M2M超聲相控陣探傷技術(shù)
Phased-array technology

與常規(guī)超聲檢測(cè)探頭不同，超聲相控陣探頭由多個(gè)獨(dú)立的壓電晶片組成。每個(gè)晶片能夠獨(dú)立進(jìn)行脈沖發(fā)射與脈沖接受任務(wù)。通過控制每個(gè)晶片發(fā)射及接收脈沖信號(hào)的時(shí)間延遲，我們便能對(duì)探頭發(fā)出的超聲束進(jìn)行控制，比如能量聚焦，聲束偏折；還可將探頭的晶片進(jìn)行不同的組合，來實(shí)現(xiàn)常規(guī)探頭不易實(shí)現(xiàn)的高覆蓋率線性掃查和扇形掃查。

右圖給出了相控陣聚焦原理的簡(jiǎn)單解釋，通過預(yù)設(shè)聚焦點(diǎn)相對(duì)探頭中心的深度和角度，晶片的延遲法則被自動(dòng)計(jì)算出。每個(gè)壓電晶片在特定時(shí)間發(fā)射出近似球面波，這些球面波組合在一起形成了一個(gè)曲面波陣面。后者將在指定的聚焦點(diǎn)收縮匯集，形成高能量區(qū)域，大大提高了指定待檢測(cè)區(qū)域檢測(cè)靈敏度。

通過下面四幅圖像的對(duì)比我們可明顯分辨出，相控陣探頭的聲場(chǎng)與施加的延遲法則密切相關(guān)。當(dāng)沒有施加仍和延遲法則時(shí)，探頭聲場(chǎng)如a圖所示與常規(guī)同尺寸探頭有相同的能量分布，我們可以觀察到其自然聚焦區(qū)域 (圖中淺藍(lán)色部分)。在圖b中，每個(gè)晶片發(fā)射脈沖的延遲從左到右依次線性降低，我們可對(duì)探頭的聲場(chǎng)進(jìn)行一定角度的偏折，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)中斜入射或扇形掃描的需求。我們知道常規(guī)探頭在實(shí)現(xiàn)斜入射時(shí)需要一個(gè)楔塊配合使用，由此體現(xiàn)了相控陣技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)。

延遲法則與對(duì)應(yīng)聲場(chǎng) (位移場(chǎng)). 聲場(chǎng)計(jì)算由 CIVA 模擬平臺(tái)計(jì)算: (a) 無延遲， (b) 斜入射 ，(c)度聚焦， (d) 深度與角度配合聚焦

圖c在圖a的基礎(chǔ)上施加了一個(gè)深度聚焦的法則，讓聲場(chǎng)在指定的深度聚焦。我們可以觀察到相對(duì)圖a，聲場(chǎng)的聚焦區(qū)域(圖中淺藍(lán)色部分)范圍更小，集中在指定的深度。圖d則是在圖c的基礎(chǔ)上施加了類似圖b的偏折法則，讓聚焦的聲場(chǎng)相對(duì)中軸線偏折一定的角度，可對(duì)指定的區(qū)域進(jìn)行掃查。以上工作如果由常規(guī)探頭來完成便顯得困難，需要配合不同的楔塊。

電子線型掃查                 

相控陣探傷技術(shù)的另一大優(yōu)勢(shì)便是高速電子掃查。其原理如下圖所示，一定數(shù)量的晶片彼此相鄰的晶片可被定義為一個(gè)虛擬探頭?？砂凑招枰ㄟ^控制其延遲法則對(duì)此虛擬探頭的聲場(chǎng)進(jìn)行聚焦或者偏折。在一個(gè)線型探頭上按一定方向逐次激發(fā)一定數(shù)量的晶片，便形成了虛擬探頭的線型掃查，類似常規(guī)探頭的機(jī)械線型掃查。但相對(duì)常規(guī)機(jī)械掃查，相控陣電子掃查具有高速，高覆蓋率以及高自由度的巨大優(yōu)勢(shì)。高速，因?yàn)槲覀儫o需移動(dòng)探頭就能對(duì)一定區(qū)域進(jìn)行B掃成像，如果配合機(jī)械裝置，一個(gè)機(jī)械軸便可以實(shí)現(xiàn)C掃成像；高覆蓋率，兩個(gè)虛擬探頭*近的距離便是一個(gè)壓電晶片的寬度 (可小到 0.3 毫米)； 高自由度，因?yàn)槲覀兛梢匀我馀渲锰摂M探頭的聚焦法則，控制步進(jìn)距離以及實(shí)現(xiàn)一些**并行掃查技術(shù)。這些都利用常規(guī)檢測(cè)技術(shù)難以輕松實(shí)現(xiàn)的。

線???電子掃查原理示意圖

扇形掃查                         

扇形掃查被大量運(yùn)用到焊縫檢測(cè)中，其原理如下圖所示。對(duì)一定數(shù)量的晶片組合，我們只需根據(jù)需求，通過調(diào)節(jié)前后發(fā)射延遲法則來逐次加大或減小聲場(chǎng)發(fā)射角度。用戶只需定義起始，中止角度以及步進(jìn)角度，系統(tǒng)便能自動(dòng)計(jì)算并分配延遲法則。

扇型電子掃查原理示意圖