相控阵技术的基础原理PPT幻灯片
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相控阵原理 ppt课件
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3 相控阵探头
相控阵技术
武汉中科创新技术股份有限公司
10mm
0.1 0.2 0.3 0.4mm 缺陷自身高度
缺陷之间的距离 = 10 mm
右图可以看出相控阵图像的缺陷大小依 次增大，说明相控阵技术的分辨率高。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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3 相控阵探头
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常规探头
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
10
1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
国内外研究现状 ——超声相控阵
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
16
2 超声相控阵检测原理
武汉中科创新技术股份有限公司
相控阵技术的优点
相控阵技术相对于X线检测技术优势：
１）耗材成本小，使用成本低； ２）检测结果更全面，各维数据显示全面，判性信息更加齐全； ３）超声检测更加环保，现场使用更加方便； ４）现场操作简单，扫查速度快，检测效率高。
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3 相控阵探头
相控阵技术
武汉中科创新技术股份有限公司
常量
使用相控阵仪器和探头声束角度可以被改变. 单个探头就可以覆盖全部焊缝检测区域
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3 相控阵探头
相控阵技术
武汉中科创新技术股份有限公司
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《相控阵技术的基础原理》PPT模板课件
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6 14 26 42 13 25 41 61
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12 24 40 60
23 39 59
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58 57
X = -6 . 5 , Y = -6 . 5 --> X = 6 .5
使用Tomoview 软件使设置更 简单
电子/扇形扫查动画
动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。
波束在 返回时 重新聚 焦
B e a m d is p la c e m e n t
动态深度聚焦示意图
M e ch a n ic al D isp la ce m e n t
用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
标准的相控阵
动态深度聚焦
动态深度聚焦动画
相控阵 T.O.F.D. ~ 线形扫查
相控阵的优点
检测复杂型面 检测速度快 检测灵活性更强 探头尺寸更小 检测难以接近的部位 由于以下因素可以节约系统成本:
– 探头更少 – 机械部分少
c = ve lo c ity in m a te rial
FO C U S D EPTH (PU LSER ) D Y N A M IC F O C U S IN G (R E C E IV E R )
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在
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12 24 40 60
23 39 59
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X = -6 . 5 , Y = -6 . 5 --> X = 6 .5
使用Tomoview 软件使设置更 简单
电子/扇形扫查动画
动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。
波束在 返回时 重新聚 焦
B e a m d is p la c e m e n t
动态深度聚焦示意图
M e ch a n ic al D isp la ce m e n t
用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
标准的相控阵
动态深度聚焦
动态深度聚焦动画
相控阵 T.O.F.D. ~ 线形扫查
相控阵的优点
检测复杂型面 检测速度快 检测灵活性更强 探头尺寸更小 检测难以接近的部位 由于以下因素可以节约系统成本:
– 探头更少 – 机械部分少
c = ve lo c ity in m a te rial
