超声相控阵检测系统

超声相控阵检测系统超声相控阵检测系统摘 要：在无损检测领域里，超声检测凭借可靠、安全、经济的优势，得到了越来越广泛的应用。超声相 控阵系统由于具有独特的线性扫查、动态聚焦、扇形扫描的特点，成为近几年超声检测领域里的一个研究 热点。本文介绍了超声相控阵的发展、在工业领域中的应用以及国内外现状。简述了超声相控阵系统工作 原理、主要特点及相控阵系统的探头、超声发射接收电路、超声成像部分。说明了超声相控阵的研究在无 损检测领域里具有广阔的应用前景。关键词：无损检测；超声相控阵；相控阵探头；超声成像Ultrasonic phased array testing systemLiu Shengchun(College of information and communicationEngineering, Harbin Engineering University,Harbin, Heilongjiang 150001, China)Abstract:In non-destructive detecting field, depending on the superiorities of credibility, security and economy, ultrasonic detecting is getting more and more broad application. Ultrasonic phased array system which has characteristics of linearity scanning , dynamic focus and sector scanning, is becoming a hot research in the ultrasonic detecting field in recent years.This paper introduce the development, status quo of ultrasonic phased array, and its application in industry. Briefly describe its work principle, main characteristic and phased array system including probe,ultrasonic transmitting and receiving circuit and ultrasonic imaging. It illuminates that there is a wide application foreground of ultrasonic phased arrays research in non-destructive detecting field.Key words:Non-destructive defecting;Ultrasonic phased array;Phased array probe;Ultrasonicimaging1 引言超声相控阵技术已有40多年的发展历史， 初期，由于系统的复杂性、固体中波动传播的 复杂性及成本费用高 等原因使其在工业无 损检测中的应用受限， 主要应用在医疗领域 1,2，如通过相控阵快速 移动声束对被检器官 成像3；利用其可控聚 焦特性局部升温热疗 治癌4。然而随着电子 技术和计算机技术的 快速发展，超声相控阵 技术逐渐应用于工业 无损检测，特别是在核 工业及航空工业领域， 如薄铝板摩擦焊缝热 疲劳裂纹的检测5；核 废料罐电子束环焊缝 的全自动检测6；核电 站主泵隔热板的检测7。近几年，随着超声 相控阵技术发展，在油 气管道领域里，超声检 测正在代替射线检测 8-11，因为采用相控阵 技术检测焊缝缺陷降 低了漏检的危险12。现 在，在相控阵系统设 计、系统仿真、生产测 试和应用等方面已取 得一系列的发展，OLYMPUSSIEMENS 及 IMASONIC 等公司已 生产出超声相控阵检 测系统及相控阵换能 器。还有，动态聚焦相 控阵系统 13，二维阵 列、自适应聚焦相控阵 系统14，表面波及板波 相控阵换能器 15 和基 于相控阵的数字成像 系统的研制、生产、应 用及完善已成为研究 重点。其中，自适应聚 焦技术16尤为突出，它利用接收到的缺陷回R：一波信息调整下一次激 发规则，实现声束的优 化控制，提高了缺陷的 检出率。