超聲相控陣檢測技術-PPT課件(PPT 50頁)

1、超聲相控陣檢測技術1超聲相控陣檢測技術第1頁，共50頁。超聲相控陣綜述超聲相控陣技術已有近2O多年的發(fā)展歷史，初期主要應用于醫(yī)療領域，醫(yī)學超聲成像中。系統(tǒng)的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因，使其在工業(yè)無損檢測中的應用受限制。近年來，超聲相控陣技術以其靈活的聲束偏轉及聚焦性能越來越引起人們的重視。由于壓電復合材料、納秒級脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術和計算機模擬等多種高新技術在超聲相控陣成像領域中的綜合應用。使得超聲相控陣檢測技術得以快速發(fā)展，逐漸應用于工業(yè)無損檢測。 2超聲相控陣檢測技術第2頁，共50頁。相控陣國外研究進展目前，在國外，以相控陣超聲檢測技術為代表的新型管道

2、全自動超聲檢測儀已經(jīng)進入實用階段，代表了管道焊縫檢測技術的發(fā)展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先將相控陣檢測技術應用于管道探傷領域，開發(fā)了相控陣全自動超聲檢測系統(tǒng)。相控陣超聲檢測系統(tǒng)是通過電子技術來實現(xiàn)聲束的掃查方向和聚焦深度的控制，可以以同一個探頭來實現(xiàn)不同壁厚、不同材質管道焊縫的檢測任務，克服了常規(guī)多探頭自動超聲檢測系統(tǒng)調整難度大和探頭適應范圍窄以及設備沉重的缺點。3超聲相控陣檢測技術第3頁，共50頁。相控陣國內研究進展2000年8月由中國石油天然氣管道科學研究院等單位組成了研究開發(fā)實體，于2001年5月在中國石油天然氣集團公司申請立項了“大口徑環(huán)焊縫相控陣超聲波無損檢測設備

3、研制”科技開發(fā)項目，并于2003年3月順利通過了中國石油天然氣集團公司的鑒定，該項目的研制成功填補了國內空白，達到了國外同類產(chǎn)品的水平。 國內的相控陣儀器還沒有商品化；4超聲相控陣檢測技術第4頁，共50頁。相控陣國內應用相控陣技術目前在國內真正做到大量應用的尚只有西氣東輸工程，在航空系統(tǒng)和核工業(yè)系統(tǒng)等一些部門也有少量的應用；西氣東輸：2000年9月在青海湖畔的實驗段中，引進的 PipeWIZARD相控陣全自動超聲檢測系統(tǒng)。2001年，從西氣東輸一標段的實驗段，截至一標段主體管線完工時，實際檢測了焊縫6919道，其結果和射線底片結果的符合率達80以上，還檢出了大量在射線底片上不明顯的未熔合缺陷；

4、科研院所：清華，天津大學，西安交大，大連理工，上海交通大學；5超聲相控陣檢測技術第5頁，共50頁。相控陣的優(yōu)點探頭尺寸更?。粰z測難以接近的部位；檢測速度快，檢測靈活性更強；可實現(xiàn)對復雜結構件和盲區(qū)位置缺陷的檢測 ；通過局部晶片單元組合對聲場控制，可實現(xiàn)高速電子掃描，對試件進行高速，全方位和多角度檢測；由于以下因素可以節(jié)約系統(tǒng)成本：探頭更少機械部分少6超聲相控陣檢測技術第6頁，共50頁。實驗室的相控陣儀器：OminiScan7超聲相控陣檢測技術第7頁，共50頁。相控陣探頭8超聲相控陣檢測技術第8頁，共50頁。OminiScan的主要性能有兩個模塊，超聲相控陣，電渦流的模塊；全功能S掃描，A，B，

5、C掃描，圖形直觀，快捷，方便；USB接口，RS-232接口，視頻輸出和以太網(wǎng)接口；數(shù)據(jù)存儲卡，接近計算機的人機界面；完整的報告設置；9超聲相控陣檢測技術第9頁，共50頁。OminiScan儀器實際檢測的圖片10超聲相控陣檢測技術第10頁，共50頁。壓電晶片天然石英晶體、一水硫酸鋰晶體、碘酸鋰、鈮酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT),鈦酸鉛、偏鈮酸鉛和極化的多晶陶瓷等等。 最常用：PZT壓電效應11超聲相控陣檢測技術第11頁，共50頁。陣列探頭的基本構造 1.壓電晶片；2.聲阻尼塊；3.耦合層； 4.聲透鏡；5.導線。12超聲相控陣檢測技術第12頁，共50頁。 探頭的幾何外形線形陣1維 線形陣2維

