干货：一文讲透超声相控阵探头(值得保藏)

PART 01 超声相控阵探头的汗青

早在1959年，TOM B和HUGHES注册了一项超声波环形动态聚焦探头的专利，后来该手艺被称为超声相控阵检测手艺。

20世纪60年代，相控阵的研究次要局限于尝试室；60年代末70年代初，医学物理学者将该手艺用于医学人体超声成像中。因为其时压电复合质料、微电子手艺和计算机手艺等的限造，该手艺没有在工业范畴中得到普遍应用。2000年后，跟着压电复合质料、纳秒级脉冲信号控造、数据处置阐发、软件手艺和计算机模仿等多种手艺在超声相控阵成像范畴中的综合应用，超声相控阵检测手艺得以敏捷开展，并逐渐应用于工业无损检测范畴。

PART 02 差别阵列排布体例的相控阵探头

相控阵按阵列形式凡是可分为线形、矩阵形、环形和扇形。相控阵探头有多种差别的阵列排布形式，其类型按阵元摆列体例可分为：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。差别的阵列排布体例将会产生差别的声场特征，使相控阵能应用于差别工况下的检测。

差别阵列排布体例的超声相控阵换能器模子

1. 一维线阵：

是目前相控阵探头中应用最多的一种形式，其特点是能在相控阵的轴平面实现声束偏转和轴向聚焦。

与一维线阵比拟，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标的目的上的声束聚焦)，声束剖面呈圆形，能获得较大的能量集中，而且不要求大数目标阵列，因而其能在接纳高频检测时仍包管较高的穿透力；但环形阵的缺点是不克不及停止声束偏转控造，因而次要应用于医学成像和脉冲多普勒体积流量计中。

2. 扇形阵和二维矩阵：

扇形阵和二维矩阵都可实现所有标的目的的声束偏转和轴向聚焦，扇形阵多用于棒材检测，二维矩阵因为加工工艺限造、电路复杂及造做成本高档原因，仍次要应用于医学范畴，工业范畴应用较少，但其声束不只能实现沿晶片摆列标的目的的扫查，还能够纵向摆动扫查，因而其具有三维成像的优势，那将会是将来超声相控阵换能器的开展标的目的。

因为二维面阵探头还处于尝试室研究的阶段，而做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起头在一些高端的超声诊断仪中利用。分数维探头在长度标的目的上按传统办法被切割成致密的小阵元，而在宽度标的目的上则被切割成有限的几排；按宽度标的目的差别的聚焦功用，可分为1.25维、1.5维和1.75维，因为其阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。

3. 双线型阵：

双线型阵的发射和领受声束分隔，消弭了幻影回波，无近场区的影响和明显的盲区，具有优良的近外表检测才能，并可通过持续的深度聚焦来增加整体的聚焦深度，且在所有深度范畴内能连结更佳的侧向分辩力，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征还进步了轴向分辩力和信噪比。

凹面阵多用于管道的外检测，因其能很好地婚配不异曲率管子的外径，而且其阵列的摆列体例有物理聚焦的特点，声束比平面阵列愈加容易会聚。凸面阵能很好地婚配不异曲率管子的内径，但在阵列凸面摆列的形态下，声场旁瓣非常明显，出格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超超声诊断范畴。在工业方面，国内已有部门学者对凸面阵探头停止了开发应用，但总体研究其实不多。

PART 03 差别用处的相控阵探头

除了阵列排布体例、延时法例之外，超声相控阵探头的检测才能还与探头盲区大小、中心频次、发射脉冲宽度、楔块的选择、耦合介量、试件外表平整度等因素有关。因而，针对一些特殊的检测对象，调整此中的某些因素，即可以获得差别用处的超声相控阵探头。

1. 近壁探头

该类探头的两头具有较短的盲区，如Olympus消费的近壁探头第一晶片的中心和最初晶片的中心到与其比来的探头外壳边沿的间隔仅1.5mm，十分适用于复合质料的C扫描检测，对复合质料的分层、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。

