相控阵原理ppt课件.pptx

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1、超声相控阵检测技术原理,武汉中科创新技术股份有限公司,PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载： 试卷下载： 教案下载： PPT论坛：,目 录,CONTENTS,技术背景,超声相控阵检测原理,相控阵探头,相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,研究历史,相控阵技术最早应用于军事雷达站，用于全方位不间断的目标搜索；一类通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式，来改变波束扫描方向的雷达

2、。,机械式雷达 相控阵雷达,有源电子扫描阵列雷达（active electronically scanned array，AESA)无源电子扫描阵列雷达（passive electronically scanned array，PESA),武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,研究历史,上个世纪20年代初，著名的原苏联科学家萨卡洛夫S.J.Sokolov对超声成像进行了近20年的研究，并于1935年完成了液面成像装置1959年，Tom Brown在Kelvin和Hughes注册了一项环形动态聚焦探头的专利，后来被称为相控阵。2001年，我国首次在国家

3、重点工程西气东输中应用了相控阵技术，即PIPEWIZARD全自动超声检测系统。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,研究历史,相控阵技术广泛应用于各医院的B超检测中，精确测量人体各器官位置及尺寸变化；,B 超,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,规范化的应用情况 ASME CC 2235-8、9明确是可用于替代射线检测的方法之一 ASTM E1961-1998相控阵技术可用于天然气管线焊缝分区聚焦超声检测 DNV-OS-F101允许相控阵技术用于海上石油管线建设焊缝分区聚焦超声检测 中石油管道对接环焊缝

4、全自动超声波检测企业标准,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,研究历史,现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。,B 超,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,国内外研究现状,德国K.K公司、英国SONOMATIC公司、日本CANON、美国PAC公司浙江大学现代制造工程研究所、成都无损检测系统工程公司、北京航空材料研究院无损检测研究室、武汉中科创新技术公司,缺陷回波的提取,波的模式转换与识别,信号压缩,超声相控阵,武汉中科创新技

5、术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,1 技术背景,平板对接焊缝；角焊缝；板板TKY焊缝；管管TKY焊缝；轴铸锻件；螺栓；管纵、环焊缝；涡轮叶片；简单或复杂构件,碳钢；铝材；奥氏体不锈钢；异种钢；碳纤维；玻璃纤维；铸件等等；,适用结构,适用材料,主要用于异型构件及其它复杂构建的检测检测（角焊缝、管座焊缝、型焊缝等）； 可以应用于目前常规脉冲反射法可以应用的领域（焊缝、棒材、坯材等）。,PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载：

6、 试卷下载： 教案下载： PPT论坛：,目 录,CONTENTS,超声相控阵检测原理,技术背景,相控阵探头,相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,超声检测理论,惠更斯原理脉冲反射检测,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,A型超声波检测过程,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,超声波检测设备的基本类别及技术发展,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,相控阵技术

7、的优点,相控阵技术相对于X线检测技术优势：）耗材成本小，使用成本低；）检测结果更全面，各维数据显示全面，判性信息更加齐全；）超声检测更加环保，现场使用更加方便；）现场操作简单，扫查速度快，检测效率高。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,超声相控阵检测,使用微型探头阵列产生超声波束，通过建立聚焦规则使电子装置控制每个阵列单元的发射和接收时间，从而产生出多个超声波束，通过控制阵列的激发和接收时间，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，实现工件的快速扫描成像。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检

8、测原理,叠加原理,波动相干叠加在线性范围内多个波源形成的振动是各个波源形成振动的线性叠加推论整个探头的声场是探头作用面元声场传输函数的积分空间各个位置的总声场是每个阵元在该位置产生的声场的干涉叠加。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,改变声束位移改变声束角度改变聚焦距离和聚焦特性电子扫描电子扫描成像,相控阵的功能,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,基本概念,探头阵列 将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立小单元探头的阵列。相位控制 独立控制各个阵元的发射和接收的微小延时，使之干涉

9、叠加形成想要的波阵面。聚焦规则 通过设置声束的折射角度、激励晶片数量、晶片间距、楔块情况、聚焦深度等，仪器计算出合理的延时规律来满足相应检测。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,d,D,线性阵列,换能器中心距：d换能器孔径：D换能器个数：N,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,聚焦示意图,通过改变延迟时间，就可以改变聚焦点的位置。,以阵列换能器的中心作为坐标原点，N为奇数延迟激励时间表达式：,F,式中，c为声速，F为焦距，d为阵元间的间距，n为第n个阵元，n=0，士1,士2,士(N

