下载文档原格式
超声相控阵检测技术及应用
近年来，随着科技的不断发展，超声相控阵检测技术成为了一种
非常重要的无损检测技术，应用广泛于各个领域，比如航空、航天、
汽车、电力等工业领域。
超声相控阵检测技术是利用超声波在材料中传播、反射、衍射、
散射等原理进行缺陷检测的一种技术。
它能够对复杂结构的材料进行
高精度、高效率、无损的检测和评估，能够检测出各种缺陷，如裂纹、气孔、夹杂等，同时还能够评估材料的力学性能、耐久性和可靠性。
相比传统的超声检测技术，超声相控阵检测技术具有优越性。
它
可以通过调整控制器上的参数，实现多角度、多方向、多频率的超声
波束所覆盖的测试区域，不仅可以提高检测精度，还可以缩短检测时间，并大大降低了误判率。
在实际应用中，超声相控阵检测技术的应用不断发展和完善。
在
航空领域，超声相控阵检测技术被广泛应用于飞机结构和发动机叶片
的缺陷检测，大大提高了飞机的安全性能和可靠性。
在汽车领域，超
声相控阵检测技术被应用于对汽车组件的检测，如汽车发动机的缸体、缸盖和曲轴等部件的缺陷检测，有效提高了汽车的性能和安全性能。
在电力领域，超声相控阵检测技术被用于检测钢轨、钢板、桥梁和引线、绝缘子等电力设备，提高了电力设备的性能和安全性，对电力行
业和国家电网的建设起到了至关重要的作用。
总之，超声相控阵检测技术在工业生产和科学研究中发挥着不可替代的作用，其应用领域越来越广泛，技术也在不断地完善和提高，将使得未来的无损检测技术更为可靠、高效和精确。
超声波相控阵无损检测技术在特种设备领域应用研究摘要：特种设备是指用于生产、运输、储存、使用等特定场合的设备，如压力容器、锅炉、压力管道、起重机械等。
这些设备的安全运行对人们的生命财产安全具有重要的意义。
特种设备的无损检测技术是保障特种设备安全运行的关键技术之一。
本文将介绍超声波相控阵技术的基本原理、特点和应用，以期为特种设备无损检测技术的进一步发展提供参考。
关键词：超声波相控阵技术；特种设备；无损检测；相位；幅度引言：超声波检测技术是特种设备无损检测技术中最常用的一种技术。
它通过超声波的穿透、反射、衍射、散射等物理效应，检测目标对象内部的缺陷（比如裂纹、未熔合、夹渣等）。
然而，传统的超声波检测技术在应用中存在一些局限性，如分辨率低、检测速度慢等问题。
超声波相控阵技术是近年来发展起来的一种新型的超声波检测技术。
它通过控制多个超声波发射器和接收器的相位和幅度，实现对目标物体进行快速、准确的无损检测。
该技术具有分辨率高、信噪比高、检测速度快、适用性广、缺陷实时成像等优点，在特种设备无损检测中具有广泛的应用前景。
一、超声波相控阵技术的基本原理超声波相控阵技术是一种基于超声波相位调制原理的检测技术。
它利用多路超声发射器和接收器的阵列，通过控制每个发射器和接收器的相位和幅度，实现对目标物体的扫描和成像。
超声波相控阵技术的基本原理是利用超声波在不同介质中传播速度不同的特性。
当超声波从一个介质传播到另一个介质时，会发生反射、折射和散射等现象。
通过控制超声波发射器和接收器的相位和幅度，以灵活的声束偏转和聚焦能力实现缺陷的实时成像。
具体而言，超声波相控阵技术包括以下几个步骤：（一）发射器控制超声波相控阵技术中的发射器控制是实现波束控制和聚焦的关键步骤。
通过调节每个发射器的相位和幅度，可以控制超声波的传播方向和形状。
相位调节可以改变波束的传播方向，使其聚焦于目标物体的特定区域。
幅度调节可以控制超声波的能量分布，使波束的强度在聚焦区域最大，从而提高检测的灵敏度和精度。
关于超声相控阵技术在石油化工领域中的应用进展研究摘要：相控阵检测技术相比于射线检测技术和常规超声技术具有较多的优势，并且在石油化工领域应用较为广泛。
随着相控阵检测技术不断完善和升级，其检测技术在某些特种行业内也得到了有效利用，这对于工程质量检测中起到了重要作用。
