在工业无损检测(NDT)领域,相控阵技术与传统探伤检测技术的对比,折射出中国制造业转型升级中的技术选择与产业博弈。随着“中国制造2025”战略深入推进,如何在高精度检测需求与成本效率之间找到平衡,成为行业核心议题。本文从技术内核、应用场景、国产化突破及未来趋势等维度,解析两者的本质差异与协同路径。
一、技术内核:电子赋能的“多维感知”与“单点突破”
相控阵技术:超声波领域的“智能大脑”
相控阵技术通过集成数十至数百个独立阵元的探头,利用电子控制系统对每个阵元的发射时序、相位和幅度进行精确调控,实现超声波束的动态偏转、多角度扫描和深度聚焦。
1、工作原理
相控阵的基本原理是利用空间互补原理,通过控制阵列中各个辐射单元(通常是天线)的信号相位和幅度,来合成具有特定指向性的波束。当各个单元的信号相位一致时,波束会指向某个特定的方向;当相位差发生变化时,波束的方向也会随之改变。相控阵的波束控制主要依靠相移器和衰减器来实现,相移器可以改变信号的相位,而衰减器可以控制信号的幅度。通过精确控制每个单元的相位和幅度,就可以合成出具有所需指向性的波束。EVIDENT相控阵技术在超声波探伤仪的应用中,通过控制多个超声波换能器(探头中的元件)的激发时序和相位,以形成特定形状和方向的超声波波束的技术。这种技术能够实现对被检测材料内部缺陷的精确扫描和成像。
2、其核心突破在于:
电子扫描:无需机械移动探头,即可完成复杂几何结构的全覆盖检测。
实时成像:支持B扫描(截面成像)、C扫描(三维成像)及S扫描(扇形扫描),数据可视化程度高。
自适应检测:可根据材料特性自动优化声束参数,提升缺陷识别灵敏度。
灵活性和快速性:相控阵技术可以通过电子方式控制波束的指向,无需机械转动,因此可以快速地改变波束的方向,提高了检测效率,节省了时间和成本。
多功能性:相控阵探头可以根据检测需求采用不同的扫查方式,适用于各种复杂的检测任务,如几何形面复杂的试块、焊缝和槽等的检测。
高可靠性和耐用性:相控阵检测使用电子扫查代替机械扫查,减少了磨损,增加了系统的可靠性,延长了设备的使用寿命。
高精度和分辨率:相控阵技术可以通过波束聚焦增加信噪比,提高检测的灵敏度和分辨率,特别适用于检测方向难以辨别的缺陷。
结构简单和小尺寸:相控阵雷达结构简单,尺寸小,不需要旋转部件,可以降低制造成本和提高使用寿命。
标定简单:相控阵雷达通过软件进行调节,简化了标定的难度。
高扫描速度和精度:相控阵雷达的扫描速度可以达到MHz量级,扫描精度可以达到千分之一度量级以上。
多目标监控:相控阵雷达可以分割为多个小模块,同时锁定监控多个目标。EVIDENT的相控阵探伤仪通过控制多个换能器的激发时序和相位来形成特定形状和方向的超声波波束,实现对被检测材料内部缺陷的精确扫描和成像。这种技术在无损检测领域具有广泛的应用前景和重要的实用价值。
高效检测:相控阵技术可以实现快速扫描,覆盖更大的检测区域,从而提高检测效率。例如,OmniscanX4全聚焦相控阵探伤仪支持多种超声技术,可以将不同的检测技术组合或分开使用,使整个焊缝区域都可以被覆盖,并轻松识别与定量缺陷。
精确成像:通过控制波束的形状和方向,相控阵技术可以获得更清晰的图像,有助于更准确地识别缺陷的位置、大小和性质。奥林巴斯探伤仪中的全聚焦方式成像和高级可视化能力进一步增强了图像的清晰度和检测结果的准确性。
灵活应用:相控阵技术可以适应不同的检测环境和对象,如桥梁、压力容器、航空航天器等。奥林巴斯探伤仪的轻便耐用设计以及强大的功能使得它成为这些领域广泛应用的无损检测工具。
应用领域
雷达系统:相控阵雷达是军事领域中最重要的应用之一,被广泛应用于机载雷达、舰载雷达、地面防空雷达等,能够快速探测和跟踪敌方飞机、舰艇、导弹等目标,为作战指挥提供及时准确的情报支持。
电子对抗:相控阵技术可用于电子对抗系统中的干扰机和反干扰设备,通过快速调整波束方向和频率,对敌方雷达和通信系统进行干扰,同时保护己方通信和雷达系统的正常工作。
卫星通信与导航:在军事卫星通信中,相控阵天线能够实现高增益、低旁瓣的波束指向控制,提高通信的保密性和抗干扰能力。此外,相控阵技术也应用于卫星导航系统的地面控制站和用户终端,增强信号的接收和处理能力。
民用航空:相控阵气象雷达是现代民用飞机的重要设备之一,能够实时监测飞机前方的气象状况,提前发现危险天气,为飞行安全提供保障。
航天探测:在航天飞行器上,相控阵天线用于卫星通信、遥感探测等任务。
