相控阵技术介绍
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波前同时撞击到压电晶片。
斜波束－接收一侧
相控阵波束形成
相控阵探头波束偏转（接收）： －在接收过程中施加合适的电子延迟。 －只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后
才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图 出于经济考虑，脉冲发生器通常采用多路输出。
Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生 器，通过多路输出得到128个超声通道。
波束形成
聚焦波束－接收侧
聚焦法则产生
聚焦法则计算器
本机工具 －TomoView －Omniscan “编程探头”
EPRI 工作手册 PASS,CIVA, 等.
相Hale Waihona Puke Baidu阵波束的特点
波束聚焦
把超声能量聚集到一个焦点的能力 使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度 对称（比如抛物线）聚焦法则（时间延迟
合成探头技术
PA探头基于合成技术， 从合成探头获得的信噪比 比压电陶瓷材料高10-30dB。
压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成。
合成探头技术
一个薄金属层放在压电合成体上。在这个 金属层内设计的晶片确保压电材料统一激 发。
探头制造：外壳
探头的结构与常规探 头相似
声匹配 压电合成体 填充材料 多达128个共轴电线
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。
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
曲线的，圆锥形的，椭圆形的….
普通的探头几何形状
1D线性阵列
2D线性阵列
常用的探头几何形状
1D环形阵列
2D环形阵列
常用的探头几何形状
菊花探头数据
楔块参数
楔块参数 楔块声速（vw） 楔块角度（ω） 第一个晶片高度（h1） 第一个晶片的偏移
（x1） 楔块常用的材料是一
种专利材料Rexolite
相控阵优缺点
为什么使用相控阵？
不需要移动工件，实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能 单个电子控制的相控阵探头实现多角度检
测 多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查 对于复杂几何体的检测更具灵活性 －最佳的聚焦 －最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的
相控阵探头设计参数
超声相控阵探头由一系列独立的晶片构成， 每个晶片都有各自的接头，延时电路和A/D 转换器
晶片之间彼此声绝缘 根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中
的每一个晶片，比如“相位”
1D线性阵列
许多线性探头设计 探头可以在次轴上形成聚焦 PA和探头技术允许探头加工成各种形状，平的，
阵探头中。
波束偏转
偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有 关
通过公式计算出最大偏转角（－6dB） 斜楔块可以改变角度偏转范围
波束偏转能力取决于相邻进片产生波 束后的相互干涉。
不能增加灵敏度，只是增加视觉上的分辨率 在采集数据时使用，不能做为后处理功能
动态深度聚焦
波束偏转
能够修改阵列探头产生波束的折射角的能 力。
单个探头可以进行多角度检测。 使用不对称的（比如线性）聚焦法则。
扇形扫查图解
扇形扫查
扇形扫查有能力扫查整个工件截面，而无须移动 探头。
用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件。 把宽波束和/或多焦点探头的优势集中在一个相控
晶片数量
10
孔径（mm）
10
N 菲涅耳距离 84 （mm）
聚焦深度（mm） 84
K D(聚焦深度mm)
0.99 2.49
16 16 216
84 0.39 1.55
32 32 865
84 0.10 0.78
以上结果基于水尽方法。
波束剖面
动态深度聚焦
DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式。光速在 返回时重新电子聚焦。
基本阵列设计
线性阵列（1D）基 本上是一个长的常 规探头。
切割成许多可以单 独激发的小晶片。
阵列探头的设计参数
探头参数： 频率（f） 阵列中晶片的数量（n） 控制或激活方向上总的孔径（A） 高度，在机械轴或次轴方向上的孔径（H） 间距，两个相邻晶片的中心间距（p） 单个晶片的宽度（e）
缺点
探头制造复杂，国内目前不能制作 探头一般尺寸较大，受现场条件限制 对检测人员要求高 并不能解决所有问题，也不是进行一次扫
查就能发现所有缺陷
相控阵探头
相控阵探头是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 晶片阵列。根据晶片阵列型式不同，主要 有1维线性阵列，2维线性阵列， 1维环形 阵列，2维环形阵列四种形式。
斜波束－接收一侧
相控阵波束形成
相控阵探头波束偏转（接收）： －在接收过程中施加合适的电子延迟。 －只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后
才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图 出于经济考虑，脉冲发生器通常采用多路输出。
Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生 器，通过多路输出得到128个超声通道。
波束形成
聚焦波束－接收侧
聚焦法则产生
聚焦法则计算器
本机工具 －TomoView －Omniscan “编程探头”
EPRI 工作手册 PASS,CIVA, 等.
