导图社区 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。
NBT 47013.15无损检测相控阵超声检测，检测设备有仪器、探头、扫查装置、线缆、仿真软件，有兴趣的可以看看哟。
超声无损检测，超声检测穿透能力强、缺陷定位较准确、面积性缺陷检出率较高、灵敏度高、成本低速度快设备轻便，但是对不规则外形工件检测困难、缺陷位置和朝向对结果有影响、材质晶粒度影响大、显示结果不直观，检查结果无直接见证记录。
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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
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
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
声束传播方向最小空间采样间隔=fs*c/2
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
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
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
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
F1＞TCG或B1＜50%B1
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
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
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
α30°~39°，β45°~60°
较好的检测灵敏度（λ↓）与分辨力（c↓）
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
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
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
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
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
数据判读
