超声相控阵检测技术 PPT
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超声相控阵检测技术ppt课件
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；
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；
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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)
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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。
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；
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
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。
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
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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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；
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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)
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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。
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；
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
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。
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
相控阵原理 ppt课件
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3 相控阵探头
相控阵技术
武汉中科创新技术股份有限公司
10mm
0.1 0.2 0.3 0.4mm 缺陷自身高度
缺陷之间的距离 = 10 mm
右图可以看出相控阵图像的缺陷大小依 次增大，说明相控阵技术的分辨率高。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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3 相控阵探头
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常规探头
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
9
1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
10
1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
国内外研究现状 ——超声相控阵
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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2 超声相控阵检测原理
武汉中科创新技术股份有限公司
相控阵技术的优点
相控阵技术相对于X线检测技术优势：
１）耗材成本小，使用成本低； ２）检测结果更全面，各维数据显示全面，判性信息更加齐全； ３）超声检测更加环保，现场使用更加方便； ４）现场操作简单，扫查速度快，检测效率高。
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3 相控阵探头
相控阵技术
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常量
使用相控阵仪器和探头声束角度可以被改变. 单个探头就可以覆盖全部焊缝检测区域
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3 相控阵探头
相控阵技术
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2 1
超声相控阵检测
案例二：医学影像诊断的实例
总结词
高分辨率、实时成像、无辐射
详细描述
超声相控阵技术在医学领域的应用，如心脏、血管、腹部等部位的超声成像。通过高分辨率和实时成 像的特点，为医生提供无创、无辐射的检查手段，提高诊断准确性和治疗效果。
案例三：其他领域的实际应用
总结词
灵活、多功能、适应性广
详细描述
超声相控阵技术还应用于航空航天、材料科学、能源等领域。通过其灵活的聚焦和调控 能力，实现了对复合材料、燃料电池等复杂结构的检测和评估，推动了相关领域的技术
轨道交通领域
在轨道交通领域，超声相控阵检测用于对列车轮对、转向架和车体结构等进行无 损检测。
该技术能够检测出材料内部的疲劳裂纹和损伤，预防事故发生，保障列车运行安 全。
压力容器和管道检测
• 在石油化工和核能等领域，压力容器和管道的安全性至关重 要。超声相控阵检测能够高效地检测出这些设备内部的裂纹、 腐蚀和焊缝质量等问题。
该技术可以与其他无损检测技 术相结合，形成更加完善的检 测方案，提高检测的准确性和 可靠性。
研究展望
01
进一步深入研究超声相控阵检测技术的物理机制和数学模型，提高检 测的精度和可靠性。
02
探索更加先进的相控阵列设计和信号处理方法，提高检测的分辨率和 灵敏度。
03
加强超声相控阵检测技术在特殊环境和极端条件下的应用研究，拓展 其应用领域。
02