FO C U S D EPTH (PU LSER ) D Y N A M IC F O C U S IN G (R E C E IV E R )
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在
超声相控阵技术简介课件
其他应用案例详解
超声相控阵技术在其他领 域的应用
除了医疗和无损检测领域，超声相控阵技术 还可以应用于其他领域，如军事、环保等。 例如，在军事领域，超声相控阵技术可以用 于探测潜艇、水雷等目标；在环保领域，可 以用于水质监测、土壤污染调查等。
案例介绍
以水质监测为例，超声相控阵技术可以对水 体中的悬浮物、有机物等进行快速、准确的
相控阵技术基础知识
相控阵技术的定义
相控阵技术是一种利用相位差控制波束指向的技术，通过控制阵列中各个天线元 素的相位差，可以实现波束的动态扫描。
相控阵技术的应用
相控阵技术被广泛应用于雷达、声纳、无线通信等领域，可以实现高性能的定向 传输和信号处理。
03
超声相控阵技术设备与系统
超声相控阵探头及扫描系统
下领域
石油工业：在石油工业中，超 声相控阵技术可以用于检测油 井套管、管道等设备的缺陷。
电力工业：在电力工业中，超 声相控阵技术可以用于检测变 压器、电机等设备的内部缺陷
。
航空航天：在航空航天领域， 超声相控阵技术可以用于检测 飞机、火箭等飞行器的结构完
整性。
05
超声相控阵技术发展趋势与挑 战
超声相控阵技术发展趋势
无损检测案例详解
超声相控阵技术在无损检测领域的应用
超声相控阵技术可以用于材料和结构的无损检测，如航空航天、汽车制造等领域。通过相控阵技术， 可以对材料和结构进行快速、准确的检测，确保产品的质量和安全。
案例介绍
以航空航天领域为例，超声相控阵技术可以对飞机发动机叶片进行无损检测，检测叶片的裂纹、气孔 等缺陷，确保飞机的安全运行。
检测，为环境保护提供科学依据。
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相控阵原理 ppt课件
1 技术背景
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规范化的应用情况
ASME CC 2235-8、9明确是可用于替代射线检测的方法之一 ASTM E1961-1998相控阵技术可用于天然气管线焊缝分区聚焦超声检测 DNV-OS-F101允许相控阵技术用于海上石油管线建设焊缝分区聚焦超声
检测 中石油《管道对接环焊缝全自动超声波检测》企业标准
• 2001年，我国首次在国家重点工程——西气东输中应用 了相控阵技术，即PIPEWIZARD全自动超声检测系统。
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1 技术背景
研究历史
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• 相控阵技术广泛应用于各医院的B超检测中，精确测量人体各器官位置及尺寸变化；
B超
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中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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国内外研究现状 ——超声相控阵
2 超声相控阵检测原理
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相控阵的功能
➢ 改变声束位移 ➢ 改变声束角度 ➢ 改变聚焦距离和聚焦特性 ➢ 电子扫描 ➢ 电子扫描成像
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2 超声相控阵检测原理
基本概念
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探头阵列 将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立
小单元探头的阵列。
相位控制 独立控制各个阵元的发射和接收的微小延时，
相控阵技术介绍演示文稿
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）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
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。
相控阵技术介绍演示文稿
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。
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）
波束聚焦
聚焦的波束： 聚焦系数（K）定义为: 此处F=聚焦距离
N＝近场区
指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 （dst）为：
波束聚焦理论
线性探头晶片间隙1mm，频率5MHz, 声速1480m/s
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。
