超声相控阵检测技术课件
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• B扫能直观显示缺陷在纵截面上的二维特性，获得 截面直观图。
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15
超声波的扫描和显示
• C型显示：又称C扫。以反射回波作为辉度调制信 号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在 荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平 面投影图；
• 这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不 能确定缺陷的深度；
标准的相控阵
动态深度聚焦
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31
精确延时控制验证方法
• 用FPGA实现精度为2ns的延时控制，对于发射来说， 调试与验证比较容易，只需要一个多通道 500MHz的 示波器就可以。从FPGA发射一个方波同步脉冲和一个 方波激励脉冲，一级一级的往后测试，直至相控 阵 探头。通过示波器可以观察从FPGA到探头整个电路的 系统延时以及激励脉冲相对于同步脉冲的延时间隔， 该间隔由FPGA内部参数决定，并且可以修改。
• 探头更少 • 机械部分少
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6
实验室的相控阵仪器： OminiScan
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7
相控阵探头
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8
OminiScan的主要性能
• 有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块； • 全功能S扫描，A，B，C扫描，图形直观，快捷，方便； • USB接口，RS-232接口，视频输出和以太网接口； • 数据存储卡，接近计算机的人机界面； • 完整的报告设置；
• 理论分析显示，只有尽力提高相位延时的精度、分 辨率和稳定性，才能显著地抑制旁瓣，提高声束的 横向和纵向分辨力，改善成像清晰度。
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26
相控阵相位延迟的方法
• 模拟延迟方法： 过去的医用B超中，模拟延迟线，如LC网络直接 对模拟信号延迟，用电子开关分段切换获得不同 的延迟量； 缺点：1.体积庞大，结构复杂； 2.不便实现动态聚焦和信号处理； 3.电气参数难以确定；
• 另一部分是在粗延时的基 础上基于可编程数字延 迟线的细延时，细延时量为采样周期的小数 倍， 一般能达到10ns以内的延时分辨率
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28
相控阵相位延迟的方法
• FPGA • 数字延迟线
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29
FPGA在系统中的作用
• FPGA
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30
FPGA在系统中的作用
• FPGA
• 科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上 海交通大学；
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5
相控阵的优点
• 探头尺寸更小； • 检测难以接近的部位； • 检测速度快，检测灵活性更强； • 可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ； • 通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫
描，对试件进行高速，全方位和多角度检测； • 由于以下因素可以节约系统成本：
Wave front
Element
相控阵探头波束偏转 (发射)
波束发射过程中通过软件施加精确延时 产生带角度波束；
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35
相控阵波束接收
相控阵波束形成 (接收)
接收过程中通过软件施加精确延时;
只有符合延时法则的信号保持同相位,并
在合计后产生有效信号。
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36
相控阵的两个重要特点
• 接收延时控制是否准确的验证困难一些。因为接收的 不是方波脉冲，而是探头单元固有频率的近似正弦超 声信号。为了验证延时控制是否正确，需要在超声波 接收电路之前加上一个不连续的，只有若干周期的正 弦信号，一般的信号发生器没有这种功能。利用系统 上的FPGA配合100MHzD／A比较容易产生这种特殊信号。
相控偏转示意图
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37
相控聚焦示意图
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38
波束的产生与聚焦
用不同的延时 激发晶片产生 不同外形的波 束
这是一个纵波 各个晶片延时 相等
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39
波束偏转
用不同的 延时激发晶 片产生不同 外形的波束
需要精确 计算延迟时 间，才能指 向性好
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40
波束聚焦
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21
相控阵接收
换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号， 其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各 阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿， 然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增 强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时， 通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方 法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。
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27
数字延迟方法
• 受硬件条件的限制 ，CPLD很难达到 l0ns以内的延 时分辨率 ，并且要达到高延迟分辨率 ，最大延迟 会很小。
• 相控发射数字高精度延时模块的设计分为两部分， 一部分是基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的粗延时， 粗延时一般基于晶振时钟计数，延时值为时钟周 期的整数倍，通常为 10ns以上。
• 国内的相控阵仪器还没有商品化；
