Was ist ein Array?

Ein Phased-Array-Sensor ist ein Ultraschallsensor mit mehreren Elementen, die gemeinsam gepulst werden können, um Schallwellen in eine bestimmte Richtung zu steuern. Dadurch können mehrere Prüfbereiche in einem einzigen Vorgang abgetastet werden.

Was ist ein Array?

Ein Array ist eine organisierte Anordnung großer Mengen eines Objekts. Die einfachste Form eines Ultraschall-Arrays für die zerstörungsfreie Prüfung ist eine Reihe von mehreren Einzelschwinger-Prüfköpfen, die so angeordnet sind, dass der Prüfbereich vergrößert und die Prüfgeschwindigkeit für eine Prüfung erhöht wird.

Verwendung von Phased-Array-Sensoren

Phased-Array-Sensoren werden für verschiedene ZfP-Prüfungen verwendet, wie:

• Prüfung von Rohren: Hierfür werden häufig mehrere Sensoren verwendet, um Risse zu erkennen, Laminarfehler zu finden und die Gesamtdicke zu messen.
• Prüfung von geschmiedeten Metallteilen: Hierfür sind häufig mehrere Sensoren erforderlich, die an verschiedenen Tiefen fokussiert sind, um kleine Fehler bereichsweise zu erfassen.
• Erkennung von Laminarfehlern in Verbundwerkstoffen oder von Korrosion in Metall: Hierfür werden Sensoren in linearer Anordnung auf einer Fläche verwendet.

Für diese Prüfungen braucht man mehrkanalige Hochgeschwindigkeits-Ultraschallgeräte mit entsprechenden Impulsgeneratoren, Empfängern und der richtigen Blendenlogik zur Bearbeitung von allen Kanälen. Dazu muss zur korrekten Einstellung des Prüfbereichs jeder Sensor sorgfältig befestigt werden.

In seiner einfachsten Form besteht ein Phased-Array-Sensor aus mehreren einzelnen Elementen in einem Gehäuse. Diese Elemente sind wesentlich kleiner als Schallköpfe für konventionellen Ultraschall und können gruppenweise angeregt werden, um eine steuerbare Wellenfront zu erzeugen. Durch diese programmierte elektronische Schallbündelbildung können viele Prüfbereiche schnell und ohne Bewegung des Sensors analysiert werden. Dies wird in diesem Tutorial noch ausführlicher erläutert.

Eigenschaften von Phased-Array-Sensoren

Phased-Array-Sensoren werden nach ihrer Funktion und nach folgenden Parametern eingeteilt.

Typ: Die meisten Phased-Array-Sensoren sind Winkelsensoren, die für die Verwendung mit einem Vorlaufkeil aus Kunststoff, einer geraden Backe aus Kunststoff (0°-Vorlaufkeil) oder einer Vorlaufstrecke ausgelegt sind. Kontaktsensoren und Tauchtechniksensoren stehen auch zur Verfügung.

Frequenz: Die meisten Ultraschallprüfungen werden bei Frequenzen von 2 MHz bis 10 MHz durchgeführt, so gehören die meisten Phased-Array-Sensoren in diesem Bereich. Sensoren mit niedriger und höherer Frequenz stehen auch zur Verfügung. Wie bei den Schallköpfen für konventionellen Ultraschall erhöht sich die Durchdringung mit der Abnahme der Frequenz, während Auflösung und Fokusschärfe sich mit steigender Frequenz erhöhen.

Anzahl Elemente: Phased-Array-Sensoren besitzen häufig 16 bis 128 Elemente, und einige sogar 256 Elemente. Eine größere Anzahl Elemente verbessert die Fokussier- und Steuerfähigkeit und kann zudem die Flächenabdeckung erhöhen. Doch mehr Elemente erhöhen auch die Kosten für Sensor und Gerät. Jedes dieser Elemente wird einzeln angeregt, um die gewünschte Wellenfront zu erzeugen. Daher wird die Abmessung quer über diese Elemente oft aktive oder Steuerrichtung genannt

Größe der Elemente: Mit abnehmender Breite der Elemente erhöht sich die Schallbündelsteuerungsfähigkeit. Eine großflächige Abdeckung erfordert jedoch mehr Elemente zu höheren Kosten.

