【经验】相控阵超声基本概念

1、扫查方式

A/B/C/D 扫是超声四种基础成像模式；

线扫、扇扫是声束扫描方式，线扫 / 扇扫最终都是生成 A/B/C 扫图像。

1.1 线扫

1）核心原理

通过顺序激活相邻晶片组（虚拟孔径），使声束沿直线方向平行移动，保持固定角度发射；

每个晶片组按相同延迟规律激发，声束方向不变，仅在探头长度方向平移；

可配合物理扫查（探头沿工件表面移动）扩大检测范围

2）主要用途

• 板材、管材、焊缝的大面积平面检测，适合检测平行于表面的缺陷
• 腐蚀检测、壁厚测量，提供均匀的线性分辨率图像
• 与常规超声检测对比，电子线扫速度更快、覆盖更均匀

3）特点

• 成像直观，深度 - 位置对应关系明确，便于缺陷定位
• 声束方向固定，适合检测与声束垂直的平面型缺陷
• 对倾斜缺陷检出能力有限，需配合其他扫查方式

1.2 扇扫

1）核心原理

固定晶片组（孔径），通过改变各晶片激发延迟时间，使声束在一定角度范围内（通常 ±15°~±70°）连续偏转，形成扇形扫描面

类似雷达扫描，单个探头位置即可覆盖较大立体空间

可同时实现动态聚焦，提高不同深度的检测分辨率

2）主要用途

• 焊缝检测（特别是对接焊缝、角焊缝），可覆盖焊缝根部、热影响区等关键区域
• 复杂几何形状工件检测，如管道弯头、法兰连接处
• 医学超声成像（心脏、腹部），工业领域主要用于体积缺陷检测

3）特点

• 覆盖角度广，无需移动探头即可检测多角度缺陷
• 图像呈扇形，需通过软件校准转换为实际尺寸
• 对倾斜和垂直缺陷均有良好检出能力，是相控阵检测的核心扫查方式

1.3 A扫

A 扫（A-Scan 幅度 - 时间扫描）

1）核心原理

最基础的一维波形显示

• 横坐标：超声波传播时间 → 换算成工件深度 / 声程
• 纵坐标：回波信号幅度

发射一束超声，接收反射回波，直接画出波幅--深度曲线，和常规单晶超声波形完全一致；相控阵每一个聚焦 / 偏转声束，都对应一条 A 扫波形。

2）主要用途

• 缺陷回波高度定量、缺陷波判别（杂波 / 缺陷波 / 底波区分）
• 精确测壁厚、测缺陷埋藏深度
• 校准灵敏度、制作 DAC/TCG 曲线
• 作为 B/C/D 扫的原始底层数据

3）特点

• 纯一维波形，无平面、无剖面图像
• 测距、测波幅精度最高，是所有成像的基础
• 只能看单点深度回波，看不出缺陷长度、平面分布
• 所有相控阵检测都必须依托 A 扫信号

1.4 B扫

B 扫（B-Scan 位置 - 深度剖面扫描）

1）核心原理

二维纵截面成像，把连续一系列 A 扫波形，按探头移动位置 / 声束偏转角度依次排列

• 纵坐标：工件深度
• 横坐标：探头水平位置 或 声束偏转角度

用灰度 / 颜色表示回波幅度，拼接成工件纵向剖面图

线扫电子移动 → 生成线性 B 扫；扇扫角度偏转 → 生成扇形 B 扫

2）主要用途

• 显示缺陷纵深形态、长度、埋藏深度
• 焊缝横截面成像，直观看到裂纹、未焊透、夹渣的剖面走向
• 板材分层、腐蚀区域的纵向连续显示
• 厚壁工件内部缺陷纵向延伸范围评估

3）特点

• 二维剖面视图（侧视 / 剖视图），能看缺陷深浅、长短
• 无俯视平面信息，看不到缺陷在工件表面的 XY 分布
• 成像直观，适合判缺陷走向、层间分离，是现场相控阵焊缝检测最常用标配视图

