể hiện đặc trưng như hình nón có độ côn (hoặc nêm trong trường hợp hội tụ theo trục đơn), chùm tia này hội tụ tại tiêu điểm và sau đó phân kỳ với góc bằng góc hội tụ, giống như sau:

Chiều dài vùng trường gần và bản chất phân kỳ của chùm tia siêu âm được xác định nhờ khẩu độ (bằng đường kính tinh thể trong trường hợp đầu dò nguyên khối thông thường) và chiều dài bước sóng (bằng vận tốc chia cho tần số). Với đầu dò không hội tụ, chiều dài vùng trường gần, góc mở chùm tia và đường kính chùm tia có thể được tính toán theo cách sau:

Chiều dài vùng trường gần trong vật liệu cho trước còn được định nghĩa như độ sâu lớn nhất mà chùm tia có thể hội tụ. Chùm tia không thể hội tụ ở vùng xa hơn điểm cuối cùng của vùng trường gần.

Độ nhạy hiệu dụng của đầu dò hội tụ chịu ảnh hưởng bởi đường kính chùm tia tại vị trí quan tâm. Đường kính chùm tia càng nhỏ thì càng nhiều năng lượng âm sẽ bị phản xạ từ khuyết tật nhỏ. Kích thước chùm tia -6dB của đầu dò hội tụ tại điểm hội tụ có thể tính toán như sau:

Đường kính chùm tia -6 dB = 1.02Fc/fD Trong đó F = tiêu cự trong môi trường kiểm tra

Từ các công thức này có thể thấy thấy rằng đường kính tinh thể và/hoặc tần số tăng lên, góc mở chùm tia sẽ giảm đi. Góc mở chùm tia càng nhỏ thì có thể tạo ra độ nhạy hiệu dụng cao hơn trong vùng trường xa nhờ đó năng lượng chùm tia suy giảm chạm hơn. Trong vùng trường gần của nó, đầu dò có thể hội tụ để tạo chùm tia tập trung hơn với chùm tia phân kỳ. Đường kính chùm tia tại điểm hội tụ càng hẹp thì năng lượng sóng âm trên một đơn vị diện tích tại vùng hội tụ càng cao và độ nhạy với những vật phản xạ nhỏ càng tăng. Với đầu dò thông thường việc hiện hội tụ nhờ thấu kính âm khúc xạ, trong khi đó với đầu dò phased array việc hiện hội tụ là nhờ dùng tác động nhịp xung bằng điện tử và tác động hình dạng chùm tia tạo ra.

Trong trường hợp thông thường nhất đầu dò phased array có dạng đường hay vuông với các tinh thể có dạng hình chữ nhật, chùm tia sẽ hội tụ theo hướng điều khiển và sẽ không hội tụ theo các hướng khác. Kích thước khẩu độ càng tăng thì dạng hội tụ của chùm tia càng tăng, như thấy trong các dạng chùm tia dưới đây. Những vùng mầu đỏ ứng với vùng có năng lượng âm cao nhất, những vùng màu xanh da trời tương ứng với vùng có năng lượng âm thấp hơn.

2.15 Tóm tắt về sự lựa chọn đầu dò

Việc thiết kế đầu dò phased array luôn phải kết hợp giữa việc lựa chọn một phù hợp khoảng cách giữa các tinh thể, bề rộng tinh thể và khẩu độ. Việc sử dụng nhiều tinh thể nhỏ sẽ làm tăng khả năng điều khiển chùm tia, giảm các thùy bên cạnh và làm cho đầu dò hội tụ tuy nhiên có hạn chế là chi phí cao và chế tạo thiết bị phức tạp. Phần lớn các thiết bị tiêu chuẩn thông thường sẽ có khẩu độ tối đa tới 16 tinh thể. Khoảng cách giữa các tinh thể tăng lên có thể nhận thấy rằng là cách dễ dàng để có kích thước khẩu độ, tuy nhiên việc này tạo ra các thùy dạng lưới không mong muốn.

Quan trọng nhận thấy rằng các nhà sản xuất đầu dò phased array thường đề nghị cung cấp các đầu dò tiêu chuẩn mà đã được thiết kế với mục đích để tối ưu hóa việc sử dụng chúng. Việc lựa chọn đầu dò thực tế sẽ được quyết định cuối cùng theo những nhu cầu ứng dụng của nó. Trong một số trường hợp đầu dò được điều khiển theo nhiều góc sẽ được đòi hỏi với quãng đường trong kim loại nhỏ, thì kích thước khẩu độ lớn không có nhu cầu hoặc không cần thiết. Trong các trường hợp khác cần sử dụng đầu dò để có thể quét phủ diện tích lớn tìm khuyết tật tách lớp, sẽ đòi hỏi đầu dò khẩu độ lớn và quét dạng đường của từng nhóm nhiều tinh thể, ở đây việc điều khiển điện không hoàn toàn cần thiết.

Thông thường, người sử dụng có thể áp dụng các hiểu biết về UT thông thường trong việc lựa chọn tần số và khẩu độ.

Các đầu do phased array của Olympus NDT về hình dạng, bản chất và kết cấu, cũng như các phụ kiện khác như nêm, cáp được trình bày trong tài liệu catalog đầu dò phased array.

3.0 Những nét cơ bản về tạo hình ảnh

 

3.1 Giới thiệu

 

Cả thiết bị siêu âm thông thường và thiết bị phased array đầu sử dụng sóng âm tần số cao để kiểm tra cấu trúc bên trong của vật kiểm tra hoặc đo chiều dày của nó, và cả hai đều tuân theo các định luật vật lý cơ bản về truyền sóng âm như nhau. Khái niệm tương tự cũng được áp dụng trong cả hai kỹ thuật siêu âm để thể hiện dữ liệu siêu âm.

Các thiết bị siêu âm thông thường dùng trong NDT bao gồm 2 loại hoặc đầu dò tinh thể đơn thực hiện cả hai nhiệm vụ phát và nhận sóng âm tần số cao, hoặc đầu dò tinh thể kép trong đó một tinh thể phát và tinh thể kia nhận. Với thiết bị thông thường bao gồm bộ phận phát xung pha đơn và bộ phận nhận thực hiện phát và nhận tín hiệu siêu âm, với hệ thống thu thập dữ liệu số hóa tích hợp điều phối thông tin trên màn hành và hệ thống đo đạc. Trong các thiết bị tiên tiến hơn việc phát nhận đa kênh có thể được sử dụng với một nhóm đầu dò làm tăng vùng quét để đánh giá được khuyết tật ở các độ sâu khác nhau hay hướng khác nhau và hơn nữa có thể tạo âm thanh báo động với tín hiệu đầu ra. Trong các hệ thống tiến tiến hơn nữa, thiết bị siêu âm thông thường có thể được tích hợp với bộ phân mã hóa, bộ điều chỉnh và phần mềm xác định vị trí như một phần của hệ thống tạo hình ảnh.

Thiết bị siêu âm phased array là thiết bị đa kênh tự nhiên vì chúng cần tạo ra các hình thức kích thích (quy luật hội tụ) với hệ thống đầu dò có từ 16 tới 256 tinh thể. Khác với các thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường, hệ thống phased array có thể quét chùm sóng âm từ 01 đầu dò đi qua một dải các góc khúc xạ khác nhau, dọc theo đường, hoặc hội tụ ở những vị trí độ sâu khác nhau, do đó làm tăng cả mức độ linh động và khả năng khi thiết lập chế độ kiểm tra. Điều này làm tăng khả năng tạo ra nhiều đường truyền âm từ một đầu dò, tăng khả năng phát hiện khuyết tật và thông thường tăng khả năng quan sát “quan sát” khi kiểm tra bằng cách tạo ra hình ảnh vùng kiểm tra. Hình ảnh phased array giúp cho người dùng có thể thấy được sự thay đổi tương đối từ điểm này tới điểm kia và chỉ thị khuyết tật với nhiều góc, điều này có thể hỗ trợ trong việc phân biệt và xác định kích thước khuyết tật. Trong khi đó điều này có thể xem như phức tạp, nó có thể thực sự đơn giản mở rộng vùng kiểm tra cùng với tăng khả năng phát hiện khuyết tật bằng cách loại bỏ những dụng cụ phức tạp và đầu dò đa tinh thể thường được yêu cầu với bởi phương pháp kiểm tra siêu âm thông thường.

 

3.2 Dữ liệu A-scan

 

Bất cứ thiết bị siêu âm thông thường ghi lại các thông số cơ bản của xung tín hiệu như: độ lớn tín hiệu (biên độ), và khoảng thời gian từ vị trí có tín hiệu tới gốc không (thời gian truyền xung). Thời gian truyền xung thông thường liên quan tới độ sâu hay khoảng cách tới vật phản xạ, phụ thuộc vào vận tốc sóng âm trong vật liệu kiểm tra theo công thức đơn giản sau:

Khoảng cách = vận tốc x thời gian.

Các thể hiện thông tin truyền sóng âm trên màn hình phổ biến nhất là thể hiện dưới dạng A-scan, hoặc thể hiện dạng sóng, trong đó biên độ của xung và thời gian truyền được biểu diễn trên màn hình ô lưới với trục đứng mô tả biên độ và trục ngang mô tả thời gian.

