超聲波相控陣檢測技術及其使用

1、超聲波相控陣檢測技術及其超聲波相控陣檢測技術及其應用應用1v超聲相控陣技術已有超聲相控陣技術已有5050多年的發(fā)展歷史。多年的發(fā)展歷史。相控陣超聲波檢測作為一種獨特的技術得相控陣超聲波檢測作為一種獨特的技術得到開發(fā)和應用，在到開發(fā)和應用，在2121世紀初已進入成熟階段。世紀初已進入成熟階段。v初期主要應用于醫(yī)療領域，初期主要應用于醫(yī)療領域，B B 超成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成超成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像，像，這里相控陣技術的主要作用是實現動態(tài)聚焦，大大提高了超聲影像的清晰度這里相控陣技術的主要作用是實現動態(tài)聚焦，大大提高了超聲影像的清晰度。其其在臨床上的應

2、用范圍為心臟、肝臟、膽囊、腎臟、胰腺、乳腺、婦產科、顱腦等在臨床上的應用范圍為心臟、肝臟、膽囊、腎臟、胰腺、乳腺、婦產科、顱腦等方面，其應用之廣泛已使它成為四大醫(yī)學影像技術之一。方面，其應用之廣泛已使它成為四大醫(yī)學影像技術之一。醫(yī)用相控陣醫(yī)用相控陣B B超設備超設備2v 由于超聲波在金屬材料、復合材料、陶瓷、塑料及玻璃纖維中會產生波由于超聲波在金屬材料、復合材料、陶瓷、塑料及玻璃纖維中會產生波形轉換同時材料自身的厚度變化及幾何結構都會產生干擾回波，如何把相形轉換同時材料自身的厚度變化及幾何結構都會產生干擾回波，如何把相控陣技術引入到工業(yè)領域就變得極具挑戰(zhàn)性?？仃嚰夹g引入到工業(yè)領域就變得極具挑戰(zhàn)

3、性。1980s1980s第一臺相控陣系統(tǒng)被應第一臺相控陣系統(tǒng)被應用于工業(yè)檢測領域，這臺相控陣系統(tǒng)機身結構非常大且需要一個數據轉換用于工業(yè)檢測領域，這臺相控陣系統(tǒng)機身結構非常大且需要一個數據轉換器把采集到的數據傳送到電腦上進行分析及成像。這些設備大多數應用在器把采集到的數據傳送到電腦上進行分析及成像。這些設備大多數應用在在線電力設備檢測中。但是此項技術在核電市場中很難被接受，因為在核在線電力設備檢測中。但是此項技術在核電市場中很難被接受，因為在核電中要推進一種新的檢測技術需要更嚴苛的評估。其他較早應用相控陣檢電中要推進一種新的檢測技術需要更嚴苛的評估。其他較早應用相控陣檢測技術的有大型軸類鍛件以

4、及低壓管道檢測領域。測技術的有大型軸類鍛件以及低壓管道檢測領域。v 1990s 1990s由電池供電的便攜式相控陣設備正式應用于工業(yè)檢測領域。模由電池供電的便攜式相控陣設備正式應用于工業(yè)檢測領域。模擬設備需要電源及空間來創(chuàng)建可以控制聲束的多通道結構，但是進入數字擬設備需要電源及空間來創(chuàng)建可以控制聲束的多通道結構，但是進入數字時代后，成本低廉的嵌入式微處理器的快速發(fā)展推動了下一代相控陣設備時代后，成本低廉的嵌入式微處理器的快速發(fā)展推動了下一代相控陣設備的快速發(fā)展。除此之外，低電電子元件、更好的省電結構以及整個行業(yè)大的快速發(fā)展。除此之外，低電電子元件、更好的省電結構以及整個行業(yè)大量使用粘貼板的設計

