超声相控阵探头的工作原理及技术应用
超声相控阵探头的工作原理及技术应用
20世纪60年代，相控阵的研究主要局限于实验室；60年代末70年代初，医学物理学者将该技术用于医学人体超声成像中。由于当时压电复合材料、微电子技术和计算机技术等的限制，该技术没有在工业领域中得到广泛应用。2000年后，随着压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，超声相控阵检测技术得以迅速发展，并逐步应用于工业无损检测领域。
不同阵列排布方式的相控阵探头
相控阵按阵列形式通常可分为线形、矩阵形、环形和扇形。相控阵探头有多种不同的阵列排布形式，其类型按阵元排列方式可分为：一维线阵、二维矩阵、环形阵、扇形阵、凹面阵、凸面阵、双线型阵等。不同的阵列排布方式将会产生不同的声场特性，使相控阵能应用于不同工况下的检测。
不同阵列排布方式的超声相控阵探头模型
一维线阵：
是目前相控阵探头中应用多的一种形式，其特点是能在相控阵的轴平面实现声束偏转和轴向聚焦。
与一维线阵相比，环形阵的优势是能在声束剖面实现二维聚焦(一维线阵只能实现一个方向上的声束聚焦)，声束剖面呈圆形，能获得较大的能量集中，并且不要求大数目的阵列，因此其能在采用高频检测时仍保证较高的穿透力；但环形阵的缺点是不能进行声束偏转控制，因此主要应用于医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。
扇形阵和二维矩阵：
扇形阵和二维矩阵都可实现所有方向的声束偏转和轴向聚焦，扇形阵多用于棒材检测，二维矩阵由于加工工艺限制、电路复杂及制作成本高等原因，仍主要应用于医学领域，工业领域应用较少，但其声束不仅能实现沿晶片排列方向的扫查，还可以纵向摆动扫查，因此其具有三维成像的优势，这将会是未来超声相控阵换能器的发展方向。
由于二维面阵探头还处于实验室研究的阶段，而作为一维线阵探头向二维面阵探头的过渡，一种被称为分数维的探头已经开始在一些的*中使用。分数维探头在长度方向上按传统方法被切割成致密的小阵元，而在宽度方向上则被切割成有限的几排；按宽度方向不同的聚焦功能，可分为1.25维、1.5维和1.75维，由于其阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。
双线型阵：
双线型阵的发射和接收声束分开，消除了幻影回波，无近场区的影响和明显的盲区，具有良好的近表面检测能力，并可通过连续的深度聚焦来增加整体的聚焦深度，且在所有深度范围内能保持好的侧向分辨力，可用于晶粒粗大的不锈钢工件的检测；此外，其压电晶片的高阻尼特性还提高了轴向分辨力和信噪比。
凹面阵多用于管道的外检测，因其能很好地匹配相同曲率管子的外径，并且其阵列的排列方式有物理聚焦的特点，声束比平面阵列更加容易汇聚。凸面阵能很好地匹配相同曲率管子的内径，但在阵列凸面排列的状态下，声场旁瓣十分明显，特别是小径管中的聚焦声场更容易向空间扩散；凸面阵多用于医学b超超声诊断领域。在工业方面，国内已有部分学者对凸面阵探头进行了开发应用，但总体研究并不多。
不同用途的相控阵探头
除了阵列排布方式、延时法则之外，超声相控阵探头的检测能力还与探头盲区大小、中心频率、发射脉冲宽度、楔块的选择、耦合介质、试件表面平整度等因素有关。因此，针对一些特殊的检测对象，调整其中的某些因素，便可以获得不同用途的超声相控阵探头。
1. 近壁相控阵探头
该类探头的两端具有较短的盲区，如曼图电子（m2probe）生产的近壁探头一号晶片的中心和后晶片的中心到与其近的探头外壳边缘的距离仅1.5mm，非常适用于复合材料的c扫描检测，对复合材料的分层、脱胶和多孔性等缺陷有较高的检出率。此外，其还可用于薄板、薄管等小型工件的检测。
线阵小外壳相控阵探头
2. 极小外壳相控阵探头
小脚印探头封装紧密，阵元数目较少(一般不超过16个)，可进入到活动空间狭窄的区域进行检测，如曼图电子（m2probe）生产的es系列相控阵探头的脚印尺寸(长×宽)仅为8mm×8mm。
线阵小接触面相控阵探头
