1、超声相控阵检测教材超声检测设备探头及试块第四章超声相控阵检测设备、探头及试块4.1 相控阵检测的设备4.1.1 相控阵检测设备概述1、设备的作用相控阵检测设备时超声波相控阵检测的主体设备，它的作用是通过改变相控阵探头晶片的激发接受延迟产生超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定图像方式显示出来，从而得到被检测工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。2、相控阵检测设备系统结构超声相控阵检测设备主要包括超声发射部分和接收部分，目前国内外大型超声检测设备的系统设设计方案主要有三种：发射与接收分离系统；发射与接收集成且发射与接收板集成和发射与接收集成但是发射与接收板级分离。它们的优缺点如下所示
2、。数字相控阵超声成像检测系统是一个复杂的系统，通道数多，而且通道之间一致性要求很高，为了较高的综合指标，采用发射与接收集成但是发射与接收板级分离的方案。板卡之间通过总线相连。优点缺点发射与接收分离系统抗干扰能力强信噪比高便于设计与维护便于扩展工作范围大系统集成度低可靠性差同步性差发射与接收集成系统板级分离抗干扰能力强信噪比高便于设计与维护便于扩展集成度高同步性好工作范围较小板级集成集成度最高可靠性高同步性好便于扩展工作范围较小抗干扰能力较差不便于设计与维护总线的带宽对于系统的性能也有着较大的影响，也是系统设计的关键之一。目前仪器系统中采用的总线主要有PXI总线和VXI总线。表4-1 PXI总线
3、与VXI总线对比PXIVXI总线宽度32/64b32b数据交换能力132/328Mb/s40/80Mb/s集成度高高接口开发方便方便价格低高 4.1.2 数字相控阵超声成像检测硬件系统数字相控阵超声成像检测的硬件系统，其内容包括相控阵超声发射和接收电路、前置放大与阻抗转换、程控放大、滤波与检波、A/D转换、同步与相位延迟控制、程控与逻辑控制等硬件。图4-1 数字相控阵超声成像检测硬件系统4.1.2.1 数字相控阵超声发射电路（1）发射电路有较高的发射效率。原因是相控阵超声系统的通道数比较多，系统的发射功率和散热是一个非常重要的问题。相关研究表明，当探头的激励脉冲宽度为探头中心频率对应周期的一半
4、时，发射电路的发射效率较高。由于检测不同的工件需要使用不同频率的探头，为保证系统较高的发射效率，在设计相控阵超声发射电路时，需要所设计的发射电路能够调节激励脉宽。（2）由于相控很超声检测对通道之间的一致性要求比较高，因此要求发射电路通道间一致性好，易于模块化，便于系统的调试与维护。（3）可以用聚焦扫描成像，可以实时成像。系统的重复频率是决定系统的诚心想最高速度的因素之一，因此发射电路的最高重复频率也是衡量发射电路的重要指标之一。为了充分利用相控阵高效的电子扫描特点，要求相控阵发射电路具有较高的重复频率，以提高成像检测的速度。（4）具有发射时间控制和激励脉宽的全数字化控制。4.1.2.2 数字相
5、控阵超声接收电路（1）前置放大器前置放大器要求输入阻抗与阵列换能器的输出阻抗相匹配。前置放大器的输入阻抗大于压电晶片的输出阻抗，前置放大器获得的输入信号电压就基本上等于超声换能器压电芯片的空载输出信号电压，信号电压的损失很小。另一方面，前置放大器的输出阻抗要小，即在敖征输出信号电压不降低的条件下，能输出较大的信号电流，后级放大电路可以采用低输入阻抗的设计，这话总设计有利于抑制噪声，提高系统的信噪比。（2）主放大器主放大器在前置放大器后面。主放大器的功能是将超声回波信号放大到适用于后面A/D转换芯片的输入模拟电压范围。主放大器大都采用增益由计算机控制的程控放大器。程控放大器接在前置放大器之后，为
