【优质文档】超声相控阵检测教材超声检测设备探头及试块.pdf

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1、第四章超声相控阵检测设备、探头及试块 4.1 相控阵检测的设备 4.1.1 相控阵检测设备概述 1、设备的作用 相控阵检测设备时超声波相控阵检测的主体设备，它的作用是通过改变相控阵探头晶片 的激发接受延迟产生超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定图像方式显示出 来，从而得到被检测工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。 2、相控阵检测设备系统结构 超声相控阵检测设备主要包括超声发射部分和接收部分，目前国内外大型超声检测设备 的系统设设计方案主要有三种：发射与接收分离系统；发射与接收集成且发射与接收板集成 和发射与接收集成但是发射与接收板级分离。它们的优缺点如下所示。 数字相控阵超声成

2、像检测系统是一个复杂的系统，通道数多， 而且通道之间一致性要求 很高， 为了较高的综合指标，采用发射与接收集成但是发射与接收板级分离的方案。板卡之 间通过总线相连。 优点缺点 发射与接收 分离系统 抗干扰能力强 信噪比高 便于设计与维护 便于扩展 工作范围大 系统集成度低 可靠性差 同步性差 发 射 与 接 收 集 成 系 统 板 级 分 离 抗干扰能力强 信噪比高 便于设计与维护 便于扩展 集成度高 同步性好 工作范围较小 板 级 集 成 集成度最高 可靠性高 同步性好 便于扩展 工作范围较小 抗干扰能力较差 不便于设计与维护 总线的带宽对于系统的性能也有着较大的影响，也是系统设计的关键之一

3、。目前仪器系 统中采用的总线主要有PXI 总线和 VXI 总线。 表 4-1 PXI 总线与 VXI 总线对比 PXI VXI 总线宽度32/64b 32b 数据交换能力132/328Mb/s 40/80Mb/s 集成度高高 接口开发方便方便 价格低高 4.1.2 数字相控阵超声成像检测硬件系统 数字相控阵超声成像检测的硬件系统，其内容包括相控阵超声发射和接收电路、前置放 大与阻抗转换、程控放大、滤波与检波、A/D 转换、同步与相位延迟控制、程控与逻辑控制 等硬件。 图 4-1 数字相控阵超声成像检测硬件系统 4.1.2.1 数字相控阵超声发射电路 （1）发射电路有较高的发射效率。原因是相控阵

4、超声系统的通道数比较多，系统的发射功 率和散热是一个非常重要的问题。相关研究表明，当探头的激励脉冲宽度为探头中心 频率对应周期的一半时，发射电路的发射效率较高。由于检测不同的工件需要使用不 同频率的探头，为保证系统较高的发射效率，在设计相控阵超声发射电路时，需要所 设计的发射电路能够调节激励脉宽。 （2）由于相控很超声检测对通道之间的一致性要求比较高，因此要求发射电路通道间一致 性好，易于模块化，便于系统的调试与维护。 （3）可以用聚焦扫描成像，可以实时成像。系统的重复频率是决定系统的诚心想最高速度 的因素之一，因此发射电路的最高重复频率也是衡量发射电路的重要指标之一。为了 充分利用相控阵高效

5、的电子扫描特点，要求相控阵发射电路具有较高的重复频率，以 提高成像检测的速度。 （4）具有发射时间控制和激励脉宽的全数字化控制。 4.1.2.2 数字相控阵超声接收电路 （1）前置放大器 前置放大器要求输入阻抗与阵列换能器的输出阻抗相匹配。前置放大器的输入阻抗大于 压电晶片的输出阻抗， 前置放大器获得的输入信号电压就基本上等于超声换能器压电芯片的 空载输出信号电压，信号电压的损失很小。另一方面，前置放大器的输出阻抗要小，即在敖 征输出信号电压不降低的条件下，能输出较大的信号电流，后级放大电路可以采用低输入阻 抗的设计，这话总设计有利于抑制噪声，提高系统的信噪比。 （2）主放大器 主放大器在前置

6、放大器后面。主放大器的功能是将超声回波信号放大到适用于后面A/D 转换芯片的输入模拟电压范围。主放大器大都采用增益由计算机控制的程控放大器。程控放 大器接在前置放大器之后，为使超声波检测仪器具有足够的灵敏度，能够接受到微弱的超声 回波信号， 一般超声接收通道的总增益设计为120dB，又为了让信号幅值较高的超声信号也 能进入接收通道并数字化，主放大器还应有-40dB 的负放大（就是缩小信号幅值）功能。 （3）滤波器 滤波器在接收通道的作用是滤去超声信号频率带宽以外的信号，以提高超声接收信号的 信噪比。数字仪器的特点就是信号处理（包括滤波、去除噪声以及检波等）都在模拟信号经 A/D 转换成数字信号