1.5 C扫

1）核心原理

平面成像技术，通过以下两种方式实现：

• 探头沿一个轴物理移动，声束沿另一轴电子扫描
• 双轴电子扫描（矩阵探头），无需物理移动

图像显示缺陷在工件表面的投影位置（X-Y 平面），颜色 / 灰度表示缺陷反射波幅或深度

通常与 A 扫、B 扫结合使用，提供完整的缺陷三维信息

2）主要用途

• 复合材料检测（如航空航天结构件），评估分层、孔隙分布
• 焊缝表面及近表面缺陷检测，生成直观的平面缺陷分布图
• 腐蚀成像，显示腐蚀区域的面积和严重程度
• 螺栓端面检测（环形探头），提供 360° 圆周缺陷分布视图

3）特点

• 直观显示缺陷平面位置，便于评估缺陷面积和分布密度
• 可精确测量缺陷的长度和宽度，深度信息需通过其他扫查方式获取
• 检测效率高，适合大面积扫描

1.6 D扫

1）核心原理

又称深度聚焦扫描，通过固定声束方向，连续改变聚焦深度，对工件同一位置不同深度进行精细检测

结合 A 扫信号的时间 - 幅度信息，生成深度方向的高分辨率图像

可与线扫、扇扫结合，形成深度 - 位置或深度 - 角度的二维图像

2）主要用途

• 厚壁工件检测，如压力容器、厚板焊缝，评估内部缺陷的深度分布
• 分层缺陷检测，精确测量缺陷的埋藏深度和厚度
• 材料性能评估，如晶粒尺寸分析、硬度梯度检测

3）特点

• 深度分辨率极高，适合检测微小内部缺陷
• 图像显示深度 - 信号幅度关系，便于缺陷定量分析
• 检测速度相对较慢，通常用于重点区域的精细检测

1.7 小结

扫描模式	维度	显示坐标	视图类型	通俗理解
A 扫	1D	波幅--深度	单波形	看单点回波高低、深度
B 扫	2D	位置--深度	纵剖面 / 侧视	切一刀看截面
C 扫	2D	X--Y 平面	俯视 / 平面图	从上往下看投影
D 扫	2D	横向位置--深度层析	深度切片	固定深度层看横向分布

扫查方式	核心本质	成像视图	最大用途	关键特点
线扫	声束平行电子平移	矩形 B 扫图像	板材、平板焊缝	声束平行，无角度偏斜
扇扫	声束角度电子偏转	扇形 B 扫图像	各类焊缝、复杂曲面	小范围覆盖大角度
A 扫	基础一维波形	波幅 - 深度曲线	定量、测距、校准	所有成像基础，无形态
B 扫	剖面二维成像	纵向截面图	看缺陷纵深、焊缝剖面	侧视剖面，知深浅长短
C 扫	平面投影成像	俯视 XY 平面图	缺陷面积、分层、腐蚀	看平面分布，不知纵深
D 扫	深度层析扫描	固定深度切片	厚件分层、深度精确定位	按深度分层切片观察

1.8 B扫和D扫的区别

1）本质

• B 扫：纵向竖直切面 → 看「从头到尾 + 深浅」
• D 扫：固定深度水平切片 → 只看「某一深度那一层」

2）B 扫（B-Scan）原理

• 横轴：探头扫描长度位置
• 纵轴：工件深度
• 成像：把整条扫描路径上所有深度的 A 扫波形排成竖直剖面图
• 视角：侧视纵切，像把工件竖着一刀切，看截面深浅

3）D 扫（D-Scan / 深度层析扫）原理

先锁定一个固定深度闸门，只取这一个深度的回波

• 横轴：探头扫描长度
• 纵轴：工件横向宽度
• 成像：只显示同一埋藏深度上，缺陷的长短、连续、分布
• 视角：水平横切，像在工件内部某一深度横着切一片，只看这一层

