超声波检测(第三章)

第三章仪器、探头和试块１、超声波探伤仪２、超声波探头３、超声波试块超声波探头１、压电效应１）正压电效应晶体材料在外力拉压作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。２）负压电效应晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为负压电效应。ＡＢ－＋＋—a)石英晶体b)正压电效应c)负压电效应2、压电材料的主要性能参数1)压电应变常数压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。)/(33VmUtd式中Ｕ——施加在压电晶片两面的应力Δt——晶片在厚度方向的变形量压电应变常数d33是衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。D33值越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。2)压电电压常数压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小)/(33NVpUgp式中P——施加在压电晶片两面的应力Ｕp——晶片表面产生的电压梯度，即电压Ｕ与晶片厚度t之比，Ｕp＝Ｕ／ｔ压电电压常数g33是衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。g33值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。2、压电材料的主要性能参数3)介电常数介电常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。AtC式中C——电容器电容t——电容器极板距离A——电容器极板面积介电常数越大电容器存贮的电量越大。越小电容器放电时间越快频率越高。2、压电材料的主要性能参数4)机电耦合系数机电耦合系数Ｋ，表示压电材料机械难（声能）与电能之间的转换效率当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形，因此机电耦合系数分为厚度方向Ｋt和径向Ｋp。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋp越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降，盲区增大。输入的能量转换的能量K输入的机械能转换的电能K输入的电能转换的机械能K正压电效应负压电效应2、压电材料的主要性能参数5)机械品质因子压电晶片在谐振时贮存的机械能Ｅ贮与在一个周期内损耗的能量Ｅ损之比称为机械品质因子。当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形，因此机电耦合系数分为厚度方向Ｋt和径向Ｋp。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋp越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降，盲区增大。损贮EEm2、压电材料的主要性能参数6)频率常数压电晶片的厚度与因有频率的乘积是一个常数，这个常数叫作频率常数式中cL——晶片中纵波声速t——晶片厚度f0——晶片固有频率晶片材料一定，频率越高，厚度越小)(20常数LtcftN2、压电材料的主要性能参数7)居里温度压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关，它只能在一定的温度范围内产生，超过一定的温度压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用Ｔc表示。结论：超声波探头对晶片的要求（1）机电耦合系数Ｋ较大，以便获得较高的转换效率（2）机械品质因子较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区（3）压电应变常数和压电电压常数较大，以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度（4）频率常数Ｎ较大，介电常数较小，以便获得较高的频率（5）居里温度Ｔ较高，声阻抗Ｚ适当2、压电材料的主要性能参数3、探头的种类和结构1)直探头（纵波探头）接口外壳电缆线阻尼块压电晶片保护膜直探头用于发射和接收纵波故又称纵波探头。主要用于探测与探测面平行的缺陷。如板材锻件探伤等。3、探头的种类和结构2)斜探头接口外壳电缆线阻尼块压电晶片斜楔斜探头可分为纵波斜探头（aLa1）,横波斜探头（aL=a1~aII）和表面波探头(aL≧aII)横波斜探头是利用横波探伤，主要是用于检测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊接汽轮机叶轮等。表面波探头当入射角大于第二临界角在工件中产生表面波，主要检测工件表面缺陷吸声材料3、探头的种类和结构3)双晶探头（分割探头）接口外壳电缆线阻尼块压电晶片延时块隔声层探伤区双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射声波，一块用于接收声波。根据入射角不同分为纵波双晶探头和横波双晶探头。优点：（1）灵敏度高（2）杂波少盲区小（3）工件中近场区小（4）探测范围可调双晶探头主要用于检测近表面缺陷。根椐工件因选择合适的工作频率、晶片尺寸和探测深度。3、探头的种类和结构3)聚焦探头探伤区接口外壳电缆线阻尼块压电晶片斜楔吸声材料声透镜聚焦区聚焦探头分为点聚焦和线聚焦。点聚焦理想焦点为一点，其声透镜为球面；线聚焦理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。3、探头的种类和结构４)可变角探头可变角探头入射角可变，转动压电晶片可使入射角连续变化，从而实现纵波、横波、表面波和板波探伤。角度标尺接口外壳压电晶片旋转杆耦合剂保护膜4、探头型号和规格1)探头的标识探头的型号标识由以下几部分组成：基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类特征基本频率：探头的发射频率，用阿拉伯数字表示，单位为ＭＨｚ晶片材料：用化学元素缩写符号表示晶片尺寸：压电晶片的大小，圆形晶片用直径表示，矩形用长乘宽表示，单位mm探头种类：汉语拼音缩写字母代表示探头特征：汉语拼音缩写字母代表示２)举例2.5P13X13K25B14ZK值为２K值斜探头矩形晶片13X13mm锆钛酸铅陶瓷频率2.5MHz2.5P13X13K2直探头圆形晶片直径为14mm钛酸钡陶瓷频率2.5MHz试块的用途1.