相控阵技术介绍演示文稿
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。
超声相控阵技术简介ppt课件
二维阵列
矩阵
lo-theta阵列
阵元数大。 阵元小。 二维控制。
准二维阵列
矩阵
周向环阵
阵元数不大。 阵元不小。 二维控制。
声束位置控制
• 控制阵列探头各晶片的开 关，使开启的晶片组合的 中心位置改变，从而改变 产生和接收的超声波轴线 位置，实现声束位置的控 制。
声束角度控制
• 沿阵列的排列方向各晶片的 位置线性控制其发射和接收 的相位延时，使各晶片波前 叠加后如同平面探头转动了 一个方向后产生的波前，实 现声束的角度控制
的 投影图像
P扫描 E（End）端视
T（Top）顶视
S（Side）侧视
扇扫（S扫）
电子栅格扫查（E扫）
• 横向分辨率高，能实现较长距离的一维电子扫查 • 线扫的探头一般在扫描方向较大
扇扫（S-Scan）
• 相控阵扇扫一般指固定声束位置，连续偏转合成声束的角度， 记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫描角度和回波传输延 时确定像素的位置，回波幅度确定像素的亮度或彩色，显示所 有回波记录的过程。形成的图像外形像一个扇面叫扇扫图像。
相控阵超声技术应用介绍（一） 简介
相控阵超声
• 相位控制的探头阵列 • 控制检测声束的特性
• 位置 • 偏角 • 聚焦
技术特征
• 单晶探头检测声场特性
• 整体辐射 • 单一指向性 • 单一声束特性
• 相控阵探头检测声场特性
• 可控部分辐射 • 可控偏角指向 • 可控聚焦
一维阵列
线阵
径向环阵
阵元数少。 阵元大。 功能单一。
• 合成声束
• 发射整体波阵面合成 • 接收信号延时合成
合成孔径（ Synthetic Aperture）
相控阵技术的基础原理PPT幻灯片共3文档
contents •相控阵技术概述•相控阵基本原理•相控阵系统组成及功能•相控阵关键技术分析•相控阵性能指标评价方法•相控阵技术应用案例分享目录定义与发展历程定义发展历程应用领域及现状应用领域现状相控阵技术将实现更多功能，如同时实现通信和雷达探测等。
多功能化智能化高集成度拓展应用领域引入人工智能和机器学习等技术，实现自适应波束形成和智能信号处理。
采用先进的微纳加工技术和集成电路设计技术，实现相控阵天线的高集成度和低成本。
探索相控阵技术在5G/6G 通信、智能交通、物联网等新兴领域的应用。
未来发展趋势阵列天线基本原理010203天线阵列概念阵列因子波束指向性波束形成与扫描原理波束形成波束扫描数字波束形成（DBF）信号处理与接收原理信号接收与处理流程包括信号接收、下变频、模数转换（ADC）、数字信号处理（DSP）等步骤，实现对回波信号的提取、分析和目标检测。
多普勒效应与动目标检测利用多普勒效应对运动目标进行检测和测速，通过分析回波信号的多普勒频率实现目标运动参数的提取。
杂波抑制与干扰对抗采用空域滤波、时域滤波等技术抑制杂波干扰，提高雷达系统的抗干扰能力和目标检测性能。
1 2 3发射机移相器发射天线接收机移相器接收天线波控器根据目标位置和速度信息，计算波束指向和波束形状，并生成相应的控制指令。
电源控制器为各子系统提供稳定的电源供应，确保系统正常工作。
故障诊断与处理模块实时监测系统运行状态，对故障进行诊断和处理，确保系统稳定性和可靠性。
通信接口与外部设备进行通信，接收控制指令并发送状态信息。
阵列天线设计技术阵列天线构型设计01阵列单元设计02馈电网络设计03波束形成算法设计技术波束指向控制算法通过改变阵列天线各单元的幅度和相位，实现波束的指向控制。
波束形状优化算法根据应用场景需求，优化波束形状以提高系统性能。
自适应波束形成算法利用现代信号处理技术，实现波束的自适应调整以应对复杂电磁环境。
信号处理技术信号检测与估计对接收信号进行检测、参数估计等处理，为后续信号处理提供基础数据。
相控阵教程第二讲
发射机工作原理
03
高频信号源产生高 频载波信号，经调 制器将基带信号调 制到高频载波上。
04
调制后的信号经功 率放大器放大，驱 动天线阵列发射电 磁波。
接收机组成及工作原理
天线阵列
接收空间中的电磁波信号。
低噪声放大器
放大接收到的微弱信号。
接收机组成及工作原理
下变频器
将高频信号转换为中频或基带信号。
系统集成与调试方法
进行系统联调，测试系统整体性能。 系统调试方法
采用分模块调试方法，先对各个模块进行单独调试，再对整个系统进行联调。
系统集成与调试方法
利用仿真软件对系统进行模拟仿真， 以验证系统设计的正确性。
在实际环境中进行系统测试，观察系 统性能并进行必要的调整和优化。
05
相控阵性能指标评价方法
应用领域及发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，相控 阵将实现更加智能化的波束控制 和优化算法，提高系统性能。
集成化
通过采用先进的微纳加工技术和 集成电路设计技术，实现相控阵 的微型化和集成化，降低成本和 功耗。
多功能化
相控阵将实现更多功能集成，如 通信、雷达、电子战等多功能一 体化设计，满足复杂应用场景需 求。
数据处理
对跟踪得到的目标数据进行处理和分析，提取有用信息并应用于雷达 、通信、电子战等领域。
04
相控阵系统组成及工作原理
Chapter
发射机组成及工作原理
高频信号源
产生高频载波信号。