7、后进行，数字滤波由数字信号处理器完成，实现更窄的带通滤波。接收 信号的检波处理也是有数字信号处理器完成，可以实现正半波、负半波和全波检波。 （4）A/D 转换电路 A/D 转换电路是接收通道中重要的组成部分，将超声回波的模拟信号经放大和初步滤波 后转换成数字信号，随后进行信号存储、进一步信号处理、信号成像、信号及图像显示等操 作。一般A/D 转换器的输入阻抗不高，以抑制噪声，所以事先采用运算放大器结成阻抗变 换电路，用正端输入，以提高输入阻抗，输出为有源输出，阻抗低。一般接收信号中的噪声 都是在接收通道的模拟信号途径中混入的，A/D转换电路部分尤其容易混入噪声。在进行 A/D 转换电路设计时可

8、采用一些措施减少噪声的混入，如可在电源部分采用电感去耦等就是 减少噪声混入的措施之一。 （5）缓冲存储器 一般数字超声成像检测系统的缓冲存储器采用静态随机存储器（static random access memory，SRAM ） ，其作用是暂时存储经过A/D 转换后的数字化超声接收信号，以被进行下 一步信号处理或直接被送入计算机内存进行进一步处理。 （6）数字信号传输逻辑控制 数字信号传输的逻辑控制包括A/D 转换，将数字信号送往缓冲存储器，或送往信号处 理器等都要经过一定的逻辑过程才能完成，控制这个过程的是采用复杂可编程逻辑器件。 4.1.3 相控阵超声成像检测系统的同步与相位控制 4.1

9、.3.1 相控阵超声成像检测系统的同步 相控阵超声成像检测时，通过控制超声阵列换能器各个阵元的发射/接收相位，实现对 检测声束的片准、聚焦控制。 系统的同步是实现系统各阵元相位控制的基准，只有保证系统 稳定可靠的同步， 才能实现系统的精确相位控制。系统同步方案主要有局部同步和全局同步 方案，其优缺点如表4- 2 所示。 表 4-2 局部同步与全局同步优缺点对比 优点缺点 局部同步 电路较简单 同步时钟频率可以较高 受时钟源的影响 同步精度低 时钟误差累计、扩散 全局同步 同步精度高 同步可靠性高 时钟误差不累计、不扩散 电路较复杂 同步时钟存在引线 等误差，影响同步精度 局部同步方案的系统同步

10、信号只有同步触发信号，没有同步时钟信号，不同板卡内部有 各自独立的时钟。这种方案时钟间的误差会累计并扩散，因此不适合同步要求较高的系统。 全局同步方案中系统同步信号包括同步触发信号和同步时钟信号，不同板卡使用相同的 时钟。全局只有一个时钟信号，不存在误差的累计与扩散，因此同步精度较高。 由于相控阵超声成像检测系统要求严格相位控制，系统的同步性要求高，而且工业检测 尤其是在线检测时，系统需要长时间运行，时钟误差的积累可能导致相位控制的失败，因此 相控阵超声成像检测系统适用于采用全局同步方案。 4.1.3.2 相控阵超声成像检测系统的相位控制 （1）相控阵超声成像检测系统时间延迟控制精度 相控阵超

11、声检测系统的时间延迟控制精度对系统检测分辨率有重要影响，是衡量系统的 重要指标之一。 这是因为由于相位控制是通过时间延迟实现的，时间延迟控制精度决定了系 统的相位控制精度。 1）时间延迟精度与系统对比度分辨率关系 相控阵超声成像检测系统的声束延迟控制不是连续的，而是离散的，存在截断误差。 D.K.Peterson 等人的研究表明，系统的时间延迟控制误差将会产生相位控制误差，而相位误 差将导致声束产生误差旁瓣，从而影响系统的对比度分辨率。根据他们的研究，当时， 该误差旁瓣与声束主瓣幅值之比可以用式（4-1）描述 （式 4-1） 式中 N- 实际检测时超声阵列换能器的阵元数目； - 中心频率所对应

12、一个周期与延迟控制精度之比。 图 4-2 是超声阵列换能器阵元数8、 16、32、64、 128 时，由于相位控制误差产生的误 差旁瓣与相位控制精度的关系图。从图中可以看出：在相位控制精度相同的情况下，随着 N 增加，误差旁瓣逐渐减小；在N 相同的情况下，随着相位控制精度的提高，误差旁瓣逐渐 降低。因此在实际系统设计中，必须保证系统的时间延迟控制误差产生的误差旁瓣低于系统 要求的对比度分辨率。 图 4-2 相位控制精度与误差旁瓣的关系 2）时间延迟精度与系统空间分辨率关系 系统时间延迟控制精度还与系统的空间分辨率密切相关，因为时间延迟控制精度直接影 响声束的偏转和聚焦控制。 时间延迟精度与系统