2、阵元、通道和扫描线数

2.1 探头阵元数

相控阵探头内部，排列的独立压电晶片总数量

常见：16、32、64、128 阵元线阵探头

阵元越小、数量越多，声束聚焦、偏转精度越高，近场分辨力越好

探头总宽度由阵元数 + 阵元间距决定

2.2 探头通道数

相控阵主机独立发射 / 接收信号的通路数量

不一定和探头阵元数一一对应：

比如 128 阵元探头，可以接 64 通道仪器，分时分组轮流激发阵元

通道越多，聚焦效果越好、成像越快、可激发更大孔径

2.3 扫描线数

相控阵成像时，仪器电子扫描生成的独立声束总条数，每一条声束就是一条扫描线。

扫描线越多：图像越细腻、缺陷轮廓越清晰，但扫描速度变慢

线扫、扇扫、S 显示、B 显示，都是由一条条扫描线拼接成完整图像

2.4 区别

把相控阵比作LED 大屏幕成像：

• 探头阵元数 = 屏幕一共有多少颗 LED 灯珠（探头硬件固定）
• 仪器通道数 = 控制灯珠的驱动电路路数（主机硬件固定）
• 扫描线数 = 画面由多少条竖线拼成（画面参数，可调清晰度）

3、名词解释

3.1 XADC 监控数据

超声设备里的 XADC 监控数据 = FPGA 内部的 "健康体检数据"，主要是芯片温度、各路电源电压，以及少量外部模拟量，用来保证超声系统稳定、安全、成像可靠。

XADC = Xilinx FPGA 内置的模数转换器 + 温度 / 电压监控模块

超声设备（尤其是工业探伤、医疗彩超）核心控制 / 波束合成都用 Xilinx FPGA，它里面自带一个 XADC 硬核，专门干两件事：

• 把模拟量（温度、电压）→ 数字量
• 实时监控 FPGA 和关键电路是否工作正常

3.2 PA 扫描

即：相控阵超声扫描（PAUT），用多晶片阵列探头，靠电子延时控制声束，实现不移动探头就能多角度、聚焦扫描，直接生成二维 / 三维图像。

3.3 孔径

一次发射超声波，同时开始工作的阵元个数

例如：

探头有 128 个阵元，你设孔径16，就是每次只用连续 16 个晶片一起发波、收波

孔径越大：

• 声束越窄、指向性越好
• 远距离分辨力强
• 近场盲区变大

孔径越小：

• 近场盲区小
• 适合浅层检测
• 远距离声束发散、分辨率变差

3.4 脉冲宽度（Pulse Width）

发射超声电脉冲的持续时间，也叫发射脉宽，决定发射声波的宽窄。

• 窄脉宽看近处、分辨小缺陷；
• 宽脉宽穿透力强看厚件

作用：

• 脉宽越窄：分辨率高、近场盲区小、能区分近距离相邻缺陷
• 脉宽越宽：发射能量大、穿透强，适合厚工件、粗晶粒材料，但分辨率变差、盲区变大

3.5 增益

对超声回波整体信号放大倍数，把微弱反射波拉高。
增益就是把回波整体调高调低，管信号整体强弱

作用：

• 增益越大：波形整体变高，小缺陷也能显出来
• 增益过大：杂波、草波变多，容易误判
• 增益过小：小缺陷波看不见、漏检

3.6 数字增益

不是统一放大，而是按深度分段，对不同深度单独设置放大倍数。
普通增益一刀切，数字增益深浅分别补；DAC/TCG 也属于数字增益范畴

作用

• 弥补超声波远距离衰减
• 让浅处、深处缺陷波幅高度基本一致
• 方便做定量、判伤、绘制 DAC 曲线

和普通增益区别

• 增益：全局统一放大
• 数字增益：按深度分别放大

3.7 检波模式

1）常见四种：全波、正半波、负半波、射频 RF
检波就是把震荡波形整形，选不同显示样式方便判波

2）含义：

• 把高频超声振荡波形，包络提取、整形成显示波形的方式。

3）各模式用途

• 全波检波：上下包络合成，波幅最高，日常探伤常用
• 正 / 负半波：只取一半波形，减少干扰、便于读波高
• RF 射频模式：不检波，显示原始振荡波形，用于高精度相位分析、相控阵科研、精细判缺陷类型

