3超声检测设备与器材2017概述.pptx

超声波培训讲义超声波培训讲义第三章：超声检测设备与器材第三章：超声检测设备与器材超声波检测设备与器材包括超声波检测设备与器材包括超声波检测仪超声波检测仪、探头探头、试块试块、耦合剂耦合剂和和机械扫描装置机械扫描装置等。等。超声波检测仪和探头是超声波检测的关键设备，其超声波检测仪和探头是超声波检测的关键设备，其性能的好坏影响超声波检测的检测灵敏度和定位性能的好坏影响超声波检测的检测灵敏度和定位定量精度。定量精度。超声波检测试块和耦合剂是超声波检测的重要器材，超声波检测试块和耦合剂是超声波检测的重要器材，试块类型和反射体的性质对超声波检测灵敏度和试块类型和反射体的性质对超声波检测灵敏度和缺陷评定具有重要意义，耦合剂的类型和性能对缺陷评定具有重要意义，耦合剂的类型和性能对超声波检测灵敏度和缺陷评定也有重要影响。超声波检测灵敏度和缺陷评定也有重要影响。一一、超声检测仪：超声检测仪是超声检测的主体设备，超声检测仪：超声检测仪是超声检测的主体设备，其作用是：其作用是：1 1、产生电振荡并施加于换能器（探头）上，激励探产生电振荡并施加于换能器（探头）上，激励探头中的压电晶片产生机械振动，从而产生超声波并头中的压电晶片产生机械振动，从而产生超声波并发射出去；发射出去；2 2、接收来自探头的电信号，并将其放大后以一定方接收来自探头的电信号，并将其放大后以一定方式显示出来。式显示出来。二、超声波检测仪的分类二、超声波检测仪的分类（一）、按超声波的原理可分为：一）、按超声波的原理可分为：1 1、脉冲反射式超声检测仪：脉冲反射式超声检测仪：仪器通过向探头的压电晶片仪器通过向探头的压电晶片周期性地发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头中压电周期性地发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头中压电晶片发生振动产生超声波，超声波在工件中传播，并在边晶片发生振动产生超声波，超声波在工件中传播，并在边界上产生反射和折射，探头的压电晶片接收从工件中反射界上产生反射和折射，探头的压电晶片接收从工件中反射回来的超声波并转变为电信号，仪器对这些电信号进行处回来的超声波并转变为电信号，仪器对这些电信号进行处理并以一定的方式显示出来，从而根据反射波的传播时间理并以一定的方式显示出来，从而根据反射波的传播时间和幅度来判断缺陷的位置和大小等情况。和幅度来判断缺陷的位置和大小等情况。2 2、穿透式检测仪：穿透式检测仪：指示声的穿透能量，根据透过工件的指示声的穿透能量，根据透过工件的超声波强度来判断工件中有无缺陷及缺陷大小。检测灵敏超声波强度来判断工件中有无缺陷及缺陷大小。检测灵敏度低，且不能确定缺陷位置。度低，且不能确定缺陷位置。3 3、共振检测仪：共振检测仪：频率可变的超声连续波在工件中形成共频率可变的超声连续波在工件中形成共振，用于共振法测厚。振，用于共振法测厚。穿透式检测仪、共振检测仪在无损检测领域内已很少使用。穿透式检测仪、共振检测仪在无损检测领域内已很少使用。应用最广的是应用最广的是脉冲反射式超声检测仪脉冲反射式超声检测仪脉冲反射式超声波检测仪脉冲反射式超声波检测仪的的工作过程工作过程：检测仪中的脉：检测仪中的脉冲振荡电路产生一个周期性的持续时间很短的电脉冲，冲振荡电路产生一个周期性的持续时间很短的电脉冲，这一周期性的电脉冲通过电线施加在探头中的压电晶这一周期性的电脉冲通过电线施加在探头中的压电晶片上，激励压电晶片产生机械振动，从而产生超声波，片上，激励压电晶片产生机械振动，从而产生超声波，超声波通过特定的媒介传入被检工件并在工件中传播，超声波通过特定的媒介传入被检工件并在工件中传播，超声波在工件中传播过程中，遇到边界会产生反射和超声波在工件中传播过程中，遇到边界会产生反射和折射，压电晶片接收到从工件中反射回来的超声波，折射，压电晶片接收到从工件中反射回来的超声波，将机械能转化为电脉冲信号，通过检波和放大并以一将机械能转化为电脉冲信号，通过检波和放大并以一定方式显示出来，从而根据反射波在工件中的传播时定方式显示出来，从而根据反射波在工件中的传播时间确定缺陷的位置，根据反射波的幅度判断缺陷的大间确定缺陷的位置，根据反射波的幅度判断缺陷的大小小。（二）按缺陷显示方式可分为：（二）按缺陷显示方式可分为：1 1、A A型显示检测仪：型显示检测仪：A A型显示是一种波型显示，检测仪荧光型显示是一种波型显示，检测仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间（如果超声波在均匀介质屏的横坐标代表声波的传播时间（如果超声波在均匀介质中传播，则声速是恒定的，则传播时间可以转变为传播距中传播，则声速是恒定的，则传播时间可以转变为传播距离），纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确离），纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷的位置，反射波的幅度可以估算缺陷的大小。