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超声相控阵技术
发布时间(jian):2016-11-29

基本概念

    超声(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)控阵(zhen)(zhen)成像技术是通过控制换能器(qi)阵(zhen)(zhen)列中(zhong)各阵(zhen)(zhen)元(yuan)的(de)激励(li)(或(huo)接收)脉(mai)冲的(de)时间延(yan)迟,改变由(you)各阵(zhen)(zhen)元(yuan)发射(或(huo)接收)声(sheng)(sheng)波到(dao)达(或(huo)来自(zi))物体内某(mou)点时的(de)相(xiang)(xiang)位(wei)(wei)关系(xi),实现聚(ju)焦点和声(sheng)(sheng)束方位(wei)(wei)的(de)变化,完成声(sheng)(sheng)成像的(de)技术。由(you)于相(xiang)(xiang)控阵(zhen)(zhen)阵(zhen)(zhen)元(yuan)的(de)延(yan)迟时间可动态(tai)改变,所(suo)以使用超声(sheng)(sheng)相(xiang)(xiang)控阵(zhen)(zhen)探头探伤主要(yao)是利用它的(de)声(sheng)(sheng)束角(jiao)度可控和可动态(tai)聚(ju)焦两大特点。

    超声相控阵中的每个阵元(yuan)被相同脉冲采用(yong)不同延(yan)迟(chi)时间激发,通过控制(zhi)(zhi)延(yan)迟(chi)时间控制(zhi)(zhi)偏转角度和焦(jiao)点(dian)。实际上(shang),焦(jiao)点(dian)的快速偏转使(shi)得(de)对试件实施二维成(cheng)像(xiang)成(cheng)为可能。

    超声相控阵检测(ce)技术具(ju)有以下的特点(dian):

(1)生成可(ke)控的声束角度和(he)聚焦深(shen)度,实现了复杂结构件和(he)盲区(qu)位置(zhi)缺陷的检测(ce)。

(2)通过(guo)局(ju)部(bu)晶片单元组(zu)合实现(xian)声场(chang)控(kong)制,可实现(xian)高(gao)速(su)电(dian)子扫描;配置机械(xie)夹具(ju),可对试件进行高(gao)速(su)、全方位

和(he)多角度检测(ce)。

(3)采用同(tong)样(yang)的脉冲电(dian)压驱动每个阵(zhen)列单元,聚焦区(qu)域的实际声场强度远大(da)于常(chang)规(gui)的超声波检(jian)(jian)测技术,从而对于相(xiang)同(tong)声衰减特性(xing)的材料可以使用较高的检(jian)(jian)测频率。

 

超声相控阵工作原理 

    相(xiang)控阵超声成像系统中的(de)(de)数字控制技术(shu)(shu)主要是指波束的(de)(de)时空控制,采用先进的(de)(de)计算机技术(shu)(shu),对发射(she)/接收状态的(de)(de)相(xiang)控波束进行精确(que)的(de)(de)相(xiang)位控制,以获(huo)得(de)最佳(jia)的(de)(de)波束特(te)性。这些关键数字技术(shu)(shu)有(you)相(xiang)控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变(bian)迹、编码发射(she)、声束形成等。


相位延时 

    相(xiang)(xiang)(xiang)控(kong)(kong)阵超声成像系(xi)统使用阵列(lie)换能器(qi),并通过调整各(ge)阵元发(fa)射/接收信号的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)延(yan)(yan)迟(phase delay),可以(yi)控(kong)(kong)制合成波阵面的(de)(de)(de)曲率、指向、孔(kong)径等,达(da)到(dao)波束(shu)(shu)聚焦、偏转(zhuan)、波束(shu)(shu)形成等多(duo)种(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)控(kong)(kong)效果(guo),形成清晰的(de)(de)(de)成像。可以(yi)说(shuo),相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)延(yan)(yan)时(又称相(xiang)(xiang)(xiang)控(kong)(kong)延(yan)(yan)时)是相(xiang)(xiang)(xiang)控(kong)(kong)阵技术(shu)的(de)(de)(de)核心,是多(duo)种(zhong)相(xiang)(xiang)(xiang)控(kong)(kong)效果(guo)的(de)(de)(de)基(ji)础。


