超聲相控陣探頭的工作原理及技術(shù)應(yīng)用

20世紀(jì)60年代,，相控陣的研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室,；60年代末70年代初，醫(yī)學(xué)物理學(xué)者將該技術(shù)用于醫(yī)學(xué)人體超聲成像中,。由于當(dāng)時(shí)壓電復(fù)合材料,、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的限制，該技術(shù)沒(méi)有在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,。2000年后,，隨著壓電復(fù)合材料、納秒級(jí)脈沖信號(hào)控制,、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬等多種技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用,，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)得以迅速發(fā)展,，并逐步應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。

不同陣列排布方式的相控陣探頭

相控陣按陣列形式通?？煞譃榫€形,、矩陣形、環(huán)形和扇形,。相控陣探頭有多種不同的陣列排布形式,，其類型按陣元排列方式可分為：一維線陣、二維矩陣,、環(huán)形陣,、扇形陣、凹面陣,、凸面陣,、雙線型陣等。不同的陣列排布方式將會(huì)產(chǎn)生不同的聲場(chǎng)特性,，使相控陣能應(yīng)用于不同工況下的檢測(cè),。

不同陣列排布方式的超聲相控陣探頭模型

一維線陣：

是目前相控陣探頭中應(yīng)用多的一種形式,，其特點(diǎn)是能在相控陣的軸平面實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和軸向聚焦。

與一維線陣相比,，環(huán)形陣的優(yōu)勢(shì)是能在聲束剖面實(shí)現(xiàn)二維聚焦(一維線陣只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向上的聲束聚焦),，聲束剖面呈圓形，能獲得較大的能量集中,，并且不要求大數(shù)目的陣列,，因此其能在采用高頻檢測(cè)時(shí)仍保證較高的穿透力；但環(huán)形陣的缺點(diǎn)是不能進(jìn)行聲束偏轉(zhuǎn)控制,，因此主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和脈沖多普勒體積流量計(jì)中,。

扇形陣和二維矩陣：

扇形陣和二維矩陣都可實(shí)現(xiàn)所有方向的聲束偏轉(zhuǎn)和軸向聚焦，扇形陣多用于棒材檢測(cè),，二維矩陣由于加工工藝限制,、電路復(fù)雜及制作成本高等原因，仍主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少,，但其聲束不僅能實(shí)現(xiàn)沿晶片排列方向的掃查，還可以縱向擺動(dòng)掃查,，因此其具有三維成像的優(yōu)勢(shì),，這將會(huì)是未來(lái)超聲相控陣換能器的發(fā)展方向。

由于二維面陣探頭還處于實(shí)驗(yàn)室研究的階段,，而作為一維線陣探頭向二維面陣探頭的過(guò)渡,，一種被稱為分?jǐn)?shù)維的探頭已經(jīng)開始在一些的超聲診斷儀中使用。分?jǐn)?shù)維探頭在長(zhǎng)度方向上按傳統(tǒng)方法被切割成致密的小陣元,，而在寬度方向上則被切割成有限的幾排,；按寬度方向不同的聚焦功能，可分為1.25維,、1.5維和1.75維,，由于其陣元數(shù)成倍增加，對(duì)陣元連線等一系列加工工藝提出了更高的要求,。

雙線型陣：

雙線型陣的發(fā)射和接收聲束分開,，消除了幻影回波，無(wú)近場(chǎng)區(qū)的影響和明顯的盲區(qū),，具有良好的近表面檢測(cè)能力,，并可通過(guò)連續(xù)的深度聚焦來(lái)增加整體的聚焦深度，且在所有深度范圍內(nèi)能保持好的側(cè)向分辨力,，可用于晶粒粗大的不銹鋼工件的檢測(cè),；此外，其壓電晶片的高阻尼特性還提高了軸向分辨力和信噪比,。

凹面陣多用于管道的外檢測(cè),，因其能很好地匹配相同曲率管子的外徑,，并且其陣列的排列方式有物理聚焦的特點(diǎn)，聲束比平面陣列更加容易匯聚,。凸面陣能很好地匹配相同曲率管子的內(nèi)徑,，但在陣列凸面排列的狀態(tài)下，聲場(chǎng)旁瓣十分明顯,，特別是小徑管中的聚焦聲場(chǎng)更容易向空間擴(kuò)散,；凸面陣多用于醫(yī)學(xué)B超超聲診斷領(lǐng)域。在工業(yè)方面,，國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者對(duì)凸面陣探頭進(jìn)行了開發(fā)應(yīng)用,，但總體研究并不多。

不同用途的相控陣探頭

除了陣列排布方式,、延時(shí)法則之外,，超聲相控陣探頭的檢測(cè)能力還與探頭盲區(qū)大小、中心頻率,、發(fā)射脈沖寬度,、楔塊的選擇、耦合介質(zhì),、試件表面平整度等因素有關(guān),。因此，針對(duì)一些特殊的檢測(cè)對(duì)象,，調(diào)整其中的某些因素,，便可以獲得不同用途的超聲相控陣探頭。