3. 水浸相控阵探头
液浸探头是相控阵探头部分或全部浸入液体中使用的。这类探头往往用于刚性楔块无法良好匹配被检测工件表面时的情况。液浸探头常用的介质为水，目前国内有学者在检测聚乙烯材料时，利用甘油、水、水玻璃、海藻酸钠，按一定的比例配制了特殊用途的耦合介质，该介质的声阻抗与聚乙烯材料相似度达95%以上，检测时声波在界面上的反射率较小，可以称得上是理想的耦合液。
水浸相控阵探头
4. 双晶线性阵列探头
该探头采用双晶线性阵列的结构设计，相当于内置两个相控阵线阵探头，一个发射声波，另一个接收声波，避免了表面检测盲区，提高了信噪比。并且，其通过降低探头的中心频率，采用纵波检测的方式提高超声波的穿透力。该探头不仅可以对不锈钢材料进行检测，还可用于铸件、合金、异种钢焊缝等其他粗晶材料的检测。
双1.5d面阵相控阵探头
5. 凹阵相控阵探头
该探头的形状往往呈半圆形，相较于通常的线性阵列探头，还可以进行自然几何聚焦。其可与所有可调节水浸楔块配合使用，常用于复合材料的分层检测中。此外，在碳纤维增强复合材料(cfrp)的圆角部位检测方面，由于该探头的凹面结构可保证声束垂直进入r区，在检测r区时相比其他超声探头有较多优势。
凹阵相控阵探头
6. 柔性相控阵探头
*单元以阵列形式安置于柔性层介质中或表面，而构成柔性*阵列，因柔性*阵列能够贴合各种具有不同形状的工件表面，从而提高了检测效率，避免了因表面不规则引起声束扭曲、灵敏度下降等问题发生。
柔性相控阵探头可分为一维柔性相控阵探头和二维柔性相控阵探头。一维柔性相控阵探头通过机械装置将探头内各个晶片压在工件表面，利用工件轮廓测量仪测出表面形状，随后根据计算机对该轮廓的延时律算法进行实时处理；二维柔性相控阵探头是在二维矩阵的表面涂抹一层柔软的弹性树脂，弹性树脂能与工件表面紧密贴合，从而实现三维成像。
柔性相控阵探头主要应用于轮廓不规则工件的检测中，如航天航空领域飞机机翼和机身复合板，承压设备领域压力管道的内外壁、弯头、三通等的检测。但是，柔性相控阵探头的阻尼片较薄，探头的频带很窄，具有较大的表面盲区，这是柔性相控阵探头的局限性。因此，其比较适宜大厚度工件的检测。
曼图电子柔性相控阵探头
7. 轮式相控阵探头
轮式探头利用橡胶轮胎的滚动来实现快速直观的检测，多应用于管道腐蚀、复合材料、铁路轨道以及航空航天领域表面光滑板材的检测中。探头由宽度适当的橡胶材料制成，橡胶轮胎内充满水，超声波按照水层-橡胶-工件的路径进行传播。c扫成像时，应该将闸门套在水-橡胶界面波外，以免界面波和缺陷波的混淆。滚轮式相控阵探头
8. 小径管相控阵探头及自聚焦相控阵探头
小径管相控阵探头及自聚焦相控阵探头：作用于空间限制区域，提高检测精度，减小近表面盲区，在薄壁小径管检 测中有着非常重要的应用。在声学上，可与rexolite匹配，可检测外径处于21毫米〜115毫米范围内的标准管件，也可应用于特殊空间受限制的检测情况，极小的外型设计，晶片自聚焦提高了检测薄壁管件上细小缺陷的能力，与楔块配合可完成大多数声束角度检测应用。
曼图电子超声波相控阵检测用探头
曼图电子自聚焦相控阵探头
9. 双1.5d面阵相控阵探头
双矩阵设计，一发一收纵波检测，的信噪比，广泛应用于奥氏体不锈钢、粗晶体，耐腐蚀合金以及异质焊缝的焊接和复杂的集合工件。两个1.5d面阵探头搭配检测，检测范围更广，检测精度增加，定量细小的缺陷.可使用水浸法，用作水浸探头。
双1.5d面阵相控阵探头
超声波相控阵探头行业展望
近年来，超声相控阵探头技术不断发展，特别是国内相控阵厂家不断涌现，技术水平从一开始的跟从，到现在的超越。目前国内一些超声波传感器企业从压电复合材料到单晶体复合材料，从工业相控阵到医疗相控阵，已经不输给国外老牌到传感器公司。另外国内从相控阵检测技术相关的考核培训、标准制定以及行业应用方面来看，我国已制定了一部标准gb/t 29302-2012《无损检测仪器 相控阵超声检测系统的性能与检验》。中国特检院出版了一部企业标准q/csei 01-2013《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测》，这是国内特种设备行业相控阵超声检测标准。国内其他有关相控阵的行业标准还在制定阶段。
