超声相控阵检测系统

超声相控阵检测系统

摘要：在无损检测领域里，超声检测凭借可靠、安全、经济的优势，得到了越来越广泛的应用。超声相控阵系统由于具有独特的线性扫查、动态聚焦、扇形扫描的特点，成为近几年超声检测领域里的一个研究热点。本文介绍了超声相控阵的发展、在工业领域中的应用以及国内外现状。简述了超声相控阵系统工作原理、主要特点及相控阵系统的探头、超声发射接收电路、超声成像部分。说明了超声相控阵的研究在无损检测领域里具有广阔的应用前景。

关键词：无损检测；超声相控阵；相控阵探头；超声成像

Ultrasonic phased array testing system

Liu Shengchun

（College of information and communication Engineering, Harbin Engineering University,

Harbin, Heilongjiang 150001, China）

Abstract:In non-destructive detecting field, depending on the superiorities of credibility, security and economy, ultrasonic detecting is getting more and more broad application. Ultrasonic phased array system which has characteristics of linearity scanning , dynamic focus and sector scanning, is becoming a hot research in the ultrasonic detecting field in recent years.This paper introduce the development, status quo of ultrasonic phased array, and its application in industry. Briefly describe its work principle, main characteristic and phased array system including probe,ultrasonic transmitting and receiving circuit and ultrasonic imaging. It illuminates that there is a wide application foreground of ultrasonic phased array's research in non-destructive detecting field. Key words:Non-destructive defecting;Ultrasonic phased array;Phased array probe;Ultrasonic imaging

1 引言

超声相控阵技术已有40多年的发展历史，初期，由于系统的复杂性、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，主要应用在医疗领域[1,2]，如通过相控阵快速移动声束对被检器官成像[3]；利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌[4]。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，特别是在核工业及航空工业领域，如薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测[5]；核废料罐电子束环焊缝的全自动检测[6]；核电站主泵隔热板的检测[7]。近几年，随着超声相控阵技术发展，在油气管道领域里，超声检测正在代替射线检测[8-11]，因为

采用相控阵技术检测焊缝缺陷降低了漏检的危险[12]。现在，在相控阵系统设计、系统仿真、生产测试和应用等方面已取得一系列的发展，OLYMPUS 、SIEMENS及IMASONIC等公司已生产出超声相控阵检测系统及相控阵换能器。还有，动态聚焦相控阵系统[13]，二维阵列、自适应聚焦相控阵系统[14]，表面波及板波相控阵换能器[15]和基于相控阵的数字成像系统的研制、生产、应用及完善已成为研究重点。其中，自适应聚焦技术[16]尤为突出，它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则，实现声束的优化控制，提高了缺陷的检出率。我国计算机与超声检测技术的结合始于70年代末，重点是研究超声信号的采集、量化和信号处理问题。目前，国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，虽然出现了一些多通道超声探伤仪器，可实现多声束同时探伤，但因角度调节不够灵活（仍需改变探头型号），为此移动也不方便，不易实现全自动化，所以仍然不能满足大批量焊缝探伤的要求，而国外已有商品化的相控阵检测设备出售，但其成本高昂，一台设备售价为二三百万人民币，在国内普及应用难度较大。因此，全自动化超声相控阵检测系统的研究具有重大意义。

2 超声相控阵工作原理及特点

全自动超声相控阵的工作原理框图如图1所示。它由检测人员操作超声相控阵系统软件，在软件中输入工件的各个参数，软件根据聚焦法则自动计算出延时时间，并将延时时间、增益、滤波等参数传递到超声数据采集卡，数据采集卡再根据延时时间参数生成延时脉冲激励探头产生超声波，不同延时时间脉冲产生的超声波会形成不同的聚焦偏转波束，这个聚焦偏转波束作用于工件，在工件里产生反射回波，探头接收来自于工件的超声回波信号，并将这些回波信号传递给超声信号数据采集卡处理，得到合成信号。合成信号按照一定的数据格式，经USB传输线传递到超声相控阵系统软件中，软件再将这些合成信号以多种成像方式显示出来，最后，检测人员根据这些图像分析缺陷、评估工件。

图1 超声相控阵工作原理框图

与常规超声检测系统相比[17]，它具有如下特点：

1、可提高检测速度；

2、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；

3、通常不需要复杂的扫查装置，不需

超声相控阵系

统软件

超声信号数

据采集卡

延时时间

增益、滤波参数

延时脉冲

探头（扫查器）

工件

合成信号