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相控阵超声全解析-相控阵主机的构造和工作原理

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相控阵超声全解析-相控阵主机的构造和工作原理

发布日期:2019-03-08 作者:青岛发现检验技术咨询有限公司 点击:

相控阵仪器的内部结构示意图如下,首先通过仪器显示屏输入需要得到的声束类型和电子扫查方式,仪器内部将该指令转化为仪器能够识别的聚焦法则文件。


然后通过脉冲发射电路激发出需要的声束和扫查方式,Z后到达相控阵探头前端是以脉冲电压的形式体现的。


此电压由相控阵探头的压电晶片转换为声波能量,达到工件内部以后再返回探头,并由压电晶片转化为电压,并在仪器内部被转换为模拟信号。


该模拟信号被A/D模数转换器转换为数字信号,这样的数字信号再被聚焦法则计算器整理以后就成为了我们显示屏上可以直观读到的视图和波形了。

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这样的过程看起来是不是有点复杂呀?不用担心,这些转换过程全部被相控阵仪器搞定了,你只需要在屏幕上输入想要的声束,Z终就会在屏幕上得到你想要的结果。


而上述过程的大部分也与常规超声仪器的内部运行原理类似,相控阵仪器相比于常规超声仪器只是多了聚焦法则计算器,以实现多通道信号的协调处理。

在这里我们先回顾一下之前讲的波前的概念和它的由来。


如果来自两个或两个以上声源的声波交织在一起,就会在声波相交处产生声能增强或削弱的相位效果。相同频率的弹性波相交时,如果它们的位移完全同步(即相位重合,或相位角为零度),则它们的声能会累加在一起,创建一个波幅更大的声波(参见图a)。如果它们的位移正好相反(相位完全不重合,或相位角为180 度),则它们的声能会互相抵消(参见图c)。如果相位角处于0 度到180 度之间,则声能的变化处于完全累加与完全抵消的中间状态(参见图b)。通过使每个声波从它们各自声源发出的时间各不相同,可以利用上述的相位效果,对所产生的组合波前进行偏转和聚焦。这就是相控阵检测的基本原理。

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在相控阵检测中,通过控制相位,产生可预见性的声能增强效果和抵消效果,可形成和偏转超声波束。以不同时间延迟触发单个晶片或晶片组会生成一系列的点源声波,而这些声波会汇集成以所选角度传播的单一波前(参见下图)。以电子方式得到的延迟与借助常规楔块得到的机械延迟相似,不同的是,在相控阵检测中还可以通过改变延迟的方式进一步控制声波的偏转。通过积极干涉,这种组合波的波幅会比形成组合波的每个单个波的波幅高出很多。

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同理,不同的延迟被应用于阵列的每个晶片所接收的回波。这些回波被累加在一起,得到一个具有单一角度和/ 或单一聚焦值的统一声束。除了可以改变主要波前的方向,这种将多个单声束组合在一起的方式还可以使声束在近场内的任何一点聚焦。回波被不同的晶片或晶片组接收,并在必要时进行时间偏移计算,以补偿这些变化着的楔块延迟,然后再进行汇总。与常规单晶探头实际上将触及被测区域的所有声束的效果融合在一起不同的是,相控阵探头可以根据回波到达每个晶片的时间和波幅,在空间上对返回的波前进行分拣。仪器软件对声束进行处理时,会将每个返回的聚焦法则认作是以某个具体角度、从线性声程上的某个点、和/ 或从某个具体的聚焦深度反射回来的声束。然后,回波信息可以几种形式的任何一种显示出来。如前所述,以某种特殊的方式对单个探头晶片或晶片组进行脉冲触发可以生成相控阵声束。相控阵仪基于用户输入的信息决定这些脉冲触发的方式。

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被称为聚焦法则计算器的软件根据探头和楔块的特性以及被测材料的几何形状和声学属性,确定向每组晶片发射脉冲的特定延迟时间,以通过声波的互相作用生成想要的声束形状。然后由仪器操作软件选择的已编好程序的脉冲发射序列,会在被测材料中发射一系列单个的波前。这些交汇在一起的波前在某些位置得到加强,在另一些位置被减弱,从而形成一个单一的主要波前。这个主波前在被测材料内部传播,而且与任何常规超声波一样在遇到裂纹、不连续性缺欠、底面及其它材料边界时会产生回波。声束可以不同的角度、不同的焦距以及不同的焦点大小被动态偏转,这样做所要达到的目标是单个探头组合件可以通过一系列不同的视角检测到整个被测材料。声束的这种电子偏转完成得非常迅速:一瞬间就可以完成多个角度或多个聚焦深度的扫查。

本文网址:http://www.discovery-test.com/news/482.html

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