13、焦点控制精度关系 系统的时间延迟控制精度会影响系统焦点的控制，包括焦点在纵向的控制分辨率和系统 的最大焦距。焦点在纵向的控制分辨率是指系统所能聚焦的最远距离，如图4-3 所示。系统 的最大焦距是指系统所能聚焦的最远距离，如图4-4 所示。在有效聚焦区域内，由于系统时 间延迟控制精度限制，有可能在焦点之间会出现焦点盲区，从而影响该区域的检测效果，影 响了系统的空间分辨率。最大焦距则限制了系统最大聚焦检测能力，从而影响系统的检测范 围，它也是衡量检测系统的指标之一。 图 4-3 焦点在声束方向控制分辨率示意 图 4-4 声束控制原理 根据相关研究，声束在图 4-4 所示的 P点聚焦时，以探头中心为

14、参考点，当实际使用的 阵元数 N 为奇数时，各阵元相对参考点的延迟时间 （式 4-2） 式中， c-声速； F-焦距； - 偏转角度； d-探头阵元间距； n-第 n 个阵元， n=0，,1 ， 当阵元数为偶数时，式（4-2 ）中的 n 应该为（ n+0.5 ） 如果不考虑声束偏转的影响，式（4-2 ）可以简化成 （式 4-3） 考虑到实际系统中通常选取探头中心作为参考点，聚焦于最远处（最大聚焦处）时，要 求离探头中心最远的阵元相对于探头中心的时间差等于时间延迟控制精度。因此当N 为奇 数时，可以推导出时间延迟控制精度与最大焦距的关系为 （式 4-4） 图 4-5 是根据式4-4 计算得到的，

15、在钢种声速c=5920m/s，N=15，d=1.0mm 时，最大焦 距与最低时间延迟控制精度的关系图。从图中可以看出，当最大焦距为400mm 时，系统时 间延迟控制误差不大于10ns。 图 4-5 最大焦距与系统延迟控制精度的关系 若选取探头中心作为参考点，当离探头中心最远的阵元相对于探头中心的时间差在数值 上等于时间延迟控制精度，可以求得系统时间延迟控制精度与焦点纵向分辨率的关系。对式 4-3 两边分辨对时间和焦距F 微分，得 （式 4-5a） 当阵元数为奇数时，将离探头中心最远的阵元的位置参数n=(N-1)/2 带入式 4-5a，得到系统 时间延迟控制精度与焦点在纵向分辨率的关系 （式 4

16、-5b） 式 4-5b 表明系统时间延迟控制精度将影响焦点间距：由于系统的时间延迟控制精度有 限，焦点之间并不连续，相邻焦点之间的间隔与实际使用的阵元数N、阵元间距d、焦距 F 以及时间延迟控制精度有关。当N、d、F 一定时，相邻焦点的间隔与时间延迟控制精度成 正比关系。图4-6 是根据 4-5b 在系统不同时间延迟控制精度的情况下，相邻焦点间距（焦 点分辨率）与焦距关系，图中其他参数为：材料为钢（c=5920m/s） ，N=15 ，d=1.0mm。从 图中可以看出当=10ns，焦距为 100mm 时，相邻焦点的距离大约为17mm。 图 4-6 时间延迟精度不同时，焦距与相邻焦点间距的关系 因

17、此， 在设计系统时，需要根据实际系统需要扫查的区域，结合焦深的大小，设计合适 的时间延迟精度，以保证检测区域内可以实现任意点聚焦检测。 时间延迟精度与声束偏转精度的关系 声束偏转是通过相邻阵元施加心相同的延迟时间实现，相邻阵元的延迟时间与偏转角度 和阵元间距d 有关 （式 4-6） 式中， c 为声速。 与焦点在声束纵向方向控制精度类似，由于系统时间延迟控制误差导致声束偏转不连 续，有可能导致焦点在偏转方向的盲区，如图4-7 所示。选取探头中心作为参考点，当阵元 数为奇数时，不同阵元相对于参考点的延迟时间为 图 4-7 焦点偏转盲区 （式 4-7） 式中， n 为第 n 个阵元， n=0，,1

18、 ， 对式 4-7 两边分辨对时间和偏转角度微分，当离探头中心最远的阵元相对于探头中心 的时间差等于时间延迟控制精度时，可以得到系统时间延迟控制精度与声束偏转精度的关系 （式 4-8） 图 4-8 是在不同控制精度时，偏转角度与声束的最大偏转精度关系图。从图中可以看出，同 一控制精度下， 偏转角度会影响偏转精度，偏转角度越大， 偏转精度越低； 偏转角度相同时， 控制精度越高，声束的偏转分辨率越高。图4-8 中相关参数如下：钢（c=5920m/s） ，N=15， d=1.0mm。 图 4-8 偏转角度与偏转精度示意图 （2）系统最小延迟量 系统最小延迟量是指检测是系统可能达到的最大延迟时间。只有

