（精密仪器及机械专业论文）高集成度超声相控阵检测系统相关技术的研究.pdf

中文摘要 超声相控阵技术是近年来无损检测领域的研究热点。通过对超声阵列换能器 中各个阵元施加独立的相位控制，可实现声束的偏转和聚焦。它可以灵活地采用 多种扫描方式进行检测，检测速度快，灵敏度、分辨力与信噪比高，能检测形状 复杂的物体。随着计算机技术的发展，近年来超声相控阵检测设备朝着高精度、 数字化、智能化以及小型化方向发展。本文基于超声相控阵原理，针对超声相控 阵检测系统的几项关键技术进行了研究。 首先，根据超声相控阵的声场特性，对1 6 通道检测系统的辐射声场进行仿 真研究，分析了线阵换能器的阵元尺寸及检测角度对声束旁瓣和栅瓣影响，得出 在实际检测中选择以及设计线阵换能器的原则；探讨了延时精度对系统对比度分 辨力和空间分辨力的影响。 其次，以小型化、数字化为目标，提出4 通道超声相控阵检测系统的实现方 案。选用高集成度的芯片搭建系统电路；完成4 通道超声相控阵检测系统中高压 脉冲发射部分的调试，可通过上位机传递延时参数及通道切换参数给f p g a 控制 中心，实现全数字式时间延迟控制，延迟精度为2 5 n s 。 再次，根据系统要求设计电源模块，包括6 路正负双极性高压电源及多路低 压电源。高压电源主要采用b o o s t 与b u c k b o o s t 电路结构实现升压，1 2 v 直流输 入，可为系统产生7 5 v 方波脉冲供电。 另外，针对经过放大、滤波及a d 变换后的回波信号，提出多路信号在f p g a 中的声束形成方案，包括l v d s 数据接收、半带滤波数值内插、c i c 滤波数值抽 取以及动态聚焦等，并通过仿真验证了方案的可行性。 关键词：超声相控阵线阵换能器相位延时升压电路数字波束形成f p g a a b s t r a c t u l t r a s o n i cp h a s e da r r a y ( u p a ) t e c h n i q u eh a sr e c e n t l yb e e nh i g h l yr e c o g n i z e di n t h ef i e l do fn d t t h eb e a mf o c u s i n ga n dd e f l e c t i o nc a nb ea c h i e v e db ye x c i t i n ge a c h e l e m e n to fa nu l t r a s o n i ca r r a yt r a n s d u c e rw i t hi n d e p e n d e n tp h a s ed e l a y d i f f e r e n t k i n d so fs c a n n i n gm o d e sc a nb et a k e nf l e x i b l yf o ri n s p e c t i o n a sar e s u l t ，t h e r ea r e r e m a r k a b l ea d v a n t a g e si ni n s p e c t i o ns p e e d ，d e t e c t i o ns e n s i t i v i t y , r e s o l u t i o n ，s n ra n d a b i l i t yt oi n s p e c tc o m p o n e n t o fc o m p l e xg e o m e t r y u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni n s t r u m e n ti s b e i n gd e v e l o p e d i nt h ed i r e c t i o no fh i g h - p r e c i s i o n ，d i g i t i z a t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n d m i n i a t u r i z a t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h i st h e s i ss t u d i e st h e k e yt e c h n o l o g i e so nu p ai n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h et h e o r yo fu p a f i r s t l y , t h eu l t r a s o n i c f i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e16 - c h a n n e ll i n e a ru p aa r e s t u d i e db ys i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ef i e l dt h e o r y t h ei m p a c t so ft h es i