Công ty CP Dịch vụ Công nghệ và Đào tạo Phúc Minh Anh » Kiểm tra Siêu âm mảng pha

Kiểm tra Siêu âm mảng pha

Đăng bởi Phuc Minh
Kiem-tra-sieu-am-mang-pha-phased-array-paut

Kiểm tra siêu âm mảng pha đang được ứng dụng rất phổ biến. Đây là kỹ thuật có tiềm năng lớn thay thế cho chụp ảnh phóng xạ (tiềm ẩn nhiều rủi ro chiếu xạ).

Các ứng dụng của kiểm tra siêu âm mảng pha (PAUT-Phased Array Ultrasonic Testing) không chỉ giới hạn trong chẩn đoán y tế. Kỹ thuật kiểm tra PAUT còn được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp nhằm xác định độ dày, kiểm tra chất lượng mối hàn hay phát hiện khuyết tật vật liệu. Do PAUT có thể cung cấp thông tin, hình ảnh trực quan và rất linh hoạt trong quá trình thực hiện.

Siêu âm mảng pha là gì?

Đầu dò trong siêu âm truyền thống thường chỉ có một biến tử vừa truyền và thu nhận sóng âm. Đôi khi có thể cấu tạo bởi hai biến tử một để truyền và một để nhận tín hiệu. Trong khi đó, kỹ thuật siêu âm mảng pha sử dụng một cụm biến tử (từ 16 đến tối đa 256 biến tử). Mỗi biến tử đều có thể được kích hoạt và phát xung độc lập. Và được sắp xếp theo một mảng tuyến tính, mảng hình khuyên, mảng tròn hoặc hình dạng phức tạp khác.

Giống như đầu dò thông thường, các đầu dò mảng pha được thiết kế để tiếp xúc trực tiếp lên đối tượng kiểm tra. Chúng sử dụng nêm để tạo góc hay để kiểm tra nhúng trong nước. Tần số đầu dò phổ biến nhất từ 2 MHz đến 10 MHz. Hệ kiểm tra PAUT bao gồm một máy tính để điều khiển đầu dò, số hóa và hiển thị tín hiệu.

Liên hệ triển khai dịch vụ Kiểm tra không phá hủy mối hàn

Một hệ siêu âm PAUT có thể quét chùm sóng âm theo nhiều cách khác nhau như:

  • Quét một loạt các góc khúc xạ (quét quạt);
  • Quét dọc theo một đường tuyến tính (quét tuyến tính),
  • Hoặc tập trung chùm âm ở độ sâu xác định,

Do đó tăng cả tính linh hoạt và hiệu quả trong quá trình kiểm tra.

Hình 1: Đầu dò siêu âm Phased Array

Hình 2: Một vài cấu tạo điển hình của biến tử trong đầu dò Phased Array

Nguyên lý của kiểm tra siêu âm mảng pha

Về cơ bản, hệ siêu âm mảng pha sử dụng nguyên lý phân kỳ và sự giao thoa của các chùm sóng âm. Qua đó thay đổi thời gian giữa các xung siêu âm và điều khiển chúng theo cách mong muốn. Thông thường các biến tử được điều khiển theo nhóm từ 4 đến 32 biến tử để cải thiện độ nhạy và hội tụ chùm âm tốt hơn.

Phần mềm điều khiển tính toán các quy luật hội tụ (Focal laws) cũng như độ trễ cho từng nhóm biến tử. Từ đó tạo ra hình dạng chùm tia mong muốn. Các đặc điểm của đầu dò, nêm, đặc tính hình học và âm học của vật liệu kiểm tra cũng được tính đến.

Chùm sóng âm tổng hợp sau khi hình thành có thể được điều khiển để quét dưới nhiều góc độ, khoảng cách tiêu cự và kích thước điểm hội tụ khác nhau.

Sóng âm phản xạ được tính toán để bù cho độ trễ của nêm sau đó được thu lại. Không giống như đầu dò đơn biến tử, đầu dò PAUT có thể sắp xếp khoảng cách mặt sóng quay trở lại theo thời gian đến và biên độ tại mỗi phần tử. Thông tin sóng âm phản xạ sau khi xử lý được sử dụng để hiển thị theo các dạng hiển thị khác nhau.

