1、超声仿真和超声相控阵超声仿真和超声相控阵在在NDE中的应用中的应用目录目录仿真软件CIVA在实际检测中的应用12公司介绍3超声相控阵在实际检测中的应用45曲轴检测仿真及实际应用超声相控阵仪器介绍6讨论公司简介公司简介矩阵科技是中国境内公司；公司主要专注于超声波无损检测技术应用；承接检测工艺开发和工艺评估业务；员工曾多次培训，并获得相关资格认定，国家二级人员资质；负责国外产品在中国的销售和售后服务。公司简介公司简介时间扫查扫查裂纹为什么要开发为什么要开发CIVA软件软件?接触探头接触探头规则断面规则断面不规则断面不规则断面0 dB45声束特性声束特性例如例如:模拟在真实复杂断面的不同位置上产生的
2、声场模拟在真实复杂断面的不同位置上产生的声场-10 dB变化的耦合030-12 dB耦合剂 退化和失真的声束退化和失真的声束表面的不规则状况表面的不规则状况接触和灵敏度的损失接触和灵敏度的损失为什么要开发为什么要开发CIVA软件软件?NDE仿真技术（UT、ECT、RT）主要目的是为了满足在工业上的需要。NDE仿真主要应用于:对现有技术的认证 设计新的检测技术和新式探头(例如：相控阵、TOFD)帮助解释相关超声信号并对缺陷的判断 预测检测方案的可行性 提供准确的缺陷仿真结果采用很短的计算时间来满足工业上的需求 便于普通NDT用户操作几何模型/材料/发射-接收/缺陷为了满足这些目的,仿真工具必须具
3、有以下功能:处理复杂的模型NDE仿真的背景和主要目的仿真的背景和主要目的解决解决NDT在不同技术上的问题在不同技术上的问题:ECT UT RT 一个一个CIVA仿真软件就可以处理所有这些仿真仿真软件就可以处理所有这些仿真为什么要开发为什么要开发CIVA软件软件?超声仿真超声仿真-工件模型工件模型材料材料复合材料复合材料粗晶粒钢粗晶粒钢焊缝焊缝几何形状几何形状插管插管不规则外形不规则外形缺陷缺陷 复杂形状复杂形状,不不 同走向、分同走向、分 叉叉(例如：例如：IGSCC)超声仿真超声仿真-探头模型探头模型双晶探头双晶探头1D线阵线阵扇形探头扇形探头2D矩阵探头矩阵探头环形探头环形探头环绕阵列探头
4、环绕阵列探头柔性探头柔性探头常规超声探头常规超声探头双晶探头双晶探头水浸聚焦探头水浸聚焦探头单探头单探头相控阵超声探头相控阵超声探头CIVA可计算不同类型检测模式和探头的声场分布，有助于可计算不同类型检测模式和探头的声场分布，有助于分析声场分布的情况分析声场分布的情况超声仿真超声仿真-声场计算声场计算 声场计算：可计算声场计算：可计算2D和和3D声场分布声场分布 分析分析-6dB声场覆盖范围声场覆盖范围 进行探头不同声场能量比较进行探头不同声场能量比较 模拟波前传播过程并生成动画模拟波前传播过程并生成动画1 12 23 34 45 56 67 70 00 0T45 接触探头接触探头由于由于不同
5、成分不同成分的各的各向异性造成的失真向异性造成的失真超声仿真超声仿真-声场计算声场计算ExperimentSimulationWithout delayaswith delay lawsR 744mmR 380mmMeasurement of transmitted field at 30mm depth(EMAT)2D sectorial annular array to focus through the torical interface相控阵相控阵0纵波纵波,沿着锥形表面移动沿着锥形表面移动楔块耦合探头楔块耦合探头Krautkramer WB45和和WB60WB60WB45水浸聚焦探头
