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1、超声相控阵检测技术,1,超声相控阵检测技术,超声相控阵检测技术,2,超声相控阵综述,超声相控阵技术已有近2O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。近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能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发展，逐渐应用于工业无损检测。,超声相控阵检测技术,3,相控阵国外研究进展,目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新型管
2、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。90年代末，加拿大R/D TECH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。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围窄以及设备沉重的缺点。,超声相控阵检测技术,4,相控阵国内研究进展,2000年8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2001年5月在中国石油天然气集团公司申请立项了“大口径环焊缝相控阵超声波无损检测设备研制”科
3、技开发项目，并于2003年3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，达到了国外同类产品的水平。 国内的相控阵仪器还没有商品化；,超声相控阵检测技术,5,相控阵国内应用,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量的应用；西气东输：2000年9月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARD相控阵全自动超声检测系统。2001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，实际检测了焊缝6919道，其结果和射线底片结果的符合率达80以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未熔合缺陷；科研院所：清华，天
4、津大学，西安交大，大连理工，上海交通大学；,超声相控阵检测技术,6,相控阵的优点,探头尺寸更小；检测难以接近的部位；检测速度快，检测灵活性更强；可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ；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；由于以下因素可以节约系统成本：探头更少机械部分少,超声相控阵检测技术,7,实验室的相控阵仪器：OminiScan,超声相控阵检测技术,8,相控阵探头,超声相控阵检测技术,9,OminiScan的主要性能,有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块；全功能S扫描，A，B，C扫描，图形直观，快捷，方便；USB接口，RS-232接口，视
5、频输出和以太网接口；数据存储卡，接近计算机的人机界面；完整的报告设置；,超声相控阵检测技术,10,OminiScan仪器实际检测的图片,超声相控阵检测技术,11,压电晶片,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。 最常用：PZT压电效应,超声相控阵检测技术,12,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。,超声相控阵检测技术,13,探头的几何外形,线形阵1维 线形阵2维 矩形阵,圆形阵1维 环形阵2维 扇形阵,超声相控阵检测技术,14,晶片阵列方向孔径 (A)晶片加工方向宽度 (H
6、)单个晶片宽度 (e)两个晶片中心之间的间距 (p),相控阵探头设计参数,超声相控阵检测技术,15,超声波的扫描和显示,A型显示：A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；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和时间确定缺陷的大小和存在的位置。B型显示：又称B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；B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。,超声相控阵检测技术,16,超声波的扫描和显示,C型显示：又称C扫。以反
7、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；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；一般A扫和C扫结合： A扫显示深度信息； C扫显示缺陷形状及当量信息；,超声相控阵检测技术,17,超声轴+扫查轴 B扫编码轴+扫查轴 C扫,超声相控阵检测技术,18,编码轴+扫查轴 C扫,超声相控阵检测技术,19,超声波探伤方法,共振法；脉冲回波法；穿透法；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,超声相控阵检测技术,20,超声相控阵的检测原理,相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器阵列
8、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的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法；,超声相控阵检测技术,21,相控阵发射,超声相控阵应用许多的单元换能器来产生和接收超声波波束。通常在一维或多维上排列若干单元换能器组成阵列。利用事先设计确定好的各自独立的发射和时间延迟电路来依次激励一个或几个单元换能器，产生具有可控的人为预定的确定相位的声波，所有单元换能器在检测对象中产生的超声声场相互干涉迭加，从而得到预先希望的波束入射角度和焦点位置，形成发射聚焦或声束偏转等效果；,超声相控阵检测技术,22,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
9、。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，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，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。,相控阵接收,超声相控阵检测技术,23,系统组成原理图,超声相控阵检测技术,24,设计的探头,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。,超声相控阵检测技术,25,超声波发射（放大）电路,超声相控阵检测技术,26,相控阵系统的相位延迟,相位延时是实现超声相控阵原理的基本
10、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、相位偏转、相位偏转、声束形成等各种相控效果；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。,超声相控阵检测技术,27,相控阵相位延迟的方法,模拟延迟方法： 过去的医用B超中，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；,超声相控阵检测技术,28,数字延迟方法,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
11、分辨率 ，最大延迟会很小。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。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,超声相控阵检测技术,29,相控阵相位延迟的方法,FPGA数字延迟线,超声相控阵检测技术,30,FPGA在系统中的作用,FPGA,超声相控阵检测技术,31,FPGA在系统中的作用,FPGA,超声相控阵检测技术,32,精确延时控制验证方法,用FPGA实现精度为2ns的延时控制，对于
12、发射来说，调试与验证比较容易，只需要一个多通道 500MHz的示波器就可以。从FPGA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 阵探头。通过示波器可以观察从FPGA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间隔，该间隔由FPGA内部参数决定，并且可以修改。 接收延时控制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FPGA配合100MHzDA比较容易产生这种特殊信号。,超声相控阵
13、检测技术,33,精确的延迟时间的计算,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。,超声相控阵检测技术,34,精确的延迟时间的计算,相位聚焦,超声相控阵检测技术,35,相控阵探头波束偏转 (发射)波束发射过程中通过软件施加精确延时产生带角度波束；,相控阵波束发射,超声相控阵检测技术,36,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。,相控阵波束接收,超声相控阵检测技术,37,相控阵的两个重要特点,相控偏转示意图,超声相控阵检测技术,38,相控聚焦示意图,超声相控阵
14、检测技术,39,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,超声相控阵检测技术,40,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,超声相控阵检测技术,41,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,超声相控阵检测技术,42,相控阵的扫描方式,线性扫描 扇形扫描 深度聚焦,超声相控阵检测技术,43,电子扫查,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。通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生移动。扫查宽度局限于:阵列中晶片
15、的数量采集系统支持的通道数量,激活晶片组,超声相控阵检测技术,44,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。这种移动是靠晶片的时间多路传输技术实现的。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,超声相控阵检测技术,45,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。,超声相控阵检测技术,46,动态深度聚焦,标准的相控阵,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。,超声相控阵检测技术,47,扇形扫查可以不移动探头就检测整个待检工件检测表面复杂或空间有限的情况下大有用武之地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,超声相控阵检测技术,48,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,超声相控阵检测技术,49,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.,超声相控阵检测技术,50,Bye Bye,
