相控阵原理 ppt课件
相控阵培训教程32024新版
相控阵技术将在更多领域得到应用，如5G/6G通信、雷达探测、卫星导航等，其灵活性和可重构性将满足不 断变化的应用场景需求。
智能化发展
结合人工智能、大数据等技术，相控阵将实现更高程度的智能化，如自适应波束形成、智能信号处理等，提 高系统的自适应能力和抗干扰能力。
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相控阵雷达可用于气象监测领域，通过探测大气中的降水粒子、风场等
信息，实现对天气现象的实时监测和预警。
03
航空交通管制
相控阵技术可用于航空交通管制系统，通过控制阵列天线的波束指向和
形状，实现对航空器的精确定位和跟踪，提高航空交通的安全性和效率
。
科研领域应用：射电天文观测、深空探测等
射电天文观测
相控阵技术可用于射电望远镜的阵列天线，通过控制阵列天线的波束指向和形状，实现对 天体射电信号的精确接收和处理，提高天文观测的分辨率和灵敏度。
波束指向精度测试
通过对比实际波束指向与理论值 ，计算波束指向误差，评估相控
阵天线波束指向精度。
稳定性测试
在不同环境条件下（如温度、湿 度、振动等），持续监测波束指 向变化，评估相控阵天线稳定性
。
重复性测试
对同一目标进行多次波束指向测 试，分析测试结果的一致性和可
重复性。
抗干扰能力测试方法
杂波干扰测试
典型应用场景分析与实践案例分享
军事领域应用：雷达侦察、导弹制导等
雷达侦察
相控阵雷达在军事侦察中具有重要作用，能够实现快速扫 描、高精度测距和多目标跟踪等功能，提高侦察效率和准 确性。
导弹制导
相控阵技术可用于导弹制导系统，通过控制阵列天线的波 束指向，实现对目标的精确跟踪和打击，提高导弹的命中 精度和作战效能。
相控阵原理通俗
相控阵原理通俗相控阵是一种利用多个发射器和接收器配合工作的技术，可以实现电子波束的控制。
简单来说，就像我们平常使用的手持灯，我们可以通过改变手的角度，使得灯光的照射方向发生变化。
相控阵有三个基本组成部分：天线阵列、控制系统和信号处理器。
天线阵列是由许多天线单元组成的，每个单元都可以独立发射和接收电磁波。
控制系统负责控制每个天线单元的发射相位和幅度，从而实现电子波束的定向。
信号处理器则负责处理接收到的信号，提取有用的信息。
相控阵的工作原理可以通过一个例子来理解：假设有一个阵列天线，其中每个天线单元都可以独立调整发射的相位。
当我们想要将电磁波束指向某一个目标时，我们可以通过调节每个天线单元的相位差来实现。
从而实现将电磁波的波前相位相加，形成一个指向目标的波束。
相控阵的应用非常广泛，特别是在雷达和通信领域。
在雷达系统中，相控阵可以实现快速扫描和目标跟踪。
通过调整发射天线的相位和幅度，可以实现波束的快速切换和跟踪目标。
在通信系统中，相控阵可以实现多用户同时接入和抗干扰。
通过调整接收天线的相位和幅度，可以最大限度地提高通信质量和系统性能。
相控阵的发展带来了许多优势。
首先，相控阵可以实现快速定向。
相比传统的机械扫描方式，相控阵可以在几毫秒内实现波束的定向，大大提高了系统的响应速度。
其次，相控阵可以实现高精度定向。
通过调整每个天线单元的相位和幅度，可以实现精确的波束控制。
最后，相控阵可以实现抗干扰和隐身性。
通过改变波束的方向和形状，可以最大限度地减少对系统的干扰和探测。
总之，相控阵是一种非常重要的技术，广泛应用于雷达和通信系统中。
它利用天线阵列和控制系统，可以实现电子波束的定向和控制，具有快速定向、高精度定向、抗干扰和隐身性的优势。
相信随着技术的不断发展，相控阵将在更多领域展现出其强大的潜力。
相控阵天线原理
相控阵天线原理
相控阵天线原理
相控阵天线技术是一种可以通过通过对天线发射或接收的信号进行相
位调控，能够达到更好的信号锁定和定向的技术。
其实现原理主要分
为三个步骤：信号产生、信号整合和信号调节。
1. 信号产生
在相控阵天线中，每一个天线单元都是由一个发射/接收单元和一个相
位调制器组成的。
在信号产生时，我们需要将一份源信号通过参数调节，使其与原始信号保持一定程度的偏离，从而生成一个调制信号。
这个调制信号的特点是，可以通过波长长短和相位切换来控制。
2. 信号整合
在信号整合阶段，所有的调制信号在一定位置聚在一起。
实现这种聚
合需要使用一个铁氧体设计的调制器，并且相互之间需要存在一定的
距离。
这样在整合后，就可以得到一系列调制精度更高的信号。
3. 信号调节
在信号调节阶段，一次性准备好的调制信号通过传递控制的向量矩阵，被转移到相应的单元组中，而向量矩阵则可以通过算法来实现。
之后，对于每个单元组中的各个成员单元，通过按照预定好的码值一个个调
