超声相控阵检测教材-第三章-超声相控阵技术
超声相控阵检测
案例二：医学影像诊断的实例
总结词
高分辨率、实时成像、无辐射
详细描述
超声相控阵技术在医学领域的应用，如心脏、血管、腹部等部位的超声成像。通过高分辨率和实时成 像的特点，为医生提供无创、无辐射的检查手段，提高诊断准确性和治疗效果。
案例三：其他领域的实际应用
总结词
灵活、多功能、适应性广
详细描述
超声相控阵技术还应用于航空航天、材料科学、能源等领域。通过其灵活的聚焦和调控 能力，实现了对复合材料、燃料电池等复杂结构的检测和评估，推动了相关领域的技术
轨道交通领域
在轨道交通领域，超声相控阵检测用于对列车轮对、转向架和车体结构等进行无 损检测。
该技术能够检测出材料内部的疲劳裂纹和损伤，预防事故发生，保障列车运行安 全。
压力容器和管道检测
• 在石油化工和核能等领域，压力容器和管道的安全性至关重 要。超声相控阵检测能够高效地检测出这些设备内部的裂纹、 腐蚀和焊缝质量等问题。
该技术可以与其他无损检测技 术相结合，形成更加完善的检 测方案，提高检测的准确性和 可靠性。
研究展望
01
进一步深入研究超声相控阵检测技术的物理机制和数学模型，提高检 测的精度和可靠性。
02
探索更加先进的相控阵列设计和信号处理方法，提高检测的分辨率和 灵敏度。
03
加强超声相控阵检测技术在特殊环境和极端条件下的应用研究，拓展 其应用领域。
02
超声相控阵检测原理
超声相控阵检测技术概述
超声相控阵检测技术是一种基于超声波的检测 技术，通过控制超声波的相位和振幅，实现对 物体的无损检测和评估。
该技术利用一组超声波发射器和接收器，通过 控制每个发射器的相位和振幅，形成所需的超 声波束，实现对物体的全面扫描和检测。
超声相控阵检测技术原理
超声相控阵检测技术原理
超声相控阵检测技术是一种利用超声波进行非破坏性检测的技术。
其原理是通过将单个超声源和接收器组成一个阵列，并精确控制每个超声源的激发时间和接收时间，从而控制超声波的发射方向和接收方向。
具体工作原理如下：
1. 通过超声发射器发射超声波。
每个超声发射器产生一个超声波束，多个超声发射器工作时形成一个超声波束阵列。
2. 超声波经过被测物体后，被物体吸收、散射或反射。
如果有缺陷存在，超声波将被缺陷反射或散射。
3. 接收器接收并记录超声波的回波信号。
超声发射器和接收器之间的时间差可用于测量超声波经过被测物体的旅行时间，从而计算出缺陷的位置和大小。
4. 使用相控技术调整超声阵列中每个超声发射器和接收器的激发时间和接收时间，使得超声波能够在特定角度范围内聚焦和辐射。
通过改变发射器和接收器的激发时间和接收时间，可以改变超声波的发射和接收角度，从而获得更多方向上的信息，提高检测的准确性和效率。
总的来说，超声相控阵检测技术利用精确控制超声波的发射和接收方向，通过测量超声波的回波信号来检测物体的缺陷位置和大小。
该技术具有高灵敏度、高分辨率和高精度的特点，在非破坏性检测领域有广泛应用。
相控阵技术
中国特种设备检测研究院 全国特种设备无损考委会 郑晖
一 相控阵定义
超声相控阵技术是利用电子方式控制相控阵探 头合成的声束来实现超声波发射、接收的方法 相控阵探头有多个小晶片，其每一个晶片被独 相控阵探头有多个小晶片 其每 个晶片被独 立的激发, 并施加不同的时间延迟, 以实现声束 的角度和聚焦可在很大的范围内变化 超声相 的角度和聚焦可在很大的范围内变化。超声相 控阵技术可以产生和常规超声波相同的声束和 角度, 但它与常规超声检测不同的是能精确的以 电子方式控制声束的角度和焦点尺寸。
Source: NDT On-line
三 超声成像
显示方式：A型显示和超声成像方法 A型显示
波形显示，超声信号的幅度与传播时间的关系 波形显示 超声信号的幅度与传播时间的关系 直角坐标 示波管的电子束是振幅调制
超声成像
B C D S P型显示等 B、C、D、S、P型显示等
用超声波获得物体可见图像的方法，主要采用扫描 接收信号 再进行图像重构的方式 因此又称为超声 接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声 扫描成像技术。 超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体 内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定 量动态监控
线形、扇形、深度聚焦扫描
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
八 相控阵的优点和局限性
与传统的手工超声检测和射线检测相比，优点： 检测灵活性高、速度快，现场检测时只需对环焊缝进 行一次简单的线性扫查而无需来回移动即可完成全焊 缝的检测。 超声成像，检测结果直观、重复性好，可实时显示。 超声成像 检测结果直观 重复性好 可实时显示 在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。也可打印、 存盘，实现检测结果的永久性保存 存盘，实现检测结果的永久性保存。 可检测复杂形面或难以接近的部位。 缺陷定位准确，检测灵敏度高。 作业强度小，无辐射无污物。
使用超声相控阵技术的无损检测方法与技巧
使用超声相控阵技术的无损检测方法与技巧超声相控阵技术是一种常用于无损检测的技术，它通过使用一组探头向待测物体发射超声波，并接收其反射波，从而获取物体内部的信息。
相比传统的单点检测技术，超声相控阵技术具有更高的分辨率、更广的探测范围和更强的穿透力。