19、当系统的实际延迟量大 于系统的最小延迟量时才能保证系统检测声束可以按需求偏转与聚焦。如图 4-9 所示， 系统 的最小延迟量取决于参考点离其最远的阵元到焦点的声程差决定。根据三角形两边之差小于 第三边的定理，假设以探头中心为参考点，阵元间距为d，声束为c，那么系统最大声程差 可以用式4-9 表示 （式 4-9） 图 4-9 阵元间声程差示意图 因此，延迟范围可以用式4-10 描述为 （式 4-10） 传播介质为钢时 （c=5920m/s） ， 当 N=16， d=1.0mm 时， 系统的最小延迟量应该不小于1267ns。 在上述条件下， 系统最小延迟量的物理意义是阵列换能器最边上的阵元发射的超

20、声波传 播到聚焦点的时间要比中心阵元发射的超声波传播到同一焦点的时间长1267ns，因此在系 统设计的时候， 最边上的阵元相对于中心阵元发射超声的延迟时间应当不小于上面计算的最 小延迟量，否则最边上阵元发射的超声波和中心阵元发射的超声波就不能同时达到预期的聚 焦点，也就是说不能在预期的聚焦点聚焦。这个延迟量就是系统设计的最小延迟量。 如果去最侧边的阵元作为参考点，则系统的最小延迟量为上面计算结果的2 倍，因此为 了减少系统最小延迟量，应该选择探头中心作为参考点。 （3）相控阵超声成像检测系统数字式延迟技术 在数字声束形成技术中，数字式延迟技术是达到声束聚焦的关键。数字式延迟通常可采 用采样间隔

21、的整数倍和小数倍之和形成。对于整数倍延迟，只需对数字信号序列做位移即 可解决， 小数部分的步长则决定了延迟精度。在考虑数字延迟时，应估计到延迟精度所引起 的旁瓣级。分析表明，为使旁瓣级限制在-40dB，对于3MHz 的超声频率，在16 阵元时的 延迟量步长应小于10ns，在 64 阵元时的延迟量步长应小于20ns。 实现小数部分延迟的方法有两种。第一种为流水线式采样延迟聚焦，PSDF。在此方案 中，聚焦所需延迟由各阵元通道A/D 转换器的不同采样时钟完成。换句话说，由采样时钟 发生器为每一个阵元通道产生一个专用的采样时钟，这些时钟的相位 （采样时刻） 互相错开， 其错开的值恰好等于各阵元传播延

22、迟之差。因此，只要把同一相位的对应采样值同时又先入 先出 (FIFO)存储器取出送到加法器相加，即可形成聚焦的效果。这种方法得到的最小延迟步 长约为 20ns左右。 实现小数延迟的第二种方法是先对阵元各通道A/D 以同一速率均匀采样，然后对采样 后的数据进行内插来实现延迟，这样就改变了各通道数据的采样周期。相对于采样周期的延 迟，可以用相位延迟来代替时间延迟，根据多采样率数字信号处理，MDSP 技术， 可以设计多相滤波器组来实现数字延迟小数部分。这种方法的采样电路简单，但对多 相滤波器组的设计要求较高。较小的滤波器长度及切换速度是实现这种方法的关键。这种方 法得到的最小延迟量步长可降低到5ns

23、 以下。 4.1.4 数字相控阵超声成像检测系统独立通道数的优化选择 相控阵超声成像检测时，系统实际使用的探头阵元数取决于系统的独立通道数。当探头 其他参数一定时， 阵元数将影响检测声束，而检测声束是决定检测空间分辨率和对比度分辨 率的重要因素，因此系统的独立通道数是影响系统性能的关键指标。 4.1.4.1 系统独立通道数与系统空间分辨率 相控阵超声检测时，焦点的几何特征决定了系统的空间分辨率。焦点的几何特征包括焦 点宽度和焦深。焦点宽度b（也称焦点直径）是声束聚焦时，焦点左右的声压与焦点声压之 比为 -3dB 时声束的宽度。通常将主声束上焦点前后相对于焦点处声压下降20%的主声束长 度定义为