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4
相控阵国内应用
• 相控阵技术目前在国内真正做到大量应用的尚只有西气 东输工程，在航空系统和核工业系统等一些部门也有少 量的应用；
• 西气东输：2000年9月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARD相控阵全自动超声检测系统。2001年，从西 气东输一标段的实验段，截至一标段主体管线完工时， 实际检测了焊缝6919道，其结果和射线底片结果的符合 率达80％以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未 熔合缺陷；
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3
相控阵国内研究进展
• 2000年8月由中国石油天然气管道科学研究院等单 位组成了研究开发实体，于2001年5月在中国石油 天然气集团公司申请立项了“大口径环焊缝相控 阵超声波无损检测设备研制”科技开发项目，并 于2003年3月顺利通过了中国石油天然气集团公司 的鉴定，该项目的研制成功填补了国内空白，达 到了国外同类产品的水平。
超声相控阵检测技术
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1
超声相控阵综述
• 超声相控阵技术已有近2O多年的发展历史，初期主 要应用于医疗领域，医学超声成像中。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制。
• 近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚 焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、 纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和 计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域 中的综合应用。使得超声相控阵检测技术得以快速 发展，逐渐应用于工业无损检测。
• 扫查宽度局限于:
• 阵列中晶片的数量 • 采集系统支持的通道数量
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43
电子扫查
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不依靠任何机械运 动就将波束沿阵列的 一个轴线移动的能力。
这种移动是靠晶片 的时间多路传输技术 实现的。
波束的移动取决于 探头的几何外形 可能 出现以下几种情况：
–线形扫查
–扇形扫查
–横向扫查
加在每个晶片 上的不同的延 时; 产生的波束 在早期、中期 和焦点处的形 状。
为了聚焦和倾 斜, 我们采用复 合曲线和抛物 线。
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41
相控阵的扫描方式
线性扫描
扇形扫PPT描学习交流
深度聚焦
42
激活晶片组
电子扫查
• 探头不作任何机械移动， 而波束沿晶片阵列方向作 电子扫查。
• 通过对激活晶片组进行多 路延时，使波束产生移动。
–以上扫查的组合
44
动态深度聚焦示意图
动态深度聚焦
DDF，超声束沿
声轴线,对不同
聚焦深度进行扫
描。
实际上,发射
声波时使用单个
聚焦脉冲,而接
收回波时则对所
有编程深度重新
聚焦。
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45
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在 用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
51 33 19 9 52 34 20 10
3
2
1
4
5
6 14 26 42 13 25 41 61
11 53 35 21
22 54 36
37 55
56
X =-6.5, Y= -6.5 --> X= 6.5
12 24 40 60
23 39 59
38
58 57
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13
相控阵探头设计参数
晶片阵列方向孔径 (A) 晶片加工方向宽度 (H) 单个晶片宽度 (e) 两个晶片中心之间的间距 (p)
有大缺陷
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19
超声相控阵的检测原理
• 相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器 阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则发 射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中 的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法；
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20
相控阵发射
超声相控阵应用许多的单元换能器来产生和接 收超声波波束。通常在一维或多维上排列若干单 元换能器组成阵列。利用事先设计确定好的各自 独立的发射和时间延迟电路来依次激励一个或几 个单元换能器，产生具有可控的人为预定的确定 相位的声波，所有单元换能器在检测对象中产生 的超声声场相互干涉迭加，从而得到预先希望的 波束入射角度和焦点位置，形成发射聚焦或声束 偏转等效果；
• 一般A扫和C扫结合： A扫显示深度信息； C扫显示缺陷形状及当量信息；
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16
超声轴+扫查轴 B扫
编码轴+扫查轴 C扫
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17
编码轴+扫查轴 C扫
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18
超声波探伤方法
• 共振法；脉冲回波法；穿透法； • 脉冲回波法原理(超声相控阵也是基于此原理)：
无缺陷
有小缺陷
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14
超声波的扫描和显示
• A型显示：A扫，工业超声检测中应用最多，是目 前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；
• 荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代 表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度 和时间确定缺陷的大小和存在的位置。
• B型显示：又称B扫。它以反射回波作为辉度调制 信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上纵坐标 表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置， 反映缺陷的水平延伸情况；
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32
精确的延迟时间的计算
