一种用于相控阵超声探头晶片有效性的测试及评价方法技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种用于相控阵超声探头晶片有效性的测试
及评价方法。
背景技术
相控阵超声检测技术是目前国内外无损检测技术发展的新方向，新动力、是最先
进的检测技术之一。相控阵超声技术是利用电子方式控制相控阵超声探头的声束来实现超
声波发射、接收的方法。相控阵超声探头晶片是由多个小晶片构成，每个小晶片又称为阵
元。每个阵元能被独立的激发，并施加不同的时间延迟，所有阵元发射的超声波形成一个整
体波阵面，能够实现动态聚焦，并能有效地控制发射超声束的形状和方向。它为确定缺陷的
形状、大小和方向提供出比单个或多个常规超声波探头系统更大的能力。相控阵超声检测
技术具有成像功能，检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描、S扫描、E扫描及P扫描等，
直观易懂，存储的数据具有动态回放功能，并且还能记录扫查位置。这些功能是常规超声检
测技术难以做到的。
相控阵超声检测技术已经在我国开始应用，例如在西气东输管道工程检测管道环
焊缝，在安徽六安和安庆火力发电厂检测薄壁小径管环焊缝，对汽轮机叶片根部和涡轮圆
盘的检测、火车轮轴检测、核电站主泵隔热板的检测等等，有着巨大的应用空间，体现出相
控阵超声检测的优越性。
相控阵超声探头中的小晶片(阵元)在实际使用易损坏，造成检测灵敏度降低及影
响扇形扫描角度偏转范围等。目前国外标准ASMEⅤ《无损检测》中ASTME2491《评价相控阵超
声波检测仪器和系统性能的标准指南》有晶片有效性的测试方法，国内标准中有GB/T29302
《无损检测仪器相控阵超声检测系统的性能与检验》、JB/T11731《无损检测超声相控阵探头
通用技术条件》及JB/T11779《无损检测仪器相控阵超声检测仪技术条件》都有晶片有效性
的测试方法，但它们都有一个共同的缺点，采用试块及水浸法测试晶片的有效性，即属于实
验室的测试方法，不适用于现场检测测试应用，在检测过程中不能及时测试晶片的好坏，不
知道检测灵敏度是否发生变化，影响检测结果的准确性及检测进度。
发明内容
为了克服现有相控阵超声探头晶片有效性的测试方法不足，本发明提出了一种用
于相控阵超声探头晶片有效性的测试及评价方法。该测试方法适用于现场检测应用，能及
时测试晶片的好坏，为相控阵超声技术应用提供保障措施。
本发明解决技术问题所采用的方案是：
一种用于相控阵超声探头晶片有效性的测试及评价方法，采用相控阵超声仪器激
发相控阵探头晶片中阵元(小晶片)产生超声波入射到相控阵探头楔块底面产生的回波信
号，通过回波信号的幅度判定晶片的有效性。
所述的相控阵超声仪器具有扇形扫描和线性扫描功能，还应具有带楔块扫查和未
安装楔块扫查的功能；
所述的相控阵探头是由晶片和楔块两部分构成。相控阵探头晶片由多个小晶片组
成，单个小晶片又称为阵元；楔块的选择应与被测试探头楔块规格相同、未经使用且具有厂
家合格证的楔块，即标准楔块。
所述的相控阵探头晶片有效性测试步骤包括：
第一步 将被测试的相控阵探头晶片安装在规格相同的标准楔块上；
第二步 将安装好的相控阵探头与相控阵超声仪器相连；
第三步 进行参数设置
(1)激发电压选择最低级别；
(2)工件厚度设置为最小值；
(3)材料声速设置为楔块声速；
(4)入射角选择0度角或与晶片阵列垂直的角度；
(5)测量值选择波幅值，测量方式选择波峰点；
(6)激发晶片数选择为1，从第一个晶片开始激发。
第四步 通过相控阵超声仪器激发相控阵探头中每个晶片，产生A扫描信号；
第五步 选择某个晶片产生的A扫描信号，通过调节滤波器及脉冲宽度等功能键，
进行优化A扫描波形，使A扫描信号达到最佳状态；
第六步 开始测试
(1)先从第一个晶片开始激发，直到最后一个晶片，确认幅度最高的晶片序号。