24、焦区深度（简称焦深），记作 F。 （1）系统独立通道数与系统横向分辨率 系统独立通道数对系统横向分辨率的影响可以从两个方面进行分析：系统独立通道数对 焦点宽度的影响和合同独立通道数对声束偏转时系统的检测分辨率的影响。 1）系统独立通道数与焦点宽度关系 相控阵超声成像检测时，焦点的宽度b 可以近似用式4-11 买搜狐 （式 4-11） 式中， -波长， mm F-焦距， mm D- 探头孔径尺寸，mm 探头阵元间距可以表示为检测波长的k（01) （式 4-17） 式中，-发射信号主频的波长，mm F-焦距， mm D- 子阵的孔径，mm 将 D=Nd=Nk带入式 4-17，可得 （式 4-18）

25、 从式 4-18 可知，当探头阵元间距一定时，增加独立通道数可以减小焦深，提高系统的 纵向分辨力。但是，前面的分析可知：当系统的延迟控制精度一定时，焦点在声束方向是不 连续的， 而且如果控制精度较低时，在焦点与焦点之间可能会出现焦点盲区，影响该区域的 检测， 为了消除这种盲区，可以采用控制使用的独立通道数，增加焦深的方法，实现焦点全 面覆盖，如图4-14 示。 图 4-14 焦点覆盖示意图 4.1.4.2 系统独立通道数与系统对比度分辨率 系统独立通道数对对比度的分辨率影响主要是通过提高信噪比获得较高的对比度分辨 率。假设各通道的噪声是不想关的，系统独立通道数增加时，声束合成后， 噪声由于不相

26、关 而减弱（当通道数无穷多时，噪声应为0） ，而焦点处信号叠加而增强，信噪比提高。另外， 上诉分析支持在其他情况相同的条件下，增加通道数提高了检测的数值孔径，检测声束的能 量增强， 对比度分辨率也得到提高。综合上述分析， 系统独立通道数的增加有助于提高检测 的对比度分辨率，但是独立通道数的增加提高了系统的复杂性，增加了成本。 4.1.5 ISONIC相控阵系统主要技术参数 相控阵模式 脉冲种类：双极性方波 初始转换：7.5 ns (10-90% 上升沿/ 90-10% 下降沿 ) 脉冲幅度：在阻抗 50 的情况下，激发电压平稳可调(12 级) 50V 300 V 脉冲宽度：50600 ns独立

27、可调， 10 ns 步进 激发孔径： 164 相位调整 (激发孔径 )：010，分辨力 重复频率：10.5000 Hz ，1 Hz 步进 接收孔径： 164 增益：0.100 dB ，0.5 dB 步进 高级降噪设计：85 V 尖峰输入，对照80 dB 增益/ 25 MHz 带宽 频段：0.2 25 MHz 宽带 A/D 转换：100 MHz 16 bit 接受信号叠加：实时 , 无复杂的多路技术 相位调整 (接收孔径 )：实时 0100 s ， 5 ns 分辨力 A 扫描显示模式：射频 , 全波，正半波，负半波 聚焦法则 DAC / TCG ：理论的 输入 dB/mm (dB/“) 数值 实

28、测的 不同深度连续记录回波幅度 聚焦法则闸门： 2 个独立闸门/ 无限展开 闸门起点与宽度： 在 A 扫描界面均可设定，0.1mm 步进 闸门高度： 59 5 %A 扫描界面高度，1 % 步进 聚焦法则数量： 8192 扫查与成像模式： B 扫描反射波次数 / 厚度/ 角度修正 , 单独晶片增益控制(GSC) 扇形扫描 正常或反射波次数/ 厚度修正 , 单独角度增益控制(GAC) 串列式B 扫描 反射波次数/ 厚度/ 角度修正, 单独晶片增益控制 (GSC) 三维成像 由俯视图，主视图，侧视图组成 数据存储： 100% 真实数据采集 常规脉冲接收通道 通道数量：1 ，8 ， 16 脉冲接收方法

29、 (8 或 16 常规通道 ): 并行激发 -所有通道同时激发、接收，数字化信号并记录 分时激发 -所有通道分时激发、接收，数字化信号并记录 脉冲种类 : 双极性方波 初始转换 : 7.5 ns (10-90% 上升沿/ 90-10% 下降沿 ) 脉冲幅度 : 在阻抗 50 的情况下，激发电压平稳可调(12 级) 50V 400 V 脉冲宽度 : 50600 ns独立可调， 10 ns 步进 模式 : 单晶/ 双晶 重复频率 : 10.5000 Hz ，1 Hz 步进 增益 : 0.100 dB ，0.5 dB 步进 高级降噪设计 : 85 V 尖峰输入，对照80 dB 增益/ 25 MHz