• 相位偏转：
S id si n T c
T idsin C
其中，S为相邻两个阵元之间的波程差;d为相邻两个阵元之
间的距离; 为声波偏转后与法线的夹角。
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33
精确的延迟时间的计算
• 相位聚焦
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34
相控阵波束发射
Time
Delay Focal law
PPT学习交流22系来自组成原理图PPT学习交流
23
• 如图
设计的探头
每片PZT晶片的尺寸18mm*2.5mm*0.8mm,
晶片中心频率为3.5MHZ，相邻的晶片中心
距为3mm.图中所示为PZT晶片宽度方向。
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24
超声波发射（放大）电路
PPT学习交流
25
相控阵系统的相位延迟
• 相位延时是实现超声相控阵原理的基本环节,在相控 发射中，需要精确控制相位延时，以实现动态聚焦、 相位偏转、相位偏转、声束形成等各种相控效果；
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12
探头的几何外形
Y=8.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
X =-7.9, Y= -8.0 - -> X= 7.9
Y=4.4
45678911011121314156 3 2 1
X =-4.4, Y=-4.4 -- > X =4.4
线形阵 1维 线形 阵 2维 矩形 阵
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9
OminiScan仪器实际检测的图片
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10
压电晶片
• 天然石英晶体、一水硫酸锂晶体、碘酸锂、铌酸锂、 钛酸钡、锆钛酸铅(PZT),钛酸铅、偏铌酸铅和极化 的多晶陶瓷等等。
• 最常用：PZT • 压电效应
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11
阵列探头的基本构造
1.压电晶片；2.声阻尼块；3.耦合层； 4.声透镜；5.导线。
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2
相控阵国外研究进展
• 目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新型 管道全自动超声检测仪已经进入实用阶段，代表了管 道焊缝检测技术的发展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先将相控阵检测技术应用于管道探伤领域， 开发了相控阵全自动超声检测系统。
• 相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫 查方向和聚焦深度的控制，可以以同一个探头来实现 不同壁厚、不同材质管道焊缝的检测任务，克服了常 规多探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范 围窄以及设备沉重的缺点。
圆形阵 1维 环形 阵 2维 扇形 阵
Y =1.9
4
8
12
16
20
24
28
32
3
7
11
15
19
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2
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10
14
18
22
26
30
1
5
9
13
17
21
25
29
X=-3.9, Y=-1.9 --> X=3.9
Y=6.5
47 48
30 49 31
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
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15
超声波的扫描和显示
• C型显示：又称C扫。以反射回波作为辉度调制信 号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在 荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平 面投影图；
• 这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不 能确定缺陷的深度；
标准的相控阵
动态深度聚焦
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31
精确延时控制验证方法
• 用FPGA实现精度为2ns的延时控制，对于发射来说， 调试与验证比较容易，只需要一个多通道 500MHz的 示波器就可以。从FPGA发射一个方波同步脉冲和一个 方波激励脉冲，一级一级的往后测试，直至相控 阵 探头。通过示波器可以观察从FPGA到探头整个电路的 系统延时以及激励脉冲相对于同步脉冲的延时间隔， 该间隔由FPGA内部参数决定，并且可以修改。
• 探头更少 • 机械部分少
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6
实验室的相控阵仪器： OminiScan
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7
相控阵探头
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8
OminiScan的主要性能
• 有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块； • 全功能S扫描，A，B，C扫描，图形直观，快捷，方便； • USB接口，RS-232接口，视频输出和以太网接口； • 数据存储卡，接近计算机的人机界面； • 完整的报告设置；
• 理论分析显示，只有尽力提高相位延时的精度、分 辨率和稳定性，才能显著地抑制旁瓣，提高声束的 横向和纵向分辨力，改善成像清晰度。
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相控阵相位延迟的方法
• 模拟延迟方法： 过去的医用B超中，模拟延迟线，如LC网络直接 对模拟信号延迟，用电子开关分段切换获得不同 的延迟量； 缺点：1.体积庞大，结构复杂； 2.不便实现动态聚焦和信号处理； 3.电气参数难以确定；
• 另一部分是在粗延时的基 础上基于可编程数字延 迟线的细延时，细延时量为采样周期的小数 倍， 一般能达到10ns以内的延时分辨率
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28
相控阵相位延迟的方法
• FPGA • 数字延迟线
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29
FPGA在系统中的作用
• FPGA
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30
FPGA在系统中的作用
• FPGA
• 科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上 海交通大学；
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5