6、矩形陣圓形陣1維 環(huán)形陣2維 扇形陣13超聲相控陣檢測技術第13頁，共50頁。晶片陣列方向孔徑 (A)晶片加工方向寬度 (H)單個晶片寬度 (e)兩個晶片中心之間的間距 (p)相控陣探頭設計參數(shù)14超聲相控陣檢測技術第14頁，共50頁。超聲波的掃描和顯示A型顯示：A掃，工業(yè)超聲檢測中應用最多，是目前脈沖發(fā)射式探傷儀最基本的顯示方式；熒光屏上縱坐標代表發(fā)射回波的幅度，橫坐標代表發(fā)射回波的傳播時間，根據(jù)缺陷反射波的幅度和時間確定缺陷的大小和存在的位置。B型顯示：又稱B掃。它以反射回波作為輝度調制信號，用亮點顯示接收信號，在熒光屏上縱坐標表示波的傳播時間，橫坐標表示探頭的水平位置，反映缺陷的水平延伸

7、情況；B掃能直觀顯示缺陷在縱截面上的二維特性，獲得截面直觀圖。15超聲相控陣檢測技術第15頁，共50頁。超聲波的掃描和顯示C型顯示：又稱C掃。以反射回波作為輝度調制信號，用亮點或者暗點顯示接收信號，缺陷回波在熒光屏上顯示的亮點構成被檢測對象中缺陷的平面投影圖；這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能確定缺陷的深度；一般A掃和C掃結合： A掃顯示深度信息； C掃顯示缺陷形狀及當量信息；16超聲相控陣檢測技術第16頁，共50頁。超聲軸+掃查軸 B掃編碼軸+掃查軸 C掃17超聲相控陣檢測技術第17頁，共50頁。編碼軸+掃查軸 C掃18超聲相控陣檢測技術第18頁，共50頁。超聲波探傷方法共振法；脈

8、沖回波法；穿透法；脈沖回波法原理(超聲相控陣也是基于此原理)： 無缺陷 有小缺陷 有大缺陷19超聲相控陣檢測技術第19頁，共50頁。超聲相控陣的檢測原理相控陣超聲檢測技術是通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉和聚焦來實現(xiàn)材料的無損檢測方法； 20超聲相控陣檢測技術第20頁，共50頁。相控陣發(fā)射 超聲相控陣應用許多的單元換能器來產(chǎn)生和接收超聲波波束。通常在一維或多維上排列若干單元換能器組成陣列。利用事先設計確定好的各自獨立的發(fā)射和時間延遲電路來依次激勵一個或幾個單元換能器，產(chǎn)生具有可控的人為預定的確定相位的聲波，所有單元

9、換能器在檢測對象中產(chǎn)生的超聲聲場相互干涉迭加，從而得到預先希望的波束入射角度和焦點位置，形成發(fā)射聚焦或聲束偏轉等效果；21超聲相控陣檢測技術第21頁，共50頁。 換能器發(fā)射的超聲波遇到目標后產(chǎn)生回波信號，其到達各陣元的時間存在差異。按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號疊加增強，而其它方向的回波信號減弱甚至抵消。同時，通過各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法，形成聚焦、變孔徑、變跡等多種相控效果。 相控陣接收22超聲相控陣檢測技術第22頁，共50頁。系統(tǒng)組成原理圖23超聲相控陣檢測技術第23頁，共50頁。設計的探頭如圖每片PZT晶片的尺

10、寸18mm*2.5mm*0.8mm,晶片中心頻率為3.5MHZ，相鄰的晶片中心距為3mm.圖中所示為PZT晶片寬度方向。24超聲相控陣檢測技術第24頁，共50頁。超聲波發(fā)射（放大）電路25超聲相控陣檢測技術第25頁，共50頁。相控陣系統(tǒng)的相位延遲相位延時是實現(xiàn)超聲相控陣原理的基本環(huán)節(jié),在相控發(fā)射中，需要精確控制相位延時，以實現(xiàn)動態(tài)聚焦、相位偏轉、相位偏轉、聲束形成等各種相控效果；理論分析顯示，只有盡力提高相位延時的精度、分辨率和穩(wěn)定性，才能顯著地抑制旁瓣，提高聲束的橫向和縱向分辨力，改善成像清晰度。 26超聲相控陣檢測技術第26頁，共50頁。相控陣相位延遲的方法模擬延遲方法： 過去的醫(yī)用B超中

11、，模擬延遲線，如LC網(wǎng)絡直接對模擬信號延遲，用電子開關分段切換獲得不同的延遲量； 缺點：1.體積龐大，結構復雜； 2.不便實現(xiàn)動態(tài)聚焦和信號處理； 3.電氣參數(shù)難以確定； 27超聲相控陣檢測技術第27頁，共50頁。數(shù)字延遲方法受硬件條件的限制 ，CPLD很難達到 l0ns以內的延時分辨率 ，并且要達到高延遲分辨率 ，最大延遲會很小。相控發(fā)射數(shù)字高精度延時模塊的設計分為兩部分，一部分是基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的粗延時，粗延時一般基于晶振時鐘計數(shù)，延時值為時鐘周期的整數(shù)倍，通常為 10ns以上。另一部分是在粗延時的基 礎上基于可編程數(shù)字延遲線的細延時，細延時量為采樣周期的小數(shù) 倍，一般能