超声相控阵检测原理
超声相控阵检测技术概述
超声相控阵检测技术是一种基于超声波的检测 技术，通过控制超声波的相位和振幅，实现对 物体的无损检测和评估。
该技术利用一组超声波发射器和接收器，通过 控制每个发射器的相位和振幅，形成所需的超 声波束，实现对物体的全面扫描和检测。
超声相控阵技术简介课件
其他应用案例详解
超声相控阵技术在其他领 域的应用
除了医疗和无损检测领域，超声相控阵技术 还可以应用于其他领域，如军事、环保等。 例如，在军事领域，超声相控阵技术可以用 于探测潜艇、水雷等目标；在环保领域，可 以用于水质监测、土壤污染调查等。
案例介绍
以水质监测为例，超声相控阵技术可以对水 体中的悬浮物、有机物等进行快速、准确的
相控阵技术基础知识
相控阵技术的定义
相控阵技术是一种利用相位差控制波束指向的技术，通过控制阵列中各个天线元 素的相位差，可以实现波束的动态扫描。
相控阵技术的应用
相控阵技术被广泛应用于雷达、声纳、无线通信等领域，可以实现高性能的定向 传输和信号处理。
03
超声相控阵技术设备与系统
超声相控阵探头及扫描系统
下领域
石油工业：在石油工业中，超 声相控阵技术可以用于检测油 井套管、管道等设备的缺陷。
电力工业：在电力工业中，超 声相控阵技术可以用于检测变 压器、电机等设备的内部缺陷
。
航空航天：在航空航天领域， 超声相控阵技术可以用于检测 飞机、火箭等飞行器的结构完
整性。
05
超声相控阵技术发展趋势与挑 战
超声相控阵技术发展趋势
无损检测案例详解
超声相控阵技术在无损检测领域的应用
超声相控阵技术可以用于材料和结构的无损检测，如航空航天、汽车制造等领域。通过相控阵技术， 可以对材料和结构进行快速、准确的检测，确保产品的质量和安全。
案例介绍
以航空航天领域为例，超声相控阵技术可以对飞机发动机叶片进行无损检测，检测叶片的裂纹、气孔 等缺陷，确保飞机的安全运行。
检测，为环境保护提供科学依据。
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相控阵原理 ppt课件
1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
规范化的应用情况
ASME CC 2235-8、9明确是可用于替代射线检测的方法之一 ASTM E1961-1998相控阵技术可用于天然气管线焊缝分区聚焦超声检测 DNV-OS-F101允许相控阵技术用于海上石油管线建设焊缝分区聚焦超声
检测 中石油《管道对接环焊缝全自动超声波检测》企业标准
• 2001年，我国首次在国家重点工程——西气东输中应用 了相控阵技术，即PIPEWIZARD全自动超声检测系统。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
研究历史
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• 相控阵技术广泛应用于各医院的B超检测中，精确测量人体各器官位置及尺寸变化；
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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1 技术背景
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研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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国内外研究现状 ——超声相控阵
2 超声相控阵检测原理
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相控阵的功能
➢ 改变声束位移 ➢ 改变声束角度 ➢ 改变聚焦距离和聚焦特性 ➢ 电子扫描 ➢ 电子扫描成像
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2 超声相控阵检测原理
基本概念
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探头阵列 将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立
小单元探头的阵列。
相位控制 独立控制各个阵元的发射和接收的微小延时，
超声波相控阵检测技术及其使用ppt课件
4
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
新一代相控阵技术
经过角度增益 补偿后的成像 显示
5
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
超声波相控阵检测技术及其 应用
1
常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
典型应用：叶片检测
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
传统工业相控阵成像
传统工业相控阵成像
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
■ 然而相控阵技术从医疗领域向工业领域跃进的过程存在着很多技术难题无法 解决，因此最早的工业相控阵设备都是直接把医疗相控阵方法直接照搬到工业机 型上面。这种技术的应用和成像描绘的模式对于工业探伤来说，存在着很多隐患 和需要改进的问题。
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新一代相控阵技术
经过角度增益 补偿后的成像 显示
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超声波相控阵检测技术及其 应用
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
典型应用：叶片检测
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传统工业相控阵成像
传统工业相控阵成像
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
■ 然而相控阵技术从医疗领域向工业领域跃进的过程存在着很多技术难题无法 解决，因此最早的工业相控阵设备都是直接把医疗相控阵方法直接照搬到工业机 型上面。这种技术的应用和成像描绘的模式对于工业探伤来说，存在着很多隐患 和需要改进的问题。