10、-1)/2N为偶数时，将式中的n改为n +0.5。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,偏转示意图,假设阵列换能器共有N+1(0N)个阵元，根据图2-8中所示的几何关系可知，第n个阵元与第0个阵元的声程差S为:,式中:d为相邻阵元间的中心距; 为波束偏转角度。则第n个阵元相对于第0个阵元的延迟时间tn为:,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,式中: t0为一个为了避免tn出现负的时延的足够大的时间常数。,聚焦偏转时间延迟方程：,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，

11、一九八八！,2 超声相控阵检测原理,F,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,2 超声相控阵检测原理,缺陷图像的定量是以波幅改变的原理，与常规手动超声检测的原理相似。,一个A扫描代表扇形扫查中的一个角度。,PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载： 试卷下载： 教案下载： PPT论坛：,目 录,CONTENTS,相控阵探头,技术背景,超声相控阵探头检测原理,相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数

12、字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,根据具体的应用和检查位置的不同，常规探头必须根据要求作出不同的焦点，角度，口径。,常规探头,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,当一个常规探头想要改变声束角，我们必须改变不同的探头或楔块.,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,调焦点我们必须使用透镜.调焦点我们必须改变探头.,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,想要检测部件的不同位置必须要人为的移动探头.,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中

13、科院，一九八八！,3 相控阵探头,一个相控阵探头可被比喻成一个大的单一晶片探头-它被分割成多个小的晶片，当连接相控阵仪器时，声束的方向和焦点能够被改变由于单个晶片的脉冲发生时间的微小差异。,相控阵探头,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,使用相控阵仪器和探头声束角度可以被改变.单个探头就可以覆盖全部焊缝检测区域,相控阵技术,常量,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,编辑文字,相控阵技术,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,相控阵技术,0.1 0.2 0

14、.3 0.4mm缺陷自身高度缺陷之间的距离 = 10 mm,右图可以看出相控阵图像的缺陷大小依次增大，说明相控阵技术的分辨率高。,10mm,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,优点,可使用任何探伤仪二级检查员可操作有标准可依,常规探头,相控阵探头,可实现快速扫查在扇扫时可实现实时测试效果缺陷图形位置直观通过可变动的声束角和焦点可提高检出率,需用不同角度的探头从两边检测，效率低需要较多的时间对信号进行评估没有图像，信号较难分析,没有相关的标准，还需通过常规模式进行评判较高的工件表面要求需要对操作者进行培训,缺点,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数

15、字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,相控阵技术的优点,相控阵技术相对于常规超声检测优势：）检测速度快。由于探头中的阵列探头是通过电子的方法进行延迟激励，所以其在进行线形扫查时弊常规手动及机械扫查要快得多；2）使用灵活。相控阵探头可以随意控制聚焦深度、偏转角度、波束宽度、实现纵波检测、横波检测及斜伤检测。3）检测中不需要进行锯齿等多维扫查，仅需要一维扫查即可对焊缝进行全面检测，检测效率高；4）检测中不需要根据检测对象情况不停更换角度，一个探头实现几十个探头角度甚至几百个探头角度的扫查，检测能力大大提高；5）能够实现等多种成像，缺陷判断更加直观明了；6）能够实现动态（接收动态）聚焦，极

16、大提高对细小缺陷的发现能力，检测误差小于0.5mm；,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,阵列类型,平面阵列： 一维阵列：线阵，环阵 二维阵列：矩阵，lo-theta阵列非平面阵列 柱面,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,线阵,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,环阵,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,矩阵,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,3 相控阵探头,lo-th

17、eta阵列,PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载： 试卷下载： 教案下载： PPT论坛：,目 录,CONTENTS,相控阵扫描聚焦法则,技术背景,相控阵探头,超声相控阵检测原理,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,相控阵专业用语,聚焦法则：定义参与波束形成的发射和接收探头阵列单元以及对应每个单元的发射器和接收器的时间延迟规则和激励电压幅度。A扫描：一种接收到得超声回波信号幅度随时间和