2. 小脚印探头

小脚印探头封拆慎密，阵元数目较少(一般不超越16个)，可进入到活动空间狭小的区域停止检测，如Olympus消费的A00探头的脚印尺寸(长×宽)仅为8mm×8mm。

3. 液浸探头

液浸探头是相控阵探头部门或全数浸入液体中利用的。那类探头往往用于刚性楔块无法优良婚配被检测工件外表时的情况。液浸探头最常用的介量为水，目前国内有学者在检测聚乙烯质料时，操纵甘油、水、水玻璃、海藻酸钠，按必然的比例配造了特殊用处的耦合介量，该介量的声阻抗与聚乙烯质料类似度达95％以上，检测时声波在界面上的反射率较小，能够称得上是最抱负的耦合液。

4. 双晶线性阵列探头

该探头接纳双晶线性阵列的构造设想，相当于内置两个相控阵线阵探头，一个发射声波，另一个领受声波，制止了外表检测盲区，进步了信噪比。而且，其通过降低探头的中心频次，接纳纵波检测的体例进步超声波的穿透力。该探头不只能够对不锈钢质料停止检测，还可用于铸件、合金、异种钢焊缝等其他粗晶质料的检测。

5. 曲面阵列探头

该探头的外形往往呈半圆形，相较于凡是的线性阵列探头，还能够停止天然几何聚焦。其可与所有可调理水浸楔块共同利用，常用于复合质料的分层检测中。此外，在碳纤维加强复合质料(CFRP)的圆角部位检测方面，因为该探头的凹面构造可包管声束垂曲进入R区，在检测R区时比拟其他超声探头有较多优势。

6. 柔性相控阵探头

超声换能器单位以阵列形式安设于柔性层介量中或外表，而构成柔性超声换能器阵列，因柔性超声换能器阵列可以贴合各类具有差别外形的工件外表，从而进步了检测效率，制止了因外表不规则引起声束扭曲、灵敏度下降等问题发作。

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安装将探头内各个晶片压在工件外表，操纵工件轮廓丈量仪测出外表外形，随后按照计算机对该轮廓的延时律算法停止实时处置；二维柔性相控阵探头是在二维矩阵的外表涂抹一层柔嫩的弹性树脂，弹性树脂能与工件外表慎密贴合，从而实现三维成像。

柔性相控阵探头次要应用于轮廓不规则工件的检测中，如航天航空范畴飞机机翼和机身复合板，承压设备范畴压力管道的表里壁、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，具有较大的外表盲区，那是柔性相控阵探头的局限性。因而，其比力适宜大厚度工件的检测。

7. 轮式探头

轮式探头操纵橡胶轮胎的滚动来实现快速曲不雅的检测，多应用于管道侵蚀、复合质料、铁路轨道以及航空航天范畴外表光滑板材的检测中。探头由宽度恰当的橡胶质料造成，橡胶轮胎内充满水，超声波根据水层-橡胶-工件的途径停止传布。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。

PART 04 国外相控阵探头研发应用情况

目宿世界上对相控阵手艺的研究与应用较为深切的国度有加拿大、法国、英国、美国等。

1959年，TOM B开发出第一个环形换能器系统并申请了专利。

20世纪70年代起头，相控阵起首在医学范畴用于人体组织成像。

20世纪80年代，国外学者研造出第一台工业探伤用的相控阵检测仪器，次要用于检测核电站的相关零部件。

2000年以来，相控阵手艺不竭应用于航空航天、铁路、复合质料、特种设备等各行各业。

近年来，英国的ALANJH等提出了主动聚焦成像算法，操纵一维柔性相控阵探头实现了在未知轮廓曲面上的点状缺陷的检测，但其仅在抱负前提下对点状缺陷停止了测试，且图像量量易受底波干扰。

法国的DOBIGNY等研发了二维柔性相控阵探头和关节机器人手艺的主动检测设备，该设备操纵柔性换能器的型面适应性和超声相控阵手艺的声束可控性实现核设备大型复杂构件的主动扫描检测。

