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1、超声相控超声相控阵检测技技术第1页，本讲稿共25页主要内容主要内容v1、超声相控阵的发展历史、超声相控阵的发展历史 v2、超声相控阵技术的基本原理、超声相控阵技术的基本原理 v3、超声相控阵系统的硬件组成、超声相控阵系统的硬件组成 v4、超声相控阵的应用、超声相控阵的应用2第2页，本讲稿共25页第一章第一章 超声相控阵的发展历史超声相控阵的发展历史v超声相控阵检测技术已有超声相控阵检测技术已有20多年的发展历史。多年的发展历史。v初期主要应用于初期主要应用于医疗领域医疗领域。v自自20 世纪世纪90 年代起，超年代起，超 声相控阵检测成像技术开声相控阵检测成像技术开 始在欧美等国家逐步应用始在
2、欧美等国家逐步应用 于于工业无损检测工业无损检测。v目前，国内对超声相控阵成像技术的研究主要集目前，国内对超声相控阵成像技术的研究主要集中在中在医疗医疗超声相控阵领域，对超声相控阵领域，对工业工业无损检测领域的超无损检测领域的超声相控阵技术的研究尚处于声相控阵技术的研究尚处于探索阶段探索阶段。3第3页，本讲稿共25页第二章第二章 超声相控阵技术的基本原理超声相控阵技术的基本原理v2.1 超声相控阵超声相控阵换能器换能器的原理的原理v超声相控阵换能器的设计基于超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理惠更斯原理。v换能器由多个相互独立的换能器由多个相互独立的压电晶片压电晶片组成阵列，每个组成阵列，每个
3、晶片称为一个晶片称为一个单元单元，按一定的，按一定的规则规则和和时序时序用电子系用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加叠加形成一个形成一个新的波阵面新的波阵面。v同样，在反射波的接收过程中，按一定同样，在反射波的接收过程中，按一定规则规则和和时序时序控制接收单元的接收并进行控制接收单元的接收并进行信号信号合成合成，再将合成，再将合成结果以适当形式结果以适当形式显示显示。4第4页，本讲稿共25页What is a phased array system?5第5页，本讲稿共25页v2.3 超声相控阵超声相控阵检测技术检测技术的特点的
4、特点v（1）生成）生成可控可控的的声束角度声束角度和和聚焦深度聚焦深度 v（2）可对试件进行）可对试件进行高速高速、全方位全方位和和多角度多角度检测检测 v（3）不移动不移动探头或尽量少移动探头探头或尽量少移动探头 v（4）通常）通常不需不需要复杂的扫查装置，不需更换探头要复杂的扫查装置，不需更换探头 v（5）优化控制优化控制焦柱长度焦柱长度、焦点尺寸焦点尺寸和和声束方向声束方向，在在分辨力、信噪比、缺陷检出率分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的等方面具有一定的优越性。优越性。第二章第二章 超声相控阵技术的基本原理超声相控阵技术的基本原理6第6页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系
5、统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成 v3.1 超声相控阵系统组成超声相控阵系统组成7第7页，本讲稿共25页第二章第二章 超声相控阵技术的基本原理超声相控阵技术的基本原理v2.2 相位控制相位控制与与声束聚焦声束聚焦 相控的目的目的就是要控制1和2,使得=0。8第8页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成v3.2 阵列探头阵列探头的的种类种类v3.2.1按按压电元件阵列特征压电元件阵列特征9第9页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成v3.2 阵列探头阵列探头的的种类种类v3.2.2 按按阵元排列方式阵元排列方式1
6、0第10页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成v3.2 阵列探头阵列探头的的种类种类v3.2.3 按使用按使用方法和目的方法和目的 分为分为线阵列探线阵列探 头、相控阵探头、相控阵探 头头和和凸形阵列凸形阵列 探头探头三种。三种。3.2.3.1 线阵列探头线阵列探头11第11页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成v3.2.3.2相控阵探头相控阵探头12第12页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成v3.2.3.3凸形阵列探头凸形阵列探头13第13页，本讲稿共25页超声相控
