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超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术1 1超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声相控阵综述n n超声相控阵技术已有近超声相控阵技术已有近2O2O多年的发展历史，初期多年的发展历史，初期主要应用于医疗领域，医学超声成像中。系统的复主要应用于医疗领域，医学超声成像中。系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因，使其在工业无损检测中的应用受限制。因，使其在工业无损检测中的应用受限制。n n近年来，超声相控阵技术以其灵活的近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转声束偏转声束偏转声束偏转及及聚聚聚聚焦性能焦性能焦性能焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用。使得超声相控阵检测技术得以快速中的综合应用。使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测。发展，逐渐应用于工业无损检测。2 2超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵国外研究进展n n目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新型目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新型管道全自动超声检测仪已经进入实用阶段，代表了管管道全自动超声检测仪已经进入实用阶段，代表了管道焊缝检测技术的发展方向。道焊缝检测技术的发展方向。9090年代末，加拿大年代末，加拿大R/D R/D TECHTECH公司首先将相控阵检测技术应用于管道探伤领公司首先将相控阵检测技术应用于管道探伤领域，开发了相控阵全自动超声检测系统。域，开发了相控阵全自动超声检测系统。n n相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫查方向和聚焦深度的控制，可以以同一个探头来实现查方向和聚焦深度的控制，可以以同一个探头来实现不同壁厚、不同材质管道焊缝的检测任务，克服了常不同壁厚、不同材质管道焊缝的检测任务，克服了常规多探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范规多探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范围窄以及设备沉重的缺点。围窄以及设备沉重的缺点。3 3超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵国内研究进展n n20002000年年8 8月由中国石油天然气管道科学研究院等月由中国石油天然气管道科学研究院等单位组成了研究开发实体，于单位组成了研究开发实体，于20012001年年5 5月在中国月在中国石油天然气集团公司申请立项了石油天然气集团公司申请立项了“大口径环焊缝大口径环焊缝相控阵超声波无损检测设备研制相控阵超声波无损检测设备研制”科技开发项目，科技开发项目，并于并于20032003年年3 3月顺利通过了中国石油天然气集团月顺利通过了中国石油天然气集团公司的鉴定，该项目的研制成功填补了国内空白，公司的鉴定，该项目的研制成功填补了国内空白，达到了国外同类产品的水平。达到了国外同类产品的水平。n n国内的相控阵仪器还没有商品化；国内的相控阵仪器还没有商品化；4 4超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵国内应用n n相控阵技术目前在国内真正做到大量应用的尚只有西气相控阵技术目前在国内真正做到大量应用的尚只有西气东输工程，在航空系统和核工业系统等一些部门也有少东输工程，在航空系统和核工业系统等一些部门也有少量的应用；量的应用；n n西气东输：西气东输：20002000年年9 9月在青海湖畔的实验段中，引进的月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARDPipeWIZARD相控阵全自动超声检测系统。相控阵全自动超声检测系统。20012001年，从西年，从西气东输一标段的实验段，截至一标段主体管线完工时，气东输一标段的实验段，截至一标段主体管线完工时，实际检测了焊缝实际检测了焊缝69196919道，其结果和射线底片结果的符合道，其结果和射线底片结果的符合率达率达8080以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未熔合缺陷；熔合缺陷；n n科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上海交通大学；海交通大学；5 5超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵的优点n n探头尺寸更小；探头尺寸更小；n n检测难以接近的部位；检测难以接近的部位；n n检测速度快，检测灵活性更强；检测速度快，检测灵活性更强；n n可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ；n n通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫描，对试件进行高速，全方位和多角度检测；描，对试件进行高速，全方位和多角度检测；n n由于以下因素可以节约系统成本：由于以下因素可以节约系统成本：探头更少探头更少 机械部分少机械部分少6 6超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术实验室的相控阵仪器：OminiScan7 7超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵探头8 8超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术OminiScan的主要性能n n有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块；有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块；n n全功能全功能S S扫描，扫描，A A，B B，C C扫描，图形直观，快捷，方扫描，图形直观，快捷，方便；便；n nUSBUSB接口，接口，RS-232RS-232接口，视频输出和以太网接口；接口，视频输出和以太网接口；n n数据存储卡，接近计算机的人机界面；数据存储卡，接近计算机的人机界面；n n完整的报告设置；完整的报告设置；9 9超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术OminiScan仪器实际检测的图片1010超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术压电晶片n n天然石英晶体、一水硫酸锂晶体、碘酸锂、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT),钛酸铅、偏铌酸铅和极化的多晶陶瓷等等。n n最常用：PZTn n压电效应1111超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术阵列探头的基本构造 1.