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圓形陣列
| 相控陣相對(duì)于常規(guī)的單探頭超聲檢測(cè)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
*速度：相控陣探頭中被選擇的晶片交替激發(fā),，使得電子掃描（E-掃描）能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速的斷面掃描（扇形S掃描）以及A掃描,、滾動(dòng)B掃描和L（線性）掃描,，甚至能實(shí)現(xiàn)C掃描，能夠非?？焖俚馗采w構(gòu)件,，要比常規(guī)單探頭機(jī)械系統(tǒng)快得多，在相同時(shí)間里提供更好的覆蓋,。由于能夠一次檢測(cè)所有被檢查部份,，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，相對(duì)節(jié)約成本,，減少掃查時(shí)間,，減輕監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢驗(yàn)精度和可靠性,。
*適應(yīng)性：設(shè)置可在幾分鐘內(nèi)改變,，能夠適應(yīng)很多構(gòu)件的尺寸與幾何形狀變化，能夠適合于形狀復(fù)雜構(gòu)件檢驗(yàn)
*檢驗(yàn)角度：取決于檢測(cè)需要和陣列結(jié)構(gòu),，所形成的波束能夠在寬范圍內(nèi)選擇波束角度（檢驗(yàn)角度）,，使超聲取向*化地垂直于預(yù)期的缺陷，例如焊縫中的未熔合
*波束控制（通常為扇形掃描,，S-掃描）能以適當(dāng)?shù)暮透嗟慕嵌葤呙璨⒗L出構(gòu)件圖形達(dá)到*探測(cè)概率。S掃描對(duì)于僅有很小掃查位置的情況也是有用的從而比常規(guī)探頭檢驗(yàn)更適應(yīng)掃查接觸面積受限的區(qū)域,。
*電子聚焦可以使波束形狀與尺寸在預(yù)期的缺陷位置達(dá)到*化,，獲得zui大覆蓋區(qū)域和zui高分辨率，以及*的探測(cè)概率，獲得*信號(hào)和高質(zhì)量圖象,。聚焦明顯地改善信噪比,，而且可以允許在較低的脈沖電壓下工作。
*成像：對(duì)缺陷檢測(cè)和圖形繪制具有高的分辨率,，能夠顯示缺陷“真實(shí)深度”的圖像，因而比常規(guī)的波形顯示更容易解釋?zhuān)軌蛲ㄟ^(guò)預(yù)先編程的軟件對(duì)掃描采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),，減少檢測(cè)人員因素的影響,。數(shù)據(jù)可以保存和按需要重現(xiàn)，甚至可以視頻方式記錄和重放,。 | |
| | | | 用一個(gè)多晶片探頭進(jìn)行多角度檢測(cè) | 對(duì)復(fù)雜的幾何形狀檢測(cè)具有很強(qiáng)的靈活性 | |
| 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)還具備了編寫(xiě)檢測(cè)報(bào)告,、支持USB外部存儲(chǔ)媒介以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?/font> |
| 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)生單元,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元,、相控陣探頭、工業(yè)計(jì)算機(jī),、顯示器等組成,。系統(tǒng)在Windows 平臺(tái)上運(yùn)行的操作軟件，完成對(duì)被檢工件的掃查,、實(shí)時(shí)顯示和結(jié)果評(píng)判,。 |
| 就目前的相控陣技術(shù)發(fā)展階段而言，較多的是采用比較簡(jiǎn)單的二維設(shè)置,，復(fù)雜的三維設(shè)置還較少應(yīng)用,，因?yàn)槟壳暗南嗫仃囅到y(tǒng)已經(jīng)比常規(guī)的單通道系統(tǒng)昂貴得多。但是,，隨著更新型的便攜式儀器的發(fā)展,，采用復(fù)雜的三維設(shè)置將能具有更高的速度，更強(qiáng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和顯示,，更小的掃查接觸面積,，以及更大的適應(yīng)性，從而具備更高的應(yīng)用價(jià)值,。 |
| 在超聲檢測(cè)中,，壓電晶片是用于收集數(shù)據(jù)的。在相控陣應(yīng)用中,，相互獨(dú)立的壓電晶片被包裹在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)探頭盒內(nèi),。其引線卷纜通常由良好屏蔽的微細(xì)同軸電纜捆扎組成，通過(guò)商品化的多通道連接器與儀器連接,。 |