相控阵超声检测技术
相控阵超声检测技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊相控阵超声检测技术，这可真是个了不起的玩意儿啊！你想想看，我们平常检查东西，就像是在黑夜里摸瞎，不知道里面到底啥情况。
但有了相控阵超声检测技术，那就好比给我们安上了一双超级眼睛，可以清楚地看到物体内部的状况。
这难道不神奇吗？相控阵超声检测就像是一个神奇的侦探，能把那些隐藏在材料深处的小秘密都给挖出来。
它可以检测各种材料，从金属到塑料，从大机器到小零件，就没有它搞不定的。
这多厉害呀！它的工作原理呢，其实也不难理解。
就好像一群小士兵，排好队听指挥，一起发出声波，然后根据声波的反馈来了解情况。
这些小士兵可机灵了，能快速地调整自己的位置和角度，确保把每个角落都检查得仔仔细细。
而且啊，相控阵超声检测技术还有一个特别牛的地方，就是它特别精准。
不像有些检测方法，马马虎虎的，结果让人心里没底。
它就像是一个精确的狙击手，指哪打哪，一瞄一个准。
这对于那些要求特别高的行业来说，简直就是大救星啊！比如说在航空航天领域，那可都是高精尖的东西，一点点小问题都可能引发大灾难。
相控阵超声检测技术就能帮他们早早地发现问题，及时解决，避免出现大麻烦。
这就好比是给飞机装上了一道保险，让我们坐飞机的时候也能更安心。
在医疗领域，它也能大显身手呢！可以帮助医生更清楚地了解病人身体内部的情况，更好地进行诊断和治疗。
你说，这是不是很厉害？咱再想想，如果没有相控阵超声检测技术，那得有多少问题发现不了啊！那些隐藏的裂缝、缺陷，说不定啥时候就爆发出来，造成严重的后果。
但有了它，我们就可以提前发现，提前解决，把危险扼杀在摇篮里。
总之，相控阵超声检测技术就是我们的好帮手，让我们能更清楚地看到这个世界，让我们的生活变得更安全、更可靠。
它就像是一盏明灯，照亮了我们探索未知的道路。
难道你不想多了解了解它吗？相信我，一旦你深入了解了它，你一定会对它赞不绝口的！相控阵超声检测技术，真的太棒啦！。
超声相控阵检测技术
超声相控阵技术与其他无损检测技术（如X射线、涡流等） 的融合应用，将进一步提高检测的准确性和可靠性。
智能化与自动化
借助人工智能和机器学习技术，超声相控阵检测技术正朝 着智能化和自动化方向发展，实现自动缺陷识别、自动报 告生成等。
面临的主要挑战
Байду номын сангаас
01
复杂形状与结构的检测
对于复杂形状和结构的部件，超声相控阵检测技术的适应性有待提高，
应用领域与前景
应用领域
超声相控阵检测技术可应用于各种金属和非金属材料的无损检测，如钢铁、铝合金、钛 合金、陶瓷、复合材料等。具体应用包括焊缝检测、铸件检测、锻件检测、管道检测、
压力容器检测等。
前景
随着新材料、新工艺的不断涌现和无损检测标准的不断提高，超声相控阵检测技术将朝着更高分辨率、更快 检测速度、更智能化等方向发展。同时，随着5G、物联网等新技术的不断发展，超声相控阵检测技术将实现
远程在线监测和实时数据分析等功能，为工业生产和质量控制提供更加便捷、高效的技术支持。
02
超声相控阵检测系
统组成
超声换能器阵列
01
02
03
线性阵列
由一排等间距的超声换能 器组成，用于一维扫描。
矩阵阵列
由二维排列的超声换能器 组成，可实现二维扫描和 三维成像。
环形阵列
由环形排列的超声换能器 组成，适用于管道、圆柱 形容器等特殊形状工件的 检测。
需要开发更先进的算法和探头设计。
02
信号处理与数据分析
随着检测精度的提高，产生的数据量也大幅增加，对信号处理和数据分
析提出了更高的要求。
03
成本与普及
虽然超声相控阵检测技术具有诸多优势，但其高昂的成本限制了其在一
智能化与自动化
借助人工智能和机器学习技术，超声相控阵检测技术正朝 着智能化和自动化方向发展，实现自动缺陷识别、自动报 告生成等。
面临的主要挑战
Байду номын сангаас
01
复杂形状与结构的检测
对于复杂形状和结构的部件，超声相控阵检测技术的适应性有待提高，
应用领域与前景
应用领域
超声相控阵检测技术可应用于各种金属和非金属材料的无损检测，如钢铁、铝合金、钛 合金、陶瓷、复合材料等。具体应用包括焊缝检测、铸件检测、锻件检测、管道检测、
压力容器检测等。
前景
随着新材料、新工艺的不断涌现和无损检测标准的不断提高，超声相控阵检测技术将朝着更高分辨率、更快 检测速度、更智能化等方向发展。同时，随着5G、物联网等新技术的不断发展，超声相控阵检测技术将实现
远程在线监测和实时数据分析等功能，为工业生产和质量控制提供更加便捷、高效的技术支持。
02
超声相控阵检测系
统组成
超声换能器阵列
01
02
03
线性阵列
由一排等间距的超声换能 器组成，用于一维扫描。
矩阵阵列
由二维排列的超声换能器 组成，可实现二维扫描和 三维成像。
环形阵列
由环形排列的超声换能器 组成，适用于管道、圆柱 形容器等特殊形状工件的 检测。
需要开发更先进的算法和探头设计。
02
信号处理与数据分析
随着检测精度的提高，产生的数据量也大幅增加，对信号处理和数据分
析提出了更高的要求。
03
成本与普及
虽然超声相控阵检测技术具有诸多优势，但其高昂的成本限制了其在一
3.相控阵超声检测
通过动态聚焦实现超声 轴方向上的多缺陷辨识
通过角度扫查增大检测范围
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相控阵超声检测技术优势
5. 独特的成像方法 相控阵检测独有的成像模式，例如扇形扫查(S扫)极 大地提高了检测效率，缩短了缺陷判别时间。
相控阵S扫图
与电子扫查结合生成的 融合S扫图
11
相控阵超声检测技术优势
6. 便携性的检测设备 无损检测企业推出了各种电池供电的相控阵检测设 备，方便检测人员带到检测现场进行探伤。
22
相控阵聚焦法则原理
相控阵聚焦法则--声束偏转
通过控制各阵元的激励脉冲从左到右等间隔增加延 迟时间，从而使合成的波阵面沿特定角度传播，实 现波束的偏转。
线性探头8个阵元的延迟时间
23
相控阵聚焦法则原理
相控阵聚焦法则--声束聚焦
使两端阵元先激励，逐渐向中间加大延迟时间，使 合成波阵面形成具有一定曲率的圆弧面，声束指向 曲面圆心，实现波束的聚焦。
相控阵探伤人员需要熟练掌握超声、机械、计算机 以及机械制图知识才能够进行正确的检测。 4. 检测校准费时、复杂 相控阵检测校准过程十分复杂，且周期较长。
5. 成像与分析耗时较长
由于相控阵技术本质上是一种多通道检测技术，因 此检测过程中的图像显示及缺陷分析耗时较长，为了 能实时地进行图像显示，需要更高性能的计算机。
50
发展方向
发展方向
1. 加大力度使得相控阵检测标准化，方便检测人 员掌握与运用相控阵检测知识；同时加大研究力度 在相控阵设备的制造上，在提升检测设备性能基础 上降低设备成本。
