第二章 相控阵检测技术 (2)
相控阵超声检测知识点总结
相控阵超声检测知识点总结相控阵超声检测是一种先进的无损检测技术，已广泛应用于航空航天、国防军工、工业制造等领域。
它利用多个超声传感器和复杂的信号处理技术，能够实现高分辨率、高灵敏度的缺陷检测，并具有全方位、多角度探测能力。
本文将对相控阵超声检测的原理、优势和应用进行详细介绍。
原理相控阵超声检测利用多元超声传感器阵列，通过控制传感器的相位，实现超声波束的聚束和聚焦。
这种技术能够精确控制超声波的传播方向和波束形状，从而实现对被测物体的全方位、高分辨率检测。
相控阵超声检测的原理可以简单概括如下：1. 多元传感器阵列：相控阵超声检测系统由多个超声传感器组成，这些传感器通常排布成矩阵状或圆形，以实现全方位检测。
2. 相位控制：通过调节传感器的相位，可以控制并调整超声波束的方向和形状。
这样就能够实现在不同角度、不同深度对被测物体进行定位和检测。
3. 信号处理：利用复杂的信号处理技术，将传感器接收到的超声波信号进行合成、滤波和成像处理，最终得到高分辨率的缺陷图像。
优势相控阵超声检测相对于传统的超声检测技术，具有以下优势：1. 高分辨率：相控阵超声检测能够实现对被测物体的高分辨率成像，能够清晰地显示缺陷、裂纹等细小缺陷。
2. 多角度探测：相控阵超声检测通过控制超声波束的方向和形状，能够实现对物体的多角度、全方位探测，提高了检测的全面性和可靠性。
3. 实时成像：相控阵超声检测可以实现对被测物体的实时成像，能够及时发现并跟踪缺陷的变化。
4. 无接触检测：相控阵超声检测不需要直接接触被测物体，可以实现远距离、非接触式的检测，适用于复杂形状、高温、高压等恶劣环境。
应用领域相控阵超声检测技术在航空航天、国防军工和工业制造等领域得到了广泛应用，具有以下主要应用领域：1. 航空航天：相控阵超声检测可以应用于航空航天器件的缺陷检测和结构健康监测，如飞机机翼、发动机叶片等部件的裂纹检测。
2. 国防军工：相控阵超声检测可以用于武器装备、军事装备的缺陷检测和性能评估，如坦克、导弹等武器系统的检测。
超声波相控阵检测技术及其使用
传统工业相控阵成像
3
精选 ppt
■
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。
问题一： 医用 B超检测对象是由水份组成的人体，不必考虑波形转换现象，而超声
第一临界角（ ） 1
精选 ppt
cr116
EffectiveApertureSize PitschSize N cos
超声相控阵是超声探头晶片的组 合，由多个压电晶片按一定的规律分 布排列，然后逐次按预先规定的延迟 时间激发各个晶片，所有晶片发射的 超声波形成一个整体波阵面，能有效 地控制发射超声束（波阵面）的形状 和方向，能实现超声波的波束扫描、 偏转和聚焦。
要素 :
因为所有的脉冲发生器是同步的，每个晶片振动的叠加产生了所需要的角度及聚焦方式
精选 ppt
25
当设备对所有已接收到的信号做数字化处理时，每个通道都有自己的 ADC转换和
FI FO。处理后的所有相位信号进行叠加形成最终的聚焦法则 A扫描。
精选 ppt
26
传统工业相控阵方法延用医用 B超模式，不具有几何反射修正技术，与人体结 构的单一形式不同，工业领域的检测对象几何结构和材料种类千变万化，不能依照 工件厚度与结构特征生成对应图象而造成数据分析难度大的问题未能有效解决。
没有声束偏转
第二种情况 S1 S0 0 Migr 0
入射点向楔块前端漂移 ; 楔块延迟增加
Case 2 S1 S0 0 Migr 0
入射点向楔块后端漂移 ; 楔块延迟减小
2024年度-pa相控阵检测培训课件
利用相控阵技术对铁路车辆轴承、齿轮箱等关键部件进行检测， 确保车辆安全运行。
14
04
相控阵检测设备与系统
15
设备组成及功能介绍
探头
用于发射和接收超声波 信号，具有多种频率和 尺寸可选，以适应不同
的检测需求。
主机
控制探头的运动和信号 的处理，提供用户界面
和数据显示功能。
软件
附件
用于设置检测参数、控 制设备运行、分析数据
18
05
相控阵检测实验与案例分析
19
实验目的和要求说明
01
02
03
04
掌握相控阵检测的基本原理和 方法
了解相控阵检测系统的组成和 工作原理
熟悉相控阵检测实验的操作步 骤和注意事项
能够独立完成相控阵检测实验 ，并对实验结果进行分析和处
理
20
实验步骤和注意事项讲解
实验步骤 准备实验器材和试样
搭建相控阵检测系统
波束，实现动态波束形成。
多波束形成
相控阵技术可以通过同时控制多 个阵列，形成多个独立的波束，
实现多目标或多区域的检测。
自适应波束形成
相控阵技术可以根据环境条件和 目标特性，自适应地调整波束形 状和指向，提高检测的准确性和
可靠性。
9
实时成像与数据处理
实时成像
01
相控阵技术采用高速数字信号处理技术，可以实现实时数据采
采用相控阵检测技术对机翼进行扫描，通过数据 分析确定裂纹位置和大小
25
案例分析：成功解决复杂问题实例
实施效果
