超聲相控陣檢測教材-第四章-超聲檢測設備探頭及試塊

第四章超聲相控陣檢測設備、探頭及試塊4.1相控陣檢測的設備4.1.1相控陣檢測設備概述1、設備的作用相控陣檢測設備時超聲波相控陣檢測的主體設備，它的作用是通過改變相控陣探頭晶片的激發(fā)接受延遲產生超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大，通過一定圖像方式顯示出來，從而得到被檢測工件內部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息。2、相控陣檢測設備系統(tǒng)結構超聲相控陣檢測設備主要包括超聲發(fā)射部分和接收部分，目前國內外大型超聲檢測設備的系統(tǒng)設設計方案主要有三種：發(fā)射與接收分離系統(tǒng)；發(fā)射與接收集成且發(fā)射與接收板集成和發(fā)射與接收集成但是發(fā)射與接收板級分離。它們的優(yōu)缺點如下所示。數(shù)字相控陣超聲檢測系統(tǒng)數(shù)字相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，通道數(shù)多，而且通道之間一致性要求很高，為了較高的綜合指標，采用發(fā)射與接收集成但是發(fā)射與接收板級分離的方案。板卡之間通過總線相連。優(yōu)點缺點發(fā)射與接收分離系統(tǒng)抗干擾能力強信噪比高便于設計與維護便于擴展工作范圍大系統(tǒng)集成度低可靠性差同步性差發(fā)射與接收集成系統(tǒng)板級分離抗干擾能力強信噪比高便于設計與維護便于擴展集成度高同步性好工作范圍較小板級集成集成度最高可靠性高同步性好便于擴展工作范圍較小抗干擾能力較差不便于設計與維護總線的帶寬對于系統(tǒng)的性能也有著較大的影響，也是系統(tǒng)設計的關鍵之一。目前儀器系統(tǒng)中采用的總線主要有PXI總線和VXI總線。表4-1PXI總線與VXI總線對比PXIVXI總線寬度32/64b32b數(shù)據(jù)交換能力132/328Mb/s40/80Mb/s集成度高高接口開發(fā)方便方便價格低高4.1.2數(shù)字相控陣超聲成像檢測硬件系統(tǒng)數(shù)字相控陣超聲成像檢測的硬件系統(tǒng)，其內容包括相控陣超聲發(fā)射和接收電路、前置放大與阻抗轉換、程控放大、濾波與檢波、A/D轉換、同步與相位延遲控制、程控與邏輯控制等硬件。圖4-1數(shù)字相控陣超聲成像檢測硬件系統(tǒng)4.1.2.1數(shù)字相控陣超聲發(fā)射電路（1）發(fā)射電路有較高的發(fā)射效率。原因是相控陣超聲系統(tǒng)的通道數(shù)比較多，系統(tǒng)的發(fā)射功率和散熱是一個非常重要的問題。相關研究表明，當探頭的激勵脈沖寬度為探頭中心頻率對應周期的一半時，發(fā)射電路的發(fā)射效率較高。由于檢測不同的工件需要使用不同頻率的探頭，為保證系統(tǒng)較高的發(fā)射效率，在設計相控陣超聲發(fā)射電路時，需要所設計的發(fā)射電路能夠調節(jié)激勵脈寬。（2）由于相控很超聲檢測對通道之間的一致性要求比較高，因此要求發(fā)射電路通道間一致性好，易于模塊化，便于系統(tǒng)的調試與維護。（3）可以用聚焦掃描成像，可以實時成像。系統(tǒng)的重復頻率是決定系統(tǒng)的誠心想最高速度的因素之一，因此發(fā)射電路的最高重復頻率也是衡量發(fā)射電路的重要指標之一。為了充分利用相控陣高效的電子掃描特點，要求相控陣發(fā)射電路具有較高的重復頻率，以提高成像檢測的速度。（4）具有發(fā)射時間控制和激勵脈寬的全數(shù)字化控制。4.1.2.2數(shù)字相控陣超聲接收電路（1）前置放大器前置放大器要求輸入阻抗與陣列換能器的輸出阻抗相匹配。前置放大器的輸入阻抗大于壓電晶片的輸出阻抗，前置放大器獲得的輸入信號電壓就基本上等于超聲換能器壓電芯片的空載輸出信號電壓，信號電壓的損失很小。另一方面，前置放大器的輸出阻抗要小，即在敖征輸出信號電壓不降低的條件下，能輸出較大的信號電流，后級放大電路可以采用低輸入阻抗的設計，這話總設計有利于抑制噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。（2）主放大器主放大器在前置放大器后面。主放大器的功能是將超聲回波信號放大到適用于后面A/D轉換芯片的輸入模擬電壓范圍。主放大器大都采用增益由計算機控制的程控放大器。