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!!!!!!""""技术讲座##########################################################################$$$$超声相控技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’()(*+,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-01((23’*文献标识码-4文章编号-(5+(6))’7%’88+,8)6’)6829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’(世纪初已进入成熟阶段.上世纪*8年代初&相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域.*8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.:8年代初&欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价%;<=,方法&编入超声检测手册和无损检测工程师培训教程.自(*:2年至(::’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-?要用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的裂纹/@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/A 要提高声束扫查可靠性/B 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/C 要缩短在用设备维修检测时间&提高生产效率/D 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/E 要减少在用检测人员射线吸收剂量/F 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/G 要对H 合乎使用I %或称H 工程临界评定I 或H 寿命评价I ,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-?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/@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/A 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/B 探头小巧-对某些检测&可接近性是H 拦路虎I &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.十年前&相控阵超声技术在工业上已锋芒毕露.便携式相控阵探伤仪的推出&更是倍受青睐-仪器可单人现场操作&数据实时传送>远程分析.最近&国内大专院校和研究所及电子仪器设备制造公司&也在投注力量&加速研制&使国产相控阵仪器早日问世.J 超声相控阵原理J 39概述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.工业应用大多要求使用832KL M N(2KL M的超声频率.常规超声检测多万方数据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!其声束扩散可能是对检测方向性小裂纹唯一有利的"附加#角度$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%远小于其长度&$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就会产生波的干涉!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$’(’特点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!很易漏检)见图,*$图-常规单晶探头)左*和阵列多晶探头)右*对多向裂纹的检测比较..常规单晶探头声束扩散且单向!而相控阵探头声束聚焦且可转向$多向裂纹可被相控阵探头检出$’(/发射和接收在发射过程中!探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器$后者将信号变换成特定的高压电脉冲!脉冲宽度预先设定!而时间延迟由聚焦律界定$每个晶片只接收一个电脉冲!所产生的超声波束有一定角度!并聚焦在一定深度$该声束遇到缺陷即反射回来$接收回波信号后!相控阵控制器按接收聚焦律变换时间!并将这些信号汇合一起!形成一个脉冲信号!传送至探伤仪$’(0延时和聚焦为产生相位上有相长干涉的声束!