z eo fp r o b e e l e m e n ta n di n s p e c t i o na n g l eo nt h es i d e - l o b ea n dg r i d - l o b eo fa c o u s t i cb e a ma r e a n a l y z e d ，w h i c hs u p p l i e st h ep r i n c i p l e s o fs e l e c t i n ga n dd e s i g n i n gl i n e a rp r o b e b e s i d e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e l a yp r e c i s i o na n dr e s o l u t i o ni sd i s c u s s e d s e c o n d l y , a n4 - c h a n n e lu p ai n s p e c t i o ns y s t e mp r o g r a ma i m e da tm i n i a t u r i z a t i o n a n dd i g i t i z a t i o ni sp r o p o s e d h i g h l yi n t e g r a t e dc h i p sa r es e l e c t e df o rb u i l d i n gt h e s y s t e mc i r c u i t t h ed r i v ep u l s ep a r to ft h es y s t e mi sf i n i s h e dd e b u g g i n g c h a n n e l s w i t c hp a r a m e t e r sa n dt i m ed e l a yp a r a m e t e r sc a nb et r a n s m i t t e df r o mp ct of p g a a l l - d i g i t a lc o n t r o lo ft i m ed e l a yi sa c h i e v e d t h ep r e c i s i o no fw h i c hi s2 5 n s t h i r d l y , as p e c i a lp o w e rm o d u l ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s6 - c h a n n e lp o s i t i v en e g a t i v eb i p o l a rh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y a n dm u l t i c h a n n e ll o w - v o l t a g ep o w e rs u p p l y h i g h - v o l t a g ep a r ti sd e s i g n e dw i t h b o o s ta n db u c k b o o s tc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n i tc a ns e r v et h en e e d so fg e n e r a t i n g + 7 5 vs q u a r ew a v ep u l s ef o rt h es y s t e mw i t h12 vd ci n p u t i na d d i t i o n ，am e t h o do fd i g i t a lb e a m f o r m i n gb a s e do nf p g ai sp r o p o s e d ， i n c l u d i n gl v d sd a t ar e c e p t i o n ，h a l f - b a n df i l t e ri n t e r p o l a t i o n ，c i cf i l t e rd e c i m a t i o n ， d y n a m i cf o c u s i n ga n ds oo n i ti sp r o v e df e a s i b l eb ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cp h a s e da r r a y , l i n e a rp h a s e da r r a yp r o b e ，p h a s e dd e l a y , s t e p u pc i r c u i t ，d i g i t a lb e a m f o r m i n g ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 番系彳， 签字日期：夕哆年月尹同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：髫，孽膏 导师签名 签字同期：声研年多月尹日 签字同期： ， ， 刎年 | 毛a r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 在现代社会，工业产品已深深渗透到人类工作、生活的每个角落，并带来了 极大便利。