成功检测出机翼裂纹，为后续维修工作提供了准确的数据支持
案例二
某型导弹弹头质量检测
问题描述
2-相控阵工作原理
VC-TOP-C
Scan axis
VC-END-D
index axis
VC-SIDE-B
Scan axis
AScan
超声相控阵技术优势
X X
X
X
X X
实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读； 相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而 同时具备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快； 相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不 能实现的功能，如对复杂工件的检测； 容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位 精度高； 扫查装置简单，便于操作和维护； 检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用 。
Wave front Element
X
相控阵探头波束偏转 (发射) – 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束 – 发射过程中通过软件施加精确延时产生带角度波束
相控阵波束形成
∑
S
X
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。
标准的相控阵 动态深度聚焦
动态深度聚焦
Index axis Scan axis VC-TOP(C) VIEW Usound axis Scan axis
Index axis
VC-SIDE(B) VIEW
Usound axis VC-END(D) VIEW
相控阵三维视图
典型视图
index axis Usound axis
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ控阵工作原理
相控阵信号处理概述
相控阵检测应用实例
焊缝线形扫查
相控阵焊缝串列扫查
超声波相控阵检测原理和应用-详细版本
超声波相控阵检测是一种利用超声波与物体相互作用的技术，通过控制超声波的发射、接收和信号处理等参数，实现对物体内部缺陷、结构以及材料性质等方面的非破坏检测。
超声波相控阵检测原理是利用超声波在物体内部传播的特性，同时通过电子计算机控制多个超声传感器的发射和接收，可以对物体进行成像及缺陷定位。其主要步骤包括：
（1）信号发射：多个超声发射器同时发射超声波信号，这些信号在物体内部传播，对物体进行扫描和检测。
（2）信号接收：多个超声接收器同时接收超声波信号，记录下信号的时间、强度等信息。
（3）信号处理：采用先进的电子计算机技术，对接收到的信号进行处理和分析，生成物体的图像和缺陷信息等。
超声波相控阵检测与传统的超声波检测相比，具有以下优势：
超声波相控阵检测在工业、医学、航空、航天等领域具有广泛的应用，例如：
（1）工业领域：用于对钢铁、金属、陶瓷等物体的质量检测、缺陷检测、材料性能测试等方面。
（2）医学领域：用于对人体内部的缺陷、病变、组织结构等方面的检测和成像。
（3）航空航天领域：用于对航空器、火箭等物体的结构缺陷、疲劳损伤、材料性能测试等方面。
（1）高精度：相控阵技术可以实现高分辨率的成像，对物体内部微小缺陷也可以进行检测置进行检测，大大提高了检测的效率和准确性。
（3）多功能：相控阵技术可以实现不同角度的扫描和检测，适用于不同形态的物体检测。
（4）无损伤：相控阵技术采用超声波作为探测介质，对物体没有任何损伤，适用于不同材料和形态的物体检测。
总之，超声波相控阵检测是一种非常重要的检测技术，其优越的性能和广泛的应用前景，将会对各行业的生产、科研、诊断等方面发挥重要作用。
相控阵超声检验技术
相控阵超声检验技术一、导读任何无损检验方法(NDT)的可信度很大程度上取决于人员因素。
进行相控阵超声检验的人员应经过培训并取得相应的资格。
通过检验人员的技能、教育经历、培训经历，NDT检验人员来证明自己能够根据工艺和设备（相控阵超声设备，扫描仪，探头，软件，分析分布图和报告）的特殊要求进行操作。
检验人员应熟悉应用于特殊零件的相控阵技术的基本特性。
应客户要求，关于R/D技术原理的第一本书出版了：相控阵技术应用简介：R/D技术指南。
该指南用大幅篇章介绍了基本的超声测试，数据评定和扫查方式，相控阵探头以及应用，适合广大读者使用，该指南包含大量实用信息堪称为实用手册。
该指南可通过登陆我们的网站使用e-mail订购。
相控阵技术指南手册可视为NDT从业人员使用基本相控阵超声技术的备忘录。
它面向日常的操作，针对技术秘诀，介绍操作方法（工艺规范，标定，特征描述，重新启动，解决检验的问题）。
关于其大小，该手册设计为口袋书籍。