5、也推進了新一代小型化的高級技術的發(fā)展。新一代的量使用粘貼板的設計也推進了新一代小型化的高級技術的發(fā)展。新一代的相控陣設備可以在一臺便攜裝置中進行電子設置、數據處理、顯示及分析相控陣設備可以在一臺便攜裝置中進行電子設置、數據處理、顯示及分析，從此次相控陣技術在工業(yè)領域的應用變得更為廣泛。，從此次相控陣技術在工業(yè)領域的應用變得更為廣泛。傳統(tǒng)傳統(tǒng)工業(yè)相控陣成像工業(yè)相控陣成像傳統(tǒng)傳統(tǒng)工業(yè)相控陣成像工業(yè)相控陣成像3 然而相控陣技術從醫(yī)療領域向工業(yè)領域躍進的過程存在著很多技術難題無然而相控陣技術從醫(yī)療領域向工業(yè)領域躍進的過程存在著很多技術難題無法解決，因此法解決，因此最早最早的工業(yè)相控陣設備都是直接把醫(yī)療

6、相控陣方法直接照搬到工業(yè)的工業(yè)相控陣設備都是直接把醫(yī)療相控陣方法直接照搬到工業(yè)機型上面。這種技術的應用和成像描繪的模式對于工業(yè)探傷來說，存在著機型上面。這種技術的應用和成像描繪的模式對于工業(yè)探傷來說，存在著很多很多隱隱患和需要患和需要改進改進的問題。的問題。傳統(tǒng)傳統(tǒng)的的工業(yè)相控陣成像工業(yè)相控陣成像傳統(tǒng)傳統(tǒng)工業(yè)相控陣成像工業(yè)相控陣成像n 問題一：問題一： 醫(yī)用醫(yī)用B超檢測對象是超檢測對象是由水份組成由水份組成的人體的人體，不，不必考慮必考慮波形轉換波形轉換現象現象，而超，而超聲波在金屬材料中聲波在金屬材料中會產生會產生波形轉換問題波形轉換問題，早期工業(yè)相控陣方法延用醫(yī)用，早期工業(yè)相控陣方法延用醫(yī)

7、用B超模式，超模式，不具有波形轉換修正技術不具有波形轉換修正技術，因此帶來的異常信號誤判、定位定量誤差及難以判，因此帶來的異常信號誤判、定位定量誤差及難以判讀波形信息等問題讀波形信息等問題未能有效解決。未能有效解決。n 問題二：問題二： 傳統(tǒng)工業(yè)相控陣定量方法傳統(tǒng)工業(yè)相控陣定量方法不具有角度、聲程、晶片增益修正技術，多晶片不具有角度、聲程、晶片增益修正技術，多晶片探頭通過楔塊入射到構件內部時存在入射點漂移現象和能量分布變化，采用單一探頭通過楔塊入射到構件內部時存在入射點漂移現象和能量分布變化，采用單一入射點入射點校準方式與校準方式與常規(guī)距離波幅曲線常規(guī)距離波幅曲線修正，修正，造成的造成的扇形區(qū)

8、域中能量分布不均勻及扇形區(qū)域中能量分布不均勻及測量誤差測量誤差等等問題未能有效解決。問題未能有效解決。4n新一代相控陣技術新一代相控陣技術經過角度增益經過角度增益補償后的成像補償后的成像顯示顯示5真實幾何結構描繪真實幾何結構描繪6n 實時實時3D成像成像7 傳統(tǒng)的超聲檢測采用單晶片探頭傳統(tǒng)的超聲檢測采用單晶片探頭發(fā)散聲束。在某些情況下也采用雙晶片發(fā)散聲束。在某些情況下也采用雙晶片探頭或者單晶片聚焦探頭來減小盲區(qū)和探頭或者單晶片聚焦探頭來減小盲區(qū)和提高分辨率。但是不管是哪種情況下，提高分辨率。但是不管是哪種情況下，超聲場在介質中均是按照一個單一角度超聲場在介質中均是按照一個單一角度的軸線方向傳播