1. 近壁相控陣探頭

該類探頭的兩端具有較短的盲區(qū),，如曼圖電子（M2PROBE）生產(chǎn)的近壁探頭一號(hào)晶片的中心和后晶片的中心到與其近的探頭外殼邊緣的距離僅1.5mm,，非常適用于復(fù)合材料的C掃描檢測(cè)，對(duì)復(fù)合材料的分層,、脫膠和多孔性等缺陷有較高的檢出率。此外,，其還可用于薄板,、薄管等小型工件的檢測(cè)。

線陣小外殼相控陣探頭

2. 極小外殼相控陣探頭

小腳印探頭封裝緊密,，陣元數(shù)目較少(一般不超過(guò)16個(gè)),，可進(jìn)入到活動(dòng)空間狹窄的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，如曼圖電子（M2PROBE）生產(chǎn)的ES系列相控陣探頭的腳印尺寸(長(zhǎng)×寬)僅為8mm×8mm,。

線陣小接觸面相控陣探頭

3. 水浸相控陣探頭

液浸探頭是相控陣探頭部分或全部浸入液體中使用的,。這類探頭往往用于剛性楔塊無(wú)法良好匹配被檢測(cè)工件表面時(shí)的情況。液浸探頭常用的介質(zhì)為水,，目前國(guó)內(nèi)有學(xué)者在檢測(cè)聚乙烯材料時(shí),，利用甘油,、水、水玻璃,、海藻酸鈉,，按一定的比例配制了特殊用途的耦合介質(zhì)，該介質(zhì)的聲阻抗與聚乙烯材料相似度達(dá)95%以上,，檢測(cè)時(shí)聲波在界面上的反射率較小,，可以稱得上是理想的耦合液。

水浸相控陣探頭

4. 雙晶線性陣列探頭

該探頭采用雙晶線性陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，相當(dāng)于內(nèi)置兩個(gè)相控陣線陣探頭,，一個(gè)發(fā)射聲波，另一個(gè)接收聲波,，避免了表面檢測(cè)盲區(qū),，提高了信噪比。并且,，其通過(guò)降低探頭的中心頻率,，采用縱波檢測(cè)的方式提高超聲波的穿透力。該探頭不僅可以對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行檢測(cè),，還可用于鑄件,、合金、異種鋼焊縫等其他粗晶材料的檢測(cè),。

雙1.5D面陣相控陣探頭

5. 凹陣相控陣探頭

該探頭的形狀往往呈半圓形,，相較于通常的線性陣列探頭，還可以進(jìn)行自然幾何聚焦,。其可與所有可調(diào)節(jié)水浸楔塊配合使用,，常用于復(fù)合材料的分層檢測(cè)中。此外,，在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的圓角部位檢測(cè)方面,，由于該探頭的凹面結(jié)構(gòu)可保證聲束垂直進(jìn)入R區(qū)，在檢測(cè)R區(qū)時(shí)相比其他超聲探頭有較多優(yōu)勢(shì),。

凹陣相控陣探頭

6. 柔性相控陣探頭

超聲換能器單元以陣列形式安置于柔性層介質(zhì)中或表面,，而構(gòu)成柔性超聲換能器陣列，因柔性超聲換能器陣列能夠貼合各種具有不同形狀的工件表面,，從而提高了檢測(cè)效率,，避免了因表面不規(guī)則引起聲束扭曲、靈敏度下降等問(wèn)題發(fā)生,。

柔性相控陣探頭可分為一維柔性相控陣探頭和二維柔性相控陣探頭,。一維柔性相控陣探頭通過(guò)機(jī)械裝置將探頭內(nèi)各個(gè)晶片壓在工件表面，利用工件輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)出表面形狀,，隨后根據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)該輪廓的延時(shí)律算法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,；二維柔性相控陣探頭是在二維矩陣的表面涂抹一層柔軟的彈性樹脂,，彈性樹脂能與工件表面緊密貼合，從而實(shí)現(xiàn)三維成像,。

柔性相控陣探頭主要應(yīng)用于輪廓不規(guī)則工件的檢測(cè)中,，如航天航空領(lǐng)域飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身復(fù)合板，承壓設(shè)備領(lǐng)域壓力管道的內(nèi)外壁,、彎頭,、三通等的檢測(cè)。但是,，柔性相控陣探頭的阻尼片較薄,，探頭的頻帶很窄，具有較大的表面盲區(qū),，這是柔性相控陣探頭的局限性,。因此，其比較適宜大厚度工件的檢測(cè),。