6、使超声波检测仪器具有足够的灵敏度，能够接受到微弱的超声回波信号，一般超声接收通道的总增益设计为120dB，又为了让信号幅值较高的超声信号也能进入接收通道并数字化，主放大器还应有-40dB的负放大（就是缩小信号幅值）功能。（3）滤波器滤波器在接收通道的作用是滤去超声信号频率带宽以外的信号，以提高超声接收信号的信噪比。数字仪器的特点就是信号处理（包括滤波、去除噪声以及检波等）都在模拟信号经A/D转换成数字信号后进行，数字滤波由数字信号处理器完成，实现更窄的带通滤波。接收信号的检波处理也是有数字信号处理器完成，可以实现正半波、负半波和全波检波。（4）A/D转换电路A/D转换电路是接收通道中重要的组成
7、部分，将超声回波的模拟信号经放大和初步滤波后转换成数字信号，随后进行信号存储、进一步信号处理、信号成像、信号及图像显示等操作。一般A/D转换器的输入阻抗不高，以抑制噪声，所以事先采用运算放大器结成阻抗变换电路，用正端输入，以提高输入阻抗，输出为有源输出，阻抗低。一般接收信号中的噪声都是在接收通道的模拟信号途径中混入的，A/D转换电路部分尤其容易混入噪声。在进行A/D转换电路设计时可采用一些措施减少噪声的混入，如可在电源部分采用电感去耦等就是减少噪声混入的措施之一。（5）缓冲存储器一般数字超声成像检测系统的缓冲存储器采用静态随机存储器（static random access memory，SR
8、AM），其作用是暂时存储经过A/D转换后的数字化超声接收信号，以被进行下一步信号处理或直接被送入计算机内存进行进一步处理。（6）数字信号传输逻辑控制数字信号传输的逻辑控制包括A/D转换，将数字信号送往缓冲存储器，或送往信号处理器等都要经过一定的逻辑过程才能完成，控制这个过程的是采用复杂可编程逻辑器件。4.1.3 相控阵超声成像检测系统的同步与相位控制4.1.3.1 相控阵超声成像检测系统的同步相控阵超声成像检测时，通过控制超声阵列换能器各个阵元的发射/接收相位，实现对检测声束的片准、聚焦控制。系统的同步是实现系统各阵元相位控制的基准，只有保证系统稳定可靠的同步，才能实现系统的精确相位控制。系统
9、同步方案主要有局部同步和全局同步方案，其优缺点如表4- 2所示。表4-2局部同步与全局同步优缺点对比优点缺点局部同步电路较简单同步时钟频率可以较高受时钟源的影响同步精度低时钟误差累计、扩散全局同步同步精度高同步可靠性高时钟误差不累计、不扩散电路较复杂同步时钟存在引线等误差，影响同步精度局部同步方案的系统同步信号只有同步触发信号，没有同步时钟信号，不同板卡内部有各自独立的时钟。这种方案时钟间的误差会累计并扩散，因此不适合同步要求较高的系统。全局同步方案中系统同步信号包括同步触发信号和同步时钟信号，不同板卡使用相同的时钟。全局只有一个时钟信号，不存在误差的累计与扩散，因此同步精度较高。由于相控阵超
10、声成像检测系统要求严格相位控制，系统的同步性要求高，而且工业检测尤其是在线检测时，系统需要长时间运行，时钟误差的积累可能导致相位控制的失败，因此相控阵超声成像检测系统适用于采用全局同步方案。4.1.3.2相控阵超声成像检测系统的相位控制（1）相控阵超声成像检测系统时间延迟控制精度相控阵超声检测系统的时间延迟控制精度对系统检测分辨率有重要影响，是衡量系统的重要指标之一。这是因为由于相位控制是通过时间延迟实现的，时间延迟控制精度决定了系统的相位控制精度。1）时间延迟精度与系统对比度分辨率关系相控阵超声成像检测系统的声束延迟控制不是连续的，而是离散的，存在截断误差。D.K.Peterson等人的研究
11、表明，系统的时间延迟控制误差将会产生相位控制误差，而相位误差将导致声束产生误差旁瓣，从而影响系统的对比度分辨率。根据他们的研究，当时，该误差旁瓣与声束主瓣幅值之比可以用式（4-1）描述（式4-1）式中N-实际检测时超声阵列换能器的阵元数目； -中心频率所对应一个周期与延迟控制精度之比。图4-2是超声阵列换能器阵元数8、16、32、64、128时，由于相位控制误差产生的误差旁瓣与相位控制精度的关系图。从图中可以看出：在相位控制精度相同的情况下，随着N增加，误差旁瓣逐渐减小；在N相同的情况下，随着相位控制精度的提高，误差旁瓣逐渐降低。因此在实际系统设计中，必须保证系统的时间延迟控制误差产生的误差旁
