自动检测-第七章

本章介绍超声波的物理基础，超声波换能器的分类、结构，耦合技术等，介绍超声波在检测技术中的应用，也涉及无损探伤的原理、方法及设备。7.1超声波物理基础7.2超声波换能器及耦合技术7.3超声波传感器的应用7.4无损探伤1、声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。超声波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超声波的能量,相当于振幅相同,频率为1000Hz可闻声波的100万倍,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。但在遇到两种介质的分界面,能产生明显的反射和折射现象。次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，8Hz左右的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。如果用音乐领域中的频段来划分，可以分为低音和中音以及高音。蝙蝠能发出和接收超声波。频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的特性指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。1－超声波发生器2－钢材纵波纵波质点的运动方向表面波在钢材表面的传播纵波在钢材中的传播横波纵波是指在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。横波也称“凹凸波”，是介质粒子振动方向和波行进方向垂直的一种波。也称S波,若此波沿着x轴移动，则振动方向为与x轴垂直的方向上。固体的质点在固体表面的平衡位置附近做椭圆形轨迹的振动，使振动波只沿着固体的表面向前传播即为表面波。a、声速是声波在介质当中传播的速度，它的量值取决于介质的弹性系数、密度以及声阻抗。声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即：Z=ρc其中固体的横波声速约为纵波声速的50%。而表面波（慢波）声速又约为横波声速的90%。介质的声速与温度成反比。b、波长λ与波频率f的乘积等于声速c，即：λf=cc、超声波的波束是以一定的角度向外扩散的，声场指向性及指向角如图所示。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。指向角θ（单位为rad）与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为：sinθ=1.22λ/D几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系（环境温度为0℃）材料密度声阻抗纵波声速横波声速ρ/103kg·m-1Z/MPa·s·m-1cL/km·s-1cS/km·s-1钢7.74605.93.2铜8.94204.72.2铝2.71706.33.1有机玻璃1.18322.71.20甘油1.27241.9—水(20℃)1.014.81.48—机油0.912.81.4—空气0.00124×10-30.34—Pc－入射波α－入射角Pr－反射波αr－反射角Ps－折射波β－折射角超声波入射角α的正弦与反射角αr的正弦之比，等于入射波所处介质的声速c1与反射波所处介质的声速cr之比，即：sinα/sinαr=c1/cr如果反射波的波型与入射波的波型都是纵波，则有：αr=α入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于超声波在入射波所处介质1的声速c1与折射波所处介质2中的传播速度cs之比，即：sinα/sinβ=c1/cs在图中看到，折射角大于入射角，说明第二介质的声速cs大于第一介质的声速c1（与密度有关）。如果当入射角α足够大时，将导致折射角β=90°，则折射波转换为表面波。a、声压是指介质质点所受的交变压强与静压强的差值。声压p与介质密度ρ、声速c、介质质点的振幅x以及振动角频率ω成正比关系，即：p=ρ*cxωb、声强是指单位时间内垂直于声波传播方向上的单位面积A内所通过的声能。声强I与声压p的二次方成正比关系，与声阻抗Z成反比关系，即：I=1/2*p2/Z当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满足如下关系：pi+pr=pd反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总声压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声压pi之比称为声压反射率γ。r21i21pZZpZZd2i212pZdpZZ与此对应，透射波声压pd与入射波声压pi之比称为声压透射率d：Z1——介质1的声阻抗；Z2——介质2的声阻抗1）当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时，γ=0，d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。2）当超声波从声阻抗（Z1）低的介质射向声阻抗（Z2）高的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相同，但透射声压pd却大于入射声压pi（能量仍然守恒）。3）当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（Z2）小的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相反，且透射声压pd小于入射声压pi。