(2)将幅度最高的晶片波高调整到大于满屏高度的40％，此时的波高为基准波高。
(3)保持基准波高的增益值(灵敏度)不变，从第一个晶片开始激发，激发第一个晶
片时会产生一个A扫描波形信号，将闸门移到A扫描信号上，此时从测量值中读出“第一个晶
片波幅值”，记下第一个晶片对应的波幅值(H1)；然后激发第二个晶片，同样再记下第二个
晶片对应的波幅值；以此类推，直到激发最后一个晶片，记下最后一个晶片对应的波幅值
(Hn)为止。
(4)最后将测试的每个晶片及对应的波幅值依次列成表，以便用于评价。
(5)对于没有信号的晶片，应更换相控阵探头，判断是通道有问题还是晶片的问
题。
所述的相控阵探头晶片有效性的评价就是对测试的数据进行判定：
(1)失效晶片评价的判定
单个晶片信号的幅度值相对于基准波高的差值大于等于12dB为失效晶片。
(2)完好晶片评价的判定
单个晶片信号的幅度值相对于基准波高的差值小于12dB为完好晶片。
所述相控阵超声探头晶片为平面晶片或曲面晶片。
采用相控阵超声仪器激发相控阵探头晶片中每个阵元(小晶片)产生超声波入射
到相控阵探头楔块底面产生的回波信号，通过回波信号的幅度判定晶片的有效性。
本发明的积极效果在于：本发明方法操作简单、实用，便于携带，无辐射，无污染，
在检测过程中能及时测试晶片的好坏，能保证检测灵敏度和检测结果的准确性，也能提高
检测效率。
具体实施方式
现有国内外无损检测标准中规定的相控阵超声探头晶片有效性的测试方法基本
上都是实验室方法，即需要的辅助器件多，例如试块、水槽等，不便于在检测现场实际应用，
所以本发明提出一种操作简单、实用、便于在现场应用的相控阵超声探头晶片有效性的测
试及评价方法。
检测方法
采用相控阵超声仪器激发相控阵探头晶片中每个阵元(小晶片)产生超声波入射
到相控阵探头楔块底面产生的回波信号，通过回波信号的幅度判定晶片有效性的方法。
实施例1：
实施例1是平面晶片，测试一个编号为104379的相控阵探头晶片有效性，该探头具
体参数是：频率为5MHz、晶片数(阵元数)n为32个晶片、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm，阵
元宽度e为0.4mm，相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm。
所述的相控阵超声仪器是采用具有扇形扫描和线性扫描功能的ISONIC-PA-2009
相控阵超声仪器；
所述的相控阵探头是采用编号为104379的探头，即:
(1)晶片参数：频率为5MHz、阵元数n为32、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm、阵元
宽度e为0.4mm、相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm。
(2)楔块参数：楔块角度(α)为36°，楔块声速为2337m/s，边距(offset)为2.77mm，
楔块顶面宽度(W1)为15.87mm，楔块底面宽度(W2)为32.6mm，楔块前端高度(H1)为18.5mm，
楔块后端高度(H2)为6.35mm.。
测试相控阵探头晶片有效性应采用与被测试探头的楔块规格相同、未经使用且具
有厂家合格证的楔块，也就是标准楔块。
所述的相控阵探头晶片有效性测试步骤包括：
第一步 将被测试的32个晶片的相控阵探头(即探头编号104379)安装在规格相同
的标准楔块上；
第二步 将安装好的相控阵探头与相控阵超声仪器(ISONIC-PA-2009)相连；
第三步 进行参数设置
(1)激发电压选择最低级别，本实施例激发等级选择为1；
(2)工件厚度设置为最小值2.8mm；
(3)材料声速设置为楔块声速，即为2337m/s；
(4)入射角选择0度角或与晶片阵列垂直的角度；
(5)测量值选择波幅值，测量方式选择波峰点；