用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各单元)晶片*$来自材料中某一焦点)如缺陷等*的回波!以可计算的时差返回各换能器单元!见图1$在信号汇合前!各换能器单元上的接收回波信号均有时差$信号汇合后形成的23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不同衰减的回波特性$声束垂直和倾斜入射时的聚焦原理示于图4$每个单元上的延时值取决于相阵列探头上激励单元的"窗口#尺寸+波型+折射角和聚焦深度$图’脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟)5*超声波垂直入射)6*超声波倾斜入射图/相控阵探头声束聚焦原理’(7扫描模式计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种8),*电子扫描)又称9扫描*8高频电脉冲多路传输!按相同聚焦律和延时律触发一组晶片)图:*;声束则以恒定角度!沿相阵列探头长度)所谓"窗口#*方向进行扫描!这相当于用常规超声换能器为腐蚀检测作光栅扫描或作横波检验$用斜楔时!对楔内不同延时值要用聚焦律作修正$图0电子扫描产生直射声束<1第:期李衍8超声相控阵技术)第一部分8基本概念*万方数据ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ!"#动态深度聚焦!简称$$%#&超声束沿声束轴线’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!图)#(注&*"单元+聚焦深度,)--.*/--.0/--+直接接触.无斜楔图1线型阵列探头纵波聚焦延时值与深度扫描原理!*#扇形扫描!又称2扫描’方位扫描或角扫描#&使阵列中相同晶片发射的声束’对某一聚焦深度在扫描范围内移动+而对其它不同焦点深度’可增加扫描范围(扇形扫描区大小可变(3相控阵延时律或聚焦律345无斜楔探头无斜楔探头!即与试件直接接触的探头#由程控产生的纵波’按聚焦律延时结果’对聚焦深度呈一抛物线状(自探头边缘向中心移动’延时值由小而大(焦距倍增’则延时值减半!图)#(阵列单元芯距增大’则单元延时值线性增大!图0#(图6同焦深时延时值相关于单元芯距探头无斜楔而声束偏转成扇形!有方位角#时’在等同单元上的延时取决于激励单元在阵列窗口!主动窗’789:;<=><?9@?<#中的位置’也取决于产生的声束角度!图A #(延时值随声束折射角和激励晶片数而增大(注&纵波’钢中折射角,)B C0/B图D 无斜楔阵列探头延时值与声束角度.单元位置及焦深的关系示例34E 有斜楔探头根据沿特定路径到达时间最短的费马原理!%<?-=9F G >?:H 8:>I <#’装在斜楔上的相控阵探头能给出产生不同声束形状的延时律!图J #(延时值取决于激励单元位置和程控折射角(其他型式的相控阵探头!如矩阵或圆锥形#’可能需要对延时律数值.对声束形貌评价设定高级模式(有机玻璃斜楔*A B ’第一单元高度K ,L)--图M 带斜楔阵列探头延时值与折射角.单元位置的关系示例343延时控频在所有情况下’阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制(最小延时增量决定了探头最高可用频率’后者由下式界定’即&NO 8式中N P 阵列单元数O 8P 中心频率Q 相控阵系统基本组成相控阵仪器的基本扫描系统主要组成见图R (图S 相控阵系统基本组成方块图"无损探伤第*,卷万方数据ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ!相控阵基本扫描与成像!"#$扫描显示和%扫描显示在机械驱动的扫描过程中&数据采集按编码器位置&而数据显示则呈现不同的视图’包括(显示)$显示)%显示和(*显示等+&以供缺陷分析评定,通常&相控阵使用多重-扫描叠加显示’也称$扫描显示+,这些-显示是由相控阵探头各压电小晶片’单元+产生的&与之相应的声束角度)声传播时间和延时值各各不同,与-扫描总数相应的实时信息&是在某一探头位置获得的&显示为扇形扫描图’即%扫描图+&或电子$扫描图,%扫描和电子扫描均能产生整体检测图像&由此可快速获取超声波在所有方位检测到的试件形貌或缺陷相关信息’见图./+,’0+扇形扫描原理’1+%扫描图像’23/4+图#5四横孔的相控阵检测将试件数据标绘在二维’平面+图即所谓6校正的%扫描图7上&能使超声检则结果的分析和评定简单明了,%扫描有以下优点89能在扫描过程中显示图像:;能显示实际深度:<能由二维显示再现体积,!"=组合扫描显示在探头移动过程中&将线扫描)%扫描与多角度扫描组合一起&就能改进成像结果,%扫描显示与其他视图相结合&可构成缺陷成像图或识别图,图..图##角槽)球孔)柱孔和横孔的相控阵%扫描图像表示对四种不同形状的人工缺陷’角槽)球孔)柱孔和横孔+&进行相控阵检测的扫描示图&缺陷形状尺寸与$扫描显示结果&两者关系一目了然,相控阵检测时&阵列探头几乎不用前后来回移动&就能用纵波和横波对试件横截面进行组合扫描&这对方向性缺陷的检测和定量非常有利’见图.