相控阵技术的基础原理

1、相控阵工作原理 Source: NDT On-line 相控阵定义相控阵定义 F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。 F 相控阵能做什么？ 线形, 扇形 动态深度聚焦 线形和 扇形的结合 12345678910 11 12 13 14 15 16 X=-7.9, Y=-8.0 - X=7.9 Y=8.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 X=-3.9, Y=-1.9 - X=3.9 Y=1.9 1 23 45 6

2、 78 9 10 1112 13 14 15 1617 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 2930 31 32 33 34 35 36 3738 39 40 41 42 43 44 45 4647 48 49 50 51 52 53 54 55 5657 58 59 60 61 X=-6.5, Y=-6.5 - X=6.5 Y=6.5 线形阵线形阵 1维维 线形阵线形阵 2维维 矩形阵矩形阵 圆形阵圆形阵 1维维 环形阵环形阵 2维维 扇形阵扇形阵 pg e H A 相控阵探头设计参数相控阵探头设计参数 F一个长方形晶片被切割 成许多个小晶片，形成 一维阵列探头，

3、每个小 晶片都可以单独激发。 相控阵探头设计参数相控阵探头设计参数 晶片数量：10 孔径：10 x 10mm 波束聚焦波束聚焦 晶片数量：16 孔径：16 x 10mm 晶片数量：32 孔径：32 x 10mm d A 点点A 可以因为所有的波可以因为所有的波 束都在晶片波束宽度内束都在晶片波束宽度内 B 点点B的效果不好因为波束的效果不好因为波束 超出了晶片的波束宽度超出了晶片的波束宽度 d 41. 0 sin 用不同的延时 激发晶片产生 不同外形的波 束 这是一个纵波 各个晶片延时 相等 电子扫查电子扫查 F探头不作任何机械移动， 而波束沿晶片阵列方向作 电子扫查。 F通过对激活晶片组进行

4、多 路延时，使波束产生移动 。 F扫查宽度局限于: 阵列中晶片的数量 采集系统支持的通道数 量 激活晶片组 对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。 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。 相控阵波束形成原理相控阵波束形成原理 F常规超声探头波束角度偏转 (发射) 根据惠更斯原理产生超声波束 通过带角度楔块的延时使波束角度产生偏 转 Crystal Wedge Material Excitation pulse Wave front Delay Location ABC ABC

5、常规超声波束形成常规超声波束形成 F常规超声探头波束角度偏转 (发射) 根据惠更斯原理产生超声波束 通过带角度楔块的延时使波束角度产生偏 转 F常规超声探头波束角度偏转 (接收) 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束 在超声波接收过程中带角度楔块提供延时使同相位信 号在压电晶片上产生结构干涉。 Crystal Wedge Material Received signal Delay Location AB C ABC S 常规超声波束形成常规超声波束形成 F相控阵探头波束偏转 (发射) 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束 发射过程中通过软件施加精确延时产生带角度波束 Wave front Tim

6、e Delay Element Focal law 相控阵波束形成相控阵波束形成 F相控阵波束形成 (接收) 接收过程中通过软件施加精确延时 只有符合延时法则的信号保持同相位，并在合计后产 生有效信号。 S 相控阵波束形成相控阵波束形成 相控阵信号处理概述 相控阵波束形成相控阵波束形成 F不依靠任何机械运动 就将波束沿阵列的一 个轴线移动的能力。 F这种移动是靠晶片的 时间多路传输技术实 现的。 F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 焊缝电子扫查焊缝电子扫查 相控阵焊缝串列扫查相控阵焊缝串列扫查 扇形扫查扇形扫查 不改变位置

7、而改变入射角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。 1 2. N F扇形扫查可以不移动探头就检测整个待检工件扇形扫查可以不移动探头就检测整个待检工件 F检测表面复杂或空间有限的情况下大有用武之地检测表面复杂或空间有限的情况下大有用武之地 F一个相控阵探头结合了宽波束探头和多焦点探头一个相控阵探头结合了宽波束探头和多焦点探头 的优势的优势 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 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 步进为步进为1度度 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 MH

8、z, 16晶片晶片, 16 mm x 16 mm 固定在楔块上固定在楔块上 试块试块: EDM槽槽2 mm x 0.5 mm F将两种扫查结 合起来可以得 到独特的视图 F使用Tomoview 软件使设置更 简单 Mechanical Displacement c = velocity in material FOCUS DEPTH (PULSER) DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER) Beam displacement 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 标准的相控阵标准的相控阵动态深度聚焦动态深度聚焦 DDF 在扫查时 不断为接收信号 重