12、達到10ns以內的延時分辨率28超聲相控陣檢測技術第28頁，共50頁。相控陣相位延遲的方法FPGA數(shù)字延遲線29超聲相控陣檢測技術第29頁，共50頁。FPGA在系統(tǒng)中的作用FPGA30超聲相控陣檢測技術第30頁，共50頁。FPGA在系統(tǒng)中的作用FPGA31超聲相控陣檢測技術第31頁，共50頁。精確延時控制驗證方法用FPGA實現(xiàn)精度為2ns的延時控制，對于發(fā)射來說，調試與驗證比較容易，只需要一個多通道 500MHz的示波器就可以。從FPGA發(fā)射一個方波同步脈沖和一個方波激勵脈沖，一級一級的往后測試，直至相控 陣探頭。通過示波器可以觀察從FPGA到探頭整個電路的系統(tǒng)延時以及激勵脈沖相對于同步脈沖的

13、延時間隔，該間隔由FPGA內部參數(shù)決定，并且可以修改。 接收延時控制是否準確的驗證困難一些。因為接收的不是方波脈沖，而是探頭單元固有頻率的近似正弦超聲信號。為了驗證延時控制是否正確，需要在超聲波接收電路之前加上一個不連續(xù)的，只有若干周期的正弦信號，一般的信號發(fā)生器沒有這種功能。利用系統(tǒng)上的FPGA配合100MHzDA比較容易產(chǎn)生這種特殊信號。32超聲相控陣檢測技術第32頁，共50頁。精確的延遲時間的計算相位偏轉：其中， 為相鄰兩個陣元之間的波程差;d為相鄰兩個陣元之間的距離; 為聲波偏轉后與法線的夾角。33超聲相控陣檢測技術第33頁，共50頁。精確的延遲時間的計算相位聚焦34超聲相控陣檢測技術

14、第34頁，共50頁。相控陣探頭波束偏轉 (發(fā)射)波束發(fā)射過程中通過軟件施加精確延時產(chǎn)生帶角度波束；Wave frontTimeDelayElementFocal law相控陣波束發(fā)射35超聲相控陣檢測技術第35頁，共50頁。 相控陣波束形成 (接收) 接收過程中通過軟件施加精確延時;只有符合延時法則的信號保持同相位,并在合計后產(chǎn)生有效信號。相控陣波束接收36超聲相控陣檢測技術第36頁，共50頁。相控陣的兩個重要特點相控偏轉示意圖37超聲相控陣檢測技術第37頁，共50頁。相控聚焦示意圖38超聲相控陣檢測技術第38頁，共50頁。用不同的延時激發(fā)晶片產(chǎn)生不同外形的波束這是一個縱波各個晶片延時相等波束

15、的產(chǎn)生與聚焦39超聲相控陣檢測技術第39頁，共50頁。 用不同的延時激發(fā)晶片產(chǎn)生不同外形的波束 需要精確計算延遲時間，才能指向性好波束偏轉40超聲相控陣檢測技術第40頁，共50頁。加在每個晶片上的不同的延時; 產(chǎn)生的波束在早期、中期和焦點處的形狀。為了聚焦和傾斜, 我們采用復合曲線和拋物線。波束聚焦41超聲相控陣檢測技術第41頁，共50頁。相控陣的掃描方式 線性掃描 扇形掃描 深度聚焦42超聲相控陣檢測技術第42頁，共50頁。電子掃查探頭不作任何機械移動，而波束沿晶片陣列方向作電子掃查。通過對激活晶片組進行多路延時，使波束產(chǎn)生移動。掃查寬度局限于:陣列中晶片的數(shù)量采集系統(tǒng)支持的通道數(shù)量激活晶片

16、組43超聲相控陣檢測技術第43頁，共50頁。不依靠任何機械運動就將波束沿陣列的一個軸線移動的能力。這種移動是靠晶片的時間多路傳輸技術實現(xiàn)的。波束的移動取決于探頭的幾何外形 可能出現(xiàn)以下幾種情況： 線形掃查扇形掃查橫向掃查以上掃查的組合電子掃查44超聲相控陣檢測技術第44頁，共50頁。動態(tài)深度聚焦示意圖 動態(tài)深度聚焦DDF，超聲束沿聲軸線,對不同聚焦深度進行掃描。 實際上,發(fā)射聲波時使用單個聚焦脈沖,而接收回波時則對所有編程深度重新聚焦。45超聲相控陣檢測技術第45頁，共50頁。 動態(tài)深度聚焦 標準的相控陣動態(tài)深度聚焦DDF 在掃查時不斷為接收信號重新載入聚焦法則。 這一操作靠硬件完成, 所以很快。 現(xiàn)在用一個脈沖可以從0聚焦到100深度的地方。46超聲相控陣檢測技術第46頁，共50頁。扇形掃查可以不移動探頭就檢測整個