超聲相控陣

超聲相控陣技術的基本思想來自於雷達電磁波相控陣技術。相控陣雷達是由許多輻射單元排成陣列組成，通過控制陣列天線中各單元的幅度和相位，調整電磁波的輻射方向，在一定空間範圍內合成靈活快速的聚焦掃描的雷達波束。超聲相控陣換能器由多個獨立的壓電晶片組成陣列，按一定的規則和時序用電子系統控制激發各個晶片單元，來調節控制焦點的位置和聚焦的方向。

發展

超聲相控陣技術已有近20多年的發展歷史。初期主要套用於醫療領域,醫學超聲成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像;大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫並減少非目標組織的功率吸收。最初,系統的複雜性、固體中波動傳播的複雜性及成本費用高等原因使其在工業無損檢測中的套用受限。然而隨著電子技術和計算機技術的快速發展,超聲相控陣技術逐漸套用於工業無損檢測,特別是在核工業及航空工業等領域。如核電站主泵隔熱板的檢測;核廢料罐電子束環焊縫的全自動檢測及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測。由於數字電子和DSP技術的發展，使得精確延時越來越方便，因此近幾年,超聲相控陣技術發展的尤為迅速。

動作原理

1.1 動作原理

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規律分布排列，然後逐次按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超音波形成一個整體波陣面，能有效地控制發射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現超音波的波束掃描、偏轉和聚焦。它為確定不連續性的形狀、大小和方向提供出比單個或多個探頭系統更大的能力。

超聲相控陣檢測技術使用不同形狀的多陣元換能器產生和接收超音波束，通過控制換能器陣列中各陣元發射(或接收)脈衝的不同延遲時間，改變聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關係，實現焦點和聲束方向的變化，從而實現超音波的波束掃描、偏轉和聚焦。然後採用機械掃描和電子掃描相結合的方法來實現圖像成像。

通常使用的是一維線形陣列探頭，壓電晶片呈直線狀排列，聚焦聲場為片狀，能夠得到缺陷的二維圖像，在工業中得到廣泛的套用。

陣列類型

陣列顧名思義就是晶片在探頭中排列的幾何形狀。相控陣探頭有3 種主要陣列類型：線形（線陣列）、面形（二維矩形陣列）和環形（圓形陣列），如圖3 所示。相控陣探頭大多數採用線形陣列，因為線形陣列編程容易，費用明顯低於其他陣列。

陣列類型

掃查方式

用相控陣探頭對焊縫進行檢測時，無需像普通單探頭那樣在焊縫兩側頻繁地來回前後左右移動，而相控陣探頭沿著焊縫長度方向平行於焊縫進行直線掃查，對焊接接頭進行全體積檢測。該掃查方式可藉助於裝有陣列探頭的機械掃查器沿著精確定位的軌道滑動完成，也採用手動方式完成，可實現快速檢測，檢測效率非常高。

套用實例

不同廠家超聲相控陣設備的功能、操作及顯示方式等各不相同，但是檢測套用基本相同。本文現以以色列Sonotron NDT 公司生產的相控陣設備（即ISONIC-UPA） 套用為例來分析介紹。ISONIC-UPA 設備有其獨特的技術特點和優勢，不同於其他廠家的相控陣設備，體現了超前的理念。

1 角度補償

傳統工業相控陣定量方法不具有角度、聲程、晶片增益修正技術，多晶片探頭通過楔塊入射到工件內部時存在入射點漂移現象和能量分布變化。採用單一入射點校準方式與常規距離-波幅曲線修正，造成的扇形掃查區域中能量分布不均勻及測量誤差等問題未能有效解決，如圖7 所示。而ISONIC-UPA 相控陣設備具有角度補償功能，能有效地解決此類問題。

圖7

所謂角度補償就是針對不同的聚焦法則，輸入扇形掃查所需的角度範圍及入射角度的增量後，晶片可以分別進行角度增益調整，也就是晶片角度增益修正。

有了角度增益補償設定功能，可以取代傳統的通過設定DAC曲線的方法來補償增益變化。在ASME Case2557 標準中明確指出進行扇形掃描時要進行角度增益補償。角度增益補償曲線如圖8所示，經過角度補償後得到的等量化數據。

2 二次波顯示

傳統相控陣扇形掃查採用單純的聲程顯示，不能顯示缺陷的真實位置。這種成像模式將處在二次波位置上的缺陷轉換成一次波位置進行成像顯示，給分辨缺陷的具體位置增加難度，不能直觀給出缺陷真實位置。對於檢測角焊縫、T 形焊縫、K形焊縫及Y 形焊縫無法顯示真實成像結果，使該成像模式的套用受到限制，僅能用於檢測對接接頭。

而ISONIC-UPA 採用二次波檢測成像顯示模式，成像結果與真實幾何結構一致。這種成像模式能直觀顯示缺陷的位置及被檢工件焊縫的真實結構，這是聲程顯示成像模式無法比擬的。