超聲相控陣探頭的工作原理及技術(shù)應(yīng)用

20世紀(jì)60年代，相控陣的研究主要局限于實驗室；60年代末70年代初，醫(yī)學(xué)物理學(xué)者將該技術(shù)用于醫(yī)學(xué)人體超聲成像中。由于當(dāng)時壓電復(fù)合材料、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)等的限制，該技術(shù)沒有在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。2000年后，隨著壓電復(fù)合材料、納秒級脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計算機模擬等多種技術(shù)在超聲相控陣成像領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用，超聲相控陣檢測技術(shù)得以迅速發(fā)展，并逐步應(yīng)用于工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。

不同陣列排布方式的相控陣探頭

相控陣按陣列形式通常可分為線形、矩陣形、環(huán)形和扇形。相控陣探頭有多種不同的陣列排布形式，其類型按陣元排列方式可分為：一維線陣、二維矩陣、環(huán)形陣、扇形陣、凹面陣、凸面陣、雙線型陣等。不同的陣列排布方式將會產(chǎn)生不同的聲場特性，使相控陣能應(yīng)用于不同工況下的檢測。

不同陣列排布方式的超聲相控陣探頭模型

一維線陣：

是目前相控陣探頭中應(yīng)用多的一種形式，其特點是能在相控陣的軸平面實現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和軸向聚焦。

與一維線陣相比，環(huán)形陣的優(yōu)勢是能在聲束剖面實現(xiàn)二維聚焦(一維線陣只能實現(xiàn)一個方向上的聲束聚焦)，聲束剖面呈圓形，能獲得較大的能量集中，并且不要求大數(shù)目的陣列，因此其能在采用高頻檢測時仍保證較高的穿透力；但環(huán)形陣的缺點是不能進行聲束偏轉(zhuǎn)控制，因此主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和脈沖多普勒體積流量計中。

扇形陣和二維矩陣：

扇形陣和二維矩陣都可實現(xiàn)所有方向的聲束偏轉(zhuǎn)和軸向聚焦，扇形陣多用于棒材檢測，二維矩陣由于加工工藝限制、電路復(fù)雜及制作成本高等原因，仍主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，但其聲束不僅能實現(xiàn)沿晶片排列方向的掃查，還可以縱向擺動掃查，因此其具有三維成像的優(yōu)勢，這將會是未來超聲相控陣換能器的發(fā)展方向。

由于二維面陣探頭還處于實驗室研究的階段，而作為一維線陣探頭向二維面陣探頭的過渡，一種被稱為分?jǐn)?shù)維的探頭已經(jīng)開始在一些的超聲診斷儀中使用。分?jǐn)?shù)維探頭在長度方向上按傳統(tǒng)方法被切割成致密的小陣元，而在寬度方向上則被切割成有限的幾排；按寬度方向不同的聚焦功能，可分為1.25維、1.5維和1.75維，由于其陣元數(shù)成倍增加，對陣元連線等一系列加工工藝提出了更高的要求。

雙線型陣：

雙線型陣的發(fā)射和接收聲束分開，消除了幻影回波，無近場區(qū)的影響和明顯的盲區(qū)，具有良好的近表面檢測能力，并可通過連續(xù)的深度聚焦來增加整體的聚焦深度，且在所有深度范圍內(nèi)能保持好的側(cè)向分辨力，可用于晶粒粗大的不銹鋼工件的檢測；此外，其壓電晶片的高阻尼特性還提高了軸向分辨力和信噪比。

凹面陣多用于管道的外檢測，因其能很好地匹配相同曲率管子的外徑，并且其陣列的排列方式有物理聚焦的特點，聲束比平面陣列更加容易匯聚。凸面陣能很好地匹配相同曲率管子的內(nèi)徑，但在陣列凸面排列的狀態(tài)下，聲場旁瓣十分明顯，特別是小徑管中的聚焦聲場更容易向空間擴散；凸面陣多用于醫(yī)學(xué)B超超聲診斷領(lǐng)域。在工業(yè)方面，國內(nèi)已有部分學(xué)者對凸面陣探頭進行了開發(fā)應(yīng)用，但總體研究并不多。

不同用途的相控陣探頭

除了陣列排布方式、延時法則之外，超聲相控陣探頭的檢測能力還與探頭盲區(qū)大小、中心頻率、發(fā)射脈沖寬度、楔塊的選擇、耦合介質(zhì)、試件表面平整度等因素有關(guān)。因此，針對一些特殊的檢測對象，調(diào)整其中的某些因素，便可以獲得不同用途的超聲相控陣探頭。