整相位值，最终可以实现一个快速的信号聚合。
相控阵天线技术的出现，为电信领域带来了一场革命。
相比于传统的天线，这种新技术可以帮助我们在收发信号时，获得更好的灵活性和自由度。
同时，这种技术也被广泛应用于空间通信方面。
相信随着技术的不断进步，这种技术将带领我们进入更未知的领域。
相控阵探伤的原理
相控阵探伤的原理相控阵探伤是一种利用探头阵列阵列发射和接收声波信号进行材料缺陷检测的无损检测技术。
它能够实现对材料内部缺陷的快速检测，对于钢铁、合金、塑料、陶瓷等材料的缺陷检测具有广泛的应用。
相控阵探伤的原理是在材料表面或内部放置一个由许多微小的元件组成的二维阵列探头，每个元件都具有发射和接收声波信号的功能。
当发射信号时，探头中的每个元件将按照一定的时间差、幅度和相位顺序发射声波信号。
当这些声波信号通过材料时，会与材料内部的缺陷相互作用，并发生散射、折射、反射等现象。
接收信号时，探头中的每个元件将按照与发射过程相反的方式接收反射回来的声波信号。
通过探头中所有元件分别接收到的信号强度和相位信息，可以构建出一个完整的接收信号图像。
通过对接收信号的处理和分析，就可以得到材料内部缺陷的位置、形态和特征等信息。
相控阵探伤的原理主要依赖以下几个关键技术：1. 多元素阵列：相控阵探伤中的探头通常由成百上千个微小元件组成，这些元件可以分别发射和接收声波信号。
这样的阵列结构可以同时探测材料内不同方向的缺陷，提高了探测效率和准确性。
2. 波束成形：相控阵探伤的另一个重要技术是波束成形，即通过调整发射信号的幅度、相位和时间差，控制声波信号的传播方向和形状。
这样可以控制声波的入射角度和聚焦范围，提高缺陷的探测灵敏度和分辨率。
3. 信号处理：相控阵探伤获得的接收信号通常包含大量的杂散噪声，需要进行信号处理和分析，提取出缺陷信号并降低噪声的影响。
常用的信号处理方法包括滤波、谱分析、模式识别等。
4. 成像算法：通过对接收信号的处理和分析，可以得到缺陷的位置和形态信息。
常用的成像算法有B扫描、C扫描、全场扫描等，可以实现对材料内部缺陷的三维成像。
相控阵探伤具有以下优点：1. 高灵敏度：相控阵探伤可以控制声波信号的入射角度和聚焦范围，能够有效探测到非常小的缺陷，并且对不同方向的缺陷也具有高灵敏度。
2. 高分辨率：相控阵探伤利用多元素阵列和波束成形技术，可以实现对缺陷的高分辨率成像，能够识别出缺陷的形状、大小和深度等信息。
超声波相控阵原理
超声波相控阵原理超声波相控阵是一种利用超声波进行成像和测距的技术，其原理是通过控制多个超声波发射器的相位和幅度，实现对超声波束的控制和聚焦。
相控阵技术具有快速成像、高分辨率和远距离探测等优点，广泛应用于医学影像、无损检测、测距测速等领域。
一、超声波相控阵的基本原理超声波相控阵的基本原理是利用多个发射器和接收器组成的阵列，通过控制每个发射器的相位和幅度，实现超声波的聚焦和定向发射。
具体步骤如下：1. 发射：首先，发射器将电信号转换为超声波信号，并通过控制每个发射器的相位和幅度，实现超声波的聚焦和定向发射。
通过调整相位和幅度，可以改变超声波束的方向和形状，实现对待测物体的定向探测和成像。
2. 传播：超声波经过发射后，会在介质中传播，并与物体相互作用。
在传播过程中，超声波会受到介质的衰减、散射和反射等影响，这些影响会导致超声波在传播过程中的衰减和改变。
3. 接收：超声波到达接收器后，接收器将超声波信号转换为电信号，并通过控制每个接收器的相位和幅度，实现对超声波信号的聚焦和定向接收。
通过对接收信号的处理和分析，可以得到待测物体的信息，如形状、结构和材料等。
二、超声波相控阵的工作原理超声波相控阵的工作原理可以简单分为发射和接收两个过程。
在发射过程中，多个发射器按照预设的相位和幅度依次发射超声波信号，形成一个聚焦的超声波束。
在接收过程中，多个接收器按照预设的相位和幅度接收超声波信号，并通过信号处理和分析得到待测物体的信息。
超声波相控阵的工作原理可以用以下几个步骤来描述：1. 阵列布置：多个发射器和接收器按照一定的规律布置成阵列，形成一个二维或三维的发射接收阵列。
2. 相位控制：通过控制每个发射器和接收器的相位，使得发射的超声波信号和接收的超声波信号在特定的方向上相干叠加。
相位控制可以通过电子开关、延迟线和相位调制等方式实现。
3. 幅度控制：通过控制每个发射器和接收器的幅度，使得发射的超声波信号和接收的超声波信号在发射和接收过程中具有一定的增益和衰减。
相控阵工作原理
相控阵工作原理
相控阵技术是一种利用多个发射器和接收器来形成一个可控制的波束方向的无线传输技术。