为使该手册能适应现场条件，我们采用防水抗扯的合成纸印刷该书，且封面和装订都十分牢固。
相控阵技术指南手册包括：·第一章“相控阵超声技术——基本特性“详述了PAUT（相控阵超神探伤的缩写）原理，介绍了主要硬件设备和相控阵声束组成类型和运动形式（线性，方位角型，深度型，平面型和3-D型）。
·第二章“相控阵探头——基本特性“详述了用于日常检验的PA（相控阵的缩写）探头及其主要特性。
范例介绍时使用的是大多数场合最常用的探头类型，即1-D平面线性阵探头。
·第三章“聚焦法则“——常用范例介绍了线性阵探头如Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头定义聚焦法则的基本步骤。
·第四章“扫查方式，观察，和分布图”介绍了Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头评定（A-扫查法，S-扫查法，B-扫查法，C-扫查法和D-扫查法）的主要数据，基本分布以及扫查方式。
相控阵技术介绍PPT课件
探头电子控制
电子脉冲延迟（图有错）
斜波束
聚焦波束
线阵探头－线性扫查
线性探头－扇形扫查
连续或环形扫查
波束的形成原理
常规波束形成
常规UT探头角度偏转（发射）： －根据惠更斯原理产生超声波束 －在发射过程中斜楔块引入适当的延迟，产生一
个带角度波束。
斜波束
常规波束形成
常规UT探头控制波束（接收） －根据惠更斯原理楔块内产生波束 －在接收过程中斜楔块引入延迟，使“同相位”的
对晶片位置）
波束聚焦
非聚焦波束 波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长λ。 近场区 扩散角（半扩散角θ，在-6dB） 波束尺寸（在深度Z）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
信号发射（触发）和接收（回波）注入时 间延时来实现的。 任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用 相控阵探头完成
。
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声 束形状和声压分布。 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸 及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速 平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术 的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测 速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查 厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和 空间限制问题的有效手段。③通常不需要复杂的扫查装 置 ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角 度多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时 间。④优化控制焦柱长度、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越性。
超声相控阵检测技术
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
2024年超声相控阵检测技术培训课件
超声相控阵检测技术基于惠更斯原理和波的叠加原理。通过 控制每个换能器的激发时间，可以实现声波的聚焦和偏转； 通过控制换能器阵列中各个换能器的相位，可以实现声波的 扫描和成像。
发展历程及现状
发展历程
超声相控阵检测技术经历了从单一阵元到多元阵元、从手动扫描到自动扫描、 从单一功能到多功能集成的发展历程。随着计算机技术和信号处理技术的不断 发展，超声相控阵检测技术的检测精度和效率不断提高。
超声相控阵检测技术培训课件
目 录
• 超声相控阵检测技术概述 • 超声相控阵检测系统组成 • 超声相控阵检测关键技术 • 实际操作流程与注意事项 • 故障诊断案例分析 • 培训总结与展望
01
超声相控阵检测技术概述
定义与原理
定义
超声相控阵检测技术是一种利用超声波在介质中传播时的反 射、折射和散射等特性，通过控制多个超声换能器的激发时 间和相位，实现声波的聚焦、偏转和扫描等功能的无损检测 技术。
信噪比。
噪声抑制
02
通过硬件和软件手段，降低系统噪声和外部干扰，提高检测可
靠性。
信号平均处理
03
对多次采集的信号进行平均处理，以减小随机误差和噪声影响
。
04
实际操作流程与注意事项
设备启动与参数设置
设备启动步骤
打开电源，启动超声相控阵检测设备，进行系统 自检。
参数设置要点