>+,按图中布置&只要通过计算机软件按延时律移动阵列6主动窗7&就能使超声波束对方向性缺陷的检测和定量角度达到最佳状态&获取最佳显示,.?纵波>?横波图#=用两种声波组合扇形扫描对方向性缺陷进行检测和定量!"@相控阵图像示例圆柱形)椭圆形或球面状聚焦声束有较高信噪比’即缺陷识别能力强+&且传播声束比扩散声束窄小,图.3表示用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔的(扫描和$扫描图形,实时扫描可结合探头移动&数据则归并成单个视图’见图.A +,其优点是89检测重复性高:;缺陷定位方便:<图像标绘精确:B 缺陷成像直观,图.C 表示对体积状缺陷作多次扇形扫描所输出的6切片7图,每个切片展示不同位置的缺陷断面,此类切片颇似对缺陷作定量表征分析的金相切片,图#@用圆柱形聚焦声束分辨一簇小孔D>第A 期李衍8超声相控阵技术’第一部分8基本概念+万方数据图!"多次扇形扫描信息归并后显示缺陷单个图像图!#分层扫描信息归并后显示缺陷切片图像$小结%!&超声相控阵探头晶片%单元&的激励%振幅和延迟&均由计算机控制’声束角度(焦距(焦点等参数可通过预置软件进行调整)%*&改变阵列组合单元的延时值’可改变声束聚焦深度’改变声束角度’也能改变波型’由此可对方向性缺陷获得最佳检测和定量结果)%+&计算机控制的扫描模式有电子扫描%线扫描&(动态聚焦扫描和扇形扫描三种’应根据检测对象特点和检测目的适当选用)%"&无斜楔相控阵探头作直探伤时’聚焦深度呈抛物线型’阵列单元激励延时值相关于焦距和阵列单元芯距,焦距倍增’延时量减半-单元芯距增大’延时量线性增大)%#&无斜楔相控阵探头作斜探伤时’发射扇形声束’阵列单元激励延时值取决于所需声束折射角’也取决于阵列单元在相控阵探头.主动窗/中的位置,折射角大’激励单元数多’则延时量大)%$&有斜楔相控阵探头’具有给出不同声束形状的延迟律’延时值取决于阵列单元位置和程控折射角)%0&相控阵超声检测可通过四种形式显示结果,1显示%横断面&’2显示%水平面&’3显示%扇面&和24显示%切片&’但无论何种显示形式均由5扫描信息转换过来)%6&由3扫描或7扫描可获得整体检测图像’可利用二维坐标对缺陷进行定位定量-也可借此还原再生体积图像)%8&将线扫描(3扫描和多向扫描组合一起’或将纵波和横波组合一起进行组合扫描’颇利于有方向性缺陷的检测和定量)%!9&超声4:;<检测中’试件近表面和近底面的死区’可借助于相控阵探头声束变换的灵活性’得以扫除)参考文献,=!>5?@A B C D E3F C B @G HI F AJ F E K @L G A M C G B N @4@L G B E O P J F E QK @L G A M C G B N @4@L G B E O R D E K S F F T P *E K @K B G B F E P U V G A D L F E QB C 4@L G B E O’0,*6"Q *80P =*>3W B @L X ’Y @S Z D A K G [’\A F E B E OX %]^;_3D D A S A ‘C T @Q E &P a @C @E G <@N @V F W ?@E G L B E_Z D L @K5A A D H4@C Z E F V F QO H P =]EY @A ?D E >J <4F I [@V K L 2F E I @A @E C @’1D ?S @A O’3@W G P0Q 8’!886P =+>[‘L G @E S @A OR ’7A Z D A K5’3C Z @E TY P 3F ?@2Z D A D C QG @A B L G B C _D A D ?@G @A L F I U V G A D L F E B C _Z D L @K 5A A D H _A F S @LD E K 7b M B W ?@E G L P 4Z @@Q c F M A E D VF IJ F E K @L G A M C G B N @4@L G B E O ’"%"&P Z G G W ,d d e e e P E K G P E @G d N 9"E 9"P Z G ?P=">[‘E L G @E S @A OR ’7A Z D A K5’3C Z @E TY P 3C D E E B E OXF K Q@LD G G Z @5W W V B C D G B F EF I U V G A D L F E B C_Z D L @K5A A D H]E QL W @C G B F E3H L G @?L P [2J <4’W D W @AB K E !8+’a F ?@’:C GP*999P =#>Y A F L f 7’2D ?@A F EJ 1’\B E OX P 2M A A @E G 5W W V B C D QG B F E L D E K ;M G M A @4A @E K L B E_Z D L @K 5A A D H 4@C Z E F V F O HP ]E L B O Z G’""%!!