n相控阵优缺点相控阵优缺点2021/3/92021/3/91 1为什么使用相控阵?不需要移动工件,实现高速电子扫查n n通过软件控制波束特征提高检测性能n n单个电子控制的相控阵探头实现多角度检测 n n多种配置:P/E, T/R, TOFD, 串列扫查n n对于复杂几何体的检测更具灵活性n n-最佳的聚焦n n-最佳的波束角度2021/3/92021/3/92 2n n相控阵技术能够电子修改超声探头的特征n n探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的信号发射(触发)和接收(回波)注入时间延时来实现的n n任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用相控阵探头完成n n2021/3/92021/3/93 3优点n n相控阵最显著的特点是相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布束形状和声压分布 其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调及位置在一定范围内连续、动态可调; ;而且探头内可快速而且探头内可快速平移声束因此平移声束因此 , ,与传统超声检测技术相比与传统超声检测技术相比 , ,相控阵技术相控阵技术的的 , ,优势是优势是 ①①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。
速度②②不移动探头或尽量少移动探头可扫不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 100 % 扫查扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域厚大工件和形状复杂工件的各个区域 , ,是解决可达性差和是解决可达性差和空间限制问题的有效手段空间限制问题的有效手段③③通常不需要复杂的扫查装置通常不需要复杂的扫查装置 , ,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查多方向扫查 , ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间④④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 , ,在分辨力、在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性 2021/3/92021/3/94 4缺点n n探头制造复杂,国内目前不能制作n n探头一般尺寸较大,受现场条件限制n n对检测人员要求高n n并不能解决所有问题,也不是进行一次扫查就能发现所有缺陷2021/3/92021/3/95 5n相控阵探头2021/3/92021/3/96 6n n相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单独调节,以控制声束轴线和焦点等参数的晶片阵列。
根据晶片阵列型式不同,主要有1维线性阵列,2维线性阵列, 1维环形阵列,2维环形阵列四种形式2021/3/92021/3/97 7基本阵列设计基本阵列设计 n n线性阵列(1D)基本上是一个长的常规探头n n切割成许多可以单独激发的小晶片2021/3/92021/3/98 8阵列探头的设计参数 n n探头参数:探头参数:n n频率(频率(f f))n n阵列中晶片的数量(阵列中晶片的数量(n n))n n控制或激活方向上总的孔径(控制或激活方向上总的孔径(A A))n n高度,在机械轴或次轴方向上的孔径(高度,在机械轴或次轴方向上的孔径(H H))n n间距,两个相邻晶片的中心间距(间距,两个相邻晶片的中心间距(p p))n n单个晶片的宽度(单个晶片的宽度(e e))2021/3/92021/3/99 9合成探头技术 n nPAPA探头基于合成技术,探头基于合成技术, 从合成探头获得的信噪比从合成探头获得的信噪比比压电陶瓷材料高比压电陶瓷材料高10-30dB10-30dBn n压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成2021/3/92021/3/91010 合成探头技术 n n 一个薄金属层放在压电合成体上。
在这个金属层内设计的晶片确保压电材料统一激发2021/3/92021/3/91111探头制造:外壳 n n 探头的结构与常规探探头的结构与常规探头相似头相似 n n声匹配声匹配n n压电合成体压电合成体n n填充材料填充材料n n多达多达128128个共轴电线个共轴电线 2021/3/92021/3/91212相控阵探头设计参数相控阵探头设计参数n n超声相控阵探头由一系列独立的晶片构成,每个晶片都有各自的接头,延时电路和A/D转换器n n晶片之间彼此声绝缘n n根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中的每一个晶片,比如“相位”2021/3/92021/3/913131D线性阵列 许多线性探头设计许多线性探头设计n n探头可以在次轴上形成聚焦探头可以在次轴上形成聚焦n n PAPA和探头技术允许探头加工成各种形状,平的,和探头技术允许探头加工成各种形状,平的,曲线的,圆锥形的,椭圆形的曲线的,圆锥形的,椭圆形的….….2021/3/92021/3/91414普通的探头几何形状 1D1D线性阵列线性阵列 2D2D线性阵列线性阵列2021/3/92021/3/91515常用的探头几何形状 1D1D环形阵列环形阵列 2D2D环形阵列环形阵列2021/3/92021/3/91616常用的探头几何形状 2021/3/92021/3/91717菊花探头数据2021/3/92021/3/91818楔块参数 楔块参数楔块参数n n楔块声速(楔块声速(vwvw))n n楔块角度(楔块角度(ωω))n n第一个晶片高度第一个晶片高度((h1h1))n n第一个晶片的偏移第一个晶片的偏移((x1x1))n n楔块常用的材料是一楔块常用的材料是一种专利材料种专利材料RexoliteRexolite2021/3/92021/3/91919n探头电子控制2021/3/92021/3/92020电子脉冲延迟(图有错) 2021/3/92021/3/92121斜波束 2021/3/92021/3/92222 聚焦波束 2021/3/92021/3/92323线阵探头-线性扫查 2021/3/92021/3/92424线性探头-扇形扫查 2021/3/92021/3/92525连续或环形扫查 2021/3/92021/3/92626n波束的形成原理2021/3/92021/3/92727 常规波束形成 n n常规常规UTUT探头角度偏转(发射):探头角度偏转(发射):-根据惠更斯原理产生超声波束-根据惠更斯原理产生超声波束-在发射过程中斜楔块引入适当的延迟,产生一-在发射过程中斜楔块引入适当的延迟,产生一 个带角度波束。
