超声检测设备与器材.doc

第2章 超声检测设备与器材超声检测设备与器材包括超声检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等，其中仪器和探头对超声检测系统的能力起关键性作用。了解其原理、构造和作用及其主要性能，是正确选择检测设备与器材并进行有效检测的保证。2.1 超声检测仪超声检测仪是超声检测的主体设备，它的作用是产生电振荡并施加于探头上，激励探头发射超声波，同时接受来自于探头的电信号，将其放大后以一定方式显示出来，从而得到被检工件中有关缺陷的信息。2.1.1 超声检测仪的分类超声检测仪按照其指示的参量可以分为以下三类：第一指示声的穿透能量，称为穿透式检测仪，这类仪器发射单一频率的超声连续波，根据透过工件的超声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，且不能确定缺陷深度位置，须从两侧接近工件，目前已很少使用。第二类指示频率可变的超声连续波在工件中形成共振的情况，用于共振测厚，也已很少用。第三类指示脉冲波的幅度和运行时间，称为脉冲发射式检测仪。这类仪器通过探头向工件周期性发射持续时间很短的电脉冲，激励探头发射脉冲超声波，并接收从工件中反射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间和幅度判断是否存在缺陷和缺陷的大小。还可以采用一收一发双探头方式，接收从工件中衍射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间来判断是否存在缺陷和缺陷大小等情况，称为衍射时差法超声检测仪。脉冲检测仪的信号显示方式可分为A型显示、B型显示和C型显示。2 A型显示、B型显示与C型显示A型显示是一种波形显示，是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来。横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。如果超声波在均质材料中传播，声速是恒定的，则传播时间可转变为传播距离。从声波的传播时间可以确定缺陷的位置，由回波幅度可以估算缺陷当量尺寸。脉冲发射法检测的典型A显示图形，左侧的幅度很高的脉冲T称为始波，是发射脉冲直接进入接收电路后，在屏幕上的起始位置显示的脉冲信号；右侧的高回波B称为底波或底面回波，是超声波传播到入射面相对的工件底面产生的反射波；中间的回波F则为缺陷的反射回波。A型显示具有检波和非检波两种形式。非检波信号又称为射频信号，是探头输出的脉冲信号的原始形式，用于分析信号特征；检波形式是探头输出信号的脉冲信号经检波后显示的形式。由于检波形式可将时基线从屏幕中间移动到刻度板底线，可观察的幅度范围增加一倍，同时，图形较为清晰简单，便于判断信号的存在及读出信号幅度。但检波形式与非检波形式相比，失去了其中的相位信息。2.1.2 A型脉冲反射式超声波探伤仪1 仪器的工作原理A型脉冲反射式模拟超声检测仪的主要组成部分是：同步电路、扫描电路（时基电路）、发射电路、接收放大电路、显示电路和电源电路等。电路图：除此之外，检测仪还有延时电路、报警电路、深度补偿电路、标记电路、跟踪及记录等附加装置。仪器工作原理：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束产生水平偏转，在显示屏上产生一条水平扫描线。与此同时，发射电路受触发产生高频脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波，超声波在工件中传播，遇缺陷或底面产生反射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上产生缺陷回波和底波。2 仪器主要组成部分的作用（1）同步电路 又称触发电路，主要由振荡器和微分电路等组成。其作用是每秒产生数十至数千个周期性的同步脉冲，作为发射电路、扫描电路以及其它辅助电路的触发脉冲，使各电路在时间上协调一致工作。每秒中内发射同步脉冲的次数称为重复频率。同步脉冲的重复频率决定决定超声仪的发射脉冲重复频率，即决定了每秒向被检试件内发射超声波脉冲的次数。选择重复频率对自动化检测很重要。自动检测的优势之一是可以自动记录超声信号，因此可使以实现高速扫查，这就需要有高重复频率以保证不漏检。但高重复频率使两次脉冲间隔时间变短，可能使未充分衰减的多次反射进入下一周期，形成所谓的“幻想波”造成缺陷误判。在手工检测目视请况下，提高重复频率可使波形显示亮度增加，便于观察。（2）发射电路发射电路是一个电脉冲信号发生器，可以产生100400V的高压电脉冲，施加到压电晶片上产生脉冲超声波。有些可提供到1000V的高压电脉冲，以适应特殊的检测情况。发射电路可分为调谐式和非调谐式的：1）调谐式电路谐振频率由电路中的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。谐振频率通常调谐到与探头的固有频率相一致。