&P =$>1B A K2a P U V G A D L F E B C W Z D L @KD A A D HB E L W @C G B F EG @C Z E F V QF O HI F AG Z @@N D V M D G B F EF I I A B C G B F EL G B 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cfrp相控阵超声检测原理与技术下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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超声相控阵检测技术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。
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(根部) 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。
超声无损检测超声无损检测技术又称超声无损探伤技术，它是利用物质中因由缺陷或组织结构上差异的存在而会使超声某些物理性质的物理量发生变化的现象，通过一定的检测手段米检测或测量这些缺陷。
利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减以及在不同材料中的声速不同的特点，可以测量各种材料上件的尺寸、密度、内部缺陷、组织变化等。
超声波检测是应月j最为广泛的一种重要的无损检测技术。
超声检测的基本过程如图1图1 超声检测基本过程目前我们最常用的超声无损检测方法是超声脉冲回波法，基本原理是超声波传播到两种不同的介质(如空气和金属试件)界面时，由于两种介质的声学特性存在差异，会产生反射和透射现象。
其声压反射率和透射率与两种介质的声阻抗有关。
与刚体介质声阻抗相比，空气的声阻抗很小。
因此超声通过固体和空气界面几乎是全反射。
脉冲回波法(即A型扫描)就是通过测量超声信号往返于缺陷的反射回波的传播时间，来确定缺损和表面的距离，同时也可根据超声同波的幅度，来分析缺陷的大小。
图2 脉冲回波法(A扫)如图2所示，当试件没有缺陷时，超声波可以顺利传播到底面，同波图中只有发生脉冲和底面回波两个信号。
若试件中存在缺陷时，回波图中在底面回波前还有缺陷同波。
如果缺陷很人，可能会有就只有缺陷回波的情况。
复合材料叶片的超声相控阵检测技术复合材料叶片的超声相控阵检测技术摘要：本文将介绍复合材料叶片的超声相控阵检测技术。
我们将了解复合材料叶片的定义和其在航空航天领域的重要性。
我们将详细介绍超声相控阵检测技术的原理、应用和优势。
我们将对该技术的未来发展进行展望，并提出个人观点和理解。
正文：1. 复合材料叶片的定义和重要性复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的新材料，具有轻质、高强度和耐腐蚀等优势。
航空航天领域使用复合材料制造叶片可以减轻飞机重量，提高飞行效率和燃油利用率，因此复合材料叶片在航空航天领域具有重要的应用价值。
2. 超声相控阵检测技术的原理超声相控阵检测技术是一种利用超声波检测材料内部缺陷和结构的方法。
其原理是在受测物体上布置一组由许多个小的超声发射器和接收器组成的阵列，通过控制每个发射器和接收器之间的相位差和幅度差，可以实现对受测物体内部缺陷的三维成像和定位。
3. 超声相控阵检测技术的应用和优势超声相控阵检测技术在复合材料叶片的检测中具有广泛应用和重要价值。
它可以非破坏性地检测叶片内部的缺陷，如气孔、孔洞、裂纹等。
相比传统的单点探头超声检测技术，超声相控阵检测技术可以提供更丰富和准确的信息，减少漏检和误检的概率。
超声相控阵技术还可以实现远程控制和自动化检测，提高生产效率和检测精度。
4. 超声相控阵检测技术的未来发展随着复合材料的广泛应用和技术的不断进步，超声相控阵检测技术也将取得更大的突破和发展。
未来，我们可以期待更高的分辨率、更广的频率范围和更灵活的成像模式。
人工智能和机器学习等领域的发展也将为超声相控阵检测技术带来更多的应用和优化方向。
5. 个人观点和理解作为一种非破坏性检测技术，超声相控阵检测技术在复合材料叶片的应用具有巨大潜力。
通过该技术，我们可以更准确地评估叶片的质量和性能，提前发现潜在的缺陷和问题。
然而，超声相控阵检测技术仍面临一些挑战，如信号干扰、数据处理等。
我们需要进一步的研究和创新来克服这些问题，以实现更可靠、高效和安全的检测方法。
