相控阵超声无损检测系统的研制

　　相控阵超声无损检测(UPANDT)是近年来超声

　　无损检测领域发展起来的新技术。传统的超声无损检测是单声束的扫描成像技术,即依靠超声换能器(单晶片)固有的几何超声束焦点扫描工件内部缺陷,根据缺陷回波的特点确定缺陷位置与特征。与传统的超声无损检测技术不同的是,相控阵无损检测技术是多声束扫描成像技术,超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列,阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声,并使超声声束在确定的声域处聚焦。超声相控阵各声束相位可控,电子控制聚焦焦点,使超声检测的灵敏度和缺陷分辨力更高,检测图像更加清晰,检测速度也更快。

　　相控阵超声检测成像技术已成功应用于医疗诊断领域,基于该技术的医疗设备如B超、超声多普勒等都得到广泛应用。相控阵医疗超声检测系统的功能和性能不断增强,而系统的硬件成本却越来越低,这为相控阵超声检测广泛应用于工业生产提供了可能性。

　　国内在超声无损检测方面做了大量的研究工作,但在超声相控阵无损检测的研究方面才刚刚起步,还没有成熟的、能应用于工业现场检测的超声相控阵检测系统。相比之下,国外研究机构和公司在这方面已做了许多有开创性的工作,如德国KK公司已经研究开发出了相控阵超声检测系统USPC2100,这是一套基于PC机的PCI总线架构的相控阵超声检测系统;加拿大R/D-TECH公司也推出了To-moscan系列和QuickScan系列相控阵超声检测系统,

　　并已成功应用于生产。针对国内外超声相控阵无损检测的研究现状,笔者结合电子技术、计算机技术、信号处理技术与现有无损检测技术,设计研制了一套相控阵超声无损检测系统。以下介绍该系统的原理、结构、关键技术实现及主要技术指标。

　　1　超声相控阵无损检测原理

　　有别于传统的超声无损检测技术,相控阵超声无损检测的基本特点是相控。相控包括发射与接收相控两部分。相控阵的发射相控是用电子技术调整阵元的发射相位和超声强度,以实现焦点位置和聚焦方向的动态大自由度调节。基本思想是调整各个阵元发射信号的相位,使各阵元到达焦点的声束具有相同的相位,这就实现了相控聚焦 。

　　接收相控是发射相控的逆过程。它是用电子技术或数字信号处理技术对阵元接收到的超声检测信号进行相控逆处理,以获得缺陷信号的位置与特征信息,如图1所示。

　　2　超声相控阵系统组成

　　研制的相控阵超声无损检测系统主要由阵列探头、超声发射接收阵列切换矩阵、动态增益补偿控制、模/数(A/D)转换单元、接收声束相位处理单元、发射接收中央控制、发射声束相位控制单元、激励信号驱动放大以及系统数据处理与成像显示几个功能模块构成。图2为系统的功能框图。