许多人都熟悉超声成像的医学应用，它利用高频声波产生人体内部器官的高清横截面图像。医学超声波图通常由称为相控阵的专用多元件探头以及与其一起使用的硬件和软件生成。然而，超声相控阵技术的应用并不局限于医学诊断。相控阵系统还用于工业环境中，以在常见的无损超声波检测中实现新水平的信息和可视化，包括焊接检测、粘合测试、厚度分析和在役裂纹检测。继续阅读以了解相控阵无损检测和传统超声波检测之间的差异。

1.什么是相控阵超声？

无损检测中使用的常规超声波探头从芯片数量上看通常有两种：一种是仅包含一个芯片，既用于产生高频声波，又用于接收高频声波；另一种是仅包含一个芯片，既用于产生高频声波，又用于接收高频声波。另一个包含一对芯片，一个芯片一个用于发射声波，另一个用于接收声波。相控阵探头通常是一个传感器组件，包含 16 至 256 个小型独立元件，每个元件都可以单独触发。它们可以排列成条状（线性阵列）、环形（环形阵列）、圆形矩阵（圆形阵列）或更复杂的形状。

与传统探头一样，相控阵探头可以安装楔子，形成有角度的声束组件，用于直接接触检测；水还可用作水浸检测的偶联剂。探头频率通常在 2 MHz 至 10 MHz 范围内。相控阵系统还将包括一个复杂的基于计算机的仪器，该仪器驱动多元件探头，接收返回的回波并将其数字化，然后以各种标准格式绘制回波信息。与传统的超声波探伤仪不同，相控阵系统可以通过一系列折射角度或沿着线性路径发射声束，或者将其动态聚焦在许多不同的深度。因此，相控阵系统可以提高检测装置的灵活性和功能。

典型相控阵探头组件

典型的多芯片结构

2、相控阵系统的工作原理是什么？

从最基本的意义上来说，相控阵系统利用了波动物理学的定相原理。它改变一系列输出超声波脉冲之间的时间，以便阵列中每个元件产生的各个波前结合起来，以可预测的方式添加或消除能量，从而控制和塑造声束。

为了实现这一目标，探针元件需要以非常小的时间差进行脉冲触发。通常，晶圆被脉冲分成组，每组包含 4 至 32 个晶圆。通过加长孔径，可以减少不良声束扩散，实现更清晰的聚焦，从而有效提高灵敏度。称为“聚焦定律计算器”的软件根据探头和楔块的特性以及被测材料的几何形状和声学特性，确定向每组元件发射脉冲的具体延迟时间，以产生所需的光束形状。已测试。然后，仪器操作软件选择的编程脉冲发射序列会在被测材料中发射一系列单独的波前。这些会聚的波前在某些位置增强而在其他位置减弱，形成单一的主波前。该主波前在被测材料内传播，与任何传统超声波一样，当遇到裂缝、不连续性、底面和其他材料边界时，会产生回声。声束可以以不同角度、不同焦距和不同焦点尺寸动态偏转。目的是使单个探头组件能够通过一系列不同的视角完成对整个被测材料的检查。声束的电子偏转速度非常快：可以在瞬间完成多个角度或焦深的扫描。

回波由不同的晶片或晶片组接收，在必要时进行时移以补偿这些变化的楔形延迟，然后求和。与传统的单元件传感器不同，传统的单元件传感器实际上混合了接触被测量区域的所有声束的影响，相控阵传感器可以根据返回波到达每个元件的时间及其幅度在空间上映射它们。之前排序。当仪器软件处理声束时，它将每个返回的聚焦定律解释为从线性声路径上的点和/或从特定焦点深度以特定角度反射的声音。捆。然后可以以几种不同的格式显示回波信息。

具有可变延迟的平面探头生成的角光束示例

聚焦线性扫描光束示例

3.图像是什么样子的？

在大多数典型的缺陷检测和厚度测量应用中，超声波测试数据将基于从处理的射频波形获得的时间和幅度信息。这些波形以及从中提取的信息通常以四种格式中的一种或多种呈现：A 扫描、B 扫描、C 扫描或 S 扫描。本节展示传统超声波探伤仪和相控阵系统的图像演示示例。

4.扫描显示

A 扫描是一种简单的射频波形显示，可显示超声波信号的时间和幅度，通常由传统超声波探伤仪和波形显示测厚仪提供。 A 扫描波形表示被测样品中声束位置的反射。下面的超声波探伤仪 A 扫描显示了来自钢参考块中两个横向通孔的回波。来自普通单元件接触式探头的圆柱形声束拦截三个孔中的两个，并在不同时间产生与孔深度成比例的两种不同反射。

