相控阵技术介绍

1、,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

2、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 用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。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。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。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。,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

3、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。,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）,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

4、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,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，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

5、,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（） 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,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”的波前同时

6、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.,相控阵波束的特点,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

7、不同深度 对称（比如抛物线）聚焦法则（时间延迟对晶片位置）,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。 近场区 扩散角（半扩散角，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,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。 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阵探头中。,波束偏转,偏转能力与阵列中单个晶