在上，标准化组织(iso)已经正式出版了关于焊缝检测的方法标准iso 13588:2012《焊缝无损检测 超声检测 利用自动/半自动相控阵技术》，该标准应属于现有的*的相控阵检测方法标准。
在行业应用方面，相控阵技术在船舶海工行业中已得到业主和监造方的大力*并开始使用，比如烟台来福士的“蓝鲸1＃”项目在2015年已开始运用相控阵技术检测管对接焊缝。上海外高桥在建的“集装箱”船体检测已运用超声相控阵和超声波衍射时差法检测技术。随着标准、规范的不断推出,相关培训、人员考核制度的不断完善，相控阵技术一定会得到越来越广泛的应用。
从技术开发层面而言，当今相控阵的前沿技术是相控阵探头的开发。根据被检设备的材料、形状等特点，设计制作与之相适应的相控阵探头，再开发自动化的扫查装置以及相控阵检测仪，将这些技术结合起来就能将相控阵的作用发挥到大。
此外，随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术等的快速发展，将会不断开发出多阵元、多通道的相控阵技术。
纸箱抗压试验机纸箱堆码强度纸箱达标试验
农贸便民市场食品安全农残快检基层实验室建设所需仪器设备清单
防腐型电磁流量计,电池供电电磁流量计
易格斯拖链质保承诺购买无需担忧
压滤机与传统的过滤机相比，具有哪些改进？
超声相控阵探头的工作原理及技术应用
混凝土单卧轴搅拌机的概述及操作事项
星型卸料器电机的选用
智能集菌仪简介及操作说明
色谱仪基线出现波浪峰形找原因
液相C18柱是一种常用的柱色谱技术中的填料
阿托斯比例阀DKZOR-T-173-L5 40技术数据
拉丝模芯的材质和选择选择
运河区E+H代理商CPS11D-7AA2G
美国PARKER派克针型阀选型指南
冷库工程施工前的准备工作
NF多功能信号源是一种频率成分常见的信号源
羊毛衫针织车间加湿机 消除静电防断针
法兰毛坯制造工艺步骤?
阀门控制电动头的安装与调整
20世纪60年代，相控阵的研究主要局限于实验室；60年代末70年代初，医学物理学者将该技术用于医学人体超声成像中。由于当时压电复合材料、微电子技术和计算机技术等的限制，该技术没有在工业领域中得到广泛应用。2000年后，随着压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，超声相控阵检测技术得以迅速发展，并逐步应用于工业无损检测领域。
不同阵列排布方式的相控阵探头
相控阵按阵列形式通常可分为线形、矩阵形、环形和扇形。相控阵探头有多种不同的阵列排布形式，其类型按阵元排列方式可分为：一维线阵、二维矩阵、环形阵、扇形阵、凹面阵、凸面阵、双线型阵等。不同的阵列排布方式将会产生不同的声场特性，使相控阵能应用于不同工况下的检测。
不同阵列排布方式的超声相控阵探头模型
一维线阵：
是目前相控阵探头中应用多的一种形式，其特点是能在相控阵的轴平面实现声束偏转和轴向聚焦。
与一维线阵相比，环形阵的优势是能在声束剖面实现二维聚焦(一维线阵只能实现一个方向上的声束聚焦)，声束剖面呈圆形，能获得较大的能量集中，并且不要求大数目的阵列，因此其能在采用高频检测时仍保证较高的穿透力；但环形阵的缺点是不能进行声束偏转控制，因此主要应用于医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。
扇形阵和二维矩阵：
扇形阵和二维矩阵都可实现所有方向的声束偏转和轴向聚焦，扇形阵多用于棒材检测，二维矩阵由于加工工艺限制、电路复杂及制作成本高等原因，仍主要应用于医学领域，工业领域应用较少，但其声束不仅能实现沿晶片排列方向的扫查，还可以纵向摆动扫查，因此其具有三维成像的优势，这将会是未来超声相控阵换能器的发展方向。