曼圖電子柔性相控陣探頭

7. 輪式相控陣探頭

輪式探頭利用橡膠輪胎的滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速直觀的檢測(cè),，多應(yīng)用于管道腐蝕、復(fù)合材料,、鐵路軌道以及航空航天領(lǐng)域表面光滑板材的檢測(cè)中,。探頭由寬度適當(dāng)?shù)南鹉z材料制成，橡膠輪胎內(nèi)充滿水,，超聲波按照水層-橡膠-工件的路徑進(jìn)行傳播,。C掃成像時(shí)，應(yīng)該將閘門套在水-橡膠界面波外,，以免界面波和缺陷波的混淆,。滾輪式相控陣探頭

8. 小徑管相控陣探頭及自聚焦相控陣探頭

小徑管相控陣探頭及自聚焦相控陣探頭：作用于空間限制區(qū)域，提高檢測(cè)精度,，減小近表面盲區(qū),，在薄壁小徑管檢 測(cè)中有著非常重要的應(yīng)用。在聲學(xué)上,，可與Rexolite匹配,，可檢測(cè)外徑處于21毫米?115毫米范圍 內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)管件，也可應(yīng)用于特殊空間受限制的檢測(cè)情況,，極小的外型設(shè)計(jì)，晶片自聚焦提高了檢測(cè)薄壁管件上細(xì)小缺陷的能力,，與楔塊配合可完成大多數(shù)聲束角度檢測(cè)應(yīng)用,。

曼圖電子超聲波相控陣檢測(cè)用探頭

曼圖電子自聚焦相控陣探頭

9. 雙1.5D面陣相控陣探頭

雙矩陣設(shè)計(jì)，一發(fā)一收縱波檢測(cè),，的信噪比,，廣泛應(yīng)用于奧氏體不銹鋼,、粗晶體，耐腐蝕合金以及異質(zhì)焊縫的焊接和復(fù)雜的集合工件,。兩個(gè)1.5D面陣探頭搭配檢測(cè),，檢測(cè)范圍更廣，檢測(cè)精度增加,，定量細(xì)小的缺陷. 可使用水浸法,，用作水浸探頭。

雙1.5D面陣相控陣探頭

超聲波相控陣探頭行業(yè)展望

近年來(lái),，超聲相控陣探頭技術(shù)不斷發(fā)展,，特別是國(guó)內(nèi)相控陣廠家不斷涌現(xiàn)，技術(shù)水平從一開始的跟從,，到現(xiàn)在的超越,。目前國(guó)內(nèi)一些超聲波傳感器企業(yè)從壓電復(fù)合材料到單晶體復(fù)合材料，從工業(yè)相控陣到醫(yī)療相控陣,，已經(jīng)不輸給國(guó)外老牌到傳感器公司,。另外國(guó)內(nèi)從相控陣檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的考核培訓(xùn)、標(biāo)準(zhǔn)制定以及行業(yè)應(yīng)用方面來(lái)看,，我國(guó)已制定了一部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29302-2012《無(wú)損檢測(cè)儀器 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能與檢驗(yàn)》,。中國(guó)特檢院出版了一部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSEI 01-2013《鋼制承壓設(shè)備焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)》，這是國(guó)內(nèi)特種設(shè)備行業(yè)相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),。國(guó)內(nèi)其他有關(guān)相控陣的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還在制定階段,。

在上，標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)已經(jīng)正式出版了關(guān)于焊縫檢測(cè)的方法標(biāo)準(zhǔn)ISO 13588:2012《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 利用自動(dòng)/半自動(dòng)相控陣技術(shù)》,，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)屬于現(xiàn)有的先進(jìn)的相控陣檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn),。

在行業(yè)應(yīng)用方面，相控陣技術(shù)在船舶海工行業(yè)中已得到業(yè)主和監(jiān)造方的大力推薦并開始使用,，比如煙臺(tái)來(lái)福士的“藍(lán)鯨1＃”項(xiàng)目在2015年已開始運(yùn)用相控陣技術(shù)檢測(cè)管對(duì)接焊縫,。上海外高橋在建的“集裝箱”船體檢測(cè)已運(yùn)用超聲相控陣和超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)技術(shù)。隨著標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范的不斷推出,相關(guān)培訓(xùn),、人員考核制度的不斷完善，相控陣技術(shù)一定會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,。

從技術(shù)開發(fā)層面而言,，當(dāng)今相控陣的前沿技術(shù)是相控陣探頭的開發(fā)。根據(jù)被檢設(shè)備的材料,、形狀等特點(diǎn),，設(shè)計(jì)制作與之相適應(yīng)的相控陣探頭，再開發(fā)自動(dòng)化的掃查裝置以及相控陣檢測(cè)儀，將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)就能將相控陣的作用發(fā)揮到大,。

此外,，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù),、微電子技術(shù)等的快速發(fā)展,，將會(huì)不斷開發(fā)出多陣元、多通道的相控陣技術(shù),。