本文简单介绍超声相控技术的发展情况，并对超声相控阵的特点及技术原理进行探头，并且介绍了该技术在石油化工领域的应用类型。
关键词：超声相控阵；石油化工；长输管道；化工设备引言现代工业领域中不可缺少的技术就是无损检测技术，其技术在产品性能评估、检验、设计等方面有突出表现。
无损检测领域中的超声检测是重要的组成部分。
随着科学技术的不断发展，超声检测技术已经成为检测技术中的重要组成，它已经在我国工业生产、科学测量、医疗卫生以及国防建设等多个领域起着决定性的作用。
与一些检测方法相比，超声检测具有设备便携、操作安全、适用性强等优势，得到了十分广泛的应用。
超声相控阵因其两大性能优势，获得了诸多人的关注，其中包含灵活的声束形成性能和快速成像性能，这成为超声无损检测技术领域的研究重点。
随着科学技术的发展，人们对超声检测的科研不断深入，超声相控阵技术得到了越来越多人的重视。
相控阵技术的理念跟雷达天线电磁波技术理念较为相似，超声相控阵起先仅仅用于医疗领域。
近些年来，伴随着计算机、微电子等一些新兴技术的飞速发展，超声相控阵逐步被应用在工业无损检测领域。
超声相控阵运用各阵发出声束的有序叠加以便于灵活地产生偏转及聚焦声束，不用改换探头也能够完成关键区域的高分辨率监测，并且与其特有的扇形扫查、动态聚焦、线性扫查等工作方式可以在少移动或者不用移动探头的条件下对零件实施高效率监测。
所以相比较于单晶片超声检测，超声相控阵的声束覆盖越来越多、检测速度更快、分辨率更高、声束更灵活更加适用于形状比较复杂的零部件检测。
当下，超声相控阵的研究越来越广泛了，并且应用的范围已经涉猎许多工业领域中来，超声相控阵已经发展成为无损检测领域的重点之一。
相控阵超声检测技术在核电厂推广初步研究一、相控阵超声检测技术概述相控阵超声检测技术是一种利用超声波进行无损检测的先进技术，其原理是通过控制多个超声发射探头的发射时间和幅度，使得超声波在被检测物体内部形成聚焦点，从而实现对被检测物体内部缺陷、裂纹等缺陷的高分辨率成像和快速检测。
相控阵超声检测技术具有高灵敏度、高分辨率、快速成像等特点，广泛应用于航空航天、船舶制造、核电领域等。
1. 压力容器检测相控阵超声检测技术在核电厂中主要应用于压力容器的内部缺陷检测。
传统的超声检测技术由于受限于探头的单点扫描模式，往往无法满足对厚壁压力容器内部较小缺陷的检测要求。
而相控阵超声检测技术可以通过控制多个探头的发射时间和幅度，实现对压力容器内部的立体成像，大大提高了缺陷检测的准确性和可靠性。
2. 燃料棒检测燃料棒是核反应堆中的重要组成部分，其质量和安全性直接关系到核电厂的安全运行。
相控阵超声检测技术可以实现对燃料棒内部的气孔、裂纹等缺陷的快速成像和评估，大大提高了对燃料棒质量的监测水平，确保了核电厂的安全运行。
3. 设备连接件检测在核电厂中，各种设备连接件的安全性和可靠性对核电设备的正常运行至关重要。
相控阵超声检测技术可以实现对设备连接件内部的腐蚀、裂纹等缺陷的精确检测，提高了连接件的安全性和可靠性。
相控阵超声检测技术在核电厂中的应用，可以有效提高核电设备的安全性和可靠性，保障核电厂的正常运行。
目前我国核电厂中对该技术的应用还比较有限，存在着一些问题和障碍。
1. 技术研发目前，国内相控阵超声检测技术在核电厂中的应用还处于起步阶段，相关的设备和技术仍需要进一步的研发和改进。
需要研发出适用于核电厂环境的相控阵超声检测设备和探头，并积极引进和消化国外先进的相控阵超声检测技术，提高自主研发能力。
2. 标准规范目前国内对核电厂中相控阵超声检测技术的标准和规范尚不完善，缺乏统一的检测标准和评估方法。
需要加强对该技术在核电厂中的应用规范化、标准化建设，明确相关技术的检测标准和评估方法，确保检测结果的准确性和可靠性。
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。
超声相控阵技术的发展前景与应用超声相控阵技术是一种高精度病理检测技术，随着现代医疗技术的不断发展，超声相控阵技术也被广泛应用于多个领域。
