超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)課件

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)1可編輯課件PPT超聲相控陣綜述超聲相控陣技術(shù)已有近2O多年的發(fā)展歷史，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)超聲成像中。系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因，使其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用受限制。近年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來(lái)越引起人們的重視。由于壓電復(fù)合材料、納秒級(jí)脈沖信號(hào)控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬等多種高新技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用。使得超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)得以快速發(fā)展，逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)。2可編輯課件PPT相控陣國(guó)外研究進(jìn)展目前，在國(guó)外，以相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)為代表的新型管道全自動(dòng)超聲檢測(cè)儀已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，代表了管道焊縫檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。90年代末，加拿大R/DTECH公司首先將相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于管道探傷領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了相控陣全自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)。相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲束的掃查方向和聚焦深度的控制，可以以同一個(gè)探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)不同壁厚、不同材質(zhì)管道焊縫的檢測(cè)任務(wù)，克服了常規(guī)多探頭自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)整難度大和探頭適應(yīng)范圍窄以及設(shè)備沉重的缺點(diǎn)。3可編輯課件PPT相控陣國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展2000年8月由中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院等單位組成了研究開(kāi)發(fā)實(shí)體，于2001年5月在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司申請(qǐng)立項(xiàng)了“大口徑環(huán)焊縫相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備研制”科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，并于2003年3月順利通過(guò)了中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司的鑒定，該項(xiàng)目的研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。

國(guó)內(nèi)的相控陣儀器還沒(méi)有商品化；4可編輯課件PPT相控陣國(guó)內(nèi)應(yīng)用相控陣技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)真正做到大量應(yīng)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(mén)也有少量的應(yīng)用；西氣東輸：2000年9月在青海湖畔的實(shí)驗(yàn)段中，引進(jìn)的PipeWIZARD相控陣全自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)。2001年，從西氣東輸一標(biāo)段的實(shí)驗(yàn)段，截至一標(biāo)段主體管線完工時(shí)，實(shí)際檢測(cè)了焊縫6919道，其結(jié)果和射線底片結(jié)果的符合率達(dá)80％以上，還檢出了大量在射線底片上不明顯的未熔合缺陷；科研院所：清華，天津大學(xué)，西安交大，大連理工，上海交通大學(xué)；5可編輯課件PPT相控陣的優(yōu)點(diǎn)探頭尺寸更小；檢測(cè)難以接近的部位；檢測(cè)速度快，檢測(cè)靈活性更強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)；通過(guò)局部晶片單元組合對(duì)聲場(chǎng)控制，可實(shí)現(xiàn)高速電子掃描，對(duì)試件進(jìn)行高速，全方位和多角度檢測(cè)；由于以下因素可以節(jié)約系統(tǒng)成本：探頭更少機(jī)械部分少6可編輯課件PPT實(shí)驗(yàn)室的相控陣儀器：OminiScan7可編輯課件PPT相控陣探頭8可編輯課件PPTOminiScan的主要性能有兩個(gè)模塊，超聲相控陣，電渦流的模塊；全功能S掃描，A，B，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(chǔ)卡，接近計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面；完整的報(bào)告設(shè)置；9可編輯課件PPTOminiScan儀器實(shí)際檢測(cè)的圖片10可編輯課件PPT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(yīng)11可編輯課件PPT陣列探頭的基本構(gòu)造1.壓電晶片；2.聲阻尼塊；3.耦合層；4.聲透鏡；5.導(dǎo)線。12可編輯課件PPT

探頭的幾何外形線形陣1維線形陣2維矩形陣圓形陣1維環(huán)形陣2維扇形陣13可編輯課件PPT晶片陣列方向孔徑(A)晶片加工方向?qū)挾?H)單個(gè)晶片寬度(e)兩個(gè)晶片中心之間的間距(p)相控陣探頭設(shè)計(jì)參數(shù)14可編輯課件PPT超聲波的掃描和顯示A型顯示：A掃，工業(yè)超聲檢測(cè)中應(yīng)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(biāo)代表發(fā)射回波的幅度，橫坐標(biāo)代表發(fā)射回波的傳播時(shí)間，根據(jù)缺陷反射波的幅度和時(shí)間確定缺陷的大小和存在的位置。B型顯示：又稱(chēng)B掃。它以反射回波作為輝度調(diào)制信號(hào)，用亮點(diǎn)顯示接收信號(hào)，在熒光屏上縱坐標(biāo)表示波的傳播時(shí)間，橫坐標(biāo)表示探頭的水平位置，反映缺陷的水平延伸情況；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可編輯課件PPT超聲波的掃描和顯示C型顯示：又稱(chēng)C掃。以反射回波作為輝度調(diào)制信號(hào)，用亮點(diǎn)或者暗點(diǎn)顯示接收信號(hào)，缺陷回波在熒光屏上顯示的亮點(diǎn)構(gòu)成被檢測(cè)對(duì)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(jié)合：