12、瓣低于系统要求的对比度分辨率。图4-2相位控制精度与误差旁瓣的关系2）时间延迟精度与系统空间分辨率关系系统时间延迟控制精度还与系统的空间分辨率密切相关，因为时间延迟控制精度直接影响声束的偏转和聚焦控制。时间延迟精度与系统焦点控制精度关系系统的时间延迟控制精度会影响系统焦点的控制，包括焦点在纵向的控制分辨率和系统的最大焦距。焦点在纵向的控制分辨率是指系统所能聚焦的最远距离，如图4-3所示。系统的最大焦距是指系统所能聚焦的最远距离，如图4-4所示。在有效聚焦区域内，由于系统时间延迟控制精度限制，有可能在焦点之间会出现焦点盲区，从而影响该区域的检测效果，影响了系统的空间分辨率。最大焦距则限制了系统最
13、大聚焦检测能力，从而影响系统的检测范围，它也是衡量检测系统的指标之一。图4-3焦点在声束方向控制分辨率示意图4-4声束控制原理根据相关研究，声束在图4-4所示的P点聚焦时，以探头中心为参考点，当实际使用的阵元数N为奇数时，各阵元相对参考点的延迟时间（式4-2）式中，c-声速； F-焦距；-偏转角度； d-探头阵元间距； n-第n个阵元，n=0，,1，当阵元数为偶数时，式（4-2）中的n应该为（n+0.5）如果不考虑声束偏转的影响，式（4-2）可以简化成（式4-3）考虑到实际系统中通常选取探头中心作为参考点，聚焦于最远处（最大聚焦处）时，要求离探头中心最远的阵元相对于探头中心的时间差等于时间延迟
14、控制精度。因此当N为奇数时，可以推导出时间延迟控制精度与最大焦距的关系为（式4-4）图4-5是根据式4-4计算得到的，在钢种声速c=5920m/s，N=15，d=1.0mm时，最大焦距与最低时间延迟控制精度的关系图。从图中可以看出，当最大焦距为400mm时，系统时间延迟控制误差不大于10ns。图4-5最大焦距与系统延迟控制精度的关系若选取探头中心作为参考点，当离探头中心最远的阵元相对于探头中心的时间差在数值上等于时间延迟控制精度，可以求得系统时间延迟控制精度与焦点纵向分辨率的关系。对式4-3两边分辨对时间和焦距F微分，得（式4-5a）当阵元数为奇数时，将离探头中心最远的阵元的位置参数n=(N-
15、1)/2带入式4-5a，得到系统时间延迟控制精度与焦点在纵向分辨率的关系（式4-5b）式4-5b表明系统时间延迟控制精度将影响焦点间距：由于系统的时间延迟控制精度有限，焦点之间并不连续，相邻焦点之间的间隔与实际使用的阵元数N、阵元间距d、焦距F以及时间延迟控制精度有关。当N、d、F一定时，相邻焦点的间隔与时间延迟控制精度成正比关系。图4-6是根据4-5b在系统不同时间延迟控制精度的情况下，相邻焦点间距（焦点分辨率）与焦距关系，图中其他参数为：材料为钢（c=5920m/s），N=15，d=1.0mm。从图中可以看出当=10ns，焦距为100mm时，相邻焦点的距离大约为17mm。图4-6时间延迟精
16、度不同时，焦距与相邻焦点间距的关系因此，在设计系统时，需要根据实际系统需要扫查的区域，结合焦深的大小，设计合适的时间延迟精度，以保证检测区域内可以实现任意点聚焦检测。时间延迟精度与声束偏转精度的关系声束偏转是通过相邻阵元施加心相同的延迟时间实现，相邻阵元的延迟时间与偏转角度和阵元间距d有关（式4-6）式中，c为声速。与焦点在声束纵向方向控制精度类似，由于系统时间延迟控制误差导致声束偏转不连续，有可能导致焦点在偏转方向的盲区，如图4-7所示。选取探头中心作为参考点，当阵元数为奇数时，不同阵元相对于参考点的延迟时间为图4-7焦点偏转盲区（式4-7）式中，n为第n个阵元，n=0，,1，对式4-7两边