相控阵的核心原理是通过对每个发射器和接收器的信号相位进行精确调节，使得它们在空间中形成一个相位相同的波前，从而将其合成成一个强大的波束。
相控阵一般包括两个主要部分：发射机部分和接收机部分。
在发射机部分，信号先通过一个控制单元进行相位调节，并分配到多个天线单元上。
每个天线单元通过控制单元的指令确保它们产生的信号相位相同，同时在空间上形成一个波前。
在接收机部分，接收到的信号经过天线单元，也通过相位调节器进行处理，最终合并成一个完整的信号。
相控阵技术可以应用于无线通信、雷达、声纳等领域，具有高精度、高速率、低时延等优点，是一项非常重要的技术。
- 1 -。
4-相控阵工作原理
动态电子聚焦
• 对利用超声波探伤的超声相控阵装置来说，探头的位置一 但确定，期望的聚焦区的位置也就确定了，即确定了各波 源发出的波的声程xi，我们可以先发射声源组中声程最长 的波即对应的声源先激发，声程短的声源依次延迟一个很 小的时间间隔激发，则各声源上所产生的声脉冲也获得相 应的延迟，这些波的叠加效应可以实现声束角的偏转和聚 焦，以达到在规定区域聚焦的目的。随着发射延迟时间的 改变，偏向角也将随着改变。如果使左右两边的激励脉冲 互易，则合成波束的方向移至法线的另一侧。如果对对各 声源的激励脉冲的延迟时间进行控制，就可以使发射的超 声波束在一定的角度范围内变化。这种用控制激励脉冲延 迟时间来操纵超声波波束方向的扫查方式就是相控阵扫查。
X=-7.9, Y=-8.0 --> X=7.9
Y=6.5 47 48
Y=4.4
46 45 29 28 44 43 16 7 2 1 15 27
30
2 1
3
4
5
7 6
16 15 14 13 12 11 10 9 8
• 圆形阵
– 1维 环形阵 维 – 2维 扇形阵 维
51 52
49 50
31 17 18
扇形(带方位角的) 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。 检测缺陷时很有用。
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
N 2...... 1
扇形扫查图例
引言
• 相控阵用电子技术虽然属于无损探伤领域， 但主要技术领域全部都是计算领域内的软 硬件技术。在此技术中，除了超声探伤技 术外，更多地采用数学建模技术、相控阵 技术、高速并行采样及流水线阵列处理技 术、A超B超C超图像重建技术，多轴自动 控制技术等多种技术。
相控阵聚焦原理
相控阵聚焦原理
相控阵聚焦原理是一种通过控制阵列天线之间的幅度和相位差来实现信号的聚焦的技术原理。
相控阵天线阵列中的每个天线可以独立地调节天线的幅度和相位，通过合理地控制天线的幅度和相位差，可以实现对信号的聚焦。
具体实现聚焦的原理是，当天线阵列接收到信号时，每个天线上接收到信号的相位和幅度会存在差异。
通过调节每个天线的相位和幅度差，可以实现对信号的幅度和相位的调制，从而实现信号的聚焦。
通过在信号的接收端进行相位权重和幅度控制，将接收到的信号进行相加，可以实现对信号的聚焦和定向。
相控阵聚焦原理的优点是可以通过控制天线阵列中每个天线的相位和幅度差，实现对信号的聚焦和定向，可以改善信号的质量和传输性能。
同时，相控阵聚焦也具有抗干扰能力强的特点，可以抑制传播路径中的干扰信号和多径效应。
因此，相控阵聚焦被广泛应用于雷达、通信和无线传输等领域。
相控阵原理通俗
相控阵原理通俗相控阵（phased array）是一种先进的雷达和通信技术，其原理类似于我们的双眼观察事物。
通过模拟人眼的视线移动，相控阵技术能够改变信号的发射和接收方向，实现多目标同时检测和定位。
想象一下我们面对一个场景，透过眼睛观察。
当我们只使用一只眼睛看，我们的观察角度和范围是有限的，我们只能关注很小一部分的区域。
但是当我们睁开另一只眼睛，我们可以一次性触及更广阔的地域，并获得更多的信息。
这就是相控阵的原理。
相控阵系统由许多小天线（也称为阵元）组成，这些小天线可以单独操作，以精确地控制信号的发射和接收方向。
就像人眼的瞳孔可以放大和缩小，相控阵的小天线可以调整它们之间的相位差，从而改变信号的指向性。
通过调整每个小天线的相位差，相控阵可以像人的眼睛一样同时观察不同的目标或方向。
相控阵技术在雷达和通信领域有着广泛的应用。
在雷达中，相控阵可以将单个雷达系统分成多个子阵列，每个子阵列可以独立探测和跟踪不同的目标。
通过精确控制信号的发射方向和接收方向，相控阵系统可以实现更高的分辨率和灵活性，提供更准确的目标信息。
在通信领域，相控阵可以用于信号的发射和接收。
传统天线系统通常只能覆盖有限的范围，信号传输的距离有限。