根据被检测对象的材料和厚度，设置合适的超声 频率、声束角度、聚焦深度等参数。
收获了宝贵的经验和友谊
学员们纷纷表示，在培训过程中不仅学到了知识和技能，还结识了许多志同道合的同行 和朋友，收获了宝贵的经验和友谊。
未来发展趋势预测
1 2 3
技术不断创新和升级
火力发电厂无损检测新技术之相控阵超声检测技术简介
火力发电厂无损检测新技术之相控阵超声检测技术简介相控阵超声检测技术，是通过控制换能器阵中各阵元的激励脉冲时间延迟，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，达到聚焦和声束偏转的效果，实现缺陷检测的技术。
相控阵工作原理：多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器，分别调整每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。
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，其他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。
图1 相控阵工作原理相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调；而且探头内可快速平移声束。
与常规超声检测技术相比，相控阵超声检测技术的优势在于：（1）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。
（2）用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。
（3）通常不需要复杂的扫查装置，不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查。
（4）优化控制焦柱长度、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越性。
（5）原生数据丰富，有多种显示方式，便于数据分析和长期保存。
在电力行业设备及装置中，厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件较多，应用相控阵技术可提高检效率，扩大超声检测应用范围，取得良好的经济效益和社会效益。
主要的应用对象有：（1）汽轮机转子叶根、轮槽和键槽；（2）汽轮机焊接隔板；（3）小径管焊缝；（4）电厂管道及角焊缝等。
相控阵教程第二讲
03
高频信号源产生高 频载波信号，经调 制器将基带信号调 制到高频载波上。
04
调制后的信号经功 率放大器放大，驱 动天线阵列发射电 磁波。
接收机组成及工作原理
天线阵列
接收空间中的电磁波信号。
低噪声放大器
放大接收到的微弱信号。
接收机组成及工作原理
下变频器
将高频信号转换为中频或基带信号。
系统集成与调试方法
进行系统联调，测试系统整体性能。 系统调试方法
采用分模块调试方法，先对各个模块进行单独调试，再对整个系统进行联调。
系统集成与调试方法
利用仿真软件对系统进行模拟仿真， 以验证系统设计的正确性。
在实际环境中进行系统测试，观察系 统性能并进行必要的调整和优化。
05
相控阵性能指标评价方法
应用领域及发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，相控 阵将实现更加智能化的波束控制 和优化算法，提高系统性能。
集成化
通过采用先进的微纳加工技术和 集成电路设计技术，实现相控阵 的微型化和集成化，降低成本和 功耗。
多功能化
相控阵将实现更多功能集成，如 通信、雷达、电子战等多功能一 体化设计，满足复杂应用场景需 求。
数据处理
对跟踪得到的目标数据进行处理和分析，提取有用信息并应用于雷达 、通信、电子战等领域。
04
相控阵系统组成及工作原理
Chapter
发射机组成及工作原理
高频信号源
产生高频载波信号。
调制器
将基带信号调制到高频载波上。
发射机组成及工作原理
01
功率放大器：放大 调制后的信号，以 驱动天线阵列。
02
THANKS
感谢观看
相控阵检测技术
☻ 综述及国外研究进展
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。
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。
无损检测新技术及应用
三峡大学 材料与化工学院 主讲人：侯东芳
内容 第一章 绪论 大纲 第二章 相控阵检测技术
第三章 TOFD检测技术
第四章 声发射检测技术
第五章 红外热成像检测技术
第六章 其他无损检测新技术
第二章 相控阵检测技术
The Second Chapter
Ë 1. 超声相控阵技术的发展历史
Ë 组合转子：高压部分整锻，中、低压部分套装
Ë 组合转子
Ë （1）汽轮机转子检测
涡轮叶片根部的扇形扫查
涡轮焊接转子检测
Ë （2）窄间隙对接焊接接头坡口缺陷检测