6、水浸聚焦探头 沿着锥形表面移动沿着锥形表面移动0纵波，聚焦探头纵波，聚焦探头,沿着复合材料移动沿着复合材料移动超声仿真超声仿真-声场计算声场计算CIVA缺陷响应模块中可以模拟不同类型的缺陷缺陷响应模块中可以模拟不同类型的缺陷超声仿真超声仿真-缺陷类型缺陷类型面积面积体积体积交叉型裂纹缺陷交叉型裂纹缺陷脉冲回波脉冲回波,45 横波检测横波检测垂直缺陷垂直缺陷X100 mm200 mmZX14 dB 19 dB 21 dB220 mmZ15 dB20.5 dB22 dBX100 mm200 mmZExperimentSimulationTilt angle250 mm脉冲回波脉冲回波,45 横波检
7、测横波检测,15 倾斜缺陷倾斜缺陷XTilt angle250 mm10.5 dB 5 dB 4 dB110 mm220 mmZX100 mm200 mmX-11.5 dB -17 dB -18 dBExperiment100 mm200 mmZX-12 dB -15 dB -17 dBSimulationContact T45planar probe 45横波横波,复杂复杂(多面型多面型)缺陷缺陷Xscanning5.5 dB11.5 dB-9 dBsimulationdepthscanningReference:2mm side-drilled holescanningdepth7 dB1
8、2 dB-9 dBexperimentTOFD 检测检测,60 纵波纵波,表面开口形缺陷表面开口形缺陷 XScanningL Wave diffractionT-Wave diffractionScanning(60 mm)Time(10 s)ExperimentL Wave diffractionT-Wave diffractionScanning(60 mm)Time(10 s)Simulation脉冲回波脉冲回波 0纵波纵波,固体夹渣固体夹渣(球形缺陷球形缺陷)试验试验t模拟模拟RXUTC扫查视图(俯视图)多层压钢板工件(氧化铝夹渣,直径40 -150)超声仿真超声仿真-缺陷类型缺陷类型
9、超声仿真超声仿真-缺陷仿真实例缺陷仿真实例超声仿真超声仿真-航空航空被检区域被检区域背景背景:由于工件几何形状的限制使得由于工件几何形状的限制使得探头很难在合适区域进行检测探头很难在合适区域进行检测探头扫查探头扫查区域区域超声仿真超声仿真-航空航空被检区域被检区域几何形状的限制几何形状的限制:有限的空间有限的空间探头扫查探头扫查区域区域扇形扫查扇形扫查CIVA 仿真仿真UT相控阵技术相控阵技术超声仿真超声仿真-航空航空通过仿真来对检测区域进行评估通过仿真来对检测区域进行评估超声仿真超声仿真-航空航空缺陷信号缺陷信号工件边缘产生的回波工件边缘产生的回波通过仿真来对检测方案的可行性进行评估通过仿真
10、来对检测方案的可行性进行评估超声仿真超声仿真-航空航空实际检测实际检测-航空航空超声仿真超声仿真-核工业核工业径向切槽径向切槽Scanning()Time of flight(s)未校正的未校正的 B-SCAN回波回波1回波回波2回波回波1回波回波23D重建重建CIVA软件软件:-仿真回波形式-先进的3D重建工具超声仿真超声仿真-核工业核工业UT采集系统(M2M)驱动 3D轮廓曲线传感器 计算相应的延时法则曲率半径 20mm重复频率 150 Hz12x7(84)晶片的矩阵分布铸模在一个柔软的树脂中通过轮廓曲线传感器通过轮廓曲线传感器得到数据得到数据 US通道通道制造商:IMASONIC实际检测
11、实际检测-核工业核工业时间(s)0带角度的扫查50未校正未校正 B-SCAN插管：正视图插管：正视图 尖端尖端角回波角回波3D 重建重建(插管的俯视图插管的俯视图)高度=7mm-发现缺陷、定位 和定量-角回波(信噪比 20 dB)和 尖端衍射信号(信噪比7 dB)实际检测实际检测-核工业核工业-仿真和实验结果很相近H=7 mm-9dB/TG-1-10dB/TG-1偏角 30纵波45高度高度 7 mm仿真结果仿真结果(CIVA)实验结果实验结果结果对比结果对比-核工业核工业超声仿真超声仿真-核工业核工业l产生55度到80度扇形扫查：超声仿真超声仿真-核工业核工业超声仿真超声仿真-核工业核工业结果
