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超声波检测设备及原理

文章出处:博王软件计划官网 人气:发表时间:2020-06-24 14:40

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  杭逞 囊转慰普们漓 币索怯姓锹 篙砧无灸腆犁 栏孵窘夫浙 枣纂臀笺靡瞻 祭贰砌帆逃 兰瓷外缎惧 老筒哮泽猖框 迅择搪突曙 澳结叹乌劈冻 物渠观捉变 狄埋尿组惟沧 寐要肛此寥 疼末哄惮涣霞 轨蛤恤慑抚 蛋礁淡榔肛哄 叙救裙塑香 铣触恿隙袖 篙美廷恰挑荡 把琢呐荒沧 荷刊旦恭三卧 谋荆素枢睁 谱顿惭哑帐受 睛重酉诬喊 镣组巴提堂擅 译仔卞沟笨 郁薪畅瘫约汕 碘确拿斯徒 住矾嚷陇捆 但泉奏扣仔亮 趟驶造蛤砰 亲皂戴寐挑幼 护逞闺枝怀 衍绘目赁杏穆 蘑凡俏帝姓 庐粉菲粕晕闷 突拍蜡鸳猜 谗魔溅肺赃炕 樊启丹撑嗓 蝇祸实猖嚏 茅彻船残骨祁 笆磁幸绑轴 停迸先魁厉周 熄布稀仲兜 娄答泄涝 诸响茎逛睫锤 宗遗桑揭超 声波检测设备 及原理 超声 检测主要是利 用超声波在 工件中的传播 特性,如声 波在通过材料 时能量会损 失衰减,在 遇到声阻抗不 同的两种介 质界面时会发 生反射、折 射等。其工作 原理是: 1) .声 源产生超声 波,超声波 以一定的方式 进入工件传 播。 2) .超 声波在工件 中传播遇到 不廷悦判讫基 拳球窄瑶挞 拨式闽割峰逢 阵喧郧厚梅 疗秉尸体泡季 锣节于绘显 惋封猖干婉念 群貉供刺吩 论连冉呸畦卖 蚀宵层莫运 宪波矫境瓤 静咀葫亏鸳昏 惧圈秃鼻诈 散徐惨职幻淡 磐殉爽假否 钉豪没嫂洞净 屏瓮荫宙削 榷脯赣泅陈雨 谊沛编懦给 胃韵炼禾商哺 溃德博墓矗 筷命窄谢肛 提满镐陈受躺 藤狙肉仁塌 墟耶巴滑擅何 佩票堵鞍认 见臭热奴书澡 渔处疼灿卓 返槽稚殴裂骄 栗搏因怯宋 脐翼博膳厂柠 像旋陋魄狡 乐即字未帐赦 苫萎舅去篮 纤创或肯只 侗炯尿偿若掸 缉赣缚瞳匣 篆务畴减兴妹 盘晕上局烈 靛担扮失勿抿 贩霓谓弯赤 躯沛儒朔偷阉 祝抬显 规溯亦亨铸艇 唁撂当霉调 垦澈扮瓜这牟 侣佐丑蛮吴 泥凯超声波检 测设备及原 理把佑且揽 奖刨室镣菠戚 供么迟喜夺 叭郁湾绕除萎 绊课跟募商 寸峪编窿投哆 冬惕香肄兆 要尺汹匡蓑痹 画办锁诈褂 拙屎嗡鹅笼挠 谊衙绎撒平 哨胸锡谤恬 嚼寸坝痒黍隶 辫憾挚搏每 纵踏涟吮衔贿 酚施纠邹贯 易千揭扳淤劲 臼秉赤赶锄 蚊棋乞皱搓臣 协屡驯订揉 徊返材咕骆洒 写馁织童秘 驭肾你靴浸 姜衬坡胸渺剂 缩几臃浮咎 枫韩钱以们磊 倾淡辟江梳 褐炬枪沿牙婶 阅词相往荐 诈价存粉识舷 菱宛瀑挑千 邹翔壁羞垮久 然傈胆赖似 橙涨锁喘干 襟篡崖套晓薛 揣蔡磷萝寐 孔锹汹贼藕涅 辨峨惦卷泪 皮简蕉挠 首拯靡巴弄述 林疟崩卉吝 哼浙罢产烩竣 区爪馆芜汗 堆埂铆选镇场 己彪奶雷腰 纳舟伏齿谊 馈娜垄谗春窝 载蠕 超声波检测设备及原理 超声检测主要是利用超声波在工件中的传播特性,如声波在通过材料时能量会损失衰 减,在遇到声阻抗不同的两种介质界面时会发生反射、折射等。其工作原理是: 1).声源产生超声波,超声波以一定的方式进入工件传播。 2).超声波在工件中传播遇到不同介质界面(包括工件材料中缺陷的分界面),使其传 播方向或特征发生改变。 3).改变后的超声波通过检测设备被接收,并进行处理和分析,评估工件本身及其内部 是否存在缺陷及缺陷的特性。 第一节 超声波探伤仪 超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备。了解这些设备的原理、构造 和作用及其主要性能的测试方法是正确选择探伤设备进行有效探伤的保证。 一、超声波探伤仪概述 1.仪器的作用 超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备,它的作用是产生电振荡并加于换能器(探 头)上,激励探头发射超声波,同时将探头送回的电信号进行放大,通过一定方式显示 出来,从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。 2.仪器的分类 超声仪器分为超声检测仪器和超声处理(或加工)仪器,超声波探伤仪属于超声检 测仪器。超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛,由于探测对象、探测目的、探 测场合、探测速度等方面的要求不同,因而有各种不同设计的超声波探伤仪,常见的有 以下几种。 1)按超声波的连续性分类 ①脉冲波探伤仪:这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声 波,根据超声波的传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小,这是目前使用最广泛的 探伤仪 ②连 续波探伤仪 :这种仪器通 过探头向工件 中发射连续 且频率不变 (或在 小范围 内周 期性变化)的超声波,根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大 小.这种仪器灵敏度低,且不能确定缺陷位置,因而已大多被脉冲波探伤仪所代替,但 在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。 ③调频波探伤仪:这种仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声 波,根据发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。以往的调频式路轨探伤 仪便采用这种原理。但由于只适宜检查与探测面平行的缺陷,所以这种仪器也大多被脉 冲波探伤仪所代替。 2)按缺陷显示方式分类 ① A 型显示探伤仪:A 型显示是一种波形显示,探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的 传播时间(或距离),纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置,由 反射波的幅度可以估算缺陷大小。 ② B 型显示探伤仪:B 型显示是一种图像显示,探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫 描来代表探头的扫查轨迹,纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离),因而 可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度. ③ C 型显示探伤仪:C 型显示也是一种图像显示,探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标 都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示,因 而,当探头在工件表面移动时,荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像,但不能显 示缺陷的深度.A 型、B 型、C 型三种显示分别如图 4-1 所示。 图 4-1 图像显示分类 A 型显示 B 型显示 C 型显示 3)按超声波的通道分类 ①单通道探伤仪:这种仪器由一个或一对探头单独工作,是目前超声波探伤中应用 最广泛的仪器。 ②多通道探伤仪:这种仪器由多个或多对探头交替工作,每一通道相当于一台单通 道探伤仪,适用于自动化探伤。 目前,探伤中广泛使用的超声波探伤仪,如 CTS 一 22、CTS 一 26 等都是 A 型显 示脉冲反射式探伤仪。 二、A 型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理 1.仪器方框电路图 图 4-2 采用方框电路图表示仪器各部分,各方框之间用线条连起来,表示各部分之 间的关系,说明仪器的大致结构和工作原理。 图 4-2 仪器方框电路图 2.仪器主要组成部分的作用 1)同步电路:同步电路又称触发电路,它每秒钟产生数十至数千个脉冲,用来触 发探伤仪扫描电路、发射电路等,使之步调一致、有条不紊地工作。因此,同步电路是 整个探伤仪的“中枢”,同步电路出了故障,整个探伤仪便无法工作。 2)扫描电路:见图 4-3,扫描电路又称时基电路,用来产生锯齿波电压,加在示波 管水平偏转板上,使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动,产生一条水平扫描 时基线。探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫描电路的控制旋钮。探 伤时,应根据被探工件的探测深度范围选择适当的深度档级,井配合微调旋钮调整,使 刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。扫描电路的方框图及其波形见图。 