超聲相控陣檢測技術(shù)PPT課件

1、.,1,超聲相控陣檢測技術(shù),.,2,超聲相控陣綜述,超聲相控陣技術(shù)已有近2O多年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)超聲成像中。系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動傳播的復(fù)雜性及成本費用高等原因，使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用受限制。 近年來，超聲相控陣技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復(fù)合材料、納秒級脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計算機模擬等多種高新技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用。使得超聲相控陣檢測技術(shù)得以快速發(fā)展，逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測。,.,3,相控陣國外研究進展,目前，在國外，以相控陣超聲檢測技術(shù)為代表的新型管道全自動超聲檢測儀已經(jīng)進入實用階段，代表了管道

2、焊縫檢測技術(shù)的發(fā)展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先將相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用于管道探傷領(lǐng)域，開發(fā)了相控陣全自動超聲檢測系統(tǒng)。 相控陣超聲檢測系統(tǒng)是通過電子技術(shù)來實現(xiàn)聲束的掃查方向和聚焦深度的控制，可以以同一個探頭來實現(xiàn)不同壁厚、不同材質(zhì)管道焊縫的檢測任務(wù)，克服了常規(guī)多探頭自動超聲檢測系統(tǒng)調(diào)整難度大和探頭適應(yīng)范圍窄以及設(shè)備沉重的缺點。,.,4,相控陣國內(nèi)研究進展,2000年8月由中國石油天然氣管道科學(xué)研究院等單位組成了研究開發(fā)實體，于2001年5月在中國石油天然氣集團公司申請立項了“大口徑環(huán)焊縫相控陣超聲波無損檢測設(shè)備研制”科技開發(fā)項目，并于2003年3月順利通過了中國石油天然氣集團公

3、司的鑒定，該項目的研制成功填補了國內(nèi)空白，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。 國內(nèi)的相控陣儀器還沒有商品化；,.,5,相控陣國內(nèi)應(yīng)用,相控陣技術(shù)目前在國內(nèi)真正做到大量應(yīng)用的尚只有西氣東輸工程，在航空系統(tǒng)和核工業(yè)系統(tǒng)等一些部門也有少量的應(yīng)用； 西氣東輸：2000年9月在青海湖畔的實驗段中，引進的 PipeWIZARD相控陣全自動超聲檢測系統(tǒng)。2001年，從西氣東輸一標(biāo)段的實驗段，截至一標(biāo)段主體管線完工時，實際檢測了焊縫6919道，其結(jié)果和射線底片結(jié)果的符合率達(dá)80以上，還檢出了大量在射線底片上不明顯的未熔合缺陷； 科研院所：清華，天津大學(xué)，西安交大，大連理工，上海交通大學(xué)；,.,6,相控陣的優(yōu)點,探頭尺

4、寸更?。?檢測難以接近的部位； 檢測速度快，檢測靈活性更強； 可實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測 ； 通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實現(xiàn)高速電子掃描，對試件進行高速，全方位和多角度檢測； 由于以下因素可以節(jié)約系統(tǒng)成本： 探頭更少 機械部分少,.,7,實驗室的相控陣儀器：OminiScan,.,8,相控陣探頭,.,9,OminiScan的主要性能,有兩個模塊，超聲相控陣，電渦流的模塊； 全功能S掃描，A，B，C掃描，圖形直觀，快捷，方便； USB接口，RS-232接口，視頻輸出和以太網(wǎng)接口； 數(shù)據(jù)存儲卡，接近計算機的人機界面； 完整的報告設(shè)置；,.,10,OminiScan儀器實際檢測的

5、圖片,.,11,壓電晶片,天然石英晶體、一水硫酸鋰晶體、碘酸鋰、鈮酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT),鈦酸鉛、偏鈮酸鉛和極化的多晶陶瓷等等。 最常用：PZT 壓電效應(yīng),.,12,陣列探頭的基本構(gòu)造,1.壓電晶片；2.聲阻尼塊；3.耦合層； 4.聲透鏡；5.導(dǎo)線。,.,13,探頭的幾何外形,線形陣 1維 線形陣 2維 矩形陣,圓形陣 1維 環(huán)形陣 2維 扇形陣,.,14,晶片陣列方向孔徑 (A) 晶片加工方向?qū)挾?(H) 單個晶片寬度 (e) 兩個晶片中心之間的間距 (p),相控陣探頭設(shè)計參數(shù),.,15,超聲波的掃描和顯示,A型顯示：A掃，工業(yè)超聲檢測中應(yīng)用最多，是目前脈沖發(fā)射式探傷儀最基本的顯示