然而，相控阵的小天线可以将信号聚焦到特定的方向，从而增强信号的强度和覆盖范围。
这就意味着在相同的功率和频谱资源下，相控阵系统可以提供更高的传输速率和更可靠的信号质量。
相控阵技术的发展给我们带来了许多好处。
它提供了更高的灵活性和定位精度，使我们能够更好地探测和捕捉目标。
同时，相控阵系统的可调整性也使其在不同环境和应用中具有重要意义。
无论是在军事应用中用于目标追踪和导航，还是在无线通信中用于提高信号传输质量，相控阵都为我们提供了更高效和可靠的解决方案。
因此，我们应该充分发挥相控阵技术的优势，不断创新和推动其应用。
相控阵的原理告诉我们，在面对复杂的问题时，可以从多个角度进行观察和分析，追求更全面和准确的解决方案。
相控阵培训教程
数字波束形成技术及应用
数字波束形成技术
基于数字信号处理技术，通过对阵列 接收信号进行采样、量化和数字处理 ，实现波束形成的精确控制和灵活调 整。
数字波束形成优势
数字波束形成应用
广泛应用于雷达、通信、声呐等领域 ，如雷达目标检测、通信信号增强、 声呐水下探测等。
具有高灵活性、高精度和高可靠性等 优点，能够适应复杂环境和多变任务 需求。
相控阵培训教程
目 录
• 相控阵基本原理与概述 • 相控阵天线设计基础 • 相控阵信号处理与波束形成技术 • 相控阵系统组成与性能指标评价 • 相控阵雷达在军事领域应用探讨 • 民用领域中的相控阵技术应用拓展 • 总结回顾与展望未来发展趋势
01
CATALOGUE
相控阵基本原理与概述
相控阵定义及发展历程
调整。
性能指标评价体系建立
波束宽度
波束主瓣的宽度，决定了系统 的分辨率和抗干扰能力。
增益
衡量系统接收或发射信号的能 力，通常以分贝表示。
波束指向精度
衡量相控阵系统波束指向的准 确程度，通常以角度或弧度表 示。
扫描速度
系统在不同波束指向之间切换 的速度，影响系统对快速移动 目标的跟踪能力。
噪声系数
系统内部噪声对信号质量的影 响程度，噪声系数越低，信号 质量越好。
波束形成原理和实现方式
波束形成定义
利用阵列天线接收信号，并通过 调整阵列元素的幅度和相位，形
成具有指向性的波束的过程。
波束形成原理
基于阵列信号的干涉效应和叠加 原理，通过控制阵列元素的权重 ，实现波束的空间指向和形状控
制。
波束形成实现方式
包括模拟波束形成和数字波束形 成两种方式。模拟波束形成通过 模拟电路实现权重调整，数字波 束形成则通过数字信号处理技术
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1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
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。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
研究历史
武汉中科创新技术股份有限公司
• 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
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
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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
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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
武汉中科创新技术股份有限公司
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，
使之干涉叠加形成想要的波阵面。
聚焦规则 通过设置声束的折射角度、激励晶片数量、晶
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2 超声相控阵检测原理
武汉中科创新技术股份有限公司
叠加原理
波动相干叠加 在线性范围内多个波源形成的振动是各 个波源形成振动的线性叠加
推论 整个探头的声场是探头作用面元声场传 输函数的积分 空间各个位置的总声场是每个阵元在该 位置产生的声场的干涉叠加。
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A型超声波检测过程
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2 超声相控阵检测原理