30、带宽 频段 : 0.2 25 MHz 宽带 A/D 转换 : 100 MHz 16 bit 滤波 : 32 阶带通滤波器可降低和提高频率界限 A 扫描显示模式: 射频 , 全波，正半波，负半波，频谱 聚焦法则 DAC / TCG: 理论的 输入 dB/mm (dB/“) 数值 实测的 不同深度连续记录回波幅度 DGS: 18 个探头库/ 无限扩展 闸门 : 2 个独立闸门/ 无限展开 闸门起点与宽度: 在 A 扫描界面均可设定，0.1mm 步进 闸门高度 : 5 95 %A 扫描界面高度，1 % 步进 测 量 功 能 数 显 读 数: 27 个自动功能/ 可扩展 ; 复合材料双声速测量;斜探头

31、支持曲面/ 厚 度 /反射波次数修正;所有探头的声速与延时校准 冻结功能 : 冻结所有 A 超与谱线/ 冻结尖峰 A 超 / 全部测量功能, 闸门控制 冻结信号 , 6dB 增益可调 扫查与成像模式: 单通道 : 深度 B 扫描 , 当量 B 扫描 , CB 扫描 , TOFD 多通道 : 4 个带状图显示(TOFD/ 当量/PE 幅度，时差 /耦合监控 ) 数据存储 : 100% 真实数据采集 设备数据 CPU: AMD LX 800 - 500MHz 内存 : 512 M 闪存 : 4G 显示屏 : 防眩目 8.5 ” 触摸屏，分辨率800 600 控制 : 内置鼠标键盘 接口 : 2 U

32、SB 口, 1 个以太网口 操作系统 : WindowsXP Embedded 编码器接口 : 步进式编码器 长度记录 : 5020000 mm 外壳 : IP 53 防滑铝，带把手 外形尺寸 : 314224 124 mm 无电池 314224 152 mm 有电池 重量 : 4.550 kg 无电池 5.480 kg 有电池 4.2 相控阵检测的探头 4.2.1 阵列 用于 NDT 检测的超声阵列就是将一系列单晶片的传感器按照某种形式排列，这样可以 加大检测的范围并提高检测的速度。例如： 管道检测中，多探头检测法用于裂纹检测、层状缺陷发现以及整体厚度测量； 锻件检测中，采用分区测量时就需要

33、将多个探头聚焦在不同深度用于发现微小缺陷； 沿表面线性排列的阵列探头可以增加复合材料的层间缺陷或者金属材料的腐蚀缺陷的 发现能力； 以上的检测就需要多通道的高速超声设备，这些设备具有相应的脉冲触发器、接收器以 及逻辑门电路可以处理每个通道的数据，同时也可以对每个通道的检测区域进行精确设置。 大家可以将一个具有一列独立晶片的相控阵探头简单地理解为以将以上多个探头放打 包在一起检测。但不同的时相控阵探头的晶片大小实际中远小于常规探头的晶片，这些晶 片被以组的形式触发产生方向可控的波阵面。这种“电子声束形式”可以用一个探头对多个 区域进行快速检测。 4.2.2 相控阵探头内部结构介绍 虽然相控阵探头

34、有很多种规格，包括不同的尺寸、形状、 频率计晶片数，但是其内部结 构都是将一个整块的压电陶瓷晶片划分成多个段。 现代用于工业NDT 检测的相控阵传感器大多是压电复合材料制造的，这些传感器大多 是由微小的薄的且嵌入了压电陶瓷的条状体形成的聚合物矩阵。这种结构很大程度上增加了 生产的难度，复合材料传感器比相同结构的压电陶瓷传感器高出10dB -30dB 的灵敏度。已 分割的金属镀层用于将复合材料条划分为多个独立电子晶片，这些晶片可以被独立激发。这 些被分割的晶片被转入同一个传感器，在这个传感器中还包括保护晶片的匹配层、背衬材料， 连接电缆及探头壳。 图 4-15 相控阵探头截面图 一些常见的相控阵

35、晶片排列形式： 1D 线阵 一维线阵探头在垂直检测及斜入射检测中是最常使用的探头。 优势： 容易加工，也容易安装在楔块上。可实现不同深度不同角度的单面聚焦。 不足： 大尺寸晶片才能实现深度较大的聚焦，随着角度及深度的增加声束扩散增加，且 不能实现声束偏转。 2D 面阵 优势： 可以实现三维声束偏转，可以实现单面或者球面立体聚焦。 不足： 探头结构复杂，加工工序多，需要大量的激发器/接收器，及相应的复杂信号处 理电路。 1.5D 面阵 优势： 卓越的声束偏转能力，可实现不同深度及角度的单面聚焦，干扰声束减少。 不足： 探头结构复杂，加工工序多，需要大量的激发器/接收器，及相应的复杂信号处 理电路