定缺陷的位置，反射波的幅度可以估算缺陷的大小。2 2、B B型显示检测仪型显示检测仪：B B型显示是一种图象显示，检测仪荧型显示是一种图象显示，检测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，因而可以标是靠电子扫描来代表声波的传播时间或距离，因而可以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。如图深度。如图3 3、C C型显示检测仪型显示检测仪：C C型显示也是一型显示也是一种图象显示，检测仪荧光屏的横坐标和种图象显示，检测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件表面的位置，探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而探头的工件表面移动点辉度表示，因而探头的工件表面移动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。平面图象，但不能显示缺陷的深度。如图如图目前，广泛使用的是目前，广泛使用的是A A型显示脉冲反射式超声波检测仪。型显示脉冲反射式超声波检测仪。下面就来研究这种型号的检测仪下面就来研究这种型号的检测仪三、超声波检测仪三、超声波检测仪（一）超声波检测仪的（一）超声波检测仪的工作原理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上，使电子束发生水始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板上，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。同时，发射电路受触发产生高频平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。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，产生超声波，超声波通过透声介质脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，产生超声波，超声波通过透声介质（耦合剂）进入被检工件，超声波在工件中传播，遇到边界（缺陷或底面）（耦合剂）进入被检工件，超声波在工件中传播，遇到边界（缺陷或底面）产生反射，返回到探头，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检产生反射，返回到探头，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检波，加到示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相波，加到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。应位置上产生缺陷回波和底波。A A型脉冲反射式模拟超声波检测仪电路方框图型脉冲反射式模拟超声波检测仪电路方框图（二）仪器的主要组成及作用（二）仪器的主要组成及作用A A型脉冲反射式超声波检测仪主要由型脉冲反射式超声波检测仪主要由同步电路同步电路、扫描电路扫描电路、发射电路发射电路、接收放大电路接收放大电路、显示电路显示电路和和电源电路电源电路等组成等组成。1 1、同步电路：同步电路也叫触发电路，其作用是产生周同步电路：同步电路也叫触发电路，其作用是产生周期性的同步脉冲，作为发射电路、扫描电路和其它辅助电期性的同步脉冲，作为发射电路、扫描电路和其它辅助电路的触发脉冲，使各电路在时间上协调一致地工作，是检路的触发脉冲，使各电路在时间上协调一致地工作，是检测仪工作的指挥中心。测仪工作的指挥中心。每秒钟发射同步脉冲的次数称为每秒钟发射同步脉冲的次数称为重复频率重复频率，重复频率决定，重复频率决定了仪器每秒钟向被检工作内发射超声波的次数（了仪器每秒钟向被检工作内发射超声波的次数（数十次以数十次以致数千次致数千次）。重复频率高，采样数据快，漏检率低（）。重复频率高，采样数据快，漏检率低（适宜适宜自动化检测，可以实现高速扫查自动化检测，可以实现高速扫查）。但重复频率高，脉冲）。但重复频率高，脉冲间隔时间短，使未经过充分衰减的多次反射进入下一周期间隔时间短，使未经过充分衰减的多次反射进入下一周期形成所谓的形成所谓的“幻象波幻象波”，造成缺陷误判。所以，造成缺陷误判。所以，重复频率重复频率不是越高越好。不是越高越好。2 2、发射电路：发射电路是一个电脉冲信号发生器，可以产发射电路：发射电路是一个电脉冲信号发生器，可以产生生100-400V100-400V的高压电脉冲，施加到探头的压电晶片上，激的高压电脉冲，施加到探头的压电晶片上，激励压电晶片发生振动，从而产生超声波。