!!!!!!""""技术讲座##########################################################################$$$$超声相控技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’()(*+,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-01((23’*文献标识码-4文章编号-(5+(6))’7%’88+,8)6’)6829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’(世纪初已进入成熟阶段.上世纪*8年代初&相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域.*8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.:8年代初&欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价%;<=,方法&编入超声检测手册和无损检测工程师培训教程.自(*:2年至(::’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-?要用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的裂纹/@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/A 要提高声束扫查可靠性/B 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/C 要缩短在用设备维修检测时间&提高生产效率/D 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/E 要减少在用检测人员射线吸收剂量/F 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/G 要对H 合乎使用I %或称H 工程临界评定I 或H 寿命评价I ,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-?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/@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/A 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/B 探头小巧-对某些检测&可接近性是H 拦路虎I &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.十年前&相控阵超声技术在工业上已锋芒毕露.便携式相控阵探伤仪的推出&更是倍受青睐-仪器可单人现场操作&数据实时传送>远程分析.最近&国内大专院校和研究所及电子仪器设备制造公司&也在投注力量&加速研制&使国产相控阵仪器早日问世.J 超声相控阵原理J 39概述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.工业应用大多要求使用832KL M N(2KL M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!其声束扩散可能是对检测方向性小裂纹唯一有利的"附加#角度$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%远小于其长度&$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就会产生波的干涉!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$’(’特点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!很易漏检)见图,*$图-常规单晶探头)左*和阵列多晶探头)右*对多向裂纹的检测比较. .常规单晶探头声束扩散且单向!而相控阵探头声束聚焦且可转向$多向裂纹可被相控阵探头检出$’(/发射和接收在发射过程中!探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器$后者将信号变换成特定的高压电脉冲!脉冲宽度预先设定!而时间延迟由聚焦律界定$每个晶片只接收一个电脉冲!所产生的超声波束有一定角度!并聚焦在一定深度$该声束遇到缺陷即反射回来$接收回波信号后!相控阵控制器按接收聚焦律变换时间!并将这些信号汇合一起!形成一个脉冲信号!传送至探伤仪$’(0延时和聚焦为产生相位上有相长干涉的声束!用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各单元)晶片*$来自材料中某一焦点)如缺陷等*的回波!以可计算的时差返回各换能器单元!见图1$在信号汇合前!各换能器单元上的接收回波信号均有时差$信号汇合后形成的23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不同衰减的回波特性$声束垂直和倾斜入射时的聚焦原理示于图4$每个单元上的延时值取决于相阵列探头上激励单元的"窗口#尺寸+波型+折射角和聚焦深度$图’脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟)5*超声波垂直入射)6*超声波倾斜入射图/相控阵探头声束聚焦原理’(7扫描模式计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种8),*电子扫描)又称9扫描*8高频电脉冲多路传输!