于此同时，工业产品的安全性越来越受到人们的关注。如何检测材料 的缺陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等，同时又不对其造成损伤 是科技工作者所致力解决的领域，这个领域我们称之为无损检测，也即n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y ) 。随着无损检测技术体系的发展，它已不 仅涉及成品部件的试验评价，也与设计、制造工艺直接相关。通过定量掌握缺陷 与强度的关系，评价构件的允许负荷以及寿命；通过检测在制造过程中产生的结 构不完整性及缺陷等情况，以改善制造工艺。常用的无损检测技术有：射线检测 法( i 盯) 、超声波检测法( u t ) 、磁粉检测法( m t ) 、渗透检测法( p t ) 和涡流检测法 ( e d 。 现代无损检测技术的发展趋势是从对材料的定性检测到高精度、高分辨率的 定量检测，从而实现对工业设备更加准确的无损评价在无损检测领域，近年来的 一个研究热点就是超声相控阵检测技术【l 】。这是一种多声束扫描成像技术，超声 探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列的单元在发射电路激励下以可控的相 位激发出超声波，并使超声声束在确定的声域处聚焦，超声回波转化成电信号也 以可控的相位合成，实现缺陷的检测【2 】。超声相控阵检测技术具有如下特剧】： 超声相控阵系统使用的探头盘体积小、重量轻； 突破了传统机械聚焦只能形成固定焦点的局限性，不需要复杂的扫查装置， 不需要更换探头，通过设置软件参数就能实现对所关心区域的多角度、多 方向扫查，使整个检测系统具有更大的灵活性； 通过对发射和接收单元的组合实现声场的控制，可以在保证检测灵敏度的 前提下实现高速检测； 可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域，是解决可达性差和受空间限 制的探伤问题的最佳解决方案； 可以对焦柱长度、焦点尺寸、声束方向进行优化控制，提高了缺陷分辨率、 信噪比及缺陷检出率； 方向难以辨别的缺陷可检测性增强，波束的聚焦增加了信噪比，在扇形扫 第一章绪论 查中，大量的a 扫数据增加了每个角度的分辨率，从而增强了检出率； 完全车载作业，检测数据可由计算机辅助检测人员进行分析、标定，可节 省检测人员的工作时间、降低劳动强度： 适用范围广，能实现对表面为非平面及具有复杂结构的物体的缺陷检测； 仪器可以通过软件的调整或升级，不断适应新的检测要求。 相比传统的超声探伤仪，超声相控阵无损检测系统具有信噪比高、缺陷分辨 力强、有效探伤范围宽及工作效率高等特点。 超声相控阵检测技术的应用领域非常广泛。在医疗领域有b 超仪、超声多 普勒检测仪等；在工业领域的应用涵盖了核电、石油化工、机械制造、国防和航 空航天工程：比如汽轮机叶片根部应力腐蚀裂纹的检测和定量、奥氏体小径管焊 缝探伤、管道应力腐蚀裂纹检测、承压设备对焊缝检测、密封垫下的法兰腐蚀检 测、轴类工件的裂纹检测、复合材料检测等岭】。 1 2 超声相控阵无损检测技术在国内外的发展现状 超声相控阵技术的发展来源于雷达电磁波相控阵技术。早在1 9 5 9 年，t o m b r o w n 在k e l v i n 和h u g h e s 注册了一项环形动态聚焦探头的专利，后来被称为相 控阵。初期主要应用在医疗领域，医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束 对被检器官成像，利用其可控聚焦特性局部升温热疗医治癌症。 由于固体中波动传播的复杂性以及对多晶片探头进行快速激发所需的计算 能力和对扫查产生的大数据文件处理能力的不足，早期在工业无损检测中的应用 受到一定限制。二十世纪六十年代美 w h i t t i n g t o n 和c o x 利用相控阵技术控制声 束，检测管道中的缺陷。b e c k e r 和c r o w ，设计了另一套相控阵系统，这套系统包 含了12 0 个发射单元，分成l6 组，能够以4 5 度和6 0 度发射超声1 6 j 。八十年代s t a n f o r d 大学的k i n o 和他的同事在结合孔径聚焦理论方面的研究对相控阵的发展也有重 要意义。 随着电子技术的飞速发展，相控阵探伤仪从模拟系统走向了数字系统。加拿 大r dt e c h 公司从1 9 8 9 年开始，先后开发了5 代超声相控阵检测设备，其中前 面4 代产品采用模拟声束合成，只有最后的o m n i s c a n 采用了数字声束合成。1 9 9 8 年，瑞典u p p s a l a 大学s t e p i n s k it 将相控阵技术用于对核废料罐电子束环焊缝的全 自动检测，研发了软件工具，可进行b 扫成像显示【7 】。