1. 近壁相控陣探頭

該類探頭的兩端具有較短的盲區(qū)，如曼圖電子（M2PROBE）生產(chǎn)的近壁探頭一號晶片的中心和后晶片的中心到與其近的探頭外殼邊緣的距離僅1.5mm，非常適用于復(fù)合材料的C掃描檢測，對復(fù)合材料的分層、脫膠和多孔性等缺陷有較高的檢出率。此外，其還可用于薄板、薄管等小型工件的檢測。

線陣小外殼相控陣探頭

2. 極小外殼相控陣探頭

小腳印探頭封裝緊密，陣元數(shù)目較少(一般不超過16個)，可進入到活動空間狹窄的區(qū)域進行檢測，如曼圖電子（M2PROBE）生產(chǎn)的ES系列相控陣探頭的腳印尺寸(長×寬)僅為8mm×8mm。

線陣小接觸面相控陣探頭

3. 水浸相控陣探頭

液浸探頭是相控陣探頭部分或全部浸入液體中使用的。這類探頭往往用于剛性楔塊無法良好匹配被檢測工件表面時的情況。液浸探頭常用的介質(zhì)為水，目前國內(nèi)有學(xué)者在檢測聚乙烯材料時，利用甘油、水、水玻璃、海藻酸鈉，按一定的比例配制了特殊用途的耦合介質(zhì)，該介質(zhì)的聲阻抗與聚乙烯材料相似度達95%以上，檢測時聲波在界面上的反射率較小，可以稱得上是理想的耦合液。

水浸相控陣探頭

4. 雙晶線性陣列探頭

該探頭采用雙晶線性陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計，相當(dāng)于內(nèi)置兩個相控陣線陣探頭，一個發(fā)射聲波，另一個接收聲波，避免了表面檢測盲區(qū)，提高了信噪比。并且，其通過降低探頭的中心頻率，采用縱波檢測的方式提高超聲波的穿透力。該探頭不僅可以對不銹鋼材料進行檢測，還可用于鑄件、合金、異種鋼焊縫等其他粗晶材料的檢測。

雙1.5D面陣相控陣探頭

5. 凹陣相控陣探頭

該探頭的形狀往往呈半圓形，相較于通常的線性陣列探頭，還可以進行自然幾何聚焦。其可與所有可調(diào)節(jié)水浸楔塊配合使用，常用于復(fù)合材料的分層檢測中。此外，在碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)的圓角部位檢測方面，由于該探頭的凹面結(jié)構(gòu)可保證聲束垂直進入R區(qū)，在檢測R區(qū)時相比其他超聲探頭有較多優(yōu)勢。

凹陣相控陣探頭

6. 柔性相控陣探頭

超聲換能器單元以陣列形式安置于柔性層介質(zhì)中或表面，而構(gòu)成柔性超聲換能器陣列，因柔性超聲換能器陣列能夠貼合各種具有不同形狀的工件表面，從而提高了檢測效率，避免了因表面不規(guī)則引起聲束扭曲、靈敏度下降等問題發(fā)生。

柔性相控陣探頭可分為一維柔性相控陣探頭和二維柔性相控陣探頭。一維柔性相控陣探頭通過機械裝置將探頭內(nèi)各個晶片壓在工件表面，利用工件輪廓測量儀測出表面形狀，隨后根據(jù)計算機對該輪廓的延時律算法進行實時處理；二維柔性相控陣探頭是在二維矩陣的表面涂抹一層柔軟的彈性樹脂，彈性樹脂能與工件表面緊密貼合，從而實現(xiàn)三維成像。

柔性相控陣探頭主要應(yīng)用于輪廓不規(guī)則工件的檢測中，如航天航空領(lǐng)域飛機機翼和機身復(fù)合板，承壓設(shè)備領(lǐng)域壓力管道的內(nèi)外壁、彎頭、三通等的檢測。但是，柔性相控陣探頭的阻尼片較薄，探頭的頻帶很窄，具有較大的表面盲區(qū)，這是柔性相控陣探頭的局限性。因此，其比較適宜大厚度工件的檢測。