程控放大器接在前置放大器之后，為使超聲波檢測儀器具有足夠的靈敏度，能夠接受到微弱的超聲回波信號，一般超聲接收通道的總增益設計為120dB，又為了讓信號幅值較高的超聲信號也能進入接收通道并數(shù)字化，主放大器還應有-40dB的負放大（就是縮小信號幅值）功能。（3）濾波器濾波器在接收通道的作用是濾去超聲信號頻率帶寬以外的信號，以提高超聲接收信號的信噪比。數(shù)字儀器的特點就是信號處理（包括濾波、去除噪聲以及檢波等）都在模擬信號經A/D轉換成數(shù)字信號后進行，數(shù)字濾波由數(shù)字信號處理器完成，實現(xiàn)更窄的帶通濾波。接收信號的檢波處理也是有數(shù)字信號處理器完成，可以實現(xiàn)正半波、負半波和全波檢波。（4）A/D轉換電路A/D轉換電路是接收通道中重要的組成部分，將超聲回波的模擬信號經放大和初步濾波后轉換成數(shù)字信號，隨后進行信號存儲、進一步信號處理、信號成像、信號及圖像顯示等操作。一般A/D轉換器的輸入阻抗不高，以抑制噪聲，所以事先采用運算放大器結成阻抗變換電路，用正端輸入，以提高輸入阻抗，輸出為有源輸出，阻抗低。一般接收信號中的噪聲都是在接收通道的模擬信號途徑中混入的，A/D轉換電路部分尤其容易混入噪聲。在進行A/D轉換電路設計時可采用一些措施減少噪聲的混入，如可在電源部分采用電感去耦等就是減少噪聲混入的措施之一。（5）緩沖存儲器一般數(shù)字超聲成像檢測系統(tǒng)的緩沖存儲器采用靜態(tài)隨機存儲器（staticrandomaccessmemory，SRAM），其作用是暫時存儲經過A/D轉換后的數(shù)字化超聲接收信號，以被進行下一步信號處理或直接被送入計算機內存進行進一步處理。（6）數(shù)字信號傳輸邏輯控制數(shù)字信號傳輸?shù)倪壿嬁刂瓢ˋ/D轉換，將數(shù)字信號送往緩沖存儲器，或送往信號處理器等都要經過一定的邏輯過程才能完成，控制這個過程的是采用復雜可編程邏輯器件。4.1.3相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)的同步與相位控制4.1.3.1相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)的同步相控陣超聲成像檢測時，通過控制超聲陣列換能器各個陣元的發(fā)射/接收相位，實現(xiàn)對檢測聲束的片準、聚焦控制。系統(tǒng)的同步是實現(xiàn)系統(tǒng)各陣元相位控制的基準，只有保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的同步，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的精確相位控制。系統(tǒng)同步方案主要有局部同步和全局同步方案，其優(yōu)缺點如表4-2所示。表4-2局部同步與全局同步優(yōu)缺點對比優(yōu)點缺點局部同步電路較簡單同步時鐘頻率可以較高受時鐘源的影響同步精度低時鐘誤差累計、擴散全局同步同步精度高同步可靠性高時鐘誤差不累計、不擴散電路較復雜同步時鐘存在引線等誤差，影響同步精度局部同步方案的系統(tǒng)同步信號只有同步觸發(fā)信號，沒有同步時鐘信號，不同板卡內部有各自獨立的時鐘。這種方案時鐘間的誤差會累計并擴散，因此不適合同步要求較高的系統(tǒng)。全局同步方案中系統(tǒng)同步信號包括同步觸發(fā)信號和同步時鐘信號，不同板卡使用相同的時鐘。全局只有一個時鐘信號，不存在誤差的累計與擴散，因此同步精度較高。由于相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)要求嚴格相位控制，系統(tǒng)的同步性要求高，而且工業(yè)檢測尤其是在線檢測時，系統(tǒng)需要長時間運行，時鐘誤差的積累可能導致相位控制的失敗，因此相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)適用于采用全局同步方案。4.1.3.2相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)的相位控制（1）相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)時間延遲控制精度相控陣超聲檢測系統(tǒng)的時間延遲控制精度對系統(tǒng)檢測分辨率有重要影響，是衡量系統(tǒng)的重要指標之一。