36、。 1D 环阵 优势： 可实现不同深度的球面聚焦，小缺陷检出能力强。 不足： 无声束偏转能力，需要大孔径实现尖点聚焦，需要复杂的处理程序。 2D 分割环阵 优势： 可产生不用深度及角度的椭圆或球面波。 不足： 探头结构复杂，加工工序多，需要大量的激发器/接收器，及相应的复杂信号处 理电路。且只能产生纵波。 1D 环阵 优势： 可产生不用深度及角度的椭圆或球面波。典型应用在曲面检测中。 不足： 探头结构复杂，加工工序多。 4.2.3 相控阵探头的特性 相控阵传感器根据以下参数进行分类： 类型：非直接接触型 （通过一个带有角度的塑料楔块或者无角度的垂直塑料楔块接触工件）， 直接接触型 （无需楔块探

37、头直接接触工件），浸入型（探头需要浸入到水或者其他介质 中） 频率： 大多数超声检测所用的探头频率在2MHz-10MHz之间，所以相控阵探头的频率大多 在 2MHz-10MHz之间。和常规超声传感器一样，低频传感器穿透力强，高频传感器分 辨率及聚焦清晰度高。 晶片数： 大多数相控阵传感器的晶片数在16-128 晶片之间，相控阵传感器晶片数最多可以 达到 256 个。晶片数多， 聚焦能力及声束偏转能力强，同时声束覆盖面积大。但是 晶片数多的相控阵传感器价格昂贵，增加了检测成本。传感器中的每个晶片都可以 独立触发产生波源。因此，这些晶片的尺寸被看做有效方向。 晶片尺寸： 晶片越窄，声束偏转能力越高

38、。如果想加大一次性声束覆盖面积，就需要增加晶 片数量，探头的价格也随之增加。 图 4-16 相控阵探头晶片尺寸参数示意图 N=探头中晶片总数； A= 探头有效的孔径大小； H=晶片高度； W=晶片宽度； P=晶片间距或者两相邻晶片中心点的距离； e=晶片宽度； g=两相邻晶片间隔； 软件将通过以上这些信息计算产生所需达到声束的波形模式及角度，如式 4-19、 式 4-20 所示。如果这些信息不能通过探头数据库自动录入软件中，那就需要用户自行手动输入至软 件中。 式中： VL-材料中的纵波声速； Pitchsize- 探头晶片间距P； - 纵波折射角； N- 晶片总数； i- 激发晶片序列号；

39、- 晶片脉冲激发间隔； 式中： VS- 材料中的横波声速； Pitchsize- 探头晶片间距P； - 横波折射角； N- 晶片总数； i- 激发晶片序列号； - 晶片脉冲激发间隔； （式 4-19） （式 4-20） 4.2.4 相控阵楔块 相控阵探头出了传感器本身，通常配合楔块一起使用。楔块在横波检测和纵波检测中够 有应用，包括垂直线性扫描。楔块的作用和常规单晶缺陷检测时一样，主要是依据Snell 定 律将声波以检测所需要的波形模式和角度折射到工件中。当相控阵系统通过一个楔块产生多 个角度的时候， 这些角度都将通过这个楔块产生折射。横波楔块和常规传感器中的结构非常 相似， 也具有很多尺寸和

40、类型。其中一些楔块还具有耦合剂导入孔。一个典型相控阵楔块如 下图 4-17 所示： 图 4-17 相控阵斜楔块 0楔块通常采用平面塑料块。在垂直线性扫描以及纵波小角度扫描时，0楔块用于减 少表面盲区，并可以保护相控阵探头不受磨损。 图 4-18 相控阵直楔块 有些备件工件被检部位几何形状复杂，常规楔块难于耦合，这时可以自定义楔块的形状已获 得更好的耦合效果。楔块的规格很多可以满足相控阵的各种扫描，它可以保证深度、距离标 定的正确性以及可保证获得合适的折射角度。 4.3 相控阵检测的试块 按照一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样，通常称为试块。 试块和 仪器探头一样，是超声波相控阵

41、探伤中的重要工具。 4.3.1 试块的作用 1、确定探伤灵敏度 超声波相控阵探伤灵敏度太高或太低都不好，太高杂波多， 判伤困难， 太低会引起漏检。 因此超声波相控阵探伤前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。常用的探 伤灵敏度确定试块有CSK-IIIA 、 RB-3 试块等。 2、测试仪器和探头的性能 超声波相控阵探伤仪和探头的一些重要性能，如放大线性、水平线性、动态范围、 灵敏 度余量、分辨力、盲区、探头的入射角度等都是利用试块来测试的。 3、调整扫描速度 利用试块可以调整仪器显示屏上水平刻度值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度， 以便对缺陷进行定位。 4、评判缺陷大小 利用某