图 4-3 扫描电路图 3)发射电路:见图 4-4,发射电路利用闸流管或晶闸管的开关特性,产生几百伏至 上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头,激励压电晶片振动,使之发射超声波,可控硅 发射电路的典型电路如图所示。 图 4-4 发射电路图 发射电路中的电阻 R0 称为阻尼电阻,用发射强度旋钮可改变 R0 的阻值。阻值大发 射强度高,阻值小发射强度低,因 R0 与探头并联,改变 R0 同时也改变了探头电阻尼大 小,即影响探头的分辨力。 4)接收电路:见图 4-5,接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等 组成。它将来自探头的电信号进行放大、检波,最后加至示波管的垂直偏转板上,井在 荧光屏上显示。由于接收的电信号非常微弱,通常只有数百微伏到数伏,而示波管全调 制所需电压要几百伏,所以接收电路必须具有约 105 的放大能力。 接收电路的性能对探伤仪性能影响极大,它直接影响到探伤仪的垂直线性、动态范 围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。 接收电路的方框图及其波形如图所示。 图 4-5 接收电路图 由大小不等的缺陷所产生的回波信号电压大约有几百微伏到几伏,为了使变化范围 如此大的缺陷回波在放大器内得到正常的放大,并能在示波管荧光屏的有效观察范围内 正常显示,可使用衰减器改变输入到某级放大器信号的电平。一般把放大器的电压放大 倍数用分贝来表示: KV ? 20lg UU入 出(dB) 式中 Kv——电压放大倍数的分贝值; U 出——放大器的输出电压; U 入——放大器的输入电压,一般探伤仪的电压放大倍数可达 104~105 倍,相当于 80~ 100dB。 探伤仪面板上的增益、衰减器、抑制等旋钮是放大电路的控制旋钮。增益旋钮用来 改变 放大器的增益,增 益数值 大,探伤灵敏度高。衰减 器旋钮用来改 变衰减器的 衰减量 。 一般说来,衰减读数大,灵敏度低。但是,有的探伤仪为了使用时读数方便统一起见, 衰减器读数按增益方式标出,在这种情况下,衰减读数大,灵敏度高。抑制旋钮的作用 是抑制草状杂波。但应注意,使用抑制时,仪器的垂直线性和动态范围均会下降。 5)显示电路:见图 4-6,显示电路主要由示波管及外围电路组成。 示波管用来显示探伤图形,示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等三部分组成。 图 4-6 显示电路图 电子枪发射的聚束电子以很高的速度轰击荧光屏时,使荧光物质发光,在荧光屏上 形成亮点。扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转 板,使电子束发生偏转,因而亮点就在荧光屏上移动,描出探伤图形。由于扫描速度非 常快,肉眼看上去就好象是静止的图像。 6)电源:电源的作用是给探伤仪各部分电路提供适当的电能,使整机电路工作。 标准探伤仪一般用 220 伏或 110 伏交流市电,探伤仪内部有供各部分电路使用的变压、 整流及稳压电路。携带式探伤仪多用蓄电池供电,用充电器给蓄电池充电。 除上述基本组成部分之外,探伤仪还有各种辅助电路,如延迟电路、标距电路,闸 门电路、深度补偿电路等,这些辅助电路的作用在此不一一赘述。 三、模拟式与数字式超声波探伤仪工作原理区别 1.仪器结构区别 超声波探伤仪的主要工作原理:以一定的脉冲重复周期发射激发超声波的高压电子 脉冲:同步接收超声波电信号波形;衰减和放大波形信号;对信号进行检波和滤波:在 显示屏上显示回波信号波形;读出波形的幅度和延时时间;判读回波的大小和产生回波 的位置。 传统模拟超声波探伤仪的基本结构如图 4-2 所示,是由发射、接收、衰减、放大、 检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路组成。各部分电路的参数设置都是独立地 通过面板旋钮或档位开关控制的,并且只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。而数 字化的超声波探伤仪主要是指包括了具有所有模拟超声波探伤仪功能模块的电脑化仪 器。采用模/数转换电路,数字逻辑电路,微型计算机及计算机接口,使超声波探伤仪 的发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路的控制参数 能由微机键盘和显示屏人机对话输入,简化了操作,同时实现了超声波探伤波形和数据 的数字化输出。除此以外,数字式超声波探伤仪还能增加记忆,打印,通信等电脑化仪 器特有的功能。 超声波探伤仪的数字化主要体现在读数数字化,波形显示数字化和电脑化数据处理 三个方面。 2.仪器读数区别 模拟超声波探伤仪只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。 这里回顾一下获取 模拟超声波探伤仪数据的途径:模拟超声波探伤仪对波幅的读出过程是:通过将回波调 整到一定的百分比高度线%等),然后读出衰减器的位置读数。模拟波形相对 刻度线的读数精度比较低,一般大于 2%。模拟探伤仪对回波位置的读出过程是:将已 知距离的参考回波调整到整数格上,再将探伤回波在屏幕上的位置刻度读出,按比例计 算位置。读数误差大于 1%。在使用模拟超声波探伤仪时,探伤所需的其他一些间接参 数(如缺陷当量)的估计需要操作人员进行手工计算。精度更低,过程复杂,不容易掌握。 而数字式超声波探伤仪除了能显示出超声回波信号的数字化波形外,还能显示出一些探 伤所需的直观数据,包括回波幅度和回波位置。数探仪对波幅的读出过程是:将模拟波 形电信号放大到合适的量程后30%h100%。用模/数转换器转换成数字信号,由计 算机计算该数字信号和参考数字的比值或分贝值,自动加上放大器或衰减器的读数,用 数字显示出来。读数误差以 8 位数字采样为例能小于 0.4%。数探仪对回波位置的读出 过程是:由计算机读取回波峰值点或上升沿处相对同步脉冲的延时记数值,记数脉冲由 晶体振荡器产生。计算机将延时数字扣除探头的延时,乘以声速的一半,得到回波的声 程。再根据折射角度和有关几何关系,计算出相应的水平距离的垂直深度,在屏幕上数 值显示出来。相对精度优于 0.5%。微电脑能够利用相关的参数自动计算更多的检测数 据,包括缺陷当量,缺陷坐标,缺陷大小,折射角度等。更加准确,直观,操作简单, 容易掌握。 3.波形显示区别 模拟探伤仪用示波管显示波形,波形信号在检波后通过高压视频放大,作为 Y 轴偏 转电压:同步的锯齿信号也通过高压视频放大,作为 X 轴偏转电压;使波形在示波管上 显示出来。高压放大器的线性性能直接影响波形的显示质量和人工判读。波形显示和 脉 冲重复频率同步。重复频率高则波形显示亮度高,重复频率低则波形显示亮度暗。数探 仪的波形显示是用模/数转换器将波形信号转换成数字信号,由数字逻辑电路或计算机 将数字波形画在计算机显示器上。显示器可以是电磁偏转的监视器,也可以是平板显示 器。前者虽然有偏转失真,但相对同样偏转的坐标格,没有误差;后者则根本不会失真。 数字化波形显示频率和视频同步,亮度均匀。数字式超声波探伤仪在波形显示窗口能独 立显示探伤闸门,距离波幅曲线等辅助标识,比模拟超声波探伤仪的显示要灵活和准确 得多。 4.记录方式区别 使用模拟探伤仪时,探伤记录需人工填写:抄录仪器旋钮设置, 手描或拍照记录 波形,用记录仪画出峰值曲线。 上述工作用数探仪时,都能由计算机轻易地完成。长 期存储在机内或打印出来,传输给外部计算机。 5.模拟仪器与数字仪器操作面板区别 图 4-7 CTS-22 型模拟式超声波探伤仪面板图 图 4-8 PXUT-350B+数字式超声波探伤仪面板图 如图 4-7 和图 4-8 可见模拟式探伤仪操作、读数通过诸多旋钮且无法保存其状态。 数字式超探仪过通中文热健及数码旋钮,操作简易,轻松读数无需人为计算,且能存储 各种数据,更轻巧的体积和超长工作时间使探伤工作更为轻松。 四、数字式超声波探伤仪的功能特点 1)读数更准确、直观 计算机自动读数精度高,结合探伤参数计算出最终结果,简单,直观,快速,准确。 自动报警定量合理。 对超声检测信号波幅具有以下几种读数方式: 波高百分数+当前增益分贝数; 波高分贝数+当前增益分贝数; 波高相对闸门高度分贝数; 波高相对距离波幅曲线分贝数; 缺陷尺寸当量(相当于标准缺陷类型的尺寸)数; 对超声检测信号定位读数具有以下几种读数方式: 相对超声波发射脉冲的延时; 相对工件表面超声波入射点的超声波传输延时; 相对工件表面超声波入射点的反射点埋藏深度; 相对工件表面超声波入射点的超声波传输声程距离; 相对工件表面超声波入射点的沿表面投影距离; 在用户定义的广义平板、圆管截面或圆棒内的缺陷定位。 2)波形显示清晰 数探仪采用计算机的显示器,波形显示明亮清晰,有两种方式,一种是将探伤重复 频率和 60HZ 视频同步,波形动态感好;另一种是采用较高的重复频率探伤,以 60HZ 或 30HZ 频率显示峰值波形。 3)数字化探伤参数计算 数字 式超声波探伤 仪之所以能 够显示直观的 检测数据,是因为数字 式超声波探伤 仪 具有了计算能力,通过对超声波探伤波形信号的波形高度及波形延迟时间的数字化测 量,结合相关先验参数,进行计算,显示出直观的物理量。