相控阵的优点
• 探头尺寸更小； • 检测难以接近的部位； • 检测速度快，检测灵活性更强； • 可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ； • 通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫
描，对试件进行高速，全方位和多角度检测； • 由于以下因素可以节约系统成本：
Wave front
Element
相控阵探头波束偏转 (发射)
波束发射过程中通过软件施加精确延时 产生带角度波束；
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35
相控阵波束接收
相控阵波束形成 (接收)
接收过程中通过软件施加精确延时;
只有符合延时法则的信号保持同相位,并
在合计后产生有效信号。
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相控阵的两个重要特点
• 接收延时控制是否准确的验证困难一些。因为接收的 不是方波脉冲，而是探头单元固有频率的近似正弦超 声信号。为了验证延时控制是否正确，需要在超声波 接收电路之前加上一个不连续的，只有若干周期的正 弦信号，一般的信号发生器没有这种功能。利用系统 上的FPGA配合100MHzD／A比较容易产生这种特殊信号。
相控偏转示意图
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37
相控聚焦示意图
PPT学习交流
38
波束的产生与聚焦
用不同的延时 激发晶片产生 不同外形的波 束
这是一个纵波 各个晶片延时 相等
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39
波束偏转
用不同的 延时激发晶 片产生不同 外形的波束
需要精确 计算延迟时 间，才能指 向性好
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40
波束聚焦
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21
相控阵接收
换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号， 其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各 阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿， 然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增 强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时， 通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方 法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。
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数字延迟方法
• 受硬件条件的限制 ，CPLD很难达到 l0ns以内的延 时分辨率 ，并且要达到高延迟分辨率 ，最大延迟 会很小。
• 相控发射数字高精度延时模块的设计分为两部分， 一部分是基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的粗延时， 粗延时一般基于晶振时钟计数，延时值为时钟周 期的整数倍，通常为 10ns以上。
• 国内的相控阵仪器还没有商品化；
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相控阵国内应用
• 相控阵技术目前在国内真正做到大量应用的尚只有西气 东输工程，在航空系统和核工业系统等一些部门也有少 量的应用；
• 西气东输：2000年9月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARD相控阵全自动超声检测系统。2001年，从西 气东输一标段的实验段，截至一标段主体管线完工时， 实际检测了焊缝6919道，其结果和射线底片结果的符合 率达80％以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未 熔合缺陷；
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相控阵国内研究进展
• 2000年8月由中国石油天然气管道科学研究院等单 位组成了研究开发实体，于2001年5月在中国石油 天然气集团公司申请立项了“大口径环焊缝相控 阵超声波无损检测设备研制”科技开发项目，并 于2003年3月顺利通过了中国石油天然气集团公司 的鉴定，该项目的研制成功填补了国内空白，达 到了国外同类产品的水平。
超声相控阵检测技术
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1
超声相控阵综述
• 超声相控阵技术已有近2O多年的发展历史，初期主 要应用于医疗领域，医学超声成像中。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制。
• 近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚 焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、 纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和 计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域 中的综合应用。使得超声相控阵检测技术得以快速 发展，逐渐应用于工业无损检测。
• 扫查宽度局限于:
• 阵列中晶片的数量 • 采集系统支持的通道数量
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电子扫查
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不依靠任何机械运 动就将波束沿阵列的 一个轴线移动的能力。
这种移动是靠晶片 的时间多路传输技术 实现的。
波束的移动取决于 探头的几何外形 可能 出现以下几种情况：
–线形扫查
–扇形扫查
–横向扫查
加在每个晶片 上的不同的延 时; 产生的波束 在早期、中期 和焦点处的形 状。
为了聚焦和倾 斜, 我们采用复 合曲线和抛物 线。
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41
相控阵的扫描方式
线性扫描
扇形扫PPT描学习交流
深度聚焦
42
激活晶片组
电子扫查
• 探头不作任何机械移动， 而波束沿晶片阵列方向作 电子扫查。
• 通过对激活晶片组进行多 路延时，使波束产生移动。
–以上扫查的组合
44
动态深度聚焦示意图
动态深度聚焦
DDF，超声束沿
声轴线,对不同
聚焦深度进行扫
描。
实际上,发射
声波时使用单个
聚焦脉冲,而接
收回波时则对所
有编程深度重新
聚焦。
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45
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在 用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