Chế độ quét tuyến tính

Các dạng hiển thị khi kiểm tra siêu âm mảng pha

Trong hầu hết các ứng dụng đo độ dày hay phát hiện khuyết tật, dữ liệu kiểm tra siêu âm đều dựa trên thông tin về thời gian và biên độ thu được từ đầu dò. Các thông tin thu được sẽ được hiển thị ở các dạng A-Scan, B-Scan, C-Scan hoặc S-Scan. Dưới đây là một số dạng hiển thị hình ảnh cơ bản trong kiểm tra siêu âm PAUT và siêu âm truyền thống.

Hiển thị dạng A-Scan

A-Scan là một dạng hiển đơn giản biểu diễn tương quan giữa thời gian và biên độ của sóng âm. A-Scan thường được sử dụng trong kiểm tra siêu âm truyền thống và trên các thiết bị đo chiều dày. A-Scan hiển thị phản xạ của chùm sóng âm từ một vị trí xác định. Hình ảnh A-scan bên dưới cho thấy xung phản xạ từ hai lỗ khoan bên trong mẫu thép. Chùm sóng âm từ đầu dò đơn biến tử bị phản xạ bởi hai trong ba lỗ khoan. Chúng tạo thành hai tín hiệu phản xạ riêng biệt tại các thời điểm khác nhau tỷ lệ với độ sâu của lỗ.

Chùm sóng âm trong kiểm tra siêu âm (UT) truyền thống

Hình ảnh A-Scan đầu dò thẳng trong kiểm tra siêu âm (UT) truyền thống

Liên hệ triển khai dịch vụ Kiểm tra không phá hủy mối hàn

Chùm sóng âm đầu dò góc trong kiểm tra siêu âm (UT) truyền thống

Hình ảnh A-Scan đầu dò góc trong kiểm tra siêu âm (UT) truyền thống

Đầu dò tia góc trong thiết bị kiểm tra siêu âm truyền thống thông thường sẽ tạo ra chùm tia có góc xác định. Hiệu ứng lan truyền làm cho đường kính chùm âm tăng theo khoảng cách. Nhưng về cơ bản vẫn bị giới hạn trong một góc cụ thể. Trong ví dụ ở trên, nêm 45 độ tại một vị trí cố định có thể phát hiện hai lỗ khoan bên trong mẫu kiểm tra do chúng nằm trong chùm tia. Tuy nhiên sẽ không thể phát hiện lỗ thứ ba nếu không di chuyển đầu dò về phía trước.

Một hệ siêu âm PAUT cũng sẽ hiển thị các dạng A-scan để tham khảo. Tuy nhiên, hầu hết sẽ được bổ sung dạng quét B-scan, C-scan hoặc S-scan như dưới đây. Các dạng hiển thị này hỗ trợ người kiểm tra giải đoán xác định khuyết tật dễ dàng hơn.

Hiển thị dạng B-Scan

B-Scan là hình ảnh hiển thị mặt cắt ngang qua một lát dọc của mẫu kiểm tra. B-Scan cho thấy độ sâu của vị trí bị phản xạ so với vị trí theo trục của chúng. Hình ảnh B-Scan yêu cầu chùm âm được quét dọc theo trục đã chọn của mẫu kiểm tra. Trong hình dưới đây, B-Scan cho thấy hai phản xạ ở sâu và một phản xạ nông hơn. Tương ứng với vị trí của các lỗ khoan bên trong mẫu kiểm tra.

Chùm tia thẳng

Hình ảnh B-Scan

Hình ảnh quét tuyến tính điện tử (B-scan) hiển thị vị trí lỗ tương ứng theo độ sâu theo độ dài của đầu dò tuyến tính

Với thiết bị siêu âm truyền thống, đầu dò phải được di chuyển ngang qua mẫu kiểm tra. Tuy nhiên, với hệ PAUT có thể sử dụng tính năng quét điện tử. Tính năng này quét dọc chiều dài của đầu dò tạo ra mặt cắt ngang tương tự mà không cần di chuyển đầu dò.