有些高能型仪器励压电晶片发生振动，从而产生超声波。有些高能型仪器也提供高达也提供高达1000V1000V的高压电脉冲。的高压电脉冲。掌握以下二个概念：掌握以下二个概念：发射脉冲频带越宽，发射脉冲越窄，分辨率越好发射脉冲频带越宽，发射脉冲越窄，分辨率越好。脉冲电压越高，脉冲越宽，则发射能量越大，穿透力就越脉冲电压越高，脉冲越宽，则发射能量越大，穿透力就越大，盲区也越大，深度分辨率越差。大，盲区也越大，深度分辨率越差。3 3、接收电路：超声信号经压电晶片转换后得到的微弱电脉接收电路：超声信号经压电晶片转换后得到的微弱电脉冲，被输入到接收电路，接收电路对其进行冲，被输入到接收电路，接收电路对其进行放大、检波放大、检波、使其能在显示屏上得到足够的显示。使其能在显示屏上得到足够的显示。接收电路通常由接收电路通常由衰减器、高频放大器、检波器和视频放大衰减器、高频放大器、检波器和视频放大器等器等组成。接收电路的性能对超声波检测仪器性能影响极组成。接收电路的性能对超声波检测仪器性能影响极大，它直接影响到检测仪的大，它直接影响到检测仪的垂直线性、动态范围、检测灵垂直线性、动态范围、检测灵敏度、分辨力敏度、分辨力等重要技术指标。等重要技术指标。由缺陷回波引起的压电晶片产生的射频电压通常只有几十由缺陷回波引起的压电晶片产生的射频电压通常只有几十毫伏至几百毫伏，放大电路需对其进行足够倍数的放大毫伏至几百毫伏，放大电路需对其进行足够倍数的放大（约（约100dB100dB）,才能达到示波管显示所需的上百伏电压。才能达到示波管显示所需的上百伏电压。Kv=20lgUKv=20lgU出出/U/U入入（dBdB）Kv Kv：放大倍数放大倍数 U U出出：放大电路输出电压放大电路输出电压 U U入入：放大电路输入电压放大电路输入电压技术指标。技术指标。垂直线性：垂直线性：垂直线性是指输入到超声检测仪接收电路的垂直线性是指输入到超声检测仪接收电路的信信号幅度号幅度与其在超声检测仪显示器上所与其在超声检测仪显示器上所显示的幅度显示的幅度成比例的成比例的程度。程度。动态范围：动态范围：动态范围是指在增益不变的情况下，超声检测动态范围是指在增益不变的情况下，超声检测仪仪可运用的一段信号幅度范围可运用的一段信号幅度范围，在此范围内信号不过载或，在此范围内信号不过载或畸变，也不至过小而难以观测。畸变，也不至过小而难以观测。检测灵敏度：检测灵敏度：检测灵敏度是指超声检测系统（检测灵敏度是指超声检测系统（仪器和探头仪器和探头组合组合）发现最小缺陷的能力。）发现最小缺陷的能力。分辨力：分辨力：超声检测系统分辨出超声检测系统分辨出相邻两个缺陷相邻两个缺陷的最小距离。的最小距离。4 4、扫描电路：扫描电路又称时基电路，其作用是产生锯齿扫描电路：扫描电路又称时基电路，其作用是产生锯齿波电压，加至示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的波电压，加至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从左到右作匀速移动，产生一条水平扫描光点沿水平方向从左到右作匀速移动，产生一条水平扫描时基线，改变扫描速度，即可改变显示在屏幕上的时间或时基线，改变扫描速度，即可改变显示在屏幕上的时间或距离范围（超声波传播的声程范围）距离范围（超声波传播的声程范围）5 5、显示电路：主要由示波管、高压电路各控制电路组成。、显示电路：主要由示波管、高压电路各控制电路组成。接收电路的信号电压加在垂直偏转板上，扫描电路产生的接收电路的信号电压加在垂直偏转板上，扫描电路产生的锯齿波加在水平偏转板上。锯齿波加在水平偏转板上。6 6、电源、电源7 7、辅助电路：为不同目的而设置，比较重要的有距离、辅助电路：为不同目的而设置，比较重要的有距离-波波幅补偿电路（幅补偿电路（DACDAC）和闸门电路。）和闸门电路。模拟超声检测仪数字超声仪 具有传统超声检测仪具有传统超声检测仪的基本功能，又增加了的基本功能，又增加了数字化带来的数据测量、数字化带来的数据测量、显示、存储与输出功能。显示、存储与输出功能。仪器的维护保养仪器的维护保养为了减少仪器故障的发生，延长仪器寿命；为了减少仪器故障的发生，延长仪器寿命；使仪器保持良好的工作状态。使仪器保持良好的工作状态。四、仪器旋钮（按键）的作用及调整四、仪器旋钮（按键）的作用及调整仪器主要旋钮（按键）仪器主要旋钮（按键）1 1、发射强度旋钮（数字机没有对应的按键）：其作用是发射强度旋钮（数字机没有对应的按键）：其作用是改变仪器发射脉冲功率，从而改变仪器的发射强度。增大改变仪器发射脉冲功率，从而改变仪器的发射强度。增大发射强度，可发射强度，可提高仪器灵敏度，但脉冲变宽，分辨力变差提高仪器灵敏度，但脉冲变宽，分辨力变差。因此，在检测因此，在检测灵敏度能满足灵敏度能满足要求的情况下，发射强度旋钮要求的情况下，发射强度旋钮应尽量应尽量放在较低放在较低的位置。