這是因為由于相位控制是通過時間延遲實現(xiàn)的，時間延遲控制精度決定了系統(tǒng)的相位控制精度。1）時間延遲精度與系統(tǒng)對比度分辨率關系相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)的聲束延遲控制不是連續(xù)的，而是離散的，存在截斷誤差。D.K.Peterson等人的研究表明，系統(tǒng)的時間延遲控制誤差將會產生相位控制誤差，而相位誤差將導致聲束產生誤差旁瓣，從而影響系統(tǒng)的對比度分辨率。根據(jù)他們的研究，當μ?1時，該誤差旁瓣與聲束主瓣幅值之比可以用式（4-1）描述S≈π式中N----實際檢測時超聲陣列換能器的陣元數(shù)目；μ----中心頻率所對應一個周期與延遲控制精度之比。圖4-2是超聲陣列換能器陣元數(shù)8、16、32、64、128時，由于相位控制誤差產生的誤差旁瓣與相位控制精度的關系圖。從圖中可以看出：在相位控制精度相同的情況下，隨著N增加，誤差旁瓣逐漸減小；在N相同的情況下，隨著相位控制精度的提高，誤差旁瓣逐漸降低。因此在實際系統(tǒng)設計中，必須保證系統(tǒng)的時間延遲控制誤差產生的誤差旁瓣低于系統(tǒng)要求的對比度分辨率。圖4-2相位控制精度與誤差旁瓣的關系2）時間延遲精度與系統(tǒng)空間分辨率關系系統(tǒng)時間延遲控制精度還與系統(tǒng)的空間分辨率密切相關，因為時間延遲控制精度直接影響聲束的偏轉和聚焦控制。①時間延遲精度與系統(tǒng)焦點控制精度關系系統(tǒng)的時間延遲控制精度會影響系統(tǒng)焦點的控制，包括焦點在縱向的控制分辨率和系統(tǒng)的最大焦距。焦點在縱向的控制分辨率是指系統(tǒng)所能聚焦的最遠距離，如圖4-3所示。系統(tǒng)的最大焦距是指系統(tǒng)所能聚焦的最遠距離，如圖4-4所示。在有效聚焦區(qū)域內，由于系統(tǒng)時間延遲控制精度限制，有可能在焦點之間會出現(xiàn)焦點盲區(qū)，從而影響該區(qū)域的檢測效果，影響了系統(tǒng)的空間分辨率。最大焦距則限制了系統(tǒng)最大聚焦檢測能力，從而影響系統(tǒng)的檢測范圍，它也是衡量檢測系統(tǒng)的指標之一。圖4-3焦點在聲束方向控制分辨率示意圖4-4聲束控制原理根據(jù)相關研究，聲束在圖4-4所示的P點聚焦時，以探頭中心為參考點，當實際使用的陣元數(shù)N為奇數(shù)時，各陣元相對參考點的延遲時間τn式中，c----聲速；F----焦距；θ----偏轉角度；d----探頭陣元間距；n----第n個陣元，n=0，,1，﹒﹒﹒，±N-1當陣元數(shù)為偶數(shù)時，式（4-2）中的n應該為（n+0.5）如果不考慮聲束偏轉的影響，式（4-2）可以簡化成τn考慮到實際系統(tǒng)中通常選取探頭中心作為參考點，聚焦于最遠處（最大聚焦處）時，要求離探頭中心最遠的陣元相對于探頭中心的時間差等于時間延遲控制精度。因此當N為奇數(shù)時，可以推導出時間延遲控制精度與最大焦距的關系為?τ=F圖4-5是根據(jù)式4-4計算得到的，在鋼種聲速c=5920m/s，N=15，d=1.0mm時，最大焦距與最低時間延遲控制精度的關系圖。從圖中可以看出，當最大焦距為400mm時，系統(tǒng)時間延遲控制誤差不大于10ns。圖4-5最大焦距與系統(tǒng)延遲控制精度的關系若選取探頭中心作為參考點，當離探頭中心最遠的陣元相對于探頭中心的時間差在數(shù)值上等于時間延遲控制精度，可以求得系統(tǒng)時間延遲控制精度與焦點縱向分辨率的關系。對式4-3兩邊分辨對時間和焦距F微分，得?τ=1當陣元數(shù)為奇數(shù)時，將離探頭中心最遠的陣元的位置參數(shù)n=(N-1)/2帶入式4-5a，得到系統(tǒng)時間延遲控制精度與焦點在縱向分辨率的關系?F=1式4-5b表明系統(tǒng)時間延遲控制精度將影響焦點間距：由于系統(tǒng)的時間延遲控制精度有限，焦點之間并不連續(xù)，相鄰焦點之間的間隔與實際使用的陣元數(shù)N、陣元間距d、焦距F以及時間延遲控制精度有關。當N、d、F一定時，相鄰焦點的間隔與時間延遲控制精度成正比關系。圖4-6是根據(jù)4-5b在系統(tǒng)不同時間延遲控制精度的情況下，相鄰焦點間距（焦點分辨率）與焦距關系，圖中其他參數(shù)為：材料為鋼（c=5920m/s），N=15，d=1.0mm。從圖中可以看出當?