 

3.3 Giá trị đơn B-scan

Một cách khác thể hiện thông tin siêu âm là dạng B-Scan dữ liệu đơn. Dạng này thường được dùng với các thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường và các thiết bị đo chiều dày ăn mòn, nó thể hiện độ sâu của vật phản hồi ứng với 2 đường chiều dày của vật. Chiều dày được thể hiện như hàm thời gian hoặc vị trí trong khi đầu dò được quét dọc theo vật để cung cấp hình dạng độ sâu của nó. Việc kết hợp giữa thông tin siêu âm với vị trí thực tế của đầu dò cho phép quan sát phần hình ảnh được biểu diễn và cho phép xác định được mối quan hệ và truy tìm thông tin dữ liệu với những vùng đặc biệt trên vật kiểm tra. Việc truy tìm vị trí thông thường được thực hiện nhờ việc sử dụng các thiết bị cơ điên được biết như bộ phân mã hóa. Những hệ thống mã hóa này được sử dụng để cố định (định vị) khi quét đầu dò thủ công hay hệ thống quét tự động nhờ bộ quét điều khiển bằng động cơ được lập trình. Trong trường hợp khác, bộ phận mã hóa ghi lại các thông tin thu thập được của vị trí ứng với dạng quét và chỉ số phân giải đã được xác lập trước bởi ngưới sử dụng.

Trong hình dưới đây, B-scan chỉ ra độ sâu của chỉ thị phản hồi ứng với vị trí vết lõm trên bề mặt mẫu kiểm tra.

3.4 C-scan

 

Một cách khác nữa là thể hiện ở dạng C-scan, các thông tin được trình bày trên màn hình dưới dạng 2 chiều (2D) về hình chiếu bằng hoặc mặt của vật kiểm tra, tương tự như cách thể hiện trong ảnh chụp x-ray. Trong màn hình C-scan màu sắc thể hiện biên độ tín hiệu hay độ sâu tại mỗi vị trí trong vật kiểm tra được ứng với vị trí đó. Với các hình chiếu mặt có thể được tạo ra trên các vật dạng tấm bằng cách xác định dữ liệu vị trí X-Y, hoặc trên các vật dạng trụ bằng cách xác định giá trị vị trí trục và góc nghiêng. Với sóng siêu âm thông thường, thiết bị quét cơ gắn với bộ mã hóa được dùng để xác định tọa độ đầu dò ứng với chỉ số phân giải mong muốn. Hình ảnh sau chỉ ra màn hình C-scan của mẫu kiểm tra trong hệ thống quét nhúng thông thường sử dụng đầu dò nhúng hội tụ.

3.5 C-scan bằng phased array

Thể hiện dạng C-scan của hệ thống phased array rất giống với hình ảnh nhận được từ đầu dò thông thường như hình trên. Tuy nhiên hệ thống phased array khác biệt là, đầu dò thường được dịch chuyển dọc theo theo 1 trục trong khi chùm tia quét điện dọc theo trục khác phụ thuộc vào chuỗi quy luật hội tụ. Biên độ hay thông số độ sâu chỉ thị được thu thập trong vùng cổng quan tâm trong phương pháp C-scan thông thường. Trong trường hợp phased array, thông tin được thể hiện ứng với quá trình hội tụ, sử dụng khẩu độ chùm tia đã được lập trình trước.

Dưới đây là sự quét trên mẫu kiểm tra được đã được trình bày ở phần trước nhưng với đầu dò phased array có 64 tinh thể sắp đặt theo dạng đường, tần số 5 MHz với nêm đầu dò thẳng. Mỗi Quy luật tạo chùm dùng 16 tinh thể để tạo thành khẩu độ, tác động xung tăng lên từng tinh thể một. Kết quả sẽ có 49 dữ liệu Quy luật tạo chùm được thể hiện dọc theo chiều dài đầu dò 37 mm (1,5”). Vì đầu dò dịch chuyển theo đường thẳng tiến lên trước, hình ảnh không gian 2 chiều C-scan sẽ hiện lên. Bộ mã hóa vị trí thông thường được sử dụng bất cứ khi nào cần lưu lại mối quan hệ hình học của hình ảnh quét với với chi tiết, mặc dù quét thủ công công có bộ mã hóa cũng có thể cho các thông tin hữu dụng trong nhiều trường hợp.

Trong khi đó độ phân giải hình ảnh của hệ thống C-scan phased array không hoàn toàn tương đương với C-scan dạng thông thường, bởi vì kích thước chùm tia hiệu dụng lớn hơn, và nhiều điều xem xét khác. Hệ thống phased array có cả loại xách tay hiện trường, trong khi đó thiết bị C-scan thông thường thì không có, và chi phí chỉ rẻ bằng khoảng 1/3. Thêm vào đó, hình ảnh phased array được hình thành chỉ trong vài giây, trong khi đó hình ảnh C-scan trong kiểm tra nhúng thông thường phải mất vài phút.

3.6 B-scan tiết diện

 

B-scan mặt cắt ngang cho ta hình ảnh hai đầu của vật kiểm tra dọc theo trục đơn. Hình ảnh này cho ta nhiều thông tin hơn so với thể hiện dưới dạng B-scan giá trị đơn như trong phần trên. Thay cho việc thể hiện giá trị đo đơn từ vùng cổng, toàn bộ dạng xung A-scan được số hóa ứng với mỗi vị trí đầu dò. Các hình quét A-scan liên tiếp được thể hiện theo trình tự thời gian hoặc vị trí đầu dò được mã hóa thực để vẽ nên hình ảnh mặt cắt ngang chính xác của đường quét. Điều này cho phép quan sát được phản hồi từ cả mặt gần và mặt xa của mẫu. Với kỹ thuật này, các thông tin dạng sóng đầy đủ thường được lưu lại với từng vị trí và có thể gọi lại hình ảnh để minh giải hoặc đánh giá chi tiết hơn.

Để đạt điều này, từ vị trí mã hóa của sóng được thể hiện bằng màu sắc tương ứng với biên độ của tín hiệu với độ sâu tương ứng.

Dạng A-scan liên tiếp được mã hóa, liên hệ với mầu sắc và độ nhô cao theo quãng thời gian được thiết lập bởi người sử dụng (trình tự thời gian hay vị trí) để tạo ra một số hình ảnh mặt cắt ngang thực.

3.7 Quét quạt thẳng với phased array (S-scan)

 

Các hệ thống phased array sử dụng quét điện tử dọc theo chiều dài của đầu dò dãy thẳng để tạo ra hình ảnh mặt cắt ngang mà không cần dịch chuyển đầu dò. Vì từng quá trình hội tụ dược xảy ra lần lượt, hình ảnh A-scan kết hợp được số hóa và vẽ ra. Các khẩu độ liên tiếp được nhô ra tạo ra hình ảnh mặt cắt ngang sống động.

Trong thực tế việc điều khiển điện được thực hiện theo thời gian thực sao cho các hình mặt cắt ngang liên tục quan sát được giống như dịch chuyển đầu dò. Thí dụ với đầu dò 64 tinh thể được bố trí theo dạng đường, người sử dụng lập trình hội tụ sử dụng 16 tinh thể để tạo khẩu độ và lần lượt kích hoạt từng tinh thể. Kết quả thu được 49 dữ liệu truyền sóng riêng để tạo thành hình ảnh mặt cắt ngang thay đổi theo thời gian dọc theo chiều dài 1.5” của đầu dò.

Nó cũng thể quét theo góc không đổi dọc theo các tinh thể. Điều này sẽ rất hưu hiệu trong kiểm tra siêu âm đường hàn tự động. Sử dụng đầu dò phased array 64 tinh thể xếp thành dãy kết hợp với nêm góc, sóng ngang có thể được tạo thành với góc được xác định trước bởi người sử dụng (thông thường là 45⁰, 60⁰ hoặc 70⁰). Với khẩu độ lần lượt dịch chuyển dọc theo chiều dài đầu dò toàn bộ dữ liệu vùng thể tích đường hàn có thể thu thập được mà không cần tăng khoảng cách tới đường tâm trục mối hàn trong khi quét. Điều này cho phép chỉ cần một lần quét dọc theo chiều dài mối hàn khi kiểm tra.

3.8 Quét quạt góc bằng phased array (S-scan)

 

Trong tất cả các dạng tạo hình ảnh đã trình bày ở trên, quét dạng quạt xiên là dạng quét duy nhất chỉ có trong thiết bị phased array. Trong quét dạng quạt thẳng, tất cả quá trình hội tụ thực hiện với góc cố định với khẩu độ dịch chuyển lần lượt. Trong quét dạng quạt xiên, thì lại khác, sự dụng khẩu độ cố định và được điều khiển lần lượt qua các góc khác nhau.

Hai dạng chính được sử dụng. Dạng quen thuộc nhất, rất thông dụng trong trong y tế, sử dụng nêm 0⁰ để điều khiển sóng dọc tạo ra hình ảnh dạng tròn để quan sát các khuyết tật tách lớp và khuyết tật với góc nghiêng nhỏ.

Dạng thứ 2 dùng nêm nhựa tăng góc chùm tia tới để tạo sóng ngang, thông thường góc khúc xạ nằm trong khoảng từ 30⁰ tới 70⁰. Kỹ thuật này tương tự như kiểm tra siêu âm bằng tia chiếu xiên thông thường, nhưng khác biệt ở chỗ trong thiết bị phased array chùm tia được điều khiển đi qua một dải các góc nghiêng khác nhau trong khi đó thiết bị siêu âm thông thường chỉ đi qua góc nghiêng cố định được xác định bởi nêm đầu dò. Cũng giống như quét dạng quạt thẳng, hình ảnh trong quét dạng quạt xiên cũng là hình ảnh mặt cắt của vùng kiểm tra trên vật kiểm tra.

