当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

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 system
Liu Shengchun
(College of information and communication Engineering, 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 array's research in non-destructive detecting field.

Key words:Non-destructive defecting;Ultrasonic phased array;Phased array probe;Ultrasonic imaging

1 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]

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

,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

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 , OLYMPUS 、 SIEMENS 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 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,

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, 最后,检测人员根据这些图像分析缺陷、评 估工件。
超声相控阵系 统软件

延时时间 增益、滤波参数

合成信号

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。

超声信号数 据采集卡

延时脉冲

探头(扫查器)

工件

图 1 超声相控阵工作原理框图 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

2 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

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。

[18,19]

。 探头的结构也影响超声成像的效果, 现

在在医学成像中已经出现不少研究成果。 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, 从而使得高次谐波分量 加强,能够提高成像质量,但是大量的晶振

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, 一维环形阵列,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]

增加了在基础频率处阵列换能器能量的损 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,但是这样对硬件的依赖性 高。 探头选取是与检测方法紧密联系在一 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 范围大。频率的高低对探伤有较大的影响。 频率高,灵敏度和分辨率高,容易测定缺陷

, 不同形

状的超声相控阵换能器如图2所示。

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

的位置和尺寸,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率。另一方面, 焊缝中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。

案。 王瑞, 李伯全等[26]在基于 FPGA 的超声 相控阵系统接收装置设计一文中, 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

数 据 传 输 模 块

信号 控制 和处 理模 块

超声发射电路(多路) 探 头 (多 个) 超声接收电路(多路)

延时的方式,系统相位精度达到了 0.35°, 对应着 250 kHz 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。

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, 10ns。 为 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

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
超声相控阵具有多种扫查方式: 扇形扫 查、线性扫查、深度扫查,如图 4 所示。

(a)深度扫查

(b)扇形扫查

(c)线性扫查 图 4 相控阵扫查方式 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。 由于超声相控阵有多种扫查方式, 因此 [28,29] 有多种成像方式 ,其中常见的有:A 扫 图、B 扫图、扇扫图,如图 5 所示。
信 号 幅 值

Portzgen 等提出了 IWEX 技术[17], 2-D 成 从 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寸、位置。但是基于瑞 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 [30] 法 , 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 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
通过对超声相控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 imaging[J].Sensor and Actuators A,1994, 41/42:167-173. [3] Von Ramm OT,Smith SW. Beam steering with linear arrays[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering , 1983 , 30(8) :

超声轴

A 扫图
超 声 轴

扫查轴

B 扫图

438-452. [4] Weyman AE.Principles and Practice of

超 声 轴

Echocardiography[M]. Piladelphia: Lea and Febiger,1994.
扫查轴

[5] MolesMDC.PIPEWIZARD2PA2 mechanized inspection of girth welds using ultrasonic phased array[A] . International Conference on

扇扫图 图 5 超声相控阵常见的成像视图 Cesar Buque,Jan van der Ent, Niels

Advances

in

Wleding

Technology'99[C].

Texas:Galveston,1999. [6] Stepinski T.Ultrasonic inspection of copper canisters using phased arrays[J/OL]. The e2Journal of Nondestructive Testi2ng, www. ndt . net ,1998,3(3). [7] Abittan Elie. Inspection of thermal barriers of primary pumps with phased array probe and piezocomposite e2Journal of technology[J/OL]. Nondestructive The

[13] Lamarre Andre . Dynamic focusing of phased arrays for nondestructive testing characterization and application [J/OL]. The e2Journal of Nondestructive Testing,www. ndt net, 1999,4(9). [14] Deutsch WAK. Self2focusing of Rayleigh waves[A] . Reviewof Progress in QNDE[M]. Thompson DO, Chimenti DA, eds. New York : Plenum Press ,1998. [15] Deutsch WAK. Defect detection with Rayleigh and Lambwaves generated by a self2focusing phased array [J/OL]. The

testing ,

www.ndt.net,2000,5(7). [8] J.A. de Raad , High speed ultrasonic inspection of field girth welds during pipeline construction, European Journal of Nondestructive Testing [J],1991,1(1):33-37. [9] E. Ginzel,p. den Boer and M. Hoff . Application of mechanized ultrasonic

e2Journal of Nondestructive Testing ,www. ndt.. net , 1998, 3(12). [16] J. Huang, P.W.Que,and J.H.Jin. Adaptive dynamic focusing system for ultrasonic nondestructive testing of pipeline girth welds[J]. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS,2004, VOLUME.75(5):1341-1346 [17] Cesar Buque,Jan van der Ent, Niels Portzgen 等.Automated Ultrasonic testing of Pipeline Girth Weld,its Present Status and Future Developments[A]. 熔 接 学 会 论 文 集 [C] ,2009,27(2):251-256 [18] Jerome Poguet, Andres Garcia, et al. Phased array technology concepts,probes and application[J/OL]. www.ndt.net,2002,7(5). [19] 美国无损检测学会编, 美国无损检测手 册译审委员会译. 美国无损检测手册 超声 卷 [M]. 上 海 : 世 界 图 书 出 版 公 司 , 1996.438-463. [20] Ayache Bouakaz,Folkert ten Cate , Nico de Jong. A new ultrasonic transducer for improved contrast nonlinear imaging[J]. PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY,2004,49(2004):3515-3525 [21] Mustafa Karaman, Ira O.Wygant,Omer Oralkan 等. Minimally Redundant 2-D Array

