相控阵技术(郑晖)

X=-4.4, Y=-4.4 --> X=4.4
38 58 57
线阵探头
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线阵探头的晶片排列示意图：
线阵探头，主要应考虑如下参数： 线阵探头 主要应考虑如下参数 f：频率，由晶片本身决定； n：阵列中晶片的数量； p：两个相邻晶片的中心间距； e：单个晶片的宽度； g：晶片间隙， 般非常小，可至0. 。 g：晶片间隙，一般非常小，可至0.1mm。
谢谢！ 谢谢
直波束的产生
同时激发相控阵 探头各晶片
斜波束的产生
按递增的延 迟法则激发 小晶片
波束最大倾斜角度
B
A
•Βιβλιοθήκη Baidu

e
•点B处效果不好，因为波 束超出了晶片的波束宽度 •增加斜楔
sin 0.5 / e
波束聚焦
激发晶片的时间延 时值是从两侧到中 间逐渐增加
波束接收
延迟法则
七 相控阵扫描方式
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相控阵技术
中国特种设备检测研究院 全国特种设备无损考委会 郑晖
一 相控阵定义
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超声相控阵技术是利用电子方式控制相控阵探 头合成的声束来实现超声波发射、接收的方法 相控阵探头有多个小晶片 其每 个晶片被独 相控阵探头有多个小晶片，其每一个晶片被独 立的激发, 并施加不同的时间延迟, 以实现声束 的角度和聚焦可在很大的范围内变化 超声相 的角度和聚焦可在很大的范围内变化。超声相 控阵技术可以产生和常规超声波相同的声束和 角度, 但它与常规超声检测不同的是能精确的以 电子方式控制声束的角度和焦点尺寸。
2 1
3
4
5
7 6
16 15 14 13 12 11 10 9 8
环形
圆形
51 52
30 49 50 31 17 32 18 8 3
33
19
9
6
14
26
42
34
20
10
4 11 22
5 12 23
13
25
41
61
53
35
21 36
24 39
40
60
54
59
37 55 56 X=-6.5, Y=-6.5 --> X=6.5
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在超声检测中, 往往要进行声束扫描。常用的扫 描方式有机械扫描和电子扫描。 机械扫描又有线扫描、扇形扫描、弧形扫描和 圆周扫描等几种形式，比如大家在检测焊缝时 经常使用的锯齿形扫描； 电子扫描则是在探头不移动的情况下依靠电子 系统激励换能器形成的扫描方式（晶片的时间 多路传输技术） 线形扫描、扇形扫描、深度聚焦 动态深度聚焦
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探头斜楔
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偏转较大的角度 、横波
参数 楔块中的声速 斜楔角度 第1个晶片的高度和到楔块底部的偏移距离等。
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五 相控阵仪器
基本要求： ! 多通道 ! 对多晶片探头的精确激发 ! 高速大容量数据采集和传输 ! 软件方面
常用算法和计算能力；
仪器举例
六 相控阵基本原理
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常规超声检测多用声束扩散的单晶探头，超声场沿声 束轴线分布。而相控阵探头阵列是许多相同的小晶片 ，由于每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源， 当采用 个有序的时间间隔（即相位）激发探头阵列 当采用一个有序的时间间隔（即相位）激发探头阵列 小晶片时，这些线状波源的波阵面就会产生波的干涉 所需 体波阵 声 传播到 件中 ，形成所需的整体波阵面；超声能量传播到工件中， 反射的能量会被探头阵列接收，并按照一定的信号相 位规则合成为一个超声信号。 相控阵技术的关键之 在于探头阵列晶片激发的相位 相控阵技术的关键之一在于探头阵列晶片激发的相位 关系，即相控阵探头中每个晶片激发的延迟量，称为 延迟法则，不同的延迟法则具有不同的声束特点。
Beam m displacement
Mechanical Displacement
动态深度聚焦不是实际声 束的动态聚焦，而是一种 软件计算方式的聚焦 软件计算方式的聚焦。 DDF在指定范围内不增加 检测灵敏度 但增加视觉 检测灵敏度，但增加视觉 分辨率。
FOCUS DEPTH (PULSER)
DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
矩形
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
X=-7.9, Y=-8.0 --> X=7.9
Y=6.5 47 48
Y=4.4
46 45 29 28 44 43 16 7 2 1 15 27
线形、扇形、深度聚焦扫描
线形扫描
! 波束沿阵列的一个轴
线移动。 ! 直波束＋分区激发
扇形扫查
扇形扫查 扫 – 不改变位置而改变入射角 改变位 改变 射角 波束倾斜＋聚焦 相当于多个不同角度的脉冲发射法集合
扇形扫查
动态深度聚焦 D D F
对接收的超声波按照一定 的 迟法则进行聚焦合成 的延迟法则进行聚焦合成 设备接收不同深度处的发 射信号 相当于在一个预 射信号，相当于在 个预 定的范围内进行聚焦。 特点：接收延迟法则不同 特点 接收延迟法则不同 于发射时的延迟法则。