按相同聚焦律和延时律触发一组晶片)图:*;声束则以恒定角度!沿相阵列探头长度)所谓"窗口#*方向进行扫描!这相当于用常规超声换能器为腐蚀检测作光栅扫描或作横波检验$用斜楔时!对楔内不同延时值要用聚焦律作修正$图0电子扫描产生直射声束<1第:期李衍8超声相控阵技术)第一部分8基本概念*!"#动态深度聚焦!简称$$%#&超声束沿声束轴线’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!图)#(注&*"单元+聚焦深度,)--.*/--.0/--+直接接触.无斜楔图1线型阵列探头纵波聚焦延时值与深度扫描原理!*#扇形扫描!又称2扫描’方位扫描或角扫描#&使阵列中相同晶片发射的声束’对某一聚焦深度在扫描范围内移动+而对其它不同焦点深度’可增加扫描范围(扇形扫描区大小可变(3相控阵延时律或聚焦律345无斜楔探头无斜楔探头!即与试件直接接触的探头#由程控产生的纵波’按聚焦律延时结果’对聚焦深度呈一抛物线状(自探头边缘向中心移动’延时值由小而大(焦距倍增’则延时值减半!图)#(阵列单元芯距增大’则单元延时值线性增大!图0#(图6同焦深时延时值相关于单元芯距探头无斜楔而声束偏转成扇形!有方位角#时’在等同单元上的延时取决于激励单元在阵列窗口!主动窗’789:;<=><?9@?<#中的位置’也取决于产生的声束角度!图A#(延时值随声束折射角和激励晶片数而增大(注&纵波’钢中折射角,)B C0/B图D无斜楔阵列探头延时值与声束角度.单元位置及焦深的关系示例34E有斜楔探头根据沿特定路径到达时间最短的费马原理! %<?-=9F G>?:H8:>I<#’装在斜楔上的相控阵探头能给出产生不同声束形状的延时律!图J#(延时值取决于激励单元位置和程控折射角(其他型式的相控阵探头!如矩阵或圆锥形#’可能需要对延时律数值.对声束形貌评价设定高级模式(有机玻璃斜楔*A B’第一单元高度K,L)--图M带斜楔阵列探头延时值与折射角.单元位置的关系示例343延时控频在所有情况下’阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制(最小延时增量决定了探头最高可用频率’后者由下式界定’即&NO8式中N P阵列单元数O8P中心频率Q相控阵系统基本组成相控阵仪器的基本扫描系统主要组成见图R(图S相控阵系统基本组成方块图"无损探伤第*,卷!相控阵基本扫描与成像!"#$扫描显示和%扫描显示在机械驱动的扫描过程中&数据采集按编码器位置&而数据显示则呈现不同的视图’包括(显示) $显示)%显示和(*显示等+&以供缺陷分析评定,通常&相控阵使用多重-扫描叠加显示’也称$扫描显示+,这些-显示是由相控阵探头各压电小晶片’单元+产生的&与之相应的声束角度)声传播时间和延时值各各不同,与-扫描总数相应的实时信息&是在某一探头位置获得的&显示为扇形扫描图’即%扫描图+&或电子$扫描图,%扫描和电子扫描均能产生整体检测图像&由此可快速获取超声波在所有方位检测到的试件形貌或缺陷相关信息’见图./+,’0+扇形扫描原理’1+%扫描图像’23/4+图#5四横孔的相控阵检测将试件数据标绘在二维’平面+图即所谓6校正的%扫描图7上&能使超声检则结果的分析和评定简单明了,%扫描有以下优点89能在扫描过程中显示图像:;能显示实际深度:<能由二维显示再现体积, !"=组合扫描显示在探头移动过程中&将线扫描)%扫描与多角度扫描组合一起&就能改进成像结果,%扫描显示与其他视图相结合&可构成缺陷成像图或识别图,图..图##角槽)球孔)柱孔和横孔的相控阵%扫描图像表示对四种不同形状的人工缺陷’角槽)球孔)柱孔和横孔+&进行相控阵检测的扫描示图&缺陷形状尺寸与$扫描显示结果&两者关系一目了然,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’见图.>+,按图中布置&只要通过计算机软件按延时律移动阵列6主动窗7&就能使超声波束对方向性缺陷的检测和定量角度达到最佳状态&获取最佳显示,.?纵波>?横波图#=用两种声波组合扇形扫描对方向性缺陷进行检测和定量!"@相控阵图像示例圆柱形)椭圆形或球面状聚焦声束有较高信噪比’即缺陷识别能力强+&且传播声束比扩散声束窄小,图.3表示用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔的(扫描和$扫描图形,实时扫描可结合探头移动&数据则归并成单个视图’见图.A+,其优点是89检测重复性高:;缺陷定位方便:<图像标绘精确:B缺陷成像直观,图.C表示对体积状缺陷作多次扇形扫描所输出的6切片7图,每个切片展示不同位置的缺陷断面,此类切片颇似对缺陷作定量表征分析的金相切片,图#@用圆柱形聚焦声束分辨一簇小孔D>第A期李衍8超声相控阵技术’第一部分8基本概念+图!"多次扇形扫描信息归并后显示缺陷单个图像图!#分层扫描信息归并后显示缺陷切片图像$小结%!