由于二维面阵探头还处于实验室研究的阶段，而作为一维线阵探头向二维面阵探头的过渡，一种被称为分数维的探头已经开始在一些的*中使用。分数维探头在长度方向上按传统方法被切割成致密的小阵元，而在宽度方向上则被切割成有限的几排；按宽度方向不同的聚焦功能，可分为1.25维、1.5维和1.75维，由于其阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。
双线型阵：
双线型阵的发射和接收声束分开，消除了幻影回波，无近场区的影响和明显的盲区，具有良好的近表面检测能力，并可通过连续的深度聚焦来增加整体的聚焦深度，且在所有深度范围内能保持好的侧向分辨力，可用于晶粒粗大的不锈钢工件的检测；此外，其压电晶片的高阻尼特性还提高了轴向分辨力和信噪比。
凹面阵多用于管道的外检测，因其能很好地匹配相同曲率管子的外径，并且其阵列的排列方式有物理聚焦的特点，声束比平面阵列更加容易汇聚。凸面阵能很好地匹配相同曲率管子的内径，但在阵列凸面排列的状态下，声场旁瓣十分明显，特别是小径管中的聚焦声场更容易向空间扩散；凸面阵多用于医学b超超声诊断领域。在工业方面，国内已有部分学者对凸面阵探头进行了开发应用，但总体研究并不多。
不同用途的相控阵探头
除了阵列排布方式、延时法则之外，超声相控阵探头的检测能力还与探头盲区大小、中心频率、发射脉冲宽度、楔块的选择、耦合介质、试件表面平整度等因素有关。因此，针对一些特殊的检测对象，调整其中的某些因素，便可以获得不同用途的超声相控阵探头。
1. 近壁相控阵探头
该类探头的两端具有较短的盲区，如曼图电子（m2probe）生产的近壁探头一号晶片的中心和后晶片的中心到与其近的探头外壳边缘的距离仅1.5mm，非常适用于复合材料的c扫描检测，对复合材料的分层、脱胶和多孔性等缺陷有较高的检出率。此外，其还可用于薄板、薄管等小型工件的检测。
线阵小外壳相控阵探头
2. 极小外壳相控阵探头
小脚印探头封装紧密，阵元数目较少(一般不超过16个)，可进入到活动空间狭窄的区域进行检测，如曼图电子（m2probe）生产的es系列相控阵探头的脚印尺寸(长×宽)仅为8mm×8mm。
线阵小接触面相控阵探头
3. 水浸相控阵探头
液浸探头是相控阵探头部分或全部浸入液体中使用的。这类探头往往用于刚性楔块无法良好匹配被检测工件表面时的情况。液浸探头常用的介质为水，目前国内有学者在检测聚乙烯材料时，利用甘油、水、水玻璃、海藻酸钠，按一定的比例配制了特殊用途的耦合介质，该介质的声阻抗与聚乙烯材料相似度达95%以上，检测时声波在界面上的反射率较小，可以称得上是理想的耦合液。
水浸相控阵探头
4. 双晶线性阵列探头
该探头采用双晶线性阵列的结构设计，相当于内置两个相控阵线阵探头，一个发射声波，另一个接收声波，避免了表面检测盲区，提高了信噪比。并且，其通过降低探头的中心频率，采用纵波检测的方式提高超声波的穿透力。该探头不仅可以对不锈钢材料进行检测，还可用于铸件、合金、异种钢焊缝等其他粗晶材料的检测。
双1.5d面阵相控阵探头
5. 凹阵相控阵探头
该探头的形状往往呈半圆形，相较于通常的线性阵列探头，还可以进行自然几何聚焦。其可与所有可调节水浸楔块配合使用，常用于复合材料的分层检测中。此外，在碳纤维增强复合材料(cfrp)的圆角部位检测方面，由于该探头的凹面结构可保证声束垂直进入r区，在检测r区时相比其他超声探头有较多优势。
凹阵相控阵探头
6. 柔性相控阵探头
*单元以阵列形式安置于柔性层介质中或表面，而构成柔性*阵列，因柔性*阵列能够贴合各种具有不同形状的工件表面，从而提高了检测效率，避免了因表面不规则引起声束扭曲、灵敏度下降等问题发生。
柔性相控阵探头可分为一维柔性相控阵探头和二维柔性相控阵探头。一维柔性相控阵探头通过机械装置将探头内各个晶片压在工件表面，利用工件轮廓测量仪测出表面形状，随后根据计算机对该轮廓的延时律算法进行实时处理；二维柔性相控阵探头是在二维矩阵的表面涂抹一层柔软的弹性树脂，弹性树脂能与工件表面紧密贴合，从而实现三维成像。
柔性相控阵探头主要应用于轮廓不规则工件的检测中，如航天航空领域飞机机翼和机身复合板，承压设备领域压力管道的内外壁、弯头、三通等的检测。但是，柔性相控阵探头的阻尼片较薄，探头的频带很窄，具有较大的表面盲区，这是柔性相控阵探头的局限性。因此，其比较适宜大厚度工件的检测。