12、对比结果对比-核工业核工业核电补偿器CIVA仿真 实际检测超声仿真超声仿真-核工业核工业发射接收裂纹检测裂纹检测1232扫查扫查时间发射接收123根部裂纹根部裂纹:考虑遮挡影响考虑遮挡影响123时差波幅1223 下尖端信号下尖端信号扫查时间直通波直通波 底波底波上尖端信号上尖端信号超声仿真超声仿真-TOFD遮挡效应影响遮挡效应影响lECT可实现工件内部电场的预测，计算探头的阻抗图，同样可实现单探头或多探头的缺陷响应仿真l工件、探头和缺陷涡流仿真涡流仿真偏心的外部探头带铁磁芯的多线圈探头滑动探头半椭圆缺陷差动式带倾角绝对式铆钉结构涡流仿真涡流仿真-电场、涡流密度电场、涡流密度阻抗归一化电场、涡流
13、密度分布图l模拟绝对式探头在平板工件内的电场分布情况，同样可以计算不同工作频率的阻抗变化图，选取最佳的工作频率涡流仿真涡流仿真-电场、涡流密度电场、涡流密度涡流仿真涡流仿真-差动式差动式l 采用差动式方式，对平板内部交叉型缺陷进行检测，观察缺陷的C扫视图检测示意图缺陷C扫图涡流信号的模拟涡流信号的模拟涡流仿真涡流仿真-外开槽外开槽40%壁厚损失壁厚损失涡流仿真涡流仿真-差动式差动式lXR可预测X射线源或伽玛射线源所产生的直接辐射或散射辐射l工件l缺陷射线仿真射线仿真射线仿真射线仿真-缺陷响应缺陷响应检测示意图底片成像射线仿真射线仿真-缺陷响应缺陷响应检测示意图底片成像射线仿真射线仿真-缺陷响应
14、缺陷响应检测示意图底片成像射线仿真射线仿真-缺陷响应缺陷响应检测示意图底片成像结论结论CIVA仿真软件可实现UT、ECT和XR三种无损检测方法预测检测方案的可行性，辅助制定检测方案，减少成本投入可进行仿真结果与实际数据对比，分析信号来源，有助于检测结果的分析与判断 相控阵的基本理论相控阵的基本理论 原理介绍原理介绍相控阵基本理论相控阵探头就是将一个常规探头分割成许多个小的探头。每个小的探头是相对独立的，可以通过控制每个探头的激发延时来实现波束的生成(波束的偏转、聚焦)原理介绍原理介绍CIVA 仿真相控阵探头的声束产生选择聚焦点计算每个晶片的延时法则可查看硬件对每个通道施加的延时法则 聚焦点聚焦
15、点原理介绍原理介绍Phased array ultrasound are just ultrasound!它们使用的是相同的理论,相控阵只是应用更加灵活和快速原理介绍原理介绍 多个探头检测同一工件123123同一探头+变化的设置 能适用于表面变化的工件 多区域检测原理介绍原理介绍电子扫查:选择激发晶片机械扫查工业应用:高速采集扇扫成像工业应用工业应用:针对有限空间检测复杂的针对有限空间检测复杂的工件工件原理介绍原理介绍探头环阵列探头线阵列探头矩阵探头扇形探头应用轴向聚焦轴向聚焦+波束偏转波束偏转+全体积内的聚焦界面只是用于平面工件的 0 检测不适用于垂直界面适用于3D模型的任意界面相控阵探头相
16、控阵探头:水浸接触式双晶 RT内环/外环阵列探头智能柔性探头相控阵探头（标准的和自定义的）相控阵探头（标准的和自定义的）相控阵探头相控阵探头:相控阵应用的举例相控阵应用的举例 航空应用航空应用-复合材料检测复合材料检测电子扫查可用于扩大检测区域和降低检测时间碳纤维试块(Airbus 380 复合材料)航空应用航空应用-复合材料检测复合材料检测滚轮式探头：干耦合式阵列式相控阵探头，已得到国外航天无损检测的认证，在国外已有广泛应用。干耦合C扫描成像航空应用航空应用-复合材料检测复合材料检测GFRP检测缺陷成像挡风玻璃的相控阵检测：航空应用航空应用-结构件检测结构件检测飞机结构件相控阵检测：飞机局限