我国计算机与 超声检测技术的结合 始于 70 年代末，重点 是研究超声信号的采 集、量化和信号处理问 题。目前，国内在超声 相控阵技术上的研究 应用尚处于起步阶段， 虽然出现了一些多通 道超声探伤仪器，可实 现多声束同时探伤，但 因角度调节不够灵活（仍需改变探头型 号），为此移动也不方 便，不易实现全自动 化，所以仍然不能满足 大批量焊缝探伤的要 求，而国外已有商品化 的相控阵检测设备出 售，但其成本高昂，一 台设备售价为二三百 万人民币，在国内普及 应用难度较大。因此， 全自动化超声相控阵 检测系统的研究具有 重大意义。I=J2 超声相控阵工作原理及特点全自动超声相控阵的工作原理框图如 图1所示。它由检测人 员操作超声相控阵系 统软件，在软件中输入 工件的各个参数，软件 根据聚焦法则自动计 算出延时时间，并将延时时间、增益、滤波等参数传递到超声数据 采集卡，数据采集卡再 根据延时时间参数生 成延时脉冲激励探头 产生超声波，不同延时 时间脉冲产生的超声 波会形成不同的聚焦工些图件。像分析缺陷、评估原理框图偏转波束，这个聚焦偏 转波束作用于工件，在 工件里产生反射回波， 探头接收来自于工件 的超声回波信号，并将 这些回波信号传递给 超声信号数据采集卡 处理，得到合成信号。 合成信号按照一定的 数据格式，经 USB 传 输线传递到超声相控 阵系统软件中，软件再 将这些合成信号以多 种成像方式显示出来，与常规超声检测 系统相比17，它具有如 下特点：1、可提高检测速 度；2、不移动探头或 尽量少移动探头可扫 查厚大工件和形状复 杂工件的各个区 域， 成为解决可达性差和 空间限制问题的有效 手段；3、通常不需要复 杂的扫查装置，不需要 更换探头就可以实现 对整个或所关心区域 的多角度方向扫查；4、优化控制焦距 长度、焦点尺寸和声束 方向，在分辨力、信噪 比、缺陷检出率等方面 具有一定的优势；5、扫查方式种类 多，数据成像形式多样 化，缺陷分析简单，定 量更精确。3 超声相控阵检测系统3.1 相控阵探头超声相控阵技术 需使用不同形状的多 阵元换能器来满足构 建检测的需求。根据晶 片阵列形式的不同，主 要有一维线性阵列 维环形阵列，二维矩形 阵列、二维分段交错环 形阵列和圆形阵列五 种形式18，不同形状的 超声相控阵换能器如 图2所示。线形 环形面瘠岡形图2相控阵探头阵元几何排列示意图与面形和环形阵 列相比，线形阵列具有 容易加工，发射接收延 迟控制电路较简单，容 易实现等优点，因此在 实际应用中使用较多。 环形阵列由于不能进 行声束偏转控制，大多 应用在医学成像和脉 冲多普勒体积流量计。 其中二维分段交错环 形阵列比较特殊，专门用于棒材检测。由于目 前加工工艺限制，及电 路复杂和制作成本高， 使二维矩形阵列仍主 要应用于医用B超上， 工业上很少使用。圆形 阵列主要用于检测管 子的内外壁缺陷18,19。探头的结构也影 方法紧密联系在一起 的，对于不同的被检材 料，因检测方法不同而 选择不同的探头。探伤 前，应该根据探伤对象 的形状、衰减和技术要 求来选择探头。超声波 探伤频率在0.5 10MHz 之间，选择范响超声成像的效果，现在在医学成像中已经围大。频率的高低对探伤有较大的影响。频率出现不少研究成果。对 于探头频带宽度小的 检测系统，回波信号的 高次谐波非常微弱，因 此没法采用高次波信 号成像，而采用不同频 率的阵列交叉组合20， 可以扩大频带宽度，从 加强，能够提高成像质 量，但是大量的晶振增高高，容灵易敏测度定和缺分陷辨的率位 置和尺寸，指向性好， 对探伤有利；但频率 高，近场区长度大，衰 减大，对探伤不利。实 际探伤中要全面分析 考虑各方面的因素，合 理选择频率。一般保证 探伤灵敏度的前提下 尽可能选用较低的频加了在基础频率处阵率。另一方面，焊缝中对硬件的依赖性高。探头选取是与检测列换能器能量的损耗。 用最低限度冗余二维 矩形阵列实现三维成 像21，采用的十字阵列 探头减小了阵元数目， 成像效果好，但是这样 危险性缺陷大多与超 声主声束成一角度，探 头频率过高，缺陷反射性指向性越好，回波反 而不易被探头所接收， 故频率不宜太高。3.2 超声发射接收电路 超声发射接收处 理电路是超声相控阵 系统电路设计的核心， 负责超声信号的发射、 接收和处理22，其示意 图如图 3所示。