4-相控阵工作原理

动态电子聚焦
• 对利用超声波探伤的超声相控阵装置来说，探头的位置一 但确定，期望的聚焦区的位置也就确定了，即确定了各波 源发出的波的声程xi，我们可以先发射声源组中声程最长 的波即对应的声源先激发，声程短的声源依次延迟一个很 小的时间间隔激发，则各声源上所产生的声脉冲也获得相 应的延迟，这些波的叠加效应可以实现声束角的偏转和聚 焦，以达到在规定区域聚焦的目的。随着发射延迟时间的 改变，偏向角也将随着改变。如果使左右两边的激励脉冲 互易，则合成波束的方向移至法线的另一侧。如果对对各 声源的激励脉冲的延迟时间进行控制，就可以使发射的超 声波束在一定的角度范围内变化。这种用控制激励脉冲延 迟时间来操纵超声波波束方向的扫查方式就是相控阵扫查。
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
30
2 1
3
4
5
7 6
16 15 14 13 12 11 10 9 8
• 圆形阵
– 1维 环形阵 维 – 2维 扇形阵 维
51 52
49 50
31 17 18
扇形(带方位角的) 扇形(带方位角的) 扫查
扇形扫查 – 不改变位置而改变入射角 – 检测缺陷时很有用。 检测缺陷时很有用。
扇形扫查
✦扇形扫查可以不移动探头就检测整个待检工件 ✦检测表面复杂或空间有限的情况下大有用武之地 ✦一个相控阵探头结合了宽波束探头和多焦点探头
的优势
N 2...... 1
扇形扫查图例
引言
• 相控阵用电子技术虽然属于无损探伤领域， 但主要技术领域全部都是计算领域内的软 硬件技术。在此技术中，除了超声探伤技 术外，更多地采用数学建模技术、相控阵 技术、高速并行采样及流水线阵列处理技 术、A超B超C超图像重建技术，多轴自动 控制技术等多种技术。
引言
• 超声波相控阵技术的软件与数学建模的关键对象是相控阵。 它最早用于雷达技术，由于其系统的复杂性、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 的应用受到限制。但与传统超声检测技术相比，相控阵技 术具有明显的优势如检测速度快，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，检测结 果直观，可实现实时显示等。目前我国的主要应用集中在 管道焊缝的无损检测，但其有更为宽广的应用空间，特别 是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检 测、核废料罐电子束环焊缝的全自动检测、火力发电厂各 类零部件等。
引言
• 通常情况下，相控阵的实现方法是通过多通道信 号发射系统来改变每路信号的延时，控制相控阵 传感器的各个阵元，使它们发出的声束在空间某 点进行实际聚焦。本文提出了一种新的相控阵处 理技术，可用相同的信号激励各个晶片，采集回 波信号存入计算机。然后，根据各个晶片到达虚 拟焦点的位置计算出声程差并转换成时间差，把 原本是同时发射的信号进行平移，虚拟延时发射， 定点聚焦。基于这种思路，我们研制了一套实验 系统，用以求证这种方法的可行性。
叶片根部的扇形扫查
扇形扫查和线形扫查结合
• 将两种扫查结 合起来可以得 到独特的视图 • 使用Tomoview 软件使设置更 简单
电子/ 电子/扇形扫查动画
动态深度聚焦示意图
动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。 波束在 返回时 重新聚 焦
Mechanical Displacement
超声相控阵换能器
• 超声相控阵换能器按其晶片形式主要分三类，即 线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟，己有含 256个单元的线阵(Nx1)，可满足多数情况下的应 用要求;面阵又叫二维阵列，可对声束实现三维控 制，对超声成像及提高图像质量大有益处，目前 已有含128x128阵列的超声成像系统应用于金属 和复合材料的检测与性能评价，然而同线阵相比， 面阵的复杂性剧增，其经济适用性影响该类探头 在工业检测领域的应用;环形阵列在中心轴线上的 聚焦能力优异、旁瓣低、电子系统简单、应用广 泛，但不能进行声束偏转控制。
标准的相控阵 动态深度聚焦
动态深度聚焦动画
相控阵 T.O.F.D. ~ 线形扫查
相控阵的优点
• • • • • • 检测复杂型面 检测速度快 检测灵活性更强 探头尺寸更小 检测难以接近的部位 由于以下因素可以节约系统成本:
– 探头更少 – 机械部分少
32
8 3
33
19
9
6
14
26
42
34
20
10
4 11 22
5 12 23
13
25

61
53
35