压电晶片；2.声阻尼块；3.耦合层；4.声透镜；5.导线。1212超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术 探头的几何外形探头的几何外形线形阵线形阵1维维 线形线形阵阵2维维 矩形矩形阵阵圆形阵圆形阵1维维 环形环形阵阵2维维 扇形扇形阵阵1313超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术晶片阵列方向孔径晶片阵列方向孔径晶片阵列方向孔径晶片阵列方向孔径 (A)(A)晶片加工方向宽度晶片加工方向宽度晶片加工方向宽度晶片加工方向宽度 (H)(H)单个晶片宽度单个晶片宽度单个晶片宽度单个晶片宽度 (e)(e)两个晶片中心之间的间距两个晶片中心之间的间距两个晶片中心之间的间距两个晶片中心之间的间距 (p)(p)相控阵探头设计参数1414超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声波的扫描和显示n nA A型显示：型显示：A A扫，工业超声检测中应用最多，是目扫，工业超声检测中应用最多，是目前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；n n荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度和时间确定缺陷的大小和存在的位置。和时间确定缺陷的大小和存在的位置。n nB B型显示：又称型显示：又称B B扫。它以反射回波作为辉度调制扫。它以反射回波作为辉度调制信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上纵坐标信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上纵坐标表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置，表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置，反映缺陷的水平延伸情况；反映缺陷的水平延伸情况；n nB B扫能直观显示缺陷在纵截面上的二维特性，获得扫能直观显示缺陷在纵截面上的二维特性，获得截面直观图。截面直观图。1515超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声波的扫描和显示n nC C型显示：又称型显示：又称C C扫。以反射回波作为辉度调制信扫。以反射回波作为辉度调制信号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平面投影图；面投影图；n n这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不能确定缺陷的深度；能确定缺陷的深度；n n一般一般A A扫和扫和C C扫结合：扫结合：A A扫显示深度信息；扫显示深度信息；C C扫显示缺陷形状及当量信息；扫显示缺陷形状及当量信息；1616超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声轴+扫查轴 B扫编码轴+扫查轴 C扫1717超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术编码轴+扫查轴 C扫1818超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声波探伤方法n n共振法；脉冲回波法；穿透法；n n脉冲回波法原理(超声相控阵也是基于此原理)：无缺陷 有小缺陷 有大缺陷1919超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声相控阵的检测原理n n相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则发阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则发射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法；的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法；2020超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵发射 超超声声相相控控阵阵应应用用许许多多的的单单元元换换能能器器来来产产生生和和接接收收超超声声波波波波束束。通通常常在在一一维维或或多多维维上上排排列列若若干干单单元元换换能能器器组组成成阵阵列列。利利用用事事先先设设计计确确定定好好的的各各自自独独立立的的发发射射和和时时间间延延迟迟电电路路来来依依次次激激励励一一个个或或几几个个单单元元换换能能器器，产产生生具具有有可可控控的的人人为为预预定定的的确确定定相相位位的的声声波波，所所有有单单元元换换能能器器在在检检测测对对象象中中产产生生的的超超声声声声场场相相互互干干涉涉迭迭加加，从从而而得得到到预预先先希希望望的的波波束束入入射射角角度度和和焦焦点点位位置置，形形成成发发射射聚聚焦焦或或声声束束偏偏转转等等效效果果；2121超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术 换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。相控阵接收2222超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术系统组成原理图2323超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术设计的探头n n如图每片PZT晶片的尺寸18mm*2.5mm*0.8mm,晶片中心频率为3.5MHZ，相邻的晶片中心距为3mm.图中所示为PZT晶片宽度方向。2424超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术超声波发射（放大）电路2525超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵系统的相位延迟n n相位延时相位延时是实现超声相控阵原理的基本环节基本环节,在相控发射中，需要精确控制相位延时，以实现动态聚焦动态聚焦、相位偏转相位偏转、相位偏转相位偏转、声束形成等各种相控效果；n n理论分析显示，只有尽力提高相位延时的精度、分辨率和稳定性，才能显著地抑制旁瓣，提高声束的横向和纵向分辨力，改善成像清晰度。2626超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵相位延迟的方法n n模拟延迟方法：过去的医用B超中，模拟延迟线模拟延迟线，如LC网络直接对模拟信号延迟，用电子开关分段切换获得不同的延迟量；缺点：1.体积庞大，结构复杂；2.不便实现动态聚焦和信号处理；3.电气参数难以确定；2727超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术数字延迟方法n n受硬件条件的限制，CPLD很难达到 l0ns以内的延时分辨率，并且要达到高延迟分辨率，最大延迟会很小。n n相控发射数字高精度延时模块的设计分为两部分，一部分是基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的粗延时，粗延时一般基于晶振时钟计数，延时值为时钟周期的整数倍，通常为 10ns以上。n n另一部分是在粗延时的基 础上基于可编程数字延迟线的细延时，细延时量为采样周期的小数 倍，一般能达到10ns以内的延时分辨率2828超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵相位延迟的方法n nFPGAn n数字延迟线2929超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术FPGA在系统中的作用n nFPGA3030超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术FPGA在系统中的作用n nFPGA3131超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术精确延时控制验证方法n n用用FPGAFPGA实现精度为实现精度为2ns2ns的延时控制，对于的延时控制，对于发射发射发射发射来说，来说，调试与验证比较容易，只需要一个多通道调试与验证比较容易，只需要一个多通道 500MHz500MHz的的示波器就可以。从示波器就可以。从FPGAFPGA发射一个方波同步脉冲和一发射一个方波同步脉冲和一个方波激励脉冲，一级一级的往后测试，直至相控个方波激励脉冲，一级一级的往后测试，直至相控 阵探头。通过示波器可以观察从阵探头。通过示波器可以观察从FPGAFPGA到探头整个电到探头整个电路的系统延时以及激励脉冲相对于同步脉冲的延时路的系统延时以及激励脉冲相对于同步脉冲的延时间隔，该间隔由间隔，该间隔由FPGAFPGA内部参数决定，并且可以修改。内部参数决定，并且可以修改。n n接收延时控制接收延时控制接收延时控制接收延时控制是否准确的验证困难一些。因为接收是否准确的验证困难一些。因为接收的不是方波脉冲，而是探头单元固有频率的近似正的不是方波脉冲，而是探头单元固有频率的近似正弦超声信号。为了验证延时控制是否正确，需要在弦超声信号。为了验证延时控制是否正确，需要在超声波接收电路之前加上一个不连续的，只有若干超声波接收电路之前加上一个不连续的，只有若干周期的正弦信号，一般的信号发生器没有这种功能。周期的正弦信号，一般的信号发生器没有这种功能。利用系统上的利用系统上的FPGAFPGA配合配合100MHzD100MHzDA A比较容易产生这比较容易产生这种特殊信号。种特殊信号。3232超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术精确的延迟时间的计算n n相位偏转：其中，为相邻两个阵元之间的波程差;d为相邻两个阵元之间的距离;为声波偏转后与法线的夹角。3333超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术精确的延迟时间的计算n n相位聚焦3434超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术n n相控阵探头波束偏转相控阵探头波束偏转 (发射发射)波束发射过程中通过软件施加精确延时波束发射过程中通过软件施加精确延时产生带角度波束；产生带角度波束；Wave frontTimeDelayElementFocal law相控阵波束发射3535超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术 相控阵波束形成相控阵波束形成 (接收接收)接收过程中通过软件施加精确延时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只有符合延时法则的信号保持同相位,并并在合计后产生有效信号。在合计后产生有效信号。相控阵波束接收3636超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵的两个重要特点相控偏转示意图3737超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控聚焦示意图3838超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术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波束的产生与聚焦3939超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术 用不同的延时激发晶片产生不同外形的波束 需要精确计算延迟时间，才能指向性好波束偏转4040超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术加在每个晶片上的不同的延时;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。波束聚焦4141超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵的扫描方式 线性扫描 扇形扫描 深度聚焦4242超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术电子扫查n n探头不作任何机械移动，探头不作任何机械移动，而波束沿晶片阵列方向而波束沿晶片阵列方向作电子扫查。作电子扫查。n n通过对激活晶片组进行通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生多路延时，使波束产生移动。移动。n n扫查宽度局限于扫查宽度局限于:阵列中晶片的数量阵列中晶片的数量 采集系统支持的通道采集系统支持的通道数量数量激活晶片组4343超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术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电子扫查4444超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术动态深度聚焦示意图 动态深度聚焦DDF，超声束沿声轴线,对不同聚焦深度进行扫描。实际上,发射声波时使用单个聚焦脉冲,而接收回波时则对所有编程深度重新聚焦。4545超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术 动态深度聚焦 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新载入聚焦法则。这一操作靠硬件完成,所以很快。现在用一个脉冲可以从0聚焦到100深度的地方。4646超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术F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F一个相控阵探头结合了宽波束探头和多焦点探头的优势扇形扫查4747超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术扇形扫查对“难以接近”的复杂型面十分适合如，涡轮叶的根部检测扇形扫查动画4848超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术相控阵对方向性缺陷的检测 相控阵检测时，阵列探头几乎不用前后来回移相控阵检测时，阵列探头几乎不用前后来回移动，就能用纵波和横波对试件横截面进行组合动，就能用纵波和横波对试件横截面进行组合扫描，这对方向性缺陷的检测和定量非常有利扫描，这对方向性缺陷的检测和定量非常有利.4949超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术Bye Bye5050超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术