6、方式； 熒光屏上縱坐標(biāo)代表發(fā)射回波的幅度，橫坐標(biāo)代表發(fā)射回波的傳播時間，根據(jù)缺陷反射波的幅度和時間確定缺陷的大小和存在的位置。 B型顯示：又稱B掃。它以反射回波作為輝度調(diào)制信號，用亮點顯示接收信號，在熒光屏上縱坐標(biāo)表示波的傳播時間，橫坐標(biāo)表示探頭的水平位置，反映缺陷的水平延伸情況； B掃能直觀顯示缺陷在縱截面上的二維特性，獲得截面直觀圖。,.,16,超聲波的掃描和顯示,C型顯示：又稱C掃。以反射回波作為輝度調(diào)制信號，用亮點或者暗點顯示接收信號，缺陷回波在熒光屏上顯示的亮點構(gòu)成被檢測對象中缺陷的平面投影圖； 這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能確定缺陷的深度； 一般A掃和C掃結(jié)合： A掃

7、顯示深度信息； C掃顯示缺陷形狀及當(dāng)量信息；,.,17,超聲軸+掃查軸 B掃 編碼軸+掃查軸 C掃,.,18,編碼軸+掃查軸 C掃,.,19,超聲波探傷方法,共振法；脈沖回波法；穿透法； 脈沖回波法原理(超聲相控陣也是基于此原理)：,無缺陷 有小缺陷 有大缺陷,.,20,超聲相控陣的檢測原理,相控陣超聲檢測技術(shù)是通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦來實現(xiàn)材料的無損檢測方法；,.,21,相控陣發(fā)射,超聲相控陣應(yīng)用許多的單元換能器來產(chǎn)生和接收超聲波波束。通常在一維或多維上排列若干單元換能器組成陣列。利用事先設(shè)計確定好

8、的各自獨立的發(fā)射和時間延遲電路來依次激勵一個或幾個單元換能器，產(chǎn)生具有可控的人為預(yù)定的確定相位的聲波，所有單元換能器在檢測對象中產(chǎn)生的超聲聲場相互干涉迭加，從而得到預(yù)先希望的波束入射角度和焦點位置，形成發(fā)射聚焦或聲束偏轉(zhuǎn)等效果；,.,22,換能器發(fā)射的超聲波遇到目標(biāo)后產(chǎn)生回波信號，其到達(dá)各陣元的時間存在差異。按照回波到達(dá)各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號疊加增強，而其它方向的回波信號減弱甚至抵消。同時，通過各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法，形成聚焦、變孔徑、變跡等多種相控效果。,相控陣接收,.,23,系統(tǒng)組成原理圖,.,24,設(shè)計的探頭,如

9、圖,每片PZT晶片的尺寸18mm*2.5mm*0.8mm,晶片中心頻率為3.5MHZ，相鄰的晶片中心距為3mm.圖中所示為PZT晶片寬度方向。,.,25,超聲波發(fā)射（放大）電路,.,26,相控陣系統(tǒng)的相位延遲,相位延時是實現(xiàn)超聲相控陣原理的基本環(huán)節(jié),在相控發(fā)射中，需要精確控制相位延時，以實現(xiàn)動態(tài)聚焦、相位偏轉(zhuǎn)、相位偏轉(zhuǎn)、聲束形成等各種相控效果； 理論分析顯示，只有盡力提高相位延時的精度、分辨率和穩(wěn)定性，才能顯著地抑制旁瓣，提高聲束的橫向和縱向分辨力，改善成像清晰度。,.,27,相控陣相位延遲的方法,模擬延遲方法： 過去的醫(yī)用B超中，模擬延遲線，如LC網(wǎng)絡(luò)直接對模擬信號延遲，用電子開關(guān)分段切換獲

10、得不同的延遲量； 缺點：1.體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 2.不便實現(xiàn)動態(tài)聚焦和信號處理； 3.電氣參數(shù)難以確定；,.,28,數(shù)字延遲方法,受硬件條件的限制 ，CPLD很難達(dá)到 l0ns以內(nèi)的延時分辨率 ，并且要達(dá)到高延遲分辨率 ，最大延遲會很小。 相控發(fā)射數(shù)字高精度延時模塊的設(shè)計分為兩部分，一部分是基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的粗延時，粗延時一般基于晶振時鐘計數(shù)，延時值為時鐘周期的整數(shù)倍，通常為 10ns以上。 另一部分是在粗延時的基 礎(chǔ)上基于可編程數(shù)字延遲線的細(xì)延時，細(xì)延時量為采樣周期的小數(shù) 倍，一般能達(dá)到10ns以內(nèi)的延時分辨率,.,29,相控陣相位延遲的方法,FPGA 數(shù)字延遲線,.,3

