相控阵技术的基础原理.ppt

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1、相控阵培训课程相控阵培训课程 相控阵工作原理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。Source:NDT On-line讨论提纲讨论提纲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 常见的探头阵列几何外形常见的探头阵列几何外形线形阵线形阵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 1维维 环形阵环形阵2 2维维 扇形阵扇形阵pgeHA探头参数：探头参数：频率频率 (f)(f)晶片数量晶片数量 (n)(n)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 (H)(H)单个晶片宽度单

2、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 (p)(p)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，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相控阵基础相控阵基础晶片数量：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 10mmd波束形成与晶片波束宽度的关系波束形成与晶片波束宽度的关系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

3、出了晶片的波束宽度波束的产生和聚焦波束的产生和聚焦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波束偏转波束偏转对横波而言,延时参数是“倾斜的”如图所示。波束偏转和聚焦波束偏转和聚焦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

4、生超声波束通过带角度楔块的延时使波束角度产生偏转CrystalWedgeMaterialExcitation pulseWave frontDelayLocationABCABC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。CrystalWedgeMaterialReceived signalDelayLocationABCABCS常规超声波束形成常规超声波束形成F相控阵

5、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 frontTimeDelayElementFocal 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电子扫查电子扫查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

6、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扇形(带方位角的带方位角的)扫查扫查扇形扫查扇形扫查 不改变位置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。扇形扫查扇形扫查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图例扇形扫查图例扇形扫查动画扇形扫查动画扇形扫查对“难以接近”的复杂型面十分适合如，涡轮叶的根部检测 涡轮焊接转子

7、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 MHz,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叶片根部的扇形扫查叶片根部的扇形扫查扇形扫查和线形扫查结合扇形扫查和线形扫查结合F将两种扫查结合起来可以得到独特的视图F使用Tomoview 软件使设置更简单电子电子/扇形扫查动画扇形扫查动画 动态深度聚焦示意图 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 动态深度聚焦动态深度聚焦 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。动态深度聚焦动画动态深度聚焦动画相控阵相控阵 T.O.F.D.T.O.F.D.线形扫查线形扫查相控阵的优点相控阵的优点F检测复杂型面F检测速度快F检测灵活性更强F探头尺寸更小F检测难以接近的部位F由于以下因素可以节约系统成本:探头更少机械部分少