inspection to manually welded pipeline girth welds,UT Online Application Workshop, http://www.ndt.net/article/wsho0597/ginzel3.h tm,1997. [10] H. Heckh , S. Schultz. Advanced technology in automated ultrasonic weld inspection of pipeline girth weld ,Insight, 1995,37(6) :440-448. [11] J.A. de Raad, F.H. Dijkstra, Mechanized ultrasonic testing on girth welds during pipeline construction, Materials Evaluation, 1997:890-896. [12] 潘荣宝, 郭跃飞, 西气东输管道环焊缝 全自动超声检测技术[J], 中国锅炉压力容器 安全,2002,18(3) :27-29.

Designs for 3-D Medical Ultrasound Imaging[J]. IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING,2009,VOL.28(7):1051-1061 [22] 周海鹏. 相控阵超声检测系统相关技 术 的 研 究 [D] . 大 连 : 大 连 理 工 大 学 , 2005-3-2. [23] 杨斌. 超声相控阵系统中高精度触发 系统研究[D].山西:中北大学,2007 [24] Mario Joao Simoes Ferreira dos Santos,Jaime Batista dos Santos.FPGA-based control system of ultrasonic phased array[J]. Strojniski vestnik-Journal of Mechanical Engineering, 57(2):135-141

高等教育出版社,2006:262-336. [29] 王越. 全数字相控阵超声无损检测系 统软件算法与实现[D]. 上海: 上海师范大学, 2003. [30] 李爽,周世园,徐春广等. 超声相控阵 信号采集与 B 型成像处理[J]. 仪器仪表学报, 2008,29(4) :268-271.

[25] 李爽,徐春广,周世园等.脉冲数字式 超声相控阵发射系统设计[J].微计算机信息, 2010,26(1-2) :1-2. [26] 王瑞,李伯全,骆英等.基于 FPGA 的 超声相控阵系统接收装置设计[J].仪表技术 与传感器,2010,7:69-71. [27] 骆英,王伟,王自平等.基于 FPGA 的 超声相控阵相控发射系统的研究[J]. 仪表 技术与传感器, 2010,10:51-53. [28] 阎石. 数字电子技术基础[M] , 北京:


相关文章:
超声相控阵技术细谈
近几年,超声相控阵技术发展尤为迅速,在第 15 届世界无损检测会议中,关 于超声相控阵技术的文献有 17 篇之多。在相控阵系统设计、系统仿真、生产与 测试和应用等...
超声相控阵检测技术综述
近年来,超声 超声相控阵检测技术摘要 超声相控阵检测技术的应用始于 20 世纪 60 年代,目前已广泛应用于医学超声成像领 域。 由于该系统复杂且制作成本高,因而在工业...
1-第一章 超声相控阵技术基本概念
计算机 (有断面视图软件) 超声相控阵仪器 (层析ⅢPA) 移动控制驱动器 (MCDU-02) 相控阵探头 试件相控阵检测 扫描器/操纵器 图 1-9 相控阵系统基本组成方块图 ...
超声相控阵系统中高精度相控发射与接收
超声相控阵系统中高精度相控发射与接收的实现 摘要: 本文描述了如何利用 FPGA ...相控超声波的这种特性非常适合于无损检测。首先可以通过电子切换选用 不同的单元...
超声波相控阵技术在无损检测中的应用
随着计算机技术的快速发展,相控阵系统的复杂性和费用都大 为降低。且相控阵技术相对于普通超声波检测有着明显的优势,令相 控阵超声检测技术在工业领域逐渐兴起。 已...
超声相控阵论文摘选
结合合成孔径相关技术,实现了子阵列合成技术,利用该技术提 高了系统检测效率和缺陷成像的对比度。 1.绪论 研究的背景与意义 超声成像检测技术的介绍 相控阵超声...
超声自动探测国内外研究现状、发展趋势
例如清华大学的施克 仁教授和鲍晓宇博士、 电子测试技术国防科技重点实验室利用数字波形相位延时技术, 设计 实现了多通道相控阵超声检测实验系统,达到了很高的发射延时...
1稿-基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统及检测方法
说明书 基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统检测方法 技术领域 本发明涉及一种入侵探测系统,具体涉及一种基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统检测方法。属于传感器...
超声相控阵系统中高精度相控发射的实现
超声相控阵系统中高精度相控发射的实现摘要:相控阵超声发射波束形成中的关键环节是...过 去的超声检测系统中一般使用模拟延迟线(比如 lc 网络)来实现相位延迟,用电...
叉型叶根超声相控阵检测技术研究_图文
通过在叶根试样上进行检测,表明了叉型叶根相控阵检测系统可以检测出叶根上裂纹类缺陷,且成像位置正确。叉型叶根超声相控阵检测技术研究靳峰?,王朝华?,匡晓龙? (...
更多相关标签: