超聲相控陣檢測系統(tǒng).docx

超聲相控陣檢測系統(tǒng)摘 要：在無損檢測領(lǐng)域里，超聲檢測憑借可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。超聲相控陣系統(tǒng)由于具有獨(dú)特的線性掃查、動態(tài)聚焦、扇形掃描的特點(diǎn)，成為近幾年超聲檢測領(lǐng)域里的一個研究熱點(diǎn)。本文介紹了超聲相控陣的發(fā)展、在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用以及國內(nèi)外現(xiàn)狀。簡述了超聲相控陣系統(tǒng)工作原理、主要特點(diǎn)及相控陣系統(tǒng)的探頭、超聲發(fā)射接收電路、超聲成像部分。說明了超聲相控陣的研究在無損檢測領(lǐng)域里具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：無損檢測；超聲相控陣；相控陣探頭；超聲成像Ultrasonic phased array testing systemLiu Shengchun（College of information and communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, Heilongjiang 150001, China）Abstract:In non-destructive detecting field, depending on the superiorities of credibility, security and economy, ultrasonic detecting is getting more and more broad application. Ultrasonic phased array system which has characteristics of linearity scanning , dynamic focus and sector scanning, is becoming a hot research in the ultrasonic detecting field in recent years.This paper introduce the development, status quo of ultrasonic phased array, and its application in industry. Briefly describe its work principle, main characteristic and phased array system including probe,ultrasonic transmitting and receiving circuit and ultrasonic imaging. It illuminates that there is a wide application foreground of ultrasonic phased arrays research in non-destructive detecting field.Key words:Non-destructive defecting;Ultrasonic phased array;Phased array probe;Ultrasonic imaging1 引言超聲相控陣技術(shù)已有40多年的發(fā)展歷史，初期，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用受限，主要應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域1,2，如通過相控陣快速移動聲束對被檢器官成像3；利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熤伟?。然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測，特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)領(lǐng)域，如薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測5；核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動檢測6；核電站主泵隔熱板的檢測7。近幾年，隨著超聲相控陣技術(shù)發(fā)展，在油氣管道領(lǐng)域里，超聲檢測正在代替射線檢測8-11，因?yàn)椴捎孟嗫仃嚰夹g(shù)檢測焊縫缺陷降低了漏檢的危險12。現(xiàn)在，在相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)測試和應(yīng)用等方面已取得一系列的發(fā)展，OLYMPUS 、SIEMENS 及IMASONIC等公司已生產(chǎn)出超聲相控陣檢測系統(tǒng)及相控陣換能器。還有，動態(tài)聚焦相控陣系統(tǒng)13，二維陣列、自適應(yīng)聚焦相控陣系統(tǒng)14，表面波及板波相控陣換能器15和基于相控陣的數(shù)字成像系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用及完善已成為研究重點(diǎn)。其中，自適應(yīng)聚焦技術(shù)16尤為突出，它利用接收到的缺陷回波信息調(diào)整下一次激發(fā)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)聲束的優(yōu)化控制，提高了缺陷的檢出率。我國計(jì)算機(jī)與超聲檢測技術(shù)的結(jié)合始于70年代末，重點(diǎn)是研究超聲信號的采集、量化和信號處理問題。目前，國內(nèi)在超聲相控陣技術(shù)上的研究應(yīng)用尚處于起步階段，雖然出現(xiàn)了一些多通道超聲探傷儀器，可實(shí)現(xiàn)多聲束同時探傷，但因角度調(diào)節(jié)不夠靈活（仍需改變探頭型號），為此移動也不方便，不易實(shí)現(xiàn)全自動化，所以仍然不能滿足大批量焊縫探傷的要求，而國外已有商品化的相控陣檢測設(shè)備出售，但其成本高昂，一臺設(shè)備售價為二三百萬人民幣，在國內(nèi)普及應(yīng)用難度較大。因此，全自動化超聲相控陣檢測系統(tǒng)的研究具有重大意義。2 超聲相控陣工作原理及特點(diǎn)全自動超聲相控陣的工作原理框圖如圖1所示。它由檢測人員操作超聲相控陣系統(tǒng)軟件，在軟件中輸入工件的各個參數(shù)，軟件根據(jù)聚焦法則自動計(jì)算出延時時間，并將延時時間、增益、濾波等參數(shù)傳遞到超聲數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡再根據(jù)延時時間參數(shù)生成延時脈沖激勵探頭產(chǎn)生超聲波，不同延時時間脈沖產(chǎn)生的超聲波會形成不同的聚焦偏轉(zhuǎn)波束，這個聚焦偏轉(zhuǎn)波束作用于工件，在工件里產(chǎn)生反射回波，探頭接收來自于工件的超聲回波信號，并將這些回波信號傳遞給超聲信號數(shù)據(jù)采集卡處理，得到合成信號。合成信號按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)USB傳輸線傳遞到超聲相控陣系統(tǒng)軟件中，軟件再將這些合成信號以多種成像方式顯示出來，最后，檢測人員根據(jù)這些圖像分析缺陷、評估工件。圖1 超聲相控陣工作原理框圖 與常規(guī)超聲檢測系統(tǒng)相比17，它具有如下特點(diǎn)： 1、可提高檢測速度； 2、不移動探頭或盡量少移動探頭可掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個區(qū) 域，成為解決可達(dá)性差和空間限制問題的有效手段； 3、通常不需要復(fù)雜的掃查裝置，不需要更換探頭就可以實(shí)現(xiàn)對整個或所關(guān)心區(qū)域的多角度方向掃查； 4、優(yōu)化控制焦距長度、焦點(diǎn)尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)勢； 5、掃查方式種類多，數(shù)據(jù)成像形式多樣化，缺陷分析簡單，定量更精確。3 超聲相控陣檢測系統(tǒng)3.1 相控陣探頭 超聲相控陣技術(shù)需使用不同形狀的多陣元換能器來滿足構(gòu)建檢測的需求。根據(jù)晶片陣列形式的不同，主要有一維線性陣列，一維環(huán)形陣列，二維矩形陣列、二維分段交錯環(huán)形陣列和圓形陣列五種形式18，不同形狀的超聲相控陣換能器如圖2所示。圖2 相控陣探頭陣元幾何排列示意圖與面形和環(huán)形陣列相比，線形陣列具有容易加工，發(fā)射接收延遲控制電路較簡單，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中使用較多。環(huán)形陣列由于不能進(jìn)行聲束偏轉(zhuǎn)控制，大多應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像和脈沖多普勒體積流量計(jì)。其中二維分段交錯環(huán)形陣列比較特殊，專門用于棒材檢測。由于目前加工工藝限制，及電路復(fù)雜和制作成本高，使二維矩形陣列仍主要應(yīng)用于醫(yī)用B超上，工業(yè)上很少使用。圓形陣列主要用于檢測管子的內(nèi)外壁缺陷18,19。探頭的結(jié)構(gòu)也影響超聲成像的效果，現(xiàn)在在醫(yī)學(xué)成像中已經(jīng)出現(xiàn)不少研究成果。對于探頭頻帶寬度小的檢測系統(tǒng)，回波信號的高次諧波非常微弱，因此沒法采用高次波信號成像，而采用不同頻率的陣列交叉組合20，可以擴(kuò)大頻帶寬度，從而使得高次諧波分量加強(qiáng)，能夠提高成像質(zhì)量，但是大量的晶振增加了在基礎(chǔ)頻率處陣列換能器能量的損耗。用最低限度冗余二維矩形陣列實(shí)現(xiàn)三維成像21，采用的十字陣列探頭減小了陣元數(shù)目，成像效果好，但是這樣對硬件的依賴性高。探頭選取是與檢測方法緊密聯(lián)系在一起的，對于不同的被檢材料，因檢測方法不同而選擇不同的探頭。探傷前，應(yīng)該根據(jù)探傷對象的形狀、衰減和技術(shù)要求來選擇探頭。超聲波探傷頻率在0.510MHz之間，選擇范圍大。頻率的高低對探傷有較大的影響。頻率高，靈敏度和分辨率高，容易測定缺陷的位置和尺寸，指向性好，對探傷有利；但頻率高，近場區(qū)長度大，衰減大，對探傷不利。實(shí)際探傷中要全面分析考慮各方面的因素，合理選擇頻率。一般保證探傷靈敏度的前提下盡可能選用較低的頻率。另一方面，焊縫中危險性缺陷大多與超聲主聲束成一角度，探頭頻率過高，缺陷反射性指向性越好，回波反而不易被探頭所接收，故頻率不宜太高。3.2 超聲發(fā)射接收電路超聲發(fā)射接收處理電路是超聲相控陣系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的核心，負(fù)責(zé)超聲信號的發(fā)射、接收和處理22，其示意圖如圖3所示。處理電路包括多個通道，且其各通道性能一致，能夠保證同一缺陷在不同通道檢測時具有相同的結(jié)果，同時具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，各通道可用不同工作頻率檢測不同量程和在不同缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行檢測。另外還有增益可調(diào)和探傷靈敏度隨即補(bǔ)償功能及較強(qiáng)的抗干擾能力。 圖3 超聲發(fā)射接收處理電路 超聲發(fā)射和處理電路中核心部分為信號和控制處理模塊，這個模塊不僅提供發(fā)射和接收電路的控制信號，而且控制波束形成的延時時間。楊斌23提出了以CPLD為核心的延時控制模塊，采用普通的二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)16通道的延時控制，輸出延時脈沖沒有毛刺，電路簡單易實(shí)現(xiàn)，但是延時精度較低，為10ns。Mario Joao Simoes Ferreira dos Santos等24提出了基于FPGA的延時方案，使得延時電路小型化、可開發(fā)程度高，但是延時精度低，僅為20ns。李爽，徐春廣等25提出了用FPGA調(diào)粗延時結(jié)合可編程集成電路DS1020調(diào)細(xì)延時的延時方案，延時精度高，能達(dá)到1ns。但是只提到了發(fā)射電路的延時，而沒有提出接收電路的延時方案。王瑞，李伯全等26在基于FPGA的超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置設(shè)計(jì)一文中，提出了一種基于FPGA技術(shù),VHDL語言描述的8通道超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置的硬件設(shè)計(jì)方法，通過倍頻能將延時精度控制在2ns，節(jié)省了硬件空間，但是沒有考慮到FPGA是分段式布線，延時時間不可預(yù)測，延時結(jié)果不夠精準(zhǔn)。駱英、王偉等27在基于FPGA的超聲相控陣相控發(fā)射系統(tǒng)的研究一文中提出了基于系統(tǒng)時鐘的相控粗延時以及基于數(shù)字波形相位差的相控細(xì)延時兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)延時的方式，系統(tǒng)相位精度達(dá)到了0.35，對應(yīng)著250 kHz發(fā)射信號下3.75ns的延時精度，同時由于FPGA具有系統(tǒng)可重配置性能,使設(shè)計(jì)修改更加靈活、方便。 對于超聲發(fā)射電路模塊的延時設(shè)計(jì)，采用基于FPGA的方案，可以避免模擬延遲線的繁瑣，使得電路簡單，設(shè)計(jì)更靈活，同時可以得到高精度的延時時間。3.3 超聲成像超聲相控陣具有多種掃查方式：扇形掃查、線性掃查、深度掃查，如圖4所示。（a） 深度掃查（b） 扇形掃查 （c）線性掃查 圖4 相控陣掃查方式深度掃查是通過波束的聚焦來控制，通過不同的聚焦法則來實(shí)現(xiàn)不同深度的聚焦,如圖4中(a)所示。扇形掃查通過探頭的波束偏轉(zhuǎn)來控制，晶片的激發(fā)時間不同，從而產(chǎn)生不同角度的波束偏轉(zhuǎn)，如圖4中（b）所示。線性掃查是不同的時間激發(fā)不同的晶片，從而形成電子掃查，如圖4中（c）所示。由于超聲相控陣有多種掃查方式，因此有多種成像方式28,29，其中常見的有：A掃圖、B掃圖、扇掃圖，如圖5所示。 A掃圖 B掃圖 扇掃圖 圖5 超聲相控陣常見的成像視圖Cesar Buque,Jan van der Ent, Niels Portzgen等提出了IWEX技術(shù)17，從2-D成像變成3-D成像，使得缺陷顯示更形象，可以直接得到缺陷的尺寸、位置。但是基于瑞利積分理論具有局限性，橫向分辨率較低。李爽、周世園等提出了一種B型成像處理方法30，選取適當(dāng)?shù)拈撝祵D像進(jìn)行了二值化處理，消除了一些偽像，提高了圖像的分辨率，但是由于數(shù)據(jù)處理過程中舍入誤差的影響，對缺陷精度的確定性還有待改進(jìn)。對于超聲相控陣成像顯示，它直接影響著操作人員判讀檢測結(jié)果，因此精確、易讀的成像方式能夠提高缺陷檢測的準(zhǔn)確率，比如3D成像。4 結(jié) 論 通過對超聲相控陣的國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r、以及在工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用描述，以及對它的工作原理、主要特點(diǎn)的、系統(tǒng)構(gòu)成的介紹，說明了超聲相控陣檢測系統(tǒng)在無損檢測領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用前景。參 考 文 獻(xiàn)1 楊國忠. 醫(yī)學(xué)成像技術(shù)M. 北京：人民衛(wèi)生出版社，1987.22-23.2 Hatfield JV, et al. 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