7、阵系统工作原理超声相控阵系统工作原理Example of angled beam generated by flat probe by means of variable delayExample of focused linear scan beam14第14页，本讲稿共25页超声相控阵系统的超声相控阵系统的B B扫描显示扫描显示Electronic linear scan(B-scan)image showing relative hole position and depth across the length of a linear array15第15页，本讲稿共25页The sou
8、nd beam sweeps through a series of angles to generate an approximately cone-shaped cross-sectional image.It should be noted that in this example,by sweeping the beam the phased array probe is able to map all three holes from a single transducer position.16第16页，本讲稿共25页第三章第三章 超声相控阵系统的硬件组成超声相控阵系统的硬件组成v
9、3.3 阵列探头阵列探头的的结构结构和和特性特性v3.3.1 基本结构基本结构 17第17页，本讲稿共25页Conventional C-scan image showing hole position18第18页，本讲稿共25页第四章第四章 超声相控阵的应用超声相控阵的应用v4.1 超声相控阵检测技术在超声相控阵检测技术在核工业核工业的应用的应用 v在核动力装置及设备中，在核动力装置及设备中，厚壁厚壁工件、工件、粗晶粗晶材料和材料和复复杂形状杂形状工件多，设备和管道中某些工件多，设备和管道中某些焊缝焊缝可达性及可可达性及可检性差而申请免检多。检性差而申请免检多。v此时，应用相控阵技术可此时，
10、应用相控阵技术可提高检测效率提高检测效率，减少辐照减少辐照时间时间，扩大超声检测扩大超声检测 应用范围应用范围，取得显著，取得显著 的的经济效益和社会效经济效益和社会效 益益。19第19页，本讲稿共25页第四章第四章 超声相控阵的应用超声相控阵的应用4.2超声相控阵检测技术在超声相控阵检测技术在焊缝斜探伤焊缝斜探伤中的应用中的应用(1)v用相控阵探头对焊缝作横波斜探伤时，无需象普用相控阵探头对焊缝作横波斜探伤时，无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后移动移动；v而焊缝长度方向的全体积扫查，可借助于装有阵而焊缝长度方向的全体积扫查，可借助于装有阵列探头的
11、列探头的机械机械 扫查器扫查器沿着精沿着精 确定位的轨道确定位的轨道 滑动完成，故滑动完成，故 可实现可实现高速探高速探 伤伤。20第20页，本讲稿共25页第四章第四章 超声相控阵的应用超声相控阵的应用4.2 超声相控阵检测技术在超声相控阵检测技术在焊缝斜探伤焊缝斜探伤中的应用中的应用(2)v采用采用充水耦合充水耦合的焊缝相控阵斜探法；声束扫查方式的焊缝相控阵斜探法；声束扫查方式有两种：一种是有两种：一种是扇形扇形扫查，用于扫查，用于检测焊缝检测焊缝；另一种；另一种是是垂直垂直扫查，用于扫查，用于监视探头表面耦合状态监视探头表面耦合状态 21第21页，本讲稿共25页第四章第四章 超声相控阵的应
12、用超声相控阵的应用4.2 超声相控阵检测技术在超声相控阵检测技术在焊缝斜探伤焊缝斜探伤中的应用中的应用(3)焊缝焊缝UT B型、型、C型和型和D型显示型显示 22第22页，本讲稿共25页第四章第四章 超声相控阵的应用超声相控阵的应用v4.3 超声相控阵检测技术在超声相控阵检测技术在海洋平台结构海洋平台结构环环焊缝检测焊缝检测中的应用（中的应用（1）v对海洋平台结构特殊构件环焊缝检测，规范允许使对海洋平台结构特殊构件环焊缝检测，规范允许使用用10%20%射线射线检测和检测和100%的的超声超声检测。检测。v但由于射线探伤但由于射线探伤效率太低效率太低，而且还必须具备现场射，而且还必须具备现场射线
13、线防护措施防护措施，所以在工程中应用不是很方便；，所以在工程中应用不是很方便；v虽然海洋平台结构的超声检测不需防护措施，但手虽然海洋平台结构的超声检测不需防护措施，但手工超声探伤存在工超声探伤存在重复性重复性和和可靠性可靠性方面的问题。方面的问题。23第23页，本讲稿共25页第四章第四章 超声相控阵的应用超声相控阵的应用v4.3 超声相控阵检测技术在超声相控阵检测技术在海洋平台结构海洋平台结构环焊环焊缝检测缝检测中的应用（中的应用（2）v超声相控阵检测成像技术正好克服了以上两种方法超声相控阵检测成像技术正好克服了以上两种方法的弊端，通过采用超声相控阵探头控制电子扫描，的弊端，通过采用超声相控阵探头控制电子扫描，使其在管子周向做机械扫查，实现了使其在管子周向做机械扫查，实现了高速探伤。高速探伤。v而且该法对缺陷的而且该法对缺陷的检测能力检测能力与传统与传统 超声检测方法相同，但检测结果的超声检测方法相同，但检测结果的 重复性、检测速度、对焊缝几何尺重复性、检测速度、对焊缝几何尺 寸的适应性寸的适应性等方面，都优于传统超等方面，都优于传统超 声检测技术。声检测技术。24第24页，本讲稿共25页25第25页，本讲稿共25页