Hiển thị dạng C-Scan

C-Scan hiển thị hai chiều dữ liệu dưới dạng hình chiếu bằng hoặc hình chiếu đứng của mẫu kiểm tra. Trong đó, màu sắc thể hiện biên độ tín hiệu tại mỗi vị trí phản xạ trong mẫu kiểm tra tương ứng với vị trí theo trục. Với kỹ thuật siêu âm truyền thống, đầu dò được di chuyển trên mẫu kiểm tra. Nhưng với PAUT đầu dò di chuyển dọc theo một trục và chùm tia quét dọc theo trục khác. Mặc dù, bộ mã hóa vị trí (Encoder) thường được sử dụng khi phải duy trì độ chính xác hình ảnh quét. Nhưng chế độ quét thủ công không Encoder vẫn có thể cung cấp thông tin trong nhiều trường hợp.

Hình ảnh dưới đây là của mẫu đối chứng được kiểm tra siêu âm nhúng truyền thống và với hệ PAUT. Quét C-Scan từ hệ PAUT chỉ mất vài giây, trong khi với đầu dò nhúng tiêu tốn vài phút.

Chùm âm siêu âm thường và hướng chuyển động

Hình ảnh C-Scan siêu âm thường

Chùm âm siêu âm mảng và hướng chuyển động

Hình ảnh C-Scan siêu âm mảng pha

Hiển thị dạng S-Scan

Hình ảnh S-Scan hiển thị mặt cắt từ một chuỗi các tín hiệu A-Scan, theo độ trễ thời gian và góc khúc xạ. Trục hoành tương ứng với chiều rộng mẫu thử và trục tung ứng với chiều sâu. Đây là dạng hiển thị phổ biến nhất trong siêu âm y tế, công nghiệp và kiểm tra mối hàn.

Hình ảnh A-Scan của góc 49 độ (với con trỏ xác định ở hình ảnh S-Scan bên trái) và hỉnh ảnh tổng hợp S-Scan ở bên phải. Chú ý các trục và tương ứng biên độ phản hồi với màu sắc tín hiệu.

Ứng dụng của kiểm tra siêu âm mảng pha trong công nghiệp

Hệ siêu âm PAUT trong thực thế có thể được sử dụng thay thế thiết bị siêu âm truyền thống. Kiểm tra khuyết tật mối hàn là ứng dụng quan trọng nhất của PAUT. Bên cạnh đó, siêu âm PAUT cũng có thể được sử dụng một cách hiệu quả để đánh giá độ ăn mòn vật liệu. Siêu âm PAUT được triển khai trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm:

  • hàng không vũ trụ,
  • năng lượng, hóa dầu;
  • xây dựng,
  • bảo trì đường ống, kiểm tra kết cấu kim loại
  • và sản xuất.

Liên hệ triển khai dịch vụ Kiểm tra không phá hủy mối hàn

Ưu điểm của PAUT so với siêu âm thông thường đến từ việc sử dụng đầu dò nhiều biến tử. PAUT sử dụng nhiều biến tử để điều hướng, lấy nét và quét chùm tia. Việc lái chùm âm (quét quạt) giúp tối ưu kiểm tra các cấu kiện có hình dạng phức tạp. Và hỗ trợ kiểm tra trong một số tình huống khó. Khả năng kiểm tra các mối hàn với nhiều góc độ từ một đầu dò cũng gia tăng đáng kể xác suất phát hiện khuyết tật.

Việc lấy nét điện tử cho phép tối ưu hóa hình dạng và kích thước chùm tia tại vị trí khuyết tật dự kiến xuất hiện. Từ đó tối ưu hóa hơn nữa xác suất phát hiện, độ phân giải và độ nhạy phát hiện. Khả năng lấy nét ở nhiều độ sâu giúp cải thiện khả năng xác định kích thước khuyết tật. Điều đó giúp nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong các trường hợp khó.

(Tham khảo)

Xem thêm các bài viết khác về các phương pháp kiểm tra không phá hủy: Tại đây

Liên hệ triển khai dịch vụ:

Công ty Cổ phần Dịch vụ Công nghệ và Đào tạo Phúc Minh Anh (PMA)

Hotline: 08897189880973145129

Email:  phucminhanh68@gmail.com; info@phucminhanh.com.vn

Có thể bạn quan tâm

error: Nội dung đã được bảo vệ !