超声相控阵技术简介

1、相控阵超声技术应用介绍（一）简介相控阵超声 相位控制的探头阵列 控制检测声束的特性 位置 偏角 聚焦技术特征 单晶探头检测声场特性 整体辐射 单一指向性 单一声束特性 相控阵探头检测声场特性 可控部分辐射 可控偏角指向 可控聚焦一维阵列径向环阵线阵阵元数少。阵元大。功能单一。矩阵lo-theta阵列二维阵列阵元数大。阵元小。二维控制。准二维阵列周向环阵矩阵阵元数不大。阵元不小。二维控制。相位延时 相位延时 比载波周期更短或更精确的延时 脉冲延时 脉冲包络尺度的延时声束特征 起点位置 辐射方向 有效宽度（宽度轮廓）声束位置控制 控制阵列探头各晶片的开关，使开启的晶片组合的中心位置改变，从而改变产

2、生和接收的超声波轴线位置，实现声束位置的控制。声束角度控制 沿阵列的排列方向各晶片的位置线性控制其发射和接收的相位延时，使各晶片波前叠加后如同平面探头转动了一个方向后产生的波前，实现声束的角度控制声束聚焦控制 沿阵列的排列方向各晶片的位置到声轴线上某焦点的距离线性控制其发射和接收的相位延时，使各晶片波前同时到达焦点，如同聚焦探头产生的波前，实现声束的聚焦控制合成声束（Synthetic Beam） 多个阵元发射、接收 控制相位延时 各个子声波干涉叠加 同频率 固定相位 合成声束 发射整体波阵面合成 接收信号延时合成合成孔径（ Synthetic Aperture） 孔径-辐射源的尺寸 形成合成

3、声束的所有晶片的集合，称为合成孔径。合成孔径是探头晶片阵列的全部或一部分，描述为中心位置，晶片间距，晶片数量或总体尺寸延时法则（聚焦法则）-定义 延时法则（delay law）是指形成某个合成声束时，阵列所有晶片的发射的开关、幅度、相位延时和接收的开关、加权、相位延时等控制因素的集合。 延时法则针对某个特征的声束或某个聚焦点运用声波传输原理计算获得相控阵延时法则原理 根据费马原理（Fermats principle）即空间两点间波动的传播遵循时程最短原则。 在声速一致的均匀介质内将沿直线传输 在声速不一致的界面上将符合折射定理 线性叠加原理 干涉聚焦延时角度偏转延时带楔块角度偏转延时相控阵结构

4、框图相控阵仪器参数 多路切换-最大阵元数 多路收发-最大孔径阵元数 发射分配-延时精度 接收分配-延时精度 合成成像-重复频率和成像帧率扫描和成像 按一定规律变化声束的位移或/和角度，使声束扫描覆盖较大的区域 线扫 扇扫 复合扫描 二维阵列扫描 电子机械复合二维扫描线扫（线扫（L-ScanL-Scan） 也叫B扫或电扫（E-Scan），一般指固定角度声束，连续移动合成声束的位置，记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫描位置和回波传输延时确定像素的位置，回波幅度确定像素的亮度或彩色，显示所有回波记录的过程。形成的图像叫线扫图像 特点：线扫的各个声束具有完全相同的角度和聚焦特性，灵敏度一致，检测能力

5、一致横向分辨率高，能实现较长距离的一维电子扫查线扫的探头一般在扫描方向较大扇扫（扇扫（S-ScanS-Scan） 相控阵扇扫一般指固定声束位置，连续偏转合成声束的角度，记录每个声束的A扫波形数据，以声束扫描角度和回波传输延时确定像素的位置，回波幅度确定像素的亮度或彩色，显示所有回波记录的过程。形成的图像外形像一个扇面叫扇扫图像。 特点：扇扫的各个声束具有相同的合成孔径，聚焦深度具有一定规律，可以用等声程聚焦，等深度聚焦或等距离聚焦。扫描范围随深度增加而扩大，探头体积小，耦合面小，检测灵活复合扫描多个入射角度的线扫图像叠加扇扫图像连续平移扫描，各个图像数据叠加二维阵列扫描三维成像采用二维阵列在两

6、个方向控制声束扫描，形成三维图像数据，以一定的切面显示图像二维扇扫-金字塔扫描电子、机械复合二维电子、机械复合二维扫描扫描 线扫或扇扫形成相控阵主动面的端面二维图像，当探头沿垂直于相控阵线阵的主动面扫查时，按编码器传感的扫查位置连续记录二维图像，形成对扫查区域的三维图像记录。超声信号的显示方式 A扫图形 B扫图像 C扫图像 D扫图像 P扫描图像A（Amplitude）型显示（幅度-时间记录）时间幅度A扫波形用曲线显示传输延时（声程距离）一维空间上的信号幅度信息的二维图形。曲线上的各点：水平位置表示传输延时或声程、深度、距离等。其中传输延时是直接测量量。而声程、深度、距离是经声速、角度投影等比例

7、系数传递的间接测量量。垂直位置表示信号幅度。通常用占满屏高的百分数表示。代表某个灵敏度（增益/衰减）下信号的大小。B（Brightness）型显示（亮度-时间-扫查记录）时间B扫图像显示扫查距离+声程距离二维空间的幅度信息的二维图像图像中的每个点：一维位置表示探头扫查距离，以毫米等为单位，通常是用编码器等机械移动传感器测量量。另一维位置表示传输延时或声程、深度、距离等。其中传输延时是直接测量量。而声程、深度、距离是经声速、角度投影等比例系数传递的间接测量量。用亮度或 色度表示信号的幅度。扫查距离B型显示(斜探头PE平行扫查)深度扫查距离B扫图像当超声斜角入射时，分为平行扫查（B扫）和非平行扫查

8、（ D扫）图像中的每个点：当超声斜角入射时的平行扫查（B扫）时，声程距离能够在深度和扫查两个方向投影，扫查方向的投影能叠加在探头扫查位置上。TOFD非平行扫查（D扫）TOFD成像双探头一发一收，深度距离非线性的 B扫描图像TOFD平行扫查（B扫）C型显示X扫查方向Y扫查方向C扫图象探头在工件表面两个方向移动覆盖二维检测区域，并显示两个正交扫查方向的 二维空间的 幅度或其他测量信息图像中的每个点：两个坐标位置分别表示探头在两个扫查方向的位移值，通常用编码器等机械扫查位置传感器测量。亮度或色度表示一个超声测量量信号幅度：穿透波幅度、反射波幅度信号延时：单波延时、多波相对延时以上多个信息的测量值：厚度、声速、衰减C扫描P （Project）扫描（投影成像） 以焊缝为参照系的定义 顶视图（Top）：从焊缝/探头正上方