本文将探讨超声相控阵技术的发展前景以及应用场景。
一、超声相控阵技术的发展历程超声相控阵技术于20世纪60年代初期首次被提出，主要用于在工业和航空领域中进行无损检测和远程探测，后来被广泛应用于医疗领域，为人类的健康保驾护航。
随着科技的不断进步，超声相控阵技术在测量范围、分辨率、成像速度、探测深度等方面都有较大的提升。
目前，该技术已广泛应用于心脏、乳腺、肝脏、肾脏、膀胱、前列腺、肺、骨骼等领域的病理扫描和诊断。
二、超声相控阵技术的优势和局限性超声相控阵技术相比传统的医疗检测技术具有许多优势，如无辐射、安全、检测速度快等。
同时，它还可以实现三维成像，有效提高诊断的准确性和可靠性。
此外，在心脏诊断中，超声相控阵技术还可以实现实时彩色多普勒成像，帮助医生诊断心脏瓣膜病变、心肌梗塞等疾病。
然而，超声相控阵技术也存在一些局限性，如探测深度较浅，只适用于浅部组织的检测和诊断，并且受到成像角度的限制，对深部组织的检测效果不如磁共振成像等其他检测技术。
三、超声相控阵技术的应用场景超声相控阵技术在医疗领域中的应用极为广泛，如下所示：1. 心脏诊断：超声相控阵技术可以帮助医生检测心脏的大小、功能、形态等，诊断心脏病变。
2. 乳腺癌筛查：超声相控阵技术可以检测乳房内的肿块和其他异常情况，帮助医生排除或诊断乳腺癌。
3. 肝脏、肾脏病变：超声相控阵技术可以检测肝脏、肾脏的大小、形态、功能等，帮助医生发现和诊断肝脏、肾脏的病变。
4. 妇科疾病：超声相控阵技术可以实现阴道内、子宫内、输卵管等部位的成像诊断，帮助医生检测妇科疾病。
5. 骨科疾病：超声相控阵技术可以检测骨骼中的损伤和骨骼疾病，如骨折、骨质疏松等。
四、超声相控阵技术的未来前景超声相控阵技术有着广阔的发展前景，未来有可能进一步提高探测深度和分辨率，以实现更精确的疾病诊断；同时可以开发出更多的检测技术和设备，提高检测效率和准确性，在医学领域发挥更为重要的作用。
超声相控阵行业报告超声相控阵技术是一种利用超声波进行成像和探测的先进技术，它具有高分辨率、实时成像和非侵入性等优点，在医学、工业、军事等领域具有广泛的应用前景。
本报告将对超声相控阵行业的发展现状、市场规模、技术趋势和应用领域进行深入分析，为相关行业的从业者和投资者提供参考。
一、超声相控阵技术概述。
超声相控阵技术是一种利用超声波进行成像的技术，它通过控制多个超声发射器和接收器的相位和幅度，实现对目标的高分辨率成像。
相对于传统的B超成像技术，超声相控阵技术具有更高的分辨率和成像速度，能够实现对细小结构和动态过程的实时监测，因此在医学、工业和军事领域具有广泛的应用前景。
二、超声相控阵行业发展现状。
目前，全球超声相控阵行业正处于快速发展阶段。
在医学领域，超声相控阵技术已经成为常见的影像诊断手段，广泛应用于心脏、肝脏、乳腺等器官的检查和疾病诊断。
在工业领域，超声相控阵技术被应用于材料缺陷检测、焊接质量监测等领域，为工业生产提供了重要的支持。
在军事领域，超声相控阵技术被应用于潜艇探测、水下目标识别等领域，发挥着重要作用。
三、超声相控阵行业市场规模。
据统计，2019年全球超声相控阵行业市场规模达到100亿美元，预计到2025年将达到200亿美元。
其中，医学领域是超声相控阵技术的主要应用领域，占据了市场份额的60%以上。
工业和军事领域也在逐渐增加对超声相控阵技术的需求，市场规模呈现出稳步增长的态势。
四、超声相控阵技术趋势。
随着超声相控阵技术的不断发展，一些新的趋势逐渐显现。
首先，超声相控阵技术的分辨率和成像速度将进一步提高，能够实现对更小结构和更快动态过程的监测。
其次，超声相控阵技术将更加智能化，能够实现自动识别和分析目标，减轻操作人员的负担。
此外，超声相控阵技术将更加多样化，能够实现不同波长和频率的超声成像，适应不同应用场景的需求。
五、超声相控阵技术应用领域。
