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相控阵检测基础FREDERICREVERDY超声检测:传统超声UT常规超声通常使用一个压电陶瓷单晶片探头发射和接收超声波。其声场沿着和楔块角度相关的固定折射角度轴线传播，具有一个固定的焦点位置，焦点位置和晶片尺寸，探头频率相关。因为焦点位置和入射角度都是固定参数，优化传统超声工艺以实现检测期望检出的缺陷能力有限。检测人员常常需要更换不同的探头和楔块来保证检测需求超声相控阵超声检测:相控阵技术•相控阵超声技术最早被应用在医学领域，用于获得人体内部器官的丰富扇扫截面成像。1990年代初,相控阵技术作为一种新方法用于工业NDT领域。•与常规超声使用一个单晶片发射和接收超声波不同，相控阵探头通常包含许多独立的小晶片，每一个小晶片都可以单独激发。•相控阵超声检测基础理论是波动物理学，在光学和电磁学领域也有应用。超声相控阵超声检测:相控阵技术•每一个阵元激发后都会形成自己的波前，就像一个单晶片探头一样。•当阵列探头所有晶片都被激发后，每一个单独的波前都会合成并互相影响。•相控阵的原理在于以某种方式激励探头，使其波前产生预期的干涉，从而去实现控制声场沿着某个固定方向传播或在某个固定点聚焦的结果。•通过控制每个晶片激发时间的细微差异值即延迟法则，来实现上述目的超声相控阵单晶片超声相控阵晶片脉冲工件相控阵探头•只激发一个晶片•其声场和激发一个相同尺寸的常规超声探头一样•因为相控阵探头晶片尺寸很小，会出现一个大的扩散角•这便是我们想要的相控阵具备的能力，我们想要所有晶片都可以把能量传播到任意位置。所有晶片晶片工件相控阵探头•同时激发所有晶片•其声场与激发一个晶片尺寸等于所有晶片尺寸之和的常规超声探头一样所有晶片脉冲超声相控阵时间延迟脉冲工件•我们使用不同的时间延迟激励探头晶片，来获得想要的特征声场。•相控阵希望实现常规超声能做到的事儿，且更有灵活性和生产实用性超声相控阵PRACTICALLY相控阵原理Σ•使用一定的延时法则激励晶片•超声波传播并与几何轮廓和缺陷发生相互作用，返回到探头晶片中•信号被接收到，然后根据接收时间延迟法则对时间进行修正•然后合成为一个超声脉冲信号发射接收延迟延时线性扫查,聚焦和声束偏转聚焦法则三种主要的延时法则方式聚焦线性扫查声束偏转线性扫查聚焦法则•一组晶片，即一个孔径，沿整个阵列多路复用，进行某个固定角度的入射。•其效果与使用常规超声探头进行纵波腐蚀扫查或横波检测类似，区别在于不需要移动探头•腐蚀检测首选检测方式，可以大大提高检测效率孔径聚焦聚焦法则•最外侧的晶片首先激发，然后逐步往中间，直到最后一个被激发。•其效果和使用一个带自聚焦的常规超声探头相同，不同之处在于其聚焦深度可通过电子控制晶片延迟的方式调节。扇形扫查聚焦法则•声场形成一个大角度覆盖范围•其效果和使用很多个不同角度的常规超声探头获得很多个不同角度的声束一样，其区别在于其步进可以非常小，不需要使用很多探头•焊缝检测首选扫查方式特点聚焦法则•如前所述三种延迟法则，线性扫查，聚焦，扇形扫查，可以合并进行并形成一个更复杂的声场•聚焦法则可以计算不带楔块工作时纵波模式，也可以计算带楔块工作时的横波模式探头参数相控阵探头pitchelevationgap相控阵探头是在环氧树脂中嵌入小型压电晶体。制造商使用这些材料的参数来设计具有特定功能的探头（匹配层，频率......）