19 9 9 年l a m a r r e 等使用相 控阵系统针对航空飞行器的焊缝( f s w ) 进行检测，可以实现动态波束控制、电 子扇形扫描、电子聚焦、图像处理和显示，该仪器得到了美国通用航空公司的认 定【8 1 。2 0 0 0 年，德国b a m 学院的e r h a r da 等利用相控阵系统的聚焦特性对奥氏体 第一章绪论 焊缝进行检测1 9 】。韩国s o g a n g 大学h w a n gj s 和s u n h k y u n k w a n 大学s u n g - j i n s o n g 等采用数字化技术研制了具有动态孔径聚焦发射及动态聚焦接收特性的相 控阵系统【1 州。法国原子能委员会( c e a ) 2 0 0 0 年研制了具有1 5 m m 曲率半径的 弯曲探头，适用于非平面、复杂表面的物体检测，在此基础上研制了“f a u s t ” 系统【l2 1 。此外，c e a 还开发了c i v a 相控阵建模与仿真工具，它能处理具有复杂 几何形状的检测界面、任意形状的探头和任意波形的激发脉冲，对工件中的声场 分布进行定量预测；能对各种缺陷进行超声波的散射分析和计算，并预测发射声 束的声场分布或确定来自缺陷的超声回波的位置i 】引。另外，一些单位小型化超声 相控阵检测系统，基于v x i 网络检测系统等方面进行了研究1 1 4 1 5 。近几年，超声 相控阵技术发展尤为迅速，在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等 方面已取得一系列的进展，如采用新的复合材料压电换能器改善电声性能，奥氏 体焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测掣1 6 j 。r dt e c h ，s i e m e n s 及 i m a s o n i c 等公司己推出商品化的超声相控阵检测系统及相控阵换能器。而动态 聚焦相控阵系统，多维阵列、自适应聚焦相控阵系统，表面波及板波相控阵换能 器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【l7 1 。 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，主要集中于医 疗领域。在工业无损检测上的研究主要集中于高校及科研院所。中科院声学研究 所于2 0 0 0 年研制了超声相控阵换能器动态聚焦系统，可以实现精密动态聚焦试验 1 1 8 ；2 0 0 8 年，研究了凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射【1 9 】。北京 航天航空大学2 0 0 2 年研究了超声相控阵检测成像技术在电子束焊缝检测中的应 用【2 0 1 。2 0 0 3 年中国石油天然气集团公司管道科学研究院联合天津大学等科研单位 研制成功p w a o l 管道环焊缝全自动超声相控阵检测设备1 2 1 2 2 j 。清华大学侧重于 相控阵在复合材料胶接层质量评估方面的应用，研究超声聚焦的数字合成原理及 相位的数字控制，实现了一个1 6 通道超声相控阵检测系统1 2 3 2 4 】；在2 0 0 6 年，研 究了超声相控阵基于2 维阵列的3 维成像【2 5 1 。上海电气自动化设计研究所联合上海 市计算技术研究所和上海师范大学，在2 0 0 3 年研制了管道超声相控阵检测系统 侧重于算法的研究和实现1 2 酬。上海交通大学的金建华等在国家“8 6 3 ”计划资助 下，针对海洋平台结构形式的特点，采用超声相控阵技术实现对海洋平台结构的 缺陷检测【27 1 。哈尔滨工业大学于2 0 0 8 年研制了超声相控阵实时检测系统，通过 u s b 传输检测数据进行图像显利孙j 。 1 3 本研究的主要工作 虽然超声相控阵检测技术应用领域广泛，而且检测效果好，但是在国内的应 第一章绪论 用还没有得到普及，其中重要原因是其高昂的检测成本。目前国外已有商品化的 相控阵检测设备出售，但其售价要上百万人民币，在国内普及应用难度较大。 课题组2 0 0 3 年参与研制的p w a 0 1 管道环焊缝超声相控阵检测设备，存在 着很多不足。设备包含1 2 8 个高压脉冲发射单元，每个单元由多个元件组成，系 统体积庞大。此外，设备采用模拟延迟线实现延时，延时精度及稳定性差，控制 不灵活。限制了设备在检测中的进一步推广。 因此，精简系统结构、提高集成度、减小体积，提高控制的灵活性以及检测 的精度，可以减小检测人员的工作强度，提高工作效率。同时，这对我国研制先 进的具有自主知识产权的超声相控阵检测设备，提升无损检测水平，也有重要意 义。 本研究主要针对工业超声相控阵检测设备的几项关键技术。主要包括以下几 个方面： 根据超声相控阵的声场特性及声束的指向性函数，分析了1 6 通道检测系统 中换能器阵元尺寸及检测角度对波束旁瓣和栅瓣影响，得出在实际检测中 选择以及设计换能器的原则。另外，分析了延时精度与系统对比度分辨力 和空间分辨力的关系，得出延时精度与分辨力成正比，通过计算得到2 5 n s 精度下系统的分辨力大小。此外，推导了各通道延时量及动态聚焦延时量 的计算方法。 以小型化、数字化为目标，提出超声相控阵检测系统的实现方案。选用高 集成度的芯片搭建控制处理电路、脉冲发生电路及信号接收处理电路。