2. 采用后处理成像技术，将相控阵探头当做数据采 集器使用，分析过程全部由计算机根据采集到的数 据自动进行分析处理。
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超声波相控阵检测技术及其使用ppt课件
使用楔块
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
使用楔块
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角度增益补偿
因素 3: 探头中的信号衰减能量损失随入射角度而变化(楔块中声程 随角度加大而加大)
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常 见 心 律 失 常心电 图诊断 的误区 诺如病 毒感染 的防控 知识介 绍责任 那些事 浅谈用 人单位 承担的 社会保 险法律 责任和 案例分 析现代 农业示 范工程 设施红 地球葡 萄栽培 培训材 料
Sina1 Sinb S1
VL1
VS 2
a a1 a0
b b a 第一种情况 S 1S0 0 M i0 gr
没有声束偏转
b b a 第二种情况
S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块前端漂移; 楔块延迟增加
b b a Case 2 S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块后端漂移; 楔块延迟减小
2. 有效阵列孔径保持不变
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线性波形模式
19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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使用楔块
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角度增益补偿
因素 3: 探头中的信号衰减能量损失随入射角度而变化(楔块中声程 随角度加大而加大)
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Sina1 Sinb S1
VL1
VS 2
a a1 a0
b b a 第一种情况 S 1S0 0 M i0 gr
没有声束偏转
b b a 第二种情况
S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块前端漂移; 楔块延迟增加
b b a Case 2 S 1S0 0 M i0 gr
入射点向楔块后端漂移; 楔块延迟减小
2. 有效阵列孔径保持不变
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线性波形模式
19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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超声相控阵检测技术共52页
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
超声相控阵检测技术
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
பைடு நூலகம்
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
超声相控阵检测技术
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
பைடு நூலகம்
超声相控阵检测教材第三章超声相控阵技术
第三章超声相控阵技术3.1 相控阵的概念3.1.1相控阵超声成像超声检测时，如需要对物体内某一区域进行成像，必须进行声束扫描。
相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图3-1所示。
图3-1 相控阵超声聚焦和偏转3.2 相控阵工作原理相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制，采用先进的计算机技术，对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制，以获得最佳的波束特性。
这些关键数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。
3.2.1相位延时相控阵超声成像系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射/接收信号的相位延迟（phase delay），可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果，形成清晰的成像。
可以说，相位延时（又称相控延时）是相控阵技术的核心，是多种相控效果的基础。
相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大。
就波束的旁瓣声压而言，文献研究表明，延时量化误差产生离散的误差旁瓣，从而降低图像的动态范围。
其均方根（RMS）延时量化误差与旁瓣幅值之比为（式3-1）式中，；N-----阵元数目；μ----中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。
图3-2示出了延时量化误差引起的旁瓣随N、μ变化的关系曲线。
早期的超声成像设备如医用B超中，由LC网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟，用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量。
这种延迟方式有两大缺点：①延迟量不能精细可调，只能实现分段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的LC网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电气参数难以未定，延时量会发生温漂、时漂、波形容易被噪声干扰。
（a）μ=8时，旁瓣随N变化曲线（b）μ=16时，旁瓣随μ变化曲线图3-2旁瓣与N、μ关系图近来采用数字延时来代替原来的模拟延时。
