1-第一章 超声相控阵技术基本概念

超声相控阵检测技术原理
超声相控阵检测技术是一种利用超声波进行非破坏性检测的技术。

其原理是通过将单个超声源和接收器组成一个阵列，并精确控制每个超声源的激发时间和接收时间，从而控制超声波的发射方向和接收方向。

具体工作原理如下：
1. 通过超声发射器发射超声波。

每个超声发射器产生一个超声波束，多个超声发射器工作时形成一个超声波束阵列。

2. 超声波经过被测物体后，被物体吸收、散射或反射。

如果有缺陷存在，超声波将被缺陷反射或散射。

3. 接收器接收并记录超声波的回波信号。

超声发射器和接收器之间的时间差可用于测量超声波经过被测物体的旅行时间，从而计算出缺陷的位置和大小。

4. 使用相控技术调整超声阵列中每个超声发射器和接收器的激发时间和接收时间，使得超声波能够在特定角度范围内聚焦和辐射。

通过改变发射器和接收器的激发时间和接收时间，可以改变超声波的发射和接收角度，从而获得更多方向上的信息，提高检测的准确性和效率。

总的来说，超声相控阵检测技术利用精确控制超声波的发射和接收方向，通过测量超声波的回波信号来检测物体的缺陷位置和大小。

该技术具有高灵敏度、高分辨率和高精度的特点，在非破坏性检测领域有广泛应用。

超声相控阵概述超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。

相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。

超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。

超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。

初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像;大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。

最初,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。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。

如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。

由于数字电子和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年,超声相控阵技术发展的尤为迅速。

2动作原理1.1 动作原理超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。

超声相控阵检测技术使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。

通常使用的是一维线形阵列探头，压电晶片呈直线状排列，聚焦声场为片状，能够得到缺陷的二维图像，在工业中得到广泛的应用。

技术讲座超声相控阵技术第一部分　基本概念李　衍(江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡　214187)摘　要:超声相控阵技术是当今工业无损检测极富挑战力的一项新技术。

本篇概述有关超声相控阵的基本原理和相控阵时间延迟的基本概念。

关键词:超声波;相控阵;时间延迟中图分类号:TG115.28　文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2007)04-24-051　引言相控阵超声波检测作为一种独特的技术得到开发和应用,在21世纪初已进入成熟阶段。

上世纪80年代初,相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域。

80年代中期,压电复合材料的研制成功,为复合型相控阵探头的制作开创新途径。

90年代初,欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价(NDE )方法,编入超声检测手册和无损检测工程师培训教程。

自1895年至1992年,该技术主要用于核反应压力容器(管接头)、大锻件轴类,及汽轮机部件的检测。

压电复合技术、微型机制、微电子技术、及计算机功率(包括探头设计和超声波与试件相互作用的模拟程序包)的最新发展,对相控阵技术的完善和精细化都有卓著贡献。

功能软件也使计算机能力大大增强。

相控阵超声波技术用于无损检测,最先是为动力工业解决下列检测问题:①要用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的裂纹;②要对检测异种金属焊缝和离心铸造不锈钢焊缝提高信噪比和定量能力;③要提高声束扫查可靠性;④要对难以接近的受压给水反应器或沸水反应堆部件进行检测;⑤要缩短在用设备维修检测时间,提高生产效率;⑥要检测和定量形状复杂的汽轮机部件中的应力腐蚀小裂纹;⑦要减少在用检测人员射线吸收剂量;⑧要对一些临界缺陷(不论缺陷方向)提高检测、定位、定量和定向精度;⑨要对“合乎使用”(或称“工程临界评定”或“寿命评价”)检测提供易于判读的定量分析报告。

在其他工业领域,如航空航天、国防、石油化工、机械制造等,对超声无损检测也都有类似的改进和强化需求。

一般都集中在相控阵超声技术的一些主要优点上,即:①速度快:相控阵技术可进行电子扫描,比通常的光栅扫描快一个数量等级;②灵活性好:用一个相控阵探头,就能涵盖多种应用,不象普通超声探头应用单一有限;③电子配置:通过文件装载和校准就能进行配置,通过预置文件就能完成不同参数调整;④探头小巧:对某些检测,可接近性是“拦路虎”,而对相控阵,只需用一小巧的阵列探头,就能完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务。