超声相控阵技术在医学、工业、军事等领域具有广泛的应用。
相控阵超声检测技术在核电厂推广初步研究相控阵超声技术是一种先进的无损检测技术，其在核电厂中的应用具有重要意义。
本文将对相控阵超声检测技术在核电厂推广的初步研究进行介绍，并分析其在核电厂中的应用前景。
一、相控阵超声检测技术概述相控阵超声检测技术是一种利用多元素超声换能器阵列进行探测的技术。
其工作原理是通过对换能器阵列中的每个元素进行精确的时间控制，可以实现不同角度和深度的声束发射和接收。
通过对接收信号的合成和处理，可以得到被检测物体内部的结构信息，达到高分辨率的无损检测效果。
相控阵超声技术具有灵活性高、信息量大、分辨率高等优点，已经广泛应用于航空航天、医学、工程结构等领域。
在核电领域，相控阵超声技术的应用也具有重要的意义。
相控阵超声技术在核电厂中的应用主要体现在以下几个方面：1. 材料表面和界面的无损检测相控阵超声技术可以实现对材料表面和界面的高分辨率无损检测，可以发现微小的裂纹、疲劳损伤等缺陷，为核电设备的安全运行提供重要的支持。
2. 核电设备的结构健康监测相控阵超声技术可以对核电设备的结构健康进行实时监测，及时发现设备的变形、裂纹等问题，确保设备的安全运行。
3. 核电设备的在线检测相控阵超声技术可以实现对核电设备的在线检测，不需要停机就可以进行全面的无损检测，提高了设备的利用率和安全性。
三、相控阵超声技术在核电厂中的推广初步研究尽管相控阵超声技术在核电领域的应用前景十分广阔，但是其推广过程中还面临一些问题和挑战。
1. 技术标准的统一相控阵超声技术的应用需要制定相应的技术标准和规范，确保其在核电厂中的准确性和可靠性。
目前，相关标准和规范还需要进一步完善和统一。
3. 设备和技术的普及相控阵超声技术的推广需要大量的设备投入和技术支持。
核电厂需要加大对相控阵超声技术设备和技术的投入，提高其在核电厂中的普及率。
1. 提高核电设备的安全性相控阵超声技术可以发现微小的裂纹和缺陷，提高了核电设备的安全性和可靠性，为核电厂的安全运行提供了有力的支持。
超声相控阵检测技术应用的实际情况1. 应用背景超声相控阵（Phased Array）是一种利用多个超声探头组成的阵列，通过控制每个探头的发射时间和幅度来实现对被测物体进行全方位扫描和成像的技术。
相比于传统的超声检测技术，超声相控阵具有更高的灵敏度、更快的检测速度和更精确的定位能力，因此在多个领域得到了广泛应用。
2. 应用过程超声相控阵检测技术主要包括以下几个步骤：2.1 探头选择与布置根据被测物体的形状、尺寸和材料等特点，选择合适的超声探头，并将其按照一定的布置方式固定在被测物体上。
通常情况下，采用线性或者矩阵型的布置方式可以实现全方位扫描。
2.2 参数设置与校准通过超声相控阵仪器设定合适的工作参数，包括发射频率、脉宽、采样频率等。
还需要进行探头的校准，包括延时校准、增益校准和灵敏度校准等，以保证检测的准确性和可靠性。
2.3 数据采集与处理将超声探头发出的超声波信号发送到被测物体上，并接收反射回来的信号。
通过超声相控阵仪器采集这些信号，并进行滤波、放大等处理。
利用相控阵算法对这些信号进行相位控制和波束形成，得到二维或者三维的扫描图像。
2.4 缺陷检测与评估通过分析扫描图像，可以实现对被测物体内部结构和缺陷的检测与评估。
常见的检测目标包括裂纹、夹杂、气孔等。
通过对缺陷的位置、形状、大小等特征进行分析，可以判断其对被测物体的影响程度，并制定相应的修复方案。
3. 应用效果超声相控阵检测技术在多个行业中得到了广泛应用，并取得了显著的效果：3.1 航空航天领域超声相控阵检测技术在航空航天领域中被广泛应用于飞机发动机叶片、涡轮盘、机翼等关键部件的缺陷检测。
相比于传统的X射线或者磁粉检测技术，超声相控阵具有高分辨率、无辐射、实时性强等优点，可以更准确地检测到微小缺陷，并及时进行修复。