超声相控阵技术简介ppt课件
二维阵列
矩阵
lo-theta阵列
阵元数大。 阵元小。 二维控制。
准二维阵列
矩阵
周向环阵
阵元数不大。 阵元不小。 二维控制。
声束位置控制
• 控制阵列探头各晶片的开 关，使开启的晶片组合的 中心位置改变，从而改变 产生和接收的超声波轴线 位置，实现声束位置的控 制。
声束角度控制
• 沿阵列的排列方向各晶片的 位置线性控制其发射和接收 的相位延时，使各晶片波前 叠加后如同平面探头转动了 一个方向后产生的波前，实 现声束的角度控制
的 投影图像
P扫描 E（End）端视
T（Top）顶视
S（Side）侧视
扇扫（S扫）
电子栅格扫查（E扫）
• 横向分辨率高，能实现较长距离的一维电子扫查 • 线扫的探头一般在扫描方向较大
扇扫（S-Scan）
• 相控阵扇扫一般指固定声束位置，连续偏转合成声束的角度， 记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫描角度和回波传输延 时确定像素的位置，回波幅度确定像素的亮度或彩色，显示所 有回波记录的过程。形成的图像外形像一个扇面叫扇扫图像。
相控阵超声技术应用介绍（一） 简介
相控阵超声
• 相位控制的探头阵列 • 控制检测声束的特性
• 位置 • 偏角 • 聚焦
技术特征
• 单晶探头检测声场特性
• 整体辐射 • 单一指向性 • 单一声束特性
• 相控阵探头检测声场特性
• 可控部分辐射 • 可控偏角指向 • 可控聚焦
一维阵列
线阵
径向环阵
阵元数少。 阵元大。 功能单一。
• 合成声束
• 发射整体波阵面合成 • 接收信号延时合成
合成孔径（ Synthetic Aperture）
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超声相控阵检测技术
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探头的几何外形
Y = 8 .0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 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
超声相控阵检测技术
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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。
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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。
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超声相控阵检测技术
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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。
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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。
• 探头更少 • 机械部分少
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超声相控阵检测技术
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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；
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；
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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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；
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；
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；
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)：
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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)
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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。
无缺陷
有小缺陷
有大缺陷
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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；
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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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：
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
51 33 19 9 52 34 20 10
3
2
1
4
5
6 14 26 42 13 25 41 61
11
12
53 35 21
22
23
54 36
37
38
55
56
57
X=-6 .5 , Y=-6 .5 --> X =6 .5
24 40 60 39 59 58
线形阵 1维 线形 阵 2维 矩形 阵
圆形阵 1维 环形 阵 2维 扇形 阵
Y = 1 .9
4
8
12
16
20
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