相控阵概念最早出现于20世纪30年代，并首先应用于军事雷达领域。1959年，第一个超声相控阵专利被注册。70年代，超声相控阵技术开始应用于医疗领域。80年代前期引入工业领域，中期出现了压电复合材料相控阵探头，有力促进了相控阵检测技术的发展。从1990年起，超声相控阵技术开始实现标准化，并推出了超声相控阵设备。1992年美国通用电气公司研制出数字式超声相控阵实时成像系统。2000年前后超声相控阵技术研究日趋活跃，先后出现多种相控阵超声检测仪，应用领域也不断扩大。中国工业用超声相控阵检测仪最早出现在2010年前后，之后得到快速发展。

超声相控阵检测技术的理论基础是波的叠加。根据使用要求或设定方案，精确控制阵列探头各阵元间激励电压的时间差，使之向材料中发射彼此有一定延迟的超声波，根据声波叠加原理，各阵元声场会在设定方向、设定位置上增强，实现声波的聚焦。若按一定规律改变激励电压的时间差，还可实现声波的变焦和扫查。

图1是128阵元阵列探头线性扫查的原理图，阵列孔径为128阵元，活动孔径为16阵元。对试件中任一指定点，可算出各阵元到达该点的距离及所需时间，精确控制各阵元激励电压的时间差以使活动孔径内所有16阵元发射的超声波同时到达该指定点，即实现了声波在该点的聚焦。由控制电路将活动孔径的阵元依次逐个后移，如1—16，2—17，…，113—128等，并且对所有的活动孔径使用相同的延迟方案聚焦，就可实现声束自左向右113个点的线性扫查。若改变各阵元间激励电压的延迟量，即可改变聚焦深度，实现声波的动态变焦。同样道理，通过改变激励电压的延迟量，还可改变声束的偏转角，进而实现声波的角度扫查。

图1 相控阵线性扫查示意图

相控阵接收是相控阵发射的逆过程。通过精确补偿各接收通道的延迟，可以实现对检测声束的聚焦接收。

相控阵超声检测仪除具有普通超声检测仪的基本组成和功能外，还具有一些单元：①相控阵探头。超声换能器阵列，由若干压电晶片阵元组成，每一阵元占用一个独立的通道，用以接收和发射超声波。②控制电路。将施加到各阵元上的激励电压进行延迟，使相互之间有一规定的时间差。③发射电路。在控制电路的控制下，产生具有一定时间延迟的激励电压施加到各阵元上。④显示电路。对回波信号进行处理，并在显示屏上给出B型、C型等图像显示。原理如图2所示。

图2 基于声束合成的相控阵仪器原理图

相控阵检测通过对各阵元的有序激励，能够灵活地实现声波动态聚焦、变焦和线度扫查、角度扫查等。一个相控阵阵列探头，可以相当于几十甚至几百只常规探头，不仅提高了检测效率，还提高了检测灵敏度、分辨力和信噪比。

相控阵阵列探头可具有一维阵列、二维阵列、曲线阵列、环型阵列甚至柔性阵列等多种不同形式，以适应不同形状工件检测的需要。

相控阵超声检测仪在中国已普及，与常规超声检测仪并行使用，互相补充。

相控阵检测时声场不是连续的，为提高扫查的均匀性，需提高扫查密度，降低扫查间隔。相控阵技术不能进行双探头检测，是其局限性之一。

图3所示是用于检测螺栓的周向阵列探头相控阵超声检测仪。

图3 周向阵列相控阵超声检测仪检测螺栓