相控阵探头通常由如下参数定义：–晶片数量–晶片间距(相邻两晶片中心间距)–晶片间隙(相邻两晶片临近边缘距离)–晶片宽度(垂直于晶片排序方向的晶片长度)晶片间距相控阵探头一个非常重要的规则是间距必须小于半波长：pλ/2避免大角度产生栅瓣pλ/2pλ/2晶片间距太大:结果相控阵探头栅瓣是在不希望的方向上发射声能这种声能会和几何轮廓和缺陷发生相互作用产生回波，栅瓣的存在会让检测结果变得难以解释pλ/2晶片间距太大:结果相控阵探头尽管能量来自于底面反射，出现在大角度，大偏转角的栅瓣会影响检测，让出现在这个区域的缺陷无法检测出来pλ/2pλ/2横通孔回波栅瓣回波横通孔回波晶片尺寸相控阵探头通常情况想，我们希望相控阵探头的晶片尺寸足够小，这样可以在所有的方向均有能量扩散(大声束扩散角)通常，最大晶片尺寸和最大折射角的关系为𝑒𝑚𝑎𝑥=0.514λsin𝜃𝑚𝑎𝑥晶片尺寸是一个声场扩散和声场能量的折中(PAUT晶片尺寸越小，声场能量越小)e=λ/2e=3λ宽度相控阵探头晶片宽度是指被动窗方向的尺寸其选择原则和常规超声一样，满足近场区长度和声场扩散角典型公式典型分类相控阵探头•多种不同类型相控阵探头–线阵探头–面阵探头–环阵探头–扇形探头–扇形环阵探头–…•探头可以在被动孔径方向自聚焦•探头也可以是双晶探头(TRL)规则:聚焦能力相控阵探头•一个相控阵探头不可能聚焦在其近场（全孔径）以外。–如下是一个16L5-G1探头，S55横波固定楔块声场,我们可以计算出一个不聚焦和聚焦在45mm处的声场图–他们没有区别，原因就在于45mm已经在近场以外，不能聚焦未聚焦聚焦45mm规则:角度偏转相控阵探头•聚焦能量取决于折射角，折射角越大，能量越低–如下例，75度声场能量比55度声场能量低4dB55°自然角度75°规则:角度偏转相控阵探头•探头不可能将能量偏转到90°，因此存在一个折射角度最大值•在这个实力中，我们尝试将能量偏转到90°，但是声场显示最大为78°•偏转角太大会产生爬波，类似于常规超声使用90°楔块规则:近表面分辨率相控阵探头•近表面盲区取决于所选孔径和探头频率•和常规超声一样，孔径越大，频率越低，近表面分辨率越差命名原则相控阵设备•相控阵设备可以是平行通道式，也可以是多路复用式•常见的多路复用表示方式为:16/64,32/128…前面的数字代表可同时工作的最大晶片数量，后面的数字代表设备支持的最大晶片数量，前面的数字越大，孔径越大•常见的平行通道式表示方式为：32/32,64/64...这类设备可同时让所有晶片工作•平行通道时能力更强，也更昂贵高分辨率大孔径优势•更多的晶片提供更大的孔径可能性，更大孔径能聚焦更远，焦点尺寸更小–如下示例，孔径64,32和16晶片的焦点尺寸为1.6mm,3.2mm和6.8mm64-晶片32-晶片16-晶片高分辨率大孔径优势•高分辨率意味着可以更好的区分相邻小缺陷的能力64晶片32晶片16晶片Separation更高的信噪比大孔径优势•更大的孔径意味着更多的晶片，更多的能量传输到工件中，更好的缺陷上聚焦能力，可以有效地改善信噪比–如下示例：高噪声材料中扇形扫查检测一个2-mm刻槽SNR=10dBSNR=5dBSNR=0dB缺陷缺陷缺陷defectdefectdefect超声视图视图•超声视图和超声路径与扫查参数之间的工件视角有关，(扫查或进位轴).•扫查轴沿扇形或电子扫查的方向•进位轴沿机械轴方向声程A扫视图•A扫包含了时间和波幅信息，通常用射频，检波和包络三种模式表示射频波包络声程(单位µs或mm)声程(单位µs或mm)A扫视图•波幅单位有两种%或dB•根据使用的设备系统能力，A扫幅值的动态范围使用不同比特位数进行编码。一个8位的动态范围代表着256个不同的波幅级别，16位的代表着65536个波幅级别，常常使用颜色编码色板来表示每个波幅级别，位数越高，颜色编码波幅级别越高，图像色彩越清晰B扫视图•B扫是数据某个2D视图，横坐标代表某个扫查位置，纵坐标代表某个声程位置（单位µs或mm）。