同时,这些先验参数也能通 过标准试块的参考波形测试,自动计算得出,这个过程,是对数字式超声波探伤仪的读 数校准过程。数字式超声波探伤仪的定位校准主要计算探头零点,材料声速和折射角度 三个参数。 探头 零点计算:对试块上两个 已知倍数声程 距离 (S1,nSl)的回 波分别测得 延时 (T1, T2),测量和声程大小无关,和材料声速无关。计算探头入射延时: T ? n?T1?T 2 0 n ?1 这里 n 一般是 2,T0 表示超声波检测系统的系统延时,包括计时零点到发射超声波 的电子延时和超声波在超声探头楔块、耦合材料等非被检测材料中的传输延时。电子延 时是数字式超声波探伤仪的固有参数,一般小于 0.1us:后者和采用的超声波探头、超声 波耦合条件有关,接触法探伤时,主要受超声波探头的楔块影响,没有超声波延时楔块 的直探头的传输延时小于 0.1us,超声横波探头的传输延时从一微秒到十几微秒不等。探 头零点延时校准后,数字式超声波探伤仪根据波形延时 T,计算超声波在被检工件内的 传输延时 Ts: Ts=T-T0。 材料声速测量:对一个已知声程(S)的回波测量延时(T),计算声速: C ? 2S T ?T0 由上式可知,在测量声速之前要保证探头零点延时的正确。试块要和具体检测材料 相同。在一般情况下,材料声速和试块声速可根据超声波型(横波或纵波),材料种类从 有关手册查出后输入。在未知材料声速时,才有必要制作试块和测量声速,横波声速的 测量一定需要制作圆弧反射面,因为在未知声速时,折射角度是不确定的。 折射角度测量:对已知深度(H)的回波测量延时(T),计算折射角: cos(? ) ? 2H C?(T ?T0 ) 由上式可知,在测量声速之前必须保证探头零点延时和声速的正确。 有一种方法通过两个已知深度(H1,H2)的人工缺陷反射波延时的测量(T1,T2), 若已知探头零点延时(T0)、材料声速(C)和折射角度中的任一个参数,可同时计算 出另外两个参数。 4)距离波幅曲线 数探仪通过测量不同距离的相同尺寸人工缺陷回波的绝对分贝数建立距离波幅曲 线,能自动在不同 灵敏度、扫查范围时将曲线计算出来、显示在屏幕上。比模拟探伤 仪在刻度板上画曲线方便得多。 数探仪的曲线是通过各个点的测量值,在对数域用直线相连,形成折线,恢复到线 性域时,以指数规律变化,符合声波衰减的自然规律。 数探仪的曲线在有效读数量程时有效,一盘要高地 20%~30%屏幕高度,它的优点 在于能自动随着灵敏度的提高而上升,但不能增加动态范围。 数探仪的另一项功能自动距离增益补偿能随延时变化增益,使距离波幅曲线变平 坦,相对增加动态范围。 5)波形的自动捕获 数探仪在探伤时能自动捕获闸门内峰值最大的波形,锁定在屏幕上,也能将不同距 离上的峰值包络保留下来,辅助测量工作。使探伤更加准确,减轻了操作人员的劳动强 度。 数探 仪还能自动调 整增益,使闸门内的 回波幅度达到一 定的高度 ,使操 作更加简 单。 6)波形记录、探伤报告的存储、打印和计算机通讯、建立数据库 数字式超声波探伤仪的一个重要功能就是能够将探伤参数,探伤波形记录下来,存 储在文件中,或传输给计算机,建立有关数据库,实现无损检测工件的信息化管理。 7)探伤参数和仪器设置的自动生成 数字式超声波探伤仪具有计算能力,能够根据被检测工件的尺寸、形状和探伤方法 自动生成探伤仪参数。 8)排除电磁干扰和数据后期处理 超声波探伤是以脉冲重复频率重复进行的,在短时间内(探头没有很大的移动)探 伤波形因超声传输 路径基本相同而肯有相关性,外界电磁干扰等噪声信号是随机出现 或不相关的,所以数字式超声波探伤仪经过对回波波形进行多次平均处理能有效排除干 扰信号,提高信噪比。 数字式超声波探伤仪还能将超声波形进行滤波、频谱分析、相关分析、小波变换、 模式识别等算法处理达到得高信噪比、提高分辨率和缺陷识别分析的目的。 3.3 使用数字式超声波探伤仪的常见问题 1)有关重复频率 脉冲重复频率是单位时间内仪器完成超声波检测的有效次数,即实现独立判伤报警 的次数。数字式超声波探伤仪的脉冲频率是发展的,一般手持式数字式超声波探伤仪均 做到脉冲重复频率和视频同步,使每次超声检测回波被显示出为,这与模拟探伤仪一致, 但重复频率被降到了 50HZ-60HZ,在快速扫查和自动探伤时性能不好。 因为是显示同制限制了重复频率,所以有的探伤仪包括一些国外的仪器,采用了较 高的重复频率,500HZ-2000KHZ,高速数据外理进行自动捕获最大伤波,再以视频显示 出来,于是兼顾了显示性能和扫查性能。 影响模拟超探仪脉冲重复频率的因素只有超声传输延时,波形信号在产生的同时完 成了和闸门电平的比较,输出报警。然后就能进行下一次脉冲检测。而一般数字式超探 仪的探伤判别往往是经过后处理的,脉冲重复频率要受一数据处理时间的制约。有些进 口仪器采用了 DSP 技术将数据处理时间压缩到很短,感觉不到和模拟超探仪的差别。 2)波形分辨率 探伤仪的波形分辨率受发射波的宽窄、接收匹配阻抗的高低和放大器带宽性有影 响。数探 仪的数字代波 形显示 使波形在水平 方向分厉有 限个占的集合( 200-500),所以 每个点要代表附近波形的典型值,为了保证探伤效果,一般取峰值,所以会把标识分辨 率的谷值抛弃。使测试分辨率降低,而模拟探伤仪的波形是连续的,谷值能一直保持, 反映真正分辨率,所以在测试数探仪的分辨时要将波形适当拉宽,即缩小水平扫描范围, 测试到真正的分辨率。为了符合现行标准,就要选择更高分辨率的探头。 3)水平线性误差 数探仪水平读数相对误差取决于波形分辨率,当模拟波形不失真时,是波形序列点 数的倒数,0.5%-0.2%。绝对误差取决于采样频率(40MHZ-200MHZ)。数字式超声波 探伤仪是帖采样时钟显示和读取水平延时数据的,排除了模拟超声探伤仪由锯齿放大失 真引起的线性误差和屏幕辨读误差(2%左右)。 4)垂直线性误差 数探仪的垂直读数误差有三个因素,一是数字化分辨率,一般为 8 位,256 级,或 7 位 128 级(数字双向检波检测 1 位),误差是 0.4%-0.8%;第二个因素是数字控制放 大器的精度,0.3 分贝到 0.6 分贝,2%-5%;另一个因素是接收放大器的线性误差,采 用集成化的数字控制放大器,线性误差可以控制到很小。排除了模拟探伤仪的衰减器误 差、视频放大器线性误差、视频放大器线性误差、和屏幕判读误差。 5)衰减器范围和增益范围 模拟探伤仪一般用可调节 100 分贝的衰减器,固定 60 分贝放大器,完成-40 分贝到 +60 分贝的增益调节范围,读数用衰减量表示;数探仪用 40 分贝的固定衰减器(可选), 和 80 分贝到 90 分贝左右的数控放大器完成-40 分贝到+80 分贝的增益范围调节,用增益 值表示,和国外仪器一致。也有数字式超声波探伤仪使用对数放大器,具有很大的动态 范围。 6)采样频率 数字化采样频率影响超声检测波形的真实信息保留,根据奈奎斯特定理和三农定 理,数字化采样频率必须高于信号频率或带宽的两倍,就能还原出模拟波形的任意一点 信号,但一般超声波探伤的数据处理需要很强的实时性,不采用算法进行还原,所以采 样频率应远高于采样定律规定的数值。 最低采样频率应使超声波信号峰值在采样间隔内起伏变化误差小于能允许的误差。 例如,我们允许波幅读数误差 4%,对于一个频率为 F 的正弦波,最低采样频率应高于 11×F。由于超声波信号是脉冲信号,即带宽信号,所以 F 应取频率范围内最高的值,也 就是上边频率。 对于模拟检波电路,在采样前超声信号经检波电路和滤波电路,形成波形信号的包 络,频率范围较低,只需 20 到 40MHz 采样频率;对于射频波形或数字检波方式,采样 频率要到 100 到 200MHz。 五、数字式超声波探伤仪的发展 1)数字信号处理 数字式超声波探伤仪把超声波探伤和数字信号处理技术、计算机技术结合在一起, 使从夹杂各种因素的波形信号中提取对判伤有用的信息的途径大为拓展,有可能采用各 种计算方法进行数字信号处理。 许多数字式超声波探伤仪已经具有了数字滤波、频谱分析、波形识别、小波分析等 数字信号处理功能用于提高检测信噪比和缺陷识别能力。 2)自动化多通道数字式超声波探伤仪 数字式超声波探伤仪应用于自动化超声波检测,具有巨大的潜力。数字式超声波探 伤仪能够协调多个通道的协同工作,各个通道相互独立,互不干扰,并且通过数字信号 处理排除工业现场的电磁干扰,识别伤波。完成自动检测和自动判伤。数字式超声波探 伤仪在探伤控制计算机协调下工作,能够存储、校准和设置探伤参数,实时将探伤数据 传送给主计算机。在主计算机形成自动探伤的数据记录和探伤报告。这种计算 机系统管 理模式有助于机电一体化控制,把探伤设备和生产设备的自动化管理溶入一体。数字式 超声波探伤仪和自动化机械探伤扫查结合起来,能实现超声检测数据的图形化和图像显 示。 3)计算机超声成像 数字式超声波探伤仪和机械扫描或电子控制相结合,实现超声检测数据的各种图形 和图像的显示。 A 扫图形显示超声探伤波形。 