17、分辨对时间和偏转角度微分，当离探头中心最远的阵元相对于探头中心的时间差等于时间延迟控制精度时，可以得到系统时间延迟控制精度与声束偏转精度的关系（式4-8）图4-8是在不同控制精度时，偏转角度与声束的最大偏转精度关系图。从图中可以看出，同一控制精度下，偏转角度会影响偏转精度，偏转角度越大，偏转精度越低；偏转角度相同时，控制精度越高，声束的偏转分辨率越高。图4-8中相关参数如下：钢（c=5920m/s），N=15，d=1.0mm。图4-8偏转角度与偏转精度示意图（2）系统最小延迟量系统最小延迟量是指检测是系统可能达到的最大延迟时间。只有当系统的实际延迟量大于系统的最小延迟量时才能保证系统检测声束可
18、以按需求偏转与聚焦。如图4-9所示，系统的最小延迟量取决于参考点离其最远的阵元到焦点的声程差决定。根据三角形两边之差小于第三边的定理，假设以探头中心为参考点，阵元间距为d，声束为c，那么系统最大声程差可以用式4-9表示（式4-9）图4-9阵元间声程差示意图因此，延迟范围可以用式4-10描述为（式4-10）传播介质为钢时（c=5920m/s），当N=16，d=1.0mm时，系统的最小延迟量应该不小于1267ns。在上述条件下，系统最小延迟量的物理意义是阵列换能器最边上的阵元发射的超声波传播到聚焦点的时间要比中心阵元发射的超声波传播到同一焦点的时间长1267ns，因此在系统设计的时候，最边上的阵元
19、相对于中心阵元发射超声的延迟时间应当不小于上面计算的最小延迟量，否则最边上阵元发射的超声波和中心阵元发射的超声波就不能同时达到预期的聚焦点，也就是说不能在预期的聚焦点聚焦。这个延迟量就是系统设计的最小延迟量。如果去最侧边的阵元作为参考点，则系统的最小延迟量为上面计算结果的2倍，因此为了减少系统最小延迟量，应该选择探头中心作为参考点。（3）相控阵超声成像检测系统数字式延迟技术在数字声束形成技术中，数字式延迟技术是达到声束聚焦的关键。数字式延迟通常可采用采样间隔的整数倍和小数倍之和形成。对于整数倍延迟，只需对数字信号序列做位移即可解决，小数部分的步长则决定了延迟精度。在考虑数字延迟时，应估计到延迟
20、精度所引起的旁瓣级。分析表明，为使旁瓣级限制在-40dB，对于3MHz的超声频率，在16阵元时的延迟量步长应小于10ns，在64阵元时的延迟量步长应小于20ns。实现小数部分延迟的方法有两种。第一种为流水线式采样延迟聚焦，PSDF。在此方案中，聚焦所需延迟由各阵元通道A/D转换器的不同采样时钟完成。换句话说，由采样时钟发生器为每一个阵元通道产生一个专用的采样时钟，这些时钟的相位（采样时刻）互相错开，其错开的值恰好等于各阵元传播延迟之差。因此，只要把同一相位的对应采样值同时又先入先出(FIFO)存储器取出送到加法器相加，即可形成聚焦的效果。这种方法得到的最小延迟步长约为20ns左右。实现小数延迟
21、的第二种方法是先对阵元各通道A/D以同一速率均匀采样，然后对采样后的数据进行内插来实现延迟，这样就改变了各通道数据的采样周期。相对于采样周期的延迟，可以用相位延迟来代替时间延迟，根据多采样率数字信号处理，MDSP技术，可以设计多相滤波器组来实现数字延迟小数部分。这种方法的采样电路简单，但对多相滤波器组的设计要求较高。较小的滤波器长度及切换速度是实现这种方法的关键。这种方法得到的最小延迟量步长可降低到5ns以下。4.1.4 数字相控阵超声成像检测系统独立通道数的优化选择相控阵超声成像检测时，系统实际使用的探头阵元数取决于系统的独立通道数。当探头其他参数一定时，阵元数将影响检测声束，而检测声束是决
22、定检测空间分辨率和对比度分辨率的重要因素，因此系统的独立通道数是影响系统性能的关键指标。4.1.4.1 系统独立通道数与系统空间分辨率相控阵超声检测时，焦点的几何特征决定了系统的空间分辨率。焦点的几何特征包括焦点宽度和焦深。焦点宽度b（也称焦点直径）是声束聚焦时，焦点左右的声压与焦点声压之比为-3dB时声束的宽度。通常将主声束上焦点前后相对于焦点处声压下降20%的主声束长度定义为焦区深度（简称焦深），记作F。（1）系统独立通道数与系统横向分辨率系统独立通道数对系统横向分辨率的影响可以从两个方面进行分析：系统独立通道数对焦点宽度的影响和合同独立通道数对声束偏转时系统的检测分辨率的影响。1）系统独
