超声相控阵系统的应用主要集中的领域

    很多人都熟悉超声波成像在医学上的应用,即利用高频声波生成人体内部器官的高清晰横截面图像。医学声波图通常是由被称为“相控阵”的特制多晶片探头1以及与其配套使用的硬件和软件生成。然而,超声相控阵技术的应用并不只限于医学诊断。近年来,相控阵系统在工业领域中的应用越来越多,从而将包括焊缝检测、粘接检测、厚度测量、在役裂缝探测在内的普通超声检测应用中的信息获取和成像操作提高到了新的水平。


    在最初的二十几年中,商业超声仪器完全依靠以下几种类型的探头:使用一个压电晶体生成并接收声波的单晶探头,将发送晶片与接收晶片分开的双晶探头,以及以串联方式使用一对单晶探头的一发一收或穿透系统。当前为工业缺陷检测及厚度测量而设计的大多数商业超声仪器仍然在使用上述这些方法。不过在超声无损检测(NDT)领域中,使用相控阵技术的仪器正在逐步彰显其重要性。


    1801年,英国科学家托马斯·杨在其著名的试验中通过使用两点光源生成干涉图形的方法向世人演示了波的相互加强和相互抵消作用的原理。在传播中同相位的波的能量得到增强,而不同相位的波的能量被减弱(参见图1-1)。

相互抵消作用的原理

    “相移”,或称“定相”,是一种对干涉模式进行控制的操作,方法是为两点源或多点源发出的声束设定不同的时间延迟,从而使每条声束的波前具有不同的相位。对相位的控制可以弯曲、偏转或聚焦波前的能量。二十世纪六十年代,研究人员开始开发超声相控阵系统。这些系统使用脉冲触发多点源探头,所生成的声束传播情况都如上述受控干涉模式。二十世纪七十年代初期,首次出现用于医疗诊断的商业相控阵系统,这些系统通过控制声束的传播方向,生成人体各个部位的横截面图像。


    最初,超声相控阵系统的应用主要集中在医学领域。出现这种情况的一个原因是人体具有可预见的组织和结构,因而使仪器的设计及图像的解读相对来说更简便直接。而相控阵技术在工业方面的应用则没有这么简单。由于金属、复合材料、陶磁、塑料、纤维玻璃等材料在声学特性方面的多样性,以及工业检测中不同被检工件在厚度及几何形状上的巨大差异,相控阵技术在工业上的应用具有更大的挑战性。第一批工业相控阵系统问世于二十世纪八十年代。这些系统的形体极大,而且需要将数据传输到计算机中进行处理并显示图像。这些系统一般用于电力工业中的在役检测。在很大程度上,相控阵技术在核能市场上得到了大力开发,因为提高关键性评估中检出率的目标极大地促进了这项前沿技术的使用。其它早期的应用还包括一些对大型锻轴和低压涡轮机部件的检测。


    二十一世纪的初期出现了用于工业领域的便携式、电池供电的相控阵仪器。模拟电路式设计要求相当的功率及空间,才可建立声束偏转所需要的多通道配置。然而,随着数字化时代的到来,以及价格便宜的嵌入式微处理器的迅速发展,新一代相控阵设备也得到了突飞猛进的发展。此外,低功耗电子部件的出现和更节电的仪器结构的实现,以及表面安装式印刷电路板的设计在工业领域中的广泛应用,也促使这项先进的技术得以应用在小型仪器中。由此问世了集电子设置、数据处理、显示、分析于单一便携式设备的相控阵工具,从而拓宽了相控阵技术在工业领域中的应用范围。这些发展进而又为普通应用规范了相控阵探头的标准。


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