完 成4 通道超声相控阵发射系统的调试，可通过异步串口由上位机传递延时 ，参数及通道切换参数给f p g a 控制中心，实现全数字式时间延迟控制，延 迟精度为2 5 n s ，控制方式灵活方便。 根据系统要求设计电源模块，包括6 路正负高压电源及多路低压电源。高 压电源主要采用b o o s t 与b u c k b o o s t 电路结构实现升压，1 2 v 直流输入， 可为系统产生7 5 方波脉冲供电。 针对经过放大、滤波及a d 变换后的回波信号，提出多路信号在f p g a 中 的声束形成方案，包括l v d s 数据接收、半带插值滤波提高采样率、寻址 电路实现接收声束信号2 5 n s 延迟、c i c 抽取滤波压缩数据以及动态聚焦， 并通过仿真验证方案的可行性。 第二章超声相控阵检测技术理论 第二章超声相控阵检测技术理论 超声波是指频率在2 k h z 至2 5 m h z 范围的声波。它是一种机械波，其实质 是以应力波( 横波、纵波、表面波) 的形式传递振动能量，其两个必要条件是： 振动源和能传递机械振动的弹性介质。超声波具有方向性好：能量高；能在界面 上产生反射、折射和波型转换；穿透能力强的特点。利用超声波在媒质中的传播 特性( 声速、衰减、反射、声阻抗等) 可实现对非声学量( 如密度、浓度、温度、流 速、厚度、缺陷等) 的测定，超声无损检测技术是应用最广泛的一种无损检测技 术。探伤所用的频率一般在0 5 1 0 m h z 之间，金属材料检验一般在1 5 m h z 之 间。 超声波相控阵检测技术基于超声理论，主要涉及到几何声学和物理声学中的 一些基本定律和概念。如几何声学中的反射、折射定律及波形转换，物理声学中 波的叠加、干涉、衍射、及惠更斯原理等。本章主要根据这些理论分析相控阵超 声的声场特性，研究超声相控阵的核心技术数字时间延迟技术。 2 1 超声检测应用的理论 2 1 1 声场特征值 超声波传播所涉及到的空间范围称为超声场。超声场具有一定的空间大小和 形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。描述超声场的物理量即特 征值主要有声压、声阻抗和声强。 声压p 是指某一点有无超声波存在时的压强差。成像a 扫的波高与声压成 正比。 p = p c u ( 2 - 1 ) 声阻抗z 是指声压与振动速度之比。声阻抗是表征介质声学性质的重要物理 量，超声波在两种介质界面上的反射和透射情况与声阻抗紧密相关。 z = p 甜= p c( 2 2 ) 声强，：单位时间内垂直通过单位面积的声能。超声传播时，能量周期性变 化；声强与频率的平方成正比，超声声强远大于可闻声波；同一介质中声强与声 第二章超声相控阵检测技术理论 压的平方成正比。 ，：上劢z ：三 22z厶；zo 前面3 个式子中，p 为介质的密度，c 为介质的声速，“为质点振动的速度。 2 1 2 声波的反射与折射 ( 2 - 3 ) 超声波在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称反射波；一部 分能量透过界面在另一介质中传播，称透射波。当超声波垂直入射到足够大的光 滑平界面时，在界面上声能( 声压、声强) 的分配和传播方向的变化都将遵循一 定的规律。声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关【2 9 | 。 当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波与折射 波以外，还会产生与入射波不同类型的反射波与折射波，此现象称为波形转换， 如图2 1 所示。波形转换只发生在斜入射的界面，而且与界面两侧介质的状态有 关。 纵渡l l 反 s 反 、 。 v 一渺 ，介质1 岔 根据折射、反射定律： 图2 1 波形转换示意图 查丝：坐堕：皇喧：三盟：里监= = ；= - - - = = = = = q ，q ，g 。q ：g ： ( 2 4 ) 可以得到第一临界角：嘶= a r c s i n 是，( q ： q ，；尻= 9 0 0 ) ( 2 - 5 ) 第二临界角：口i i = a r c s i n 净( g 2 q 1 ；屈= 9 0 。) ( 2 6 c - $ 2 一般超声探头产生纵波，波束从低声阻抗向高声阻抗传播，当入射角小于第 一临界角时，折射波包括纵波和横波；当入射角大于第一临界角并且小于第二临 第二章超声相控阵检测技术理论 界角时，折射波中只有横波；当入射角大于第- - 1 1 每界角，则没有折射波。因此在 超声检测中，超声波垂直入射的多使用纵波检测，倾斜入射的多使用横波检测。 2 2 超声相控阵的基本理论 2 2 1 基本原理 超声相控阵理论基于常规超声与惠更斯理论，它的原理是：由多个换能器阵 元排列成一定形状构成超声阵列换能器，每个阵元都可以独立发射或接收超声 波，分别调整每个阵元发射接收的相位延迟，产生具有不同相位的超声子波束 在空间叠加干涉，达到声束偏转和聚焦的效果。它的优点是采用电控方式聚焦， 不仅能非常灵活、便捷地控制探头产生声束的轴线、偏转方向、聚焦位置和焦点 尺寸等参数，而且精度容易保证。