Việc tạo thành hình ảnh thực tế dựa trên cùng nguyên tắc xuất hiện A-scan mà đã được ở phần quét dạng quạt thẳng ở phần trên. Nhưng vấn đề quan trọng là người dùng phải xác định được góc bắt đầu, góc kết thúc và độ phân giải từng bước để tạo ra hình ảnh dạng quạt. Bạn sẽ thấy rằng khẩu độ sẽ giữ nguyên không đổi, với mỗi góc xác định tạo ra chùm tia tương ứng với các đặc tính xác định bởi khẩu độ, tần số, giảm chấn và điều tương tự. Dạng truyền sóng tương ứng với mỗi góc được mã hóa và vẽ ra mối quan hệ về mầu sắc với mỗi góc tương ứng phù hợp, dựng nên hình ảnh mặt cắt ngang.

Trong thực tế quét dạng quạt được tạo ra theo thời gian thực sao cho các hình ảnh liên tục hiện ra giống như dịch chuyển đầu dò. Điều này rất hữu hiệu để quan sát các khuyết tật và tăng khả năng phát hiện khuyết tật, đặc biệt với các khuyết tật có hướng ngẫu nhiên, vì nhiều góc kiểm tra có thể dùng cùng lúc.

3.9 Các dạng hình ảnh kết hợp

 

Các hình ảnh phased array là rất mạnh về khả năng cho ta quan sát được dữ liệu thể tích theo thời gian thực. Thông qua quá trình quét điện, hình ảnh trở nên thực theo thời thực và nó được dùng trong cả hệ thống siêu âm thủ công và tự động để tăng khả năng phát hiện khuyết tật. Đặc biệt trong hệ thống siêu âm tự động và nhiều thiết bị siêu âm phased array có khả năng, khả năng thể hiện các dạng nhiều hình ảnh và lưu lại toàn bộ thông tin dạng sóng của toàn bộ quá trình kiểm tra, cho phép phân tích kết quả kiểm tra sau khi quét. Bởi vì tất cả các dạng sóng siêu âm đều được thu thập, việc phân tích sau có khả năng cho phép tái tạo được dạng quét quạt, C-scan và hoặc B-scan với các thông tin A-scan tương ứng với từng vị trí kiểm tra. Trong ví dụ dưới đây, màn hình phía dưới đây trình bày mô phỏng dạng sóng A-scan chỉnh lưu, dạng B-scan hình chiếu mặt cắt ngang, và hình ảnh dạng quét C-scan của các khuyết tật dạng kẹt xỉ trong đường hàn. Bên cạnh đó là hình ảnh trên phim chụp phóng xạ khuyết tật và màn hình siêu âm TOFD, cùng với mặt cắt ngang của mối hàn khuyết tật.

4.0 Thiết bị đa biến tử

4.1 Khái quát

 

Có nhiều loại đầu dò phased array khác nhau có mặt trên thị trường. Trong đó các dạng đầu dò tinh thể xếp thành hàng nhất định là loại phổ biến nhất được sử dụng với hình dạng đầu dò theo sự yêu cầu của khách hàng với số lượng tinh thể cao và sự thay đổi vị trí tinh thể cũng sẵn có. Thông thường đầu dò được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng cần thiết để quét được toàn bộ thể tích với tốc độ cao và/hoặc điều khiển chùm tia phức tạp. Để đáp ứng các yêu cầu này, có nhiều loại thiết bị phased array với mức độ khác nhau hiện có mặt trên thị trường và thường được phân thành 3 nhóm: thiết bị thủ công xách tay hiện trường, thiết bị tự động xác tay hiện trường và dụng cụ lắp trên giá dùng kiểm tra dây truyền.

4.2 Sơ đồ khối của thiết bị

Yêu cầu cơ bản trong các thiết bị phased array là phải có khả năng định ra nhóm các tinh thể xác định được lập trình thời gian trễ phát xung và nhận xung thông thường tương ứng với quy luật hội tụ. Hình ảnh của các dạng thiết bị được tạo ra bởi sự tác động lần lượt các quy luật hội tụ với thời gian trễ phát và nhận xung khác nhau ngang qua cùng khẩu độ, hoặc sự kết hợp theo cùng quy luật từng bước trên từng khẩu độ.

Trong khi phát xung, kích hoạt điện được chuyển tới bộ phát xung với thời gian trễ lần lượt yêu cầu để có được dạng chùm tia mong muốn. Trong quá trình nhận xung, các xung tín hiệu được số hóa và tạo chễ phù hợp với quy luật hội tụ và được tổng hợp lại để tạo xung RF đơn. Dạng sóng này sau đó được khuếc đại, lọc như yêu cầu, số hóa, xử lý và lưu lại. Khi trình tự các quá trình hội tụ được hoàn tất, hình ảnh mô phỏng hóa dọc được kết hợp với dạng quét A-scan và các giá trị đo. Trong quét dạng đường, nhóm các tinh thể từng bước được tác động qua bộ trộn kênh để giảm chi phí và giảm độ phức tạp điện.

 

4.3 Các đặc tính kỹ thuật quan trọng

 

4.3.1 Thiết bị siêu âm thông thường

 

Khi đánh giá thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường, số lượng các đặc tính kỹ thuật thường được định rõ. Các đặc tính kỹ thuật này thường được phân chia với các thiết bị phased array. Không phải tất cả các thiết bị được liệt kê dưới đây đều có trong tất cả các thiết bị.

Bộ phát phát xung và thu xung:

Phần lớn được định rõ trong dải hoạt động của đầu dò mà có thể được dùng với thiết bị:

Đo và Hiển thị:

Các thông số xác định mô hình hiển thị và đo đạc chung của máy siêu âm là:

· Số lượng cộng đo/báo động

· Mô hình hiển thị A-Scan: Bộ chỉnh lưu (chỉnh lưu toàn phần RF, toàn sóng, nửa sóng), giá trị cực đại, giá trị hỗn hợp, giá trị trung bình, hố lõm, chỗ đắp và bộ nhớ cực đại

· Dải

· Độ phân giải đo

· Các dạng đo (như quãng đường âm, độ sâu, khoảng cách từ mặt trước đầu dò, giá trị dB, giá trị dB tới đường cong .v.v..)

· Mô hình hiển thị B-San giá trị đơn (không có trong phần lớn các thiết bị siêu

Các phương pháp xác định chiều dài khuyết tật:

Có nhiều qui phạm và tiêu chuẩn phát hiện khuyết tật khác nhau đã được phát triển và đang được thực hiện để xác định các khuyết tật khác nhau. Những tiêu chuẩn và Code này áp dụng để kiểm tra đường hàn cũng như các cấu trúc kim loại và tổng hợp khác nhau. Các qui trình kiểm tra nhất định yêu cầu phải tuân theo qui phạm riêng. Những thiết bị khác nhau sẵn có hiện nay từ thiết bị siêu âm khuyết tật kỹ thuật số thông thường tới các thiết bị tự động và ghi đều đòi hỏi tuân theo các qui phạm này.

Dữ liệu đầu vào và đầu ra:

Thông thường để chỉ ra làm thế nào thiết bị có thể được dùng với các thiết bị bên ngoài và/hoặc phần mềm-

· Số lượng và dạng thông tin báo động đầu ra

· Cổng USB để in, lưu hoặc truyền thông tin

· Bộ mã hóa đầu vào sẵn có để kết nối dữ liệu vị trí với máy

Bộ kích hoạt đầu vào để điều khiển bộ phát xung từ bên ngoài và chu trình thu nhận tín hiệu.

4.3.2 Thiết bị siêu âm phased array

 

Bởi vì các thiết bị phased array có tính chất đa biến tử, nên có thêm những đặc tính kỹ thuật bổ xung mà cần được cân nhắc và xem xét kỹ hơn.

Số bộ phát xung: sẽ xác định số lượng biến tử tối đa mà có thể nhóm lại tạo thành khẩu độ hoạt động hoặc khẩu độ đầu dò ảo.

Số bộ nhận xung: sẽ xác định tổng số các biến tử mà có thể được sử dụng để lần lượt từng khẩu độ kích hoạt dẫn tới tăng vùng quét từ một vị trí đặt đầu dò.

XX:YY: tên quy ước được dùng trong đó XX = Số bộ phát xung và YY = số đường thu xung. Số lượng bộ nhận xung luôn lớn hơn hoặc bằng số bộ phát xung. Các thiết bị phased array có tỷ lệ XX:YY từ 16:16 tới 32:128 sẵn có trong nhóm bộ các thiết bị xách tay hiện trường. Việc kết hợp số bộ nhận xung và phát xung cao hơn cũng sẵn có trong thiết bị kiểm tra dây chuyền và /hoặc các hệ thống sử dụng các đầu dò với số lượng tinh thể lớn hơn.

Số Quy luật tạo chùm: là số lượng các Quy luật tạo chùm mà có thể được kết hợp để tạo thành hình ảnh được quy định trước. Nói chung, các thiết bị có tỷ lệ XX:YY cao hơn có thể hỗ trợ cho nhiều Quy luật tạo chùm hơn vì chúng cần khẩu độ các tinh thể lớn hơn và/ hoặc từng bước khẩu độ lớn hơn khi quét theo dạng đường. Ghi nhớ rằng nhiều Quy luật tạo chùm không phải lúc nào cũng có nghĩa là nhiều chức năng. Ví dụ khi sử dụng đầu dò 64 tinh thể thực hiện quét dạng quạt 3 lỗ khoan cạnh với góc khúc xạ từ 40⁰ tới 70⁰, so sánh cách điều khiển quét 10 (30 Quy luật tạo chùm), 20 (15 Quy luật tạo chùm) và 40 (7 Quy luật tạo chùm) với quãng đường truyền 2 inch (50 mm) trong kim loại. Trong khi hình ảnh sẽ rõ nét bơn một chút khi tăng góc từng nấc nhỏ, khả năng phát hiện với độ phân giải thấp là đủ. Trừ khi đường kính của chùm tia giảm mạnh khi hội tụ, kích thước hình ảnh sẽ không thay đổi mạnh như thế.