A掃顯示深度信息；

C掃顯示缺陷形狀及當(dāng)量信息；16可編輯課件PPT超聲軸+掃查軸B掃編碼軸+掃查軸C掃17可編輯課件PPT編碼軸+掃查軸C掃18可編輯課件PPT超聲波探傷方法共振法；脈沖回波法；穿透法；脈沖回波法原理(超聲相控陣也是基于此原理)：

無(wú)缺陷有小缺陷有大缺陷19可編輯課件PPT超聲相控陣的檢測(cè)原理相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個(gè)陣元，按照一定的延遲時(shí)間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動(dòng)態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的無(wú)損檢測(cè)方法；

20可編輯課件PPT相控陣發(fā)射

超聲相控陣應(yīng)用許多的單元換能器來(lái)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(shè)計(jì)確定好的各自獨(dú)立的發(fā)射和時(shí)間延遲電路來(lái)依次激勵(lì)一個(gè)或幾個(gè)單元換能器，產(chǎn)生具有可控的人為預(yù)定的確定相位的聲波，所有單元換能器在檢測(cè)對(duì)象中產(chǎn)生的超聲聲場(chǎng)相互干涉迭加，從而得到預(yù)先希望的波束入射角度和焦點(diǎn)位置，形成發(fā)射聚焦或聲束偏轉(zhuǎn)等效果；21可編輯課件PPT

換能器發(fā)射的超聲波遇到目標(biāo)后產(chǎn)生回波信號(hào)，其到達(dá)各陣元的時(shí)間存在差異。按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各陣元接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號(hào)疊加增強(qiáng)，而其它方向的回波信號(hào)減弱甚至抵消。同時(shí)，通過(guò)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可編輯課件PPT系統(tǒng)組成原理圖23可編輯課件PPT設(shè)計(jì)的探頭如圖每片PZT晶片的尺寸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可編輯課件PPT超聲波發(fā)射（放大）電路25可編輯課件PPT相控陣系統(tǒng)的相位延遲相位延時(shí)是實(shí)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(shí)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦、相位偏轉(zhuǎn)、相位偏轉(zhuǎn)、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(shí)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可編輯課件PPT相控陣相位延遲的方法模擬延遲方法：過(guò)去的醫(yī)用B超中，模擬延遲線，如LC網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)模擬信號(hào)延遲，用電子開(kāi)關(guān)分段切換獲得不同的延遲量；缺點(diǎn)：1.體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