与检测面垂直或近 似似垂垂直直缺的陷缺的陷检测
t
Ë （3）电站锅炉管座角焊缝检测
占多数
安放式角焊缝
插入式角焊缝
电站锅炉角焊缝的结构形式
探头更少 机械部分少
Ë 2. 超声相控阵检测原理
常规的超声波检测技术通常采用一个压电晶片产生超声波。一个压电晶片只能 产生一个固定的声束，且传递方向和方式不能改变。 超声相控阵检测技术的关键是相控阵超声波探头由多个小的晶片按照一定的序列组成， 检测时，按照预定的规则和时序对探头中的一组或全部晶片分别进行激活，即在不同 的时间内相继激发探头中的多个晶片，每个激活晶片发射的超声波束相互干涉形成新的 波束，并通过软件调整，新的波束的角度、焦距、焦点尺寸等均可根据检测需要予以 改变。
超声相控阵检测教材_第二章_超声波的声场特性
第二章超声波声场的特性2.1 波源辐射声场超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。
即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波，然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号，再通过信息提取与处理，实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。
2.1.1 波动方程物理声学中的波动方程是研究超声（或阵列）换能器的声场特性最基本的原理和方程。
若被超声检测的物体为金属材质，大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的，被认为是均匀体，只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的；若被检测物体为生物体，物体内各点的声速与密度存在起伏，并非均匀一致。
本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术，因此仅讨论在均匀介质中的声场。
在声速与密度非均匀的介质中，声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。
非均匀介质中波动方程为（式2-1）式中，P是声强，是介质密度，c是声波的速度，▽是梯度算子。
假设声速和密度较之平均声速和平均密度有微小偏移，即其中<<，<<，那么，式（2-1）可以表示为（式2-2）式（2-2）等号右边两项称为散射项，有时也称为有源项。
就是说，当介质密度及声速非均匀时，则介质中有等效生源分布；但是，当介质均匀时，介质中没有等效声源分布，右边两项为0。
因此，可以得到理想流体介质中的波动方程（式2-3）上面三个公式是研究相控阵超声成像的理论基础，通常由式（2-3）触发来求解换能器或阵列换能器的辐射声场分布，而式（2-2）常用于描述非均匀介质中的散射场问题。
2.1.2 基于空间冲激响应的脉冲场模型在无损检测领域中，多采用脉冲，所用的换能器或换能阵通常也是宽带的，因此以下内容将对换能器或阵的脉冲声场进行讨论。
图2-1 单源换能器及其所在坐标系统如图2-1所示，假设一个任意形状的换能器嵌在无限大的刚性障板上，置于均匀介质中，那么该换能器的辐射声场可以通过求解均匀介质中的波动方程（2-3）来求得。
超声相控阵检测技术【PPT】
但由于射线探伤效率太低，而且还必须具备现场 射线防护措施，所以在工程中应用不是很方便；
虽然海洋平台结构的超声检测不需防护措施，但 手工超声探伤存在重复性和可靠性方面的问题。
22
第四章 超声相控阵的应用
23
24
Add Your Company Slogan
PowerPoint
精品课件！
Company Logo
在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的 优越性。
5
第三章 超声相控阵系统的硬件组成
3.1 超声相控阵系统组成
6
第二章 超声相控阵技术的基本原理
2.2 相位控制与声束聚焦
y1 A1 cos(t 1 kr1) y2 A2 cos(t 2 kr2 )
y y1 y2 A0 cos(t )
3.2.2 按阵元排列方式
9
第三章 超声相控阵系统的硬件组成
3.2 阵列探头的种类
3.2.3 按使用方法和目的 分为.2.3.1 线阵列探头
10
第三章 超声相控阵系统的硬件组成
3.2.3.2相控阵探头
11
第三章 超声相控阵系统的硬件组成
4.1 超声相控阵检测技术在核工业的应用
在核动力装置及设备中，厚壁工件、粗晶材料和复 杂形状工件多，设备和管道中某些焊缝可达性及可 检性差而申请免检多。
此时，应用相控阵技术可提高检测效率，减少辐照 时间，扩大超声检测 应用范围，取得显著 的经济效益和社会效 益。
18
第四章 超声相控阵的应用
Electronic linear scan (B-scan) image showing relative hole position and depth across the length of a linear array