5G通信:相控阵技术是5G通信中的关键技术之一,通过使用大规模天线阵列和波束赋形技术,提高通信系统的容量、频谱效率和覆盖范围。
工业检测:相控阵超声检测技术是一种先进的无损检测方法,广泛应用于航空航天、汽车制造、石油化工、电力等行业,用于检测金属材料和结构中的裂纹、孔隙、夹杂物等缺陷。EVIDENT的OmniscanX4多技术探伤仪结合了先进的全聚焦相控阵技术、直观的菜单功能以及优秀的成像分析能力,可以应用于各种材料的检测,包括金属、非金属、复合材料等,在腐蚀检测、焊缝检测、HTHA缺陷检测等方面被广泛使用。
此外,相控阵技术还在自动驾驶、车载通信、医学成像和超声治疗等领域展现出广阔的应用前景。
传统探伤检测:经典方法的“实用主义”
常用的探伤方法有:X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤(着色探伤)、涡流探伤、γ射线探伤、萤光探伤等方法。2022年奥林巴斯科学事业部拆分独立成立EVIDENT公司后,仍继续提供多种无损检测产品,包括涡流、涡流阵列、常规超声、全聚焦相控阵等。这些无损探伤产品各有特点,适用于不同的检测场景和需求。
涡流和涡流阵列:通常用于对复杂结构或难以接近的区域进行检测,通过旋转探头来覆盖更广泛的检测区域。
常规超声:是最常见的无损检测方法之一,适用于多种材料的缺陷检测。
相控阵技术:通过控制阵列中多个元素的激发和接收时间,可以形成灵活的声束,实现对复杂形状和结构的精确检测。
（1）超声波探伤检测
原理
超声波在介质中传播时有多种波型,检验中最常用的为纵波、横波、表面波和板波。用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂缝、缩管、白点、分层等缺陷;用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷;用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷;用板波可探测薄板中的缺陷。EVIDENT超声波探伤仪在定位不连续性和其它缺陷方面具有十分优秀的性能。同时各种软件选项进一步加强了探伤仪的检测性能。
超声波的发射与接收
发射超声波:超声波探伤仪通过探头发射高频超声波信号。这些超声波信号在材料中传播,遇到不同的介质或缺陷时会产生不同的反射和散射现象。
接收反射波:当超声波遇到材料内部的缺陷(如裂纹、气孔、夹杂物等)或不同介质的界面时,会发生反射。反射回来的超声波信号被探头接收并转换为电信号。
信号处理与显示
信号处理:接收到的电信号经过探伤仪内部的电路进行处理,包括放大、滤波、数字化等步骤,以提高信号的信噪比和分辨率。
结果显示:处理后的信号在探伤仪的显示屏上以波形图、图像等形式显示出来。检测人员可以通过观察这些波形图和图像来判断材料内部是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小和性质。
缺陷识别与定位
缺陷识别:根据反射波的形状、幅度和相位等特征,可以判断材料内部是否存在缺陷。不同类型的缺陷会产生不同的反射波特征,因此可以通过分析反射波来识别缺陷的类型。
缺陷定位:利用超声波在材料中的传播速度和反射波的传播时间,可以计算出缺陷在材料中的具体位置。通过移动探头并观察显示屏上的波形图或图像变化,可以实现对缺陷的精确定位。
.自动校准与测量
自动校准:奥林巴斯超声波探伤仪还具备自动校准功能,可以自动测试探头的“零点”、“K值”、“前沿”及材料的“声速”等参数,确保检测结果的准确性。
测量功能:除了检测缺陷外,探伤仪还可以测量材料的厚度、声速等物理量,为材料的质量评估提供重要依据。
应用
水浸(喷水)法检测钢管、锻件;单(双)探头检测焊缝;多探头检测大型管道;板材超声波探伤;复合材料超声探伤;非金属材料检测等应用。
EVIDENT超声波探伤仪能在不破坏材料的情况下进行检测,因此广泛应用于锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力等多个行业应用。
(2)相控阵探伤检测
原理
超声相控阵探伤是基于超声波的检测技术,通过控制超声波的发射和接收来检测材料内部的缺陷。相控阵探伤检测利用多个小压电晶片组成的探头,这些晶片可以独立控制,以产生超声波。当超声波在材料中传播时,如果遇到缺陷(如裂纹、气孔或夹杂物),会产生反射、折射或散射现象。通过调整晶片的发射时间,可以控制超声波的传播方向,形成特定的波束,从而对材料的特定区域进行精确扫描。奥林巴斯的相控阵设备可以高速生成被测材料内部结构准确、详细的横截面图。进行精准的测量,并获得可靠的结果。