11、0,FPGA在系統(tǒng)中的作用,FPGA,.,31,FPGA在系統(tǒng)中的作用,FPGA,.,32,精確延時控制驗證方法,用FPGA實現(xiàn)精度為2ns的延時控制，對于發(fā)射來說，調(diào)試與驗證比較容易，只需要一個多通道 500MHz的示波器就可以。從FPGA發(fā)射一個方波同步脈沖和一個方波激勵脈沖，一級一級的往后測試，直至相控 陣探頭。通過示波器可以觀察從FPGA到探頭整個電路的系統(tǒng)延時以及激勵脈沖相對于同步脈沖的延時間隔，該間隔由FPGA內(nèi)部參數(shù)決定，并且可以修改。 接收延時控制是否準(zhǔn)確的驗證困難一些。因為接收的不是方波脈沖，而是探頭單元固有頻率的近似正弦超聲信號。為了驗證延時控制是否正確，需要在超聲波接收電

12、路之前加上一個不連續(xù)的，只有若干周期的正弦信號，一般的信號發(fā)生器沒有這種功能。利用系統(tǒng)上的FPGA配合100MHzDA比較容易產(chǎn)生這種特殊信號。,.,33,精確的延遲時間的計算,相位偏轉(zhuǎn)：,其中， 為相鄰兩個陣元之間的波程差;d為相鄰兩個陣元之間的距離; 為聲波偏轉(zhuǎn)后與法線的夾角。,.,34,精確的延遲時間的計算,相位聚焦,.,35,相控陣探頭波束偏轉(zhuǎn) (發(fā)射) 波束發(fā)射過程中通過軟件施加精確延時產(chǎn)生帶角度波束；,相控陣波束發(fā)射,.,36,相控陣波束形成 (接收) 接收過程中通過軟件施加精確延時; 只有符合延時法則的信號保持同相位,并在合計后產(chǎn)生有效信號。,相控陣波束接收,.,37,相控陣的兩

13、個重要特點,相控偏轉(zhuǎn)示意圖,.,38,相控聚焦示意圖,.,39,用不同的延時激發(fā)晶片產(chǎn)生不同外形的波束 這是一個縱波各個晶片延時相等,波束的產(chǎn)生與聚焦,.,40,用不同的延時激發(fā)晶片產(chǎn)生不同外形的波束 需要精確計算延遲時間，才能指向性好,波束偏轉(zhuǎn),.,41,加在每個晶片上的不同的延時; 產(chǎn)生的波束在早期、中期和焦點處的形狀。 為了聚焦和傾斜, 我們采用復(fù)合曲線和拋物線。,波束聚焦,.,42,相控陣的掃描方式,線性掃描 扇形掃描 深度聚焦,.,43,電子掃查,探頭不作任何機械移動，而波束沿晶片陣列方向作電子掃查。 通過對激活晶片組進行多路延時，使波束產(chǎn)生移動。 掃查寬度局限于: 陣列中晶片的數(shù)量 采集系統(tǒng)支持的通道數(shù)量,激活晶片組,.,44,不依靠任何機械運動就將波束沿陣列的一個軸線移動的能力。 這種移動是靠晶片的時間多路傳輸技術(shù)實現(xiàn)的。 波束的移動取決于探頭的幾何外形 可能出現(xiàn)以下幾種情況： 線形掃查 扇形掃查 橫向掃查 以上掃查的組合,電子掃查,.,45,動態(tài)深度聚焦示意圖,動態(tài)深度聚焦DDF，超聲束沿聲軸線,對不同聚焦深度進行掃描。 實際上,發(fā)射聲波時使用單個聚焦脈沖,而接收回波時則對所有編程深度重新聚焦。,.,46,動態(tài)深度聚焦,標(biāo)準(zhǔn)的相控陣,動態(tài)深度聚焦,DDF 在掃查時不斷為接收信號重新載入聚焦法則。 這一操作靠硬件完成, 所以很快。 現(xiàn)在用一個