9、。單一角度的掃查限制的軸線方向傳播。單一角度的掃查限制了超聲檢測對于不同方向缺欠定性和定了超聲檢測對于不同方向缺欠定性和定量的能力。因此，大部分量的能力。因此，大部分“有效的有效的”標標準都要求采用多個角度聲束的掃查來提準都要求采用多個角度聲束的掃查來提高檢出率。但是對于復雜幾何外形、大高檢出率。但是對于復雜幾何外形、大壁厚或者探頭掃查空間有限的情況檢測壁厚或者探頭掃查空間有限的情況檢測很難實現，為此就需要采用相控陣多晶很難實現，為此就需要采用相控陣多晶片探頭和片探頭和電子電子聚焦聲束來滿足上述情況聚焦聲束來滿足上述情況的檢測要求的檢測要求。 超聲相控陣技術是當今無損檢測超聲相控陣技術是當今無

10、損檢測技術中最先進的超聲檢測新方法。技術中最先進的超聲檢測新方法。尤尤其在其在焊接接頭檢測方面的應用焊接接頭檢測方面的應用具有獨具有獨特優(yōu)勢。特優(yōu)勢?？捎行У貦z出焊接接頭中的可有效地檢出焊接接頭中的各種面狀缺陷和體積各種面狀缺陷和體積型型缺陷。檢測結缺陷。檢測結果以圖像形式顯示，為缺陷定位、定果以圖像形式顯示，為缺陷定位、定量、定性、定級提供了豐富的信息。量、定性、定級提供了豐富的信息。8典型應用：葉片檢測典型應用：葉片檢測9晶片單元大小晶片單元大小晶片單元間隔晶片單元間隔晶片單元跨距晶片單元跨距晶片單元高度晶片單元高度晶片單元寬度晶片單元寬度10使用楔塊使用楔塊11使用楔塊使用楔塊12b b

11、s1 希望在工件中產生的折射角希望在工件中產生的折射角-橫波橫波a a1 由相位變化產生的與折射角對應的入射角由相位變化產生的與折射角對應的入射角使用楔塊使用楔塊 產生橫波產生橫波13012111aaabaSSLVSinVSin0001MigrSSabb第二種情況第二種情況入射點向楔塊前端漂移入射點向楔塊前端漂移; 楔塊延遲增加楔塊延遲增加0001MigrSSabbCase 2入射點向楔塊后端漂移入射點向楔塊后端漂移; 楔塊延遲減小楔塊延遲減小0001MigrSSabb第一種情況第一種情況沒有聲束偏轉沒有聲束偏轉14使用楔塊使用楔塊 產生縱波產生縱波15）第一臨界角（112111crLLLVS

12、inVSinaaba使用楔塊使用楔塊 產生縱波產生縱波16 超聲相控陣是超聲探頭晶片的超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預先規(guī)定律分布排列，然后逐次按預先規(guī)定的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現超聲陣面）的形狀和方向，能實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。波的波束掃描、偏轉和聚焦。bcosNPitschSizeepertureSizEffectiveA17

13、聚焦聲束的形成過程聚焦聲束的形成過程要素要素:1.1.在產生聚焦聲束時，第一晶片和最后一個晶片延遲相同，其余的在產生聚焦聲束時，第一晶片和最后一個晶片延遲相同，其余的2-N-12-N-1晶片的延遲按照拋物線法則變換。晶片的延遲按照拋物線法則變換。2.2.有效陣列孔徑保持不變有效陣列孔徑保持不變18線性波形模式線性波形模式19扇形波形模式扇形波形模式20聚焦波形模式聚焦波形模式21角度增益補償角度增益補償因素因素2: 有效孔徑隨入射角度而變化（虛擬晶片寬度隨角度改變而減?。┯行Э讖诫S入射角度而變化（虛擬晶片寬度隨角度改變而減?。ㄓ行Э讖剑┬盘柗扔行ш嚵锌讖?)(1/1izeEffective