| 壓電元件通常以4到32組發(fā)射脈沖,，相控陣探頭上可以承受高達(dá)200V的發(fā)射電壓。采集與分析軟件可根據(jù)操作者輸入的檢驗(yàn)角度、焦距,、掃查圖形等設(shè)置來(lái)計(jì)算時(shí)間延遲,。操作者也可以利用預(yù)先制備的文件（見(jiàn)圖2）。軟件根據(jù)單獨(dú)的“聚焦規(guī)則”,，依據(jù)焦點(diǎn)和掃查組合的時(shí)間渡越來(lái)計(jì)算返回的時(shí)間延遲,。相控陣儀器的時(shí)間延遲電路應(yīng)能接近2ns精度以提供所需要的相位精度。 |
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圖2
| 在脈沖激發(fā)下,，每個(gè)壓電元件產(chǎn)生一個(gè)波束,。這些波束因?yàn)榀B加和相消干涉形成波前。相控陣儀器對(duì)各單獨(dú)通道發(fā)射脈沖是具有時(shí)間延遲的,，從而能按規(guī)定形成一個(gè)預(yù)先計(jì)算的波前,。對(duì)于接收，儀器則有效地完成逆轉(zhuǎn),。例如,，儀器接收的信號(hào)具有預(yù)先計(jì)算的時(shí)間延遲，綜合時(shí)間變化的信號(hào),，然后顯示出來(lái)（見(jiàn)圖3）,。
綜合得到并顯示的波形與探傷儀具有同樣角度、頻率,、聚焦孔徑等的探頭信號(hào)通道同樣有效,。圖4為聚焦的標(biāo)準(zhǔn)波束和切變波掃查圖形示例。 軟件 | |
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圖3相控陣探頭的發(fā)射與接收
| 相控陣儀器其中的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵是軟件,。因?yàn)橄嗫仃嚹芴峁┫喈?dāng)可觀的應(yīng)用適應(yīng)性,，這取決于軟件的多功能性。應(yīng)用軟件要能夠強(qiáng)有力地管理超聲檢測(cè)信號(hào)的采集,。除了處理計(jì)算聚焦規(guī)則以外,，要求軟件具有強(qiáng)大的編碼能力和全數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、顯示結(jié)果,，具備良好的數(shù)據(jù)處理能力等,。
相控陣檢驗(yàn)可以是手動(dòng)，半自動(dòng),，或者全自動(dòng),，取決于應(yīng)用，速度,，預(yù)算等要求,。
軟件能夠節(jié)約用戶(hù)的時(shí)間和精力。雖然對(duì)于初次設(shè)置準(zhǔn)備時(shí)需要耗費(fèi)一定的時(shí)間,，但是信息被記錄在文件中后可以第二次重新加載提取,，而修改一個(gè)已制定的設(shè)置是很快速的,，這與常規(guī)探頭的調(diào)整是截然不同的，這也與目前越來(lái)越廣泛使用的數(shù)字化超聲探傷儀的使用程序是相同的道理,。 | |
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圖4掃查圖形示例
| 從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)看,，超聲相控陣僅僅是一種發(fā)生和接收超聲波的方法。一旦超聲波進(jìn)入材料中,，它就與發(fā)生方法無(wú)關(guān),，無(wú)論是壓電，電磁,，激光或者相控陣,。因此，超聲檢驗(yàn)的許多細(xì)節(jié)是保留不變的,。例如，對(duì)于常規(guī)超聲,，5MHz是*的檢驗(yàn)頻率,，而相控陣也利用同樣的頻率，聚焦孔徑尺寸,，聚焦長(zhǎng)度,，以及入射角。
和常規(guī)超聲檢測(cè)一樣,，相控陣也是利用掃查來(lái)采集數(shù)據(jù),。但是其激發(fā)電脈沖和超聲波的接收則對(duì)于掃查圖形的變化提供了重要的信息。 相控陣的掃描方式： | |
| 電子線性掃描 |
| 電子線性掃描（E-掃描）是通過(guò)多路技術(shù)以相同的聚焦規(guī)則（時(shí)間延遲）沿陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的（見(jiàn)圖5）,。典型的陣列可達(dá)到128個(gè)壓電元件,。E掃描能夠?qū)崿F(xiàn)用一個(gè)緊湊的焦點(diǎn)來(lái)快速覆蓋。如果陣列是平面并且線形的,，則掃查圖形是簡(jiǎn)單的B掃描,。如果陣列是曲面的，則掃查圖形也將是曲面的,。E掃描可以通過(guò)簡(jiǎn)單編程實(shí)現(xiàn),。例如，一個(gè)相控陣可以容易地通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)腐蝕繪圖,，或者利用45°和60°橫波檢查焊縫,，模擬常規(guī)的ASME手工檢驗(yàn)。 |