调制器
将基带信号调制到高频载波上。
发射机组成及工作原理
01
功率放大器：放大 调制后的信号，以 驱动天线阵列。
02
THANKS
感谢观看
03
高频信号源产生高 频载波信号，经调 制器将基带信号调 制到高频载波上。
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调制后的信号经功 率放大器放大，驱 动天线阵列发射电 磁波。
接收机组成及工作原理
天线阵列
接收空间中的电磁波信号。
低噪声放大器
放大接收到的微弱信号。
接收机组成及工作原理
下变频器
将高频信号转换为中频或基带信号。
系统集成与调试方法
进行系统联调，测试系统整体性能。 系统调试方法
采用分模块调试方法，先对各个模块进行单独调试，再对整个系统进行联调。
系统集成与调试方法
利用仿真软件对系统进行模拟仿真， 以验证系统设计的正确性。
在实际环境中进行系统测试，观察系 统性能并进行必要的调整和优化。
05
相控阵性能指标评价方法
应用领域及发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，相控 阵将实现更加智能化的波束控制 和优化算法，提高系统性能。
集成化
通过采用先进的微纳加工技术和 集成电路设计技术，实现相控阵 的微型化和集成化，降低成本和 功耗。
多功能化
相控阵将实现更多功能集成，如 通信、雷达、电子战等多功能一 体化设计，满足复杂应用场景需 求。
数据处理
对跟踪得到的目标数据进行处理和分析，提取有用信息并应用于雷达 、通信、电子战等领域。
04
相控阵系统组成及工作原理
Chapter
发射机组成及工作原理
高频信号源
产生高频载波信号。
调制器
将基带信号调制到高频载波上。
发射机组成及工作原理
01
功率放大器：放大 调制后的信号，以 驱动天线阵列。
02
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22
扇形(带方位角的) 扫查
扇形扫查 – 不改变位置而改变入射角 – 检测缺陷时很有用。
23
扇形扫查
扇形扫查可以不移动探头就检测整个待检工件 检测表面复杂或空间有限的情况下大有用武之地 一个相控阵探头结合了宽波束探头和多焦点探头 的优势
2...例
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扇形扫查动画
扇形扫查对 “难以接近” 的复杂型面十 分适合如，涡 轮叶的根部检 测
3
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X=-6 .5 , Y=-6 .5 --> X =6 .5
24 40 60 39 59 58
4
相控阵探头设计参数
A e
p
g
探头参数：
频率 (f) 晶片数量 (n) 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)
相控阵培训课程
相控阵工作原理
1
相控阵定义
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换能器晶 片阵列。
2
讨论提纲
相控阵能做什么？
– 线形, 扇形 – 动态深度聚焦 – 线形和 扇形的结合
3
常见的探头阵列几何外形
Y = 8 .0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16
用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
标准的相控阵
动态深度聚焦
32
动态深度聚焦动画
–– 通通过过带带角角度度楔楔块块的的延延时时使使波波束束角角度度产产生生偏偏 转转
15
常规超声波束形成
Received signal Crystal
A
B
Wedge
C
Material
Delay
A
B
C Location
S
常规超声探头波束角度偏转 (接收) – 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束
– 在超声波接收过程中带角度楔块提供延时使同相位信 号在压电晶片上产生结构干涉。
16
相控阵波束形成
Time
Delay Focal law
Wave front
Element
相控阵探头波束偏转 (发射)
– 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束
– 发射过程中通过软件施加精确延时产生带角度波束
17
相控阵波束形成
S
相控阵波束形成 (接收) – 接收过程中通过软件施加精确延时 – 只有符合延时法则的信号保持同相位，并在合计后产 生有效信号。
c = ve lo c ity in m a te rial
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动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在
B
束都在晶片波束宽度内
d
sin0.41
d
•点B的效果不好因为波束 超出了晶片的波束宽度
9
波束的产生和聚焦
用不同的延时 激发晶片产生 不同外形的波 束 这是一个纵波 各个晶片延时 相等
10
激活晶片组
电子扫查
探头不作任何机械移动， 而波束沿晶片阵列方向作 电子扫查。