超声波相控阵原理超声波相控阵是一种利用超声波进行成像和测距的技术，其原理是通过控制多个超声波发射器的相位和幅度，实现对超声波束的控制和聚焦。

相控阵技术具有快速成像、高分辨率和远距离探测等优点，广泛应用于医学影像、无损检测、测距测速等领域。

一、超声波相控阵的基本原理超声波相控阵的基本原理是利用多个发射器和接收器组成的阵列，通过控制每个发射器的相位和幅度，实现超声波的聚焦和定向发射。

具体步骤如下：1. 发射：首先，发射器将电信号转换为超声波信号，并通过控制每个发射器的相位和幅度，实现超声波的聚焦和定向发射。

通过调整相位和幅度，可以改变超声波束的方向和形状，实现对待测物体的定向探测和成像。

2. 传播：超声波经过发射后，会在介质中传播，并与物体相互作用。

在传播过程中，超声波会受到介质的衰减、散射和反射等影响，这些影响会导致超声波在传播过程中的衰减和改变。

3. 接收：超声波到达接收器后，接收器将超声波信号转换为电信号，并通过控制每个接收器的相位和幅度，实现对超声波信号的聚焦和定向接收。

通过对接收信号的处理和分析，可以得到待测物体的信息，如形状、结构和材料等。

二、超声波相控阵的工作原理超声波相控阵的工作原理可以简单分为发射和接收两个过程。

在发射过程中，多个发射器按照预设的相位和幅度依次发射超声波信号，形成一个聚焦的超声波束。

在接收过程中，多个接收器按照预设的相位和幅度接收超声波信号，并通过信号处理和分析得到待测物体的信息。

超声波相控阵的工作原理可以用以下几个步骤来描述：1. 阵列布置：多个发射器和接收器按照一定的规律布置成阵列，形成一个二维或三维的发射接收阵列。

2. 相位控制：通过控制每个发射器和接收器的相位，使得发射的超声波信号和接收的超声波信号在特定的方向上相干叠加。

相位控制可以通过电子开关、延迟线和相位调制等方式实现。

3. 幅度控制：通过控制每个发射器和接收器的幅度，使得发射的超声波信号和接收的超声波信号在发射和接收过程中具有一定的增益和衰减。

相控阵超声检验技术一、导读任何无损检验方法(NDT)的可信度很大程度上取决于人员因素。

进行相控阵超声检验的人员应经过培训并取得相应的资格。

通过检验人员的技能、教育经历、培训经历，NDT检验人员来证明自己能够根据工艺和设备（相控阵超声设备，扫描仪，探头，软件，分析分布图和报告）的特殊要求进行操作。

检验人员应熟悉应用于特殊零件的相控阵技术的基本特性。

应客户要求，关于R/D技术原理的第一本书出版了：相控阵技术应用简介：R/D技术指南。

该指南用大幅篇章介绍了基本的超声测试，数据评定和扫查方式，相控阵探头以及应用，适合广大读者使用，该指南包含大量实用信息堪称为实用手册。

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相控阵技术指南手册可视为NDT从业人员使用基本相控阵超声技术的备忘录。

它面向日常的操作，针对技术秘诀，介绍操作方法（工艺规范，标定，特征描述，重新启动，解决检验的问题）。

关于其大小，该手册设计为口袋书籍。

为使该手册能适应现场条件，我们采用防水抗扯的合成纸印刷该书，且封面和装订都十分牢固。

相控阵技术指南手册包括：·第一章“相控阵超声技术——基本特性“详述了PAUT（相控阵超神探伤的缩写）原理，介绍了主要硬件设备和相控阵声束组成类型和运动形式（线性，方位角型，深度型，平面型和3-D型）。

·第二章“相控阵探头——基本特性“详述了用于日常检验的PA（相控阵的缩写）探头及其主要特性。

范例介绍时使用的是大多数场合最常用的探头类型，即1-D平面线性阵探头。

·第三章“聚焦法则“——常用范例介绍了线性阵探头如Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头定义聚焦法则的基本步骤。

·第四章“扫查方式，观察，和分布图”介绍了Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头评定（A-扫查法，S-扫查法，B-扫查法，C-扫查法和D-扫查法）的主要数据，基本分布以及扫查方式。