τ=10ns，焦距為100mm時，相鄰焦點的距離大約為17mm。圖4-6時間延遲精度不同時，焦距與相鄰焦點間距的關系因此，在設計系統(tǒng)時，需要根據(jù)實際系統(tǒng)需要掃查的區(qū)域，結合焦深的大小，設計合適的時間延遲精度，以保證檢測區(qū)域內可以實現(xiàn)任意點聚焦檢測。②時間延遲精度與聲束偏轉精度的關系聲束偏轉是通過相鄰陣元施加心相同的延遲時間實現(xiàn)，相鄰陣元的延遲時間與偏轉角度θ和陣元間距d有關τ=dsin式中，c為聲速。與焦點在聲束縱向方向控制精度類似，由于系統(tǒng)時間延遲控制誤差導致聲束偏轉不連續(xù)，有可能導致焦點在偏轉方向的盲區(qū)，如圖4-7所示。選取探頭中心作為參考點，當陣元數(shù)為奇數(shù)時，不同陣元相對于參考點的延遲時間為圖4-7焦點偏轉盲區(qū)τn式中，n為第n個陣元，n=0，,1，﹒﹒﹒，±N-1對式4-7兩邊分辨對時間和偏轉角度θ微分，當離探頭中心最遠的陣元相對于探頭中心的時間差等于時間延遲控制精度時，可以得到系統(tǒng)時間延遲控制精度與聲束偏轉精度的關系?τ=(N-1)d圖4-8是在不同控制精度時，偏轉角度與聲束的最大偏轉精度關系圖。從圖中可以看出，同一控制精度下，偏轉角度會影響偏轉精度，偏轉角度越大，偏轉精度越低；偏轉角度相同時，控制精度越高，聲束的偏轉分辨率越高。圖4-8中相關參數(shù)如下：鋼（c=5920m/s），N=15，d=1.0mm。圖4-8偏轉角度與偏轉精度示意圖（2）系統(tǒng)最小延遲量系統(tǒng)最小延遲量是指檢測是系統(tǒng)可能達到的最大延遲時間。只有當系統(tǒng)的實際延遲量大于系統(tǒng)的最小延遲量時才能保證系統(tǒng)檢測聲束可以按需求偏轉與聚焦。如圖4-9所示，系統(tǒng)的最小延遲量取決于參考點離其最遠的陣元到焦點的聲程差決定。根據(jù)三角形兩邊之差小于第三邊的定理，假設以探頭中心為參考點，陣元間距為d，聲束為c，那么系統(tǒng)最大聲程差可以用式4-9表示Ei圖4-9陣元間聲程差示意圖因此，延遲范圍可以用式4-10描述為τmax傳播介質為鋼時（c=5920m/s），當N=16，d=1.0mm時，系統(tǒng)的最小延遲量應該不小于1267ns。在上述條件下，系統(tǒng)最小延遲量的物理意義是陣列換能器最邊上的陣元發(fā)射的超聲波傳播到聚焦點的時間要比中心陣元發(fā)射的超聲波傳播到同一焦點的時間長1267ns，因此在系統(tǒng)設計的時候，最邊上的陣元相對于中心陣元發(fā)射超聲的延遲時間應當不小于上面計算的最小延遲量，否則最邊上陣元發(fā)射的超聲波和中心陣元發(fā)射的超聲波就不能同時達到預期的聚焦點，也就是說不能在預期的聚焦點聚焦。這個延遲量就是系統(tǒng)設計的最小延遲量。如果去最側邊的陣元作為參考點，則系統(tǒng)的最小延遲量為上面計算結果的2倍，因此為了減少系統(tǒng)最小延遲量，應該選擇探頭中心作為參考點。（3）相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)數(shù)字式延遲技術在數(shù)字聲束形成技術中，數(shù)字式延遲技術是達到聲束聚焦的關鍵。數(shù)字式延遲通?？刹捎貌蓸娱g隔TS的整數(shù)倍和小數(shù)倍之和形成。對于整數(shù)倍延遲，只需對數(shù)字信號序列做位移即可解決，小數(shù)部分的步長則決定了延遲精度。在考慮數(shù)字延遲時，應估計到延遲精度所引起的旁瓣級。分析表明，為使旁瓣級限制在-40dB，對于3MHz的超聲頻率，在16陣元時的延遲量步長應小于10ns，在64陣元時的延遲實現(xiàn)小數(shù)部分延遲的方法有兩種。第一種為流水線式采樣延遲聚焦，PSDF。在此方案中，聚焦所需延遲由各陣元通道A/D轉換器的不同采樣時鐘完成。換句話說，由采樣時鐘發(fā)生器為每一個陣元通道產生一個專用的采樣時鐘，這些時鐘的相位（采樣時刻）互相錯開，其錯開的值恰好等于各陣元傳播延遲之差。因此，只要把同一相位的對應采樣值同時又先入先出(FIFO)存儲器取出送到加法器相加，即可形成聚焦的效果。這種方法得到的最小延遲步長約為20ns左右。實現(xiàn)小數(shù)延遲的第二種方法是先對陣元各通道A/D以同一速率均勻采樣，然后對采樣后的數(shù)據(jù)進行內插來實現(xiàn)延遲，這樣就改變了各通道數(shù)據(jù)的采樣周期。