51 33 19 9 52 34 20 10
3
2
1
4
5
6 14 26 42 13 25 41 61
11 53 35 21
22 54 36
37 55
56
X =-6.5, Y= -6.5 --> X= 6.5
12 24 40 60
23 39 59
38
58 57
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相控阵探头设计参数
晶片阵列方向孔径 (A) 晶片加工方向宽度 (H) 单个晶片宽度 (e) 两个晶片中心之间的间距 (p)
有大缺陷
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19
超声相控阵的检测原理
• 相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器 阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则发 射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中 的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法；
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相控阵发射
超声相控阵应用许多的单元换能器来产生和接 收超声波波束。通常在一维或多维上排列若干单 元换能器组成阵列。利用事先设计确定好的各自 独立的发射和时间延迟电路来依次激励一个或几 个单元换能器，产生具有可控的人为预定的确定 相位的声波，所有单元换能器在检测对象中产生 的超声声场相互干涉迭加，从而得到预先希望的 波束入射角度和焦点位置，形成发射聚焦或声束 偏转等效果；
• 一般A扫和C扫结合： A扫显示深度信息； C扫显示缺陷形状及当量信息；
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超声轴+扫查轴 B扫
编码轴+扫查轴 C扫
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编码轴+扫查轴 C扫
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超声波探伤方法
• 共振法；脉冲回波法；穿透法； • 脉冲回波法原理(超声相控阵也是基于此原理)：
无缺陷
有小缺陷
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超声波的扫描和显示
• A型显示：A扫，工业超声检测中应用最多，是目 前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；
• 荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代 表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度 和时间确定缺陷的大小和存在的位置。
• B型显示：又称B扫。它以反射回波作为辉度调制 信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上纵坐标 表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置， 反映缺陷的水平延伸情况；
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精确的延迟时间的计算
• 相位偏转：
S id si n T c
T idsin C
其中，S为相邻两个阵元之间的波程差;d为相邻两个阵元之
间的距离; 为声波偏转后与法线的夹角。
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精确的延迟时间的计算
• 相位聚焦
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相控阵波束发射
Time
Delay Focal law
PPT学习交流22系来自组成原理图PPT学习交流
23
• 如图
设计的探头
每片PZT晶片的尺寸18mm*2.5mm*0.8mm,
晶片中心频率为3.5MHZ，相邻的晶片中心
距为3mm.图中所示为PZT晶片宽度方向。
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超声波发射（放大）电路
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25
相控阵系统的相位延迟
• 相位延时是实现超声相控阵原理的基本环节,在相控 发射中，需要精确控制相位延时，以实现动态聚焦、 相位偏转、相位偏转、声束形成等各种相控效果；
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12
探头的几何外形
Y=8.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
X =-7.9, Y= -8.0 - -> X= 7.9
Y=4.4
45678911011121314156 3 2 1
X =-4.4, Y=-4.4 -- > X =4.4
线形阵 1维 线形 阵 2维 矩形 阵
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OminiScan仪器实际检测的图片
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压电晶片
• 天然石英晶体、一水硫酸锂晶体、碘酸锂、铌酸锂、 钛酸钡、锆钛酸铅(PZT),钛酸铅、偏铌酸铅和极化 的多晶陶瓷等等。
• 最常用：PZT • 压电效应
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阵列探头的基本构造
1.压电晶片；2.声阻尼块；3.耦合层； 4.声透镜；5.导线。
PPT学习交流
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相控阵国外研究进展
• 目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新型 管道全自动超声检测仪已经进入实用阶段，代表了管 道焊缝检测技术的发展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先将相控阵检测技术应用于管道探伤领域， 开发了相控阵全自动超声检测系统。
• 相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫 查方向和聚焦深度的控制，可以以同一个探头来实现 不同壁厚、不同材质管道焊缝的检测任务，克服了常 规多探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范 围窄以及设备沉重的缺点。
圆形阵 1维 环形 阵 2维 扇形 阵
Y =1.9
4
8
12
16
20
24
28
32
3
7
11
15
19
23
27
31
2
6
10
14
18
22
26
30
1
5
9
13
17
21
25
29
X=-3.9, Y=-1.9 --> X=3.9
Y=6.5
47 48
30 49 31
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7