通过对激活晶片组进行多 路延时，使波束产生移动 。
扫查宽度局限于: – 阵列中晶片的数量 – 采集系统支持的通道数 量
11
波束偏转
对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。
12
波束偏转和聚焦
图中有阵列里的各 个晶片; 加在每个 晶片上的延时; 产 生的波束在早期、 中期和焦点处的形 状。 为了聚焦和倾斜, 我们采用复合曲线 和抛物线。
13
相控阵波束形成原理
14
常规超声波束形成
Excitation pulse
Crystal
A
B
Wedge
C
Material
Wave front
Delay
A
B
C Location
常常规规超超声声探探头头波波束束角角度度偏偏转转 ((发发射射)) –– 根根据据惠惠更更斯斯原原理理产产生生超超声声波波束束
18
相控阵波束形成
相控阵信号处理概述
19
不依靠任何机械运动 就将波束沿阵列的一 个轴线移动的能力。
这种移动是靠晶片的 时间多路传输技术实 现的。
波束的移动取决于探 头的几何外形 可能出 现以下几种情况：
–线形扫查
–扇形扫查
–横向扫查
–以上扫查的组合
电子扫查
20
焊缝电子扫查
21
相控阵焊缝串列扫查
H
5
相控阵探头设计参数
一个长方形晶片被切割 成许多个小晶片，形成 一维阵列探头，每个小 晶片都可以单独激发。
6
相控阵基础
7
波束聚焦
晶片数量：10
晶片数量：16
孔径：10 x 10mm 孔径：16 x 10mm
晶片数量：32 孔径：32 x 10mm
8
波束形成与晶片波束宽度的关系
A
• 点A 可以因为所有的波
使用Tomoview 软件使设置更 简单
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电子/扇形扫查动画
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动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。
波束在 返回时 重新聚 焦
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动态深度聚焦示意图
M e ch a n ic al D isp la ce m e n t
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3
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19
23
27
31
2
6
10
14
18
22
26
30
1
5
9
13
17
21
25
29
X = -3 .9 , Y = -1 .9 --> X = 3 .9
Y=6.5
47 48
30 49 31
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
51 33 19 9 52 34 20 10
26
涡轮焊接转子检测
相控阵检测:
•30-60度的横波做扇形扫查 •步进为1度 •沿圆周轴向做机械扫查
相控阵探头:
5 MHz, 16晶片, 16 mm x 16 mm 固定在楔块上
试块:
EDM槽2 mm x 0.5 mm
27
叶片根部的扇形扫查
28
扇形扫查和线形扫查结合
将两种扫查结 合起来可以得 到独特的视图
线形阵 1维 线形阵 2维 矩形阵
X = -7 .9, Y =-8 .0 --> X = 7.9
Y=4.4
45678911011121314156 3 2 1
• 圆形阵
– 1维 环形阵 – 2维 扇形阵
X = -4.4 , Y = -4 .4 --> X = 4 .4
Y = 1 .9
4
8
12
16
20
扇形(带方位角的) 扫查
扇形扫查 – 不改变位置而改变入射角 – 检测缺陷时很有用。
23
扇形扫查
扇形扫查可以不移动探头就检测整个待检工件 检测表面复杂或空间有限的情况下大有用武之地 一个相控阵探头结合了宽波束探头和多焦点探头 的优势
2...例
25
扇形扫查动画
扇形扫查对 “难以接近” 的复杂型面十 分适合如，涡 轮叶的根部检 测
3
2
1
4
5
6 14 26 42 13 25 41 61
11
12
53 35 21
22
23
54 36
37
38
55
56
57
X=-6 .5 , Y=-6 .5 --> X =6 .5
24 40 60 39 59 58
4
相控阵探头设计参数
A e
p
g
探头参数：
频率 (f) 晶片数量 (n) 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)
相控阵培训课程
相控阵工作原理
1
相控阵定义
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换能器晶 片阵列。
2
讨论提纲
相控阵能做什么？
– 线形, 扇形 – 动态深度聚焦 – 线形和 扇形的结合
3
常见的探头阵列几何外形
Y = 8 .0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16
用一个脉冲可以 从0聚焦到100㎜ 深度的地方。
标准的相控阵
动态深度聚焦
32
动态深度聚焦动画
