1、.,1,超聲相控陣檢測技術,.,2,超聲相控陣綜述,超聲相控陣技術已有近2O多年的發展歷史，初期主要應用于醫療領域，醫學超聲成像中。系統的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因，使其在工業無損檢測中的應用受限制。 近年來，超聲相控陣技術以其靈活的聲束偏轉及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復合材料、納秒級脈沖信號控制、數據處理分析、軟件技術和計算機模擬等多種高新技術在超聲相控陣成像領域中的綜合應用。使得超聲相控陣檢測技術得以快速發展，逐漸應用于工業無損檢測。,.,3,相控陣國外研究進展,目前，在國外，以相控陣超聲檢測技術為代表的新型管道全自動超聲檢測儀已經進入實用階段，代表了管道

2、焊縫檢測技術的發展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先將相控陣檢測技術應用于管道探傷領域，開發了相控陣全自動超聲檢測系統。 相控陣超聲檢測系統是通過電子技術來實現聲束的掃查方向和聚焦深度的控制，可以以同一個探頭來實現不同壁厚、不同材質管道焊縫的檢測任務，克服了常規多探頭自動超聲檢測系統調整難度大和探頭適應范圍窄以及設備沉重的缺點。,.,4,相控陣國內研究進展,2000年8月由中國石油天然氣管道科學研究院等單位組成了研究開發實體，于2001年5月在中國石油天然氣集團公司申請立項了“大口徑環焊縫相控陣超聲波無損檢測設備研制”科技開發項目，并于2003年3月順利通過了中國石油天然氣集團公

3、司的鑒定，該項目的研制成功填補了國內空白，達到了國外同類產品的水平。 國內的相控陣儀器還沒有商品化；,.,5,相控陣國內應用,相控陣技術目前在國內真正做到大量應用的尚只有西氣東輸工程，在航空系統和核工業系統等一些部門也有少量的應用； 西氣東輸：2000年9月在青海湖畔的實驗段中，引進的 PipeWIZARD相控陣全自動超聲檢測系統。2001年，從西氣東輸一標段的實驗段，截至一標段主體管線完工時，實際檢測了焊縫6919道，其結果和射線底片結果的符合率達80以上，還檢出了大量在射線底片上不明顯的未熔合缺陷； 科研院所：清華，天津大學，西安交大，大連理工，上海交通大學；,.,6,相控陣的優點,探頭尺

4、寸更??； 檢測難以接近的部位； 檢測速度快，檢測靈活性更強； 可實現對復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測 ； 通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實現高速電子掃描，對試件進行高速，全方位和多角度檢測； 由于以下因素可以節約系統成本： 探頭更少 機械部分少,.,7,實驗室的相控陣儀器：OminiScan,.,8,相控陣探頭,.,9,OminiScan的主要性能,有兩個模塊，超聲相控陣，電渦流的模塊； 全功能S掃描，A，B，C掃描，圖形直觀，快捷，方便； USB接口，RS-232接口，視頻輸出和以太網接口； 數據存儲卡，接近計算機的人機界面； 完整的報告設置；,.,10,OminiScan儀器實際檢測的

5、圖片,.,11,壓電晶片,天然石英晶體、一水硫酸鋰晶體、碘酸鋰、鈮酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT),鈦酸鉛、偏鈮酸鉛和極化的多晶陶瓷等等。 最常用：PZT 壓電效應,.,12,陣列探頭的基本構造,1.壓電晶片；2.聲阻尼塊；3.耦合層； 4.聲透鏡；5.導線。,.,13,探頭的幾何外形,線形陣 1維 線形陣 2維 矩形陣,圓形陣 1維 環形陣 2維 扇形陣,.,14,晶片陣列方向孔徑 (A) 晶片加工方向寬度 (H) 單個晶片寬度 (e) 兩個晶片中心之間的間距 (p),相控陣探頭設計參數,.,15,超聲波的掃描和顯示,A型顯示：A掃，工業超聲檢測中應用最多，是目前脈沖發射式探傷儀最基本的顯示

6、方式； 熒光屏上縱坐標代表發射回波的幅度，橫坐標代表發射回波的傳播時間，根據缺陷反射波的幅度和時間確定缺陷的大小和存在的位置。 B型顯示：又稱B掃。它以反射回波作為輝度調制信號，用亮點顯示接收信號，在熒光屏上縱坐標表示波的傳播時間，橫坐標表示探頭的水平位置，反映缺陷的水平延伸情況； B掃能直觀顯示缺陷在縱截面上的二維特性，獲得截面直觀圖。,.,16,超聲波的掃描和顯示,C型顯示：又稱C掃。以反射回波作為輝度調制信號，用亮點或者暗點顯示接收信號，缺陷回波在熒光屏上顯示的亮點構成被檢測對象中缺陷的平面投影圖； 這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能確定缺陷的深度； 一般A掃和C掃結合： A掃

7、顯示深度信息； C掃顯示缺陷形狀及當量信息；,.,17,超聲軸+掃查軸 B掃 編碼軸+掃查軸 C掃,.,18,編碼軸+掃查軸 C掃,.,19,超聲波探傷方法,共振法；脈沖回波法；穿透法； 脈沖回波法原理(超聲相控陣也是基于此原理)：,無缺陷 有小缺陷 有大缺陷,.,20,超聲相控陣的檢測原理,相控陣超聲檢測技術是通過電子系統控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規則發射和接收超聲波，從而動態控制超聲束在工件中的偏轉和聚焦來實現材料的無損檢測方法；,.,21,相控陣發射,超聲相控陣應用許多的單元換能器來產生和接收超聲波波束。通常在一維或多維上排列若干單元換能器組成陣列。利用事先設計確定好