物体内部的声波传播演示. .pho . \ phot oel as at i c. ai avi
A/ B/ C/ D 扫描显示
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将示波管的电子束作强度调制，即用荧光屏上 将示波管的电子束作强度调制 即用荧光屏上 的每一点代表被测工件某个截面上的一个点， 而用该点的亮度大小表示从工件内对应点测得 的回波振幅的大小，就得到B、 C、D显示
四 相控阵探头
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相控阵探头的特点是压电晶片不再是一 个整体，而是由多个相互独立的小晶片 组成的阵列 每个小晶片称为 个单元 组成的阵列，每个小晶片称为一个单元 ，每个晶片都有各自的接头、延时电路 和A / D 转换器且晶片之间彼此声绝缘。
常见的探头阵列 常 头阵列
Y=8.0
Y=1.9
线形
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
相控阵的局限性
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对工件表面光滑度要求较高、对温度有 对工件表面光滑度要求较高 对温度有 一定的敏感性。 仪器调节过程复杂，调节准确性对检测 结果影响大。 对手工电弧焊的检测效果低于自动焊。 检测对象有 限性 检测对象有局限性。 设备价格较高。
应用之一：涡轮焊接转子检测
相控阵检测: 相控阵探头:5 MHz, 16晶片, 相控阵探头 晶片 16 mm x 16 mm，55度斜楔 扇形扫查 •30-60度的横波做 横 •步进为1度 探头机械扫查 沿圆周轴向 探头机械扫查：沿圆周轴向 试块:EDM槽2 mm x 0.5 0 5 mm
c = velocity in material
动态深度聚焦效果
一般而言，可从 般而言 可从 0聚焦到100㎜深 度的地方。 度的地方
标准的相控阵
动态深度聚焦
线形/ 扇形组合扫描
扇形扫查和线形扫查结合
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将两种扫查结 合起来可以得 到独特的视图
八 相控阵的优点和局限性
与传统的手工超声检测和射线检测相比，优点： ! 检测灵活性高、速度快，现场检测时只需对环焊缝进 行一次简单的线性扫查而无需来回移动即可完成全焊 缝的检测。 ! 超声成像，检测结果直观、重复性好，可实时显示。 超声成像 检测结果直观 重复性好 可实时显示 在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。也可打印、 存盘，实现检测结果的永久性保存 存盘，实现检测结果的永久性保存。 ! 可检测复杂形面或难以接近的部位。 ! 缺陷定位准确，检测灵敏度高。 ! 作业强度小，无辐射无污物。
Source: NDT On-line
二 相控阵技术的发展
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始于20世纪60年代，借鉴相控阵雷达。 始于20世纪60年代 借鉴相控阵雷达 初期主要应用于医疗领域，如医学B超 工业无损检测中的应用受限 相控阵系统的复杂性、固体中波动传播的复 杂性、成本费用高以及市场相对较小。 近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转 及聚焦性能以及超声成像功能越来越引起人们 的重视。
应用之二：叶片根部的扇形扫查
应用之三：涡轮叶的根部检测 应用之三：
应用之四：扇形扫查
N 2 ...... 1
应用之五：焊缝检测
示例：单探头相控阵检测
应用之六、管道环焊缝相控阵检测
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其基本方法是将焊缝沿厚度方向分成若干个分区，每 个分区用两个通道检测，检测系统必须具有足够多的 通道。每个分区用一对或两队聚焦探头检测熔合线上 的缺欠，体积型缺欠采用非聚焦探头检测。检测结果 以图像形式显示，分为A、B、TOFD三种显示方式。扫 查器在管道环向自动扫查，扫查一次即可对整个焊缝 厚度方向的分区进行全面检测，自动将检测结果和声 耦合显示在图像上。 从原理上看，管道环焊缝相控阵全自动超声检测综合 采用脉冲反射法和衍射时差法（TOFD）； 采用脉冲反射法和衍射时差法（TOFD） 从探头接触方式看，采用直接接触法。 ASTM E1961 E1961-1998 1998 DNV－OS-F101 DNV OS F101 中石油“管道对接环焊缝全自动超声波检测” 标准
三 超声成像
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显示方式：A型显示和超声成像方法 A型显示
波形显示，超声信号的幅度与传播时间的关系 波形显示 超声信号的幅度与传播时间的关系 直角坐标 示波管的电子束是振幅调制
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超声成像
B C D S P型显示等 B、C、D、S、P型显示等
用超声波获得物体可见图像的方法，主要采用扫描 接收信号 再进行图像重构的方式 因此又称为超声 接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声 扫描成像技术。 超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体 内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定 量动态监控