相控阵无损检测技术
相控阵无损检测技术相控阵无损检测技术就像是检测世界里的超级神探，它那本事可大着呢！你看啊，普通的检测技术就像是拿着小木棍在黑箱子里瞎捅，完全不知道里面到底啥情况。
但相控阵无损检测技术就不一样啦，它就像拥有无数只小眼睛的超级怪物，每个小眼睛都能发射出神奇的“检测光线”，把被检测的物体里里外外看得透透彻彻。
这要是被检测的物体有啥小毛病，就像藏在被窝里的小臭虫，以为能躲过一劫，哼，在相控阵无损检测技术面前，那是无所遁形。
这个技术就像是一个超级精密的雷达系统，只不过它不是用来探测天上的飞机，而是用来深挖物体内部的“秘密”。
那些隐藏在材料深处的微小缺陷，就像是调皮的小老鼠躲在深深的地洞里，可相控阵无损检测技术就像一只超级猫，不管洞有多深，它都能把小老鼠给揪出来。
相控阵无损检测技术还特别的聪明呢。
它可以像一个经验丰富的老裁缝一样，精确地测量出材料的每一处“尺寸”。
如果材料有个裂缝啥的，这裂缝在它眼里就像一道刺眼的闪电，瞬间就被发现。
而且啊，它的准确性高得吓人，就像神射手射出的箭，指哪打哪，误差小得几乎可以忽略不计。
在工业界，相控阵无损检测技术简直就是个宝贝疙瘩。
就好比在一个巨大的玩具工厂里，每个玩具都要经过它的检查才能出厂。
那些可能存在的小瑕疵，就像玩具身上的小刺，相控阵无损检测技术这个挑剔的“质检员”，绝不会让带刺的玩具溜出去。
这技术还很灵活呢，就像个会变形的金刚。
它可以根据不同的检测对象和需求，迅速调整自己的检测策略。
不管是弯弯扭扭的管道，还是奇形怪状的金属部件，它都能像一把万能钥匙一样，轻松地开启检测的大门。
它的速度也相当快，就像一阵旋风席卷而过。
在大规模的检测工作中，它能迅速地完成任务，而不像那些慢吞吞的传统检测方法，像个老蜗牛一样一步一步挪。
相控阵无损检测技术就像是检测领域的魔法棒，一挥之下，所有的隐藏问题都原形毕露。
它是现代工业安全和质量保障的得力助手，少了它呀，就像炒菜没放盐，总觉得缺了点啥重要的东西。
超声波相控阵检测原理和应用(一)(二) 共30页
2000年以来，已有超声波相控阵的无损检 测技术进入实用阶段
超声波相控阵技术为代表的超声成像技术 将给无损检测行业带来新纪元
雷达机械扫描探测飞行物
相控阵雷达定位飞行物
超声相控阵基本原理
定义
探头阵列
许多较小尺寸的探头单元有序排列成阵列，或者说 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。形成阵列探头。
超声波相控阵检测原理和应用
超声相控阵基本概念
内容
超声相控阵技术是什么？
要点、特征
怎样理解超声相控阵技术？
基本原理和方法
超声相控阵技术有些什么类型？
多种成像技术、聚焦策略、扫描和检测技术
怎样使用超声相控阵？
典型应用、相关标准和操作过程
相控阵超声成像与检测设备
超声波相控阵技术源于电子雷达相控阵技 术
有确定的阵元相对位置（或电脑通过传感 测知道阵元相对位置）。
阵元在相位控制作用方向的尺寸应约是波 长数量级。
相邻阵元在相位控制作用方向的中心间距 应约是波长数量级。
电脑控制同步延时控制各阵元发射和接收 相位延时，干涉叠加合成各种预期的波阵 面和声束。
相控阵的功能
改变声束位移 改变的声束角度 改变聚焦距离和聚焦特性 电子扫描 电子扫描成像
相位控制
具有独立电子引线的探头单元称为阵元。独立控制 各个阵元的发射和接收超声波的精确延时，使之干 涉叠加形成想要的波阵面。
阵列的类型
平面阵列：
一维阵列：线阵，环阵 二维阵列：矩阵，lo-theta阵列
非平面阵列
柱面
线阵
环阵
相控阵无损检测原理
相控阵无损检测原理
相控阵无损检测技术原理
相控阵无损检测技术是一种非破坏性的检测技术，可广泛应用于航空
航天、机械、电力、化工等领域。
本文将详细介绍相控阵无损检测技
术的原理。
一、相控阵原理
相控阵即通过一组火箭推进器或电子发射器，在特定时间内发射一组
给定的波形，然后将反射信号采集回来，并通过计算处理，获取测试
物体的内部结构信息。
相控阵是一种多元元件发生器和记录器的阵列，通过多个发射和接收单元的方式，可以调整发射和接收波束的角度和
方向，从而形成一种类似于摄像头的机制，进而收集到物体的内部结
构信息。
二、无损检测原理
相控阵无损检测技术是一种非破坏性的检测技术，可以对金属材料或
某些非金属材料进行高分辨率的检测。
相控阵无损检测技术的原理是
根据测试物体的不同性质，利用不同的波长和频率的电磁波进行检测。
通过对相控阵信号的反演和处理，可以获得高分辨率和高灵敏度的物
体内部结构信息。
三、相控阵无损检测技术的应用
相控阵无损检测技术拥有广泛的应用领域。
在航空航天、机械、电力、化工等领域，相控阵无损检测技术已成为诊断和评估工具的一种重要
手段。
其中，航空航天领域应用较多，主要应用于飞机和发动机部件
的检测和评估，包括发动机叶片、附属设备、通气口，以及飞机壳体、液压系统等部位的检测和评估。