Ví dụ số lượng Quy luật tạo chùm yêu cầu để thực hiện quét dạng đường với sự thay đổi kết hợp của khẩu độ đầu dò ảo và số lượng tinh thể tổng được chỉ trong bảng dưới đây:

Từ bảng ở trên ta thấy rằng với thiết bị XX:YY là 16:16 được sử dụng với đầu dò 16 biến tử có thể chỉ cần yêu cầu 30 Quy luật tạo chùm trong khi đó cấu hình thiết bị loại 16:128 hay 32:128 dùng trong mô hình quét dạng đường với đầu dò 128 tinh thể có thể yêu cầu tới 128 Quy luật tạo chùm.

 

Tốc độ cập nhật hiển thị/PRF: các thiết bị có thể khác nhau rất lớn về cập nhật thông tin trên màn hình trong các mô hình tạo ảnh khác nhau. Với các mô hình tạo ảnh phased array:

PRF : Số Quy luật tạo chùm = Tốt độ hiển thị hình ảnh tối đa

Ví dụ 4 Quy luật tạo chùm khi quét dạng đường với trình tự cập nhật hiển thị hình ảnh 60Hz được chỉ ra dưới đây để hiểu khái niệm hóa.

Tốc độ hiển thị hình ảnh thực tế có thể bị tác động bởi các thông số khác nhau. Tốc độ thay đổi hình ảnh dạng quét A-scan với Quy luật tạo chùm đơn sẽ thay đổi theo thiết bị. Trong một số thiết bị, tốc độ PRF với dạng quét A-scan được giới hạn bởi tốc độ cập nhật hình ảnh tối đa, mặc dù nó chỉ ra rằng với hình ảnh phased array hoặc ngay cả khi tối đa với dạng quét A-scan. Với lý do này, trong một số áp dụng nó có thể là quan trọng để đánh giá PRF A-scan khi được suy ra từ trình tự Quy luật tạo chùm trong các mô hình hiển thị hình ảnh khác nhau.

Nhận dạng đầu dò: Khả năng nhận dạng đầu dò phased array làm giảm thời gian chuẩn máy của người sử dụng bằng cách thiết lập cấu hình tự động khi cài đặt thiết bị với số lượng tinh thể và hình dạng đầu dò phù hợp.

Các dạng hình ảnh: các dạng quét đường và quạt là các dạng đặc trưng trong các thiết bị phased array. Khả năng hiển thị các dạng hình ảnh này tạo ra biên độ và độ sâu C-scan cho phép các hình ảnh phẳng được tạo thành và mở rộng ra để xác định kích thước khuyết tật.

Lưu lại dạng sóng: Khả năng lưu lại các dạng sóng thô (RF) thô cho phép dữ liệu được xem xét ngoại vi. Điều này đặc biệt hữu dụng khi thu thập thông tin trên vùng diện tích lớn.

Hỗ trợ nhiều nhóm: Nhiều thiết bị phased array có khả năng cho phép quét thành nhóm nhiều Quy luật tạo chùm được lần lượt hình thành trên 1 hay nhiều đầu dò. Điều này sẽ đặc biệt hữu hiệu trong các trường hợp ở đó cần phải thu thập đầy đủ thông tin dữ liệu để phân tích xử lý bên ngoài. Ví dụ: đầu dò 64 tinh thể, 5MHz có thể lập trình để sử dụng các tinh thể 1-16 với quét dạng quạt từ 40 tới 70⁰, trong khi nhóm quét thứ 2 có thể được dùng để thực hiện quét dạng đường 60⁰ với khẩu độ 16 tinh thể, kích hoạt từng bước 1 tinh thể 1 tới khi kích hoạt hết tồn bộ chiều dài 64 tinh thể.

Bộ mã hóa: có 2 nhóm thiết bị thông thường sẵn có: thiết bị thủ công và thiết bị được gắn bộ mã hóa định vị tự động.

Thiết bị phased array thủ công làm việc gầ giống như thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường vì nó cung cấp dữ liệu theo thời gian thực. Dọc theo màn hình hiển thị A-scan, dụng cụ còn chỉ ra các hình ảnh hiện thị S-scan hay các hình ảnh quét dạng đường, các hình ảnh này có thể hỗ trợ cho việc phát hiện và phân tích khuyết tật. Khả năng có dùng và quan sát nhiều hơn 1 góc tại mỗi thời điểm kiểm tra có thể là lý do chính để sử dụng thiết bị loại này. Trong một số trường hợp như xác định kích thước khuyết tật nứt, hình ảnh có thể được dùng như công cụ để hỗ trợ xác định kích thước độ sâu nứt.

Với thiết bị phased array có gắn bộ mã hóa định vị trên cùng mặt phẳng với đầu dò, các dữ liệu vị trí, hình dạng đầu dò và trình tự Quy luật tạo chùm được lập trình cho phép nhận nhận được các hình ảnh chiếu bằng từ đỉnh, đáy và cạnh của mẫu kiểm tra. Trong những thiết bị này còn lưu giữ đầy đủ thông tin về dạng sóng, các hình ảnh có thể tái hiện được để tạo ra các hình chiếu mặt cắt dọc theo chiều dài đường quét hoặc tạo lại những mặt chiếu bằng C-scan tại các vị trí độ sâu khác nhau. Các hình ảnh từ thiết bị này cho phép xác định được kích thước phẳng của các khuyết tật.

Các con trỏ tham chiếu: Trên các thiết bị sẽ cung cấp các con trỏ khác nhau mà có thể được dùng trên hình ảnh để xác định kích thước trực tiếp. Trong dạng quét hình quạt, có thể dùng các con trỏ để đo chiều cao của vết nứt. Xác định kích thước khuyết tật tương ứng có thể được đo trên các hình quét C-scan của thiết bị quét đường có gắn bộ mã hóa định vị.

 

4.3.2 Các phương pháp hiệu chuẩn và chuẩn hóa

 

Phương pháp hiệu chuẩn: Phương pháp hiệu chuẩn đầu dò phased array có thể khác nhau. Vì dạng chùm tia phụ thuộc vào thời gian trễ và nhóm các biến tử khác nhau, điều quan trọng là phải chuẩn hóa được tính hiệu từ từng Quy luật tạo chùm, bù lại sự thay đổi độ nhạy từ tinh thể này sang tinh thể khác trong đầu dò phased array và cả sự thay đổi độ suy giảm do nêm đầu dò và hiệu suất truyền năng lượng tại các khúc xạ khác nhau. Việc hiệu chuẩn thời gian kích hoạt trễ và độ nhạy của đầu dò góc trong trình tự toàn bộ quá trình kiểm tra không chỉ cung cấp hình ảnh rõ ràng để quan sát, mà còn cho phép đo và xác định kích thước từ bất kỳ Quy luật tạo chùm nào. Trong khi thiết bị của Olympus NDT cho phép hiệu chuẩn toàn bộ, nhiều thiết bị khác chỉ cho phép hiệu chuẩn 1 lần 1 Quy luật tạo chùm.

TVG/DAC cho thiết bị phased array: Để xác định kích thước khuyết tật, các kỹ thuật biên độ của A-scan sử dụng các đường DAC hoặc hiệu chỉnh biên độ theo khoảng cách thường được dùng. Những phương pháp này có tính đến tác độ suy giảm của vật liệu và mở rộng chùm tia bằng đường bù đắp độ khuyếch đại (TCG) hoặc vẽ đường so sánh dựa trên lỗ phản xạ có cùng kích thước với các khoảng cách khác nhau. Khi hiệu chuẩn độ nhạy, một số thiết bị cho phép đường TCG được xây dựng tại nhiều vị trí trên toàn bộ các Quy luật tạo chùm định trước. Trong các thiết bị này, màn hình có thể chuyển từ đường TCG sang đường cong DAC bất cứ thời điểm nào. Điều này cho phép sử dụng đường cong DAC để xác định kích thước tại các góc khác nhau khi quét dạng quạt hoặc tại bất cứ khẩu độ ảo nào trong quét dạng đường.

 

4.3.3 Sự kết hợp thiết bị siêu âm thông thường và thiết bị Siêu âm Phased array

 

Một số thiết bị phased array cũng được trang bị kênh siêu âm thông thường để hỗ trợ người kiểm tra khi sử dụng đầu dò tinh thể đơn. Điều này quan trọng để hiểu chức năng kênh thông thường này hoạt động như thế nào.

Bộ tạo xung: Do kích thước của các tinh thể phased array nhỏ, và ảnh hưởng tạo ra do tác động giao thoa giữa các tinh thể làm cho độ nhạy cao hơn, các bộ phát xung của đầu dò phased array thông thường được giới hạn là 100 volt. Thông thường các nhà cung cấp sử dụng bộ tạo xung phased array giới hạn này giống như bộ tạo xung trong đầu dò siêu âm thông thường. Điều này có thể rất hạn chế khi áp dụng kiểm tra sử dụng quãng đường truyền âm dài hay với những vật liệu trở âm cao, đặc biệt khi sử dụng ở tần số bằng hoặc nhỏ hơn 2.25 MHz.