18、或者声程变化的显示称为A扫描。B扫描：一种显示超声数据的2D视图，通常横坐标是扫查位置，纵坐标是时间或者声程。C扫描：一种显示超声数据的2D视图，横坐标和纵坐标分别为步进轴和扫查轴。S扫描：也称扇形扫查、角度扫查或方位角扫查，与波束的偏转及数据显示形式有关。当进行波束偏转时，激励固定的晶片组，通过实施一系列的聚焦法则使声束在限定的角度范围内进行偏转扫查；作为数据显示，它是各个角度A扫的二维视图，并且通过对每个A扫的延时和折射角进行修正，使视图上的显示与工件的真实位置相对应。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,有效孔径,用于合成声束的阵元

19、在垂直于传输方向上的最大投影尺寸确定远场指向性的角度分辨率,确定可聚焦的近场区范围,声束半扩散角,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,接收延迟与合成波束,所有的晶片接收同一个信号接收所有的信号后再记录相控制的所有信号被合成一个 只有信号“满足”延迟法则达到同相位，合并后才会产生有效信号。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,线性扫描(L-scan),线扫描是由不同活性的阵列晶片，以恒定的发射角产生的波束形成的视图。分度点以线性移动，其视图将以某一个波束角度的平行四边形方式显示。有时也

20、被看作E扫描。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,改变声束位移L扫,（N）,b,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,改变声束位移L扫,（N）,b,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,改变声束位移L扫,沿着阵列轴向移动超声波束，而不需要机械移动通过激活晶片组的时间多路技术进行波束移动扫查范围受下列因素限制：在阵列中晶片的数量采集系统中“通道”的数量同一探头的机械位置，传统方法采集点信息，相控阵采集面信息,武汉中科创新技术股份有限

21、公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,改变声束位移L扫,线阵列扫描,固定角线扫,直接获得高分辨率B扫结果，直入射或斜入射,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,相控阵的扫查方式-S扫,S扫描扇形扫描，是波束的角度由低扫描到高产生的切面视图。使阵列中相同晶片发射的声束，在扫查范围内对某一聚焦深度进行移动扫查，扇扫区域大小可调，但受到探头配置影响；,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,相控阵的基本概念 S-扫描屏幕实际视图,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数

22、字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,相控阵的基本概念-S扫描示意图,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,试块,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始

23、于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,相控阵的基本概念-B、D扫描,B扫描： 从S 扫描的某一个指定的角度（如 45度角）产生的视图， B扫描是带颜色的A扫描线，如果提取的角度发生了变化，就会产生不同的B 扫描图像。这取决于探头的移动，B扫描也可以被认为是D扫描的一部分。 D扫描： 带颜色的A扫描线的合成并排显示，代表着A扫描在不同位置的扫描显示。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,B、D扫描的区别探头的移动方向,武汉中科创新技术股份有限

24、公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,相控阵的基本概念- B、D扫描,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,B、D扫描的区别探头的移动方向,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,动态聚焦,超声声束沿声束轴线，在发射时使用单个聚焦脉冲，在接收时通过计算对所有深度进行编程深度聚焦，实现对不同深度进行聚焦扫描,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八

25、！,4 相控阵扫描聚焦法则,动态聚焦,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,25mm和75mm的单点聚焦,好的近表面效果 差的底波反射,差的近表面 好的底波反射,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,25-75mm动态聚焦,好的近表面效果 好的底波反射,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,实时全聚焦,TFM是一个信号处理算法，利用全矩阵采集TFM的数据来对缺陷的位置及外形尺寸进行精确的成像。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超

26、声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,焊缝模型的应用,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,结论,1）相控阵技术实现了可动态变化的万能探头。2）应用于手动超声检测时通常以B扫描成像方式显示图象。包括线扫，扇扫和组合扫查。3）应用于自动检测时通常能实现任意多个声束的多通道自动检测。4）采用均匀分布聚束延时及合成孔径动态聚焦方法能在整个检测范围内实现较细的声束扫描线，提高图象整体分辨率。,武汉中科创新技术股份有限公司,中国数字超声，始于中科院，一九八八！,4 相控阵扫描聚焦法则,多种二维成像组合显示，甚至三维模拟，使超声检测结果更加直观，评定更方便扫查中，探头不用前后移动就能同时利用纵波和横波及其他波形进行缺陷检测，检测速度快效率高，且对方向性的缺陷检测非常有利阵列的多角度移动检测，有利于声束对缺陷进行最佳角度的检测和定量,相控阵技术的优点,谢 谢！,武汉中科创新技术股份有限公司地址：武汉市东湖新技术开发区光谷七路126号电话：02787568570网址：WWW.ZKCX.COM,