相控阵讲义

相控阵理论思维导图，医学相控阵（1960±→研究）→（1980s→实用），其技术特点有探头、声束合成、成像，有兴趣的可以看看哟。

相控阵讲义

• 绪论
  • 发展简史
    • 医学相控阵
      • （1960±→研究）→（1980s→实用）
    • 工业
      • 脉冲反射法应用1940s
      • 第一台相控阵1980s，核电站零部件
      • 相控阵应用1990s~2000s
  • 技术特点
    • 探头
      • 1维线阵最广泛
      • 2维矩阵→仅特殊材料检测（工艺限值、电路复杂、制作成本高）
      • 1维曲面阵→管道内外壁
      • 双线阵、双1.5维阵→近表面缺陷、粗晶材料
    • 声束合成
      • 原理：惠更斯-菲涅尔，各阵元超声波干涉合成
      • 电子扫描
        • 线扫：N-n+1个序列回波信号
        • 扇扫：聚焦法则数=（大β-小β）/角度步进+1
        • 动态聚焦：不同深度点动态聚焦
    • 成像
      • 显示ABCDS
  • 适用对象及优缺点
    • 适用：所有A超能检的+部分结构更复杂的工件
    • 优缺点
      • 与A超相比
        • 1声束可控，适用于复杂结构工件检测
        • 2可记录重复性好
        • 3更好的检测灵敏度和信噪比（角度偏转，缺陷回波更高），分辨力（聚焦改变声束宽度）
        • 4检测速度更快（大角度S扫）
        • 5对检测人员理论知识要求更低（采集与分析判断分离）
      • 与射线相比
        • 1、方向性：PA对面积性更敏感，RT对体积型更敏感
        • 2、确定性：射线定性更直观，PA定性依赖人员技术水平
        • 3、实用性：PA无辐射且效率更高
• 基本原理及声场特征
  • 超声波传播基本原理
    • 惠更斯原理：波阵面上任意一点可看作新的次波源
      • 延迟法则→偏转/聚焦、端点衍射法
    • 费马原理：任意两点间光传播路径是需要时间最短的路径
      • sinθ1/sinθ2=c1/c2
    • 镜像原理：探头声场在刚性壁面反射可看做在对称位置上“虚拟声源”
      • 二次波、三次波...
    • 互易原理
      • 交换发射与接收探头的位置，得到信号相同
        • 测量探头绝对发射灵敏度和接收灵敏度
      • 使用相同延迟法则，发射与接收声束的特征相同
        • 探头自由场校准
    • 固体中超声波
      • 纵波
      • 横波
        • 水平偏振横波SH、垂直于纸面，不发生波形转换
          • 电磁声探头EMAT
        • 垂直偏振横波SV，平行于纸面，会转换
      • 头波（纵波）（tofd直通波）
        • 一边传播一边辐射横波
      • 爬波（下表面纵波）
        • α1入射，折射角θmax∝（f*D）
      • 表面波（1个自由界面）
        • α2入射
      • 导波（2个自由界面）
        • 兰姆波
          • 对称型S（中间质点纵向）、非对成型A（中间质点横向）
        • 板波
        • 沿管子和棒子传播的波
    • 临界角α1、α2、α3
    • 信号相干叠加
      • φ1-φ2=2nπ，A=A1+A2
      • φ1-φ2=(2n+1)π，A=A1-A2
    • 乘积定理
  • 相控阵技术基本原理
    • 原理：惠更斯-菲涅尔，各阵元超声波干涉合成
  • 单晶片辐射声场
    • 近场区N、矩形晶片Ns=Ks*L²/4λ
  • 相控阵探头声场
    • 主动孔径A=n*p-g
    • 第一次偏转（楔块）Ae=Acosθ
      • 第二次偏转（横波斜入射）A有效孔径=Ae*cosβ/cosα
    • 钢中近场区N=Ks*L²/4λ-Hc/cosα*tanα/tanβ
    • 单阵元最大偏转角θm=sin-1（±λ/e）
      • 阵列主瓣
      • 栅瓣角度θg=sin-1（mλ/p+sinθs）
    • 阵列半扩散角
    • 栅瓣去除
      • p＜λ/2，无栅瓣
      • λ/2≤p≤λ，则θs∈【sin-1(1-λ/p),sin-1(λ/p-1)】
      • p＞λ时，栅瓣θg=sin-1(mλ/p)
      • 阵元幅度变迹
    • 相控聚焦对声场的影响
      • 聚焦深度不能超过近场区
      • 设置远场区焦点可以改善声束质量，有一定聚焦效果
      • p＞λ/2，即使θs=0°也可能产生栅瓣
    • 信号带宽影响
      • 增强主瓣，减小旁瓣和栅瓣能量
  • 楔块
    • Ic=Xc-Hctanα
  • 分辨力与分辨率
    • 分辨力
      • 横向
      • 纵向
        • 包含近表面和地面分辨力
      • 角度
        • S扫在一定声程分辨沿弧长方向两个目标反射体最小角度的能力
    • 分辨率
      • 横向
        • 线扫：晶片步进长度
        • 机械扫：编码器步进
        • 扇扫：一定声程处，声束轴线间隔
      • 纵向
        • 声束传播方向最小空间采样间隔=fs*c/2
      • 角度
        • S扫角度步进
  • 相控阵探头工艺参数
    • f：在满足探测距离、信噪比、阵元宽度的情况下，尽量提高（小缺陷检出能力↑）
    • W：尽量与激活孔径A尺寸相当，一般W＞10p
      • 保证探头灵敏度
      • 防止串扰
      • 减小阵元多余的振动模式
    • p
      • 彻底去除栅瓣
        • p≤λ/2
      • 偏转角度内不出现栅瓣
        • θs∈【sin-1(1-λ/p),sin-1(λ/p-1)】
    • e：一般单晶片半扩散角应大于最大相控偏转角→
    • n：尽量多（Ae=Acosθs），偏转控制和聚焦不少于8个
  • 全聚焦成像
    • FMC(全矩阵采集)-TFM
      • 一个阵元发射，所有阵元接收
    • PWI(平面波激发)-TFM
      • 所有阵元发射，所有阵元接收
• 检测设备及原理
  • 检测系统构成
    • 设备：探头/楔块、编码器/扫查器、仿真软件、线缆
    • 器材：试块、工件、耦合剂
  • 相控阵探头
    • 1-3型复合压电材料
      • 组成
        • 压电陶瓷压电棒(一维)
        • 高分子聚合物（三维）
      • 优势
        • 降低压电陶瓷横向耦合效应、减小振动模式和阵元间串扰
        • d33*g33高
        • 机械品质因数Q值低，带宽大，脉冲短、分辨力高
        • 机电耦合系数K大
        • 较大温度内稳定
        • 方便加工复杂形状探头
        • 调整材料成分获得不同声阻抗
          • PZT陶瓷体积率↑，Q↑,Z↑
    • 技术规格
      • 中心频率，实测≤10%标称值
      • 频率带宽(-6dB)：高灵敏度(＜60%)、宽带窄脉冲(80%)、综合性能优化（60%~80%），实测≤±15%标称值
      • 脉冲回波灵敏度，±3dB
      • 阵元间串扰
        • 相邻阵元间≤-25dB
      • 阵元一致性
        • f、BW、PW、灵敏度，变化范围在平均值±3dB
  • 仪器主机
    • 发射电路
      • 发射电压
        • 幅度↑，信号强度↑
      • 电信号脉冲宽度pw=fp对应周期一半时，发射电路效率较高，要求误差≤10%
      • 脉冲上升和下降时间越短，电脉冲高频谐波分量越多，探头相应的相对带宽越大，脉冲回波更窄，通常均≤10~15ns
      • 有效输出阻抗↓,带载能力↑，激励效率↑
      • 脉冲重复频率PRF 快速扫查，在不产生幻象波基础上，尽量提高
    • 接收放大电路
      • 高压保护电路，保护接收放大器，但不能消除后盲区，上表面检测盲区要求高一般用双晶探头
      • 前置放大器
        • 低噪线性放大，输入声阻↑，接收电压损失↓；输入声阻↓，信号电流↑（抑制噪声提高信噪比）
      • 程控放大器
        • 进一步放大或衰减到A/D转换需要的适当模拟电压范围
    • 数字滤波器
      • 低通高通带通带阻
      • 数字滤波优于模拟滤波（电压漂移、温度漂移和噪声问题）
      • 无限长冲击响应FIR精度比有限长IIR低，但有线性相位特点，常用
    • ADC转换电路
      • 输入阈值，超过的电压信号会被组织进入，称过饱和
      • 信号采集（数字化）:将连续时间的模拟信号转换成离散时间和离散幅度的数字分布
        • 奈奎斯特定理fs＞2fp，不影响信号频率，fs≥7fp，信号幅度误差小于1dB
        • 空间采样间隔=c/2fs
      • 信号幅度分辨率
        • 50~80%FSH数字化误差（相对量化误差）更小
    • 波束合成
      • 误差旁瓣/主瓣幅度比
    • 信号包络计算
      • 基于FIR技术，通过希尔伯特变换实现正交分解
    • 信号完整性
      • 避免非线性放大、饱和采集或其他因素引起的信号衰减和干扰
      • 提高模拟信号和数字化信号的线性动态范围（6*bits），并尽量减少信号通道噪声干扰
    • 信号显示方式
    • 闸门
      • 正向闸门监视回波幅度
      • 负向闸门监视耦合状态
    • DAC曲线
    • TCG曲线
    • DAC曲线
    • 软件增益
      • 对不饱和信号使用软件调整信号增益
  • 扫查器与编码器
  • 仿真软件
  • 试块
    • 标准试块
      • A/B型相控阵试块、CSK-ⅠA
    • 通用对比试块
      • Ⅰ型焊接接头
        • 平板，R＞250，PRB、RB系列
        • R＜250，RB-C/RB-L
      • Ⅱ型焊接接头PGS/GS