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超声波检测设备的基本类别及技术发展
压电超声 （要求耦合）
脉冲反射
A型检测仪
电磁超声 （无需耦合）
衍射时差
TOFD检测仪
合成声束
相控阵检测仪
自机动械化+检测 检测系 统
超声相控阵检测技术原理
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目录
CONTENTS
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2 超声相控阵检测原理
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超声相控阵检测
使用微型探头阵列产生超声波束，通 过建立聚焦规则使电子装置控制每个阵列 单元的发射和接收时间，从而产生出多个 超声波束，通过控制阵列的激发和接收时 间，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸 等，实现工件的快速扫描成像。
适用材料
• 碳钢； • 铝材； • 奥氏体不锈钢； • 异种钢； • 碳纤维； • 玻璃纤维； • 铸件等等；
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技术背景
2
超声相控阵检测原理
3
相控阵探头
4
相控阵扫描聚焦法则
1 技术背景
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研究历史
• 相控阵技术最早应用于军事雷达站，用于全方位不间断的目标搜索；
• 一类通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式，来改变波束扫描方向的雷达。
有源电子扫描阵列雷达（active electronically scanned array，AESA) 无源电子扫描阵列雷达（passive electronically scanned array，PESA)
主要用于异型构件及其它复杂构建的检测检测（角焊 缝、管座焊缝、Ｔ型焊缝等）；
可以应用于目前常规脉冲反射法可以应用的领域（焊 缝、棒材、坯材等）。
适用结构
• 平板对接焊缝； • 角焊缝； • 板板TKY焊缝； • 管管TKY焊缝； • 轴铸锻件； • 螺栓； • 管纵、环焊缝； • 涡轮叶片； • 简单或复杂构件
机械式雷达
相控阵雷达
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1 技术背景
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研究历史
• 上个世纪20年代初，著名的原苏联科学家萨卡洛夫 S.J.Sokolov对超声成像进行了近20年的研究，并于1935 年完成了液面成像装置
• 1959年，Tom Brown在Kelvin和Hughes注册了一项环形动 态聚焦探头的专利，后来被称为相控阵。
德国K.K公司、英国SONOMATIC公司、日本 CANON、美国PAC公司
浙江大学现代制造工程研究所、成都无损检 测系统工程公司、北京航空材料研究院无损检 测研究室、武汉中科创新技术公司
♦缺陷回波的提取
♦波的模式转换与识别
♦信号压缩
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1 技术背景
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CONTENTS
1
技术背景
2
超声相控阵检测原理
3
相控阵探头
4
相控阵扫描聚焦法则
2 超声相控阵检测原理
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超声检测理论
惠更斯原理 脉冲反射检测
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2 超声相控阵检测原理
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2 超声相控阵检测原理
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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。