14、SudeEchoAmplitCosPitchSizeNLSb22角度增益補償角度增益補償因素因素 3: 3: 探頭中的信號衰減能量損失隨入射角度而變化探頭中的信號衰減能量損失隨入射角度而變化( (楔塊中聲程楔塊中聲程 隨角度加大而加大隨角度加大而加大)23扇形覆蓋區(qū)域中能量分布具有非均勻性扇形覆蓋區(qū)域中能量分布具有非均勻性通過角度增益補償技術獲取等量化數據通過角度增益補償技術獲取等量化數據對線陣探頭中的晶片進行單獨補償，使晶片的靈敏度達對線陣探頭中的晶片進行單獨補償，使晶片的靈敏度達到一致：到一致：相控陣探頭晶片的不均勻性相控陣探頭晶片的不均勻性 ( (出現偏差出現偏差) )；在每個聚焦法則中

15、，楔塊聲束路徑在每個聚焦法則中，楔塊聲束路徑/ /損耗都是不同的損耗都是不同的。24相控陣設備硬件工作原理示意相控陣設備硬件工作原理示意要素要素:因為所有的脈沖發(fā)生器是同步的，每個晶片振動的疊加產生了所需要的角度及聚焦方式因為所有的脈沖發(fā)生器是同步的，每個晶片振動的疊加產生了所需要的角度及聚焦方式25當設備對所有已接收到的信號做數字化處理時，每個通道都有自己的當設備對所有已接收到的信號做數字化處理時，每個通道都有自己的ADCADC轉換和轉換和FIFOFIFO。處理后的所有相位信號進行疊加形成最終的聚焦法則。處理后的所有相位信號進行疊加形成最終的聚焦法則A A掃描。掃描。26 傳統(tǒng)工業(yè)相控陣方法

16、延用醫(yī)用傳統(tǒng)工業(yè)相控陣方法延用醫(yī)用B超模式，超模式，不具有幾何不具有幾何反射反射修正技術，與人體結構修正技術，與人體結構的單一形式不同，工業(yè)領域的檢測對象幾何的單一形式不同，工業(yè)領域的檢測對象幾何結構結構和材料種類千變萬化，不能依照工和材料種類千變萬化，不能依照工件厚度與件厚度與結構結構特征生成對應圖象特征生成對應圖象而造成數據分析難度大而造成數據分析難度大的問題未能有效解決。的問題未能有效解決。 真實幾何結構成像技術真實幾何結構成像技術27Increment = 1 degIncrement = 0.2 degIncrement = 0.1 deg相控陣成像成像真實性、分辨率、檢出率與聲束間

17、隔角度的密集程度有關，傳統(tǒng)相控陣成像成像真實性、分辨率、檢出率與聲束間隔角度的密集程度有關，傳統(tǒng)相控陣成像方法采用的是模擬填充圖顯示方式，新一代相控陣系統(tǒng)支持主聲束間相控陣成像方法采用的是模擬填充圖顯示方式，新一代相控陣系統(tǒng)支持主聲束間隔角度步進控制技術。隔角度步進控制技術。28傳統(tǒng)工業(yè)相控陣扇形掃查成像模式：傳統(tǒng)工業(yè)相控陣扇形掃查成像模式：真實缺陷位置與成像結果不一致真實缺陷位置與成像結果不一致29新一代相控陣扇形掃查成像模式：新一代相控陣扇形掃查成像模式：真實幾何結構成像技術真實幾何結構成像技術30可設置厚度的相控陣線性掃查成像模式：可設置厚度的相控陣線性掃查成像模式：可描述破口形式的相控陣扇形掃查成像模式：可描述破口形式的相控陣扇形掃查成像模式：可設置厚度的相控陣串列式掃查模式：可設置厚度的相控陣串列式掃查模式：（對垂直缺陷非常有效）（對垂直缺陷非常有效）可設置厚度的相控陣扇形掃查成像模式：可設置厚度