21 36
24 39
40
60
54
59
37 55 56 X=-6.5, Y=-6.5 --> X=6.5
X=-4.4, Y=-4.4 --> X=4.4
38 58 57
超声聚焦的方法
• 为使超声聚焦有很多方法，声束的聚焦与 光束一样，可以用几何透镜、物理透镜 （非涅耳条带）、或将换能器直接做成凹 面阵实现聚焦。这些声束聚焦的方法，其 焦点都是固定的，为改变焦点，只有用机 械方法调焦，但机械方法调焦很不方便， 速度也很慢，这就限制了它的应用。这种 方法可以称之为物理聚焦方法。
Beam displacement
FOCUS DEPTH (PULSER)
DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
c = velocity in material
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。
相控阵定义
• 一种晶片的激发时间可以单独调节，以控 制声束轴线和焦点等参数的换能器晶片阵 列。
Source: NDT On-line On-
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 当形式显示如图1所示。
扇形扫查动画
扇形扫查对 “难以接近” 的复杂型面十 分适合如，涡 轮叶的根部检 测
涡轮焊接转子检测
相控阵检测: 相控阵检测 •30-60度的横波做扇形扫查 度的横波做扇形扫查 •步进为 度 步进为1度 步进为 •沿圆周轴向做机械扫查 沿圆周轴向做机械扫查 相控阵探头: 相控阵探头: 5 MHz, 16晶片 16 mm x 16 晶片, 晶片 mm 固定在楔块上 试块: 试块 EDM槽2 mm x 0.5 mm 槽
电子技术调整焦点位置和聚焦方向
• 于是相控阵的方法就被提出来了，它是用电子技术调整焦 点位置和聚焦方向，实现动态聚焦调节。其基本做法是调 整各独立振动声源发射信号的相位，使得各独立振动声源 到达焦点的声束具有相同的相位，就实现了聚焦。初期完 成相位调整的移相器是依靠模拟电路来实现的，但模拟调 相的精度不高。后来随着技术的发展改为数字式延迟线进 行调相。集成电路技术发展很快，已经可以进行信号的全 数字控制，即不但信号的延时、相移可以控制，信号的波 形如频率、幅度、包络线等也可以任意改变。全数字电路 不但可以在连续波状态下工作，也可以在脉冲波状态下工 作。这种方法就是电子聚焦。
试样及传感器阵列
由其原理可知，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。
相控阵技术的优势
• 用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。 • 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。 • 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。 • 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 越性当然，相控阵技术在实现上要面临诸多挑战， 如要求压电晶片电声性能好;
动态电子聚焦
• 动态电子聚焦的物理基础是波的干涉效应。设由波源S1和 S2发出的两列波，其频率相同，波型相同即同为纵波或横 波，相位相同或相位差恒定，在行进中相遇，在M点波的 叠加效应。 • 当波程差ε＝|x1―x2|为波长λ整数倍时，M处合振幅为二 波振幅之和。 • 当波程差ε为λ/2奇数倍时，M处合振幅为二波振幅之差 的绝对值。
波束偏转
对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。
波束偏转和聚焦
图中有阵列里的各 个晶片; 加在每个 晶片上的延时; 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。
✦不依靠任何机械运动
电子扫查
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 –以上扫查的组合
相控阵工作原理
黑龙江省电力科学研究院 池永斌
引言
• 相控阵用电子技术调整焦点位置和聚焦方 向，以实现动态聚焦，与以前的机械调焦 法相比，具有快速、准确、适应性强的优 点，而且成像质量好，因此在无损检测的 很多领域具有很大的应用潜力。但是，由 于相控延时发射电路的复杂性，使其对发 射信号的同步和延时要求很高，而且随着 阵元数目的增加，控阵电路的制作的复杂 性和成本都显著增加，因此，其广泛应用 受到了极大的限制。