3.8 范围压缩比

时间 / 深度轴的压缩比例，简单说：把显示深度标尺拉伸或压缩。
范围压缩比：调横轴标尺，要么看整体、要么放大看细节。

作用

• 压缩比大：屏幕显示更大深度范围，适合厚件
• 压缩比小：局部深度放大展开，能看清紧挨的多个缺陷波、精准读数

3.9 重复频率（PRF）

仪器每秒钟发射超声脉冲的次数。
重复频率 = 每秒发波次数，高了快但易出假波，厚件必须调低

作用

• PRF 越高：扫描越快、图像刷新快
• PRF 过高：容易产生幻影、二次回波干扰（假缺陷波）
• 厚工件要降低重复频率，给声波足够时间跑完全程

3.10 闸门参数

在 A 扫波形上框选一个时间 / 深度区间，设置左右起点、门高。
闸门就是画一个框，只看框里的缺陷，忽略外面杂波

作用

• 锁定只测量闸门内的：波幅、深度、缺陷长度
• 屏蔽闸门外的杂波、底波干扰
• 自动报警：闸门内超过设定波幅就报警、标记缺陷

包含参数

• 闸门起始
• 闸门宽度
• 闸门阈值（报警电平）

3.11 数字滤波器

用数字算法，过滤掉不在超声有效频率范围内的干扰杂波。
数字滤波器：滤杂波、留真波，让波形更干净好判伤

按频率分：

• 低通
• 高通
• 带通

作用

• 滤除电路工频干扰、机械噪声、晶粒杂波
• 保留真实缺陷回波，波形更干净、信噪比更高
• 探头频率多少，滤波器就匹配多少带宽

4、参数配置

4.1 发射参数

4.1.1 发射电压

1）含义

仪器给探头晶片施加的激励高压，决定超声波发射能量大小。

2）作用

• 控制超声发射能量、穿透力
• 电压越高 → 声波能量越大，穿透能力越强，适合厚壁工件、铸钢、粗晶粒材料
• 电压过高 → 近场杂波变多、盲区变大、容易干扰小缺陷
• 电压越低 → 能量小、穿透浅，适合薄壁工件，波形干净、杂波少

3）提示：
发射电压管能量高低，高压穿得深，低压杂波少。

4.1.2 脉冲宽度

1）含义

发射电脉冲持续时间长短，也叫发射脉宽。

2）作用

• 决定轴向分辨率和穿透能力
• 脉宽越窄：纵向分辨力好、近场盲区小，能区分两个靠得很近的前后缺陷
• 脉宽越宽：发射能量集中、穿透力更强，适合厚件、高衰减材料；
  缺点：分辨率变差、近场盲区变大

3）提示：
窄脉宽看精细、辨近缺陷；宽脉宽增能量、穿厚工件。

4）低频模式下调高脉冲宽度的好处

• 进一步增强穿透能力
  低频本身衰减小，加宽脉冲宽度可提升发射超声总能量，声波传播更远，轻松穿透大厚度、高衰减工件，深层缺陷回波更容易被接收。
• 提升深层回波信号强度
  让深处缺陷反射波幅更高，减少信号微弱丢失情况，深层缺陷显示更清晰。
• 有效抑制粗晶杂波
  铸钢、铸铁等粗晶粒材料散射干扰强，宽脉冲能量集中，可弱化晶粒杂乱反射，提高信噪比。
• 适配低频探测特性
  低频轴向分辨力本身偏弱，牺牲部分近距离分辨能力，优先保障大深度探伤需求，实用性更强。
• 降低近场干扰影响
  低频 + 宽脉宽可弱化表面始波杂波，更适合厚件内部深层缺陷排查。