本文将介绍使用超声相控阵技术进行无损检测的方法和技巧。
首先，准备工作是使用超声相控阵技术进行无损检测的关键。
需要选取合适的探头和超声仪器。
探头的选择应根据待测物体的尺寸、形状和材料选择合适的频率、探头尺寸和探头阵列形式。
超声仪器的性能也需要符合要求，包括信号发射和接收的灵敏度、增益、滤波器和数据处理能力等。
其次，进行检测前需要进行合适的准备工作。
首先要对待测物体进行表面清洁，以保证超声波能够有效传播和反射。
其次要选择合适的耦合介质，将探头与待测物体保持良好的接触。
对于粗糙表面的物体，可以使用凝胶或液体耦合剂，而对于平滑表面的物体，可以尝试使用接触探头。
在实际检测过程中，需要注意一些技巧以提高检测的准确性和效率。
首先，要选择合适的扫查模式，可以根据实际需求选择直线扫查、螺旋扫查或网格扫查等。
其次，要根据待测物体的不同部位和表面形态进行特定的检测调节，例如调整传感器的入射角度和倾斜角度，以最大限度地获取有用的信息。
此外，在数据处理方面也有一些技巧可以加以应用。
首先是信号增强技术，可以通过滤波、均衡和增益调节等方式，提高信号质量。
其次是多角度检测技术，通过改变入射角度和探头位置，获取多个角度的数据，从而提高检测精度。
最后是图像重建技术，通过将多个数据进行整合和处理，生成更清晰、更具信息量的图像或曲线。
需要注意的是，在使用超声相控阵技术进行无损检测时，也存在一些潜在的问题和限制。
首先是探头的选择较为复杂，需要根据具体情况进行合理选择。
其次是背景噪声和杂散信号可能干扰检测结果，需要进行相应的滤波和处理。
此外，超声相控阵技术对于复杂结构和多层材料的检测可能存在一定的困难，需要结合其他技术进行辅助。
超声相控阵检测技术
相控阵接收 (jiēshōu)
换能器发射的超声波遇到目标后产生回波 信号(xìnhào)，其到达各阵元的时间存在差 异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元 接收信号(xìnhào)进行延时补偿，然后相加 合成，就能将特定方向回波信号(xìnhào)叠 加增强，而其它方向的回波信号(xìnhào)减 弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅 度控制以及声束形成等方法，形成聚焦、变 孔径、变迹等多种相控效果。
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相控阵发射(fāshè)
超声相控阵应用许多的单元换能器来产生 和接收超声波波束。通常在一维或多维上排 列若干单元换能器组成阵列。利用事先设计 确定好的各自独立的发射和时间延迟电路来 依次激励一个或几个单元换能器，产生具有 可控的人为预定的确定相位的声波，所有单 元换能器在检测对象中产生的超声声场相互 干涉迭加，从而(cóng ér)得到预先希望的 波束入射角度和焦点位置，形成发射聚焦或 声束偏转等效果；
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波束(bōshù)的产生与聚焦
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 (zònɡ bō)各个 晶片延时相等
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波束(bōshù)偏转
用不同的延 时激发晶片产 生不同外形 (wài xínɡ)的 波束
需要精确计 算延迟时间， 才能指向性好
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(biān mǎ) 轴+扫查轴 C扫
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编码(biān mǎ)轴 +扫查轴 C扫
超声相控阵检测技术
超声相控阵检测技术超声相控阵检测技术的应用始于20 世纪60 年代,目前已广泛应用于医学超声成像领域。
由于该系统复杂且制作成本高,因而在工业无损检测方面的应用受到限制。
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,如对气轮机叶片(根部) 和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域。
超声无损检测超声无损检测技术又称超声无损探伤技术，它是利用物质中因由缺陷或组织结构上差异的存在而会使超声某些物理性质的物理量发生变化的现象，通过一定的检测手段米检测或测量这些缺陷。
利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减以及在不同材料中的声速不同的特点，可以测量各种材料上件的尺寸、密度、内部缺陷、组织变化等。
超声波检测是应月j最为广泛的一种重要的无损检测技术。
超声检测的基本过程如图1图1 超声检测基本过程目前我们最常用的超声无损检测方法是超声脉冲回波法，基本原理是超声波传播到两种不同的介质(如空气和金属试件)界面时，由于两种介质的声学特性存在差异，会产生反射和透射现象。
其声压反射率和透射率与两种介质的声阻抗有关。
与刚体介质声阻抗相比，空气的声阻抗很小。
因此超声通过固体和空气界面几乎是全反射。
脉冲回波法(即A型扫描)就是通过测量超声信号往返于缺陷的反射回波的传播时间，来确定缺损和表面的距离，同时也可根据超声同波的幅度，来分析缺陷的大小。