这种电路常用于检测穿透高衰减材料的情况。2）非调谐式电路发射短脉冲，脉冲形状有尖脉冲、方波等不同形式，脉冲频带较宽，可适应不同频带范围的探头。现在常用的超声检测仪多采用非调谐式电路。发射电脉冲的频率特性将传递到整个检测系统，首先是探头，转换为超声脉冲后进入工件，再回到探头，进入接收器，最后到达显示器。因此，屏幕上信号可以看作是发射脉冲经过一系列过程被处理后的结果。发射电路的频率特性对最终的A显示图形影响很大。为了使探头的能量转换频率达到最高，并且保证发射的超声波具有要求的频谱，通常要求发射脉冲频率范围包含探头自身的频带范围。频带越宽，发射脉冲越窄，分辨力越好。超声检测仪中多设置发射强度调节旋钮或阻尼旋钮，通过改变发射电路中的阻尼电阻，调节发射脉冲的电压幅度和脉冲宽度。电压越高，脉冲越高，则发射能量越大，但也增大了盲区。（3）接收电路 超声信号经压电晶片转换后得到的微弱电脉冲，被输入接收电路。接收电路对其放大、检波，使其能在显示屏上得到足够的显示。接收电路通常由衰减器、高频放大器、检波器和视频放大器组成。接收电路的性能直接影响到检测仪的垂直线性、动态范围、检测灵敏度、分辨力等。衰减器 为了对信号幅度进行定量评定，使放大器的输入电压与输出电压成线性关系，设置衰减器。只有衰减器是经校准的定量测量装置，但发射电路和接收电路中的其它旋钮也会使回波幅度产生影响。在定量调节仪器灵敏度和进行回波定量评定时，必须确认其它旋钮位置不变。检波电路的作用是将探头接收的射频信号转变为视频信号。检波有全波、正检波和负检波。抑制电路 为了抑制噪声信号，将幅度较小的部分信号截去，不在显示屏上显示。但使用后会使信号的幅度放大线性变差，动态范围变小。过度抑制还有失去小缺陷信号的可能在用单探头以脉冲反射方式进行检测时，发射脉冲在激励探头的同时也直接进入接收电路，形成始波。由于发射脉冲电压很高，在短时间内放大器倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。由于发射脉冲自身有一定的宽度，加上放大器的阻塞现象，在靠近始波的一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能法线，具体到工件中，这段时间所对应的由入射面进入工件的深度距离，称为盲区。2.2 超声波探头常用的压电换能器探头，其关键部件是压电晶片，是一个具有压电特性的单晶或多晶片薄片，其作用是将电能转换为声能，并将声能转换为电能。2.2.1 压电效应与压电材料1 压电效应正压电效应 晶体在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。逆压电效应 当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。超声探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能，探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换成电能。2 压电材料具有压电效应的材料称为压电材料。分为单晶材料和多晶材料。单晶材料有石英、硫酸锂、铌酸锂等。多晶材料有钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅又称压电陶瓷。压电单晶体各向异性，产生的压电效应的机理与其特定方向上的原子排列方式有关。当晶体受到特定方向的压力而变形，可使带有正、负电荷的原子沿某一方向改变，而是晶体的一侧带正电荷另一侧带负电荷。石英晶体示意图。沿X方向施加压力时，产生的压电效应最显著，且电压沿X方向形成；沿Y方向压缩晶体，电压仍在X方向形成，逆压电效应也如此。因此，垂直于X轴切割晶片，使晶片法线平行于三个X轴中的任一轴时，在晶片两面施加电压可产生垂直于晶片的振动，形成纵波，这样的晶片称为X切割晶片；X切割晶片具有纵向压电性。使晶片法线方向平行于Y轴切割，称为Y切割晶片，Y切割晶片具有横向压电性。利用Y切割晶片的横向压电性，可以制作声束垂直于工件表面入射的接触式横波探头。压电多晶体是各向同性。为使真个晶片具有压电效应，要进行极化处理。2.2.2 探头的结构及各部分的作用压电探头一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成。斜探头中通常有一个使晶片与入射面成一定角度的斜楔块。探头的基本结构如图：各部分的作用：1 压电晶片压电晶片的作用是发射和接收超声波。实现电声转换。晶片的性能决定探头的性能。晶片的尺寸和谐振频率，决定发射声场的强度、距离波幅特性与指向性。晶片制作质量的好坏，也关系着探头的声场对称型、分辨力、信噪比等特性。晶片可以是圆形、方形或矩形。晶片的两面需敷上银层，以使晶片上的电压能均匀分布。2 阻尼块和吸声材料阻尼块对压电晶片的振动起阻尼作用，一是可使晶片起振后尽快停下来，从而使脉冲宽度减小，分辨力提高；二是阻尼块可以吸收晶片向其背面发射的超声波；三是对晶片起支撑作用。斜探头中，晶片前面已粘贴在斜楔上，背面可不加阻尼块。