超声相控阵检测系统

超声相控阵检测系统
超声相控阵检测系统
摘要：在无损检测领域里，超声检测凭借可靠、安全、经济的优势，得到了越来越广泛的应用。

超声相控阵系统由于具有独特的线性扫查、动态聚焦、扇形扫描的特点，成为近几年超声检测领域里的一个研究热点。

本文介绍了超声相控阵的发展、在工业领域中的应用以及国内外现状。

简述了超声相控阵系统工作原理、主要特点及相控阵系统的探头、超声发射接收电路、超声成像部分。

说明了超声相控阵的研究在无损检测领域里具有广阔的应用前景。

关键词：无损检测；超声相控阵；相控阵探头；超声成像
Ultrasonic phased array testing system
Liu Shengchun
（College of information and communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, Heilongjiang 150001, China）
Abstract:In non-destructive detecting field, depending on the superiorities of credibility, security and economy, ultrasonic detecting is getting more and more broad application. Ultrasonic phased array system which has characteristics of linearity scanning , dynamic focus and sector scanning, is becoming a hot research in the ultrasonic detecting field in recent years.This paper introduce the development, status quo of ultrasonic phased array, and its application in industry. Briefly describe its work principle, main characteristic and phased array system including probe,ultrasonic transmitting and receiving circuit and ultrasonic imaging. It illuminates that there is a wide application foreground of ultrasonic phased array's
research in non-destructive detecting field.
Key words:Non-destructive defecting;Ultrasonic phased array;Phased array probe;Ultrasonic imaging
1 引言
超声相控阵技术已有40多年的发展历史，初期，由于系统的复杂
性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限，主要应用在医疗领域[1,2]，如通过相控阵快速移动声束对被检器官成像[3]；利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌[4]。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，特别是在核工业及航空工业领域，如薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测[5]；核废料罐电子束环焊缝的全自动检测[6]；核电站主泵隔热板的检测[7]。

近几年，随着超声相控阵技术发展，在油气管道领域里，超声检测正在代替射线检测[8-11]，因为采用相控阵技术检测焊缝缺陷降低了漏检的危险[12]。

现在，在相控阵系统设计、系统仿真、生产测试和应用等方面已取得一系列的发展，OLYMPUS 、SIEMENS及IMASONIC等公司已生产出超声相控阵检测系统及相控阵换能器。

还有，动态聚焦相控阵系统[13]，二维阵列、自适应聚焦相控阵系统[14]，表面波及板波相控阵换能器[15]和基于相控阵的数字成像系统的研制、生产、应用及完善已成为研究重点。

其中，自适应聚焦技术[16]尤为突出，它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则，实现声束的优化控制，提高了缺陷的检出率。

我国计算机与超声检测技术的结合始于70年代末，重点是研究超声信号的采集、量化和信号处理问题。

目前，国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，虽然出现了一些多通道超声探伤仪器，可实现多声束同时探伤，但因角度调节不够灵活
（仍需改变探头型号），为此移动也不方便，不易实现全自动化，所以仍然不能满足大批量焊缝探伤的要求，而国外已有商品化的相控阵检测设备出售，但其成本高昂，一台设备售价为二三百万人民币，在国内普及应用难度较大。

因此，全自动化超声相控阵检测系统的研究具有重大意义。

2 超声相控阵工作原理及特点
全自动超声相控阵的工作原理框图如图1所示。

它由检测人员操作超声相控阵系统软件，在软件中输入工件的各个参数，软件根据聚焦法则自动计算出延时时间，并将延时时间、增益、滤波等参数传递到超声数据采集卡，数据采集卡再根据延时时间参数生成延时脉冲激励探头产生超声波，不同延时时间脉冲产生的超声波会形成不同的聚焦偏转波束，这个聚焦偏转波束作用于工件，在工件里产生反射回波，探头接收来自于工件的超声回波信号，并将这些回波信号传递给超声信号数据采集卡处理，得到合成信号。

合成信号按照一定的数据格式，经USB传输线传递到超声相控阵系统软件中，软件再将这些合成信号以多种成像方式显示出来，最后，检测人员根据这些图像分析缺陷、评估工件。

图1 超声相控阵工作
原理框图
与常规超声检测系统相比[17]，它具有如下特点：
1、可提高检测速度；
2、不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段；
3、通常不需要复杂的扫查装置，不需要更换探头就可以实现对整个或所关心区域的多角度方向扫查；
4、优化控制焦距长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优势；
5、扫查方式种类多，数据成像形式多样化，缺陷分析简单，定量更精确。

3 超声相控阵检测系统
3.1 相控阵探头
超声相控阵技术需使用不同形状的多阵元换能器来满足构建检测的需求。

根据晶片阵列形式的不同，主要有一维线性阵列，一维环形阵列，二维矩形阵列、二维分段交错环形阵列和圆形阵列五种形式[18]，不同形状的超声相控阵换能器如图2所示。

图2 相控阵探头阵元几何排列示意图
与面形和环形阵列相比，线形阵列具有容易加工，发射接收延迟控制电路较简单，容易实现等优点，因此在实际应用中使用较多。

环形阵列由于不能进行声束偏转控制，大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计。

其中二维分段交错环形阵列比较特殊，
专门
用于棒材检测。

由于目前加工工艺限制，及电路复杂和制作成本高，使二维矩形阵列仍主要应用于医用B超上，工业上很少使用。

圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷[18,19]。

探头的结构也影响超声成像的效果，现在在医学成像中已经出现不少研究成果。

对于探头频带宽度小的检测系统，回波信号的高次谐波非常微弱，因此没法采用高次波信号成像，而采用不同频率的阵列交叉组合[20]，可以扩大频带宽度，从而使得高次谐波分量加强，能够提高成像质量，但是大量的晶振增加了在基础频率处阵列换能器能量的损耗。

