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                  超聲相控陣入門基礎

                  發布時間: 2021-02-19 14:11:12      作者:      來源:

                  許多人熟悉超聲成像的醫學應用,其中高頻聲波被用來制作非常詳細的內部橫斷面圖。醫學聲像圖通常由專門的多元素換能器(即相控陣)及其相應的硬件和軟件制作。但超聲相控陣技術的應用并不局限于醫學診斷。近年來,相控陣系統在工業環境中得到了越來越多的應用,在普通超聲波檢測中提供了新水平的信息和可視化,包括焊縫檢測、粘結檢測、厚度剖面和在役裂紋檢測。下面主要介紹了相控陣系統的工作原理及其在工業超聲無損檢測中的應用。

                  1.什么是相控陣系統?

                  傳統的無損檢測超聲換能器通常由一個既能產生又能接收到高頻聲波的有源元件組成,或者由兩個配對元件組成,一個用于發射,另一個用于接收。另一方面,相控陣探頭通常由一個換能器組件組成,由16到256個小的單個元件組成,每個元件都可以單獨脈沖。這些可以排列成條形(線列陣)、環(環形陣列)、圓形矩陣(圓形陣列)或更復雜的形狀。與常規換能器的情況一樣,相控陣探頭可設計為直接接觸使用,作為帶有楔形的角波束組件的一部分,也可用于通過水路進行聲耦合的浸入式。換能器的頻率通常在2兆赫至10兆赫之間。相控陣系統還將包括一個先進的基于計算機的儀器,能夠驅動多元素探頭,接收和數字化返回波,并繪制各種標準格式的回波信息。與傳統的探傷儀不同,相控陣系統可以通過一系列折射角度或沿著線性路徑掃描聲波,或動態聚焦于若干不同深度,從而提高了檢測裝置的靈活性和能力。

                  圖片 16.png       圖片 15.png


                                        典型相控陣探頭組件                                                   典型多元結構

                  2.它們是如何工作的?

                  在基本的意義上,相控陣系統利用了相位化的波物理原理,改變了一系列傳出超聲波脈沖之間的時間,使陣列中每個單元產生的單個波鋒相互結合,以可預測的方式增加或抵消能量,從而有效地引導和塑造聲束。
                  這是通過在稍微不同的時間脈沖單個探針元素來實現的。通常情況下,這些元件將以4至32組的方式脈沖,以便通過增加孔徑來提高有效的靈敏度,從而減少不必要的光束擴展,并使聚焦更加清晰。被稱為焦律計算器的軟件為激發每一組元件建立了特定的延遲時間,以便產生所需的光束形狀,同時考慮到探針和楔形特性以及測試材料的幾何和聲學特性。程序脈沖序列由儀器的操作軟件選擇,然后在測試材料中啟動多個的波前。這些波鋒依次以建設性和破壞性的方式組合成一個單一的初級波鋒,通過測試材料反射裂紋、不連續性、后壁和其他材料邊界,就像任何傳統的超聲波一樣。該光束可以通過不同的角度、焦距和焦斑大小動態地引導,使單個探針組件能夠在不同的角度上檢查測試材料。這種光束引導的速度非???,因此從多個角度或多個焦深的掃描可以在一小部分秒內完成。
                  返回波由各種元素或元素組接收,并根據需要進行時移以補償不同的楔形延遲,然后進行求和。相控陣換能器不同于傳統的單元件換能器,它能有效地融合所有波束分量對其面積的影響,相控陣換能器可以根據每個單元的到達時間和幅度對返回波前進行空間分類。當由儀器軟件處理時,每個返回的焦律表示來自光束的特定角度分量的反射、沿著線性路徑的特定點和/或來自特定焦深的反射。然后,回波信息可以多種格式中的任何一種形式顯示。

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                               平面探針變延遲法產生的轉角光束實例                                   聚焦線性掃描光束實例

                  3.這些圖像是什么樣子的?