Hỗ trợ tạo ảnh: Trong khi có một số thiết bị phased array hiển thị hình ảnh dạng quét A-scan, B-scan, C-scan và quét dạng quạt, điều này không có nghĩa một số thiết bị siêu âm thông thường sẽ cần kết hợp trong bất cứ hình ảnh nào. Nhiều thiết bị có khả năng cho phép hiển thị dạng quét mặt cắt B-scan theo thời gain với việc lưu lại dạng sóng trên cạnh thông thường. Một số thiết bị khác còn có khả năng tạo giao diện với các đầu dò thông thường có gắn 1 hoặc 2 trục bộ quét định vị số hóa cho phép xác định chính xác vị trí trên màn hình B-scan và C-scan tương ứng. Tất nhiên dạng quét quạt chỉ được hiển thị khi sử dụng thiết bị phased array.

Trong hình dưới đây, thiết bị kết hợp phased array/ siêu âm thông thường đang làm việc theo mô hình thông thường, thực hiện hiển thị dạng quét B-scan cho đường ống bị ăn mòn với đầu dò tinh thể kép nằm trong thiết bị quét tay có gắn bộ định vị số hóa.

5.0 Phân tích chi tiết sự hiển thị của kỹ thuật phased array

 

5.1 Phân tích chi tiết sự hiển thị của kỹ thuật phased array

 

Trong phần này cung cấp cho ta những cái nhìn sâu sắc hơn về làm sao mà hình ảnh phased array được tạo thành. Thực tế, để giải thích được rõ ràng điều này cần có các thông tin đầu vào, mối quan hệ giữa các dạng hiển thị phased array khác nhau ứng với đầu dò thực tế được gắn với thiết bị và loại chi tiết kiểm tra. Chúng ta sẽ còn giải thích được tại sao dạng hiện thị dạng quét A-scan đi kèm với hình ảnh của thiết bị phased array.

Những thông tin cần xem xét để có phương pháp kiểm tra phù hợp

Như đã bàn ở phần trước, có nhiều yếu tố cần được xác định để thực hiện kiểm kiểm tra siêu âm cho phù hợp. Tổng hợp lại, những thông tin này bao gồm tính chất của vật liệu kiểm tra và đặc điểm của đầu dò cần thiết khi hiệu chuẩn thiết bị để có phương pháp kiểm tra phù hợp.

Vật liệu:

1. Vận tốc của vật liệu kiểm tra cần được cài đặt cho thiết bị để độ sâu đo chính xác. Chú ý cần chọn lựa dạng vận tốc sóng phù hợp (sóng dọc hoặc sóng ngang). Cần phải nhắc lại rằng, kiểm tra siêu âm tia chiếu thẳng thông thường dùng sóng dọc (sóng nén) trong khi đó kiểm tra chùm tia chiếu xiên thường dùng sóng ngang (sóng trượt).

2. Thông tin chiều dày của chi tiết kiểm tra thường phải được nhập vào. Điều này đặc biệt hữu hiệu trong kiểm tra dùng tia chiếu góc. Nó cho phép đo được đúng độ sâu ứng với số bước nhảy khi sử dụng tia chiếu góc.

3. Bán kính cong của vật cũng nên được xem xét cài đặt khi kiểm tra các chi tiết không có dạng phẳng. Cung cong này có thể được tính dưới dạng thuật toán để đo chiều sâu chính xác hơn

Đầu dò:

1. Tần số đầu dò phải biết trước để cho phép cài đặt các thông số bộ phát xung và bộ lọc tín hiệu nhận cho phù hợp.

2. Độ lệch gốc (zero offset) phải được thiết lập để bù lại trễ điện và trễ cơ tạo thành từ quá trình kết nối, lệch lớp, do cáp và do điện tạo thành trễ với các giá trị chiều dày thích hợp.

3. Biên độ tín hiệu từ những vật phản xạ biết trước phải được thiết lập và sẵn có khi so sánh để sử dụng các kỹ thuật xác định kích thước theo biên độ.

4. Góc của chùm tia khi đi vào trong vật liệu kiểm tra.

5. Với các đầu dò phased array, số lượng tinh thể và khoảng cách giữa các tinh thể cần phải biết trước.

Nêm đầu dò:

1. Vận tóc sóng âm khi truyền trong nêm.

2. Góc đi vào nêm

3. Chỉ số chùm tia của đầu dò (beam index point) hay mặt trước đầu dò so sánh.

4. Độ lệch chiều cao của tinh thể đầu tiên trong nêm dò phased array.

Trong kiểm tra siêu âm thông thường, tất cả các các bước ở trên phải được ưu tiên thực hiện để đạt được các kết quả mong muốn. Trong đầu dò tinh thể đơn khẩu độ là cố định, việc lựa chọn góc đầu dò, chuẩn lệch gốc và chuẩn biên độ là đặc thù riêng cho từng đầu dò đơn hay tổ hợp đầu dò/nêm đầu dò. Mỗi khi thay đổi đầu dò hay nêm đầu dò, việc chuẩn lại hệ thống phải được thực hiện.

Khi sử dụng đầu dò phased array, người dùng cũng sẽ phải tuân theo những nguyên tắc này. Ưu điểm chính của kiểm tra phased array là có khả năng thay đổi khẩu độ, tiêu điểm, và hoặc góc chiếu, đặc biệt cho phép dùng nhiều đầu dò cùng lúc. Điều này dẫn đến các yêu cầu bổ xung về phạm vi cài đặt và hiệu chuẩn phải được thực hiện cho từng trạng thái đầu dò phased array (thông thường liên quan tới Quy luật tạo chùm). Điều này không chỉ cho phép đo được chính xác biên độ và độ sâu khi trình tự quét được lập trình toàn bộ, mà còn cho ta quan sát được chính xác và chi tiết hình ảnh tự nhiên được tạo ra nhờ thiết bị phased array.

Một trong những khác biệt lớn nhất giữa kiểm tra bằng siêu âm thông thường và phased array là góc chùm tia kiểm tra. Với UT thông thường, việc nhập không chính xác góc nêm đầu dò hoặc vận tốc sóng trong vận liệu sẽ dẫn đến sai sót trong xác định vị trí khuyết tật, nhưng với quá trình truyền sóng cơ bản (từ nay về sau hiểu như hiển thị quét A-scan) không bị ảnh hưởng, vì nó phụ thuộc chỉ vào khúc xạ cơ học. Nhưng dù sao khi kiểm tra phased array, những thông tin đầu vào như vận tốc trong vật liệu và nêm dọc theo đầu dò và các thông số của nêm cần độ chính xác để có được những Quy luật tạo chùm phù hợp, để điều khiển quét điện đi qua các góc khúc xạ mong muốn và tạo được các hình ảnh nhạy. Trong một số thiết bị hiện đại hơn, có các thiết bị phụ trợ nhận diện đầu dò tuyền tự động các thông tin cơ bản của đầu dò phased array kho dữ liệu và sử dụng kho dữ liệu được tổ chức tốt này để quản lý việc lựa chọn thông số đầu dò.

Những giá trị sau cũng thường phải được nhập vào để phục vụ việc lập trình quét phased array:

Thông số đầu dò:

o Tần số

o Dải tần

o Kích thước

o Số tinh thể và khoảng cách giữa các tinh thể.

Thông số nêm đầu dò:

o Góc tới của nêm đầu dò

o Vận tốc truyền sóng mặc định trong nêm

o Độ lệch Z = chiều cao tới tâm của tinh thể đầu tiên

o Chỉ số lệch X=khoảng cách từ phía đầu của nêm tới tinh thể đầu tiên

Độ lệch quét Y= khoảng cách từ cạnh của nêm tới tâm của tinh thể

5.2 Thiết lập thời gian trễ quét

 

Để có được đầy đủ các ưu điểm của kỹ thuật quét phased array dạng đường, thông thường đầu dò phải có tối thiểu 32 tinh thể được sử dụng. Thường sử dụng đầu dò 64 tinh thể. Càng nhiều tinh thể thì cho phép dùng khẩu độ lớn quét từng bước dọc theo đầu dò, tạo ra độ nhạy lớn hơn, tăng khả năng hội tụ và diện tích vùng quét lớn hơn khi kiểm tra. Thiết bị cần phải được nhập các thông tin đặc tính cơ bản của đầu dò và của nêm, có thể nhập thủ công hoặc sử dụng bộ phận nhận diện đầu dò tự động. Cũng giống như thiết bị UT thông thường phải cài đặt bộ phát xung, bộ nhận xung và thiết lập cổng đo, ngoài ra người sử dụng thiết bị phased array còn phải nhập các thông tin đặc tính điều khiển điện (chế độ quét theo mặt) và chùm tia phát ra.

