圓形陣列
| 相控陣相對于常規(guī)的單探頭超聲檢測具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：
*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，在相同時間里提供更好的覆蓋。由于能夠一次檢測所有被檢查部份，大大縮短了檢測時間，相對節(jié)約成本，減少掃查時間，減輕監(jiān)測人員的勞動強(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*佳化地垂直于預(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*佳探測概率。S掃描對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*佳化，獲得*大覆蓋區(qū)域和*高分辨率，以及*佳的探測概率，獲得*佳信號和高質(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：對缺陷檢測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，能夠通過預(yù)先編程的專用軟件對掃描采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價，減少檢測人員因素的影響。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。 |
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| 用一個多晶片探頭進(jìn)行多角度檢測 | 對復(fù)雜的幾何形狀檢測具有很強(qiáng)的靈活性 |
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| 相控陣超聲檢測系統(tǒng)還具備了編寫檢測報告、支持USB外部存儲媒介以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?/span> |
| 相控陣超聲檢測系統(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 平臺上運(yùn)行專用的操作軟件，完成對被檢工件的掃查、實(shí)時顯示和結(jié)果評判。 |
| 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)用價值。 |
| 在超聲檢測中，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)置來計(jì)算時間延遲。操作者也可以利用預(yù)先制備的文件（見圖2）。軟件根據(jù)單獨(dú)的“聚焦規(guī)則”，依據(jù)焦點(diǎn)和掃查組合的時間渡越來計(jì)算返回的時間延遲。相控陣儀器的時間延遲電路應(yīng)能接近2ns精度以提供所需要的相位精度。 |
圖2
| 在脈沖激發(fā)下，每個壓電元件產(chǎn)生一個波束。這些波束因?yàn)榀B加和相消干涉形成波前。相控陣儀器對各單獨(dú)通道發(fā)射脈沖是具有時間延遲的，從而能按規(guī)定形成一個預(yù)先計(jì)算的波前。對于接收，儀器則有效地完成逆轉(zhuǎn)。例如，儀器接收的信號具有預(yù)先計(jì)算的時間延遲，綜合時間變化的信號，然后顯示出來（見圖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信號的采集。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，半自動，或者全自動，取決于應(yīng)用，速度，預(yù)算等要求。
軟件能夠節(jié)約用戶的時間和精力。雖然對于初次設(shè)置準(zhǔn)備時需要耗費(fèi)一定的時間，但是信息被記錄在文件中后可以**次重新加載提取，而修改一個已制定的設(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)生方法無關(guān)，無論是壓電，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，對于常規(guī)超聲，5MHz是*佳的檢驗(yàn)頻率，而相控陣也利用同樣的頻率，聚焦孔徑尺寸，聚焦長度，以及入射角。
和常規(guī)超聲檢測一樣，相控陣也是利用掃查來采集數(shù)據(jù)。但是其激發(fā)電脈沖和超聲波的接收則對于掃查圖形的變化提供了重要的信息。相控陣的掃描方式： |
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| 電子線性掃描 |
| 電子線性掃描（E-掃描）是通過多路技術(shù)以相同的聚焦規(guī)則（時間延遲）沿陣列來實(shí)現(xiàn)的（見圖5）。典型的陣列可達(dá)到128個壓電元件。E掃描能夠?qū)崿F(xiàn)用一個緊湊的焦點(diǎn)來快速覆蓋。如果陣列是平面并且線形的，則掃查圖形是簡單的B掃描。如果陣列是曲面的，則掃查圖形也將是曲面的。E掃描可以通過簡單編程實(shí)現(xiàn)。例如，一個相控陣可以容易地通過編程實(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)。 |
圖5動態(tài)聚焦示意圖（可實(shí)現(xiàn)無機(jī)械運(yùn)動的高速掃查）
| 常規(guī)手工超聲焊縫檢驗(yàn)是利用一個單探頭實(shí)施的，操作者進(jìn)行前后“掃描”以覆蓋焊接區(qū)域。許多自動化焊接檢驗(yàn)系統(tǒng)也是利用類似的方式（見圖6a），使用一個單探頭前后掃查覆蓋焊接區(qū)域。這是很消耗時間的，而且在掃查開始和結(jié)束時系統(tǒng)還有盲區(qū)。
作為對照，相控陣?yán)镁€性掃描方式（見圖6b）。通常使用兩個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圍或者沿焊縫掃查，每個探頭掃過焊縫的整個規(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）同時掃描。線性掃描是*簡單的方式，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）是相控陣所獨(dú)有的。它利用同組壓電元件但是由編程改變時間延遲來控制波束通過一系列角度來實(shí)現(xiàn)掃查。
S掃描的典型應(yīng)用例如一個固定陣列，掃查橫過一個相對達(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（見圖8）。對于焊縫和其他構(gòu)件可以選擇*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給定的角度范圍內(nèi)使超 |
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| 聲束完全覆蓋被檢驗(yàn)的構(gòu)件，例如±20°。當(dāng)使用簡單的直波束不能充分檢驗(yàn)到所有需要檢查的區(qū)域時，這種組合掃描的檢驗(yàn)就體現(xiàn)出優(yōu)勢了。在焊縫檢驗(yàn)中，對于給定的焊縫幾何形狀常常要求規(guī)定的角度。對于這些應(yīng)用，可通過針對特定的焊縫傾斜角編程來實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的位置上達(dá)到**的波束角度。 |
圖8組合掃描顯示
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| | 以管道環(huán)焊縫的檢測為例，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區(qū)，每個分區(qū)高度一般為1~3mm，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對其進(jìn)行分區(qū)掃查（每個區(qū)都由一組獨(dú)立的晶片進(jìn)行掃查），檢測主聲束的角度按照主要缺陷的方向來設(shè)定（例如在自動焊中主要是未熔合，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各自的區(qū)域，而且臨近區(qū)域反射體上的重疊*小。每個分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游、下游兩個通道，其檢測結(jié)果在帶狀圖上以相對應(yīng)的通道顯示出。再輔以TOFD（衍射時差法）和Ｂ掃描功能，對焊縫進(jìn)行分析、判斷。 |
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