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超声相控阵检测技术的一些常识

编辑:无损检测挂靠网 时间:2021-05-06

与国外相比,国内对于超声相控阵的研究起步较晚,但也已有部分高校和研究机构做出了较为深入的研究,并取得显著成果。

清华大学基于DDS技术提出了高精度相控发射电路,相位分辨率达到了1.14;对混频相控阵的聚焦特性进行了研究;设计了二维矩阵相控阵,对检测区域进行了三维成像;成功研制了一维柔性探头,并对曲面进行了检测。

天津大学研制了超声相控阵管道环焊缝检测系统,并对环焊缝的相关检测方法进行了研究,获得很好的缺陷分析结果;应用超声相控阵对飞机复合材料进行了检测,并对缺陷进行定性分析。

哈尔滨工业大学研制了用于海洋平台结构探伤的超声相控阵检测系统。

上海交通大学也做了关于超声相控阵海洋平台结构检测的相关研究,并对相控阵列进行了优化设计,研究了动态聚焦算法。

声学所研制了8通道环形阵列,实现了轴向的动态聚焦。

中北大学研制了16通道超声相控阵高精度触发系统,可实现10ns的延时分辨率,并对相控阵的声场特性进行了一系列研究。

西南交通大学研制了车轮轮辋(wăng)相控阵检测系统,对火车轮辋进行在线检测。


1959年,世界上第一个超声相控阵检测系统(环形动态聚焦换能器系统)由Tom Brown研制出。

20世纪70年代初期,市场上出现了第一个医用超声相控阵换能器,医学超声成像中用相控阵换能器对人体被检器官进行横断成像。系统的复杂性、波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限,此后很长一段时间仅在医学中发展。

在80年代第一台工业用超声相控阵检测仪研制成功,但这台检测仪系统非常复杂,体积大且价格昂贵,因此在工业中的应用并不广泛。

然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。

1992年,美国通用电气公司(CE)研制成功了数字式超声相控阵实时成像系统,实现完全可编程的数字式声束形成,可更加灵活地控制声束;

1994年,英国科学家Hatfield研制了可手持式操作的高集成度超声相控阵系统;

1998年,法国原子能委员会(CEA)研制了自适应聚焦超声成像系统(即FAUST系统),实现了更灵活、适应性更强的检测;

2000年,CEA又成功研发了曲率半径为15mm的曲面换能器,用于曲表面零件的检测。

同年,柔性相控阵探头于法国研制成功、用于不规则表面零件的检测;加拿大的R/D TECH公司致力于管道环焊缝的检测系统研究,于2002年研制了PipeWIZARD超声相控阵管道检测系统;

2005年,GE研发的超声相控阵油气管道检测系统正式投入使用,得到良好的检测效果;同时,GE与联邦材料试验研究所(BAM)、德国铁路(DB)联合研发了用于检测火车轮轴关键部位横向裂纹的超声相控阵系统。


一、超声相控阵检测基本原理

超声相控阵检测技术的基本思想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组成,通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位,调整电磁波的辐射方向,在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。

超声相控阵换能器由若干个形状相同、大小相等的压电晶片组成阵列,每个晶片独立地发射超声波束,并通过按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元,从而调节控制焦点的位置和聚焦的方向形成聚焦声场。

二、超声相控阵关键技术

超声相控阵关键技术:声束控制和探头参数的影响。

1.相控阵声束控制

超声相控阵检测扫描时声束的控制方式主要有3种:声束偏转、声束聚焦和声束偏转与聚焦。

2.相控阵探头参数影响

相控阵超声阵列探头的性能对检测分辨率的影响很大,如何设计探头参数是极为关键的技术之一。

要想获得最优化的设计效果需要研究相控阵阵列探头对声束指向性、聚焦效果等特性的影响。

影响声束特性的探头参数主要包括:探头阵元数(N)、阵元间距(d)和阵元宽度(a)。

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