WALTER等研造出一种基于PMN-PT(铁电单晶)复合质料的超声相控阵换能器，与PZT(锆碳酸铅)相控阵换能器比拟具有更高的灵敏度和更宽的频带范畴。

DEVOS等研造出一种半柔性的矩阵阵列超声换能器，以进步新一代核电站大型整体转轴锻件各类缺陷的检出率、可靠性和检测效率。

SONG等操纵PAULI系统对核电站涡轮机叶根试块停止检测，获得了较高的缺陷检出率，但难以区分缺陷类别。

PART 0 内相控阵探头研发应用情况

国内相控阵手艺起步较晚，与国外比拟还存在必然的差距。近年来，国内学者对相控阵手艺停止了大量的研究与应用。

晓将相控阵手艺应用到火车车轮的检测上，提出了车轮在线超声相控阵检测的计划，研究了进步缺陷检出率的办法。

杨平等推导出了二维面阵列设想的一般原则，并操纵设想的8×8二维阵列实现了相控阵三维体数据的扫描和显示。

万国宾等成立了一种适用于曲面有限阵列构造辐射与散射特征阐发的迭代办法，该办法不受阵面曲率变革、单位数量和散布情况的限造，对有限周期和非周期阵列的阐发都有着较高的计算效率和不变性。

李鹏频、宋波乔等操纵双晶聚焦纵波相控阵探头对双相不锈钢管线和T型不锈钢焊缝停止了检测，在缺陷的定位、定性和定量的准确性上具有必然的优势，且具有操做便利、平安性高和检测快速等特点。

张碧星等开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特征研究，发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果。

郭伟灿等研发了512大阵元数的双层构造的圆环形探头，该凸面超声相控阵探头置于管状设备的内部并通过充水耦合，实现了侵蚀和埋藏缺陷的主动化扫查。

杨天文等在理论推导圆形活塞换能器阵的三维指向性计算公式的根底上，对阵元别离为4×6阵列、5×5-1阵列、3×8阵列、2×12阵列的指向性停止了阐发，并得到了阵列三维指向性的差别。

PART 06 行业瞻望

近年来，从相控阵检测手艺相关的查核培训、尺度造定以及行业应用方面来看，我国已造定了一部国度尺度GB/T 29302-2012《无损检测仪器 相控阵超声检测系统的性能与查验》。中国特检院出书了一部企业尺度Q/CSEI 01-2013《钢造承压设备焊接接头相控阵超声检测》，那是国内特种设备行业第一个相控阵超声检测尺度。国内其他有关相控阵的行业尺度还在造定阶段。

在国际上，国际尺度化组织(ISO)已经正式出书了关于焊缝检测的办法尺度ISO 13588:2012《焊缝无损检测 超声检测 操纵主动/半主动相控阵手艺》，该尺度应属于现有最为先辈的相控阵检测办法尺度。

早在2011岁尾，中国船级社和英国焊接协会已在北京胜利举办了相控阵手艺二级培训班。2011年1月，API(美国石油学会)推出了超声相控阵检测认证测验，那个测验是基于手工超声相控阵检测停止的。

在行业应用方面，相控阵手艺在船舶海工行业中已得到业主和监造方的鼎力保举并起头利用，好比烟台来福士的“蓝鲸1＃”项目在2015年已起头运用相控阵手艺检测管对接焊缝。上海外高桥在建的“集拆箱”船体检测已运用超声相控阵和超声波衍射时差法检测手艺。跟着尺度、标准的不竭推出,相关培训、人员查核轨制的不竭完美，相控阵手艺必然会得到越来越普遍的应用。

从手艺开发层面而言，当今相控阵的前沿手艺是公用相控阵探头的开发。按照被检设备的质料、外形等特点，设想造做与之相适应的公用相控阵探头，再开发主动化的扫查安装以及相控阵检测仪，将那些手艺连系起来就能将相控阵的感化阐扬到更大。

此外，跟着计算机手艺、信号处置手艺、微电子手艺等的快速开展，将会不竭开发出多阵元、多通道的相控阵手艺。