8、的各自獨立的發射和時間延遲電路來依次激勵一個或幾個單元換能器，產生具有可控的人為預定的確定相位的聲波，所有單元換能器在檢測對象中產生的超聲聲場相互干涉迭加，從而得到預先希望的波束入射角度和焦點位置，形成發射聚焦或聲束偏轉等效果；,.,22,換能器發射的超聲波遇到目標后產生回波信號，其到達各陣元的時間存在差異。按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號疊加增強，而其它方向的回波信號減弱甚至抵消。同時，通過各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法，形成聚焦、變孔徑、變跡等多種相控效果。,相控陣接收,.,23,系統組成原理圖,.,24,設計的探頭,如

9、圖,每片PZT晶片的尺寸18mm*2.5mm*0.8mm,晶片中心頻率為3.5MHZ，相鄰的晶片中心距為3mm.圖中所示為PZT晶片寬度方向。,.,25,超聲波發射（放大）電路,.,26,相控陣系統的相位延遲,相位延時是實現超聲相控陣原理的基本環節,在相控發射中，需要精確控制相位延時，以實現動態聚焦、相位偏轉、相位偏轉、聲束形成等各種相控效果； 理論分析顯示，只有盡力提高相位延時的精度、分辨率和穩定性，才能顯著地抑制旁瓣，提高聲束的橫向和縱向分辨力，改善成像清晰度。,.,27,相控陣相位延遲的方法,模擬延遲方法： 過去的醫用B超中，模擬延遲線，如LC網絡直接對模擬信號延遲，用電子開關分段切換獲

10、得不同的延遲量； 缺點：1.體積龐大，結構復雜； 2.不便實現動態聚焦和信號處理； 3.電氣參數難以確定；,.,28,數字延遲方法,受硬件條件的限制 ，CPLD很難達到 l0ns以內的延時分辨率 ，并且要達到高延遲分辨率 ，最大延遲會很小。 相控發射數字高精度延時模塊的設計分為兩部分，一部分是基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的粗延時，粗延時一般基于晶振時鐘計數，延時值為時鐘周期的整數倍，通常為 10ns以上。 另一部分是在粗延時的基 礎上基于可編程數字延遲線的細延時，細延時量為采樣周期的小數 倍，一般能達到10ns以內的延時分辨率,.,29,相控陣相位延遲的方法,FPGA 數字延遲線,.,3

11、0,FPGA在系統中的作用,FPGA,.,31,FPGA在系統中的作用,FPGA,.,32,精確延時控制驗證方法,用FPGA實現精度為2ns的延時控制，對于發射來說，調試與驗證比較容易，只需要一個多通道 500MHz的示波器就可以。從FPGA發射一個方波同步脈沖和一個方波激勵脈沖，一級一級的往后測試，直至相控 陣探頭。通過示波器可以觀察從FPGA到探頭整個電路的系統延時以及激勵脈沖相對于同步脈沖的延時間隔，該間隔由FPGA內部參數決定，并且可以修改。 接收延時控制是否準確的驗證困難一些。因為接收的不是方波脈沖，而是探頭單元固有頻率的近似正弦超聲信號。為了驗證延時控制是否正確，需要在超聲波接收電

12、路之前加上一個不連續的，只有若干周期的正弦信號，一般的信號發生器沒有這種功能。利用系統上的FPGA配合100MHzDA比較容易產生這種特殊信號。,.,33,精確的延遲時間的計算,相位偏轉：,其中， 為相鄰兩個陣元之間的波程差;d為相鄰兩個陣元之間的距離; 為聲波偏轉后與法線的夾角。,.,34,精確的延遲時間的計算,相位聚焦,.,35,相控陣探頭波束偏轉 (發射) 波束發射過程中通過軟件施加精確延時產生帶角度波束；,相控陣波束發射,.,36,相控陣波束形成 (接收) 接收過程中通過軟件施加精確延時; 只有符合延時法則的信號保持同相位,并在合計后產生有效信號。,相控陣波束接收,.,37,相控陣的兩

13、個重要特點,相控偏轉示意圖,.,38,相控聚焦示意圖,.,39,用不同的延時激發晶片產生不同外形的波束 這是一個縱波各個晶片延時相等,波束的產生與聚焦,.,40,用不同的延時激發晶片產生不同外形的波束 需要精確計算延遲時間，才能指向性好,波束偏轉,.,41,加在每個晶片上的不同的延時; 產生的波束在早期、中期和焦點處的形狀。 為了聚焦和傾斜, 我們采用復合曲線和拋物線。,波束聚焦,.,42,相控陣的掃描方式,線性掃描 扇形掃描 深度聚焦,.,43,電子掃查,探頭不作任何機械移動，而波束沿晶片陣列方向作電子掃查。 通過對激活晶片組進行多路延時，使波束產生移動。 掃查寬度局限于: 陣列中晶片的數量 采集系統支持的通道數量,激活晶片組,.,44,不依靠任何機械運動就將波束沿陣列的一個軸線移動的能力。 這種移動是靠晶片的時間多路傳輸技術實現的。 波束的移動取決于探頭的幾何外形 可能出現以下幾種情況： 線形掃查 扇形掃查 橫向掃查 以上掃查的組合,電子掃查,.,45,動態深度聚焦示意圖,動態深度聚焦DDF，超聲束沿聲軸線,對不同聚焦深度進行掃描。 實際上,發射聲波時使用單個聚焦脈沖,而接收回波時則對所有編程深度重新聚焦。,.,46,動態深度聚焦,標準的相控陣,動態深度聚焦,DDF 在掃查時不斷為接收信號重新載入聚焦法則。 這一操作靠硬件完成, 所以很快。 現在用一個