&超声相控阵探头晶片%单元&的激励%振幅和延迟&均由计算机控制’声束角度(焦距(焦点等参数可通过预置软件进行调整)%*&改变阵列组合单元的延时值’可改变声束聚焦深度’改变声束角度’也能改变波型’由此可对方向性缺陷获得最佳检测和定量结果)%+&计算机控制的扫描模式有电子扫描%线扫描&(动态聚焦扫描和扇形扫描三种’应根据检测对象特点和检测目的适当选用)%"&无斜楔相控阵探头作直探伤时’聚焦深度呈抛物线型’阵列单元激励延时值相关于焦距和阵列单元芯距,焦距倍增’延时量减半-单元芯距增大’延时量线性增大)%#&无斜楔相控阵探头作斜探伤时’发射扇形声束’阵列单元激励延时值取决于所需声束折射角’也取决于阵列单元在相控阵探头.主动窗/中的位置,折射角大’激励单元数多’则延时量大)%$&有斜楔相控阵探头’具有给出不同声束形状的延迟律’延时值取决于阵列单元位置和程控折射角)%0&相控阵超声检测可通过四种形式显示结果,1显示%横断面&’2显示%水平面&’3显示%扇面&和24显示%切片&’但无论何种显示形式均由5扫描信息转换过来)%6&由3扫描或7扫描可获得整体检测图像’可利用二维坐标对缺陷进行定位定量-也可借此还原再生体积图像)%8&将线扫描(3扫描和多向扫描组合一起’或将纵波和横波组合一起进行组合扫描’颇利于有方向性缺陷的检测和定量)%!9&超声4:;<检测中’试件近表面和近底面的死区’可借助于相控阵探头声束变换的灵活性’得以扫除)参考文献,=!>5?@A B C D E3F C B @G HI F AJ F E K @L G A M C G B N @4@L G B E O P J F E QK @L G A M C G B N @4@L G B E O R D E K S F F T P *E K @K B G B F E P U V G A D L F E QB C 4@L G B E O’0,*6"Q *80P =*>3W B @L X ’Y @S Z D A K G [’\A F E B E OX %]^;_3D D A S A ‘C T @Q E &P a @C @E G <@N @V F W ?@E G L B E_Z D L @K5A A D H4@C Z E F V F QO H P =]EY @A ?D E >J <4F I [@V K L 2F E I @A @E C @’1D ?S @A O’3@W G P0Q 8’!886P =+>[‘L G @E S @A OR ’7A Z D A K5’3C Z @E TY P 3F ?@2Z D A D C QG @A B L G B C _D A D ?@G @A L F I U V G A D L F E B C _Z D L @K 5A A D H _A F S @LD E K 7b M B W ?@E G L P 4Z @@Q c F M A E D VF IJ F E K @L G A M C G B N @4@L G B E O ’"%"&P Z G G W ,d d e e e P E K G P E @G d N 9"E 9"P Z G ?P=">[‘E L G @E S @A OR ’7A Z D A K5’3C Z @E TY P 3C D E E B E OXF K Q@LD G G Z @5W W V B C D G B F EF I U V G A D L F E B C_Z D L @K5A A D H]E QL W @C G B F E3H L G @?L P [2J <4’W D W @AB K E !8+’a F ?@’:C GP*999P =#>Y A F L f 7’2D ?@A F EJ 1’\B E OX P 2M A A @E G 5W W V B C D QG B F E L D E K ;M G M A 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!68’欢迎新老读者到当地邮政局%所&订阅6*无损探伤第+!卷超声相控阵技术第一部分基本概念作者：李衍作者单位：江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡,214187刊名：无损探伤英文刊名：NONDESTRUCTIVE INSPECTION年，卷(期)：2007，31(4)被引用次数：2次1.American Society for Nondestructive Testing Nondestructive Testing Handbook2.Spies M.Gebhardt W.Kroning M RecentDevelopments in Phased Array Technology 19983.Wüstenberg H.Erhard A.Schenk G Some Characteristic Parameters of Ultrasonic Phased Array Probes and Equipments4.Wünstenberg H.Erhard A.Schenk G Scanning Modes at the