什么是相控陣探頭？

圖1.相控陣探頭用于產(chǎn)品檢測(cè)

陣列是大量的同類物體排列組合的方式。 NDT超聲陣列的最簡(jiǎn)單的形式應(yīng)該是以增加檢測(cè)的覆蓋范圍和 / 或提高檢測(cè)速度為目的，將一系列單晶探頭排列在一起的形式。以下為應(yīng)用這種陣列探頭的示例：

? 管件檢測(cè)：在探測(cè)管件的裂縫與分層缺陷，以及測(cè)量管件的總體厚度時(shí)經(jīng)常會(huì)使用多個(gè)探頭。
? 鍛件金屬工件的檢測(cè)：在這種檢測(cè)中，通常需要使用多個(gè)探頭在不同深度聚焦以探測(cè)出以帶狀形式排列的細(xì)小缺陷。
? 復(fù)合材料及金屬檢測(cè)：在材料的表面上線性排列多個(gè)探頭可以提高對(duì)復(fù)合材料中的分層缺陷或金屬中的腐蝕的檢測(cè)能力。 

進(jìn)行這些檢測(cè)，不僅需要高速、多通道超聲設(shè)備帶有適當(dāng)?shù)拿}沖發(fā)生器、接收器，以及可對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行處理的邏輯門，還需要將每個(gè)探頭仔細(xì)固定好，以正確設(shè)置檢測(cè)區(qū)域。

我們可以將這種最簡(jiǎn)單的相控陣探頭的排列形式想象成包裝為一體的一系列單個(gè)晶片（參見圖1）。實(shí)際情況是這些晶片要比常規(guī)探頭小得多，脈沖可以對(duì)這些被編成組的晶片進(jìn)行激勵(lì)，以產(chǎn)生可直接進(jìn)行控制的波前。這種 “ 電子聲束形成 ” 的方式可以在不移動(dòng)探頭的情況下高速對(duì)多個(gè)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)與分析。后面的章節(jié)對(duì)此有更詳細(xì)的介紹。 

相控陣探頭可以有各種尺寸、形狀、頻率及晶片數(shù)量，所有這些探頭的共同特點(diǎn)是都裝有一個(gè)被分割成若干段的壓電晶片。

用于工業(yè) NDT 的現(xiàn)代相控陣探頭一般由壓電復(fù)合材料構(gòu)建，具體地說(shuō)就是許多細(xì)小、極薄的壓電陶瓷棒被嵌在聚合物矩陣中。雖然制造這種探頭會(huì)復(fù)雜一些，但是與在其它方面設(shè)計(jì)相似的壓電陶瓷探頭相比，這種復(fù)合材料探頭在一般情況下可提供的靈敏度會(huì)高出 10 dB 到30 dB。分成小段的金屬鍍層用于將條狀的復(fù)合材料分割成若干可單獨(dú)接收電子脈沖激勵(lì)的晶片個(gè)體。這個(gè)被分割成小段的晶片被裝入探頭組合件中。探頭組合件包含一個(gè)保護(hù)性匹配層、一個(gè)背襯層、線纜連接器以及一個(gè)外殼 （參見圖 2）。

圖2.相控陣探頭結(jié)構(gòu)圖

相控陣探頭根據(jù)以下基本參數(shù)從功能上被分成不同的類別：

類型：大多數(shù)相控陣探頭屬于角度聲束類型，與塑料楔塊、平直塑料靴（即零度楔塊）或延遲塊一起使用。此外，還有直接接觸式探頭和水浸式探頭。
頻率：超聲缺陷探測(cè)一般使用 2 MHz 到 10 MHz 之間的頻率，因此大多數(shù)相控陣探頭都屬于這個(gè)頻率范圍。此外，還有頻率更低或更高的探頭。使用常規(guī)探頭，穿透性能會(huì)隨著頻率的降低而增加，而分辨率及聚焦銳利度會(huì)隨著頻率的升高而增強(qiáng)。
晶片數(shù)量：最常用的相控陣探頭一般有 16 到 128 個(gè)晶片，有些探頭的晶片多達(dá) 256 個(gè)。隨著晶片數(shù)量的增多，聲波聚焦與電子偏轉(zhuǎn)的能力會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)檢測(cè)所覆蓋的區(qū)域也會(huì)擴(kuò)大，然而探頭和儀器的成本費(fèi)用也會(huì)增加。每個(gè)晶片被單獨(dú)脈沖激勵(lì)，以創(chuàng)建希望得到的波前。因此這些晶片排列方向的維度通常被稱為主動(dòng)方向或偏轉(zhuǎn)方向。 

圖3.相控陣探頭晶片參數(shù)說(shuō)明