超声波相控阵技术在无损检测中的应用.doc

超声波相控阵技术在无损检测中的应用早在1959 年，Tom Brown和Hughes在Kelvin注册了一项超声波环形动态聚焦探头的专利技术，后来这项技术称为相控阵。在上世纪60年代，关于超声波相控阵的研究主要局限于实验室； 60年代末70年代初期，医学研究者已将相控阵技术成功运用到人体超声成像方面。然而超声相控阵技术在工业方面的应用发展缓慢，主要是因为相控阵系统复杂而当时的计算机能力弱，缺乏对多晶片探头进行快速激发以及无法对扫查产生的大量数据文件进行处理的能力；另一个原因就是仪器费用高昂，很少有公司愿意在这方面花费巨额费用。随着计算机技术的快速发展，相控阵系统的复杂性和费用都大为降低。且相控阵技术相对于普通超声波检测有着明显的优势，令相控阵超声检测技术在工业领域逐渐兴起。已在多种材料的检测上进行了应用并取得了较满意的检测结果。1 原理简介相控阵超声波检测技术基于惠更斯原理，所用探头由多个晶片组成，应用时按照一定的规则和时序对探头中的一组或者全部晶片进行激活（晶片的激活数量取决于相控阵仪器控制能力和检测需要）,每个激活晶片发出的超声波为次波，次波相互干涉，形成所需的新的波阵面传播开去成为超声波束对工件进行检测。对于相控阵检测仪器而言，基本上由两部分组成，一部分是普通的超声波检测部分，一部分是相控阵部分，其中普通的超声部分负责发出压电脉冲信号，并对相控阵返回的信号进行显示处理；相控阵部分将压电脉冲信号根据预置规则进行不同的延时施加到要被激活的晶片上，从而产生出不同的波束，见图1。对晶片进行激活时所遵循的规则（即进行何种方式的延时的触发）称之为聚焦法则（focal law），不同的延时能发射出不同的超声波束，使超声波束具有相应的波形。并且聚焦在不同的深度（根据干涉原理仅能在近场区范围内聚焦），线性扫查无需聚焦。在一次扫查过程中，可以设置多组聚焦法则，也就是说可以设置多组波束进行扫查，提高扫查效率和保证扫查部位。这也是相控阵的一个显著优点。比较明显的优势是检测数据完整，可通过对原生数据进行成像来分析工件内部缺陷，定位定量准确，定性方面降低了对人员经验的依赖性，降低了人为因素的误差。另一方面相控阵利用时分复用技术可以用一个探头激发出多种类型的超声波束，一次扫查就能完成普通的数种扫查方式，特别适合快速检测及对几何形状复杂的工件检测。相控阵原理n相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。n探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的信号发射（触发）和接收（回波）注入时间延时来实现的。n任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用于相控阵探头。不需要移动工件，实现高速电子扫查n通过软件控制波束特征提高检测性能n单个电子控制的相控阵探头实现多角度检测 n多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查n对于复杂几何体的检测更具灵活性n最佳的聚焦n最佳的波束角度n按照预定的几何形状订购阵列探头n这些阵列探头像常规超声探头一样，根据不同的设计制作，用于一些特定的应用n典型的阵列设计是： 线型 矩阵 环阵 扇阵为什么使用相控阵？不需要移动工件，实现高速电子扫查n通过软件控制波束特征提高检测性能n单个电子控制的相控阵探头实现多角度检测 n多种配置：P/E, T/R, TOFD, 串列扫查n对于复杂几何体的检测更具灵活性n最佳的聚焦n最佳的波束角度常规波束