Những thông tin đầu vào yêu cầu:

o Vận tốc sóng âm trong vật liệu

o Chất lượng tinh thể (số lượng tinh thể sử dụng để tạo khẩu độ của đầu dò)

o Tinh thể đầu tiên được dùng để quét

o Tinh thể cuối cùng trong đường quét điện

o Trình tự bước kích hoạt tinh thể (chỉ rõ khẩu độ được dịch chuyển dọc theo đầu dò như thế nào)

o Độ sâu hội tụ mong muốn, độ sâu này phải được cài đặt nhỏ hơn chiều dài vùng trường gần (N) để tạo hội tụ hiệu quả.

o Góc kiểm tra

5.3 Quét với chùm tia thẳng

 

Quét dạng đường chùm tia chiếu thẳng thường dễ hình dung trên màn hình bởi vì hình quét thông thường thể hiện hình chiếu mặt cắt ngang đơn giản của vật kiểm tra. Như trong mô tả trong Phần 2.1.3.7, hệ thống phased array sử dụng quét điện dọc theo chiều dài của đầu dò phased array tinh thể theo dạng đường tạo ra dạng hình chiếu mặt cắt ngang mà không cần dịch chuyển đầu dò. Các Quy luật tạo chùm được quét lần lượt, các hình ảnh hiển thị A-scan kết hợp được số hóa và vẽ lên. Các khẩu độ lần lượt được kích hoạt xung điện để tạo ra hình chiếu mặt cắt ngang sống động. Tác động đó tương tự như hình hiện thị dạng quét B-scan được tạo thành do sự dịch chuyển đầu dò tinh thể đơn dọc theo mẫu kiểm tra và lưu dữ liệu sau các chu kỳ thời gian chọn trước.

Trong thực tế, quá trình quét điện được thực hiện theo thời gian thực nên mặt cắt ngang của chi tiết có thể quan sát được liên tục giống như đầu dò được dịch chuyển. Hình ảnh mặt cắt ngang thực tế thể hiện độ sâu thực của vật phản xạ trong vật liệu cũng như vị trí chính xác của vật phản xạ tới phía trước của hệ thống đầu dò. Dưới đây là hình ảnh các lỗ trong mẫu kiểm tra được tạo thành khi sử dụng đầu dò phased array 5L64-A2, 64 tinh thể 5 MHz, tinh thể bố trí theo dạng đường. Đầu dò có khoảng cách giữa các tinh thể là 0.6mm.

Trong thí dụ này, người sử dụng lập trình tạo Quy luật tạo chùm sử dụng 16 tinh thể để tạo khẩu độ và lần lượt kích hoạt xung từng tinh thể một. Do đó khẩu độ 1 sẽ bao gồm các tinh thể từ 1 tới 16, khẩu độ 2 gồm tinh thể từ 2 tới 17, khẩu độ 3 từ tinh thể 3 tới 18, và cứ như vậy. Kết quả có 49 dạng sóng riêng được tạo thành do sự kích hoạt xung lần lượt vào các khẩu độ để nhận được hình chiếu mặt cắt thời gian thực dọc theo chiều dài đầu dò.

Kết quả hình ảnh nhận được chỉ ra rõ ràng vị trí tương đối của các lỗ trong vùng quét, dọc theo đó là hình hiển thị dạng sóng A-scan ứng với một khẩu độ được chọn. Trong trường hợp hình A-scan này ứng với khẩu độ thứ 29 trong số 49 khẩu độ được tạo thành từ các tinh thể từ 29 tới 45 được hiển thị bởi con chuột mầu xanh được người sử dụng điều khiển. Đây là vị trí chùm tia va vào lỗ khoan thứ 2.

Trục đứng nằm tại biên trái của màn hình chỉ ra độ sâu hay khoảng cách tới lỗ phản xạ được thể hiện bởi giá trị đỉnh xung trên màn hình A-scan. Trục ngang của màn hình A-scan chỉ ra biên độ xung tương ứng. Trục ngang nằm phía dưới hình quét cho biết vị trí vật phản xạ ứng với bề mặt đặt đầu dò, trong khi đó trục màu sắc nằm bên phía phải màn hình liên quan tới màu sắc hình ảnh ứng với biên độ của chỉ thị.

Xen kẽ, thiết bị có thể được cài đặt để hiển thị tất cả hình ảnh A-scan, là hình ảnh kết hợp của các dạng sóng từ tất cả các khẩu độ. Trong trường hợp này, hình ảnh a-scan bao gồm chỉ thị từ tất cả 4 lỗ khoan nằm trong vùng đặt cổng. Điều này đặc biệt hiệu quả khi kiểm tra bằng đầu dò thẳng (0⁰), tuy nhiên có thể cũng gây khó khăn khi thực hiện kiểm tra vật có hình dạng phức tạp mà tạo thành nhiều xung. Trong thí dụ phía dưới, 3 màn hình đầu tiên chỉ ra hình ảnh A-scan mô tả dạng sóng từ từng khẩu độ đầu dò ảo trong khi quét, mỗi màn hình ứng với vị trí chùm tia quét qua tâm của lỗ so sánh.

Trong màn hình thứ 4 thể hiện tất cả hình quét A-scan trong đó tín hiệu từ tất cả các khẩu độ được tổng hợp lại, do đó chỉ ra tất cả các chỉ thị từ 3 lỗ đồng thời.

Thậm trí mô hình quét A-scan khác trong một số thiết bị tiên tiến còn cho phép màn hình A-scan được nhận từ tín hiệu đầu tiên hoặc lớn nhất trong vùng cài đặt cổng.

5.4 Quét với chùm tia góc thẳng

Quét thành đường có thể còn được lập trình theo góc xiên cố định, nó giống như chùm tia từ đầu dò góc tinh thể đơn đơn thông thường. Chùm tia góc này sẽ quét dọc theo chiều dài của đầu dò, cho phép người sử dụng kiểm tra với vật liệu có bề rộng lớn hơn mà không cần dịch chuyển đầu dò. Điều này có thể giảm bớt thời gian kiểm tra, đặc biệt khi áp dụng để kiểm tra đường hàn.

Trong thí dụ trên, chùm tia được quét ngang qua vật kiểm tra với góc 45⁰, va phải từng lỗ trong ba lỗ khi nó dịch chuyển. Chỉ số của chùm tia, là điểm mà từ đó năng lượng sóng âm đi ra khỏi nêm, điểm phát này dịch chuyển từ trái sang phải theo từng Quy luật tạo chùm. Màn hình A-scan hiển thị tại mỗi thời điểm ứng với dạng xung từ khẩu độ nhất định.

Với bất cứ góc quét nào cũng không liên quan tới chiều dày vật liệu, chỉ cần xem xét tới vị trí thực tế của vật phản xạ nằm trong vùng chân quét đầu tiên, vùng giới hạn bởi vị trí chùm tia phản xạ lần đầu từ đáy của vật kiểm tra. Đây thường là thông số trong kiểm tra những vật dạng ống hay tấm. Trong trường hợp dưới đây, vì chùm tia được quét từ trái sang phải, một phần chùm tia từ tâm đầu dò phản xạ tại đáy của tấm thép và va vào lỗ so sánh trên vùng chân quét thứ 2.

Màn hình hiển thị được cài đặt để thấy đươc đường thẳng đứng chỉ ra vị trí cuối cùng tương đối của bước chân quét đầu tiên và vị trí cuối cùng của chân thứ 2 trên màn hình. Do đó, chỉ thị lỗ này nằm trong vùng giữa đường đứng thứ 2 và đường đứng thứ nhật, được xác định như nằm trong chân quét thứ 2. Chú ý rằng trục độ sâu nằm bên mép trái của màn hình thực tế chỉ chính xác khi nằm trong chân đầu tiên, để sử dụng được trục này cần thiết phải giá trị đó trừ đi chiều dày của vật kiểm tra (trong trường hợp này là 25 mm) để xác định độ sâu của chỉ thị nằm trong vùng cân thứ 2, hoặc trừ đi hai lần chiều dày vật kiểm tra khi chỉ thị nằm trong vùng chân thứ 3. Phần lớn các thiết bị có khả năng thực hiện tự động việc này và thể hiện kết quả như trong Phần 5.6

5.5 Thiết lập thứ tự quét

 

Được thực hiện tương tự như cài đặt quét dạng đường như mô tả trong Phần 2.1.5.2 về danh sách các thông số phải được cập nhật, ngoại trừ dải các góc cũng phải chọn lựa. Tất cả các thông số khác được liệt kê trong Phần 2.1.5.2 đều được sử dụng. Cùng với việc cài đặt chết độ cho bộ phát xung, bộ nhận xung và dựng cổng đo như trong thiết bị đo thông thường, người dùng còn phải cài đặt các đặc tính chùm tia và điều khiển điện của đầu dò.

Những thông tin đầu vào yêu cầu:

o Vận tốc sóng âm trong vật liệu

o Chất lượng tinh thể (số lượng tinh thể sử dụng để tạo khẩu độ của đầu dò)

o Tinh thể đầu tiên được dùng để quét

o Tinh thể cuối cùng trong đường quét điện

o Trình tự bước kích hoạt tinh thể (chỉ rõ khẩu độ được dịch chuyển dọc theo đầu dò như thế nào)

o Góc quét đầu tiên

o Góc quét cuối cùng.

o Góc kiểm tra

o Góc được điều chỉnh tăng lên theo từng bậc.

o Độ sâu hội tụ mong muốn, độ sâu này phải được cài đặt nhỏ hơn chiều dài vùng trường gần (N) để tạo hội tụ hiệu quả.

5.6 Xác định vị trí khuyết tật

Các thiết bị phased array, giống như các thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường chất lượng khác thường có gắn các phần mềm để xác định vị trí khuyết tật và những vật phản xạ khác. Thông thường các thông tin vị trí vật phản xạ gồm: khoảng cách tới đầu dò theo phương ngang (hình chiếu bằng), độ sâu của nó tới bề mặt, và quãng đường truyền âm từ điểm phát tia của đầu dò tới vật phản xạ. Thêm vào đó, khi quãng đường truyền gồm nhiều bước nhảy được áp dụng thì thiết bị nên xác định được số bước nhảy để hiện tượng phản xạ xảy ra.