相Hale Waihona Puke Baidu阵波束的特点
波束聚焦
把超声能量聚集到一个焦点的能力 使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度 对称（比如抛物线）聚焦法则（时间延迟
合成探头技术
PA探头基于合成技术， 从合成探头获得的信噪比 比压电陶瓷材料高10-30dB。
压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成。
合成探头技术
一个薄金属层放在压电合成体上。在这个 金属层内设计的晶片确保压电材料统一激 发。
探头制造：外壳
探头的结构与常规探 头相似
声匹配 压电合成体 填充材料 多达128个共轴电线
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。
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
曲线的，圆锥形的，椭圆形的….
普通的探头几何形状
1D线性阵列
2D线性阵列
常用的探头几何形状
1D环形阵列
2D环形阵列
常用的探头几何形状
菊花探头数据
楔块参数
楔块参数 楔块声速（vw） 楔块角度（ω） 第一个晶片高度（h1） 第一个晶片的偏移
（x1） 楔块常用的材料是一
种专利材料Rexolite
相控阵优缺点
为什么使用相控阵？
不需要移动工件，实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能 单个电子控制的相控阵探头实现多角度检
测 多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查 对于复杂几何体的检测更具灵活性 －最佳的聚焦 －最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的
相控阵探头设计参数
超声相控阵探头由一系列独立的晶片构成， 每个晶片都有各自的接头，延时电路和A/D 转换器
晶片之间彼此声绝缘 根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中
的每一个晶片，比如“相位”
1D线性阵列
许多线性探头设计 探头可以在次轴上形成聚焦 PA和探头技术允许探头加工成各种形状，平的，
阵探头中。
波束偏转
偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有 关
通过公式计算出最大偏转角（－6dB） 斜楔块可以改变角度偏转范围
波束偏转能力取决于相邻进片产生波 束后的相互干涉。
不能增加灵敏度，只是增加视觉上的分辨率 在采集数据时使用，不能做为后处理功能
动态深度聚焦
波束偏转
能够修改阵列探头产生波束的折射角的能 力。
单个探头可以进行多角度检测。 使用不对称的（比如线性）聚焦法则。
扇形扫查图解
扇形扫查
扇形扫查有能力扫查整个工件截面，而无须移动 探头。
用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件。 把宽波束和/或多焦点探头的优势集中在一个相控
晶片数量
10
孔径（mm）
10
N 菲涅耳距离 84 （mm）
聚焦深度（mm） 84
K D(聚焦深度mm)
0.99 2.49
16 16 216
84 0.39 1.55
32 32 865
84 0.10 0.78
以上结果基于水尽方法。
波束剖面
动态深度聚焦
DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式。光速在 返回时重新电子聚焦。
基本阵列设计
线性阵列（1D）基 本上是一个长的常 规探头。
切割成许多可以单 独激发的小晶片。
阵列探头的设计参数
探头参数： 频率（f） 阵列中晶片的数量（n） 控制或激活方向上总的孔径（A） 高度，在机械轴或次轴方向上的孔径（H） 间距，两个相邻晶片的中心间距（p） 单个晶片的宽度（e）
缺点
探头制造复杂，国内目前不能制作 探头一般尺寸较大，受现场条件限制 对检测人员要求高 并不能解决所有问题，也不是进行一次扫
查就能发现所有缺陷
相控阵探头
相控阵探头是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 晶片阵列。根据晶片阵列型式不同，主要 有1维线性阵列，2维线性阵列， 1维环形 阵列，2维环形阵列四种形式。