Метод полной фокусировки (Total Focusing Method, TFM) представляет собой передовую технологию ультразвукового контроля с использованием фазированных решёток. В отличие от традиционных методов, TFM обеспечивает синтетическую фокусировку ультразвукового луча в каждой точке контролируемой области, что позволяет получать изображения с исключительно высоким разрешением и точностью. Этот метод стал возможным благодаря комбинации полного матричного захвата данных (Full Matrix Capture, FMC) и мощных алгоритмов реконструкции.
TFM революционизирует подход к ультразвуковому контролю, предлагая беспрецедентную детализацию изображения дефектов, их точную характеристику и количественную оценку. Технология особенно эффективна для контроля сварных швов, выявления коррозии, обнаружения трещин и других дефектов в критически важных компонентах аэрокосмической, нефтегазовой, энергетической и других отраслей промышленности.
Определения по стандарту EN 23864:2020
3.1 Полная матрица (Full Matrix): Матрица, состоящая из n×m ячеек, соответствующих всем комбинациям m переданных сигналов и n полученных сигналов, причем каждая ячейка матрицы содержит сигнал временной области А-скана.
3.2 Метод полной фокусировки (Total Focusing Method, TFM): Синтетическая фокусировка, которая состоит из реконструкции внутри области интереса, чтобы сфокусироваться на многих точках, которые образуют сетки путем обработки части или всей информации А-скана применимых комбинаций передатчик-приемник, с учетом пройденного пути от передатчика до точки изображения и приемника, обычно выполняемого с данными полного матричного захвата (FMC).
3.3 Метод полной фокусировки (схемы): Сбор данных и схемы визуализации, при этом схема сбора включает полный матричный захват, а схема формирования изображения включает вычисление изображения методом полной фокусировки, и где схема сбора данных и визуализации может быть выполнена с использованием нескольких аналогичных технологий.
Как работает FMC/TFM?
Full Matrix Capture (FMC) — это метод сбора всех возможных ультразвуковых данных с фазированной решётки. Он выполняется с использованием стандартного преобразователя с фазированной решёткой с призмой или без неё.
- Полный охват: FMC — это способ сбора данных, при котором каждый элемент решётки поочерёдно активируется в качестве передатчика.
- Независимость от объекта: Этот метод не требует предварительных знаний об объекте контроля (ни о его форме, ни о скоростях звука в материале).
- Последовательная активация: Каждый элемент активируется ("выстреливает") один за другим.
- Полная запись: Все элементы решётки записывают сигналы в режиме приёма для каждой активации передатчика. Таким образом, сохраняется полная матрица сигналов (A-скан) для последующей обработки.
Рисунок 1: Принцип полного матричного захвата данных (FMC). Каждый элемент поочерёдно передаёт, а все элементы принимают сигналы.
После сбора полной матрицы данных FMC применяется алгоритм метода полной фокусировки (TFM) для синтеза изображения контролируемой области.
Алгоритм TFM обрабатывает сохранённую матрицу сигналов. Для каждого пикселя в заданной области интереса (ROI) система вычисляет теоретическое время прохождения ультразвуковой волны от каждого передающего элемента до этого пикселя и обратно до каждого приёмного элемента. Затем производится когерентное суммирование всех соответствующих амплитуд из матрицы FMC. В результате в каждой точке изображения формируется сфокусированный сигнал с оптимальным соотношением сигнал/шум и пространственным разрешением.
Рисунок 2: Синтез изображения контролируемой области методом полной фокусировки (TFM).
Ключевые преимущества метода TFM
- Оптимальная фокусировка и пространственное разрешение везде: В отличие от традиционных методов, луч сфокусирован в каждой точке изображения, а не только вдоль определённой линии или в одной глубине.
- Прямая визуализация большой площади: Позволяет получать чёткое изображение значительной области за одно положение датчика.
- Все достижимые углы одновременно: Один набор данных FMC содержит информацию для формирования изображения под всеми возможными углами для данной решётки.
- Улучшенная характеристика дефекта: Высокое разрешение позволяет лучше определять форму, ориентацию и тип дефекта.