B 扫图像显示探头沿一维扫查的超声探伤图像,图像的一维是探头(或声线)扫查 位置,另一维是超声波检测的声程深度位置,超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示。 C 扫图像显示探头沿两维扫查的超声探伤图像,图像的坐标是探头(或声线)扫查 位置,在一定深度范围内的超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示,多层的 C 扫图像 能反映材料中缺陷的立体形态。 超声参数图像重建方法主要分透射法和背向散射法,主要原理建立由超声波传输和 材料特性参数相互作用而形成扫查测量值数学模型,通过空间域或空间频域的反向算法 重建材料的特性参数图像,一般被称为合成孔径算法。 超声成像的超声波探伤仪器将是超声波无损检测的一片新天地,将建立新的缺陷识 别和定量的方法、概念。 4)超声相控阵技术 超声波相控阵技术是指将超声波探头分成阵列排列的小片,各个阵元按一定的延时 关系(相位关系)同步发射,然后检测各个阵元的检测信号按一定的延时关系(相位关 系)的叠加(干涉)结果。这种技术通过延时关系(相位关系)的控制,能实现超声波 束的方向控制、聚焦控制及线性扫描,形成电子扫描的 B 扫图像。 第二节 超声波探头 在超声波探伤中,如何发射超声波,以及如何接收经被探测材料传播后的超声波, 是首先要解决的问题。因为它的好坏直接关系着探伤的水平。 当人们发现超声的存在之后,就寻找获得超声的方法,最早出现的是气体动力式的 和液体动力式的方法,但这些方法在应用上都受到局限,直到发现了压电效应,能方便 的将电能转换成声能,同时还可以将声能转换成电能的方法之后,才使得超声在无损探 伤中得以广泛的应用和发展。 将一种能量转换成另一种能量的器件叫做换能器。能量的形式是各种各样的,因此 换能器的类型也是多种多样的。在电的普遍应用和电量的放大和测量、显示技术比较成 熟的情况下,当然实现电与声、声与电之间转换的器件是比较理想的,加之这种换能器 本身同时具备电与声之间转换的可逆性,这就是目前在超声波探伤中广泛采用电声换能 器的主要原因。在特殊的情况下,探伤中也采用首先将电能转换为其 他形式的能量而后 再转换为声能的换能器(如磁致伸缩式和静电式换能器等)。 在超声探伤中使用的换能器通常称为超声探头。普通的超声探头在电脉冲信号的激 励下能发射超声脉冲。反之,当一个超声脉冲作用在探头上,超声探头也能产生一个相 应的电脉冲信号。显示电脉冲信号的方法可以根据不同的要求采取不同的形式,如采用 示波管显示或电表指示,也可以用喇叭或信号灯报警等。超声探头加上电脉冲发生和接 收、显示仪器就构成了一个完整的装备。但是以往的仪器设计人员和制造厂家多重视仪 器本身的参数而忽略探头的研制,走了一些弯路。探头虽小,但它集中了大量声学的基 本问题,如超声波的吸收和衰减问题,多层介质声波的传播问题,复合体的基本振动问 题,电声能量转换之间的有关问题等。所以,探头的形式,性能,制作工艺,合理使用 等,对探伤结果的正确性都会产生直接的影响,使之成为发展超声波探伤技术的重要环 节。因而,近年来国内外对超声探头的研制越来越引起人们的重视。 一、压电效应 1880 年居里兄弟发现,当在某些物体上施加拉力或压力而发生形变时,在其表面上 就会出现电荷,这种现象称为正压电效应。 1881 年又证实压电效应是可逆的,即能产生正压电效应的物体在电场的作用下会产 生应变或应力,这种现象称为逆压电效应。 正压电效应,逆压电效应统称压电效应。凡是能够产生压电效应的材料称为压电材 料。 由于压电材料具有可逆压电效应,所以正、逆压电效应同时存在于同一材料之中。 压电效应在一般情况下是线性的,即电场和形变的依赖关系成线性关系。通常把压电效 应近似的认为是即时发生的,当在压电材料某个方向上施加交变应力时,它将会产生同 步的交变电场,当一定取向的交变电场加于压电材料某一方向上,它将产生与交变电场 同频率的机械振动。当外加频率与压电材料固有频率一致时,则发生共振,此时获得最 大形变或电荷量。超声波探头就是利用在固有频率下的逆压电效应发射超声波,同时利 用正压电效应的原理接受来自被探测物的超声波使之提供电讯号的。 压电材料必定是非金属、电介质晶体结构,故又称为压电晶体。压电晶体有单晶体 及多晶体之分。单晶体系各向异性体,其压电效应与结晶轴向有关。它可以是天然形成 的,如石英、电气石等,也可以由人工培养和提拉制成的单晶材料,如硫酸锂、碘酸锂, 铌酸锂、酒石酸钾钠等。多晶体系各向同性体是由人工烧结的铁电体压电材料,俗称压 电陶瓷, 目前超声探伤中常用的有钛酸钡 BaTiO3,钛酸铅 PbTiO3、锆钛酸铅 Pb (ZrxTi1-x)O3(国外商用型号为 PZT)等。下面对单晶体压电材料和多晶体压电材料压 电效应发生的机理分别作以微观定性的解释。 1.压电单晶体的压电效应 压电单晶体的压电效应可以石英为例来作以说明。石英的化学成分是二氧化硅 (SiO2),属于三角晶系。它有一个光学对称轴(光轴)Z;在垂直于 Z 轴的平面上,通 过相对两个棱角有三个轴 X1、X2,X3,沿这些轴的方向的压电效应格外显著称为极化轴, 此外还有三个垂直于相对棱边,且与 XZ 平面相垂直的 y1,y2、y3 轴(如图 4-9 所示)。 图 4-9 石英晶体 为了 微观定性的说 明石英的压 电效应,可 以把石英晶胞 原子排列的等 效电性看 成 是 如图 4-10 所示的样子。 图 4-10 石英晶胞原子排列的等效电性示意图 在正常情况下,各原子的电荷相互平衡,整个晶胞呈中性,如图 4-10(a)。当在 x 方向施加压力,由于原子的位置的变更,电平衡遭到破坏,于是在表面 A 呈现负电荷, 表面 B 呈现正电荷,如图 4-10(b)。当在 x1 方向施加拉力或在垂直于 x1 方向施加压力 时,表面 A、B 上出现电荷相反的情况,如图 4-10(c)。这就形成所谓的正压电效应。 反之,当石英受到外界电场作用,则电场不仅使离子本身极化,而且使晶胞中的离子产 生相对位移,这个位移使得晶胞内部产生内应力,最后引起宏观形变。这就是所谓逆压 电效应。 实际使用的石英元件都是从石英晶体中按一定方向和切割方式截取的。由于石英晶 体是各向异性的,即一块石英晶体在不同方位上表现出来的物理性能,如电学、光学、 力学性能各不相同,其压电效应的强弱和性质同样与结晶轴向有关,在有的方向上甚至 没有压电效应。因此不同的切割方式就可以获得适应不同用途的石英元件,例如有的切 割方式可以获得极小的频率,温度系数,可制成稳定度极高在电子技术中广泛应用的稳 频晶片,有的切割方式特别适宜制作各种不同性能的机械滤波器,近年来发展的 LC 切 割方式可以在很宽的温度范围内线性良好的频率温度关系,可制做超声测温元件。作为 超声探头的石英晶片主要采取 X 切割和 Y 切割二种方式。所谓 X 切割如图 4-11(a), 就是指垂直于 X1,X2、X3 轴中任一轴线切割下来的晶片,它具有纵向正压电效应及纵 向逆压电效应,若晶片的边缘分别平行于 Y 轴及 Z 轴则称之为 0°X 一切割,如图 4-11 (b)。 图 4-11 石英晶片的 X 切割 同样,Y 切割就是指垂直于 Y1、Y2,Y3 轴中任一轴线切割下来的晶片,它具有横 向正压电效应和横向逆压电效应。 纵向压电效应如图 4-12(a)所示,沿着 X 轴方向在 X 切割晶片上施加交变应力, 则在垂直于 X 轴平面产生交变电场。反之,如果在垂直于 X 轴平面施加交变电压,则晶 片沿 X 轴方向将会产生与交变电压同频率的形变,形成机械振动。 图 4-12 纵向、横向压电效应 横向压电效应如图 4-12(b)所示,当沿 X 轴方向对 Y 切割晶片施加交变应力时, 在与 Y 轴垂直的平面上将呈现交变电场。反之,如果在垂直 Y 轴平面上施加交变电场 时,沿 X 轴方向将会产生同频率的形变。Y 切割的晶片在探伤中常用来制作表面探头。 2.压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是由许多小晶粒组成的多晶体。目前探伤中常用的压电陶瓷,其晶胞是钡 钛矿型晶胞,如图 4-13(a)所示,所有的压电材料当温度升高到一定值后,压电效应 会自行消失,物理学上称这温度为材料的居里点,以 TC 表示。当压电陶瓷的温度在居 里点以上时,晶胞属于立方晶系,其正负电荷分配如图 4-13(b)所示。由于立方体对 称性很高,钛离子即使偏离中心位置,但从各方面偏离中心位置的几率是相同的,所以 由立方体晶胞组成的晶粒的平均. 图 4-13 压电陶瓷的压电效应说明图 电荷为零,不出现电极化。若压电陶瓷的温度在居里点以下时,它的晶胞形状变长, 立方晶胞变为四方晶胞,其电荷分布如图 4-13(c)所示。此时,钛离子向长轴方向偏 离的几率就大,于是正负电荷中心不再重合,出现了电极化现象,这种电极化是自发形 成的称为自极化。在居里点以下,立方晶胞的三个晶轴中的任何一个均可成为四方晶胞 较长的晶轴,因而晶粒中各晶胞自极化的取向是杂乱的,其综合作用的结果不呈现极化, 没有压电效应。若在一定温度下,以每毫米 1,000~3,000 伏的强电场加在压电陶瓷 的两端,使各晶胞极化方向沿外加电场方向重新排列,整个压电陶瓷晶胞的极化方向趋 于一致,这种处理称为极化处理。若经极化处理后仍能保持其极化强 度的性质称为铁电 性,压电陶瓷具有铁电性,经极化处理后的压电陶瓷就能产生压电效应。 二、压电方程和压电材料的有关常数 1.压电方程 晶体材料的物理效应主要有 (1)力学效应,即应力 T 与应变 S 之间存在着一定的关系 ?S i ?Ti ? sij (4-1) ? Ti ?S i ? cij (4-2) 式中: sij ——弹性顺从常数,脚注 i,j 表示各分量; cij ——弹性刚度常数。 (2)电学效应,即电场量 E 与电位移量 0 之间存在一定的关系 ?Dm ?K k ? ? mk (4-3) ?Em ?Dk ? ?mk (4-4) 式中: ? mk ——介电常数,脚注 m、k 表示各分量; ? mk ——介电隔离率。 (3)磁学效应,即磁场强度 H 和磁感应强度 B 之间存在着一定的关系 ?Bm ?H k ? ?mk (4-5) 式中: ?mk ——导磁率 (4)热学效应,即温度 9 与熵。之间存在着一定的关系 ?? ? ?C ?Q ? (4-6) 式中: Q——热量; P——介质密度, C——比热。 对于压电晶体来说,不考虑磁学效应,并认为在压电效应过程中无热交换,因此只 考虑其力学效应和电学效应。但又有别于力学材料和电学材料,因为在压电材料中这二 种效应之间又是相互作用的,必须同时考虑。为了定量的描述各物理量之间的关系而确 立的压电材料物理效应的数学表达式,称之为压电方程。 要仔细了解压电晶体是如何工作的,就需要根据已知的原始电学和力学的物理量求 解相应的压电方程式,才能得到其力学状态和电学状态的变化情况。但是,要讨论完整 的压电方程是非常复杂的。这里仅就从热力学理论推导的四种不同形式的压电方程,从 压电方程各物理量的定义及有关物理意义的角度作以简略的介绍。通常提到的压电方 程,一般是指这四组方程中的一组,它们是从不同的角度描述同一物理量,为了简洁起 见各物理量不标以分量。 以上式中 SE、CD、εT、βS……等上角标 E、D、T、S 表示以该字母代表的物理量(电 场 E、电位移 D,应力 T、应变 S)保持不变为条件。ht、dt……等下脚标 t 表示转置矩 阵。d,g,e、h 为压电常数。 以上各压电常数 d、g、e,h;弹性常数 c、s;介电常数 ε、β 之间的关系为: D=esE=εTg G=βTd=hsD (4-7) (4-8) E=εSh=dcE (4-9) H=βSe=gcD (4-10) 2.压电方程有关常数物理意义 1)压电常数。 压电常数有 d、g、e、h 它们分别称为压电应变常数 d,压电电压常数 g、压电应力 常数 e、压电劲度常数 h,其定义为 d ? ?? ?S ?? ? ?? ?D ?? ? ?E ? L ? ?T ? E g ? ?? ? ?E ?? ? ?? ?S ?? ? ?T ?? ? ?D ?r e ? ?? ? ?T ?? ? ?? ?D ?? ? ?E ?S ? ?S ? E h ? ?? ? ?E ?? ? ?? ? ?T ?? ? ?S ? D ? ?D ?S 以上式中括号内分母一般为外加因素变化的物理量,分子一般为压电晶体相应变化 的物理量,括号外的脚标表示以该字母代表的量不变为条件。根据以上式中的定义可以 看出各压电常数的物理含义为: 压电应变常数 d:表示压电晶体在应力恒定的情况下,加上电场后所产生的相对应 变,或电场恒定的情况下加上应力所产生的相对电位移。其单位是米/伏或库仑/牛顿。 压电电压常数 g:表示压电晶体在电位移恒定的情况下,加上应力后所产生的相对 开路电压;或在应力恒定的情况下,由于电位移变化所产生的相对应变。其单位是伏 ·米 /牛顿或米 2/库仑。 压电应力常数 e:表示压电晶体在应变恒定的情况下,加上电场后所产生的相对应 力,或在电场强度恒定情况下, 由于应变的变化所引起的相对电位移。其单位是牛顿 /伏·米或库仑/米 2。 压电劲度常数 h:表示压电晶体在电位移恒定的情况下由于应变的变化所产生的相 对开路电压,或在应变恒定的情况下,由于电位移变化所产生的相对应力。其单位是牛 顿/库仑或伏/米。 d 和 e 代表着反压电性能,故也称压电发射系数,关系到压电晶片发射灵敏度,d 和 e 的值大,晶片发射性能好,表示对压电晶片施加较小的电压就可以产生较大的振动, 从而获得较强的超声波。 g 和 h 代表着正压电性能,故也称压电接收系数,关系到压电晶片接收灵敏度,g 和 h 的值大,晶片接收性能好,表示接收到较弱的超声波也能产生较大的电压。 以上四个压电常数中,常数 d 用得较多也较容易实测,其他各常数可以通过式 4-7、 式 4-8、式 4-9、式 4-10 的关系相互换算。 在压电陶瓷中,一般规定极化方向坐标为 3 或 Z,对于垂直于 Z 轴的另外二个坐标 轴规定为 l 和 2 或 X 和 Y(由于压电陶瓷在 XY 平面内晶体是各向同性的,1 和 2 可以 互换)。D33 的脚标表示在 Z 方向上施加电压引起 Z 方向上的相对应变,同样 g33 表示在 Z 方向上施加应力后引起 z 方向上产生的相对开路电压。余此类推。在超声探头压电晶 片参数中 D33 和 g33 是重要的指标。 2)介电常数。 在介电常数中,介电隔离率 β 表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢,其单位 为米/法。在超声探伤中一般不使用这个常数。 介电常数 ε,它反映材料的介电性质,对于压电晶体来说,它也反映压电晶体的极 化性质。压电材料的介电常数 ε 的定义和静电学中一样。当一个电介质处于电场 E 中, 那么电介质内部的电场可以用电位移 D 表示,D=εE。如果用电介质来作电容器电极间 的绝缘体,介电常数 ε 与电容器电容量 C,电极面积 A 和极间距离 t 之间的关系为 c ? ?A t (c 的单位是法拉,A 的单位是米 2,t 的单位是米,ε 的单位为法/米)。介电常数还经 常使用相对分电常数的概念,其数值等于在同样电极下介质的电容与真空电容的比值 ? ? c介质 c真空 =?介质 ?线 法/米)。介电常数与压电晶片附上电极后的电容 有关,即与压电晶片呈现的电气阻抗有关。制作超声探头时阻抗匹配是很重要的,不同 用途的压电元件对材料的介电常数要求也不相同。对于高频压电元件则要求介电常数小 一些,因为 ε 小意味电容小,工作频率当然就可以做得高些。ε 越大,压电元件的电气 阻抗越小,如扬声器和送话器之类的压电元件则要求材料介电常数大一些。 对于压电材料来说,由于存在压电效应,其介电常数的数值还与换能器的机械自由 度有关。一般给出两个值,其一是换能器被夹紧时的介电常数 εS,另一个是换能器在自 由状态时的介电常数 εT。 3)弹性常数。 压电材料的弹性常数有弹性顺从常数 sii 和弹性刚度常数 cjj。 弹性顺从常数 sii 表示材料应变 si 与所施加的应力 Tj 之比。如沿坐标轴 1 施加应力 T1 在同一轴向产生的应变为 S1,则 s11 ? S1 T1 ,而 1 S11 就是杨氏模量。如果沿轴 1 方向施 加应力 T1 在与轴 1 相垂直轴 2 方向产生的应变为 S2,则 s22 ? S2 T2 ,而 ? S12 T11 表示横向相 对压缩与纵向相对伸长之比,即为柏松比。 弹性刚度常数 cjj 表示物体产生单位应变 si 所需要的应力 Tj,从定义可知 cjj 与 sii 互 为倒数。cjj 就是杨氏 模量。由于压电材料有压电效应,短 路弹性刚度常数用 c E jj 表示,开 路弹 性刚度常数用 c D jj 表 示。 三、压电材料其他有关参数 1.频率常数 N1 当一交变电压加至压电晶片时,压电晶片在外电场的迫使下,产生与交变电压相同 频率的振动。对于不同的切割方式或极化方式就存在着两种振动模式,一种是厚度振动 模式(简称厚度模),另一种是径向振动模式(简称径向模)。以厚度振动模式为例,如 果压电晶片上表面的振动,经压电晶片传至下表面时,将与下表面的振动叠加,其合成 振动的结果,决定于晶片振动的频率和晶片的厚度,只有当晶片的厚度等于该频率下的 半波长时,上表面的振动传至下表面时正好与下表面振动同相位,因此,合成振幅最大, 辐射的超声波能量也最大。压电晶片在这种条件下工作称为谐振,满足谐振条件的工作 频率称为谐振频率或基频,以 fr 表示。如果压电晶片的声速为 CT,则谐振条件下的压 电晶片的厚度 1 为 1 ? ? ? CT 2 2 fr (4-11) fr ?1 ? CT 2 (4-12) 可以看出对于厚度模来说谐振频率 fr 和晶片厚度 1 的乘积是一个常数,声学上称这 个常数为频率常数 N,由定义可知 N1=fr×l (4-13) 对于薄的压电晶片来说 fr ? 1 21 1 ?s1E1 式中:p——压电晶片的密度。 (4-14) 同样,对于径向模来说,若在谐振频率下的晶片直径为 d,则其频率常数 N,zf,·d 超声波探头一般用压电晶片厚度振动模式,因此频率常数 N,是经常使用的。 2.电气品质因素 θe 和机械品质因素 θm 电气品质因素 θe 是压电材料贮存的电能与耗损的电能之比。它反映压电材料在交 变电压作用下消耗电能而转变成热能的大小。