在无损检测中超声相控阵技术能提高信噪比、 检测灵敏度及检测效率。相控阵探头波束发射和接收的基本法则如图2 2 。 一叵乎砸捌头 图2 2 相控阵探头波束发射和接收的基本法则 超声阵列换能器按阵元的排列形状，超声相控阵换能器主要分为四类：l 维 线阵、l 维环阵、2 维线阵、2 维切割环阵。虽然几何形状不同，但超声相控阵 具有共同的特点：作为一个单探头，能提供高度灵活的超声声束，在不移动探头 的情况下扩大了超声束的扫查范围。目前，应用最广、技术最成熟的是沿着一根 轴线，阵元依次并行排列的1 维线阵，因为它的原理简单，实用性强。而2 维 超声相控阵列正处于研究和探索阶段，是今后的发展方向。本文的研究对象是1 维超声相控线阵。 2 2 2 扫查方式 如果改变被激发的阵元，更改各个阵元的激励时间，则各阵元发射的超声波 会叠加形成新的波阵面 ，从而使发射声束具有偏转特性或聚焦特性。各个阵元 所遵从的延时规则，称为聚焦法则( f o c a ll a w ) 。当聚焦法则满足线性关系时， 波 陷 射 缺 入 、y ? 渡 陷 射 缺 反 五时，石d 2 图2 - 8 近场区示意图 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 这个值为波源轴线上最后一个声压极大值的点至波源的距离，也称为近场长 度( n ) 。x n 的区域，其轴线上的声压随距离的增加而减小。x 3 n 时，干涉现象可 忽略，声压与距离成反比。为避免近场干涉产生的干扰，常规超声需要在远场区 进行检测。而超声相控阵检测与常规超声检测最大的不同就是，相控阵检测要在 近场区利用干涉来进行检测。超声相控阵探头近场长度为： 一一a 2 n 4 元 ( 2 1 2 ) 第二章超声相控阵检测技术理论 式中，彳为探头阵列长度。 2 3 21 维线阵探头聚焦声场的声压 对于一个有限尺寸的矩形阵元，可以将其看作是一个面声源，由无限多个小 面元组成。每个小面元都可以近似看作是镶嵌在无限大障板上的活塞振动声源。 基于惠更斯原理，求解声源辐射声场的过程，实际上就是计算声源各面元发出的 声波到达观察点时的干涉结果。因此对每个面元的声压进行积分，便可求得单个 阵元声场中的声压p 1 | 。 对于l 维线阵探头，在其声场中的一点的声压是各个阵元产生的声压的叠 加。图2 - 9 为线阵声场计算柱坐标系，相控阵阵元宽度为w ，长度为，阵元间 距为d ，空间任意一点p 与z 轴的夹角为y ，旋转角为西，点p 为点p 在平面x o y 上的投影。 h 獭泞t t ? 7 7 ? 拙uu 绁蚪艾 相关文献己推导出线阵声场中聚焦点的声压公式： # 一p c u ，絮碧絮挈 e x p ( 删一托) 乏n - i e x p ( 爿 一砌：) ( 2 m ) 。 舯一= k d s i n7 c o s 埘一篇( - 1 ) ，肛矗 式中，j 2 = 1 ，k 为波数，k = o g c = 2 a f c = 2 r d 2 ，为超声频率，a 为声波在介质中的 波长，c 为声波在介质中的波速，p 为均匀或各项同性介质密度，z i 为阵元的振 第二章超声相控阵检测技术理论 速，为焦距。 2 3 3 指向性函数 超声辐射声场的空间分布是由换能器的辐射特性及空间传播特性决定的。对 均匀传播空间，换能器一旦确定，它的声场空间分布就确定t t 3 3 1 。为了获得良好 的检测效果，需要使主声束，即声轴为偏转轴的声束的声压最大，而在其他方向 的声压值最小，为此引入指向性函数d 限州。 图2 1 0 指向性函数计算坐标系 如图2 1 0 所示，设换能器声波发射表面位于x o y 平面，声场空问位于x o z 的正半空间，主声束在x o z 平面上。指向性函数是指距离声源0 为，的球面上 q 点的声压幅值p ( ，：只咖) 与主声束上距离声源0 为r 的球面上q 点的声压幅值 p o s , 回之比，表达式如下： d ( o ，) = ( 2 - 1 4 ) 式中，风是指主声束偏转角。 指向性函数实质上表示的是声场中距离声源为，处的某点的声压与最大声 压的比值，反映了波束传播的质量。根据( 2 - 1 4 ) f f i 偏转聚焦声场声压公式( 2 1 3 ) ， 可得相控线阵偏转聚焦声场的指向性函数的表达式为： d ( o ，矽) = x w s i n 皖 五 豳( 半) d 1 ( 口，) 砬( 口，矽) ( 2 1 5 ) 第二章超声相控阵检测技术理论 一式中，日( 口，) = d 2 ( 口，) = s i n ( 眺1 学乞 7 r l s i n o s i n 五 s i n ( 删蓟警印 z r w s i ne c o s 矽 五 _ 一1 ， 砌d ( s i n o c o s 矽一s i n 2 ) 砌( n - 1 2 ) ，d 2c 。s 2 酿i 砌2 d 2 2 ，c o s 2 幺、 y e x p 。 j ，一 ) n = o n l f m 2 d 2c o s 2 谚k n ( n - 1 ) d ：c o s ：见 ) e x p 2 f2 ， 月= 0 【 当旋转角妒= 0 、户0 0 时，可得到x o z 平面上相控线阵的指向性函数图。大 量理论与实践表明【3 3 州】：阵元数量多，则旁瓣小、指向性好，但相应的探头造 价高、仪器结构复杂。