曼图电子柔性相控阵探头
7. 轮式相控阵探头
轮式探头利用橡胶轮胎的滚动来实现快速直观的检测，多应用于管道腐蚀、复合材料、铁路轨道以及航空航天领域表面光滑板材的检测中。探头由宽度适当的橡胶材料制成，橡胶轮胎内充满水，超声波按照水层-橡胶-工件的路径进行传播。c扫成像时，应该将闸门套在水-橡胶界面波外，以免界面波和缺陷波的混淆。滚轮式相控阵探头
8. 小径管相控阵探头及自聚焦相控阵探头
小径管相控阵探头及自聚焦相控阵探头：作用于空间限制区域，提高检测精度，减小近表面盲区，在薄壁小径管检 测中有着非常重要的应用。在声学上，可与rexolite匹配，可检测外径处于21毫米〜115毫米范围内的标准管件，也可应用于特殊空间受限制的检测情况，极小的外型设计，晶片自聚焦提高了检测薄壁管件上细小缺陷的能力，与楔块配合可完成大多数声束角度检测应用。
曼图电子超声波相控阵检测用探头
曼图电子自聚焦相控阵探头
9. 双1.5d面阵相控阵探头
双矩阵设计，一发一收纵波检测，的信噪比，广泛应用于奥氏体不锈钢、粗晶体，耐腐蚀合金以及异质焊缝的焊接和复杂的集合工件。两个1.5d面阵探头搭配检测，检测范围更广，检测精度增加，定量细小的缺陷.可使用水浸法，用作水浸探头。
双1.5d面阵相控阵探头
超声波相控阵探头行业展望
近年来，超声相控阵探头技术不断发展，特别是国内相控阵厂家不断涌现，技术水平从一开始的跟从，到现在的超越。目前国内一些超声波传感器企业从压电复合材料到单晶体复合材料，从工业相控阵到医疗相控阵，已经不输给国外老牌到传感器公司。另外国内从相控阵检测技术相关的考核培训、标准制定以及行业应用方面来看，我国已制定了一部标准gb/t 29302-2012《无损检测仪器 相控阵超声检测系统的性能与检验》。中国特检院出版了一部企业标准q/csei 01-2013《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测》，这是国内特种设备行业相控阵超声检测标准。国内其他有关相控阵的行业标准还在制定阶段。
在上，标准化组织(iso)已经正式出版了关于焊缝检测的方法标准iso 13588:2012《焊缝无损检测 超声检测 利用自动/半自动相控阵技术》，该标准应属于现有的*的相控阵检测方法标准。
在行业应用方面，相控阵技术在船舶海工行业中已得到业主和监造方的大力*并开始使用，比如烟台来福士的“蓝鲸1＃”项目在2015年已开始运用相控阵技术检测管对接焊缝。上海外高桥在建的“集装箱”船体检测已运用超声相控阵和超声波衍射时差法检测技术。随着标准、规范的不断推出,相关培训、人员考核制度的不断完善，相控阵技术一定会得到越来越广泛的应用。
从技术开发层面而言，当今相控阵的前沿技术是相控阵探头的开发。根据被检设备的材料、形状等特点，设计制作与之相适应的相控阵探头，再开发自动化的扫查装置以及相控阵检测仪，将这些技术结合起来就能将相控阵的作用发挥到大。
此外，随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术等的快速发展，将会不断开发出多阵元、多通道的相控阵技术。
纸箱抗压试验机纸箱堆码强度纸箱达标试验
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星型卸料器电机的选用
智能集菌仪简介及操作说明
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液相C18柱是一种常用的柱色谱技术中的填料
阿托斯比例阀DKZOR-T-173-L5 40技术数据
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冷库工程施工前的准备工作
NF多功能信号源是一种频率成分常见的信号源
羊毛衫针织车间加湿机 消除静电防断针
法兰毛坯制造工艺步骤?
阀门控制电动头的安装与调整