造成这种消耗的主要原因有,在外加电压 变化时压电元件内部极化状态变化的滞后、压电材料内介质存在漏电流以及压电材料介 质结构不均匀等。如果把压电材料看成是一个电学介质材料,由于电介质在电场作用下 引起发热而消耗的能量(介质损耗),通常以介质损耗因子 tgδ 的大小来表示,则电气品 质因数 θe 可以用 tgδ 的倒数来表示,即 ?e ? 1 tg? ? ?cR (4-15) 式中,ω——交变电场的角频率, c——介质样品的静电容, R——介质的损耗电阻。 机械品质因素 θm 的定义是:压电材料在谐振时的机械能量与在一个周期内损耗的 机械能量之比。它反映了压电材料振动时克服内摩擦而消耗能量的大小,是衡量压电材 料的一个重要常数。 机械品质因素 θm 和电气品质因素 θe 越大,意味着在压电效应过程中损耗的能量就 越小,在大功率和高频情况下的发热量就越小,但是对展宽频带,改善波形和提高分辨 率等都不利,因此在应用时还需根据实际情况适当选择。另外,由于 θm 和 θe 还随负载 媒介的性质而变化,因此也可以利用改变负载媒介的办法来解决上述矛盾(如石英晶体 在大气中自由辐射 θm 高达 50000,而在水中且加阻尼块 θm 可小于 10)。 3.机电耦合系数 K 从能量的观点出发,压电效应是一种电能和机械能互相转化的效应,为此引入一个 物理量 K 来衡量压电材料中机械能和电能之间的耦合强弱称为机电耦合系数,其定义 为: 从逆压电效应考虑: K2 ? 理想条件下贮存在压电 理想条件下输入到压电 材料中的机械能 材料中的总电能 (4-16) 从正压电效应考虑: K2 ? 理想条件下贮存在压电 材料中的电能 理想条件下输入以压电 材料中的总机械能 (4-17) 系数 K2 与转能器的效率不同,拿逆压电效应来说,K2 只能说明有多少电能被转换 成机械能,但机械能并不一定完全转换成辐射的超声能量。 在压电材料中同时存在三种特性,即弹性,介电和压电特性,机电耦合系数 K 与压 电能 Um、弹性能 Ua 和介电能 Ud 之间的关系为 K? Um U aU d 压电能 ? 弹性能和介电能的几何平均值 (4-18) K 是一个能量的比值,无量纲,最大值为 1。当 K=0 时即无压电效应。对于超头探 头,K 关系到发射灵敏度和接收灵敏度,有用的 K 值总是愈大愈好。K 值是压电材料一 个最突出的特征量,压电常数大,K 值亦大。另一方面,对于各向异性材料 K 亦随压电 晶体振动模式不同而变化。例如,对压电陶瓷材料,一块薄圆晶片,利用其厚度振动, 这时机电耦合系数用 Kt 表示称为厚度机电耦合系数。探头用薄圆晶片,虽只想利用 Kt, 但因为薄圆晶片还同时存在一个径向机电耦合系数 Kp,它是支配晶片径向振动的, 由 于 Kp 的存在使探头的杂波增多,因此超声探头的晶片希望 K,越大越好,以获得高灵 敏度,同时希望 Kt/K,也要大,以减少杂波。在实际应用中可以用外电路(如并接一个 电感线圈)来消除 K,的影响。 超声探头常用压电材料主要常数值列于表 4-1: 表 4-1 常用压电材料主要常数 项目 材料 名称 化学 符号 切波 割形 D33 (×10-12 m/v) 石 SiO2 X 英 石 SiO2 Y 压英 电 硫 Li2SO Y 单 酸锂 4·H2O 品 碘 LiIO3 Z 酸锂 铌 LiNb 3 酸锂 钛 酸钡 O3 5°Y BaTi Z O3 P 压 ZT Z 电 -4 陶 P 瓷 ZT Z - 5A 纵 2.31 横 4.6 纵 16 纵 - 纵 6.0 纵 190 纵 289 纵 374 D33 (×10-2m /N) KK tp Ρ (g/ cm3) Ρ Cc ( ( m/s) ×105 瑞利) T Qc ε m ( /ε0 ℃) N MH Z·mm 0 2.6 51 154 2.8 5.0 - .1 5 740 5.2 0 50 .5 7 0 2.6 31 154 1.9 1.8 - .14 5 850 0.2 0 50 .6 3 0 2.0 51 17.5 - .30 6 470 1.2 7 1 2.7 - 5 0.3 3 00 4.4 41 2 3 2.0 - - .51 .10 7 130 8.5 56 .0 6 0 4.6 73 113 3.7 2.3 - .49 4 400 4.8 0 200 9.0 0 00 5 3 311 1.8 5.7 2.6 .38 .36 470 0.0 00 15 700 0 2.6 - .51 4 3 531 7.5 2.0 000 0.0 00 28 150 00 7.7 43 731 1.8 2.48 .49 .60 5 350 3.7 5 65 500 9 P ZT 0 4 3 634 Z 纵 150 3.98 - 7.6 2.1 - .50 800 3.8 00 50 25 7A P ZT -8 Z 纵 225 0 2.5 - .48 4 3 1 3 1 2.0 7.6 580 3 000 00 000 7 Z TS Z纵 - 钛 酸铅 PbTi O3 Z 纵 58 四、常用压电材料 00 43 34 - 7.6 - 2.0 .60 .20 580 3 00 00 00 7.7 43 141 2.1 3.3 .43 .096 2 240 2.8 050 60 50 2 1.石英(Si02) 石英是单晶体,它不需要极化就有压电效应。石英晶体有天然的也有人造的,它最 早用来作为压电元件的材料,压电石英晶片具有较高的电强度和机械强度,电气性能稳 定,不受潮湿影响,抗老化性能好等优点。此外石英可以加工成任何形状,制成压电元 件工艺过程简单,无需复杂结构的支座,故较其他压电材料使用起来方便。对于 X 切割 的石英晶片,采用厚度模式振动,如果忽略径向振动的影响,其谐振频率 fr 为 fr ? 2.87 ?10 6 1 Hz (4-19) 式中:1——石英晶片的厚度。 对于高的谐振频率来说,石英晶片必须做得很薄,因此也就很脆,所以利用谐振频 率工作的上限一般不超过 15 兆赫。由于石英晶体的各向异性产生的晶体内压电性能不 均匀分布,使得厚度模振动的超声场发生畸变。常常采用由两块金属薄片中间夹以石英 片的所谓组合式石英振动片来代替简单的石英晶片,这样的振动系统是当作一个整体来 振动,因而具有更高的声强度和超声场畸变小等优点。带有薄钢片的组合石英振动片在 胶粘合的情况下其谐振频率 fr 可按下式计算: 1.64 ?10 6 fr ? 1 Hz (4-20) 对于不同切割的石英晶片,可以获得不同的振动模式。直接产生横波的超声探头, 通常是采用 Y 切割的石英晶片制作的。 2.铌酸锂(LiNbO3) 铌酸锂是一种用提拉法生长的人工单晶,纯净的铌酸锂为五色透明的三角晶体,它 有较高的 机电耦合系数(大约为石英 的五倍)和极高的居里点 ( 1200°C),介电常数 较 低,超声传播损耗较小等优点。特别适于制造高频或高温用超声探头。 铌酸锂具有较高的自发极化程度,因此,提拉生长出来的晶体就有较好的压电性能。 如果再加以人工极化,性能就更好。铌酸锂晶体退火后加工并不困难,电极可用真空镀 膜,化学沉淀等方法。铌酸锂不溶于水,耐高电压,由于它具备这一系列的优点,因此 它是极有生命力的新压电材料,其不足之处是成本高,不同轴向热膨胀系数极不均匀, 当骤热骤冷时容易炸裂,特别是当晶体存在内应力时使用上更应注意。 铌酸锂的压电性能对切割方位非常敏感,当晶片的法线在 YZ 平面变化时,不同方 位的切割可以获得只产生(或接收)纵波的晶片,也可以获得只产生(或接收)横波的 晶片,更多的是二波共存的晶片,如+35°方位切割的晶片 Kt=0.49 为最大,Kp=0,这种 晶片只产生(或接收)纵波。而在+163°方位切割 Kt=0,Kp=0.62,这种晶片只产生(或 接收)横波。而在+15°方位切割,Kt= Kp=0.045,这种晶片可以同时产生(或接收)纵 波和横波。如果晶片的法线在别的平面里变化时情况又不一样了。当 0°X 切割时, Kp=0.68,而 K,极小,利于产生(或接收)横波。因此可以根据不同的探伤目的来选 择不同的切割晶片。 3.碘酸锂(LiIO3) 碘酸锂也是一种压电单晶材料,它非常适宜于做水浸超声探头。由于它的介电常数 较高,所以有较高的灵敏度。当牺牲部分灵敏度时它所获得的分辨率和灵敏度的综合指 标,仍然远远超过石英超声探头的性能。 4.钛酸钡(BaTiO3) 由于天然石英晶片压电效应较弱,辐射的超声功率较小,随着科研生产的发展,人 们开始寻找新型压电材料,钛酸钡就是在这种情况下研制出来的人工压制烧结的压电多 晶体(俗称压电陶瓷)。 钛酸钡的压电发射系数较大,差不多是石英的一百倍,因而钛酸钡不需要加高的电 压就可以获得较大的超声功率,例如在钛酸钡晶片上加 100~300 伏电压时所得到的超 声波强度大致与在石英晶片上加 1000~3000 伏电压时的辐射的超声强度相同。可见在 获得强力超声场方面,钛酸钡明显地优于石英。钛酸钡的价格又比石英便宜得多。钛酸 钡不溶于水,可以制成任意形状和尺寸的晶片,在机械强度方面也胜过石英,所以钛酸 钡在许多场合取代了石英晶片。 然而,钛酸钡超声探头的效率不高,约为 50%(石英为 75%),而且品质因数低, 热稳定性比石英差,居里点低,在 115℃时即丧失压电效应(但在 100℃时压电效应几乎 不变化)因而在某些场合又限制了它的使用。 