42、些试块绘出的距离波幅 当量曲线（即实用AVG ）来对缺陷定量是目前常用 的定量方法之一。特别是3N 以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。 此外还可以利用试块来测试材料的声速、衰减性能等。 4.3.2 试块的要求和维护 1、对试块的要求 试块材质应均匀，内部杂质少，无影响使用的缺陷。加工容易，不易变形和锈蚀，具有 良好的声学性能。试块的平行度、垂直度、光洁度和尺寸精度都要符合一定的要求。 试块要用平炉镇静钢或电炉软钢制作，对比试块材质尽可能与被探工件相同或相近。 标准试块探测面光洁度和尺寸公差有一定要求。对比试块光洁度和尺寸公差与被探工件 相同或相近。 2、试块使用与维护 1）试块

43、应在适当部位编号，以防混淆。 2）试块在使用和搬运过程中应注意保护，放置碰上或擦伤。 3）使用试块时应注意清楚反射体内的油污和锈蚀。常用沾油细布将锈蚀部位抛光，或用 合适的去锈剂处理。 4）注意防止试块锈蚀，使用后停放时间较长，要涂敷防锈剂。 5）注意防止试块变形，如避免火烤，平板试块尽可能立放防止重压。 4.3.3 国内外常用试块简介 4.3.3.1 相控阵 A 型试块 1）试块结构示意图： 2）试块的主要用途： 扇扫成像横向分辨力：将探头放置在试块A 中 A-1 区一系列通孔的下端面，在探头与试 块表面之间涂敷合适的耦合剂，并施加一定的压力确保良好耦合，调节设备实现扇形扫 查，确保 A-1

44、 区中的人工缺陷都在显示区域中。成像中所能分开的最小间距即为该工作 状态下的成像横向分辨力。 扇扫成像纵向分辨力：将探头放置在试块A 中 A-2 区一系列通孔的下端面，在探头与试 块表面之间涂敷合适的耦合剂，并施加一定的压力确保良好耦合，调节设备实现扇形扫 查，确保 A-2 区中的人工缺陷都在显示区域中。成像中所能分开的最小间距即为该工作 状态下的成像纵向辨力。 短缺陷分辨力： 放置在试块A 中 A-3 区一系列通孔的下端面，在探头与试块表面之间涂 敷合适的耦合剂，并施加一定的压力确保良好耦合，调节设备实现扫查成像。图像所能 清晰显示的最小长度的人工缺陷的长度即为该设备对短缺陷的分辨力。 4.

45、3.3.2 相控阵 B 型试块 1）试块结构示意图： 2）试块的主要用途： 成像横向集合尺寸测量误差：将探头放置在试块B 中 B-1 区一系列通孔的左端面及B-2 区一系列通孔的下端面，在探头与试块表面之间涂敷合适的耦合剂，并施加一定的压力 确保良好的耦合，调节设备实现线性扫查或扇形扫查得到清晰图像。在图像上， 依次选 择不同孔的中心并进行横向间距测量，读取不同孔图像之间的横向距离测量值。用试块 上该两孔之间的标称值减去测量值，即为设备对该两个孔横向几何尺寸测量的误差。 成像纵向几何尺寸测量误差：将探头放置在试块B 中 B-1 区一系列通孔下端面，在探头 与试块表面之间涂敷合适的耦合剂，并施加

46、一定的压力确保良好的耦合，调节设备实现 线性扫查或扇形扫查得到清晰图像。在图像上， 依次选择不同孔图像的中心并进行纵向 间距测量， 读取不同孔图像之间的纵向距离测量值。用试块上该两孔之间的标称值减去 测量值，即为设备对该两个孔纵向几何尺寸测量的误差。 扇扫角度范围测量误差：将探头放置在试块B 中 B-3 区一系列通孔的上端面，在探头与 试块表面之间涂敷合适的耦合剂，并施加一定的压力确保良好的耦合。对于直探头， 推 荐采用 3 个扫描角度范围， 该扫描角度范围的选取以垂直于探头阵元分布方向并通过探 头中心的线为0参考左右对称，推荐选取的角度范围如下：30（ 15） 、60（ 30） 、80（ 4

47、0） 。对于斜探头，由于偏转角度及扫描范围差异较大，推荐根据客 户要求或根据仪器情况由实验室指定角度范围。设定不同的扇形扫查角度范围，调节设 备实现扇形扫查得到清晰的图像。在图像中数出缺陷图像的数目，并根据试块中人工缺 陷的示意图， 计算出实际扫查角度。如果在同一个增一下，无法全部显示扫查范围内所 有人工缺陷的图像；应适当调节增益，使得在该图像中尽可能同时显示出该区域所有的 人工缺陷。 扇扫角度分辨力：将探头放置在试块B中 B-3 区一系列的上端面，在探头与试块表面之 间涂敷合适的耦合剂，并施加一定的压力确保良好耦合，调节设备实现扇形扫查。图像 中所能分开的最小角度间距即为该工作状态下的扇扫角度分辨力。