第一章超声相控阵检测技术发展史及优点1.1 超声相控阵检测技术的发展史20世纪20年代，苏联科学家S.J.Slkolov就已经开始了超声成像的研究。

其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢。

之后随着电子技术和计算机技术的迅速发展，大大推动了超声成像的研究和应用。

目前，在无损检测领域，已被发展或正在研究的超声检测成像方法主要有以下几种。

1、扫描超声成像：脉冲超声回波（实际上是超声回波通过超声换能器转换成电信号的波形）在显示屏上可以由不同的显示方式，包括A型、B型、C型、P型、F型扫描显示。

2、超声全息：基于波前重建原理，即通过物波和参考波干涉形成的图案（全息图），然后经过反衍射积分的重建过程，获得物体的图像。

早期的超声全息模仿光全息原理，使用液面成像方式。

目前研究比较活跃的声全息方法是扫描声全息，大致分为激光束扫描声全息和计算机重建声全息两类。

3、超声显微镜：利用声波对物体内部的声不连续性（如缺陷、力学特性或微观组织变化等）进行高分辨率成像检测的系统和技术。

其原理是用高频（工作频率可高达2GHz）超声波照射样品，形成样品的微观声学参数分布，能获得被测物体表面和近表面结构的高分辨率图像。

4、超声CT：计算机层析超声成像，它是借鉴X射线CT而发展的超声成像技术。

其用一束超声波依次沿不同方位角照射物体，并同时检测物体中目标的散射波（即投影），再由投影来计算反演重建目标的像。

目前超声CT主要有透射型和反射型两种，而图像重建也有两种理论，射线理论和衍射理论。

5、ALOK超声成像（amplituden and laufzeit orts kurven）技术，即幅度—传播时间—位置曲线技术。

利用幅度—传播时间—位置曲线，通过传播时间补偿和信号叠加的方法，从回拨信号中识别来自缺陷的回波信息而去除噪声信号，并可给出用B型显示的缺陷图像。

6、衍射传播时间技术（TOFD）：依靠超声波和缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对其进行定量的检测技术，并可给出A型扫描显示及D扫描、B扫描灰度图像显示。

1-第⼀章超声相控阵技术基本概念第⼀章超声相控阵技术的基本概念本章描述超声波原理、相控阵延时（或聚焦定律）概念，并介绍R/D公司研制的相控阵仪器设备。

1.1 原理超声波是由电压激励压电晶⽚探头在弹性介质（试件）中产⽣的机械振动。

典型的超声频率范围为0.1MHz～50MHz。

⼤多数⼯业应⽤要求使⽤0.5MHz～15MHz的超声频率。

常规超声检测多⽤声束扩散的单晶探头，超声场以单⼀折射⾓沿声束轴线传播。

其声束扩散是唯⼀的“附加”⾓度，这对检测有⽅向性的⼩裂纹可能有利。

假设将整个压电晶⽚分割成许多相同的⼩晶⽚，令⼩晶⽚宽度e远⼩于其长度W。

每个⼩晶⽚均可视为辐射柱⾯波的线状波源，这些线状波源的波阵⾯会产⽣波的⼲涉，形成整体波阵⾯。

这些⼩波阵⾯可被延时并与相位和振幅同步，由此产⽣可调向的超声聚焦波束。

超声相控阵技术的主要特点是多晶⽚探头中各晶⽚的激励（振幅和延时）均由计算机控制。

压电复合晶⽚受激励后能产⽣超声聚焦波束，声束参数如⾓度、焦距和焦点尺⼨等均可通过软件调整。

扫描声束是聚焦的,能以镜⾯反射⽅式检出不同⽅位的裂纹。

这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。

⽤普通单晶探头，因移动范围和声束⾓度有限，对⽅向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，漏检率很⾼（见图1）。

图﹡﹡常规图1-2 脉冲发⽣和回波接收时的声束形成和时间延迟（同相位、同振幅）图1-3 超声波垂直（a ）和倾斜（b ）⼊射时声束聚焦原理发射接收超声波探伤仪超声波探伤仪触发相控阵控制器相控阵控制器脉冲激励阵列探头缺陷缺陷⼊射波阵⾯反射波阵⾯回波信号Σ接收延时延时 [ns]延时 [ns]转⾓产⽣的波阵⾯产⽣的波阵⾯阵列探头阵列探头为产⽣同相位、有相长⼲涉的声束，⽤有微⼩时差的电脉冲分别激励阵列探头各选⽤晶⽚。

来⾃材料中某⼀焦点（如缺陷等）的回波，以⼀定时差返回各换能器单元，见图1-2。

在信号汇合前，各换能器晶⽚上接收到的回波信号均有时差。

信号汇合后形成的A-扫描图形，显⽰了材料中某⼀焦点的回波特性，也显⽰了材料中其它各点衰减各异的回波特性。

超声相控阵概述超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。

相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。

超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。

超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。

初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像;大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。

最初,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。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。

如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。

由于数字电子和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年,超声相控阵技术发展的尤为迅速。

2动作原理1.1 动作原理超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。

超声相控阵检测技术使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。

通常使用的是一维线形阵列探头，压电晶片呈直线状排列，聚焦声场为片状，能够得到缺陷的二维图像，在工业中得到广泛的应用。