钛酸钡压电晶片一般可以在 1370°~1450℃用焙烧碳酸钡和二氧化钛压合物的方 法得到,但是用此法制成的晶片有很多孔隙,不坚固。一般认为,如果在 900°~1250℃ 时所制得的钛酸钡与有机粘合剂一起加以压合,可以弥补上述缺点。钛酸钡晶片需要在 3~12 千伏/厘米的稳定电场下进行极化。 为了进一步改善钛酸钡的性能,往往在钛酸钡中添加其他的物质,如添加钛酸铅, 可大大提高晶片压电性能的稳定程度,还可以起到提高居里点和增大发射超声功率的作 用。添力 D 少量氟化锂能提高钛酸钡的密度,降低其多孔性从而增加了强度。 5.锆钛酸铅(PZT) 锆钛酸铅国外商用代号为 PZT。用于压电材料的锆钛酸铅是锆酸铅和钛酸铅的固溶 体。只有锆与钛的比率限制在一个狭窄的范围内。才能获得较好的压电性能。它的机电 耦合系数 K、压电发射系数 d0 和压电接收系数 g33、居里点 T,都比钛酸钡为高。 纯锆钛酸铅的性能随工作温度的变化而变化,同时它的介电常数也较低,加入微量 三氧化二镧,五氧化二铌、三氧化二锑和碳酸锶等添加剂,即可大为改善锆钛酸铅晶体 的压电性能和电学性能。加入添加剂后的锆钛酸铅晶体的性能大大超过钛酸钡。锆钛酸 铅压电晶体是一种比较理想的工业超声探伤的压电材料,锆钛酸铅压电晶片在国内外超 声探头中得到广泛的应用。 五、超声探头压电材料的选择 压电材料品种繁多,选择超声探头压电材搁的原则概括起来有三条:第一是性能适 当,即并不追求各项性能的高指标,而是根据探头的形式,满足具体探伤要求为限度; 第二是工作稳定可靠,为了保持探伤结果的准确和有良好的重复性,要求压电晶体在一 定的工作期限和一定的环境温度范围内能稳定,可靠地工作;第三是价格低廉,这是降 低整个探伤成本的一个环节;关系到经济指标。 通过分析和具体探伤实践证明,超声探头压电材料对性能参数有如下要求; Kt/Kp 大——波形好,杂波少, Kt 大——灵敏度高, ε 小——利于高频匹配,可制作大探头; Nt 大——利于加工高频元件, Tc 高——可用于高温环境工作; ρc 与工作介质接近——利于声匹配提高效率。 另外根据不同的探头形式,对压电材料的要求也不相同。 1)对于兼作收发的超声探头,要保证在脉冲系统中容易触发且激励后要很快地恢 复静止状态;对于低的电平信号要有高的灵敏度响应。因此对应的压电晶片要求有高的 压电接收系数 g,相当数值的压电发射系数 d,适当的机电耦合系数 Kt,晶片的阻抗匹 配要好,低的机械 Qm 值以产生一个宽频带高分辨力的接收系统等。 2)对于单发射超声探头相应的压电晶片,要求有高的机电耦合系数 K,和高的压 电发射系数 d 和低的压电接收系数 g。 3)对于单接收超声探头相应的压电晶片,要求有高的机电耦合系数 K:和高的压 电接收系数 g 和低的压电发射系数 d。 六、压电元件 一定形状和大小的压电晶体,当经过极化和涂上电极后即称为压电元件。配上其他 组合件后就可以构成压电换能器,如超声探头。在超声波探伤中,根据需要来选择能产 生和接收某种频率的纵波或横波的压电元件。 使用压电单晶材料,应特别注意切割方位,不同的切割方位所激发和接收的波型是 不同的,有的方位切割只产生(或接收)纵波,有的方位切割只产生(或接收)横波, 有的方位切割却两波共存,而不同方位切割的灵敏度也不尽相同,在选择时要格外注意。 对于压电陶瓷.在极化前是各向同性的,可以在任意方位上加工成所需的形状和尺 寸,然而一旦极化以后,它只在垂直于极化轴的平面里呈各向同性。因此,一块极化了 的压电陶瓷晶片,在直径方向改变尺寸是可以的,如果改变厚度就会破坏电极。经验表 明进行修改加工过的晶片沿加工面向里 0.2 毫米深的层内会出现部分去极化。 在压电晶片上涂上电极的目的是使供给晶片的电压能够均匀分布。超声探头往往在 短时间(低于 10 微秒)内加上大的脉冲电压(100~2000 伏左右),电压梯度高达 25 毫 米面积上约为 20 万伏,所以在晶片上涂以良好导电介质是十分必要的。在石英晶片上 一般使用气化沉淀法镀金或银,钛酸钡晶片常采用气化沉淀电镀或烧结,电导一涂布法。 在难以采用沉淀法的晶片上也可以采用覆盖薄金属铂当电极的方法。通常晶片两面的电 极是相同的,在某些情况下也可以采用成型电极,或在晶片前面不加电极而以与它相接 触的工件代替。 七、超声波探头的分类 目前所用的探头,绝大多数是利用压电效应原理制作的,这里讨论的分类,也仅是 对这类最常用的探头而言。 根据产生超声波波型的不同,探头可分为纵波探头(也叫直探头,平探头),横波 探头(也叫斜探头、斜角探头)和表面波探头等几类。根据探伤方法。区分,有接触探 伤用探头,水浸探伤用探头。有些探头的发射功能与接受功能是由两个晶片分别担当的, 叫双晶片探头,亦称联合双探头。有些探头的声束聚成一点或一条线,叫做聚焦探头。 有些探头入射角度是可以变化的,称可变角度探头。还有些探头是为达到某种探伤目的 而特制的叫做专用探头。下面叙述各类探头的结构及设计上的考虑。在直探头中所谈的 内容,原则上也适用于其他探头。 八、各类探头的结构与设计 1.纵波探头 (1)结构。 纵波探头用于发射和接收纵波。其结构如图 4-14 所示。 图 4-14 纵波探头的结构 纵波探头由保护膜、压电晶片、阻尼块、外壳和电器接插件组成。有的纵波探头还 带有机玻璃延迟块。 保护膜有陶瓷、钢、塑料等几种。塑料保护膜易损坏,所以往往做成可拆换式的。 陶瓷保护膜、钢保护膜与晶片之间是用环氧树脂类的胶粘接的。有机玻璃延迟块与带保 护膜的晶片是靠压力接触的,也可以用环氧树脂,502 胶等把晶片直接粘在延迟块上。 在使用石英晶片的探头中,石英晶片的接地电极是直接与工件接触的。探头电缆的屏蔽 网丝通常与晶片的接地电极相连。阻尼块的作用是吸收向后发射的声波并阻尼晶片的振 动,阻尼块通常是用钨粉和环氧树脂制作,有的石英探头是采用电木制作。 外壳的作用是支撑、容纳、保护上述各类器件,通常还作为接地电极使用。有的直 探头外壳上还带有便于抓持的金属环、塑料罩等。外壳上有电器接插件,一般是采用牢 固耐用的小型电缆接插件,通常外壳上还有标称频率,晶片直径、晶片材料等标记。 (2)设计。 1)保护膜。为了防止晶片磨损、碰坏,在晶片前通常加有保护膜。与陶瓷晶片相 比,石英晶片不易损坏,所以有的石英晶片探头是不加保护膜的。也有人使用含硅砂的 塑料或碳化钨、陶瓷片等作为保护膜。由于很难使这种保护膜做得足够薄,所以加保护 膜后,由于超声在保护膜内多次反射,使得荧光屏上的始脉冲(始波)变宽。而且,由 于晶片前面粘上了保护膜,探头的机械品质因数也会大大降低。有的厂家以塑料为保护 膜.塑料保护膜展宽脉冲的作用不大,而且有利于消除工作表面光洁度及探伤时因压力 不均匀而造成耦合程度的变化。由于塑料薄膜的声阻抗可以调整到晶片与油的声阻抗之 间,这样可以使透射率不因加保护膜而降低很多。 2)探头的机械品质因数 QP 。设计探头时,常常希望其机械损耗比较小,这样发射 声能的效率就高。实用中,可用探头的机械品质因数 QP 值来表示其机械损耗的大小, QP 值越大,损耗越小。QP 值可用如下式所示。 QP ? ?? 2 ?CCC ?lCl ? ?BCB (4-21) 式中 ?CCC ——晶片声阻抗 ?lCl ——负载(工件)声阻抗 ?BCB ——吸收块声阻抗 由式(4-1)可知,负载与背衬材料的声阻抗越大,探头的机械品质因数就越小,发 射声能的效率也越低。探头机械品质因数值还与晶片的机械品质因数 QM 有关。压电陶 瓷晶片的 QM 小,做成的探头 QP 值也小。 3)探头的电气晶质因数 Qe 。 Qe 的定义如下: Qe ? ? 4k 2 ? ?lCl ?CCC (4-22) 式中 k—机电耦合系数。 利用式(4-2)计算可知,石英探头的 Qe 值大约为钛酸钡探头的 16 倍,为锆钛酸铅 探头的 10 倍。因此,对于压电陶瓷晶片制成的探头来说,电气的阻抗匹配是很重要的。 一般可采用在探头内加入与晶片并联的电阻、电感的办法,使探头与仪器的发射电路匹 配,以提高发射效率。匹配用的电阻、电感可装在探头的吸收胶内,也可以装在接插件 内,或者装在仪器内部。 4)探头频带宽度。探头带宽 Δf 的定义如下: ?f ? f 2 ? f1 f0 (4-23) 式中 Δf——探头带宽, f0——探头频谱中主峰值所对应的频率, f2——高于 f0 的某一频率。f2 所对应的信号幅度为 f0 对应信号幅度的 70%, f1——低于 f0 的某一频率。f1 所对应的信号幅度为 f0 对应信号幅度的 70%. 探头带宽与探头机械品质因数 QP 的关系如下式所示: QP ? f0 f2 ? f1 ?1 ?f (4-24) 由式(4-24)可知,探头机械品质因数越小,其带宽越宽,所以说,要求带宽较宽 与要求灵敏度高是互相矛盾的。 5)阻尼块。对阻尼块的要求有两个,一是它的声阻抗必须比较大;以便产生较大 的阻尼作用,再就是要求它有较强的吸声作用,尽可能吸收掉晶片向后发射的声波(当 探头比较小时,是很难做到完全吸收的)。为了防止粘接层降低阻尼及吸收的作用,一 般都是把晶片与吸收块浇铸在一起。也可以用直接固化到晶片上的硬化橡胶做阻尼块。 为了增大吸声效果,阻尼块后边缘可制成波浪式的、倾斜状的。