超聲相控陣檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識

2019-05-30 10:05:00

　　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(lì)(或接收)脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)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(shí)間可動(dòng)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(dòng)態(tài)聚焦兩大特點(diǎn)。

　　超聲相控陣中的每個(gè)陣元被相同脈沖采用不同延遲時(shí)間激發(fā)，通過控制延遲時(shí)間控制偏轉(zhuǎn)角度和焦點(diǎn)。實(shí)際上,焦點(diǎn)的快速偏轉(zhuǎn)使得對試件實(shí)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(diǎn)：

　　(1)生成可控的聲束角度和聚焦深度，實(shí)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(shí)現(xiàn)聲場控制，可實(shí)現(xiàn)高速電子掃描;配置機(jī)械夾具，可對試件進(jìn)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(dòng)每個(gè)陣列單元，聚焦區(qū)域的實(shí)際聲場強(qiáng)度遠(yuǎn)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(shí)空控制，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對發(fā)射/接收狀態(tài)的相控波束進(jìn)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(shí)、動(dòng)態(tài)聚焦、動(dòng)態(tài)孔徑、動(dòng)態(tài)變跡、編碼發(fā)射、聲束形成等。

　　相位延時(shí)

　　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(dá)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?？梢哉f，相位延時(shí)(又稱相控延時(shí))是相控陣技術(shù)的核心，是多種相控效果的基礎(chǔ)。

　　動(dòng)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(diǎn)為P，焦距為f，媒質(zhì)聲速為c。根據(jù)幾何聲程差，可以計(jì)算出為使各陣元發(fā)射波在P點(diǎn)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(jìn)行信號的放大、濾波、檢波，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換作進(jìn)一步的信號處理。

　　軟件部分主要是將接收到的信號進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(jì)晶片數(shù)，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是將一個(gè)整塊的壓電陶瓷晶片劃分成多個(gè)段?，F(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(gè)獨(dú)立電子晶片，這些晶片可以被獨(dú)立激發(fā)。這些被分割的晶片被轉(zhuǎn)入同一個(gè)傳感器，在這個(gè)傳感器中還包括保護(hù)晶片的匹配層、背襯材料，連接電纜及探頭殼。

沈陽宇時(shí)先鋒