Bước đầu tiên quan trọng nhất phải nhớ rằng vị trí điểm phát chùm tia (điểm giữa của chùm tia khi đi ra khỏi nêm đầu dò) là vị trí cố định với nêm đầu dò thông thường, điểm phát chùm tia sẽ dịch chuyển trong nêm đầu dò phased array. Trong trường hợp quét dạng đường, vị trí điểm phát chùm tia sẽ dịch chuyển dọc theo chiều dài của đầu dò theo trình tự quét. Trong trường hợp quét dạng quạt góc, những góc khác nhau sẽ phát ra từ nêm tại các vị trí khác nhau.

Trong 2 hình ảnh phía dưới chỉ ra thông tin vị trí phản xạ từ 2 góc của tấm thép, ảnh thứ nhất phản xạ từ góc đáy cho tín hiệu từ chân thứ nhất và ảnh thứ 2 phản xạ từ góc trên cho tín hiệu từ chân thứ hai.

Với thiết bị siêu âm khuyệt tật thông thường sử dụng đầu dò có điểm phát chùm tia đơn, việc xác định độ sâu và các khoảng cách là so sánh với điểm này. Trong thí dụ này hình thứ nhất, chỉ thị thứ nhất trong màn hình là của phản xạ tại đáy có khoảng cách hình chiếu bằng tới phía trước điểm phát tia là 25 mm ở độ sâu 25mm và quãng đường truyền đo được từ điểm phát tia tới vị trí phản xạ là 35.35 mm. Chỉ thị thứ 2 trong màn hình là của phản xạ tại đỉnh có khoảng cách hình chiếu bằng tới điểm phát tia là 50mm tại vị trí bề mặt (độ sâu =0), và quãng đường truyền đo được từ điểm phát tia tới vị trí phản xạ là 70.71 mm. Sự khác biệt giữa chân thứ nhất và chân thứ 2 được chỉ ra trên màn hình là 1L1 và 1L2 (viết tắt tương ứng của cổng 1 chân 1 và cổng 1 chân 2) nằm phía dưới mép phải của màn hình.

Chỉ thị tại chân thứ nhất từ góc đáy.

Chỉ thị tại chân thứ hai từ góc trên.

Do vị trí điểm phát của đầu dò phased array thay đổi, cách thông thường để xác định vị trí tương đối của khuyết tật là so sánh với mép trước của nêm đầu dò hơn là với vị trí phát chùm tia (BIP). Các kích thước sau có thể tính toán được từ thông tin chùm tia:

DA = độ sâu của chỉ thị tại Cổng A

PA = chiếu bằng khoảng cách từ vị trí tương ứng của vật phản xạ tới mép trước của nêm

RA = chiếu bàng khoảng cách giữa điểm so sánh của nêm và vị trí vật phản xạ

SA = chiều dài quãng đường truyền tới vật phản xạ

Trong dạng màn hình này, chuyển tiếp giữa các vùng chân thứ nhất và chân thứ 2; chân thứ 2 và chân thứ 3 trên màn hình được đánh dấu bởi các đường chấm ngang màn hình. Trong thí dụ dưới đây, phản xạ tại góc đáy tại vị trí chuyển tiếp giữa vùng chân thứ nhất và chân thứ 2, và phản xạ từ góc trên là tại vùng chuyển tiếp giữa vùng chân thứ 2 và chân thứ 3. Thêm vào đó, các thông tin vị trí được hiển thị tại phía trên màn hình chỉ ra vị trí phản xạ.

 

5.7 Quét góc quạt

 

Trong trường hợp quét góc dạng quạt, việc minh giải có thể phức tạp hơn nhiều bởi vì khả năng xuất hiện tín hiệu qua nhiều chân tạo thành do phản xạ từ mặt trên và dưới của mẫu kiểm tra. Tại vùng chân thứ nhất (có một phần chùm tia đi qua vùng chân đầu tiên phản xạ ra khỏi đáy của vật), màn hình hiển thị hình chiếu mặt cắt ngang đơn giản của nêm đầu dò-hình dạng từng đoạn của vật kiểm tra. Dù sao dựa vào chân thứ nhất, việc đánh giá dựa vào màn hình phải rất cận thận, điều này còn xảy ra trong thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường.

Thiết bị siêu âm thông thường sử dụng hệ thống phát chùm tia chiếu góc hiển thị dạng quét A-scan góc đơn. Các thiết bị kỹ thuật số hiện đại sử dụng bộ phận tính toán lượng giác dựa vào chiều dài quãng đường truyền âm đo được và chiều dày chi tiết đã được lập trình để tính toán độ sâu phản xạ và khoảng cách chiếu trên mặt. Dạng hình học của chi tiết có thể làm cho chỉ thị chân thứ nhất và thứ 2 tạo ra đồng thời, như trong trường hợp phía dưới mô tả đầu dò tần số 5 MHz và nêm góc 45⁰, ở đó một phần chùm tia phản xạ từ rãnh tại đáy của vật và phần khác tiếp tục đi qua dội vào đáy và phản xạ từ góc bên trên của mẫu. Bộ phận xác định số chân và bộ phận tính toán khoảng cách có thể được sử dụng để xác định chính xác vị trí phản xạ.

Chỉ thị chân thứ nhất lớn hơn là phản xạ từ rãnh tại đáy của mẫu kiểm tra, chỉ số độ sâu chỉ thị (nằm ở phía trên góc trái của màn hình) chỉ giá trị độ sâu tương ứng đáy của mẫu chiều dày 25 mm, và chỉ số chân (nằm phía dưới mép phải màn hình) chỉ ra rằng đây là tín hiệu chân thứ nhất.

Chỉ thị từ chân thứ hai nhỏ hơn là phản xạ từ góc trên của mẫu. Chỉ số độ sâu chỉ giá trị độ sâu tương ứng với với đỉnh của mẫu dày 25 mm, và chỉ số chân chỉ ra rằng đây là chỉ thị nằm trên chân thứ 2. (Khác biệt nhỏ về độ sâu và khoảng cách chiếu mặt so với giá trị mặc định mong muốn tương ứng là 0 và 50 mm, điều này gây ra do tác động của hiện tượng mở rộng chùm tia.

Khi tiến hành kiểm tra tương tự sử dùng hệ thống đầu dò phased array quét từ 40 đến 70⁰, màn hình hiể thị dạng quét quạt trong dải góc, trong khi đó nó còn kết hợp màn hình thể hiện dạng quét A-scan thông thường hiển thị ứng với phần góc quét tùy chọn. Bộ phận tính toán lượng giác sử dụng quãng đường truyền đo được và chiều dày chi tiết được lập trình để tính toán độ sâu chỉ thị và khoảng chiếu bề mặt tại từ góc. Trong dạng kiểm tra này, dạng hình học của chi tiết có thể làm cho chỉ thị chân thứ nhất và thứ 2 tạo ra đồng thời trên màn hình giống như phản xạ nhận được từ nhiều chân từ đầu dò tinh thể đơn. Chỉ số chân dưới dạng các đường ngang nằm đè lên dạng sóng và hình ảnh phân chia màn hình thành các vùng chân thứ nhất, thứ 2 và thứ 3, trong khi bộ phận tính toán khoảng cách giúp xác nhận chính xác vị trí phản xạ.

 

6.0 Các ứng dụng tiêu biểu

 

6.1 Danh sách các ứng dụng hiện tại

 

 

Vật liệu nhôm

Kiểm tra vỏ máy bay với quét dọc bằng phased array

Kiểm tra các đường vạch dấu mà không cần tẩy sơn

Vật liệu tổng hợp

Kiểm tra các tấm tổng hợp phẳng bằng OmniScan™ PA

Kiểm tra đầu phun của tên lửa

Kiểm tra sự dính kết vật liệu tổng hợp trên máy bay

Kim loại

Ăn mòn kẽ - Kiểm tra bề mặt gắn kín của mặt bích

Kiểm tra tự động mối ghép kép bằng PipeWIZARD™

Kiểm tra mối hàn tròn trên đường ống, cả trên bờ và ngoài biển

Kiểm tra mối hàn ma sát bằng Phased Arrays

Kiểm tra càng máy bay

Kiểm tra mối hàn chữ T trên cấu kiện của cầu

Kiểm tra mối hàn trên đường ống bằng OmniScan™ PA

Kiểm tra các thanh phôi có đường kính từ 14 mm đến 75 mm bằng Phased Arrays

Hỗn hợp

Chất tiếp âm

Thép

Phát hiện nứt bởi sự xâm thực của hydro

Titan

Kiểm tra các vật đúc từ titan bằng Phased Array

 

 

7.0 Giải nghĩa các thuật ngữ trong công nghệ Phased array

A-Scan: Dạng sóng siêu âm thể hiện mối quan hệ giữa biên độ xung tương ứng với thời gian truyền sóng. Dạng sóng này có thể được chỉnh lưu hoặc không chính lưu.

Apodization: Chức năng điều khiển bằng máy tính áp dụng để giảm bới điện áp tác dụng lên tinh thể nằm phía biên ngoài của đầu dò phased array để giảm bớt biên độ của các thùy bên cạnh không mong muốn.

Khẩu độ (Aperture): Trong kiểm tra phased array, là bề rộng tinh thể hay nhóm tinh thể đầu dò được tác động xung điện đồng thời.

Quét góc phương vị (Azimuthal Scan): Giới hạn thay đổi với dạng quét quạt (Sector scan). Là hình ảnh hai chiều của toàn bộ biên độ và thời gian truyền hay dữ liệu độ sâu từ tất cả các mạt quét của đầu dò phased array được điều chỉnh theo thời gia trễ và góc khúc xạ.