3.2 石油化工领域超声相控阵检测技术在石油化工领域中主要应用于管道、储罐等设备的缺陷检测。
通过对设备内部结构和壁厚的扫描，可以有效地发现腐蚀、裂纹等缺陷，并及时采取措施进行维修和保养，以确保设备的安全运行。
超声相控阵技术原理、应用及研究现状摘要：简述超声相控阵检测技术的发展、原理、特点及相控阵换能器的分类。
超声相控阵技术通过对超声阵列换能器各阵元进行相位控制，能获得灵活可控的合成波束，进行动态聚焦、成像检测，能够提高检测灵敏度、分辨力和信噪比。
介绍了国外超声相控阵检测成像技术在焊缝和火车轮轴检测方面的应用。
超声相控阵检测技术较常规超声波检测具有高速、高效、适合复杂结构件以及能实时成像等优点,在压力容器、核电站和海洋平台结构等工业无损检测领域具有良好的应用前景。
关键词：焊接；缺陷检测；相控阵；焊缝；超声检测0 前言超声相控阵检测技术的应用始于20世纪60年代，目前已广泛应用于医学超声成像领域。
由于该系统复杂且制作成本高，因而在工业无损检测方面的应用受到限制。
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。
在国外，相控阵技术发展十分迅速，尤其在医学诊断和工业检测方面的研究非常活跃。
一些公司如R/D TECH 、SIMENS 及IMASONIC 还推出了商品化相控阵超声工业检测系统。
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,如对气轮机叶片检测、和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域。
而在国内，超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医疗领域，在工业检测方面还非常落后，主要的设备都依赖于进口， 2001 年首先引入相控阵系统 PIPEWIZARD 全自动超声检测系统，成功应用于国家重点工程——西气东输。
1 超声相控阵技术原理超声相控阵换能器的工作原理是基于惠更斯—菲涅耳原理。
当各阵元被同一频率的脉冲信号激励时，它们发出的声波是相干波，即空间中一些点的声压幅度因为声波同相叠加而得到增强，另一些点的声压幅度由于声波的反相抵消而减弱，从而在空间中形成稳定的超声场。
超声相控阵换能器的结构是由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面; 同样，接收反射波时，按一定的规则和时序控制接收单元并进行信号合成和显示。
因此可以通过单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚集位置和焦点尺寸。
超声检测时需要对物体内某一区域进行成像,为此必须进行声束扫描。
常用的快速扫描方式是机械扫描和电子扫描,两种方式均可获得图像显示,在超声相控阵成像技术中通常结合在一起使用。
超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收) 脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术。
由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束度可控和可动态聚焦两大特点。
图2 为超声波束偏转聚焦示意。
超声相控阵中的每个阵元被相同脉冲采用不同延迟时间激发,通过控制延迟时间控制偏转角度和焦点。
实际上,焦点的快速偏转使得对试件实施二维成像成为可能。
图3 为超声相控阵系统动态聚焦示意。
为实现快速动态聚焦,超声相控阵系统的发射器按波束聚波束聚焦定理向每个阵元发射信号。
根据互易原理,相控阵接收时的方向控制也用延迟来达到。
各阵元回波信号经延迟后叠加,即可获得某方向上目标的反射回波,由此形成的图像分辨力可显著提高。
