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超声相控阵技术

 
基本概念
    超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收)脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束角度可控和可动态聚焦两大特点。
    超声相控阵中的每个阵元被相同脉冲采用不同延迟时间激发,通过控制延迟时间控制偏转角度和焦点。实际上,焦点的快速偏转使得对试件实施二维成像成为可能。
    超声相控阵检测技术具有以下的特点:
(1)生成可控的声束角度和聚焦深度,实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检测。
(2)通过局部晶片单元组合实现声场控制,可实现高速电子扫描;配置机械夹具,可对试件进行高速、全方位
和多角度检测。
(3)采用同样的脉冲电压驱动每个阵列单元,聚焦区域的实际声场强度远大于常规的超声波检测技术,从而对于相同声衰减特性的材料可以使用较高的检测频率。
 
超声相控阵工作原理 
    相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制,采用先进的计算机技术,对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制,以获得最佳的波束特性。这些关键数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。
相位延时 
    相控阵超声成像系统使用阵列换能器,并通过调整各阵元发射/接收信号的相位延迟(phase delay),可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等,达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果,形成清晰的成像。可以说,相位延时(又称相控延时)是相控阵技术的核心,是多种相控效果的基础。
动态聚焦
    相控聚焦原理(如图):相控发射聚焦原理如图,设阵元中心距为d,阵列换能器孔径为D,聚焦点为P,焦距为f,媒质声速为c。根据几何声程差,可以计算出为使各阵元发射波在P点聚焦。
 
 

 
 

(a)发射聚焦图                (b)接收聚焦图      
  相控聚焦原理示意图 

 
 
相控阵检测设备
    相控阵检测设备包括硬件和软件二部分:硬件和软件
    硬件有超声信号发射和接收装置,通过相控阵探头发射阵列式脉冲形成聚焦束,穿过物体后的超声波被接收并进行信号的放大、滤波、检波,然后进行A/D转换作进一步的信号处理。
    软件部分主要是将接收到的信号进行计算机数据处理获取所需要的生成图像的数据。
相控阵探头
    相控阵探头有很多种规格,包括不同的尺寸、形状、频率计晶片数,但是其内部结构都是将一个整块的压电陶瓷晶片划分成多个段。现代用于工业NDT检测的相控阵传感器大多是压电复合材料制造的,这些传感器大多是由微小的薄的且嵌入了压电陶瓷的条状体形成的聚合物矩阵。这种结构很大程度上增加了生产的难度,复合材料传感器比相同结构的压电陶瓷传感器高出10dB -30dB的灵敏度。已分割的金属镀层用于将复合材料条划分为多个独立电子晶片,这些晶片可以被独立激发。这些被分割的晶片被转入同一个传感器,在这个传感器中还包括保护晶片的匹配层、背衬材料,连接电缆及探头壳。

 

 
相控阵校准试块 

    按照一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样,通常称为试块。试块和仪器探头一样,是超声波相控阵探伤中的重要工具。 试块的作用:确定探伤灵敏度。


 

A型试块示意图

 
相控阵检测图像显示