图2 脉冲回波法(A扫)如图2所示，当试件没有缺陷时，超声波可以顺利传播到底面，同波图中只有发生脉冲和底面回波两个信号。
若试件中存在缺陷时，回波图中在底面回波前还有缺陷同波。
如果缺陷很人，可能会有就只有缺陷回波的情况。
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。
THANKS
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相控阵超声检验技术
相控阵超声检验技术一、导读任何无损检验方法(NDT)的可信度很大程度上取决于人员因素。
进行相控阵超声检验的人员应经过培训并取得相应的资格。
通过检验人员的技能、教育经历、培训经历，NDT检验人员来证明自己能够根据工艺和设备（相控阵超声设备，扫描仪，探头，软件，分析分布图和报告）的特殊要求进行操作。
检验人员应熟悉应用于特殊零件的相控阵技术的基本特性。
应客户要求，关于R/D技术原理的第一本书出版了：相控阵技术应用简介：R/D技术指南。
该指南用大幅篇章介绍了基本的超声测试，数据评定和扫查方式，相控阵探头以及应用，适合广大读者使用，该指南包含大量实用信息堪称为实用手册。
该指南可通过登陆我们的网站使用e-mail订购。
相控阵技术指南手册可视为NDT从业人员使用基本相控阵超声技术的备忘录。
它面向日常的操作，针对技术秘诀，介绍操作方法（工艺规范，标定，特征描述，重新启动，解决检验的问题）。
关于其大小，该手册设计为口袋书籍。
为使该手册能适应现场条件，我们采用防水抗扯的合成纸印刷该书，且封面和装订都十分牢固。
相控阵技术指南手册包括：·第一章“相控阵超声技术——基本特性“详述了PAUT（相控阵超神探伤的缩写）原理，介绍了主要硬件设备和相控阵声束组成类型和运动形式（线性，方位角型，深度型，平面型和3-D型）。
·第二章“相控阵探头——基本特性“详述了用于日常检验的PA（相控阵的缩写）探头及其主要特性。
范例介绍时使用的是大多数场合最常用的探头类型，即1-D平面线性阵探头。
·第三章“聚焦法则“——常用范例介绍了线性阵探头如Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头定义聚焦法则的基本步骤。
·第四章“扫查方式，观察，和分布图”介绍了Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头评定（A-扫查法，S-扫查法，B-扫查法，C-扫查法和D-扫查法）的主要数据，基本分布以及扫查方式。
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第三章超声相控阵技术
3.1相控阵的概念
3.1.1相控阵超声成像
超声检测时，如需要对物体内某一区域进行成像， 必须进行声束扫描。
相控阵成像是通
过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收） 声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相 控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图 3-1所示。
图3-1
相控阵超声聚焦和偏转
3.2相控阵工作原理
相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制， 采用先进的计算机技
术，对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制，以获得最佳的波束特性。
这些关键
数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。
3.2.1相位延时
相控阵超声成像系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射 /接收信号的相位延迟 （phase delay ）,可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束 形成等多种相控效果，形成清晰的成像。
可以说，相位延时（又称相控延时）是相控阵技术 的核心，是多种相控效果的基础。
相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大。
就波束的旁瓣声压而言， 文献研究表
明，延时量化误差产生离散的误差旁瓣，从而降低图像的动态范围。
其均方根（
,r . / \ 诙爲
式中， 一-——
N-----阵元数目；
尸--中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。
图3-2示出了延时量化误差引起的旁瓣随 N 、□变化的关系曲线。
早期的超声成像设备
如医用B 超中，由LC 网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟，
用电子开关来分段 切换以获得不同的延迟量。
这种延迟方式有两大缺点：①延迟量不能精细可调，只能实现分 段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的 LC 网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电
气参数难以未定，延时量会发生温漂、时漂、波形容易被噪声干扰。
RMS ）延 （式 3-1）。