1.1相控阵探头超声相控阵技术需使用不同形状的多阵元换能器来满足构件检测的需求。
为不同形状的超声相控阵换能器,按其阵元排列方式分为一维线形阵列、一维环形阵列、二维矩形阵列、二维分段交错环形阵列和圆形阵列四种形式与面形和环形阵列相比,线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单,容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多。
环形阵列由于不能进行声束偏转控制,大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。
其中二维分段交错环形阵列比较特殊,专门用于棒材检测。
由于目前加工工艺限制,及电路复杂和制作成本高,使二维矩形阵列仍主要应用于医用 B 超上,工业上很少使用。
圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷。
1.2 相控阵技术特点与常规超声探头比较，相控阵检测具有明显的优势：( 1) 超声相控阵系统使用的探头盘体积小、质量轻。
( 2) 突破了传统机械聚集只能形成估计焦点的局限性。
通过软件参数的设置就能对所关心区域的多角度、多方向扫查，可以更好的适应工况，整个检测系统更加灵活。
( 3) 可以对焦柱长度、焦点尺寸、声束方向进行优化控制，提高了缺陷分辨率、信噪比及缺陷检出率。
超声相控阵换能器按其晶片形式主要分为三类，即线阵、面阵和环形阵列。
2 超声相控阵检测技术的应用及局限性超声波相控阵检测系统可以是手动，半自动，或者全自动工作。
相对于常规的单探头超声波检测方法，超声波相控阵检测技术的特点在于：简单手工操作；具有多种扫描方式；检测效率高；适应性强。
超声相控阵检测适用于能源工业、石化工业、航空航天工业、船舶、铁轨、汽车等行业。
如核电站和能源工厂重要零部件的检测，如涡轮盘、涡轮叶片根部、核反应堆的管道、容器和转子、法兰盘等，管道检验，腐蚀检测和绘制腐蚀图，大型曲面板材、铝合金焊缝、搭接连接、环形件和喷嘴、各种制件的结构完整评价等。
2.1 粗晶、后壁工件检测在核动力装置及设备中,厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件多,设备和管道中某些焊缝可达性及可检性差而申请免检多。
此时,应用相控阵技术可提高检测效率,减少辐照时间,扩大超声检测应用范围,取得显著的经济效益和社会效益。
用相控阵技术对盛装核废料的罐体封头和筒体间电子束焊环焊缝进行 100% 全自动超声检测, 可避免采用复杂机械装置,利用其动态聚焦能力并结合分离谱技术可减少粗晶的影响,提高信噪比。
采用含 64 个单元的相控阵换能器进行水浸法 B 扫描检测,在模拟试块中可检出焊缝区内直径为 13mm 的人工边孔。
900MW 压水堆主泵隔热板热疲劳裂纹的检测存在的困难是,凸缘和轴承之间空间狭小(图6) ,探头移动空间极为有限,可达性差;双曲面形状的凸缘使声束强烈发散。
然而,使用具有 16 个单元的线性阵列探头进行检测,可不拆卸轴承和密封圈等结构;具有双曲面形状的楔块可实现探头和凸缘间的耦合;根据楔块形状调整延迟,校正畸变声场。
该系统可扫查圆周外表面以下 200mm 的范围,可检出径向平面内 5mm 以上的疲劳裂纹。
图6 粗晶奥氏体钢在核工业中应用广泛,但其可靠检测一直是个难题。
最新研究表明,相控阵技术同 TRL 及 DSP 技术结合起来已成为行之有效的检测手段,其最大特点是检测信噪比高,且只需一个相控阵换能器就可检测不同深度缺陷 。
汽轮机转子叶根、轮槽和键槽等的超声检测由于其结构限制而难以用普通单一探头进行。
以叶根检测为例,若使用相控阵换能器,可在不拆卸叶片的条件下从图7 中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三个方向检测,既能提高检测效率,又能避免拆卸损坏。