4.1.3 重复频率（PRF）

1）含义

仪器每秒钟发射多少次超声脉冲。

2）作用

• 控制图像刷新速度、扫描帧率
• 频率设高：成像刷新快、扫查效率高
• 频率过高：声波还没从工件底部返回，又发下一波，产生假波、幻影回波，误判缺陷
  厚工件、大检测范围 必须调低 重复频率，给声波足够传播时间

3）提示
重复频率控刷新速度，高了成像快、过高出假波，厚件要调低。

4.1.4 检测范围（量程 / 声程范围）

1）含义

仪器屏幕横轴设定的最大检测深度，能显示工件多深的范围。

2）作用

• 限定屏幕显示的深度区间，用来观察缺陷深度、底波位置
• 范围设太大：横轴被压缩，缺陷波形挤在一起，分辨不清、读数不准
• 范围设太小：看不到工件底面和深层缺陷，容易漏检
• 正常设置：比工件实际厚度多留 20%～30% 余量，能完整看到底波

3）提示
检测范围管可视深度，过小漏深层，过大看不清细节。

4.2 接收

4.2.1 模拟增益

1）含义

回波信号还没数字化，在模拟电路端整体统一放大倍数。

2）作用

• 整体抬高 / 压低所有深度的回波信号；
• 增益调高：微弱缺陷波显现，灵敏度提高；
• 增益过高：晶粒杂波、电干扰全部放大，波形变草；
• 增益过低：小缺陷被淹没，造成漏检。

3）提示
模拟增益：全局统一调音量，所有深度一起放大或缩小。

4.2.2 数字增益（含 TCG/ACG）

1）含义

信号变成数字信号后，按深度单独做增益补偿。

2）作用

• 补偿超声波深度衰减，让同样大小缺陷，深浅波幅一样高；
• TCG：连续平滑补偿，适合均匀母材；
• ACG：分段独立增益，可单独压制某一层杂波；
• 不改变近场波形，只做深度动态均衡，方便缺陷定量评级。

3）提示
模拟增益一刀切，数字增益分层补；管深浅波幅一致。

4.2.3 检波方式

1）常用方式

全波、正半波、负半波、RF 射频

2）含义

把高频振荡的原始超声回波，整形、提取包络的显示模式。

3）作用

• 全波检波：合成上下包络，波幅最大，现场探伤默认常用；
• 正 / 负半波：只显示单一半波形，简化画面、减少重叠干扰，便于读波高；
• RF 射频：不检波、保留原始振荡波形，用于高精度分析、缺陷定性、相控阵科研。

4）提示
检波就是给波形整容，选不同样式方便判波、测波高。

4.2.4 数字滤波器

1）含义

按频率带宽筛选回波信号（带通 / 高通 / 低通），匹配探头频率。

2）作用

• 滤除工频干扰、电路噪声、晶粒杂波；
• 保留真实缺陷回波，提高信噪比；
• 滤波器带宽要和探头中心频率匹配，选错会信号变弱、丢缺陷。

3）提示
滤波器：滤杂波、留真波，让波形干净好分辨。

4.2.5 声束号

1）含义

相控阵线扫 / 扇扫中，每一条独立电子声束的编号；

有多少条扫描线，就有多少声束号

2）作用

• 切换查看某一条单独声束对应的 A 扫波形；
• 对应工件固定位置 / 固定角度；
• 用于缺陷精确定位、单独分析某一位置回波、校准声束偏移。

3）提示
声束号：每条声束的编号，用来定点看某一位置的 A 扫波形。

4.3 闸门

4.3.1 闸门起始

1）含义

闸门在深度轴（横轴）上的起点位置，设定闸门从工件哪个深度开始。

2）作用

• 把闸门定位到目标缺陷的深度区间；
• 避开表面杂波、近场盲区，不被始脉冲干扰；
• 可躲开工件底面回波，只监测中间内部缺陷；
• 用来锁定指定层、指定深度范围做检测。