一般声束形状

线性光束 A 扫描图像

与传统超声波探伤仪一起使用的单晶角束探头将沿倾斜路径产生声束。虽然波束扩散效应会导致波束直径随着距离的增加而增大，但传统角度波束的覆盖区域或视场仍然基本上局限于倾斜路径。在下面的示例中，固定位置 45 度楔块能够检测测试块中的两个交叉孔，因为它将落入其声束内，但如果不向前移动探头，则不可能检测到第三个交叉孔。个人的。

一般声束形状

角光束 A 扫描图像

相控阵系统将显示类似的 A 扫描波形以供参考，但在大多数情况下会辅以 B 扫描、C 扫描或 S 扫描，如下所示。这些标准成像格式可帮助操作员查看被测零件中缺陷的类型和位置。

5.B扫描显示

B 扫描是显示穿过被测样本的垂直切片的横截面轮廓的图像，显​​示反射器相对于其线性位置的深度。 B 扫描成像需要沿被测样本的选定轴以机械或电子方式扫描声束，同时存储相关数据。下面所示的 B 扫描显示了与测试块中的交叉孔位置相对应的两个较暗的反射器和一个较浅的反射器。当使用传统的超声波探伤仪时，探头必须横向移动穿过测试件。

一般声束形状

显示相对孔深度的典型 B 扫描图像

换句话说，相控阵系统可以通过沿着线性阵列探头的长边进行电子扫描，以类似的方式创建横截面轮廓，而无需移动探头：

电子线扫描（B 扫描）图像显示整个线性阵列上的相对孔位置和深度

6.C扫描显示

C 扫描表示被测样品的俯视图或平面图的二维图像。 C扫描在图像显示方面与X射线图像非常相似。被测样本的每个点都映射到图中对应的xy位置，每个位置在门控中会用不同的颜色来表示其信号的幅度。对于传统仪器，单元件探头必须以 xy 光栅扫描模式在被测样品上移动。使用相控阵系统，一般情况是超声波探头沿一个轴进行物理位移，而声束沿另一轴方向进行电子扫描。当需要将扫描图像中的几何点与实际工件上的位置精确对应时，通常会使用编码器，尽管在许多情况下也可以通过非编码手动扫描获得有用的信息。

下图显示了使用传统浸入式扫描系统（带有聚焦浸入式探头）和便携式相控阵系统（带有手持式编码扫描仪和线性阵列）对参考试样进行的 C 扫描。虽然图形分辨率并不完全相同，但还有其他考虑因素。相控阵系统是一种便携式设备，可以轻松携带到检测现场，这是传统系统无法做到的。而且，购买相控阵系统的成本仅为购买传统系统的三分之一。此外，相控阵图像通常只需几秒钟即可生成，而传统的水浸扫描图像则需要几分钟才能生成。

一般声束形状和运动方向

显示孔位置的传统 C 扫描图像

一般声束形状和运动方向

显示孔位置的相控阵 C 扫描图像

7.S扫描显示

S 扫描或扇形扫描图像表示根据时间延迟和折射角绘制的一系列 A 扫描得出的二维横截面视图。横轴对应于被测样品的宽度，纵轴对应于深度。这是医学超声波图以及工业相控阵图像的常见格式。声束扫过一系列角度以产生近似锥形的横截面图像。应该注意的是，在这种情况下，通过发射声束，相控阵探头能够从单个探头位置映射所有三个孔。

左侧是单角度A扫描，右侧是复合扇形扫描。标记为 49 度的光标标识所显示的 A 扫描的角位置。

相控阵系统用在哪里？

超声波相控阵系统几乎可以用于任何可以使用传统意义上的传统超声波探伤仪的检测应用。焊缝检测和裂纹检测是航空航天、发电、石化、金属坯料和管材供应、管道建设和维护、结构金属和一般制造等行业中两个非常重要的应用。这两种测试应用于各个工业领域。相控阵技术还可以有效地用于腐蚀测量应用，以纵向剖面表示材料的剩余壁厚。

相控阵技术优于传统超声技术，因为它可以在单个探头组件中使用多个元件来偏转、聚焦和扫描声束。利用声束偏转（通常称为扇形扫描），以适当的角度生成被测工件的映射图像。这极大地简化了检查具有复杂几何形状的工件的过程。此外，当检测空间有限且机械扫描不方便时，探头狭窄的底面及其无需移动即可以不同角度发射声束的能力对于检测此类复杂形状的工件更有帮助。扇形扫描通常也用于焊缝检测。使用单个探头以多个角度检查焊缝的能力大大增加了检测异常焊接状况的机会。电子聚焦通过优化可能出现缺陷的声束的形状和尺寸，进一步提高检测率。在多个深度位置聚焦的能力还提高了在体积检测中量化关键缺陷的能力。这种聚焦功能可以显着提高具有挑战性的应用中的信噪比，并且对多组晶圆进行电子扫描可以非常快速地生成 C 扫描图像。

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