动态聚焦

    相控(kong)聚(ju)焦(jiao)原(yuan)理(如(ru)图):相控(kong)发(fa)射(she)聚(ju)焦(jiao)原(yuan)理如(ru)图,设阵(zhen)元中心距为d,阵(zhen)列换能器孔径为D,聚(ju)焦(jiao)点为P,焦(jiao)距为f,媒质声速为c。根据几何声程差(cha),可以计算出(chu)为使各阵(zhen)元发(fa)射(she)波在P点聚(ju)焦(jiao)。

 

(a)发射聚焦(jiao)图               (b)接收聚焦(jiao)图      

  相控(kong)聚焦原理示意图 

 

相控阵检测设备

    相控阵检测设备(bei)包括硬件(jian)和(he)(he)软件(jian)二部分:硬件(jian)和(he)(he)软件(jian)

    硬件有(you)超声信号发(fa)射和(he)接(jie)收(shou)(shou)装置,通过相控阵(zhen)探头发(fa)射阵(zhen)列式脉冲形成聚焦束,穿过物(wu)体(ti)后的(de)超声波被接(jie)收(shou)(shou)并进行信号的(de)放大、滤波、检(jian)波,然后进行A/D转换作进一步的(de)信号处理。

    软件部分(fen)主要是将接(jie)收到的(de)(de)信(xin)号进行(xing)计算机(ji)数据处理获取所(suo)需(xu)要的(de)(de)生成图(tu)像的(de)(de)数据。


相控阵探头

    相控阵(zhen)(zhen)探头有很(hen)多(duo)(duo)(duo)种规格(ge),包括不同的(de)尺(chi)寸(cun)、形状、频率计晶片数(shu),但是(shi)其内部结构(gou)都是(shi)将(jiang)(jiang)一个(ge)整块的(de)压(ya)电(dian)陶瓷(ci)晶片划分成(cheng)(cheng)多(duo)(duo)(duo)个(ge)段(duan)。现代用于(yu)工业NDT检测的(de)相控阵(zhen)(zhen)传感(gan)器大(da)多(duo)(duo)(duo)是(shi)压(ya)电(dian)复(fu)合(he)材(cai)(cai)料制造的(de),这些传感(gan)器大(da)多(duo)(duo)(duo)是(shi)由微(wei)小的(de)薄的(de)且(qie)嵌入了(le)压(ya)电(dian)陶瓷(ci)的(de)条状体形成(cheng)(cheng)的(de)聚合(he)物矩阵(zhen)(zhen)。这种结构(gou)很(hen)大(da)程度(du)(du)(du)上增加了(le)生(sheng)产(chan)的(de)难度(du)(du)(du),复(fu)合(he)材(cai)(cai)料传感(gan)器比相同结构(gou)的(de)压(ya)电(dian)陶瓷(ci)传感(gan)器高出10dB -30dB的(de)灵敏度(du)(du)(du)。已分割的(de)金属镀层(ceng)用于(yu)将(jiang)(jiang)复(fu)合(he)材(cai)(cai)料条划分为多(duo)(duo)(duo)个(ge)独立(li)电(dian)子(zi)晶片,这些晶片可(ke)以(yi)被(bei)独立(li)激发(fa)。这些被(bei)分割的(de)晶片被(bei)转(zhuan)入同一个(ge)传感(gan)器,在这个(ge)传感(gan)器中还包括保护晶片的(de)匹配层(ceng)、背衬材(cai)(cai)料,连接电(dian)缆及探头壳。

 

 

相控阵校准试块 

    按(an)照一(yi)(yi)定用途(tu)设计制作(zuo)的(de)具有简单几何形状(zhuang)人工反射体(ti)的(de)试(shi)样,通常(chang)称为试(shi)块(kuai)(kuai)。试(shi)块(kuai)(kuai)和仪器探头一(yi)(yi)样,是超声波相(xiang)控阵探伤(shang)中的(de)重要工具。 试(shi)块(kuai)(kuai)的(de)作(zuo)用:确定探伤(shang)灵敏度(du)。


A型试块(kuai)示意图

 

相控阵检测图像显示


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