超声相控阵检测技术 PPT

超声相控阵检测技术
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探头的几何外形
Y = 8 .0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16
X =-7 .9, Y =-8 .0 --> X =7.9
Y=4.4
45678911011121314156 3 2 1
X = -4.4 , Y = -4.4 --> X =4 .4
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相控阵国外研究进展
目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新型 管道全自动超声检测仪已经进入实用阶段，代表了管 道焊缝检测技术的发展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先将相控阵检测技术应用于管道探伤领 域，开发了相控阵全自动超声检测系统。
相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫 查方向和聚焦深度的控制，可以以同一个探头来实现 不同壁厚、不同材质管道焊缝的检测任务，克服了常 规多探头自动超声检测系统调整难度大和探头适应范 围窄以及设备沉重的缺点。
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相控阵国内研究进展
2000年8月由中国石油天然气管道科学研究院等 单位组成了研究开发实体，于2001年5月在中国 石油天然气集团公司申请立项了“大口径环焊缝 相控阵超声波无损检测设备研制”科技开发项目， 并于2003年3月顺利通过了中国石油天然气集团 公司的鉴定，该项目的研制成功填补了国内空白， 达到了国外同类产品的水平。
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超声相控阵综述
超声相控阵技术已有近2O多年的发展历史，初期 主要应用于医疗领域，医学超声成像中。系统的复 杂性、固体中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制。
近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚 焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、 纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和 计算机模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域 中的综合应用。使得超声相控阵检测技术得以快速 发展，逐渐应用于工业无损检测。
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OminiScan仪器实际检测的图片
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压电晶片
天然石英晶体、一水硫酸锂晶体、碘酸锂、 铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT),钛酸铅、 偏铌酸铅和极化的多晶陶瓷等等。
最常用：PZT 压电效应
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阵列探头的基本构造
1.压电晶片；2.声阻尼块；3.耦合层； 4.声透镜；5.导线。
• 探头更少 • 机械部分少
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OminiScan的主要性能
有两个模块，超声相控阵，电涡流的模块； 全功能S扫描，A，B，C扫描，图形直观，快捷，方
便； USB接口，RS-232接口，视频输出和以太网接口； 数据存储卡，接近计算机的人机界面； 完整的报告设置；
B型显示：又称B扫。它以反射回波作为辉度调制 信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上纵坐标 表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位置， 反映缺陷的水平延伸情况；
B扫能直观显示缺陷在纵截面上的二维特性，获 得截面直观图。
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超声波的扫描和显示
C型显示：又称C扫。以反射回波作为辉度调制信 号，用亮点或者暗点显示接收信号，缺陷回波在 荧光屏上显示的亮点构成被检测对象中缺陷的平 面投影图；
国内的相控阵仪器还没有商品化；
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相控阵国内应用
相控阵技术目前在国内真正做到大量应用的尚只有西气 东输工程，在航空系统和核工业系统等一些部门也有少 量的应用；
西气东输：2000年9月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARD相控阵全自动超声检测系统。2001年，从西 气东输一标段的实验段，截至一标段主体管线完工时， 实际检测了焊缝6919道，其结果和射线底片结果的符合 率达80％以上，还检出了大量在射线底片上不明显的未 熔合缺陷；
这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不 能确定缺陷的深度；
一般A扫和C扫结合： A扫显示深度信息； C扫显示缺陷形状及当量信息；
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超声轴+扫查轴 B扫
编码轴+扫查轴 C扫
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编码轴+扫查轴 C扫
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超声波探伤方法
共振法；脉冲回波法；穿透法； 脉冲回波法原理(超声相控阵也是基于此原理)：
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晶片阵列方向孔径 (A) 晶片加工方向宽度 (H) 单个晶片宽度 (e) 两个晶片中心之间的间距 (p)
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超声波的扫描和显示
A型显示：A扫，工业超声检测中应用最多，是目 前脉冲发射式探伤仪最基本的显示方式；
荧光屏上纵坐标代表发射回波的幅度，横坐标代 表发射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度 和时间确定缺陷的大小和存在的位置。
无缺陷
有小缺陷
有大缺陷
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超声相控阵的检测原理
相控阵超声检测技术是通过电子系统控制换能器 阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则发 射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中 的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法；
科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上 海交通大学；
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相控阵的优点
探头尺寸更小； 检测难以接近的部位； 检测速度快，检测灵活性更强； 可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ； 通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子扫
描，对试件进行高速，全方位和多角度检测； 由于以下因素可以节约系统成本：
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50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
51 33 19 9 52 34 20 10
3
2
1
4
5
6 14 26 42 13 25 41 61
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53 35 21
22
23
54 36
37
38
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X=-6 .5 , Y=-6 .5 --> X =6 .5
24 40 60 39 59 58
线形阵 1维 线形 阵 2维 矩形 阵
圆形阵 1维 环形 阵 2维 扇形 阵
Y = 1 .9
4
8
12
16
20
11
15
19
23
27
31
2
6
10
14
18
22
26
30
1
5
9
13
17
21
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X = -3 .9, Y = -1 .9 --> X = 3 .9
Y=6.5
47 48
30 49 31