4.3.2 闸门宽度

1）含义

闸门在深度轴上占据的长度，也就是闸门覆盖多少深度范围。

2）作用

• 控制闸门覆盖一段深度区间，捕捉区间内所有缺陷回波；
• 宽度开大：覆盖大范围深度，不漏检区间内缺陷；
• 宽度开小：只锁定单个缺陷，避免相邻缺陷、杂波干扰测量；
• 用于分层检测、固定层厚监测。

3）提示
决定闸门框得有多宽、覆盖多深。

4.3.3 闸门高度（门槛 / 阈值电平）

1）含义

闸门内触发测量、报警的波幅门槛值（纵轴高度）。

2）作用

• 只有回波波幅超过闸门高度，仪器才判定为缺陷、自动记录和报警；
• 门槛调高：屏蔽晶粒杂波、小干扰波，减少误报；
• 门槛调低：能检出微小缺陷，但杂波容易误触发；
• 缺陷波幅定量、自动评级全靠它做基准。

3）提示
波形超过多高才算缺陷，低于就当杂音忽略。

4.3.4 闸门测量模式

1）含义

仪器在闸门内按哪个位置计算深度、波幅的算法。

2）测测量模式

• 峰值法：取波形最高点测波幅、深度 → 日常探伤最常用；
• 前沿法：取波形上升起始点测距 → 精准测壁厚、缺陷前沿位置；
• 第一回波法：只识别闸门内第一个回波，避开二次反射、杂波串；
• 后沿法：用于特殊薄层、界面反射测量。

3）作用

统一测量标准，保证缺陷深度、波幅测量精准、可重复、符合探伤标准。

4）提示
仪器按波形哪个点来读数、算深度和波幅。

4.4 阵元

4.4.1 起始阵元

1）含义

L 扫从探头第几个阵元开始发射 / 接收、生成第一条扫描线。

2）作用

• 设定整个线性扫描区域的左起点；
• 避开探头边缘失效阵元、边缘盲区；
• 只从工件有效检测区域对应位置开始扫，不浪费扫描范围。

4.4.2 结束阵元

1）含义

L 扫扫描到探头第几个阵元就停止，不再生成新扫描线。

2）作用

• 设定线性扫描的右终点；
• 限定整体横向扫描覆盖宽度，只扫需要检测的工件区域；
• 不用占用全部 64/128 阵元，缩短扫描时间、提高效率。

3）提示
起始阵元 + 结束阵元 = 划定 L 扫整体左右扫描范围。

4.4.3 孔径大小（Aperture）

1）含义

每生成一条 L 扫声束，同时参与收发的连续阵元个数。

2）作用

• 控制声束粗细、指向性、近远场性能；
• 孔径大：声束更细、远场分辨率高、穿透力强，适合厚工件、深层缺陷；
• 孔径小：近场盲区小、适合浅层、薄壁工件，但远场声束易发散；
• 直接决定单条声束的聚焦质量和检测灵敏度。

4.4.4 角度

1）含义

L 扫整条线性声束固定发射倾斜角度（L 扫角度全程不变，不像扇扫变角度）。

2）作用

默认 0°：声束垂直工件表面，适合检测平行表面的分层、气孔、壁厚检测；

可设置小偏角：让声束斜入射，检测倾斜裂纹、平面型缺陷，避开工件结构回波干扰；

整条 L 扫所有扫描线共用同一个固定倾角，保持声束平行。

4.4.5 焦距（聚焦深度）

1）含义

人为设定 L 扫声束在工件哪个深度汇聚到最细的位置。

2）作用

• 焦距位置声束最细、分辨率最高、缺陷灵敏度最好；
• 缺陷在焦距附近：成像清晰、容易检出；
• 浅层工件设浅焦距，厚壁工件设深焦距；
• 配合动态聚焦可实现全深度都清晰，不用手动设固定焦距。