Application of Ultrasonic Phased Array Inspection Systems[WCNDT,paper idn 193,Rome] 20005.Gros X E.Cameron N B.King M Current Applications and Future Trends in Phased Array Technology6.Bird C R Ultrasonic phased array inspection technology for the evaluation of friction stir welds 2004(01)fontaine G.Cancre F Potential of UT Phased Arrays for Faster,Better,and Lower Cost Inspectionsmarre A.Moles M.Cancre F Use of state-of-the art phased-array ultrasound for the inspection of Friction Stir Welds (FSW)9.R/D Tech Ultrasound Phased Array1.会议论文李旭东相控阵超声波系统及其在工业无损检测中的应用2002本文简要介绍了相控阵超声波技术原理，说明了相控阵超声波系统与常规超声波检测系统的差异，通过一些应用实例的简单分析与介绍，探讨了相控阵超声波系统在工业无损检测应用中所具备的几点技术优势。
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。
该指南可通过登陆我们的网站使用e-mail订购。
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。
超声相控阵动态聚焦检测技术超声相控阵动态聚焦检测技术，听起来是不是有点高大上？但其实它就是用超声波来“探路”，帮我们在一些需要高精度检测的场合，准确找出问题所在。
听着有点抽象是不是？别着急，我来给你慢慢捋一捋。
想象一下你站在一个大房间里，四周都是厚厚的墙壁。
你能听到别人说话的声音吗？当然不行！但如果你有一双超凡的耳朵，能够根据声音从哪里传来的不同，调整自己接收的角度和力度，哇，那你就能听到更清楚了。
超声相控阵技术就是这么一个“超级耳朵”，它利用超声波的反射来“听”清楚我们看不到的东西。
说到超声波，可能大家会想到做B超的场景吧。
其实超声波比X光更加友好，它不像X光那样对身体有辐射，超声波就像是轻轻地摸了下你的皮肤，没啥害处。
它的探测能力可不简单。
通过一个个小小的“声波探头”，它可以快速“扫描”物体，找出内部的一些细节。
就像是把手电筒照进一个黑乎乎的房间，虽然看不见，但声音的回响可以告诉你里面的形态和障碍。
更厉害的是，超声相控阵技术可以精准地控制每一个声波发射的角度，这就好像你在房间里有了360度转动的耳朵，每个细节都能听得清清楚楚。
这一点就厉害了！你想想，要是我们把这种技术应用到工业检测中，比如检查船体的焊缝、飞机的机翼，甚至是核电站的安全隐患，它就能帮助我们发现一些肉眼看不到的问题。
比如说，某个地方出现了细小的裂缝，肉眼可能看不出来，但超声波通过这种动态聚焦的方式，就能“扫”到这个地方，告诉我们裂缝到底有多深，能不能继续使用。
这样就可以避免很多潜在的风险。
动态聚焦，顾名思义，它就是在超声波扫描的时候，可以自动调整焦点的位置，确保我们对每个检测点的“关注”都在最清晰的状态。
要是把这个过程比作拍照，传统的相机就像是一次性对准一个地方拍照，而动态聚焦则是能自动调整焦距，让你无论拍什么都能清晰呈现出来。
大家有没有觉得它像是一个“摄影大师”？它就是能够精确控制聚焦点，确保在不同的深度都能得到精准的信息。
这项技术的应用非常广泛，特别是在一些高精度要求的领域。
相控阵超声波检测方法
相控阵超声波检测方法是一种先进的无损检测技术，其基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。
相控阵超声波检测系统主要包括相控阵主机和相控阵探头，相控阵探头由多晶片（如8、16、24、32、60、64或128）组成，每个晶片形成一个独立的发射/接收单元。
通过控制各晶片的激发延迟时间，
可以改变各个晶片发射或者接收超声波的相位关系，得到所需的声束，实现对超声方向和焦点深度的改变控制。
在工业无损检测中，相控阵超声波检测方法主要用于检测材料和结构的内部缺陷。
通过使用不同的扫查器和探头，可以对各种材料和结构进行快速、准确的检测。
例如，可以对金属、复合材料、陶瓷等材料进行检测，也可以对管道、压力容器、航空航天器等结构进行检测。
相比传统的超声波检测方法，相控阵超声波检测方法具有更高的检测精度和可靠性。
它可以实现快速移动声束，对被检物体进行全面的检测，而且可以实时显示检测结果，方便对结果进行分析和评估。
在实际应用中，相控阵超声波检测方法需要经过专业的培训和实践才能熟练掌握。
同时，为了保证检测结果的准确性和可靠性，还需要注意探头的选择、扫查器的使用、耦合剂的选择等方面的问题。