但斜楔内的多次反射波会形成一系列杂乱信号，故需在斜楔周围加上吸声材料，以减少噪声。3 保护膜保护压电晶片不受磨损或损坏。保护膜分为硬、软保护膜。硬保护膜适用于表面粗糙度较高的工件。软保护膜适用于表面粗糙度较低的工件。保护膜会使始波宽度增大，分辨力变差，灵敏度降低。在这方面，硬保护膜比软保护膜更严重。石英晶片不易磨损，可不加保护膜。4 斜楔是斜探头中为使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。斜楔使探头的晶片与工件表面形成一个严格的夹角；以保证晶片发射的超声波按设定的倾斜角斜入射到斜楔与工件的界面，从而能在界面处产生所需要的波型转换，以便在工件内形成特定波型和角度的声束。斜楔中的纵波波速须小于工件中纵波声速，且有适当的衰减系数，且耐磨、易加工。一般斜楔用有机玻璃制成。2.2.3 探头的主要种类根据波型不同，可分为纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。根据耦合方式，可分为接触式探头和水浸探头根据波束分为聚焦与非聚焦探头。根据晶片数不同分为单晶探头、双晶探头等1 接触式纵波直探头探头直接接触工件表面的方式进行垂直入射纵波检测，用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷，如板材、锻件检测等。主要的参数频率和晶片尺寸。2 接触式斜探头可分为纵波斜探头（），横波斜探头（）、表面波探头（）、兰姆波探头及可变角探头。共同特点：压电晶片贴在斜楔上，晶片与探头表面成一倾角。纵波斜探头是入射角（）的探头。其目的是：利用小角度的纵波进行缺陷检测，或在横波衰减过大的情况下，利用纵波穿透能力强的特点进行纵波斜入射。使用时应注意工件中同时存在横波的干扰。横波斜探头是入射角（）且折射波为纯横波的探头，横波斜探头实际上是直探头加斜楔组成的。主要用于检测与检测面成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮检测等。横波探头的标称方式有三种：一是以纵波入射角来标称，二是以横波折射角来标称，三是以钢中折射角的正切值K来表示，在计算钢中缺陷位置时比较方便。主要参数为工作频率、晶片尺寸和K值。K值与入射角、折射角的换算关系，此表适用于有机玻璃/钢界面。表面波探头入射角需产生表面波的临界角附近，通常比第二临界角略大。表面波探头用于对表面或近表面缺陷进行检测。表面波探头的结构与横波探头一样，只是角度不同。兰姆波探头的角度根据板厚、频率和所选定的兰姆波模式而定，主要用于薄板中缺陷的检测。可变角探头的入射角可变，转动压电晶片可使入射角连续变化，一般变化范围为070，可实现纵波、横波、表面波或兰姆波检测。3 双晶探头（分割探头）双晶探头有两个压电晶片，一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波，中间夹有隔声层。入射角不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。双晶探头具有以下优点：（1） 灵敏度高 双晶探头的两块晶片，一收一发，发射晶片用发射灵敏度高的压电材料，接收晶片用接收灵敏度高的压电材料。这样探头的发射和接收灵敏度都高，这是单晶探头无法比拟的。（2） 杂波少盲区小 双晶探头的发射与接收分开，消除了发射压电晶片与延迟块之间的反射杂波。同时由于始脉冲未进入放大器，克服了阻塞现象，使盲区大大减小，为检测近表面缺陷提高了有利的条件。（3） 工件中近场区长度小 双晶探头采用了延迟块，缩短了工件中的近场区长度，这对检测有利。（4） 对菱形区内的缺陷灵敏度较高。可以通过改变入射角来调整。入射角增大，菱形区向表面移动，在水平方向变窄。入射角减小，菱形向内部移动，在垂直方向变窄。主要用于检测近表面缺陷和已知缺陷的定点测量。主要参数为频率、晶片尺寸和声束汇聚区。4 接触式聚焦探头焦点形状不同分为点聚焦和线聚焦。点聚焦焦点为一点，声透镜为球面；线聚焦焦点为一条线，声透镜为柱面。根据耦合情况不同分为水浸聚焦和接触聚焦。接触聚焦方式不同分为透镜式聚焦、反射式聚焦和曲面晶片式聚焦。图 聚焦探头a) 透镜式 平面晶片发射超声波通过声透镜和透镜楔块实现聚焦b) 反射式 平面晶片发射通过曲面楔块反射来实现聚焦c) 曲面晶片式 曲面晶片式聚焦探头的晶片为曲面，通过曲面楔块实现聚焦，但曲面晶片制作难，目前很少用。接触式聚焦探头的主要参数为频率、晶片尺寸和聚焦。5 水浸平探头和水浸聚焦探头4.2.5 探头型号探头型号组成项目及排列如下：基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 探头特征基本频率 MHz晶片材料压电材料代号锆钛酸铅陶瓷P钛酸钡陶瓷B钛酸铅陶瓷T铌酸锂单晶L碘酸锂单晶I石英Q其它压电材料N晶片尺寸：单位mm，圆晶片用直径表示，矩形晶片长宽种类代号直探头Z斜探头（K值）K斜探头（折射角）X分割探头FG水浸聚焦探头SJ表面波探头BM可变角探头KB