解：查表7-1可得，Z水=14.8MPa·s·m-1，Z钢=460MPa·s·m-1，则有46014.80.938046014.82461.938146014.81dd以上计算说明，超声波从声阻抗小的材料（密度通常也较小），入射到声阻抗大的材料（密度通常也较大，例如钢）时，透射声压增大。本例中，透射率d达到了193.8%，而反射率也较大，γ达93.8%，必须予以吸收，才不至于造成干扰。注：透射声强Id仍然小于入射声强Ii，而且遵守能量守恒定律：Id+Ir=Ii例：上例中，当超声波已经在钢板中传播了一段距离l，并到达钢板底面时，若底面是钢、水界面，再求反射率γ2及透射率d2。解：与上题相反，Ｚ2＝Ｚ水，Ｚ1＝Ｚ钢，所以有：14.84600.938014.8460214.80.06211.48460d以上计算表明，超声波从声阻抗大的材料透射到声阻抗小的材料时，声压的大部分被反射。本例中，反射率γ高达93.8%，透射到水中的声压pd1只有6.2%。如果钢板的底面是与空气交界时，则泄漏量就更小了。超声波的这一特性有利于金属探伤和测厚。以固体介质为例，设超声波进入介质时的声强为Ii，通过一定距离x的介质后的声强衰减为Ix，衰减系数为K，则有：Ix=Iie-Kx介质的晶粒越粗或密度越小，K就越大，衰减就越快；频率越高，衰减也越快。气体的密度很小,因此衰减较快，因此在空气中传导的超声波的频率选得较低，约数十千赫。而在固体、液体中则选用较高的超声频率（MHz数量级）。1－超声探头2－耦合剂3－试件4－被测试点超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。a）单晶直探头b）双晶直探头c）斜探头1－接插件2－外壳3－阻尼吸收块4－引线5－压电晶体6－保护膜7－隔离层8－延迟块9－有机玻璃斜楔块10－耦合剂11－试件1、固体传导介质超声探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件超声脉冲电压输入端接地端保护膜被测物上表面耦合剂将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，在钢中的折射角：45~70压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件瑞利波：一种界面弹性波。是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。由L.瑞利于1887年首先指出其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离表面为0.2个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆,但运动方向与表层相反。兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动。多用于金属薄板的无损探伤。选择较短波长的兰姆波有利于缺陷的检出。常用频率范围：1~5MHz由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。使用高分子压电薄膜（聚偏二氟乙烯），制作出的薄膜式探头。可以发射0.2mm的超细声束，应用于医疗诊断，来获得高清晰的图像。a）超声发射器b）超声接收器1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉。在工业中，经常使用耦合剂，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊等。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型。反射型超声波传感器可用于接近开关、测距、金属探伤以及测厚等。质量检查紧固件的安装错误检测叠放高度测量物件放置错误检测透明塑料张力控制机械手定位纸卷直径检测平整度测量超长距离检测流水线计数F1发射的超声波先到达T1，F2发射的超声波后到达T2时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波到达F2的时间较短F2F1F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差f与被测流速v成正比。首先由F1顺流发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁，被F2接收，F2的输出电压经放大后，再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲，以此类推。在第一个时间段t1里，F1的脉冲重复频率为：式中α——超声波束与流体的夹角；v——流体的流速；D——管道的直径。1cos(cos)sin/sincvcvfDD12sin2ΔfffvD在紧接下去的另一个相同的时间间隔t2(t2=t1)内,与上述过程相反,由F2逆流发射超声脉冲,而F1接收脉冲。可以测得F2的脉冲重复频率为：若不考虑管道的壁厚，则超声脉冲的重复频率差Δf与流速v成正比：而与声速无关，减小了温漂。频率法测得的流速v约等于管道截面的平均流速，所以体积流量qV为：2cos(cos)sin/sincvcvfDD2πΔ4sin2VDfq所谓多普勒效应（Dopplereffect）是指运动物体迎着波源运动时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动物体背着波源运动时，会产生相反的效应。物体的速度越快,所产生的频偏效应就越大。产生的频偏fd与波源、移动物体两者之间的相对速度v及方向有关。多普勒效应广泛存在于光波(电磁波)、声波等物理现象中。如果