相控阵超声5---相控阵探头的特点

本文主要介绍下相控阵超声探头的主要特性，线性阵列排布的相控阵探头为例。...



一 概述：

阵列布置是大量的同类物体排列组合的方式。NDT超声相控阵阵列的最简单的形式应该是以增加检测的覆盖范围和提高检测速度为目的，将一系列单晶探头排列在一起的形式。以下为应用这种阵列探头的示例：

•管件检测：在探测管件的裂缝与分层缺陷，以及测量管件的总体厚
度时经常会使用多个探头。

• 锻件金属工件的检测：在这种检测中，通常需要使用多个探头在不
同深度聚焦以探测出以带状形式排列的细小缺陷。

• 复合材料及金属检测：在材料的表面上线性排列多个探头可以提高
对复合材料中的分层缺陷或金属中的腐蚀的检测能力。

进行这些检测，不仅需要高速、多通道超声设备带有适当的脉冲发生器、接收器，以及可对每个通道进行处理的逻辑门，还需要将每个探头仔细固定好，以正确设置检测区域。

二 线性相控阵探头

我们可以将这种最简单的相控阵探头的排列形式想象成包装为一体的
一系列单个晶片（参见图1-1），如128晶片相控阵晶片探头。实际情况是这些晶片要比常规探头小得多，脉冲可以对这些被编成组的晶片进行激励，以产生可直接进行控制的波前。这种“ 电子声束形成” 的方式可以在不移动探头的情况下高速对多个检测区域进行检测与分析。



图 1-1 相控阵探头形式

相控阵探头可以有各种尺寸、形状、频率及晶片数量，所有这些探头的共同特点是都装有一个被分割成若干段的压电晶片。用于工业NDT 的现代相控阵探头一般由压电复合材料构建，具体地说就是许多细小、极薄的压电陶瓷棒被嵌在聚合物矩阵中。虽然制造这种探头会复杂一些，但是与在其它方面设计相似的压电陶瓷探头相比，这种复合材料探头在一般情况下可提供的灵敏度会高出10 dB 到30 dB。分成小段的金属镀层用于将条状的复合材料分割成若干可单独接收电子脉冲激励的晶片个体。这个被分割成小段的晶片被装入探头组合件中。探头组合件包含一个保护性匹配层、一个背衬层、线缆连接器以及一个外壳（参见图1-2）。



图1-2 相控阵探头截面图

三 相控阵探头类别

相控阵探头根据以下基本参数从功能上被分成不同的类别：

1

类型：大多数相控阵探头属于角度声束类型，与塑料楔块、平直塑料靴（即零度楔块）或延迟块一起使用。此外，还有直接接触式探头和水浸式探头。
2 频率：超声缺陷探测一般使用2 MHz 到12 MHz 之间的频率，因此大多
数相控阵探头都属于这个频率范围。此外，还有频率更低或更高的探
头。使用常规探头，穿透性能会随着频率的降低而增加，而分辨率及聚
焦锐利度会随着频率的升高而增强。

3 晶片数量：最常用的相控阵探头一般有16 到128 个晶片，有些探头的
晶片多达256 个。随着晶片数量的增多，声波聚焦与电子偏转的能力会增强，同时检测所覆盖的区域也会扩大，然而探头和仪器的成本费用也
会增加。每个晶片被单独脉冲激励，以创建希望得到的波前。因此这些
晶片排列方向的维度通常被称为主动方向或偏转方向。

4 晶片尺寸：随着晶片宽度的减小，声束电子偏转的性能会增强，但是要
覆盖大区域就需要有更多的晶片，因此费用也会增加。

相控阵探头的维度参数一般被定义如下：



A =主动偏转方向上的总孔径
H =晶片高度或长度。由于这个尺寸是固定的维度，因此经常将其与超声轴组成的平面称为被动面。
P =晶片间距，即两个相邻晶片的中心到中心之间的距离。
e =单个晶片的宽度。
g =晶片之间的距离

总结：相控阵探头有线阵，矩阵，环阵等。根据不同的应用设计和使用不同要求的相控阵探头。详情可将具体要求发至邮箱：LTHNDT@163.com

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