- Комплексная визуализация: Представление данных в виде интуитивно понятных C-скан, D-скан или 3D-изображений.
Точность амплитуды в TFM
Одним из критически важных аспектов TFM является выбор размера пикселя (шага сетки), используемого для реконструкции изображения. Этот параметр напрямую влияет на точность измерения амплитуды сигнала от дефекта.
Размер пикселя зависит от нескольких факторов:
- Требуемое пространственное разрешение.
- Общая площадь покрытия (область интереса, ROI).
- Минимальная скорость сканирования (для динамического контроля).
- Необходимая точность определения амплитуды изображения.
Таким образом, оператору важно определить критерии, чтобы оценить, был ли выбор размера пикселя адекватным и правильным для конкретной задачи.
Точность амплитуды — это критерий, который определяет, правильно ли дискретизировано изображение TFM для сохранения информации об амплитуде. Другими словами, пиксели, составляющие изображение TFM, должны быть достаточно малы для корректного измерения пиковой амплитуды сигнала из матрицы FMC.
Рисунок 3: Влияние размера пикселя на точность отображения амплитуды сигнала от искусственного дефекта (λ - длина волны). Слева направо: λ/20, λ/5, λ/3.
Если сетка TFM слишком грубая (большой шаг пикселя), инспектор может пропустить небольшой отражатель. Если же для определения размера дефекта используются методы, основанные на амплитуде, его размер может быть существенно недооценён.
Требования стандартов:
- ASME V указывает, что точность амплитуды должна сохраняться на уровне 2 дБ или менее, и процедура проверки этой точности должна быть включена в аттестованную методику контроля.
- Другие стандарты могут требовать точность 2 дБ, если для определения размера используется амплитуда, и 4 дБ, если определение размера не зависит от абсолютной амплитуды сигнала.
Существует несколько способов проверки или расчёта точности амплитуды для конкретной настройки. Некоторые системы TFM рассчитывают теоретическую точность, основываясь в основном на центральной частоте преобразователя. Однако теоретический расчёт не учитывает другие важные параметры: свойства материала (затухание), качество призмы, положение сетки относительно них, частоту дискретизации FMC, диапазон и т.д.
Практическая проверка точности амплитуды (согласно ISO)
Стандарт ISO описывает практический способ выполнения проверки достоверности амплитуды. Эта процедура реализована в программном обеспечении Capture от Eddyfi Technologies:
- Преобразователь позиционируется и фиксируется над образцом, содержащим ряд вертикальных искусственных отражателей (например, боковые сверления, SDH).
- Система рассчитывает 20 изображений TFM, каждый раз сдвигая сетку изображения с малым шагом (λ/20).
- Для каждого из 20 изображений TFM извлекается амплитуда сигнала от каждого отражателя (SDH).
- Точность амплитуды (AF) рассчитывается по формуле: AF = 20 log (наибольшее значение [% FSH] / наименьшее значение [% FSH]).
- Процедура считается успешной, если значение AF для каждого отражателя меньше 2 дБ.
- Проверку необходимо выполнить для трёх положений ряда отражателей: в середине ROI и в 2 мм от каждого её края (слева и справа).
Видео: Реализация процедуры проверки точности амплитуды в программном обеспечении Capture.
Коррекция чувствительности (DAC/TCG) для TFM
Идея коррекции чувствительности (часто называемой DAC - Distance Amplitude Correction или TCG - Time Corrected Gain) в TFM та же, что и в обычном ультразвуковом контроле: обеспечить одинаковую амплитудную характеристику для дефекта одного и того же размера, расположенного в любой точке контролируемой области.
Особенности применения в TFM:
- Для PAUT стандарт ASME указывает, что все отдельные лучи должны быть откалиброваны для обеспечения измерения расстояния и коррекции амплитуды на звуковом тракте.
- TFM не использует лучи в традиционном понимании, но каждый столбец (вертикальная линия) реконструированного изображения может быть отображён как A-скан. Калибровка амплитуды должна гарантировать, что эти A-сканы показывают одинаковую амплитуду для идентичного дефекта в любом месте области TFM.
