超聲相控陣檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識

　　基本概念

　　超聲相控陣成像技術(shù)是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵(或接收)脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，完成聲成像的技術(shù)。由于相控陣陣元的延遲時間可動態(tài)改變，所以使用超聲相控陣探頭探傷主要是利用它的聲束角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特點。

　　超聲相控陣中的每個陣元被相同脈沖采用不同延遲時間激發(fā)，通過控制延遲時間控制偏轉(zhuǎn)角度和焦點。實際上,焦點的快速偏轉(zhuǎn)使得對試件實施二維成像成為可能。

　　超聲相控陣檢測技術(shù)具有以下的特點：

　　(1)生成可控的聲束角度和聚焦深度，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測。

　　(2)通過局部晶片單元組合實現(xiàn)聲場控制，可實現(xiàn)高速電子掃描;配置機械夾具，可對試件進行高速、全方位

　　和多角度檢測。

　　(3)采用同樣的脈沖電壓驅(qū)動每個陣列單元，聚焦區(qū)域的實際聲場強度遠大于常規(guī)的超聲波檢測技術(shù)，從而對于相同聲衰減特性的材料可以使用較高的檢測頻率。

　超聲相控陣工作原理

　　相控陣超聲成像系統(tǒng)中的數(shù)字控制技術(shù)主要是指波束的時空控制，采用先進的計算機技術(shù)，對發(fā)射/接收狀態(tài)的相控波束進行精確的相位控制，以獲得最佳的波束特性。這些關(guān)鍵數(shù)字技術(shù)有相控延時、動態(tài)聚焦、動態(tài)孔徑、動態(tài)變跡、編碼發(fā)射、聲束形成等。

　　相位延時

　　相控陣超聲成像系統(tǒng)使用陣列換能器，并通過調(diào)整各陣元發(fā)射/接收信號的相位延遲(phase delay)，可以控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達到波束聚焦、偏轉(zhuǎn)、波束形成等多種相控效果，形成清晰的成像。可以說，相位延時(又稱相控延時)是相控陣技術(shù)的核心，是多種相控效果的基礎(chǔ)。

　　動態(tài)聚焦

　　相控聚焦原理(如圖)：相控發(fā)射聚焦原理如圖，設(shè)陣元中心距為d，陣列換能器孔徑為D，聚焦點為P，焦距為f，媒質(zhì)聲速為c。根據(jù)幾何聲程差，可以計算出為使各陣元發(fā)射波在P點聚焦。

　　相控陣檢測設(shè)備

　　相控陣檢測設(shè)備包括硬件和軟件二部分：硬件和軟件

　　硬件有超聲信號發(fā)射和接收裝置，通過相控陣探頭發(fā)射陣列式脈沖形成聚焦束，穿過物體后的超聲波被接收并進行信號的放大、濾波、檢波，然后進行A/D轉(zhuǎn)換作進一步的信號處理。

　　軟件部分主要是將接收到的信號進行計算機數(shù)據(jù)處理獲取所需要的生成圖像的數(shù)據(jù)。

　　相控陣探頭

　　相控陣探頭有很多種規(guī)格，包括不同的尺寸、形狀、頻率計晶片數(shù)，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是將一個整塊的壓電陶瓷晶片劃分成多個段。現(xiàn)代用于工業(yè)NDT檢測的相控陣傳感器大多是壓電復(fù)合材料制造的，這些傳感器大多是由微小的薄的且嵌入了壓電陶瓷的條狀體形成的聚合物矩陣。這種結(jié)構(gòu)很大程度上增加了生產(chǎn)的難度，復(fù)合材料傳感器比相同結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷傳感器高出10dB -30dB的靈敏度。已分割的金屬鍍層用于將復(fù)合材料條劃分為多個獨立電子晶片，這些晶片可以被獨立激發(fā)。這些被分割的晶片被轉(zhuǎn)入同一個傳感器，在這個傳感器中還包括保護晶片的匹配層、背襯材料，連接電纜及探頭殼。

　　相控陣校準試塊

　　按照一定用途設(shè)計制作的具有簡單幾何形狀人工反射體的試樣，通常稱為試塊。試塊和儀器探頭一樣，是超聲波相控陣探傷中的重要工具。 試塊的作用：確定探傷靈敏度。

　　A型試塊示意圖

　　相控陣檢測圖像顯示