曼圖電子柔性相控陣探頭

7. 輪式相控陣探頭

輪式探頭利用橡膠輪胎的滾動來實現(xiàn)快速直觀的檢測，多應(yīng)用于管道腐蝕、復(fù)合材料、鐵路軌道以及航空航天領(lǐng)域表面光滑板材的檢測中。探頭由寬度適當(dāng)?shù)南鹉z材料制成，橡膠輪胎內(nèi)充滿水，超聲波按照水層-橡膠-工件的路徑進行傳播。C掃成像時，應(yīng)該將閘門套在水-橡膠界面波外，以免界面波和缺陷波的混淆。滾輪式相控陣探頭

8. 小徑管相控陣探頭及自聚焦相控陣探頭

小徑管相控陣探頭及自聚焦相控陣探頭：作用于空間限制區(qū)域，提高檢測精度，減小近表面盲區(qū)，在薄壁小徑管檢 測中有著非常重要的應(yīng)用。在聲學(xué)上，可與Rexolite匹配，可檢測外徑處于21毫米?115毫米范圍 內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)管件，也可應(yīng)用于特殊空間受限制的檢測情況，極小的外型設(shè)計，晶片自聚焦提高了檢測薄壁管件上細小缺陷的能力，與楔塊配合可完成大多數(shù)聲束角度檢測應(yīng)用。

曼圖電子超聲波相控陣檢測用探頭

曼圖電子自聚焦相控陣探頭

9. 雙1.5D面陣相控陣探頭

雙矩陣設(shè)計，一發(fā)一收縱波檢測，的信噪比，廣泛應(yīng)用于奧氏體不銹鋼、粗晶體，耐腐蝕合金以及異質(zhì)焊縫的焊接和復(fù)雜的集合工件。兩個1.5D面陣探頭搭配檢測，檢測范圍更廣，檢測精度增加，定量細小的缺陷. 可使用水浸法，用作水浸探頭。

雙1.5D面陣相控陣探頭

超聲波相控陣探頭行業(yè)展望

近年來，超聲相控陣探頭技術(shù)不斷發(fā)展，特別是國內(nèi)相控陣廠家不斷涌現(xiàn)，技術(shù)水平從一開始的跟從，到現(xiàn)在的超越。目前國內(nèi)一些超聲波傳感器企業(yè)從壓電復(fù)合材料到單晶體復(fù)合材料，從工業(yè)相控陣到醫(yī)療相控陣，已經(jīng)不輸給國外老牌到傳感器公司。另外國內(nèi)從相控陣檢測技術(shù)相關(guān)的考核培訓(xùn)、標(biāo)準(zhǔn)制定以及行業(yè)應(yīng)用方面來看，我國已制定了一部國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29302-2012《無損檢測儀器 相控陣超聲檢測系統(tǒng)的性能與檢驗》。中國特檢院出版了一部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSEI 01-2013《鋼制承壓設(shè)備焊接接頭相控陣超聲檢測》，這是國內(nèi)特種設(shè)備行業(yè)相控陣超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)其他有關(guān)相控陣的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還在制定階段。

在上，標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)已經(jīng)正式出版了關(guān)于焊縫檢測的方法標(biāo)準(zhǔn)ISO 13588:2012《焊縫無損檢測 超聲檢測 利用自動/半自動相控陣技術(shù)》，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)屬于現(xiàn)有的先進的相控陣檢測方法標(biāo)準(zhǔn)。

在行業(yè)應(yīng)用方面，相控陣技術(shù)在船舶海工行業(yè)中已得到業(yè)主和監(jiān)造方的大力推薦并開始使用，比如煙臺來福士的“藍鯨1＃”項目在2015年已開始運用相控陣技術(shù)檢測管對接焊縫。上海外高橋在建的“集裝箱”船體檢測已運用超聲相控陣和超聲波衍射時差法檢測技術(shù)。隨著標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的不斷推出,相關(guān)培訓(xùn)、人員考核制度的不斷完善，相控陣技術(shù)一定會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

從技術(shù)開發(fā)層面而言，當(dāng)今相控陣的前沿技術(shù)是相控陣探頭的開發(fā)。根據(jù)被檢設(shè)備的材料、形狀等特點，設(shè)計制作與之相適應(yīng)的相控陣探頭，再開發(fā)自動化的掃查裝置以及相控陣檢測儀，將這些技術(shù)結(jié)合起來就能將相控陣的作用發(fā)揮到大。

此外，隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、微電子技術(shù)等的快速發(fā)展，將會不斷開發(fā)出多陣元、多通道的相控陣技術(shù)。