相對于采樣周期的延遲，可以用相位延遲來代替時間延遲，根據(jù)多采樣率數(shù)字信號處理，MDSP技術，可以設計多相濾波器組來實現(xiàn)數(shù)字延遲小數(shù)部分。這種方法的采樣電路簡單，但對多相濾波器組的設計要求較高。較小的濾波器長度及切換速度是實現(xiàn)這種方法的關鍵。這種方法得到的最小延遲量步長可降低到5ns以下。4.1.4數(shù)字相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)獨立通道數(shù)的優(yōu)化選擇相控陣超聲成像檢測時，系統(tǒng)實際使用的探頭陣元數(shù)取決于系統(tǒng)的獨立通道數(shù)。當探頭其他參數(shù)一定時，陣元數(shù)將影響檢測聲束，而檢測聲束是決定檢測空間分辨率和對比度分辨率的重要因素，因此系統(tǒng)的獨立通道數(shù)是影響系統(tǒng)性能的關鍵指標。4.1.4.1系統(tǒng)獨立通道數(shù)與系統(tǒng)空間分辨率相控陣超聲檢測時，焦點的幾何特征決定了系統(tǒng)的空間分辨率。焦點的幾何特征包括焦點寬度和焦深。焦點寬度b（也稱焦點直徑）是聲束聚焦時，焦點左右的聲壓與焦點聲壓之比為-3dB時聲束的寬度。通常將主聲束上焦點前后相對于焦點處聲壓下降20%的主聲束長度定義為焦區(qū)深度（簡稱焦深），記作F。（1）系統(tǒng)獨立通道數(shù)與系統(tǒng)橫向分辨率系統(tǒng)獨立通道數(shù)對系統(tǒng)橫向分辨率的影響可以從兩個方面進行分析：系統(tǒng)獨立通道數(shù)對焦點寬度的影響和合同獨立通道數(shù)對聲束偏轉時系統(tǒng)的檢測分辨率的影響。1）系統(tǒng)獨立通道數(shù)與焦點寬度關系相控陣超聲成像檢測時，焦點的寬度b可以近似用式4-11買搜狐b=1.03λF式中，λ----波長，mmF----焦距，mmD----探頭孔徑尺寸，mm探頭陣元間距可以表示為檢測波長的k（0<k≦1）倍，由于陣元間隙與陣元間距相比較小，可以忽略，而且實際檢測時的通道數(shù)比較大，因此可以取探頭的孔徑為：D=Nd=Nkλ，其中，λ為波長，N為系統(tǒng)獨立通道數(shù)，d探頭陣元間距。式4-11可以表示為b=1.03F從式4-12中可以看出，當探頭陣元間距與波長的比確定時，在焦距相同的條件下，焦點的寬度b隨系統(tǒng)獨立通道書增加而減小，系統(tǒng)的橫向分辨率隨之提高。圖4-10是k=0.5，鋼種焦距F不同時，焦點寬度與系統(tǒng)獨立通道數(shù)N關系圖。圖4-10焦點寬度與獨立通道數(shù)的關系圖4-11是F=100mm，被檢測材料為鋼，對于不同k，焦點寬度與系統(tǒng)獨立通道數(shù)N關系圖。圖4-11焦點寬度與獨立通道數(shù)的關系以上分析表明，系統(tǒng)獨立通道書將影響焦點的寬度，從而影響系統(tǒng)的橫向分辨率，因此在設計數(shù)字相控陣超聲檢測系統(tǒng)時，應該根據(jù)實際檢測時對焦點寬度的要求，設計系統(tǒng)的獨立通道數(shù)。2）系統(tǒng)獨立通道數(shù)與系統(tǒng)檢測偏轉角關系在實際檢測時，尤其是自動探傷中，探頭與工件的位置相對固定，如圖4-12所示，所要檢測角度范圍也是確定的，由于聲束偏轉會影響檢測分辨率，為了保證檢測結果的可靠性，系統(tǒng)必須保證最大偏轉角的分辨率滿足要求。圖4-12聲束偏轉角最大值確定得到檢測示意圖相控陣列的聲束偏轉對檢測分辨率的影響可以近似通過瑞利準則推導δ=sin式中，δ為檢測分辨率（角度）。系統(tǒng)最大偏轉角與陣元間距與波長的比值k有關k=d將式4-13帶入式4-14，可以得到δ=arcsin?(1.22(1+從式4-15中可以看到，為了保證檢測聲束偏轉到最大偏轉角時，檢測分辨率達到檢測要求，則N不小于NNmin圖4-13是檢測分辨率一定時，根據(jù)式4-16得到的最小獨立通道數(shù)與最大偏轉角度之間的關系圖。圖4-13系統(tǒng)獨立通道數(shù)與最大偏轉角的關系從圖4-13可以看出，當系統(tǒng)獨立通道數(shù)一定時，橫向分辨率隨偏轉角度增加而減??；當獨立通道數(shù)為16，聲束偏轉30°時，橫向分辨率約為6°。以上分析表明，在設計自動探傷相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)時，應當考慮聲束偏轉造成橫向分辨率降低的現(xiàn)象，應該根據(jù)實際要求，調整系統(tǒng)的鼓勵通道數(shù)。