个带角度波束2021/3/92021/3/92828斜波束 2021/3/92021/3/92929常规波束形成 n n常规常规UTUT探头控制波束(接收)探头控制波束(接收) -根据惠更斯原理楔块内产生波束-根据惠更斯原理楔块内产生波束 -在接收过程中斜楔块引入延迟,使-在接收过程中斜楔块引入延迟,使“ “同相位同相位” ”的的波前同时撞击到压电晶片波前同时撞击到压电晶片2021/3/92021/3/93030 斜波束-接收一侧 2021/3/92021/3/93131相控阵波束形成 n n相控阵探头波束偏转(接收):相控阵探头波束偏转(接收):-在接收过程中施加合适的电子延迟-在接收过程中施加合适的电子延迟-只有信号-只有信号“ “满足满足” ”延迟法则达到同相位,合并后延迟法则达到同相位,合并后才会产生有效信号才会产生有效信号2021/3/92021/3/93232相控阵波形成 n n相控阵信号处理总图相控阵信号处理总图n n出于经济考虑,脉冲发生器通常采用多路输出出于经济考虑,脉冲发生器通常采用多路输出Omniscan 16/128Omniscan 16/128是指仪器具有是指仪器具有1616个脉冲发生个脉冲发生器,通过多路输出得到器,通过多路输出得到128128个超声通道。
个超声通道2021/3/92021/3/93333波束形成 2021/3/92021/3/93434聚焦波束-接收侧 2021/3/92021/3/93535聚焦法则产生 2021/3/92021/3/93636 聚焦法则计算器 n n本机工具 -TomoView -Omniscan “编程探头”n nEPRI 工作手册n nPASS,CIVA, 等. 2021/3/92021/3/93737n相控阵波束的特点2021/3/92021/3/93838波束聚焦波束聚焦n n把超声能量聚集到一个焦点的能力n n使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度n n对称(比如抛物线)聚焦法则(时间延迟对晶片位置)2021/3/92021/3/93939波束聚焦 非聚焦波束非聚焦波束n n波束近场区和自然扩散角取决于孔径波束近场区和自然扩散角取决于孔径A A和波长和波长λ λn n近场区近场区 n n扩散角(半扩散角扩散角(半扩散角θ θ,在,在-6dB-6dB))n n波束尺寸(在深度波束尺寸(在深度Z Z)) 2021/3/92021/3/94040波束聚焦 聚焦的波束:聚焦的波束:n n聚焦系数(聚焦系数(K K)定义为)定义为: :此处此处F=F=聚焦距离聚焦距离 N N=近场区=近场区 n n指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸((dstdst)为:)为:2021/3/92021/3/94141波束聚焦理论 n n线性探头晶片间隙线性探头晶片间隙1mm1mm,频率,频率5MHz, 5MHz, 声速声速1480m/s 1480m/s 晶片数量晶片数量 10 10 16163232孔径(孔径(mmmm)) 10 10 16163232N N 菲涅耳距离菲涅耳距离((mmmm)) 84 84 216216865865聚焦深度聚焦深度((mmmm)) 84 84 84848484K K 0.99 0.99 0.39 0.39 0.100.10D(D(聚焦深度聚焦深度mm) mm) 2.49 2.49 1.55 1.55 0.780.78n n 以上结果基于水尽方法。
以上结果基于水尽方法2021/3/92021/3/94242波束剖面 2021/3/92021/3/94343动态深度聚焦n nDDFDDF是以单脉冲检测深工件的理想方式光速在是以单脉冲检测深工件的理想方式光速在返回时重新电子聚焦返回时重新电子聚焦n n不能增加灵敏度,只是增加视觉上的分辨率不能增加灵敏度,只是增加视觉上的分辨率n n在采集数据时使用,不能做为后处理功能在采集数据时使用,不能做为后处理功能2021/3/92021/3/94444动态深度聚焦2021/3/92021/3/94545波束偏转n n能够修改阵列探头产生波束的折射角的能力n n单个探头可以进行多角度检测n n使用不对称的(比如线性)聚焦法则2021/3/92021/3/94646扇形扫查图解 2021/3/92021/3/94747扇形扫查 n n扇形扫查有能力扫查整个工件截面,而无须移动扇形扫查有能力扫查整个工件截面,而无须移动探头n n用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件n n把宽波束和把宽波束和/ /或多焦点探头的优势集中在一个相控或多焦点探头的优势集中在一个相控阵探头中。
阵探头中2021/3/92021/3/94848 波束偏转 n n偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有关偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有关n n通过公式计算出最大偏转角(-通过公式计算出最大偏转角(-6dB6dB))n n斜楔块可以改变角度偏转范围斜楔块可以改变角度偏转范围n n波束偏转能力取决于相邻进片产生波束波束偏转能力取决于相邻进片产生波束后的相互干涉后的相互干涉n n波束偏转大时,导致灵敏度下降,可通波束偏转大时,导致灵敏度下降,可通过增加楔块改变过增加楔块改变镜片尺寸越小,角度偏转越好镜片尺寸越小,角度偏转越好2021/3/92021/3/94949n扫查技术2021/3/92021/3/950502021/3/92021/3/951512021/3/92021/3/952522021/3/92021/3/953532021/3/92021/3/954542021/3/92021/3/955552021/3/92021/3/95656n探头的实际应用2021/3/92021/3/957572021/3/92021/3/958582021/3/92021/3/959592021/3/92021/3/960602021/3/92021/3/961612021/3/92021/3/962622021/3/92021/3/963632021/3/92021/3/964642021/3/92021/3/965652021/3/92021/3/966662021/3/92021/3/967672021/3/92021/3/968682021/3/92021/3/96969放映结束 感谢各位的批评指导! 谢谢 谢!谢!让我们共同进步2021/3/970。