Die Abmessungen eines Phased-Arrays werden üblicherweise wie folgt definiert:

Die Abmessungsparameter eines Phased-Array-Sensors werden normalerweise wie folgt definiert:

• N = Gesamtanzahl Elemente im Array
• A = Gesamtapertur der Steuerung oder der aktiven Richtung
• H = Elementhöhe oder Erhebung. Da diese Abmessung festgelegt ist, wird sie oft als passive Ebene bezeichnet.
• p = Abstand oder Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen
• e = Breite eines einzelnen Elements
• g = Abstand zwischen aktiven Elementen

Diese Angaben werden von der Gerätesoftware benötigt, um dem Schallbündel die gewünschte Form zu geben. Wenn sie nicht durch die automatische Sensorerkennung geliefert wurden, müssen sie vom Prüfer während der Konfiguration eingegeben werden.

Innenaufbau von Phased-Array-Sensoren

Phased-Array-Sensoren gibt es zwar in vielen verschiedenen Größen, Formen, Frequenzen und mit einer unterschiedlichen Anzahl Elemente, aber alle enthalten ein in Segmente unterteiltes piezoelektrisches Element.

Moderne Phased-Array-Sensoren für die zerstörungsfreie Prüfung in der Industrie haben meistens einen Kern aus einem piezoelektrischen Verbundwerkstoff, der aus winzigen, dünnen, in eine Polymer-Matrix eingebetteten Piezocompositestäben besteht. Wenn diese Sensoren aus Verbundwerkstoffen auch schwieriger herzustellen sind, bieten sie doch, verglichen mit piezokeramischen Sensoren derselben Bauweise, eine 10 dB bis 30 dB höhere Empfindlichkeit. Eine segmentierte metallisierte Schicht trennt die Verbundwerkstoffstreifen in mehrere elektrisch separate Elemente, die einzeln angeregt werden können. Diese segmentierte Einheit wird dann in den Sensor eingefügt, der aus einer Schutzschicht, einer Trägerschicht, Kabelverbindungen und dem Gehäuse besteht.

Konfigurationen von Phased-Array-Sensoren

Die obige Animation zeigt ein lineares Array mit rechteckiger Ankoppelfläche. Dies ist eine übliche Konfiguration für ein Phased-Array. Arrays können in einer Matrix angeordnet sein, für mehr Schallbündelsteuerung an einem Oberflächenquerschnitt, oder in kreisförmigen Arrays für mehr kegelförmige Fokussierung.

Phased-Array-Sensoren können in mehreren verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein, mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Übliche Phased-Array-Sensorkonfigurationen sind:

Linearer Phased-Array-Sensor

Lineare Phased-Array-Sensoren haben Elemente, die in einer geraden Linie angeordnet sind. Sie sind die häufigste Konfiguration bei Phased-Array-Ultraschallprüfungen. Lineare Phased-Array-Sensoren sind einfach herzustellen, aber sie müssen für eine tiefe Fokussierung groß sein. 

Ringförmiger Phased-Array-Sensor

Ringförmige Phased-Array-Sensoren und segmentierte ringförmige Phased-Array-Sensoren verfügen über Elemente, die in Kreisringen mit einem gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet sind. Diese Sensoren können elliptische und sphärische Schallbündel mit Steuerungsfähigkeiten an verschiedenen Tiefen erzeugen. Jedoch ist die Herstellung aufgrund ihrer komplexen Konstruktion herausfordernd.

Konvexer Phased-Array-Sensor

Konvexe Phased-Array-Sensoren, auch gekrümmte Phased-Array-Sensoren genannt, haben Elemente, die in einer bogenförmigen Linie angeordnet sind. Diese Sensoren eignen sich für gründliche Prüfungen, aber die Bildauflösung kann mit zunehmender Tiefe abnehmen. 

Quadratischer Phased-Array-Sensor

Bei quadratischen Phased-Array-Sensoren sind die Elemente in quadratischen Mustern angeordnet. Diese Konstruktion bietet eine hervorragende Steuerungsfähigkeit, aber sie erschwert die Herstellung von quadratischen Phased-Array-Sensoren.

Kreisförmiger Phased-Array-Sensor

Bei kreisförmigen Phased-Array-Sensoren sind die Elemente kreisförmig angeordnet, ohne einen gemeinsamen Mittelpunkt. Sie bieten eine hervorragende Steuerungsfähigkeit an unterschiedlichen Tiefen, insbesondere bei gekrümmten Prüfteilen. Die Herstellung kreisförmiger Phased-Array-Sensoren wird jedoch aufgrund ihrer komplexen Konstruktion erschwert.