（2）系統(tǒng)獨立通道數(shù)與系統(tǒng)縱向分辨率關系系統(tǒng)的獨立通道數(shù)對縱向分辨率影響可以通過焦點的焦深來分析。焦深Fe大小可以用式4-17描述Fe式中，λ0F----焦距，mmD----子陣的孔徑，mm將D=Nd=Nkλ0Fe從式4-18可知，當探頭陣元間距一定時，增加獨立通道數(shù)可以減小焦深，提高系統(tǒng)的縱向分辨力。但是，前面的分析可知：當系統(tǒng)的延遲控制精度一定時，焦點在聲束方向是不連續(xù)的，而且如果控制精度較低時，在焦點與焦點之間可能會出現(xiàn)焦點盲區(qū)，影響該區(qū)域的檢測，為了消除這種盲區(qū)，可以采用控制使用的獨立通道數(shù)，增加焦深的方法，實現(xiàn)焦點全面覆蓋，如圖4-14示。圖4-14焦點覆蓋示意圖4.1.4.2系統(tǒng)獨立通道數(shù)與系統(tǒng)對比度分辨率系統(tǒng)獨立通道數(shù)對對比度的分辨率影響主要是通過提高信噪比獲得較高的對比度分辨率。假設各通道的噪聲是不想關的，系統(tǒng)獨立通道數(shù)增加時，聲束合成后，噪聲由于不相關而減弱（當通道數(shù)無窮多時，噪聲應為0），而焦點處信號疊加而增強，信噪比提高。另外，上訴分析支持在其他情況相同的條件下，增加通道數(shù)提高了檢測的數(shù)值孔徑，檢測聲束的能量增強，對比度分辨率也得到提高。綜合上述分析，系統(tǒng)獨立通道數(shù)的增加有助于提高檢測的對比度分辨率，但是獨立通道數(shù)的增加提高了系統(tǒng)的復雜性，增加了成本。4.1.5ISONIC相控陣系統(tǒng)主要技術參數(shù)相控陣模式脈沖種類：雙極性方波初始轉換：7.5ns(10-90%上升沿/90-10%下降沿)脈沖幅度：在阻抗50的情況下，激發(fā)電壓平穩(wěn)可調(12級)50V…300V脈沖寬度：50…600ns獨立可調，10ns步進激發(fā)孔徑：1…64相位調整(激發(fā)孔徑)：0…10，分辨力重復頻率：10...5000Hz，1Hz步進接收孔徑：1…64增益：0...100dB，0.5dB步進高級降噪設計：85V尖峰輸入，對照80dB增益/25MHz帶寬頻段：0.2…25MHz寬帶A/D轉換：100MHz16bit接受信號疊加：實時,無復雜的多路技術相位調整(接收孔徑)：實時0…100s，5ns分辨力A掃描顯示模式：射頻,全波，正半波，負半波聚焦法則DAC/TCG：理論的–輸入dB/mm(dB/")數(shù)值實測的–不同深度連續(xù)記錄回波幅度聚焦法則閘門：2個獨立閘門/無限展開閘門起點與寬度：在A掃描界面均可設定，0.1mm步進閘門高度：5…95%A掃描界面高度，1%步進聚焦法則數(shù)量：8192掃查與成像模式：B掃描–反射波次數(shù)/厚度/角度修正,單獨晶片增益控制(GSC)扇形掃描–正?；蚍瓷洳ù螖?shù)/厚度修正,單獨角度增益控制(GAC)串列式B掃描–反射波次數(shù)/厚度/角度修正,單獨晶片增益控制(GSC)三維成像–由俯視圖，主視圖，側視圖組成數(shù)據(jù)存儲：100%真實數(shù)據(jù)采集常規(guī)脈沖接收通道通道數(shù)量：1，8，16脈沖接收方法(8或16常規(guī)通道):并行激發(fā)-所有通道同時激發(fā)、接收，數(shù)字化信號并記錄分時激發(fā)-所有通道分時激發(fā)、接收，數(shù)字化信號并記錄脈沖種類:雙極性方波初始轉換:7.5ns(10-90%上升沿/90-10%下降沿)脈沖幅度:在阻抗50的情況下，激發(fā)電壓平穩(wěn)可調(12級)50V…400V脈沖寬度:50…600ns獨立可調，10ns步進模式:單晶/雙晶重復頻率:10...5000Hz，1Hz步進增益:0...100dB，0.5dB步進高級降噪設計:85V尖峰輸入，對照80dB增益/25MHz帶寬頻段:0.2…25MHz寬帶A/D轉換:100MHz16bit濾波:32階帶通濾波器可降低和提高頻率界限A掃描顯示模式:射頻,全波，正半波，負半波，頻譜聚焦法則DAC/TCG:理論的–輸入dB/mm(dB/")數(shù)值實測的–不同深度連續(xù)記錄回波幅度DGS:18個探頭庫/無限擴展閘門:2個獨立閘門/無限展開閘門起點與寬度:在A掃描界面均可設定，0.1mm步進閘門高度:5…95%A掃描界面高度，1%步進測量功能–數(shù)顯讀數(shù):27個自動功能/可擴展;復合材料雙聲速測量;斜探頭支持曲面/厚度/反射波次數(shù)修正;所有探頭的聲速與延時校準凍結功能:凍結所有–A超與譜線/凍結尖峰–A超/全部測量功能,閘門控制凍結信號,6dB增益可調掃查與成像模式:單通道:深度B掃描,當量B掃描,CB掃描,TOFD多通道:4個帶狀圖顯示(TOFD/當量/PE幅度，時差/耦合監(jiān)控)數(shù)據(jù)存儲:100%真實數(shù)據(jù)采集