在其它工业领域,相控阵技术亦有着广泛的应用,如压力容器、高能管道焊缝和输油管道焊缝的检测。
R/ D TECH 公司研制的管道全自动超声相控阵系统可检测壁厚650mm ,直径100 1400mm 的管道,扫查速度为100mm/ s ,4min 可检测一条完整的陆地输油管焊缝(包括仪器安装和拆除) ,结合声时衍射技术(TOFD) 提高缺陷检出能力和定量精度。
2. 2 焊缝检测超声相控阵检测技术已被成功应用于各种焊缝探伤,如航空薄铝板摩擦焊缝的微小缺陷探测。
用超声相控阵探头对焊缝进行横波斜探伤时,无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地前后来回移动,焊缝长度方向的全体积扫查可借助于装有超声相控阵探头的机械扫查器,沿着精确定位的轨道滑动完成,以实现高速探伤。
图8为用于检测图9 所示焊缝(厚为15～40mm) 的超声相控阵探头。
其探头频率为3MHz ,阵元数为64 ,阵元尺寸为1. 2mm ×12mm ,阵元间隙为0. 05mm ,整个晶片尺寸为80mm ×12mm ,楔块角度为34°。
一组八个阵元产生的声束可以随着入射角和焦距的改变产生偏转,该阵元组能沿着阵列长度方向进行电子移位,通过激活阵元9 ,断开阵元1 和激活阵元10 ,断开阵元2 的一系列变化促使声波真正地沿着检测表面移动。
对100 %焊缝检测超声相控阵允许使用衍射波时差法( TOFD 技术) ,选择邻近的阵元形成阵元组,一组发射,一组接收。
保持两组压电元件间隔一定,控制阵元组在被检结构的表面沿着相控阵方向进行实时扫描。
图10为该技术应用到薄壁管道环焊缝的检测实例,通过改变入射角αE 和接收角αS 检测焊缝缺陷。
3 超声相控阵技术研究趋势超声相控阵无损检测技术由于其诸多优点,已经成为了现代无损检测技术最有发展前景的技术之一"根据国内外的研究现状总结出超声相控阵无损检测技术的发展技术主要有一下几个方面:(1)相控阵超声检测声场的建模和仿真虽然超声相控阵探头的基本理论很早就有了,但是对相控阵探头的建模和仿真,直到最近才开始"要准确模拟换能器发射声场是比较困难的,利用数值计算和计算机仿真技术的方法建立相控阵超声检测计算模型,从理论上分析相控阵超声场声压的变化规律!声束聚焦偏转的特性以及检测缺陷模型等,对进一步超声相控阵的研究具有重要的意义,并且为以后的实验提供有力的理论指导仿真"。
(2)二维超声相控阵探头的设计超声相控阵探头的优化设计,可以大大提高聚焦点的大小!偏转角度和检测效率,提高后续的超声成像质量"目前超声相控阵检测中用的大部分都是一维的线性阵列换能器,这种探头只能对面扫描成像"国外也有学者对二维阵列和圆形阵列的换能器的声场进行了研究,这种探讨可以进行空间聚焦偏转扫描,也是以后的重点研究方向"。
(3)超声相控阵检测中的自适应聚焦技术随着工程技术的发展,对工件的性能要求越来越高,从而超声检测的分辨力越来越高"超声相控阵检测在声束的焦点处具有较高的分辨力,因此可以通过准确聚焦的方式能提高检测的分辨力"但是在实际检测时,由于检测工件存在材料的不均匀性等原因,使得理想的焦点和实际的焦点存在偏差,严重时可能实际并不存在焦点,这些情况都会影响系统的检测分辨力"自适应聚焦是指在超声相控阵检测时,能根据检测参数自动调整各个通道的发射和接收延迟,实现声束在预定点的聚焦"。
(4)超声相控阵系统图像显示与重建超声相控阵检测中的一个难点是对采集的缺陷信号进行分析成像,但是将检测得到的数据进行图像重建得到的是 A 扫图像,不是很直观"超声相控阵成像技术是超声检测在运用相控阵技术后,在成像数据的获取!处理以及显示方面的技术如(B 扫、C 扫)"同时其成像质量的主要指标有空间分辨力、对比分辨力和时间分辨力,如何提高相控阵超声成像的分辨率也是超声相控阵检测和成像的重要问题"。