                  在大多數典型的缺陷檢測和測厚儀應用中,超聲波檢測數據都是基于處理后的射頻波形得到的時間和振幅信息。這些波形和從中提取的信息通常以四種格式中的一種或多種形式呈現:a-掃描、B-掃描、C-掃描或S-掃描。本節展示了一些來自常規探傷儀和相控陣系統的圖像演示的例子。

                  4.A掃描顯示器

                  A-掃描是一種簡單的RF波形表示,顯示超聲信號的時間和幅度,通常由常規的超聲波探傷儀和波形顯示厚度計提供。A掃描波形表示測試片中一個聲音光束位置的反射.下面的探傷儀A-掃描顯示了鋼制參考塊中兩側鉆孔的回聲.柱狀聲束來自普通的單元件接觸換能器,截取三個孔中的兩個,并在不同的時間產生兩個與孔的深度成正比的反射。

                    圖片 12.png               圖片 11.png

                              廣義梁剖面                                         直束A掃描圖像

                  5。B掃描顯示器

                  B掃描是一幅通過測試片的一個垂直切片顯示橫截面輪廓的圖像,顯示反射器相對于其線性位置的深度。B掃描成像要求在存儲相關數據的同時,通過機械或電子的方式沿著測試片的選定軸掃描聲束。在下面的情況下,B掃描顯示兩個深反射器和一個淺反射器,對應于測試塊中側鉆孔的位置。用常規的探傷儀,傳感器必須橫向移動通過測試件。

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                              廣義梁剖面                               典型b掃描圖像顯示相對孔深

                  另一方面,相控陣系統可以使用沿線列陣探頭長度的電子掃描,類似地,在不移動換能器的情況下創建橫截面輪廓:

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                  電子線性掃描(B掃描)圖像,顯示線陣長度的相對空穴位置和深度。

                  6。C掃描顯示器

                  C掃描是一種二維數據表示,顯示為測試件的頂視圖或平面視圖,其圖形圖與x射線圖像相似,其中顏色表示測試片中映射到其x-y位置的每個點的門控信號幅度。在常規儀器中,單元件傳感器必須以x-y光柵掃描模式在測試件上移動。在相控陣系統中,探測器通常沿著一個軸移動,而電子束則沿著另一個軸進行電子掃描。當掃描圖像與零件的精確幾何對應必須保持時,編碼器通常會被使用,盡管非編碼的手動掃描在許多情況下也能提供有用的信息。
                  下面的圖像顯示了用傳統的浸沒掃描系統與聚焦浸沒換能器以及使用編碼手掃描儀和線陣的便攜式相控陣系統制成的參考塊的C掃描。雖然圖形分辨率并不完全等價,但還有其他考慮因素。相控陣系統是現場便攜,而傳統的系統不是,成本約為三分之一的價格。此外,相控陣圖像是在幾秒鐘,而傳統的浸沒掃描幾分鐘。

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                  廣義束廓線和運動方向                                     常規C掃描圖像顯示孔位

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                  廣義束廓線和運動方向                                相控陣C掃描圖像顯示孔洞位置

                  7。掃描顯示器

                  S掃描或扇形掃描圖像表示從一系列與延遲和折射角度有關的A-掃描得到的二維橫斷面視圖。水平軸對應于試件的寬度,垂直軸對應于深度。這是常見的格式醫學超聲以及工業相控陣圖像。聲音光束掃過一系列的角度,產生一個近似錐形的橫截面圖像。應該注意的是,在這個例子中,通過掃描波束,相控陣探頭能夠從一個傳感器位置映射所有三個孔。

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                  左側為單角度掃描,右側為復合扇形掃描。標有49度的光標標識所顯示的A掃描的角度位置.

                  相控陣系統在哪里使用?

                  超聲相控陣系統在傳統超聲波探傷儀的傳統應用中,幾乎可以應用于任何一種檢測中。焊接檢驗和裂紋檢測是重要的應用,這些試驗涉及航空航天、發電、石化、金屬方坯和管件供應商、管道建設和維修、結構金屬和通用制造等多個行業。在腐蝕測量應用中,相控陣也可以有效地用來測量殘余壁厚。

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