(6)激发晶片数选择为1，从第一个晶片开始激发。
第四步 通过相控阵超声仪器激发相控阵探头中每个阵元，产生A扫描信号；
第五步 选择1#阵元产生的A扫描信号，将滤波器低频设置为1.9MHz、滤波器高频
设置为5.2MHz及脉冲宽度设置为125ns等，进行优化A扫描波形，使A扫描信号达到最佳状
态；
第六步 开始测试
(1)先从第一个晶片开始激发，直到最后一个晶片，确认幅度最高的晶片序号，即
波幅最高的晶片序号为1#。
(2)将幅度最高的1#晶片波高调整到满屏高度的80％，增益值为30.5dB，此时的波
高为基准波高。
(3)保持基准波高的增益值(灵敏度)30.5dB不变，从第一个晶片开始激发，激发第
一个晶片时会产生一个A扫描波形信号，将闸门移到A扫描信号上，此时从测量值中读出“第
一个晶片波幅值”，记下第一个晶片对应的波幅值(H1)；然后激发第二个晶片，同样再记下
第二个晶片对应的波幅值；以此类推，直到激发最后一个晶片，记下最后一个晶片对应的波
幅值(Hn)为止。
(4)最后将测试的每个晶片及对应的波幅值依次列成表(见表1)，以便用于评价。
(5)对于没有信号的晶片，应更换相控阵探头，判断是通道有问题还是晶片的问
题。
所述的相控阵探头晶片有效性的评价就是对测试的数据进行判定：
(1)失效晶片评价的判定
单个晶片信号的幅度值相对于基准波高的差值大于等于12dB为失效晶片。
(2)完好晶片评价的判定
单个晶片信号的幅度值相对于基准波高的差值小于12dB为完好晶片。
由表1可见，第24#晶片波高为17.2％，基准波高为80％，两者幅度差值为62.8％，
大于60％，即大于12dB，故第24#晶片为失效晶片。因为基准波高80％降低12dB，波高为
20％，两者幅度差值为60％。所以说第24#晶片为失效晶片，其它晶片为完好晶片。
表1 5MHz、32晶片相控阵探头(探头编号为104379)晶片有效性测试表
晶片序号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
波高(H)
80％
63.8％
50.6％
69.7％
65.8％
72％
71.2％
71.6％
晶片序号
9#
10#
11#
12#
13#
14#
15#
16#
波高(H)
72％
70.1％
56％
64.6％
62.6％
64.2％
59.5％
58.7％
晶片序号
17#
18#
19#
20#
21#
22#
23#
24#
波高(H)
57.1％
54.4％
57.9％
54.4％
54.4％
58.7％
55.6％
17.2％
晶片序号
25#
26#
27#
28#
29#
30#
31#
32#
波高(H)
36.8％
48.5％
47％
45％
45.4％
45.4％
37.6％
36.4％
实施例2：
实施例2是曲面晶片，测试一个编号为7.5MHzS16-0.5×10W39的相控阵探头晶片
有效性，该探头具体参数是：晶片的曲率半径为35mm，频率为7.5MHz、晶片数(阵元数)n为16
个晶片、相邻两阵元中心线间距p为0.5mm，阵元宽度e为0.4mm，相邻两阵元之间的间隙g为
0.1mm，阵元的长度为10mm，楔块的角度为39度。
所述的相控阵超声仪器是采用具有扇形扫描和线性扫描功能的ISONIC-PA-2009
相控阵超声仪器；
所述的相控阵探头是采用编号为7.5MHzS16-0.5×10W39的探头，即:
(1)晶片参数：晶片的曲率半径为35mm，频率为7.5MHz、阵元数n为16、相邻两阵元
中心线间距p为0.5mm、阵元宽度e为0.4mm、相邻两阵元之间的间隙g为0.1mm，晶片(阵元)的
长度为10mm。
(2)楔块参数：楔块角度(α)为39°，楔块声速为2337m/s，边距(offset)为2mm，楔块
顶面宽度(W1)为8.11mm，楔块底面宽度(W2)为18mm，楔块前端高度(H1)为10mm，楔块后端高