每一列是一个A扫，代表扇扫某个角度或电子扫查某个•相当于使用常规超声探头沿扫查轴移动获得的图像•图像的色彩代表相应位置幅值扫查轴声程(µs或mm)D扫视图进位轴声程(µs或mm)•D扫是数据的某个2D视图。横坐标代表某个进位轴位置，纵坐标代表声程（单位µs或mm）。代表扇扫的某个角度或电子扫查的某个孔径的扫查结果。•相当于使用常规探头沿着垂直于探头声场发射方向即沿进位轴方向进行扫查的结果C扫视图•C扫是数据的某个2D视图。横坐标为进位轴，纵坐标扫查轴•这是工件顶部视角视图，某个位置的色彩代表其幅值扫查轴进位轴S扫视图•S扫是一个修正B扫，依据折射角度和时间延迟校正，这样的图像叫S扫•横坐标代表参考点到缺陷的投影距离，纵坐标代表深度，单位mm•信号直接出现在工件的几何轮廓中相应位置修正D扫视图•D扫修正视图，依据折射角和时间延迟修正，这样的视图叫修正D扫•和工件的几何轮廓有关，可以用笛卡尔坐标系，也可以用极坐标系表示•信号直接出现在工件的几何轮廓中相应位置真实视图视图TopviewEndview侧视图•真实视图来自于C扫，B扫，D扫视图的累积效果，类似于机械图纸的某个平面视图•顶视图是C扫视图投影•侧视图是B扫视图投影•端视图是D扫视图投影标准•国外常用超声相控阵标准–ASTME2700:Standardpracticeforcontactultrasonictestingofweldsusingphased-array–ASME:sectionV,article23–ISO13588:Non-destructivetesting—Useofautomatedphasedarraytechnology–ISO19285:Non-destructivetestingofwelds-Phasedarrayultrasonictesting(PAUT)-Acceptancelevels–…焊缝检测应用示例•相控阵检测工艺程序与常规超声在覆盖和角度要求上相同•焊缝检测相控阵扫查工艺一般需要确定某个探头偏移位置，这个位置足以保证声束范围能覆盖到焊缝检测区域，且声束角度适用扫查工艺探头偏移焊缝检测应用示例•大角度用于检测焊缝根部区域，如未焊透，根部裂纹等扫查工艺大角度焊缝检测应用示例•小角度经底面反射后，用于检测焊缝坡口面和顶部区域•典型应用，检测坡口未熔，焊趾裂纹，气孔…•对于破口未熔，应尽量使声束角度垂直于坡口斜面小角度焊缝检测应用示例•焊缝检测常使用单面双侧扫查•右图视频为一个25mm厚V型坡口焊缝检测，两侧各使用一个相控阵探头，一组TOFD进行多组扫查腐蚀检测应用示例•超声测厚常用于检测各种材料，各种形状的基础零件和精密零件，也常用于评价由腐蚀引起的壁厚减薄•通常情况下，一个常规超声探头在工件表面进行2D扫描，获得每个位置的剩余厚度值并形成C扫视图•这个过程耗时较长，需要把探头在整个工件表面进行全覆盖，步进轴增量需要足够小才可保证全部覆盖腐蚀检测应用示例•相控阵检测，线性扫查能明显提高腐蚀检测效率；线性扫查类似于进行了一次机械扫查，而且速度更快•这种方法减少了需要步进的位置•相控阵腐蚀检测可以使用固定硬质楔块，也可以使用水囊楔块腐蚀检测应用示例•10-mm腐蚀管道检测示例•探头64晶片5MHz水囊楔块•使用一个同步闸门跟踪表面回波腐蚀检测应用示例•检测结果通常用一副C扫视图表示，颜色表征深度值•腐蚀区域可以快速检测出来，分析软件可以帮助用户快速找到最小厚度位置，评价剩余厚度值其他应用应用示例