17、部位工件探头缺陷C扫A扫结构孔Application for aluminum T-sections3D 应用 核电应用核电应用-复杂形状工件检测复杂形状工件检测晶片按矩阵式排列检测仪重建工件外形 通过轮廓曲线传感器得到数据超声通道弯曲半径 50mm脉冲重复频率 150 HzM2M公司的超声采集系统MULTIX 全并行多通道采集系统 实时处理:2 内置处理器 仿真和成像工具 轮廓曲线传感器驱动核电应用核电应用-复杂形状工件检测复杂形状工件检测直径3 mm的平底孔核电应用核电应用-复杂形状工件检测复杂形状工件检测核电应用核电应用-复杂形状工件检测复杂形状工件检测3mm 平底孔核电应用核电应用-复
18、杂形状工件检测复杂形状工件检测核电应用核电应用-复杂形状工件检测复杂形状工件检测核电应用核电应用-复杂形状工件检测复杂形状工件检测核电应用核电应用-补偿器检测补偿器检测探头运动方向-管子检测(f 280 mm 厚度：35 mm)-碳钢(CT=3230 m/s)-V MMA 焊缝f 280 mm厚度 35 mm压力容器压力容器-焊缝检测焊缝检测在每个扫查步进上都会产生一个扇形扫查压力容器压力容器-焊缝检测焊缝检测C扫描成像 扫查轴角度轴压力容器压力容器-焊缝检测焊缝检测检测、分析和定量:=通过超声数据在工件CAD视图上的叠加，更便于对检测结果的理解。压力容器压力容器-焊缝检测焊缝检测铁路行业铁路
19、行业-轮对检测轮对检测 相控阵技术已经被广泛应用例如:焊缝检测、管子检测、复合材料检测、核电插管检测相控阵技术能够用于复杂工件和多层材料工件工件检测结论结论相控阵设备介绍相控阵设备介绍相控阵系统相控阵系统并行式超声相控阵系统并行式超声相控阵系统低频高压超声相控阵系统低频高压超声相控阵系统2000系列超声相控阵系统系列超声相控阵系统便携式超声相控阵系统便携式超声相控阵系统 Multi X 不同于其他相控阵系统，它具有独特不同于其他相控阵系统，它具有独特的全并行硬件结构。的全并行硬件结构。Multi X可以驱动线性和矩阵探头，可以进行可以驱动线性和矩阵探头，可以进行精确精确检测并且不降低检测速度。
20、检测并且不降低检测速度。硬件优点硬件优点:全并行结构可以驱动线性和矩阵相控阵探头全并行结构可以驱动线性和矩阵相控阵探头,并且支持智能柔性探头并且支持智能柔性探头。模块化设计可以根据用户需要进行扩展（以模块化设计可以根据用户需要进行扩展（以8 8通道为基数进行扩展）。通道为基数进行扩展）。使用可编程处理器实现即时硬件处理。使用可编程处理器实现即时硬件处理。快速扫描和信号重建快速扫描和信号重建 Multi x 32,并行并行32 个通道个通道(32x32 通道通道 x脉冲发生器脉冲发生器/接收器接收器)Multi x 64,并行并行64个通道个通道 Multi x 128,并行并行128个通道个通
21、道Multi x 256,并行并行256个通道个通道Multi X全并行相控阵设备全并行相控阵设备Multi20002000采用多路硬件结构采用多路硬件结构,可以实现可以实现所有的相控阵功能所有的相控阵功能.多路分时结构应用较少的通道数量可以驱动相控阵探头。多路分时结构应用较少的通道数量可以驱动相控阵探头。1 个接收通道连接个接收通道连接4个发射器个发射器模块化设计可以根据用户需要进行扩展（以模块化设计可以根据用户需要进行扩展（以8x32为基数进行扩展）。为基数进行扩展）。利用可编程处理器实现即时硬件处理利用可编程处理器实现即时硬件处理(实时真实时真3D显示显示)硬件优点硬件优点:Multi2