度(H2)为2mm。
测试相控阵探头晶片有效性应采用与被测试探头的楔块规格相同、未经使用且具
有厂家合格证的楔块，也就是标准楔块。
所述的相控阵探头晶片有效性测试步骤包括：
第一步 将被测试的16个晶片的相控阵探头(即探头编号7.5MHzS16-0.5×10W39)
安装在规格相同的标准楔块上；
第二步 将安装好的相控阵探头与相控阵超声仪器(ISONIC-PA-2009)相连；
第三步 进行参数设置
(1)激发电压选择最低级别，本实施例激发等级选择为1；
(2)工件厚度设置为最小值2.8mm；
(3)材料声速设置为楔块声速，即为2337m/s；
(4)入射角选择0度角或与晶片阵列垂直的角度；
(5)测量值选择波幅值，测量方式选择波峰点；
(6)激发晶片数选择为1，从第一个晶片开始激发。
第四步 通过相控阵超声仪器激发相控阵探头中每个阵元，产生A扫描信号；
第五步 选择3#阵元产生的A扫描信号，将滤波器低频设置为6.1MHz、滤波器高频
设置为9.1MHz及脉冲宽度设置为75ns等，进行优化A扫描波形，使A扫描信号达到最佳状态；
第六步 开始测试
(1)先从第一个晶片开始激发，直到最后一个晶片，确认幅度最高的晶片序号，即
波幅最高的晶片序号为3#。
(2)将幅度最高的3#晶片波高调整到满屏高度的80％，增益值为57dB，此时的波高
为基准波高。
(3)保持基准波高的增益值(灵敏度)57dB不变，从第一个晶片开始激发，激发第一
个晶片时会产生一个A扫描波形信号，将闸门移到A扫描信号上，此时从测量值中读出“第一
个晶片波幅值”，记下第一个晶片对应的波幅值(H1)；然后激发第二个晶片，同样再记下第
二个晶片对应的波幅值；以此类推，直到激发最后一个晶片，记下最后一个晶片对应的波幅
值(Hn)为止。
(4)最后将测试的每个晶片及对应的波幅值依次列成表(见表2)，以便用于评价。
(5)对于没有信号的晶片，应更换相控阵探头，判断是通道有问题还是晶片的问
题。
所述的相控阵探头晶片有效性的评价就是对测试的数据进行判定：
(1)失效晶片评价的判定
单个晶片信号的幅度值相对于基准波高的差值大于等于12dB为失效晶片。
(2)完好晶片评价的判定
单个晶片信号的幅度值相对于基准波高的差值小于12dB为完好晶片。
由表2可见，每个晶片的幅度值均大于20％，相对于基准波高80％的差值均小于
12dB，即两者幅度差值均小于60％，说明每个晶片都是完好晶片。
表2 7.5MHz、16晶片相控阵探头(探头编号为7.5MHzS16-0.5×10W39)晶片有效性
测试表
晶片序号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
波高(H)
75.1％
73.2％
80％
68.9％
66.1％
70.5％
68.9％
74％
晶片序号
9#
10#
11#
12#
13#
14#
15#
16#
波高(H)
58.7％
70.8％
46.2％
65％
51.3％
42.7％
42.3％
54.4％
本发明相控阵超声探头晶片有效性的测试及评价方法的特点：
(1)本发明方法操作简单、实用、便于现场应用；
(2)本发明方法不需要试块及水槽等笨重辅助工具，仅需要一个小的完好楔块，便
于携带；
(3)本发明方法无辐射、无污染；
(4)本发明方法能及时测试晶片的好坏，能很好地保证检测灵敏度和检测结果的
准确性，也能提高检测效率。
(5)本发明方法不仅适用于平面晶片的相控阵探头，也适用于曲面晶片的相控阵
探头。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范
围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方
案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。