B-Scan: Hình ảnh hai chiều siêu âm hiện thị độ sâu của vật phản xạ hay khoảng cách ứng với vị trí của chùm tia. B-scan có thể được hiển thị là giá trị đơn lẻ hoặc mặt cắt.

B-scan, giá trị đơn (B-scan, single value): Hình ảnh hai chiều vẽ lên chỉ thị phản xạ đầu tiên hay lớn nhất trong vùng cổng. Dạng này thông thường sử dụng trong các thiết bị siêu âm khuyết tật và các thiết bị đo chiều dày cao cấp và nó chỉ ra 1 phản xạ tại một vị trí.

B-scan, mặt cắt (B-scan, cross-sectional): Hình ảnh hai chiều siêu âm hiện thị dữ liệu lưu giữ toàn bộ dạng sóng, mỗi dữ liệu này có thể vẽ cho thấy được toàn bộ các phản xạ trong mặt cắt thay vì chỉ hiện thị phản xạ đầu tiên hay lớn nhất. Điều này cho phép quan sát được cả bề mặt gần và xa của vật phản xạ trong mẫu kiểm tra.

Dải tần (Bandwidth): Phần tần số mà nằm trong vùng có giới hạn biên độ định trước. Trong phần này, nên ghi nhớ rằng đầu dò NDT thông thường không tạo ra sóng âm tại một tần số riêng lẻ, mà đúng hơn là từ một dải tần số có trung tâm là tần số danh nghĩa thiết kế. Tiêu chuẩn công nghiệp quy định dải tần là vùng giới hạn bởi vị trí -6dB (hay giảm nửa biên độ). Theo quy luật chung, dải tần rộng tạo độ phân giải tại vùng sát bề mặt và trục tốt hơn, trong khi đó dải tần hẹp tạo năng lượng cao và do đó độ nhạy cao.

Hình thành chùm tia (Beam Forming): Trong kiểm tra phased array, sự hình thành chùm tia sóng âm tại vị trí, góc và tiêu điểm nào đó là nhờ trình tự tác động xung lên các tinh thể của đầu dò phased array.

Mở rộng chùm tia (Beam spread): Góc lệch so với trục chính chùm tia siêu âm khi ở trong vùng trường xa.

Điều khiển chùm tia (Beam Steering): Khả năng thay đổi góc khúc xạ của chùm tia được tạo ra bởi đầu dò phased array. Việc hiệu chuẩn, thời gian tác động trễ trong nêm (phương pháp bù đắp điện với các quãng đường truyền âm khác nhau tạo thành bởi các phần chùm tia khác nhau trong nêm) được dùng để chuẩn hóa quãng đường truyền âm đo được tới vị trí phản xạ.

Hiệu chẩn, độ nhạy (Calibration, sensitivity): Phương pháp dùng điện làm cân bằng biên độ tất cả các thành phần chùm tia khi quét đầu dò phased array. Việc này thường bù đắp cả sự thay đổi độ nhạy từ tinh thể này tới tinh thể khác và sự thay đổi năng lượng truyền âm tại các góc khúc xạ khác nhau.

C-Scan: Hình ảnh hai chiều của biên độ hay dữ liệu thời gian/độ sâu được hiển thị như hình chiếu bằng của vật kiểm tra.

Vùng trường xa (Far Field): Phần chùm tia sóng âm xa hơn nằm kề bên trục có năng lượng âm cao nhất. Mở rộng chùm tia chỉ diễn ra ở vùng trường xa.

Quy luật tạo chùm (Focal Laws): Mô hình thời gian trễ lập trình được áp dụng cho quá trình phát xung và nhận xung từ nhóm tinh thể riêng của đầu dò phased array, để điều khiển và/hay hội tụ chùm tia và xung tín hiệu tạo thành.

Hội tụ (Focus): Trong siêu âm, là điểm mà tại đó sóng âm hội tụ với đường kính nhỏ nhất và cường độ sóng âm lớn nhất, và sau điểm đó chùm tia phân kỳ.

Các thùy dạng lưới (Grating Lobes): Những phần nhiễu của chùm tia là phần bị lệch hướng ra khỏi vùng năng lượng trung tâm, gây ra bởi sự thay đổi thống kê ngang qua các tinh thể đầu dò. Các thùy dạng lưới chỉ xảy ra với đầu dò phased array và gây ra bởi sự kết hợp các phần tia với khoảng cách chính xác, đều đặn của từng tinh thể riêng trong đầu dò.

Nguyên lý Huygens (Huygens' Principle): Mô hình toán học bản chất sóng chỉ ra rằng mỗi vị trí tại sóng phía trước có thể được xem như điểm phát ra sóng dạng cầu, và kết quả là tạo thành sóng hợp nhất là tổng của các sóng dạng cầu riêng.

Quét dạng đường (Linear Scan): Khả năng dịch chuyển của chùm sóng âm dọc theo trục chính của đầu dò mà không cần dịch chuyển đầu dò.

Vùng trường gần (Near Field): Phần chùm tia nằm giữa đầu dò đầu dò và vùng cuối cùng có cường độ âm cao nhất. Các đầu dò chỉ có thể hội tụ trong vùng trường gần.

Đầu dò mảng điều pha (Phased Array): Đầu dò siêu âm nhiều tinh thể (thông thường 16, 32 hay 64 tinh thể) được dùng để điều khiển chùm tia theo từng pha phát và nhận xung.

Điều pha (Phasing): sự tác động giữa 2 hày nhiều sóng có cùng tần số nhưng có thời gian trễ khác nhau, gây nên hiện tường là tạo thành vân giao thoa hoặc phá vỡ hiện tượng giao thoa.

Khoảng cách (Pitch): Là khoảng cách giữa các tinh thể trong đầu dò phased array.

Mặt phẳng, hoạt động (Plane, active): Hướng song song với trục của đầu dò phased array có gắn nhiều tinh thể.

Mặt phẳng, thụ động (Plane, passive): Hướng song song với chiều dài tinh thể trong đầu dò hay bề rộng tinh thể.

Mặt phẳng, lái (Plane, steering): Hướng mà ở đó chùm tia được điều khiển thay đổi với đầu dò phased array.

Khoảng thời gian phát xung (Pulse duration): Khoảng thời gian giữa điểm mà ở đó mép biên trước của dạng sóng đạt được biên độ xác định (thông thường -20dB so với biên độ cực đại) tới điểm biên cuối của dạng sóng đạt biên độ tương ứng. Dải tần rộng thông thường làm giảm thời gian phát xung trong khi đó dải tần hẹp làm tăng thời gian phát xung. Thời gian phát xung phụ thuộc rất nhiều vào việc cài đặt chế độ bộ phát xung.

Độ phân giải, góc (Resolution, angular): Trong hệ thống phased array, độ phân giải góc là giá trị góc nhỏ nhất giữa hai chỉ thị trên màn hình A-scan, tại đó các khuyết tật nằm gần nhau có cùng độ sâu có thể phân giải riêng rẽ.

Độ phân giải, trục (Resolution, axial): Sự khác biệt độ sâu nhỏ nhất giữa 2 vật phản xạ xác định mà cho phép nhận diện được riêng rẽ từng tín hiệu xung của vật phản xạ. Tần số càng cao và/hay dải tần càng lớn sẽ làm sự khác biệt theo trục càng lớn.

Độ phân giải, trường xa (Resolution, far surface): Khoảng cách tới bề mặt đáy nhỏ nhất, mà ở đó vật phản xạ xác định có biên độ ít nhất cao hơn 6dB so với mép biên trước của xung phản hồi đáy. Có thể nói cách khác là khoảng cách gần mặt đáy nhất mà tại đó vật phản xạ có thể xác định được.

Độ phân giải, bên (Resolution, lateral): Trong hệ thống phased array, khoảng cách tới bên cạnh nhỏ nhất giữa hai vật phản xạ nhất định, mà cho phép nhận diện được riêng rẽ từng tín hiệu xung của vật phản xạ. Giá trị này phụ thuộc vào thiết kế đầu dò phased array và lập trình quét được chọn.

Độ phân giải, trường gần (Resolution, near surface): Khoảng cách nhỏ nhất từ bề mặt sóng âm đi vào ở đó vật phản xạ xác định tạo ra xung có biên độ tối thiểu cao hơn 6 dB so với mép sau của xung phát, đường trễ, hay xung của nêm. Có thể nói cách khác là khoảng cách gần bề mặt sóng âm đi vào nhất mà ở đó vật phản xạ có thể được nhận ra. Vùng phía trên điểm này thường biết như vùng chết đầu dò, và vùng này sẽ lớn lên khi tăng độ khuếc đại.

Quét dạng quạt (Sector Scan - S-Scan): Hình ảnh hai chiều hiện thị tất cả biên độ và thời gian hay giá trị độ sâu từ các Quy luật tạo chùm khác nhau của đầu dò phased array đã được hiệu chỉnh về thời gian trễ và góc khúc xạ.

Thùy bên cạnh (Side Lobes): những phần nhiểu của chùm tia sóng âm bị đi lệch khỏi vùng năng lượng trung tâm, nó tạo ra do hiện tượng rò rỉ cường độ âm từ các tinh thể đầu dò tại các vị trí và góc khác so với thùy chính. Thùy bên cạnh được tạo ra bởi tất cả các dạng đầu dò siêu âm khác nhau.

Khẩu độ ảo (Virtual Aperture): Là bề rộng kết hợp của nhóm tinh thể trong đầu dò phased array mà bị tác động xung đồng thời.

 

Tài liệu tham khảo: Phased Array Tutorial, www.olympus-ims.com