应用示例
腐蚀检测 • 检测结果通常用一副C扫视图表示，颜色表征深度值 • 腐蚀区域可以快速检测出来，分析软件可以帮助用户快速找到最小厚度位置，评价剩余厚度值
应用示例
其他应用
– 环阵探头 – 扇形探头 – 扇形环阵探头
–…
• 探头也可以是双晶探头(TRL)
相控阵探头
规则: 聚焦能力 • 一个相控阵探头不可能聚焦在其近场（全孔径）以外。
– 如下是一个16L5-G1探头，S55 横波固定楔块声场, 我们可以计算出一个不聚焦和聚焦在45mm处的声场图 – 他们没有区别，原因就在于45mm已经在近场以外，不能聚焦
• 信号直接出现在工件的几何轮廓中相应位置
视图
修正D扫 • D扫修正视图，依据折射角和时间延迟修正，这样的视 图叫修正D扫
• 和工件的几何轮廓有关，可以用笛卡尔坐标系，也可以 用极坐标系表示
• 信号直接出现在工件的几何轮廓中相应位置
视图
真实视图 • 真实视图来自于C扫，B扫，D扫视图的累积效 果，类似于机械图纸的某个平面视图
应用示例
腐蚀检测 • 相控阵检测，线性扫查能明显提高腐蚀检测效率；线
性扫查类似于进行了一次机械扫查，而且速度更快
• 这种方法减少了需要步进的位置
• 相控阵腐蚀检测可以使用固定硬质楔块，也可以使用 水囊楔块
应用示例
腐蚀检测 • 10-mm 腐蚀管道检测示例
• 探头 64晶片 5 MHz 水囊楔块
• 使用一个同步闸门跟踪表面回波
未聚焦
聚焦45mm
相控阵探头
规则: 角度偏转 • 聚焦能量取决于折射角，折射角越大，能量越低
–如下例，75度声场能量比55度声场能量低4dB
55° 自然角度
75°
相控阵探头
规则: 角度偏转 • 探头不可能将能量偏转到90°，因此存在一个折射 角度最大值 • 在这个实力中，我们尝试将能量偏转到90°，但是声 场显示最大为78° • 偏转角太大会产生爬波，类似于常规超声使用90°楔 块
应用示例
焊缝检测
• 相控阵检测工艺程序与常规超声在覆盖和角度要 求上相同
探头偏移
• 焊缝检测相控阵扫查工艺一般需要确定某个探头 偏移位置，这个位置足以保证声束范围能覆盖到 焊缝检测区域，且声束角度适用
扫查工艺
应用示例
焊缝检测
• 大角度用于检测焊缝根部区域，如未焊透， 根部裂纹等
大角度扫查工艺源自应用示例应用示例腐蚀检测 • 超声测厚常用于检测各种材料，各种形状的基础零件和精密零件，也常用于评价由腐蚀引起的壁厚减薄
• 通常情况下，一个常规超声探头在工件表面进行2D扫描，获得每个位置的剩余厚度值并形成C扫视图
• 这个过程耗时较长，需要把探头在整个工件表面进行全覆盖，步进轴增量需要足够小才可保证全部覆盖
超声相控阵
所有晶片
相控阵探头
所有晶片脉冲
晶片
• 同时激发所有晶片 • 其声场与激发一个晶片尺寸等于所有晶片尺寸之和的 常规超声探头一样
工件
超声相控阵
时间延迟 • 我们使用不同的时间延迟激励探头晶片，来获得想要
脉冲
的特征声场。
• 相控阵希望实现常规超声能做到的事儿，且更有灵活 性和生产实用性
工件
相控阵原理
备支持的最大晶片数量，前面的数字越大，孔径越大
• 常见的平行通道式表示方式为：32/32, 64/64...这类设备可同时让所有晶片工作
• 平行通道时能力更强，也更昂贵
大孔径优势
高分辨率 • 更多的晶片提供更大的孔径可能性，更大 孔径能聚焦更远，焦点尺寸更小
– 如下示例，孔径64, 32 和16晶片的焦点尺寸为1.6 mm, 3.2 mm 和 6.8 mm
射频波
包络
声程(单位µs 或 mm)
声程(单位µs 或 mm)
视图
A扫 • 波幅单位有两种% 或dB
• 根据使用的设备系统能力，A扫幅值的动态范围使用不同比特位数进行编码。一个8位的动态范围代表着256
个不同的波幅级别，16位的代表着65536个波幅级别，常常使用颜色编码色板来表示每个波幅级别，位数越 高，颜色编码波幅级别越高，图像色彩越清晰
视图
B扫 • B扫是数据某个2D视图，横坐标代表某个扫查位置，纵 坐标代表某个声程位置（单位µs 或mm ）。每一列是一 个A扫，代表扇扫某个角度或电子扫查某个 声程(µs 或 mm)
• 相当于使用常规超声探头沿扫查轴移动获得的图像
• 图像的色彩代表相应位置幅值
扫查轴
视图
D扫 • D扫是数据的某个2D视图。横坐标代表某个进位轴 声程 (µs 或 mm) 位置，纵坐标代表声程（单位µs 或mm ）。代表扇 扫的某个角度或电子扫查的某个孔径的扫查结果。
64-晶片
32-晶片
16-晶片
大孔径优势
高分辨率 • 高分辨率意味着可以更好的区分相邻小缺陷 的能力