应用
相控阵探伤仪在各行各业的应用都十分广泛,主要包括工业制造、航空航天、石油石化、建筑工程等。EVIDENT的OmniscanX4多技术探伤仪结合了先进的全聚焦相控阵技术、直观的菜单功能以及优秀的成像分析能力,在腐蚀检测、焊缝检测、HTHA缺陷检测等方面被广泛使用。
（3）涡流探伤/涡流阵列探伤检测
原理
涡流探伤仪是应用“电磁学”基本理论作为导体检测的基础。涡流的产生源于一种叫做电磁感应的现象。当将交流电施加到导体,例如铜导线上时,磁场将在导体内和环绕导体的空间内产生磁场。涡流就是感应产生的电流,它在一个环路中流动。之所以叫做“涡流”,是因为它与液体或气体环绕障碍物在环路中流动的形式是一样的。如果将一个导体放入该变化的磁场中,涡流将在那个导体中产生,而涡流也会产生自己的磁场,该磁场随着交流电流上升而扩张,随着交流电流减小而消隐。因此当导体表面或近表面出现缺陷或测量金属材料的一些性质发生变化时,将影响到涡流的强度和分布,从而我们就可以通过一起来检测涡流的变化情况,进而可以间接的知道导体内部缺陷的存在及金属性能是否发生了变化。
应用
(1)轴承外圈、轴承内圈、齿轮坯、环型金属零件、汽车零部件;
(2)铜管、钢管、不锈钢管、焊接管、铝塑管、钢丝、双层管、铜包铝、铜包钢、铝丝金属棒材等生产线在线及离线上的无损探伤;
(3)石油套管、抽油杆、空心轴等无损探伤;
(4)冷凝器管、空调器管、汽车油管等检测;
(5)适合于各种金属管棒线材的无损探伤。
EVIDENT的涡流检测设备采用了涡流探伤领域的先进技术,准确可靠,可用于各种探测表面或近表面的缺陷,以及对螺栓孔的检测。
技术对比:
维度相控阵技术传统探伤检测检测维度多维成像(2D/3D)单点或二维平面(如射线胶片)效率单次扫描覆盖大区域需多次移动或重复操作适用场景复杂结构、内部缺陷精准定位常规结构、表面或简单内部缺陷自动化程度高(可集成机器人)低(依赖人工操作)成本设备昂贵(50万-200万元)设备低廉(1万-20万元)
二、国产化进程:从技术追赶到生态构建
相控阵:打破海外“卡脖子”困局2020年前,国内高端相控阵设备90%依赖进口(如美国奥林巴斯、德国KK)。近年来,国产企业实现三大突破:
核心部件:武汉中科创新攻克“高密度压电复合材料探头”,寿命达进口产品的80%,价格仅为1/3。
软件算法:清华大学研发的“自适应声束优化算法”,使国产设备在曲面检测中的信噪比提升50%。
标准制定:中国特检院牵头发布《相控阵超声检测设备性能评价规范》,推动行业规范化。
传统探伤检测:从“量”到“质”的升级国产超声波探伤仪已占据全球70%市场份额,但高端数字化探头仍依赖进口。2023年,汕头超声电子推出首款国产全数字化探头,分辨率达到0.05毫米,打破日本企业垄断。
三、未来趋势:智能化融合与成本下探
“相控阵+AI”重构检测范式百度智能云与沈阳鼓风机集团合作开发的“AI缺陷识别系统”,接入相控阵检测数据后,误判率从8%降至1.5%,分析效率提升10倍。
传统检测的“物联网+”改造华为工业互联网平台为中小企业提供“探伤检测上云”方案,通过低成本的超声波探伤仪+5G传输,实现检测数据实时共享与专家远程诊断。
成本平衡点临近随着国产相控阵设备规模化生产,其价格已从2018年的均价120万元降至2023年的60万元,预计2025年将进一步下探至40万元,逼近中小企业可承受阈值。
四、挑战与政策应对
行业痛点
人才断层:相控阵操作需兼具声学、软件和行业知识的复合型人才,国内缺口超10万人。
标准滞后:复合材料、增材制造等新兴领域的检测标准尚未完善。
政策赋能
工信部《高端检测装备产业行动计划》提出,2025年前建成10个相控阵检测示范工厂。
教育部新增“智能检测工程”本科专业,年培养规模目标1万人。
相控阵技术与传统探伤检测并非“非此即彼”,而是构成工业质检体系的“双支柱”——前者聚焦高端制造的“攻坚战”,后者守护基础工业的“大本营”。在中国从“制造大国”迈向“质量强国”的征程中,两者将通过技术互补与生态协同,共同筑牢中国制造的品质长城。未来,随着智能化、国产化浪潮的推进,中国有望在全球无损检测领域从“跟跑者”蜕变为“领跑者”。（张青）
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