Page 104 - 无损检测2024年第十期
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王善鸿：
机车轮辋缺陷相控阵超声检测的 POD 分析
在无损检测过程中，仪器、传感器、工件材料、 PAUT多角度扫查相比UT单角度扫查在提高缺陷
工件形状、缺陷位置、缺陷形态、环境温度、人员操 检出率上更具优势，为机车轮辋探伤体系中超声检
作水平等因素均会对检测结果的一致性、可靠性造 测工艺可靠性的研究提供了理论依据。
成影响，因此，基于上述检测过程变量进行无损检
测可靠性分析是近年来一个研究热点 [3-4] 。POD（缺 1 PAUT声束偏转原理
陷检出率）分析是无损检测可靠性分析中的一种方 根据声波的物理特性，超声波探头晶片越小，由
法，无损可靠性分析基于可靠性工程，最早起源于 于衍射效应和声波能量的分散，发射的超声波声场
20 世纪 60 年代进行的飞机零部件缺陷可靠性研 扩散角越大。常规超声检测为保证足够的灵敏度和
究 。POD的计算需要大量的检测数据，早期的研 声束指向性，通常选择尺寸较大的晶片，其声束传播
[5]
究多采用试验手段获取POD数据，具有效率低、成 方向是预先设定的。相控阵探头则采用特定排列的
本高的缺点。后来，欧美国家纷纷建立了相关计算 多个晶片阵列，每个晶片尺寸足够小。相控阵电子
模型，对POD进行数值模拟，并进行了粗晶材料不 单元通过特定时序的激发规则激发每个小晶片，使
同缺陷尺寸检出率的确定、裂纹表面粗糙度对检出 各小晶片发射的超声波束在空间叠加合成，从而获
率的影响等一系列研究。国内对无损可靠性的研究 得声束波阵面叠加偏转的效果，超声声束的传播、合
起步较晚，通过试验、数值模拟也取得了一定的研究 成和偏转示意如图1所示。超声声束波阵面遇到目
成果。 标后产生的回波信号到达各阵元的时间也会存在差
文章主要通过数值模拟的方法，结合机车轮辋 异，相控阵电子单元按照回波到达各阵元的时间差
实际周向、径向缺陷分布情况，对比分析了UT和 对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，从
PAUT检测对不同尺寸缺陷检出率的影响，说明了 而得到准确的声束偏转后的回波信号 。
[1]
图 1 超声声束的传播、合成和偏转示意
2 POD分析原理 性关系，通过线性关系预测的信号响应幅值与实际
值之间存在随机性误差，该误差应满足一个与缺陷
POD分析是采用统计学的方法，对不同因素下
尺寸无关的标准正太分布。当信号响应幅值不小于
检测到的大量离散结果进行分析，并建立函数来表
示相关参数之间的关系与置信区间（如检测信号与 检测工艺要求的检出信号阈值表示为缺陷检出，阈
缺陷尺寸之间的关系），并根据信号的概率分布计算 值线与概率密度函数所围区域的面积即为该缺陷
每一缺陷尺寸对应的检出概率进而生成检出概率曲 尺寸对应的POD，信号响应型数据POD计算原理
线，从而得到对应检测过程变量下特定类型不同尺 如图2所示，图中A dec 为检测工艺要求的检出阈值，
寸缺陷的检出概率与置信度。 P OD （a 1 ）和P OD （a 2 ）为缺陷尺寸为a 1 和a 2 时的检出
POD分析所需要的大量数据可通过试验测得， 率。为保证POD结果的可靠性，输入信号响应样本
也可以通过理论建模仿真模拟获得。笔者主要对比
量不得少于30组。当采用同样的工艺多次重复检测
机车轮辋的UT和PAUT两种检测工艺的POD差
同一个缺陷时，缺陷位于计算的POD范围内或者范
异，其他检测过程变量相同。因此，采用仿真模拟法
围外均是可能的，因此还需要对POD的可信程度进
对比UT检测和PAUT检测对不同尺寸、深度、取向
的周向、径向缺陷进行检测时的POD差异。仿真模 行量化，一般采用置信度（Confidence Level）来描述。
拟结果记录为“signal response”（信号响应）模式， 通常选取 95%置信度下的POD作为参考指标，即
即记录每个仿真结果的信号响应幅值。假设信号响 P OD（conf.） =P OD（95%） ；选取90%概率和95%置信度检
应幅值（或其对数）与缺陷尺寸（或者其对数）成线 出缺陷尺寸作为衡量检测工艺的指标，即a90/95.
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2024 年 第 46 卷 第 10 期
无损检测