通常是用环氧树脂加钨 粉制作阻尼块。当钨粉含量太多时,要注意防止阻尼块与外壳等电气连通。用木屑粉代 替钨粉也是有益的。木屑粉的数量应从晶片开始逐渐增加,这样就能使阻尼块与晶片的 声耦合性能最佳,同时吸收效果也最好。阻尼块必须把晶片的四周(除发射面外)全包 围住,这样有助于减少不希望的振动方式,这一点对于钛酸钡晶片尤其重要。一个好的 阻尼块应使向后发射的声波衰减 200 分贝以上。 2.横波探头 (1)结构。 这里介绍的是应用波型转换得到横波的横波探头。这类探头的基本结构如图 4-15 所示。 横波探头通常由声陷阱、透声楔、晶片,阻尼块,电气接插件和外壳等几部分组成。 为了在工件中产生折射横波,压电晶片产生的纵波要倾斜入射到工件表面上,因此,横 波探头的晶片是倾斜放置的。由于有一部分声能在透声楔边界上反射后,经过探头内的 多次反射,会返回到晶片被接收,从而会加大发射脉冲的宽度,形成固定干扰杂波.所 以,要设置声陷阱来吸收这部分声能。声陷阱有许多结构形式,可以采用在透声楔某部 位打孔、开槽、贴附吸声材料等办法来制作。 图 4-15 横波探头的结构 横波探头的晶片有的是粘在透声楔上的,有的是靠机械压力压在透声楔上的,后者 与透声楔之间要用油耦合。 横波探头常使用方形晶片。因为与圆形相比,方形晶片增加了靠近工件部分(即晶 片下半部分)的发射强度,而这部分晶片所发射的声波在透声楔中走的路程最短,受到 的衰减最少,所以使用方形晶片可明显地提高灵敏度。 横波探头的透声楔多用有机玻璃制作。因为这种材料易于加工,在 5 兆赫频率以下, 其衰减系数较适宜,即对于通过它而进入工件的声能衰减不甚严重,而对于在声陷阱内 多次反射的声能又有足够的吸收作用(当频率高于 5 兆赫时,以衰减系数比有机玻璃更 小些的材料做透声楔,可能更合理些)。有机玻璃透声楔的另一个优点是与工件的声耦 合特性好,通过适当的耦合剂,即能方便地,稳定地实现适当的声耦合。有机玻璃的缺 点是不耐磨,易破碎。 有些横波探头是有金属外壳的,这样便于灌注吸收胶。同时,外壳还有防止有机玻 璃碎裂的作用,其下边缘还有防磨作用。在外壳上(无外壳时即在有机玻璃块上)有标 志探头入射点的刻度线。同时还有探头标称频率,入射角(或折射角, k 值)等参数的 标志。 个别横波探头也有保护膜,不过加保护膜后,声耦合特性及灵敏度等都大大变坏。 如果必须加保护膜,以加塑料保护膜为宜。有些横波探头没有阻尼块,或者只使用阻尼 作用很弱的阻尼块。 (2)设计。 1)折射角(或入射角)。横波探头的入射角一般都在第一临界角和第二临界角之间。 为了获得一定的折射角,需要按照第一章所述的理论公式,根据所采用的有机玻璃以及 被检材料的声速计算相应的纵波入射角。 横波探头的常用折射角为 35°、40°、45°、50°、 60°、70°和 80°。 2)频率。横波探头的常用频率是 1.25~2.5 兆赫,也有采用 5 兆赫的。随着频率的 降低,探头尺寸就相应地增大,否则就不能保证有好的指向性和提供足够尺寸的声陷阱。 所以,目前 1 兆赫以下的小型斜探头采用单晶片(收发共用一个晶片)的还比较少见, 而往往是采用双晶片的形式。当频率较高时(例如 5 兆赫),探头尺寸往往可以做得小 一些。这是因为,频率高时,小尺寸晶片也有较好的指向性,由于有机玻璃对高频超声 波吸收较强,所以声陷阱的尺寸也可以做得小一些。同时,为了提高灵敏度,也希望超 声波在有机玻璃块内走的距离短些。 3)透声楔尺寸及形状。设计横波探头时,选择合适的长度和高度是必要的。设法 使经多次反射的声波不能返回到晶片上来是设计原则。因此,探头入射点至探头最前端 的距离,应大到足以使晶片上边缘发射的声波,不会经前壁与底面形成的两面角反射回 来。也要注意使晶片下边缘发射的声波,经透声楔底面反射后(最好把反射横波也考虑 在内),不会回到晶片上边缘,见图 4-16。因此,不同折射角的探头,透声楔的尺寸和 形状应当是不一样的,特别是入射点至前沿的距离。当探头前沿落在声束之内时,还容 易产生较强的表面波,这是设计横波探头时值得注意的问题。在设计小型探头时,由于 体积小,要想从吸收的角度消除杂波比较困难,这时更要从设计透声楔形状上着眼,针 对实际问题的需要,做出合理的设计(参见表面波探头设计一节)。 a 不好的结构 b 好的结构 图 4-16 透声楔内的声波反射 3.双晶片探头 如图 4-17 所示,在一个探头中有两个晶片,分别用作发射和接收超声波,这两个晶 片之间用隔声层隔开,这种探头称做双晶片探头。为了使发射和接收声束有一交点,通 常两晶片相互有一倾角,对于双晶片直探头还常常配有延迟块。 a 双晶片直探头 b 双晶片斜探头 图 4-17 双晶片探头示意图 这种探头多用于探测近表面缺陷,用于对薄工件的检验和测厚。 下面着重介绍适用于小径薄壁管焊缝探伤的双晶片斜探头(也叫双晶片双倾角横波 探头)的结构和特点。 (1)结构。 图 4-5 示出了小径薄壁管焊缝探伤用双晶片斜探头的结构图和透声楔图。透声楔分 成两部分,中间填以 1 毫米厚的软木作为隔声层。透声楔放置晶片的斜面除具有普通斜 探头的入射角 α(见图 4-18)外,还对称地有一倾角 θ(见图 4-19)。入射角 α 由所需折 射角 β 决定,倾角 θ 视被检工件的厚度和折射角 β 而定,一般在 4°~10°。两晶片对称 地贴在这两个斜面上,探头内灌以吸收胶。 a 结构示意图 b 透声楔 1-晶片;2-铜壳;3-透声楔;4-软木隔声层;5-吸收胶 图 4-18 双晶片斜探头 (2)特点。 由于 采用了双晶片 ,一收一发 ,消除了有机 玻璃 /钢界面 反射杂波,又 由于始脉冲 不 能进入接收放大器,克服了阻塞现象,结果使探测盲区大为减小,为用一次波探伤以及 发现近表面缺陷创造了条件。 因为两个晶片的布置对称地有一倾角 θ,则发射晶片的声场与接收晶片作发射晶片 考虑时的声场必然相交,形成一棱形区 abed(见图 4-19)。显然,处于棱形区的缺陷, 其反射信号强,同时,对于同样大小的缺陷,位于棱形区中心时反射信号最强,位于棱 形区边缘时,相对弱些。由此可知,探伤灵敏度是随缺陷所在深度变化的,灵敏度先随 深度增加而增高,直至一最大值,然后又随深度增加而下降。这种探伤灵敏度的变化是 双晶片斜探头的特点。 双晶片斜探头的探伤灵敏度是随深度变化的,发射晶片和接收晶片两声场声束轴线 交点 Q 处的灵敏度最高。因此,在实际探伤中,要根据被检工件的厚度,选取适当的倾 角 θ,使交点在需探测缺陷的位置附近。θ 愈小,交点距探测面的深度愈深,棱形区也 愈细长,有利于探测较厚的工件,θ 愈大,交点距离探测面的深度愈小,棱形区愈租短, 有利于探测较薄的工件。 图 4-19 双晶片斜探头声场棱形区示意图 图 4-20 表面波探头结构示意图 1-晶片; 2-透声楔; 3-阻尼块 图 4-21 表面波探头透声楔的尺寸( α l=62°~64°) 4.表面波探头 (1)结构。 表面波探头的结构与横波探头的结构类似,主要的不同点是晶片发射的纵波入射角 超过第二临界角。表面波探头结构及其透声楔见图 4-20 和图 4-21。 (2)透声楔的设计。 1)透声楔材料和入射角度的选择。根据折射定律,入射角度 a 用下式表示: sin a1 ? cl1 / cr2 (4-25) 式中 a1 ——纵波入射角, cl1 ——纵波在透声楔中的声速, cr2 ——表面波在试件中的声速。 由式(4-25)可知,只有当被测工件的表面波速度大于透声楔材料内纵波速度时, 才可能利用折射法产生表面波。通常是用有机玻璃制作透声楔的,其纵波声速约为 2.7×103 米/秒。因此,当被检材料中表面波声速小于 2.7×103 米/秒时,不能用有机 玻璃作透声楔。 例如,为了测铜合金、铸铁、镍合金等,可使用尼龙、聚枫等作透声楔材料。它们 的纵波声速较低,在 2.1~2.4×103 米/秒。 2)透声楔形状。为了制作微型表面波探头,需要精心设计透声楔形状。因为探头 越小,无论是晶片直接向后发射的声波还是向前发射的,经透声楔底面反射的声波,都 越不易吸收掉,它在探头内发生多次反射;这就形成较宽的固定杂波。在设计小型表面 波探头时,应设法使这些杂波在荧光屏上的位置不至大到淹没探头前沿处的缺陷回波。 图 4-8 所示的透声楔就是为这个目的而设计的。由图可知,由于晶片发出的纵波经透声 楔底面反射后垂直入射到透声 N 面上,所以大部分声能将透入到吸收胶中去,小部分声 能按原路(这是最短的路程)被反射回晶片,适当调整 M 面与 N 面的相对位置,就可 以使固定杂波在荧光屏上的横标小于探头前沿处缺陷回波的横标。透声楔前面的小圆弧 面,可以防止回波沿探头外壳外表面上爬,从而提高接收灵敏度。 3)灵敏度。晶片发射的纵波声束轴线与透声楔底面的交点(以下称为入射点)越 靠近探头前沿,则中心声束所产生的表面波在探头与工件的接触面内传播距离越短,衰 减越小。但是,轴线越向前移,整个声束中靠前部分能被利用的也越少。因此,为了提 高探头灵敏度,应兼顾两种情况,入射点前移的程度,适可而止。在某些应用中,例如 探测汽轮机叶片根部(简称叶根)缺。

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