設備數(shù)據(jù)CPU:AMDLX800-500MHz內存:512M閃存:4G顯示屏:防眩目8.5”觸摸屏，分辨率800600控制:內置鼠標鍵盤接口:2USB口,1個以太網口操作系統(tǒng):WindowsXPEmbedded編碼器接口:步進式編碼器長度記錄:50…20000mm外殼:IP53防滑鋁，帶把手外形尺寸:314224124mm–無電池314224152mm–重量:4.550kg–無電池5.480kg–有電池4.2相控陣檢測的探頭4.2.1陣列用于NDT檢測的超聲陣列就是將一系列單晶片的傳感器按照某種形式排列，這樣可以加大檢測的范圍并提高檢測的速度。例如：管道檢測中，多探頭檢測法用于裂紋檢測、層狀缺陷發(fā)現(xiàn)以及整體厚度測量；鍛件檢測中，采用分區(qū)測量時就需要將多個探頭聚焦在不同深度用于發(fā)現(xiàn)微小缺陷；沿表面線性排列的陣列探頭可以增加復合材料的層間缺陷或者金屬材料的腐蝕缺陷的發(fā)現(xiàn)能力；以上的檢測就需要多通道的高速超聲設備，這些設備具有相應的脈沖觸發(fā)器、接收器以及邏輯門電路可以處理每個通道的數(shù)據(jù)，同時也可以對每個通道的檢測區(qū)域進行精確設置。大家可以將一個具有一列獨立晶片的相控陣探頭簡單地理解為以將以上多個探頭放打包在一起檢測。但不同的時相控陣探頭的晶片大小實際中遠小于常規(guī)探頭的晶片，，這些晶片被以組的形式觸發(fā)產生方向可控的波陣面。這種“電子聲束形式”可以用一個探頭對多個區(qū)域進行快速檢測。4.2.2相控陣探頭內部結構介紹雖然相控陣探頭有很多種規(guī)格，包括不同的尺寸、形狀、頻率計晶片數(shù)，但是其內部結構都是將一個整塊的壓電陶瓷晶片劃分成多個段?，F(xiàn)代用于工業(yè)NDT檢測的相控陣傳感器大多是壓電復合材料制造的，這些傳感器大多是由微小的薄的且嵌入了壓電陶瓷的條狀體形成的聚合物矩陣。這種結構很大程度上增加了生產的難度，復合材料傳感器比相同結構的壓電陶瓷傳感器高出10dB-30dB的靈敏度。已分割的金屬鍍層用于將復合材料條劃分為多個獨立電子晶片，這些晶片可以被獨立激發(fā)。這些被分割的晶片被轉入同一個傳感器，在這個傳感器中還包括保護晶片的匹配層、背襯材料，連接電纜及探頭殼。圖4-15相控陣探頭截面圖一些常見的相控陣晶片排列形式：1D線陣一維線陣探頭在垂直檢測及斜入射檢測中是最常使用的探頭。優(yōu)勢：容易加工，也容易安裝在楔塊上?？蓪崿F(xiàn)不同深度不同角度的單面聚焦。不足：大尺寸晶片才能實現(xiàn)深度較大的聚焦，隨著角度及深度的增加聲束擴散增加，且不能實現(xiàn)聲束偏轉。2D面陣優(yōu)勢：可以實現(xiàn)三維聲束偏轉，可以實現(xiàn)單面或者球面立體聚焦。不足：探頭結構復雜，加工工序多，需要大量的激發(fā)器/接收器，及相應的復雜信號處理電路。1.5D面陣優(yōu)勢：卓越的聲束偏轉能力，可實現(xiàn)不同深度及角度的單面聚焦，干擾聲束減少。不足：探頭結構復雜，加工工序多，需要大量的激發(fā)器/接收器，及相應的復雜信號處理電路。1D環(huán)陣優(yōu)勢：可實現(xiàn)不同深度的球面聚焦，小缺陷檢出能力強。不足：無聲束偏轉能力，需要大孔徑實現(xiàn)尖點聚焦，需要復雜的處理程序。2D分割環(huán)陣優(yōu)勢：可產生不用深度及角度的橢圓或球面波。不足：探頭結構復雜，加工工序多，需要大量的激發(fā)器/接收器，及相應的復雜信號處理電路。且只能產生縱波。1D環(huán)陣優(yōu)勢：可產生不用深度及角度的橢圓或球面波。典型應用在曲面檢測中。不足：探頭結構復雜，加工工序多。4.2.3相控陣探頭的特性相控陣傳感器根據(jù)以下參數(shù)進行分類：類型：非直接接觸型（通過一個帶有角度的塑料楔塊或者無角度的垂直塑料楔塊接觸工件），直接接觸型（無需楔塊探頭直接接觸工件），浸入型（探頭需要浸入到水或者其他介質中）頻率：大多數(shù)超聲檢測所用的探頭頻率在2MHz-10MHz之間，所以相控陣探頭的頻率大多在2MHz-10MHz之間。