Процедура калибровки:
- Преобразователь располагается так, чтобы искусственный отражатель (SDH) отображался вдоль одного края изображения TFM.
- Преобразователь перемещается вдоль ряда отражателей.
- Система записывает амплитуду сигнала от каждого отражателя для каждого столбца (пикселя по горизонтали) изображения TFM.
- В конце процесса система вычисляет и применяет поправочные коэффициенты для каждого столбца, чтобы выровнять амплитуды по всей ширине изображения.
Рисунок 4: Схема перемещения датчика над рядом отражателей для построения кривой коррекции чувствительности (TCG) в TFM.
На изображении ниже показано, как после успешной коррекции TCG амплитуда сигнала от трёх одинаковых отражателей на разной глубине составляет 80% от высоты экрана (FSH) для трёх различных положений датчика, что свидетельствует о корректной настройке.
Рисунок 5: Результат успешной калибровки коррекции чувствительности (TCG). Амплитуда от трёх отражателей выровнена.
Важные замечания по калибровке TCG для TFM
- Скорость сканирования: При сборе данных для построения TCG скорость должна быть достаточно низкой, чтобы избежать пропусков в откликах от отражателей. Если TCG рассчитана с такими пропусками, ПО (например, Capture) попытается их компенсировать, применив очень высокий коэффициент усиления для соответствующих столбцов, что приведёт к ошибкам в амплитуде во время контроля.
- Условия контакта (связи): Часто требуется перемещать датчик в обоих направлениях, так как отклик от отражателя может меняться из-за изменений в качестве акустического контакта.
- Автоматизация в ПО: В современных системах (как в Capture) оператор размещает маркеры вокруг каждого отражателя на изображении. Система автоматически строит эходинамику для каждого, вычисляет необходимое усиление для каждого столбца TFM на каждой глубине и применяет корректировку.
Видео: Процедура настройки коррекции чувствительности (TCG) для метода TFM.
Сравнение TFM с традиционными методами сканирования
TFM vs. Электронное сканирование
TFM vs. Секторное сканирование (S-Scan)
Слева направо: Принцип электронного сканирования, секторного сканирования (S-Scan) и метода полной фокусировки (TFM).
Преимущества и применение технологии FMC/TFM
Комбинация Full Matrix Capture (FMC) и Total Focusing Method (TFM) устанавливает новый стандарт в ультразвуковом контроле с фазированными решётками. Эта технология, доступная в передовых системах, таких как Mantis, Gekko и новейший Cypher® от Eddyfi Technologies, предлагает значительные преимущества перед традиционными методами.
Ключевые преимущества технологии FMC/TFM
- Превосходное качество изображения: Оптимальное соотношение сигнал/шум (SNR) и пространственное разрешение во всей контролируемой области.
- Улучшенная выявляемость дефектов: Особенно эффективна для обнаружения мелких, сложноориентированных и перекрывающихся дефектов.
- Точное измерение размеров: Высокое разрешение позволяет более точно определять длину, высоту и форму индикаций.
- Универсальность: Один набор данных FMC может быть обработан несколько раз с разными настройками TFM (разные скорости, типы волн) для оптимального выявления различных типов дефектов.
- Повышенная достоверность контроля: Интуитивно понятные C-сканы и D-сканы облегчают интерпретацию результатов и принятие решений.
- Совместимость с другими технологиями: Идеально сочетается с такими методами, как Plane Wave Imaging (PWI) и TOFD для создания комплексных гибридных методик контроля.
Области применения: Технология FMC/TFM успешно применяется для контроля сварных швов (включая кольцевые швы труб), выявления коррозии и эрозии, контроля кованых и литых деталей, инспекции композитных материалов, а также в аэрокосмической и энергетической отраслях для контроля критически важных компонентов.
Для достижения максимальной производительности и чувствительности метода TFM его часто комбинируют с технологией визуализации плоскими волнами (Plane Wave Imaging, PWI). Узнать больше о синергии этих методов можно в нашей статье: Повышение производительности и чувствительности с помощью метода полной фокусировки TFM и Plane Wave Imaging (PWI).
