《邵小平相控阵教学》PPT课件

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1、超声波相控阵检测技术—CCSI上海无损检测中心2012.2主要内容一、常规超声波检测技术目前在工程上的应用二、超声波相控阵检测技术的基本原理三、超声波相控阵检测技术较常规方法的优点四、超声波相控阵检测技术的应用五、超声波相控阵检测技术存在的局限性LOGO一、常规超声波检测技术目前在工程上的应用常规UT检测技术始于20世纪20年代末；固体材料的常规超声波检测技术目前在桥梁、船舶、钢结构、特种设备等工程上的应用主要是A型脉冲反射式超声检测；它是通过探伤仪输出的电信号激励超声探头中的压电晶片（一个晶片或最多二个晶片）向工件中发射超声波，当超声波

2、遇到缺陷（异质介面）后，超声波反射回探头晶片，由晶片转换成电信号，探伤仪示波屏上便出现A型脉冲信号。（见下页图1）LOGO图1常规超声的对检测人员技术水平及经验要求高检测人员根据此脉冲信号，判断缺陷（异质介面）的位置、大小（缺陷的当量大小）和估计缺陷的性质。对缺陷位置例如未焊透深度的确定，与相控阵方法有所不同，因此测定的精度要低。用A超获得的缺陷大小是缺陷的当量大小，所谓当量大小就是将检测到的自然缺陷的脉冲信号幅度与同声程的人工缺陷的脉冲信号幅度相比较，如果二者信号幅度相同，就认为该自然缺陷相当于被比较的人工缺陷的当量大小，而非自然缺陷的

3、实际大小。对缺陷性质的估计是依据从缺陷处返回所获得的脉冲波的形状（静态和动态波形）以及检测人员的丰富经验和相关领域的知识，对缺陷性质作出估计，显然难度是相当大的。图2LOGO常规超声探伤的典型复杂案例LOGO上述图3、4中探伤的复杂性为了对图3所示的中薄板焊缝及其热影响区整个截面进行完全的检测和不同方位缺陷的检测，根据检测工艺的要求，探头要从1位置移动到2位置检测焊缝下半部，探头从2位置移动到3位置检测焊缝上半部；如果要检测图4的厚板焊缝及其焊缝热影响区整个截面，则根据检测工艺的要求，要采用2个甚至3个不同角度探头在检测面A、B、C、D上

4、移动，才能符合检测的要求（见图4），而我们下面谈到的超声波相控阵检测技术就能较好的解决以上常规A超遇到问题。LOGO二、超声波相控阵检测技术的基本原理超声波相控阵技术在20世纪60年代主要处于实验室研究阶段，至70年代初医学上在人体超声成像方面得到了较成功的应用如图5。LOGO基本原理以上介绍的常规超声波检测通常采用一个晶片来产生超声波，因此只能产生一个固定的波束，其波形和角度是预先设计的不能改变的，除非换个探头。而超声相控阵技术的基本思路来自于雷达电磁波相控阵技术。相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整

5、电磁波的辐射方向，在一定范围内合成雷达波束。同样相控阵超声波探头，是由多个小的晶片按照一定的序列组成，相控阵探伤按照预定的规则和时序对探头中的一组或全部晶片分别进行激活，即在不同的时间内相继激发探头中的多个晶片，每个激活晶片发射的超声波束相互干涉形成新的波束，它可以通过调整激发晶片的数量、时间得到人们期望的波束形状和偏转角度，来符合检测的需要。LOGO图6典型相控阵探头LOGO如上所示，相控阵探头是多晶片探头，从一个探头4个晶片发展至今到512个晶片常用的阵列有线阵、矩阵和环阵。见下图7-图19LOGO扫查方式通过以上不同的晶片阵列以及探

6、伤仪的时序激发，可获得不同的扫描方式如图11a、b、c，从而达到不同被检物和缺陷的检测要求。LOGO扫差原理说明通过激活晶片组的时间多路技术使超声波束沿着阵列轴向移动，这样不用移动探头，就能对试件某个范围进行扫查实施检测。当然扫查范围受探头中晶片数量和采集系统中“通道”数量的限制。一维线性阵列通常用于目前市面上的便携式仪器。晶片的激发与两维矩阵相比相对简单。两维矩阵探头则可在三维空间内进行聚焦和控制超声波束。这就需要计算机较强的数据处理能力和非常复杂的聚焦法则计算器。LOGO扇形扫查图11（b)扇形扫查通过激发同一组晶片，但采用不同的聚焦

7、法则获得的。对比图3、图4我们可以很清楚的了解到常规A型超声波检测对于同样一条焊缝的检测，探头要来回在检测面上移动，对于厚板焊缝检测，则需要更换几个探头，才能达到检测的要求，检测速度慢，劳动强度高。而相控阵检测则可经过预先设计，用一个探头（多组晶片），通过扇形扫查，只要沿着焊缝长度方向扫查即可。聚焦扫差相控阵聚焦的优点图11（c)是通过激发环形阵列晶片而获得的在工件深度范围内进行的波束聚焦。两维环扇形阵列由多个相等尺寸的晶片构成，这些晶片可以单独激发以便于在三维空间内控制聚焦，聚集可在各个不同的深度。图13是使用常规A超聚焦探头，产生聚焦

8、区的情况，探头只能产生一个最佳聚焦深度。由于超声波束在传播过程中由声束扩散所产生的扩散衰减、在传播过程中遇到不同声阻抗的介质所组成的界面上的散射衰减、以及为克服在传递时介质质点间的粘滞力而造成