和常規(guī)超聲傳感器一樣，低頻傳感器穿透力強，高頻傳感器分辨率及聚焦清晰度高。晶片數(shù)：大多數(shù)相控陣傳感器的晶片數(shù)在16-128晶片之間，相控陣傳感器晶片數(shù)最多可以達到256個。晶片數(shù)多，聚焦能力及聲束偏轉能力強，同時聲束覆蓋面積大。但是晶片數(shù)多的相控陣傳感器價格昂貴，增加了檢測成本。傳感器中的每個晶片都可以獨立觸發(fā)產生波源。因此，這些晶片的尺寸被看做有效方向。晶片尺寸：晶片越窄，聲束偏轉能力越高。如果想加大一次性聲束覆蓋面積，就需要增加晶片數(shù)量，探頭的價格也隨之增加。圖4-16相控陣探頭晶片尺寸參數(shù)示意圖N=探頭中晶片總數(shù)；A=探頭有效的孔徑大??；H=晶片高度；W=晶片寬度；P=晶片間距或者兩相鄰晶片中心點的距離；e=晶片寬度；g=兩相鄰晶片間隔；軟件將通過以上這些信息計算產生所需達到聲束的波形模式及角度，如式4-19、式4-20所示。如果這些信息不能通過探頭數(shù)據(jù)庫自動錄入軟件中，那就需要用戶自行手動輸入至軟件中。（式4-19）（式4-19）式中：VL-----材料中的縱波聲速；Pitchsize------探頭晶片間距P；β------縱波折射角；N-----晶片總數(shù)；i------激發(fā)晶片序列號；τiL（式4-20）（式4-20）式中：VS-----材料中的橫波聲速；Pitchsize------探頭晶片間距P；βSN-----晶片總數(shù)；i------激發(fā)晶片序列號；τiS4.2.4相控陣楔塊相控陣探頭出了傳感器本身，通常配合楔塊一起使用。楔塊在橫波檢測和縱波檢測中夠有應用，包括垂直線性掃描。楔塊的作用和常規(guī)單晶缺陷檢測時一樣，主要是依據(jù)Snell定律將聲波以檢測所需要的波形模式和角度折射到工件中。當相控陣系統(tǒng)通過一個楔塊產生多個角度的時候，這些角度都將通過這個楔塊產生折射。橫波楔塊和常規(guī)傳感器中的結構非常相似，也具有很多尺寸和類型。其中一些楔塊還具有耦合劑導入孔。一個典型相控陣楔塊如下圖4-17所示：圖4-17相控陣斜楔塊0°楔塊通常采用平面塑料塊。在垂直線性掃描以及縱波小角度掃描時，0°楔塊用于減少表面盲區(qū)，并可以保護相控陣探頭不受磨損。圖4-18相控陣直楔塊有些備件工件被檢部位幾何形狀復雜，常規(guī)楔塊難于耦合，這時可以自定義楔塊的形狀已獲得更好的耦合效果。楔塊的規(guī)格很多可以滿足相控陣的各種掃描，它可以保證深度、距離標定的正確性以及可保證獲得合適的折射角度。4.3相控陣檢測的試塊按照一定用途設計制作的具有簡單幾何形狀人工反射體的試樣，通常稱為試塊。試塊和儀器探頭一樣，是超聲波相控陣探傷中的重要工具。4.3.1試塊的作用1、確定探傷靈敏度超聲波相控陣探傷靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會引起漏檢。因此超聲波相控陣探傷前，常用試塊上某一特定的人工反射體來調整探傷靈敏度。常用的探傷靈敏度確定試塊有CSK-IIIA、RB-3試塊等。2、測試儀器和探頭的性能超聲波相控陣探傷儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、動態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭的入射角度等都是利用試塊來測試的。3、調整掃描速度利用試塊可以調整儀器顯示屏上水平刻度值與實際聲程之間的比例關系，即掃描速度，以便對缺陷進行定位。4、評判缺陷大小利用某些試塊繪出的距離—波幅—當量曲線（即實用AVG）來對缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特別是3N以內的缺陷，采用試塊比較法仍然是最有效的定量方法。此外還可以利用試塊來測試材料的聲速、衰減性能等。4.3.2試塊的要求和維護1、對試塊的要求試塊材質應均勻，內部雜質少，無影響使用的缺陷。加工容易，不易變形和銹蝕，具有良好的聲學性能。試塊的平行度、垂直度、光潔度和尺寸精度都要符合一定的要求。試塊要用平爐鎮(zhèn)靜鋼或電爐軟鋼制作，對比試塊材質盡可能與被探工件相同或相近。標準試塊探測面光潔度和尺寸公差有一定要求。對比試塊光潔度和尺寸公差與被探工件相同或相近。2、試塊使用與維護1）試塊應在