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圖5動(dòng)態(tài)聚焦示意圖（可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的高速掃查）
| 常規(guī)手工超聲焊縫檢驗(yàn)是利用一個(gè)單探頭實(shí)施的,，操作者進(jìn)行前后“掃描”以覆蓋焊接區(qū)域,。許多自動(dòng)化焊接檢驗(yàn)系統(tǒng)也是利用類(lèi)似的方式（見(jiàn)圖6a），使用一個(gè)單探頭前后掃查覆蓋焊接區(qū)域,。這是很消耗時(shí)間的,，而且在掃查開(kāi)始和結(jié)束時(shí)系統(tǒng)還有盲區(qū),。
作為對(duì)照，相控陣?yán)镁€性掃描方式（見(jiàn)圖6b）,。通常使用兩個(gè)陣列探頭分布于焊縫兩側(cè),。它能產(chǎn)生上千種不同的超聲束，可配置40°到70°范圍的掃查角度（β角）,，以滿(mǎn)足分區(qū)掃查所需要的各種角度,。這里探頭是線性地在焊縫周?chē)蛘哐睾缚p掃查，每個(gè)探頭掃過(guò)焊縫的整個(gè)規(guī)定區(qū)域,。它常?？梢岳孟嗫仃噷?shí)現(xiàn)更多的波束（相當(dāng)于單獨(dú)的常規(guī)探頭）同時(shí)掃描。線性掃描是zui簡(jiǎn)單的方式,，例如用于軋管,、ERW焊接管的檢驗(yàn)。 | |
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圖6a和圖6b
| 扇形掃描 扇形掃描（S-掃描）是相控陣所*的,。它利用同組壓電元件但是由編程改變時(shí)間延遲來(lái)控制波束通過(guò)一系列角度來(lái)實(shí)現(xiàn)掃查,。
S掃描的典型應(yīng)用例如一個(gè)固定陣列，掃查橫過(guò)一個(gè)相對(duì)達(dá)不到的構(gòu)件,，如渦輪轉(zhuǎn)子葉片,，并繪出葉片的形貌與缺陷（見(jiàn)圖7）。S掃描也可以用于檢驗(yàn)焊縫,，但是有一定局限,，主要取決于陣列的頻率和壓電元件的間距，扇形掃描的角度可以從±20°到±80°變化,。 | |
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圖7渦輪轉(zhuǎn)子葉片的扇形掃描
| 組合掃描 組合掃描是結(jié)合了線性掃描,、扇形掃描和聚焦而得到的實(shí)用的綜合顯示（見(jiàn)圖8）。對(duì)于焊縫和其他構(gòu)件可以選擇zui適宜的角度,，在電子掃描中可以快速有效地檢驗(yàn),。例如，結(jié)合線性與縱波的扇形掃描可以在一個(gè)給定的角度范圍內(nèi)使超 | |
| 聲束*覆蓋被檢驗(yàn)的構(gòu)件,，例如±20°,。當(dāng)使用簡(jiǎn)單的直波束不能充分檢驗(yàn)到所有需要檢查的區(qū)域時(shí)，這種組合掃描的檢驗(yàn)就體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)了,。在焊縫檢驗(yàn)中,，對(duì)于給定的焊縫幾何形狀常常要求規(guī)定的角度。對(duì)于這些應(yīng)用,，可通過(guò)針對(duì)特定的焊縫傾斜角編程來(lái)實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的位置上達(dá)到的波束角度,。 |
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圖8組合掃描顯示
| | | 以管道環(huán)焊縫的檢測(cè)為例，采用區(qū)域劃分法,，根據(jù)壁厚,、坡口形式,、填充次數(shù)將焊縫分成垂直方向上的幾個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)高度一般為1~3mm,，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對(duì)其進(jìn)行分區(qū)掃查（每個(gè)區(qū)都由一組獨(dú)立的晶片進(jìn)行掃查）,，檢測(cè)主聲束的角度按照主要缺陷的方向來(lái)設(shè)定（例如在自動(dòng)焊中主要是未熔合，即將波束盡量垂直于熔合線）,，通常采用聚焦聲束進(jìn)行掃查,，焦點(diǎn)尺寸一般為2mm或更小。它們可以有效的檢測(cè)各自的區(qū)域,，而且臨近區(qū)域反射體上的重疊zui小,。每個(gè)分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游,、下游兩個(gè)通道,，其檢測(cè)結(jié)果在帶狀圖上以相對(duì)應(yīng)的通道顯示出。再輔以TOFD（衍射時(shí)差法）和Ｂ掃描功能,，對(duì)焊縫進(jìn)行分析,、判斷。 | |
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