16 晶片
32 晶片
64 晶片
Separation
大孔径优势
更高的信噪比 • 更大的孔径意味着更多的晶片，更多的能量传输到工件中，更好的缺陷上聚焦能力，可以有效地改善信噪 比
–如下示例：高噪声材料中扇形扫查检测一个2-mm 刻槽
• 通过控制每个晶片激发时间的细微差异值即延迟法则，来实现上述目的
超声相控阵
单晶片 • 只激发一个晶片
相控阵探头 脉冲 晶片
• 其声场和激发一个相同尺寸的常规超声探头一样
• 因为相控阵探头晶片尺寸很小，会出现一个大的扩散 角
工件
• 这便是我们想要的相控阵具备的能力，我们想要所有 晶片都可以把能量传播到任意位置。
• 其效果和使用一个带自聚焦的常规超声探头相同，不 同之处在于其聚焦深度可通过电子控制晶片延迟的方 式调节。
聚焦法则
扇形扫查 • 声场形成一个大角度覆盖范围
• 其效果和使用很多个不同角度的常规超声探头获得很 多个不同角度的声束一样，其区别在于其步进可以非
常小，不需要使用很多探头
• 焊缝检测首选扫查方式
检测人员常常需要更换不同的探头和楔块来保证检测需求
超声相控阵
超声检测: 相控阵技术 • 相控阵超声技术最早被应用在医学领域，用于获得人体内部器官的丰富扇扫截面成像。 1990年代初,相控阵 技术作为一种新方法用于工业NDT领域 。 • 与常规超声使用一个单晶片发射和接收超声波不同，相控阵探头通常包含许多独立的小晶片，每一个小晶
• 顶视图是C扫视图投影 • 侧视图是B扫视图投影 • 端视图是D扫视图投影
侧视图 Top view End view
标准
• 国外常用超声相控阵标准
– ASTM E2700: Standard practice for contact ultrasonic testing of welds using phased-array – ASME: section V, article 23 – ISO 13588: Non-destructive testing — Use of automated phased array technology – ISO 19285: Non-destructive testing of welds - Phased array ultrasonic testing (PAUT) - Acceptance levels –…
elevation
相控阵探头通常由如下参数定义：
– 晶片数量 – 晶片间距(相邻两晶片中心间距) – 晶片间隙(相邻两晶片临近边缘距离) – 晶片宽度(垂直于晶片排序方向的晶片长度)
pitch
gap
相控阵探头
晶片间距 一个非常重要的规则是间距必须小于半波长：p < λ/2 避免大角度产生栅瓣
p < λ/2
聚焦法则
线性扫查 • 一组晶片，即一个孔径，沿整个阵列多路复用，进行
孔径
某个固定角度的入射。
• 其效果与使用常规超声探头进行纵波腐蚀扫查或横波
检测类似，区别在于不需要移动探头
• 腐蚀检测首选检测方式，可以大大提高检测效率
聚焦法则
聚焦 • 最外侧的晶片首先激发，然后逐步往中间，直到最后
一个被激发。
焊缝检测
• 小角度经底面反射后，用于检测焊缝坡口 面和顶部区域
• 典型应用，检测坡口未熔，焊趾裂纹，气孔 …
• 对于破口未熔，应尽量使声束角度垂直于坡 口斜面
小角度
应用示例
焊缝检测
• 焊缝检测常使用单面双侧扫查
• 右图视频为一个25mm厚V型坡口焊缝检测，两侧 各使用一个相控阵探头，一组TOFD进行多组扫查
• 相当于使用常规探头沿着垂直于探头声场发射方向即 沿进位轴方向进行扫查的结果
进位轴
视图
C扫 • C扫是数据的某个2D视图。横坐标为进位轴，纵坐标扫查轴
• 这是工件顶部视角视图，某个位置的色彩代表其幅值
扫查轴 进位轴
视图
S扫 • S扫是一个修正B扫，依据折射角度和时间延迟校正， 这样的图像叫S扫 • 横坐标代表参考点到缺陷的投影距离，纵坐标代表深度， 单位mm
聚焦法则
特点
• 如前所述三种延迟法则，线性扫查，聚焦，扇形扫查，可以合并进行并形成一个更复杂 的声场
• 聚焦法则可以计算不带楔块工作时纵波模式，也可以计算带楔块工作时的横波模式
相控阵探头
探头参数 相控阵探头是在环氧树脂中嵌入小型压电晶体。制造商使用 这些材料的参数来设计具有特定功能的探头（匹配层，频 率......）
横通孔回波
栅瓣回波
横通孔回波
p < λ/2
p > λ/2
相控阵探头
晶片尺寸
e = λ/2
e = 3λ
相控阵探头
宽度
晶片宽度是指被动窗方向的尺寸