• 原材料超声检测
  • 板材
    • 常见缺陷
      • 分层
        • 钢坯中缩孔、夹渣、偏析轧制过程中形成的分离层，平行于板面
      • 折叠
        • 轧制工艺不良导致双层金属未熔合面
      • 白点
        • 轧制后冷却过程中H原子来不及扩散形成，多呈密集状的微小裂纹
    • 检测方法
      • 线扫描纵波直入射为主
        • 一次反射法
      • 线扫描横波斜入射辅助
    • 扫查方式
      • 横波(一般45°)
        • 沿扫查线纵向垂直
      • 纵波直入射
        • 平行或垂直于圧延方向
          • 扫查覆盖10%，W=（N-Na）p
    • 线扫纵波探头选择
    • 灵敏度调节
      • 纵波
        • 3个φ5平底孔做TCG，平底孔A扫调到50%FSH做基准和扫查灵敏度
      • 横波
        • 刻60°V型槽，深3%t≤3mm，长25mm以上，背面一次波、同面一次反射波做TCG曲线作基准和扫查灵敏度
    • 缺陷评定
      • 纵波
        • F1＞TCG或B1＜50%B1
      • 横波
        • F1≥TCG
    • 评级
      • NB/T 47013.15表8/9
  • 复合板
  • 管材
  • 棒材
  • 汽轮机叶片（叶根）
  • 螺栓
• 焊缝检测
  • 小径管
  • 常规焊缝
  • 聚乙烯PE管电熔接头
  • 常见缺陷
    • 接头类型
    • 接头结构
    • 接头特点
      • 几何不连续性(余高)、性能不均匀、残余应力和变形
    • 缺陷类型
      • 熔合不良
        • 未焊透
          • 根部、两边都能看到，当量高且A扫稳定
        • 未熔合
          • 坡口→单面，当量高A扫信号稳定
      • 裂纹类
        • 当量一般不高，衍射信号更明显、A扫混杂前后衍射信号剧烈起伏
      • 孔洞
        • 几无衍射信号，两侧可见，密集气孔波幅更低
      • 夹渣、夹钨
        • 在焊道以内排除以上可能
  • 扫描方式
    • 线扫、扇扫、复合扫
    • TFM
      • FMC/PWI
  • 扫查方式
    • 角度
      • 平行、垂直、倾斜
    • 方向
      • 纵向、平行
    • 锯齿形、纵波直入射(余高磨平)
  • 探头选择
  • 楔块
    • 横波
      • α30°~39°，β45°~60°
        • 较好的检测灵敏度（λ↓）与分辨力（c↓）
    • 纵波
      • α18.9°~22.9°，β55°~80°
        • 穿透力强，用于粗晶材料
  • 仪器
    • 通道
      • 全平行、多路复用
• 长输管道全自动AUT
  • 检测方法
  • 设备、探头、试块
  • 设备、探头、试块
    • 设备
      • 系统概述
        • 构成：计算机系统、超声系统、机械系统
        • 相控阵单元
      • 相控阵单元
      • AUT记录系统
        • 编码器扫查位置记录
          • 矫正系统，误差±10mm
        • 声耦合显示记录
          • 红色不好，绿色良好
        • 缺陷显示记录
          • A/B/TOFD
      • 监测系统要求
        • 足够数量检测通道
          • 扫查一周全部覆盖
        • 线性误差
          • 垂直5%FSH，水平1%，校准6月/次
        • 检测速度快
          • 最快到100mm/s
        • 实时分析检测数据、定量，精确到分区
        • 自动存盘编号
        • 过程控制：检测速度紧跟焊接速度
      • 系统检测能力
        • 适用多种管径、壁厚、坡口形式
        • 管径范围100mm~1400mm
        • 适用壁厚6~50mm
    • 相控阵探头
      • 线阵探头的优点
      • 线阵探头分类
        • 一维线形
          • 最常用，一般60晶片7.5M有时也5M
        • 二维线形
      • 参数
        • n、p、e、g、A
    • 试块
      • 同规格，原管道一段或同材料制作
        • 不得出现大于φ2平底孔回波波幅1/4的缺陷信号
      • 人工反射体布置就是完整坡口形式
        • 每个分区都有相应反射体(左右对称)，组合形状为完整坡口
      • 分区根据焊缝厚度和坡口形式来
      • 人工反射体制作要求
      • 人工反射体水平分布是邻近区不得相互干扰
  • 调试方法
    • 探头位置和灵敏度
      • 探头位置
  • 特性
    • 多通道，多分区
      • A/B/TOFD
• 数据判读