23、立通道数与焦点宽度关系相控阵超声成像检测时，焦点的宽度b可以近似用式4-11买搜狐（式4-11）式中，-波长，mm F-焦距，mm D-探头孔径尺寸，mm探头阵元间距可以表示为检测波长的k（01) （式4-17）式中，-发射信号主频的波长，mm F-焦距，mm D-子阵的孔径，mm将D=Nd=Nk带入式4-17，可得（式4-18）从式4-18可知，当探头阵元间距一定时，增加独立通道数可以减小焦深，提高系统的纵向分辨力。但是，前面的分析可知：当系统的延迟控制精度一定时，焦点在声束方向是不连续的，而且如果控制精度较低时，在焦点与焦点之间可能会出现焦点盲区，影响该区域的检测，为了消除这种盲区，可以采
24、用控制使用的独立通道数，增加焦深的方法，实现焦点全面覆盖，如图4-14示。图4-14焦点覆盖示意图4.1.4.2系统独立通道数与系统对比度分辨率系统独立通道数对对比度的分辨率影响主要是通过提高信噪比获得较高的对比度分辨率。假设各通道的噪声是不想关的，系统独立通道数增加时，声束合成后，噪声由于不相关而减弱（当通道数无穷多时，噪声应为0），而焦点处信号叠加而增强，信噪比提高。另外，上诉分析支持在其他情况相同的条件下，增加通道数提高了检测的数值孔径，检测声束的能量增强，对比度分辨率也得到提高。综合上述分析，系统独立通道数的增加有助于提高检测的对比度分辨率，但是独立通道数的增加提高了系统的复杂性，增加
25、了成本。4.1.5 ISONIC相控阵系统主要技术参数相控阵模式脉冲种类：双极性方波初始转换：7.5 ns (10-90% 上升沿 / 90-10% 下降沿)脉冲幅度：在阻抗50 的情况下，激发电压平稳可调(12级) 50V 300 V 脉冲宽度：50600 ns独立可调，10 ns步进激发孔径：164 相位调整(激发孔径)：0100 ，5 分辨力重复频率：10.5000 Hz ，1 Hz 步进接收孔径：164 增益：0.100 dB ，0.5 dB步进高级降噪设计：85 V尖峰输入，对照 80 dB增益 / 25 MHz带宽频段：0.2 25 MHz宽带A/D 转换：100 MHz 16 b
26、it 接受信号叠加：实时, 无复杂的多路技术相位调整(接收孔径)：实时0100 s ， 5 ns分辨力A扫描显示模式：射频, 全波，正半波，负半波聚焦法则DAC / TCG：理论的 输入dB/mm (dB/) 数值实测的不同深度连续记录回波幅度聚焦法则闸门：2 个独立闸门 / 无限展开闸门起点与宽度：在A扫描界面均可设定，0.1mm步进闸门高度：595 %A扫描界面高度，1 %步进聚焦法则数量：8192扫查与成像模式：B扫描 反射波次数/ 厚度 / 角度修正, 单独晶片增益控制 (GSC)扇形扫描 正常或反射波次数/ 厚度修正, 单独角度增益控制(GAC)串列式B扫描 反射波次数/ 厚度 /
27、角度修正, 单独晶片增益控制 (GSC)三维成像 由俯视图，主视图，侧视图组成数据存储：100% 真实数据采集常规脉冲接收通道通道数量：1 ，8 ， 16脉冲接收方法(8 或16 常规通道):并行激发-所有通道同时激发、接收，数字化信号并记录分时激发-所有通道分时激发、接收，数字化信号并记录脉冲种类:双极性方波初始转换:7.5 ns (10-90% 上升沿 / 90-10% 下降沿)脉冲幅度:在阻抗50 的情况下，激发电压平稳可调(12级) 50V 400 V脉冲宽度:50600 ns独立可调，10 ns步进模式:单晶 / 双晶重复频率:10.5000 Hz ，1 Hz 步进增益:0.100 dB ，0.5 dB步进高级降噪设计:85 V尖峰输入，对照 80 dB增益 / 25 MHz带宽频段:0.2 25 MHz宽带A/D 转换:100 MHz 16 bit 滤波:32阶带通滤波器可降低和提高频率界限A扫描显示模式:射