–– 通通过过带带角角度度楔楔块块的的延延时时使使波波束束角角度度产产生生偏偏 转转
15
常规超声波束形成
Received signal Crystal
A
B
Wedge
C
Material
Delay
A
B
C Location
S
常规超声探头波束角度偏转 (接收) – 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束
– 在超声波接收过程中带角度楔块提供延时使同相位信 号在压电晶片上产生结构干涉。
16
相控阵波束形成
Time
Delay Focal law
Wave front
Element
相控阵探头波束偏转 (发射)
– 根据惠更斯原理在楔块中产生超声波束
– 发射过程中通过软件施加精确延时产生带角度波束
17
相控阵波束形成
S
相控阵波束形成 (接收) – 接收过程中通过软件施加精确延时 – 只有符合延时法则的信号保持同相位，并在合计后产 生有效信号。
c = ve lo c ity in m a te rial
FO C U S D EPTH (PU LSER ) D Y N A M IC F O C U S IN G (R E C E IV E R )
31
动态深度聚焦
DDF 在扫查时 不断为接收信号 重新载入聚焦法 则。 这一操作 靠硬件完成, 所 以很快。 现在
B
束都在晶片波束宽度内
d
sin0.41
d
•点B的效果不好因为波束 超出了晶片的波束宽度
9
波束的产生和聚焦
用不同的延时 激发晶片产生 不同外形的波 束 这是一个纵波 各个晶片延时 相等
10
激活晶片组
电子扫查
探头不作任何机械移动， 而波束沿晶片阵列方向作 电子扫查。
通过对激活晶片组进行多 路延时，使波束产生移动 。
扫查宽度局限于: – 阵列中晶片的数量 – 采集系统支持的通道数 量
11
波束偏转
对横波而言, 延时参数是 “倾斜的” 如图所示。
12
波束偏转和聚焦
图中有阵列里的各 个晶片; 加在每个 晶片上的延时; 产 生的波束在早期、 中期和焦点处的形 状。 为了聚焦和倾斜, 我们采用复合曲线 和抛物线。
13
相控阵波束形成原理
14
常规超声波束形成
Excitation pulse
Crystal
A
B
Wedge
C
Material
Wave front
Delay
A
B
C Location
常常规规超超声声探探头头波波束束角角度度偏偏转转 ((发发射射)) –– 根根据据惠惠更更斯斯原原理理产产生生超超声声波波束束
18
相控阵波束形成
相控阵信号处理概述
19
不依靠任何机械运动 就将波束沿阵列的一 个轴线移动的能力。
这种移动是靠晶片的 时间多路传输技术实 现的。
波束的移动取决于探 头的几何外形 可能出 现以下几种情况：
–线形扫查
–扇形扫查
–横向扫查
–以上扫查的组合
电子扫查
20
焊缝电子扫查
21
相控阵焊缝串列扫查
H
5
相控阵探头设计参数
一个长方形晶片被切割 成许多个小晶片，形成 一维阵列探头，每个小 晶片都可以单独激发。
6
相控阵基础
7
波束聚焦
晶片数量：10
晶片数量：16
孔径：10 x 10mm 孔径：16 x 10mm
晶片数量：32 孔径：32 x 10mm
8
波束形成与晶片波束宽度的关系
A
• 点A 可以因为所有的波
使用Tomoview 软件使设置更 简单
29
电子/扇形扫查动画
30
动态深 度聚焦 （DDF） 在用一 个脉冲 检测薄 件时十 分有效。
波束在 返回时 重新聚 焦
B e a m d is p la c e m e n t
动态深度聚焦示意图
M e ch a n ic al D isp la ce m e n t
24
28
32
3
7
11
15
19
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2
6
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1
5
9
13
17
21
25
29
X = -3 .9 , Y = -1 .9 --> X = 3 .9
Y=6.5
47 48
30 49 31
17
50 32 18 8
46 45
29 28 44
16
15 27 43 7
51 33 19 9 52 34 20 10
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涡轮焊接转子检测
相控阵检测:
•30-60度的横波做扇形扫查 •步进为1度 •沿圆周轴向做机械扫查
相控阵探头:
5 MHz, 16晶片, 16 mm x 16 mm 固定在楔块上
试块:
EDM槽2 mm x 0.5 mm
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叶片根部的扇形扫查
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扇形扫查和线形扫查结合
将两种扫查结 合起来可以得 到独特的视图
线形阵 1维 线形阵 2维 矩形阵
X = -7 .9, Y =-8 .0 --> X = 7.9
Y=4.4
45678911011121314156 3 2 1
• 圆形阵
– 1维 环形阵 – 2维 扇形阵
X = -4.4 , Y = -4 .4 --> X = 4 .4
Y = 1 .9
4
8
12
16
20