处理电 路包括多个通道，且其 各通道性能一致，能够 保证同一缺陷在不同 通道检测时具有相同 的结果，同时具有很强 的适应能力，各通道可 用不同工作频率检测 不同量程和在不同缺 陷判定标准下进行检 测。另外还有增益可调 和探伤灵敏度随即补 偿功能及较强的抗干 扰能力。数据传输模块信号 控制 和处 理模 块超声接收电路（多路）探 头 （多 个）超声发射电路（多路）图 3 超声发射接收处理电路超声发射和处理电路中核心部分为信 号和控制处理模块，这 个模块不仅提供发射 和接收电路的控制信 号，而且控制波束形成 的延时时间。杨斌23提 出了以 CPLD 为核心 的延时控制模块，采用 普通的二进制加法计 数来实现 16 通道的延 时控制，输出延时脉冲 没有毛刺，电路简单易 实现，但是延时精度较 低， 为 10ns。 Mario Joao Simoes Ferreira dos Santos 等24提出了 基于 FPGA 的延时方 案，使得延时电路小型 化、可开发程度高，但 是延时精度低，仅为 20ns。李爽，徐春广等 25 提出了用 FPGA 调 粗延时结合可编程集成电路DS1020调细延 时的延时方案，延时精 度高，能达到1ns。但 是只提到了发射电路 的延时，而没有提出接 收电路的延时方案。王 瑞，李伯全等26在基于 FPGA 的超声相控阵 亠 “n-rt rt r文中，提出了一种基于FPGA技术,VHDL语言描述的8通道超声相 控阵系统接收装置的 硬件设计方法，通过倍 频能将延时精度控制 在2ns,节省了硬件空 间，但是没有考虑到FPGA 是分段式布线， 延时时间不可预测，延 时结果不够精准。骆 英、王伟等 27 在基于FPGA 的超声相控阵 相控发射系统的研究 一文中提出了基于系统时钟的相控粗延时以及基于数字波形相位差的相控细延时两 者结合实现延时的方式，系统相位精度达到了 0.35，对应着 250kHz发射信号下3.75ns的延时精度，同时由于FPGA 具有系统可重配置性能 ,使设计修改更加灵活、方便。对于超声发射电路模块的延时设计，采 用基于FPGA的方案，可以避免模拟延迟线 的繁琐，使得电路简 单，设计更灵活，同时 可以得到高精度的延 时时间。3.3 超声成像超声相控阵具有查，如图 4 所示。多种扫查方式：扇形扫 查、线性扫查、深度扫b）扇形扫查(c)由于超声相控阵 有多种扫查方式，因此 有多种成像方式28,29 ， 其中常见的有： A 扫性扫查图、B扫图、扇扫图，图 4 相控阵扫查方式如图 5 所示。言号幅直深度扫查是通过 波束的聚焦来控制，通 过不同的聚焦法则来 实现不同深度的聚焦 , 如图4中（a）所示。扇形 扫查通过探头的波束 偏转来控制，晶片的激 发时间不同，从而产生 不同角度的波束偏转， 如图4中（b）所示。 线性扫查是不同的时 间激发不同的晶片，从 而形成电子扫查，如图 4中（c）所示。图扫超声A超声轴扫图图 5 超声相控阵常见的成像视图Cesar Buque,Jan van der Ent, NielsPortzgen 等 提 出 了IWEX 技术17，从 2-D 成像变成3-D成像，使 得缺陷显示更形象，可 以直接得到缺陷的尺的成像方式能够提高 缺陷检测的准确率，比如 3D 成像。4结论寸、位置。但是基于瑞通过对超声相控利积分理论具有局限 性，横向分辨率较低。 李爽、周世园等提出了 一种 B 型成像处理方 法30，选取适当的阈值 对图像进行了二值化 处理，消除了一些伪 像，提高了图像的分辨 率，但是由于数据处理 过程中舍入误差的影 响，对缺陷精度的确定 性还有待改进。对于超声相控阵 成像显示，它直接影响 着操作人员判读检测 结果，因此精确、易读阵的国内外的发展状 况、以及在工业领域里 的应用描述，以及对它 的工作原理、主要特点 的、系统构成的介绍， 说明了超声相控阵检 测系统在无损检测领 域里有着广泛的应用 前景。参考文献1 杨国忠 . 医学成像 技术M.北京：人民 卫生出版社，1987.22-23.2 Hatfield JV, et al.An integrated multi-element array transducer for ultrasonic imagingJ.Sensor and Actuators A,1994, 41/42:167-173.3 Von Ramm OT,Smith SW. 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