用最低限度冗余二维矩形阵列实现三维成像[21]，采用的十字阵列探头减小了阵元数目，成像效果好，但是这样对硬件的依赖性高。

探头选取是与检测方法紧密联系在一起的，对于不同的被检材料，因检测方法不同而选择不同的探头。

探伤前，应该根据探伤对象的形状、衰减和技术要求来选择探头。

超声波探伤频率在0.5～10MHz之间，选择范围大。

频率的高低对探伤有较大的影响。

频率高，灵敏度和分辨率高，容易测定缺陷的位置和尺寸，指向性好，对探伤有利；但频率高，近场区长度大，衰减大，对探伤不利。

实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率。

一般保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。

另一方面，焊缝中危险性缺陷大多与超声主声束成一角度，探头频率过高，缺陷反射性指向性越好，回波反而不易被探头所接收，故频率不宜太高。

3.2 超声发射接收电路
超声发射接收处理电路是超声相控阵
系统电路设计的核心，负责超声信号的发射、接收和处理[22]，其示意图如图3所示。

处理电路包括多个通道，且其各通道性能一致，能够保证同一缺陷在不同通道检测时具有相同的结果，同时具有很强的适应能力，各通道可用不同工作频率检测不同量程和在不同缺陷判定标准下进行检测。

另外还有增益可调和探伤灵敏度随即补偿功能及较强的抗干扰能力。

图3超声发射接收处
理电路
超声发射和处理电路中核心部分为信号和控制处理模块，这个模块不仅提供发射和接收电路的控制信号，而且控制波束形成的延时时间。

杨斌[23提出了以CPLD为核心的延时控制模块，采用普通的二进制加法计数来实现16通道的延时控制，输出延时脉冲没有毛刺，电路简单易实现，但是延时精度较低，为10ns。

Mario Joao Simoes Ferreira dos Santos等[24]提出了基于FPGA的延时方案，使得延时电路小型化、可开发程度高，但是延时精度低，仅为20ns。

李爽，徐春广等[25提出了用FPGA调粗延时结合可编程集信号
控制
和处
理模
块
数
据
传
输
模
块
超声发射电路（多路）
超声接收电路（多路）
探
头
(多
个)
成电路DS1020调细延时的延时方案，延时精度高，能达到1ns。

但是只提到了发射电路的延时，而没有提出接收电路的延时方案。

王瑞，李伯全等[26]在基于FPGA的超声相控阵系统接收装置设计一文中，提出了一种基于FPGA技术,VHDL语言描述的8通道超声相控阵系统接收装置的硬件设计方法，通过倍频能将延时精度控制在2ns，节省了硬件空间，但是没有考虑到FPGA是分段式布线，延时时间不可预测，延时结果不够精准。

骆英、王伟等[27]在基于FPGA的超声相控阵相控发射系统的研究一文中提出了基于系统时钟的相控粗延时以及基于数字波形相位差的相控细延时两者结合实现延时的方式，系统相位精度达到了0.35°，对应着250 kHz发射信号下3.75ns 的延时精度，同时由于FPGA具有系统可重配置性能,使设计修改更加灵活、方便。

对于超声发射电路模块的延时设计，采用基于FPGA的方案，可以避免模拟延迟线的繁琐，使得电路简单，设计更灵活，同时可以得到高精度的延时时间。

3.3 超声成像
超声相控阵具有多种扫查方式：扇形扫查、线性扫查、深度扫查，如图4所示。

（a）深度扫查
（b ）扇形扫查
（c ）线性扫查 图4 相控阵扫查方式
深度扫查是通过波束的聚焦来控制，通过不同的聚焦法则来实现不同深度的聚焦,如图4中(a)所示。

扇形扫查通过探头的波束偏转来控制，晶片的激发时间不同，从而产生不同角度的波束偏转，如图4中（b ）所示。

线性扫查是不同的时间激发不同的晶片，从而形成电子扫查，如图4中（c ）所示。

由于超声相控阵有多种扫查方式，因此有多种成像方式[28,29]，
其中常见的有：A 扫图、B 扫图、扇扫图，如图5所示。

A 扫图
B 扫图
扇
扫图
图5 超声相控阵常见
的成像视图
Cesar Buque,Jan van der Ent,
Niels
信
号幅值
超声轴
扫查轴
超声轴
Portzgen等提出了IWEX技术[17]，从2-D 成像变成3-D成像，使得缺陷显示更形象，可以直接得到缺陷的尺寸、位置。

但是基于瑞利积分理论具有局限性，横向分辨率较低。

李爽、周世园等提出了一种B型成像处理方法[30]，选取适当的阈值对图像进行了二值化处理，消除了一些伪像，提高了图像的分辨率，但是由于数据处理过程中舍入误差的影响，对缺陷精度的确定性还有待改进。

对于超声相控阵成像显示，它直接影响着操作人员判读检测结果，因此精确、易读的成像方式能够提高缺陷检测的准确率，比如3D成像。

4 结论
通过对超声相控阵的国内外的发展状况、以及在工业领域里的应用描述，以及对它的工作原理、主要特点的、系统构成的介绍，说明了超声相控阵检测系统在无损检测领域里有着广泛的应用前景。

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