确定检测灵敏度超声波检测灵敏度是一个重要参数，因此在超声波检测前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整检测和校验灵敏度。2.测试仪器和探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能，如垂直线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的。3.调整扫描速度利用试块可以调整仪器示波屏上刻度值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。4.评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离――波幅――当量曲线（即实用AVG曲线）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是3N以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外，还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。试块的种类和结构1)IIW试块TR2RIIW试块是国际焊接学会标准试块，该试块是荷兰代表首先提出来的，故又称荷兰试块，因形状似船形又称船形试块。2)IIW2试块(牛角试块)T25100T255075100中心不开槽中心开槽IIW2试块也是国际焊接学会标准试块，由于外形像牛角，故俗称牛角试块。与IIW试块相比IIW2试块体积小重量轻，形状简单，易加工，便携带，但功能较IIW试块要少。3)半圆试块R3RT半圆试块是一种便于携带的调校型试块，材质与IIW试块相同，分中心开切口槽与不开槽两种。4)CSK-IA试块R50R100TCSK-IA试块是国内自主设计的标准试块，功能与IIW试块相同。增加了R50的反射面。5)CS-1、CS-2试块6)CSK-IIIA试块(参考试块)超声波探伤仪一、超声波探伤仪的概述１、超声波探伤仪的作用超声波探伤仪是超声波探作的主体设备，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，通过一定的方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置大小等信息。二、超声波探伤仪的分类１、按波形特征分类i脉冲波超声波探伤仪通过探头向工件周期性的发射不连续且频率不变的超声波，要据超声波的传播时间及幅度判断工件中的缺陷位置和大小，是目前使用最广泛的探伤仪。Ｔ－重复周期f0=1/t0－标称频率Ａ－振幅强度１、按波形特征分类ii连续波超声波探伤仪这类仪器是连续的发射和接收频率和振幅都不变的超声信号，根据透过工件的超声波变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小，这类仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤仪所代替。二、超声波探伤仪的分类１、按波形特征分类iii调频波超声波探伤仪这类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。但只适合检查与探测面平行的缺陷，所以也大多被脉冲波探伤仪所代替。二、超声波探伤仪的分类2、按缺陷显示方式分类iA型显示超声探伤仪是目前脉冲反射式超声波探伤仪最基本的一种显示方式，在荧光屏上以纵座标代表反射波的幅度，以横座标代表声波的传播时间，从缺陷波的幅度和位置来确定缺陷的大小和存在的位置。二、超声波探伤仪的分类2、按缺陷显示方式分类iiB型显示超声探伤仪以屏幕面代表被检测对旬由探头移动线和声束决定的截面，纵座标代表声波的传播时间，横座标代表探头的水平位置，它可以显示出缺陷在纵截面上的二维特征。二、超声波探伤仪的分类2、按缺陷显示方式分类iiiC型显示超声探伤仪是一种图像显示方式，以屏幕代表被检测对象的投影面，这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不能给出深度。二、超声波探伤仪的分类二、超声波探伤仪的分类3、按声波通道分类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都是A型显示脉冲反射式探伤仪。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理1、仪器电路原理图电路图是把仪器每一部分用一方框来表示，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。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：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。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理(3)发射电路：发射电路利用闸流管或可控硅的开关特性，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。发射电路中的电阻Ro称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变Ro的阻值。阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因Ro与探头并联，改变Ro同时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。2．仪器主要组成部分的作用A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理(4)接收电路：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。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：）（入出dBKVUUlg202．仪器主要组成部分的作用A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理2．仪器主要组成部分的作用(5)显示电路：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。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象。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理(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。模拟探伤仪