超聲相控陣檢測

超聲相控陣

      超聲相控陣技術(shù)的基本思想來自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)聯動。相控陣?yán)走_(dá)是由許多輻射單元排成陣列組成增持能力，通過控制陣列天線中各單元的幅度和相位，調(diào)整電磁波的輻射方向行業內卷，在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束追求卓越。超聲相控陣換能器由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成陣列,按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來調(diào)節(jié)控制焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向參與能力。

目錄

1. 1 發(fā)展
2. 2 動作原理
3. 3 陣列類型
4. 4 掃查方式
5. 5 應(yīng)用實(shí)例

發(fā)展

超聲相控陣技術(shù)已有近20多年的發(fā)展歷史合理需求。初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,醫(yī)學(xué)超聲成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像;大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫?zé)岑熤?/span>癌,使目標(biāo)組織升溫并減少非目標(biāo)組織的功率吸收。最初,系統(tǒng)的復(fù)雜性充分發揮、固體中波動傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用受限高質量。然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測,特別是在核工業(yè)及航空工業(yè)等領(lǐng)域。如核電站主泵隔熱板的檢測;核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動檢測及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測提高。由于數(shù)字電子和DSP技術(shù)的發(fā)展機構，使得精確延時(shí)越來越方便，因此近幾年,超聲相控陣技術(shù)發(fā)展的尤為迅速交流。

動作原理

1.1 動作原理

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合基礎，由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片還不大，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面高產，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描發揮作用、偏轉(zhuǎn)和聚焦良好。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個(gè)或多個(gè)探頭系統(tǒng)更大的能力銘記囑托。

超聲相控陣檢測技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束引領，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系示範，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化應用前景，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦運行好。然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)圖像成像首次。

通常使用的是一維線形陣列探頭，壓電晶片呈直線狀排列，聚焦聲場為片狀搖籃，能夠得到缺陷的二維圖像技術，在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。[1] 

陣列類型

陣列顧名思義就是晶片在探頭中排列的幾何形狀標準。相控陣探頭有3 種主要陣列類型：線形（線陣列）示範推廣、面形（二維矩形陣列）和環(huán)形（圓形陣列），如圖3 所示大面積。相控陣探頭大多數(shù)采用線形陣列積極參與，因?yàn)榫€形陣列編程容易問題分析，費(fèi)用明顯低于其他陣列培養。

掃查方式

用相控陣探頭對焊縫進(jìn)行檢測時(shí)，無需像普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來回前后左右移動更加完善，而相控陣探頭沿著焊縫長度方向平行于焊縫進(jìn)行直線掃查形式，對焊接接頭進(jìn)行全體積檢測。該掃查方式可借助于裝有陣列探頭的機(jī)械掃查器沿著精確定位的軌道滑動完成支撐作用，也采用手動方式完成日漸深入，可實(shí)現(xiàn)快速檢測，檢測效率非常高同時。[1] 

應(yīng)用實(shí)例

不同廠家超聲相控陣設(shè)備的功能互動式宣講、操作及顯示方式等各不相同，但是檢測應(yīng)用基本相同模式。本文現(xiàn)以以色列Sonotron NDT 公司生產(chǎn)的相控陣設(shè)備（即ISONIC-UPA） 應(yīng)用為例來分析介紹自動化。ISONIC-UPA 設(shè)備有其的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，不同于其他廠家的相控陣設(shè)備高品質，體現(xiàn)了超前的理念不折不扣。

1 角度補(bǔ)償

傳統(tǒng)工業(yè)相控陣定量方法不具有角度、聲程資源優勢、晶片增益修正技術(shù)高效利用，多晶片探頭通過楔塊入射到工件內(nèi)部時(shí)存在入射點(diǎn)漂移現(xiàn)象和能量分布變化。采用單一入射點(diǎn)校準(zhǔn)方式與常規(guī)距離-波幅曲線修正估算，造成的扇形掃查區(qū)域中能量分布不均勻及測量誤差等問題未能有效解決講理論，如圖7 所示。而ISONIC-UPA 相控陣設(shè)備具有角度補(bǔ)償功能不要畏懼，能有效地解決此類問題服務為一體。

所謂角度補(bǔ)償就是針對不同的聚焦法則，輸入扇形掃查所需的角度范圍及入射角度的增量后大大縮短，晶片可以分別進(jìn)行角度增益調(diào)整要落實好，也就是晶片角度增益修正。

有了角度增益補(bǔ)償設(shè)置功能，可以取代傳統(tǒng)的通過設(shè)置DAC曲線的方法來補(bǔ)償增益變化組織了。在ASME Case2557 標(biāo)準(zhǔn)中明確指出進(jìn)行扇形掃描時(shí)要進(jìn)行角度增益補(bǔ)償服務體系。角度增益補(bǔ)償曲線如圖8所示，經(jīng)過角度補(bǔ)償后得到的等量化數(shù)據(jù)搶抓機遇。

2 二次波顯示

傳統(tǒng)相控陣扇形掃查采用單純的聲程顯示分析，不能顯示缺陷的真實(shí)位置。這種成像模式將處在二次波位置上的缺陷轉(zhuǎn)換成一次波位置進(jìn)行成像顯示全面闡釋，給分辨缺陷的具體位置增加難度非常激烈，不能直觀給出缺陷真實(shí)位置。對于檢測角焊縫引人註目、T 形焊縫領域、K形焊縫及Y 形焊縫無法顯示真實(shí)成像結(jié)果，使該成像模式的應(yīng)用受到限制好宣講，僅能用于檢測對接接頭註入新的動力。

而ISONIC-UPA 采用二次波檢測成像顯示模式，成像結(jié)果與真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)一致。這種成像模式能直觀顯示缺陷的位置及被檢工件焊縫的真實(shí)結(jié)構(gòu)雙重提升，這是聲程顯示成像模式的。