在应用中，大多采用1 6 通道进行检测，它具有比较高的 性价比。由式( 2 1 5 ) 可以看出，阵元的尺寸对指向性也有很大影响，阵元宽度对 指向性的影响如图2 1 l 所示，通道数取1 6 ，材质为钢( 横波声速3 2 3 0 m s ) ，探 头频率5 m h z ，检测偏转角4 5 。图中d 表示阵元间距，可见间距越小，旁瓣越 大、栅瓣越小；相反，间距越大，则栅瓣越大；当间距大于0 5 5 2 时，将产生栅 瓣，影响系统的检测分辨力。 ( a ) d = 0 2 5 k ( b ) d = 0 弱 。1 ，。、 、厂、j仉 卸0卯 偏转角度广 i i n 也。：1 i ，l 卅妒 图2 1l 不同阵元宽度的2 维指向性函数 另外，主声束的偏向角度也影响系统的指向性，如图2 1 2 所示，阵元间距 d = 0 5 5 2 。当主声束偏转角大于4 5 。时，将产生栅瓣。因此，一般检测都在4 5 。 范围内，通过增加楔块扩大检测范围。 第二章超声相控阵检测技术理论 压l 矗 应i 匿 图2 1 2 不同偏向角的2 维指向性函数 当f 取有限值，由式( 2 - 1 5 ) 可得空间3 维指向性甬数图，对上面薄元间距为 o5 5 2 的1 6 通道系统，当聚焦在近场长度处，其3 维指向性函数图如图2 1 3 所 示。 n 自 如 口： 2 一1 33 维指向性函数 综上可知，为避免出现挪瓣，阵元间距相对于i 要小、偏转角度也要小。但 在实际检测中，要考虑检测的深度与角度范围，这是选择探头的出发点。对1 6 通道检测系统，检测深度，即近场长度由z 与阵元间距d 决定。可先由检测角度 求出d 与 的关系，再由近场公式( 2 - 1 2 ) 求得2 的值，进而确定阵元间距d 。相应 的，频率越低，无栅瓣近场长度越长，检测范雷大：但频率低会影响检测精度。 因此，在满足检测范围要求的情况下尽量提高检测频率。另外，也并非都不允 许栅瓣的产生，例如对大尺寸片状缺陷栅瓣对检测结果的影响很小。 第二章超声相控阵检测技术理论 2 4 数字时间延迟技术 过去超声成像设备如医用b 超，大多采用l c 网络组成的多抽头延迟线直接 对模拟信号进行时间延迟，用电子开关来分段切换以获得不同的延时量。这种方 式有以下缺点1 3 5 37 j ： 体积庞大，结构复杂。模拟延迟线由l c 元器件组成，再加上为产生多种延 时值，必须采用延迟线阵列，系统十分笨重。 延时量不能精细可调，只能实现分段聚焦，难以实现各种探测对象所需的不 同扫描参数。 电气参数难以稳定，延时量会发生温漂，时漂，波形容易被噪声干扰。 而数字时间延迟则没有上述缺点，它精度高、控制方便、抗干扰能力强、稳 定性好；延时值可根据不同工件的需要灵活可调，从而实现对不同工件及复杂形 状工件的检测，提高超声相控阵成像质量。 2 4 1 相控阵发射延时量计算 如图2 1 4 所示，以检测中心阵元为参考点，点p 为探头的发射聚焦点，偏 k r i 一o | _ 妇”8 了。i 图2 一1 4 延时量计算坐标 转角为0 ，聚焦深度为f 。由图可知，第玎个阵元相对于中心阵元的延时量为： ：f-i(2-16) c 根据图示关系，可知： ，：抓7 = 五f i 瓦i 面 ( 2 1 7 ) 式中，刀取1 ，2 ，+ _ n 2 ，胛为与探头阵元数相关的量， 改为n + 0 5 。由上面两式可得： 峥至二正互匦亚 阵元为偶数时 ( 2 1 8 ) 第二章超声相控阵检测技术理论 a t 为负表示提前，为正表示滞后。若对式( 2 1 7 ) 展开成幂级数的表示形式，则 有： m 1 - n d s i n 秒+ 譬f 一型8 f 粤+ 悯3 2 2 2 iifji i ：f 一刀d s i n 口+ ( n d ) 2 c o s 20 2 f 小。( 等) 3 若刀水 用高集成度芯片搭建一个4 通道1 6 阵元的超声相控阵检测硬件平台，包括 相控超声波发射与接收单元、相控数据分析处理单元和电源模块。 为保证检测精度及检测灵敏度，各阵元间的相位延迟通过数字方式精确控 制，对应的时间延迟精度为2 5 n s 。 为适应不同的探头及检测条件，要求激发脉冲频率、通道选择、放大增益、 采样频率、激励电压等可以灵活控制。可实现电子扫查、扇形扫查和动态聚 焦三种基本的扫查方式。 电源采用直流稳压适配器统一供电，高压电源幅值可调，使用方便。 相控阵超声发射利用了声场的叠加干涉原理，调整馈送到各个阵元的电激励 第三章超声相控阵检测系统的构成 信号的延时，使得各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，形成所需的声束聚 焦和偏转效果【4 1 1 。相位延迟是实现超声相控阵技术的基本环节，在检测当中，需 要精确控制相位延时，以实现动态聚焦、偏转、声束形成等各种相控效果。 本系统主要包括四个部分：16 阵元超声换能器阵列、超声波发射以及超声 回波信号接收与处理的核心电路、上位机控制与成像单元以及电源模块。4 通道 系统功能示意图如图3 1 所示。 图3 1 总系统功能示意图 发射与接收核心电路包含高压脉冲产生、通道选择、信号放大、带通滤波、 a d 转换、高速数据采集以及信号处理等部分。近几年芯片技术日新月异，性能 与集成度都有了很大的提高。