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为什么使用相控阵?
不需要移动工件,实现高速电子扫查
通过软件控制波束特征提高检测性能
单个电子控制的相控阵探头实现多角度检测
多种配置:P/E, T/R, TOFD, 串列扫查
对于复杂几何体的检测更具灵活性
-最佳的聚焦
-最佳的波束角度
相控阵技术能够电子修改超声探头的特征。
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。
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
。
优点
相控阵最显著的特点是 可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。 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;而且探头内可快速平移声束。因此 ,与传统超声检测技术相比 ,相控阵技术的 ,优势是 ①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。②不移动探头或尽量少移动探头可扫 100 % 扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域 ,是解决可达性差和空间限制问题的有效手段。③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多方向扫查 ,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向 ,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
缺点
探头制造复杂,国内目前不能制作
探头一般尺寸较大,受现场条件限制
对检测人员要求高
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
相控阵探头
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。
基本阵列设计
线性阵列(1D)基本上是一个长的常规探头。
切割成许多可以单独激发的小晶片。
阵列探头的设计参数
探头参数:
频率(f)
阵列中晶片的数量(n)
控制或激活方向上总的孔径(A)
高度,在机械轴或次轴方向上的孔径(H)
间距,两个相邻晶片的中心间距(p)
单个晶片的宽度(e)
合成探头技术
PA探头基于合成技术, 从合成探头获得的信噪比比压电陶瓷材料高10-30dB。
压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成。
合成探头技术
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。
探头制造:外壳
探头的结构与常规探头相似
声匹配
压电合成体
填充材料
多达128个共轴电线
相控阵探头设计参数
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
晶片之间彼此声绝缘
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”
1D线性阵列
许多线性探头设计
探头可以在次轴上形成聚焦
PA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….
普通的探头几何形状
1D线性阵列 2D线性阵列
常用的探头几何形状
1D环形阵列 2D环形阵列
常用的探头几何形状
菊花探头数据
楔块参数
楔块参数
楔块声速(vw)
楔块角度(ω)
第一个晶片高度(h1)
第一个晶片的偏移(x1)
楔块常用的材料是一种专利材料Rexolite
探头电子控制
电子脉冲延迟(图有错)
斜波束
聚焦波束
线阵探头-线性扫查
线性探头-扇形扫查
连续或环形扫查
波束的形成原理
常规波束形成
常规UT探头角度偏转(发射):
-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 个带角度波束。
斜波束
常规波束形成
常规UT探头控制波束(接收)
-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“同相位”的波前同时撞击到压电晶片。
斜波束-接收一侧
相控阵波束形成
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。
-只有信号“满足”延迟法则达到同相位,合并后才会产生有效信号。
相控阵波形成
相控阵信号处理总图
出于经济考虑,脉冲发生器通常采用多路输出。Omniscan 16/128是指仪器具有16个脉冲发生器,通过多路输出得到128个超声通道。
波束形成
聚焦波束-接收侧
聚焦法则产生
聚焦法则计算器
本机工具
-TomoView
-Omniscan “编程探头”
EPRI 工作手册
PASS,CIVA, 等.
相控阵波束的特点
波束聚焦
把超声能量聚集到一个焦点的能力
使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度
对称(比如抛物线)聚焦法则(时间延迟对晶片位置)
波束聚焦
非聚焦波束
波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长λ。
近场区
扩散角(半扩散角θ,在-6dB)
波束尺寸(在深度Z
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