2.不便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦和信號(hào)處理；

3.電氣參數(shù)難以確定；

27可編輯課件PPT數(shù)字延遲方法受硬件條件的限制，CPLD很難達(dá)到l0ns以?xún)?nèi)的延時(shí)分辨率，并且要達(dá)到高延遲分辨率，最大延遲會(huì)很小。相控發(fā)射數(shù)字高精度延時(shí)模塊的設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的粗延時(shí)，粗延時(shí)一般基于晶振時(shí)鐘計(jì)數(shù)，延時(shí)值為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，通常為10ns以上。另一部分是在粗延時(shí)的基礎(chǔ)上基于可編程數(shù)字延遲線的細(xì)延時(shí)，細(xì)延時(shí)量為采樣周期的小數(shù)倍，一般能達(dá)到10ns以?xún)?nèi)的延時(shí)分辨率28可編輯課件PPT相控陣相位延遲的方法FPGA數(shù)字延遲線29可編輯課件PPTFPGA在系統(tǒng)中的作用FPGA30可編輯課件PPTFPGA在系統(tǒng)中的作用FPGA31可編輯課件PPT精確延時(shí)控制驗(yàn)證方法用FPGA實(shí)現(xiàn)精度為2ns的延時(shí)控制，對(duì)于發(fā)射來(lái)說(shuō)，調(diào)試與驗(yàn)證比較容易，只需要一個(gè)多通道500MHz的示波器就可以。從FPGA發(fā)射一個(gè)方波同步脈沖和一個(gè)方波激勵(lì)脈沖，一級(jí)一級(jí)的往后測(cè)試，直至相控陣探頭。通過(guò)示波器可以觀察從FPGA到探頭整個(gè)電路的系統(tǒng)延時(shí)以及激勵(lì)脈沖相對(duì)于同步脈沖的延時(shí)間隔，該間隔由FPGA內(nèi)部參數(shù)決定，并且可以修改。接收延時(shí)控制是否準(zhǔn)確的驗(yàn)證困難一些。因?yàn)榻邮盏牟皇欠讲}沖，而是探頭單元固有頻率的近似正弦超聲信號(hào)。為了驗(yàn)證延時(shí)控制是否正確，需要在超聲波接收電路之前加上一個(gè)不連續(xù)的，只有若干周期的正弦信號(hào)，一般的信號(hào)發(fā)生器沒(méi)有這種功能。利用系統(tǒng)上的FPGA配合100MHzD／A比較容易產(chǎn)生這種特殊信號(hào)。32可編輯課件PPT精確的延遲時(shí)間的計(jì)算相位偏轉(zhuǎn)：其中，為相鄰兩個(gè)陣元之間的波程差;d為相鄰兩個(gè)陣元之間的距離;為聲波偏轉(zhuǎn)后與法線的夾角。33可編輯課件PPT精確的延遲時(shí)間的計(jì)算相位聚焦34可編輯課件PPT相控陣探頭波束偏轉(zhuǎn)(發(fā)射)波束發(fā)射過(guò)程中通過(guò)軟件施加精確延時(shí)產(chǎn)生帶角度波束；WavefrontTimeDelayElementFocallaw相控陣波束發(fā)射35可編輯課件PPT

相控陣波束形成(接收)接收過(guò)程中通過(guò)軟件施加精確延時(shí);只有符合延時(shí)法則的信號(hào)保持同相位,并在合計(jì)后產(chǎn)生有效信號(hào)。相控陣波束接收36可編輯課件PPT相控陣的兩個(gè)重要特點(diǎn)相控偏轉(zhuǎn)示意圖37可編輯課件PPT相控聚焦示意圖38可編輯課件PPT用不同的延時(shí)激發(fā)晶片產(chǎn)生不同外形的波束這是一個(gè)縱波各個(gè)晶片延時(shí)相等波束的產(chǎn)生與聚焦39可編輯課件PPT

用不同的延時(shí)激發(fā)晶片產(chǎn)生不同外形的波束需要精確計(jì)算延遲時(shí)間，才能指向性好波束偏轉(zhuǎn)40可編輯課件PPT加在每個(gè)晶片上的不同的延時(shí);產(chǎn)生的波束在早期、中期和焦點(diǎn)處的形狀。為了聚焦和傾斜,我們采用復(fù)合曲線和拋物線。波束聚焦41可編輯課件PPT相控陣的掃描方式

線性掃描扇形掃描深度聚焦42可編輯課件PPT電子掃查探頭不作任何機(jī)械移動(dòng)，而波束沿晶片陣列方向作電子掃查。通過(guò)對(duì)激活晶片組進(jìn)行多路延時(shí)，使波束產(chǎn)生移動(dòng)。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)量激活晶片組43可編輯課件PPT不依靠任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)就將波束沿陣列的一個(gè)軸線移動(dòng)的能力。這種移動(dòng)是靠晶片的時(shí)間多路傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。波束的移動(dòng)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可編輯課件PPT動(dòng)態(tài)深度聚焦示意圖

動(dòng)態(tài)深度聚焦DDF，超聲束沿聲軸線,對(duì)不同聚焦深度進(jìn)行掃描。實(shí)際上,發(fā)射聲波時(shí)使用單個(gè)聚焦脈沖,而接收回波時(shí)則對(duì)所有編程深度重新聚焦。45可編輯課件PPT

動(dòng)態(tài)深度聚焦

標(biāo)準(zhǔn)的相控陣動(dòng)態(tài)深度聚焦DDF在掃查時(shí)不斷為接收信號(hào)重新載入聚焦法則。

這一操作靠硬件完成,所以很快?，F(xiàn)在用一個(gè)脈沖可以從0聚焦到100㎜深度的地方。46可編輯課件PPT扇形掃查可以不移動(dòng)探頭就檢測(cè)整個(gè)待檢工件檢測(cè)表面復(fù)雜或空間有限的情況下大有用武之地一個(gè)相控陣探頭結(jié)合了寬波束探頭和