22、000 16 x 64(通道通道x 脉冲发生器脉冲发生器/接收器接收器)Multi2000 32 x 128Multi2000 64 x 256Multi2000 128 x 512Multi 2000多路多路式相控阵设备式相控阵设备硬件优点硬件优点:Multi 的并行结构和相关功能 模块化设计可以根据用户需要进行扩展（可以以4通道为基数进行调整）。激发电压高达 400 V 低频率(50kHz-5MHz)脉冲串激发功能 可用于混凝土检测 Multi.X LF 使用全并行硬件结构，使用全并行硬件结构，激发电压高，支持常规探头和相控阵激发电压高，支持常规探头和相控阵探头探头,并且可以产生脉冲串并且
23、可以产生脉冲串Multi X LF 16,并行并行16通道通道(16x16 通道数通道数x 脉冲发生器脉冲发生器/接收器接收器)Multi X LF 32,并行并行32 通道通道 Multi X LF 64,并行并行64 通道通道Multi.X LF低频高压相控阵设备低频高压相控阵设备Pocket是一款全开放的便携式超声相控阵设备，体积小，质量轻，软件专业，在各种检测领域均有广泛应用。同时提供DLL动态连接库，支持软件开发，是进行超声相控阵研究的绝佳平台Multi Pocket便携式相控阵设备便携式相控阵设备硬件特点：体积小便于现场检测，紧凑的结构和模块化设计，操作简单 多种型号可供用户选择：
24、Pocket 832(832：脉冲发射通道接收通道)Pocket 1664Pocket 3232Pocket 6464使用USB2与 PC连接，用于数据传输和供电提供DLL动态链接库，支持软件开发技术参数：电子聚焦，电子扫查，扇形扫查 系统带宽：0.8到16MHz 负方波脉冲，脉冲宽度可调整：3 0 n s 1.2 u s，步进2.5ns，下降时间10ns（80V,50）最大采样率100MHz（从6.6到100MHz可选择)每个通道的增益范围：080dB 一个USB2.0接口，用于参数和数据传输 一个Hypertronic相控阵接口 三个编码器输入注：不同型号产品参数略有不同，具体请咨询我司技
25、术人员。软件优点软件优点 整合了整合了NDT NDT 仿真软件仿真软件 (CIVA)(CIVA)部分功能，可进行聚焦法则计算和超声声场预算部分功能，可进行聚焦法则计算和超声声场预算 用户界面友好，并且用户可以自定义界面用户界面友好，并且用户可以自定义界面 可完全描述检测状况可完全描述检测状况 可以输出每个通道的原始数据可以输出每个通道的原始数据 每个通道的参数可以设定，例如：增益每个通道的参数可以设定，例如：增益 标准的文件格式标准的文件格式 (xml(xml 标题和二进制数据文件标题和二进制数据文件)使用使用APIAPI函数，可以很容易地访问文件函数，可以很容易地访问文件 远程控制功能可以实
26、现自动化，也可以很方便地整合到其他系统中。远程控制功能可以实现自动化，也可以很方便地整合到其他系统中。软件能够接收（外部）特殊的软件能够接收（外部）特殊的“插入式插入式”函数函数根据根据NDTNDT模块和模块和 CAD CAD 工件支持的校正图像可以获得更多的信息工件支持的校正图像可以获得更多的信息新的新的NDTNDT显示方法包括：显示方法包括：3D 3D 扫查扫查+3D+3D重建重建 专业应用专业应用,简化解释简化解释 等等等等 可输入复杂工件模型，适合复杂工件检测工艺开发；可输入复杂工件材料，如各项一心材料，例如不锈钢；可计算探头实际声场，其他软件只能用一根直线来代表声束，不真实；可模拟不同的扫查方式，例如直线扫查、栅格扫查等；可计算缺陷信号幅值，计算探头检出率；可计算相控阵各种复杂的聚焦方式；计算的聚焦法则可以直接导入到M2M仪器中激励实现；可以打开M2M仪器所采集的数据进行各种数据处理和分析；可对实际采集的数据进行真3D成像，可帮助缺陷定量定性分析；可将模拟结果与实际检测结果进行对比验证并改进检测方案。CIVA+M2M的优势的优势问题讨论问题讨论讨论讨论