综上所述，相控阵无损检测技术是一种非破坏性的检测技术，可以对
物体的内部结构进行高分辨率和高灵敏度的检测和评估，已被广泛应
用于航空航天、机械、电力、化工等领域。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三峡大学 材料与化工学院 主讲人：侯东芳
内容 大纲
第一章 绪论 第二章 相控阵检测技术 第三章 TOFD检测技术 第四章 声发射检测技术 第五章 红外热成像检测技术 第六章 其他无损检测新技术
第二章 相控阵检测技术
The Second Chapter
Ë 1. 超声相控阵技术的发展历史
Ë 管座角焊缝常规超声波检测的技术难点及问题
Ë 电站锅炉接管座角焊缝相控阵超声波检测案例
Ë 电站锅炉接管座角焊缝相控阵超声波检测案例
详见参考文献
Ë （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比
检测对象
Ë （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比
相控阵超声波检与射线检测工艺
双壁双影透照方式
Ë （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比
Ë （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比
第二章 相控阵检测技术
详见参考文献
总结与回顾
Ë 1. 超声相控阵技术的发展历史 Ë 2. 超声相控阵检测原理 Ë 3. 超声相控阵检测探头 Ë 4. 超声相控阵声束扫描方式 Ë 5. 超声相控阵检测系统的基本组成 Ë 6. 超声相控阵检测技术的扫描模式 Ë 7. 超声相控阵检测技术的图像显示 Ë 8. 超声相控阵检测技术的优点和局限性 Ë 9. 超声相控阵检测技术的工程应用
答疑时间
Any Question?
超声相控阵检测技术在海洋平台 结构环焊缝检测中的应用（1） 对海洋平台结构特殊构件环焊缝 检测，规范允许使用10%～20% 射线检测和100%的超声检测。 但由于射线探伤效率太低，而且 还必须具备现场射线防护措施， 所以在工程中应用不是很方便； 虽然海洋平台结构的超声检测不 需防护措施，但手工超声探伤存 在重复性和可靠性方面的问题。
详见教材第16页
超声相控阵检测技术的特点
Ë （1）生成可控的声束角度和聚焦深度 Ë （2）可对试件进行高速、全方位和多角度检测 Ë （3）不移动探头或尽量少移动探头 Ë （4）通常不需要复杂的扫查装置，不需更换探头 Ë （5）优化控制焦柱长度、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越性。
超声相控阵系统组成
延时和聚焦
脉冲发射和回波接收时的声束和 时间延迟（同相位、同振幅）
详见教材第17页
相控阵波束发射
相控阵波束接收
3. 超声波相控阵探头
超声相控阵换能器的原理:
超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。 换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称 为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各 个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的 波阵面。 同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接 收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式 显示。
实验室的相控阵仪器：OminiScan
相控阵的优点
Ë 探头尺寸更小； Ë 检测难以接近的部位； Ë 检测速度快，检测灵活性更强； Ë 可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ； Ë 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； Ë 由于以下因素可以节约系统成本： 探头更少 机械部分少
详见教材第24页
Ë 典型的相控阵探头内部结构
同轴电缆
晶片连线 金属镀膜 压电晶片 匹配层 压电晶片 衬块
阵列探头的种类:
线阵列探头
Example of focused linear scan beam
Example of angled beam generated by flat probe by means of variable delay
Ë 组合转子：高压部分整锻，中、低压部分套装
Ë 组合转子
Ë （1）汽轮机转子检测
涡轮叶片根部的扇形扫查 涡轮焊接转子检测
Ë （2）窄间隙对接焊接接头坡口缺陷检测
与检测面垂直或近 似垂直缺陷的检测 似垂直的缺陷
t
Ë （3）电站锅炉管座角焊缝检测
数 占
安放式角焊缝