通过比对筛选，最终选取了四通道的高压脉冲产生、 放大和a d 转换芯片，8 通道的通道选择芯片。这种高集成度芯片所需的外围器 件也比较少，这样可以大大缩小系统的体积，减小设计的难度。系统涉及到大量 的控制逻辑和数据传输与处理，f p g a 是最合适的选择，并且它具有开发灵活， 可反复使用，开发费用低等优点。 另外系统需要通过上位机获取控制参数，需要向上位机传送大量检测数据， u s b 接口具有传输速度快、可热插拔、使用方便特点，很适合本系统。不过本 文尚未完成这一部分，暂由串口代替传输控制参数。 系统不仅需要多种低压电源，对于系统中高压脉冲与高压开关，需要高压直 流电源供电。为了减小系统体积，提高使用便利性，设计了一套1 2 v 直流输入， 产生高低压多路输出的开关电源。 第三章超声相控阵检测系统的构成 3 2 高压激励脉冲电路 在超声检测中，窄脉冲激励具有较大的带宽，因而检测分辨力高；宽脉冲激 励带宽窄，因而分辨力低。另外，激励脉冲宽度与超声发射能量有直接的关系【4 2 1 ， 当激励脉冲宽度为瓦l 为超声换能器晶片的固有频率) 时，换能器的发射功 率最大。当脉冲宽度过窄，会导致发射超声波振幅过小，无法实现检测，因此并 非脉冲越窄越好，如图3 2 所示。 2 t s8 t s t a ) t = t s 4 2 t s8 l ( b ) - f = t s 2 ( c ) 1 = 3 t “4 ( d ) = t s 图3 2 激励脉冲宽度与超声发射能量 超声波的产生基于压电效应，激励电压高，超声波振幅大，激励电压低，超 声波振幅小。在超声波检测中，一般激励电压需达到1 0 0 v 以上。由上一章分析 可知，各阵元需要延时精度达到纳秒级别的脉冲激励，以保证系统的检测分辨力。 传统的超声波激励电路多采用分立的场效应开关管加上r c 电路组成，这样 的电路体积很大，而且其脉冲宽度很难精确控制。在本系统中，采用了s u p e r t e x 公司的专用超声波窄脉冲发生芯片h v 7 4 8 来搭建脉冲发射模块。极大地提高了 系统的集成度。h v 7 4 8 是一款4 通道、高速的集成高压脉冲发生芯片，由逻辑 控制接口、逻辑电平转换、m o s f e t 门驱动和p 沟道小沟道m o s f e t 开关输出 级组成。芯片采用h v c o m s 技术，功耗小，输入电阻大，脉冲边沿陡峭；工作 频率可达2 0 m h z ；输出电压为0 7 5 v ，输出峰值电流可达1 8 a 。门驱动采用 与v p p 和v n n 压差为9 v 的浮动电源供电，这种方式不仅可省去输出端的高压耦 合电容，也使得p c b 布线更为容易。芯片的开关时序图3 3 。当逻辑控制端p l n x 为高时，输出正高压，当n i n x 为高时，输出负高压。一对p i n x 和n i n x 可组 成双极性高压激励脉冲。芯片上升时间与延迟时间均为n s 级。 第三章超声相控阵检测系统的构成 一n 门 。竺n 竺厂 图3 - 3h v 7 4 8 控制时序图 高压脉冲发射电路如图3 4 所示。在输出端将一对p i n x 、n i n x 与高速双二 极管芯片b a v 9 9 相接，即可输出高达正负7 5 v 的宽度可控的窄脉冲。通过改变 芯片的高压电源供电，可灵活控制脉冲电压。 图3 - 4 高压脉冲产生电路 3 3 发射接收通道切换电路 相控阵换能器具有很多阵元，常见的有6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 个等。对1 6 通道6 4 阵元的检测系统，即每次只使用其中相邻的1 6 个阵元，需要且只需要使用1 6 个 脉冲激励，通过模拟开关选择不同的1 6 个阵元，可分时激励换能器各阵元，减 少大量驱动激励单元。 模拟开关可分为低压模拟开关和高压模拟开关。传统的通道选择单元多采用 第三章超声相控阵检测系统的构成 低压模拟开关选通低压控制信号，这样只是节省了控制管脚的使用，而不能节省 高压脉冲产生单元；若使用高压模拟开关，不仅节省了控制管脚资源，还节省了 3 4 高压脉冲产生单元。对本系统，采用不同的方式的所需的资源区别如图3 5 所示，图中线上的数字表示连线的数量。采用高压模拟开关可降低成本与减小系 统体积。不仅如此，换能器回波信号亦可通过同组模拟开关选择通道，省去了接 收部分的多路模拟开关。在本系统中，我们采用同样来自s u p e r t e x 公司生产 的h v 2 0 2 2 0 高压模拟开关来实现通道切换。 髅1 6 槽6 1 6 阵 一 兀 1 6 选4 控制信号 ( b ) 使用高压模拟开关 图3 5 使用低压模拟开关与高压模拟开关的区别 h v 2 0 2 2 0 是8 通道、高压、低电荷注入的模拟开关，其逻辑结构如图3 - 6 所示，由8 位移位寄存器，锁存器，电平转换和输出开关四部分组成。 墟 图3 - 6 模拟开关结构图 逻辑控制端是串行输入，伴随输入时钟移进移位寄存器，l e 控制锁存器的 开关，当l e 为高，锁存开关的状态；反之，开关状态受逻辑控制。此开关还能 进行串联，组成1 6 通道，乃至更多通道的开关。通过将第一个开关的d o u t 连 接到第二个开关的d i n ，输入数据将移进第二个开关的