多
插入式角焊缝
电站锅炉角焊缝的结构形式
Ë 2. 超声相控阵检测原理
常规的超声波检测技术通常采用一个压电晶片产生超声波。一个压电晶片只能 产生一个固定的声束，且传递方向和方式不能改变。 超声相控阵检测技术的关键是相控阵超声波探头由多个小的晶片按照一定的序列组成， 检测时，按照预定的规则和时序对探头中的一组或全部晶片分别进行激活，即在不同 的时间内相继激发探头中的多个晶片，每个激活晶片发射的超声波束相互干涉形成新的 波束，并通过软件调整，新的波束的角度、焦距、焦点尺寸等均可根据检测需要予以 改变。
Ë 4. 相控阵声束扫描模式
（1）线性扫描
（2）扇形扫描
（3）深度聚焦扫描
Ë （1）线性扫描
激活晶片组
Ë （2）扇形扫描
超声相控阵扇形扫描
传统超声波焊缝扫查
Ë （3）动态深度聚焦扫描
超声相控阵动态深度聚焦扫描
传统超声波聚焦探头
扇形扫查和线形扫查结合
Ë 动态深度聚焦扫描检测图像
Mechanical Displacement
☻ 综述及国外研究进展
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。 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。
Ë 9. 超声相控阵检测技术的工程应用 Ë （1）汽轮机转子检测
汽轮机转子分类
套装
整锻
焊接
组合
Ë 套装转子：部件单独铸造，用热套工艺加工
联轴节
叶轮
轴套
轴
键
Ë 套装转子
Ë 整锻转子：主轴和叶轮应用整体毛坯加工而成
Ë 加工中的整锻转子
Ë 焊接转子：若干实心轮盘、端轴单独铸造，然后焊接加工
Ë 焊接转子
Electronic linear scan (B-scan) image showing relative hole position and depth across the length of a linear array
The sound beam sweeps through a series of angles to generate an approximately cone-shaped cross-sectional image. It should be noted that in this example, by sweeping the beam the phased array probe is able to map all three holes from a single transducer position.
Beam displacement
FOCUS DEPTH (PULSER) DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
c = velocity in material
扫查方向
声 束 方 向
Ë 5. 超声相控阵检测的基本组成
Hale Waihona Puke 详见教材第21页Ë 6. 超声相控阵检测技术的扫描模式
详见教材第29页
☻ 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。 Ë 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； Ë 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； Ë 科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上海交通 大学；
1
20世纪30年代
1937年，美国率先开始相控阵技术的研究，并于20世纪50年代 中期应用于舰载相控阵雷达。
2
20世纪50年代
受相控阵雷达技术的启发， 1954年，开始提出超声相控阵技术， 并逐步在医学人体超声成像方面得到了较成功的应用。
3
20世纪90年代
随着电子技术和计算机技术的快速发展，20世纪90年代，超声 相控阵技术逐渐应用于工业无损检测。
Ë （1）相控阵双向和单向扫描模式
详见教材第29页
Ë （2）相控阵线性扫描模式
详见教材第30页
Ë （3）相控阵偏向扫描模式
详见教材第30页
Ë （4）相控阵螺旋和螺线扫描模式
详见教材第30页
Ë （3）相控阵偏向扫描模式
详见教材第30页
Ë 7. 超声相控阵检测技术的图像显示
详见教材第31页
Ë （1）A扫描视图
（2）B扫描视图
Ë （3）C扫描视图
Ë （4）D扫描视图
1 2 3
TOFD技术D扫描视图（焊缝根部未熔合）
使用超声相控阵探头探伤主要是利用安的声束角度可控和可动态聚集两大特点。
详见教材第32页
详见教材第32页
Ë 9. 超声相控阵检测技术的工程应用 在核工业的应用 在核动力装置及设备中，厚壁工 件、粗晶材料和复杂形状工件多， 设备和管道中某些焊缝可达性及 可检性差而申请免检多。 此时，应用相控阵技术可提高检 测效率，减少辐照时间，扩大超 声检测 应用范围，取得显著 的经济效益和社会效 益。