的位置。2 2、衰减器旋钮：衰减器的作用是调节衰减器旋钮：衰减器的作用是调节检测灵敏度检测灵敏度和和测量测量回波振幅回波振幅，调节灵敏度时，衰减器读数大，灵敏度低，读，调节灵敏度时，衰减器读数大，灵敏度低，读数小，灵敏度高。测量回波幅度时，衰减器读数大，回波数小，灵敏度高。测量回波幅度时，衰减器读数大，回波幅度高，读数小，回波幅度低。幅度高，读数小，回波幅度低。3 3、增益旋钮：其作用是改变接收放大器的增益旋钮：其作用是改变接收放大器的放大倍数放大倍数，进，进而连续改变检测灵敏度。在对模拟机进行调节时，当反射而连续改变检测灵敏度。在对模拟机进行调节时，当反射波高调整到某一指定高度后，后续的调节和检测过程中，波高调整到某一指定高度后，后续的调节和检测过程中，都不能再调节增益旋钮。都不能再调节增益旋钮。衰减器旋钮和增益旋钮在衰减器旋钮和增益旋钮在数字机中数字机中对应的都是对应的都是增益按键增益按键4 4、抑制旋钮：抑制的作用是抑制旋钮：抑制的作用是抑制抑制荧光屏上幅度较低或认为荧光屏上幅度较低或认为不必要的不必要的杂乱反射信号杂乱反射信号，使之不予显示，从而使荧光屏显示，使之不予显示，从而使荧光屏显示的波形清晰。的波形清晰。注意：使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降，注意：使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降，抑制作用越大，仪器动态范围越小抑制作用越大，仪器动态范围越小，从而在实际检测中容易，从而在实际检测中容易漏掉小的缺陷。因此，除非十分必要，一般不使用抑制。漏掉小的缺陷。因此，除非十分必要，一般不使用抑制。5 5、深度范围旋钮：也叫深度粗调旋钮，其作用是粗调荧光、深度范围旋钮：也叫深度粗调旋钮，其作用是粗调荧光屏扫描线所代表的检测范围。调节此旋钮，可屏扫描线所代表的检测范围。调节此旋钮，可大幅度地改变大幅度地改变扫描速度扫描速度，从而使荧光屏上，从而使荧光屏上回波间距大幅度地压缩或扩展回波间距大幅度地压缩或扩展。6 6、深度细调旋钮：其作用是精确调整检测范围。调节此旋深度细调旋钮：其作用是精确调整检测范围。调节此旋钮，可连续改变扫描速度，从而使荧光屏上钮，可连续改变扫描速度，从而使荧光屏上回波间距在一定回波间距在一定范围内连续变化范围内连续变化。调节此旋钮的目的是使荧光屏。调节此旋钮的目的是使荧光屏扫描线的反扫描线的反射波间距与反射体的间距成一定比例射波间距与反射体的间距成一定比例。深度范围旋钮和深度细调旋钮在深度范围旋钮和深度细调旋钮在数字机上数字机上对应的是对应的是“范围范围”键键第二节第二节 探头探头探头是超声检测系统的重要器件，其性能的好坏直接影响超声探头是超声检测系统的重要器件，其性能的好坏直接影响超声检测质量，主要影响超声检测的检测质量，主要影响超声检测的灵敏度、分辨率、信噪比灵敏度、分辨率、信噪比和和定定位定量精度。位定量精度。凡能把电能或其它形式的能转变为超声能，同时又能把超声波凡能把电能或其它形式的能转变为超声能，同时又能把超声波能转变为电能或其它形式的能的元件，称为能转变为电能或其它形式的能的元件，称为换能器换能器。换能器的。换能器的关键部件是具有压电效应的压电晶片，关键部件是具有压电效应的压电晶片，把以换能器为主要元件组装成具有超声波发射和接收特性的器把以换能器为主要元件组装成具有超声波发射和接收特性的器件，称为件，称为探头探头。一、压电效应与压电材料一、压电效应与压电材料1 1、某些晶体材料在交变应力的作用下，产生交变电场的效应称某些晶体材料在交变应力的作用下，产生交变电场的效应称为为正压电效应正压电效应，反之，晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩，反之，晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为变形的效应称为逆压电效应逆压电效应。正逆压电效应统称为压电效应。正逆压电效应统称为压电效应。2 2、超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励超声波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（机械能），压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能（机械能），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，将声能转换为电能。因此，声能转换为电能。因此，常把探头也叫换能器常把探头也叫换能器。二、压电材料的主要二、压电材料的主要性能参数性能参数具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分为单晶材料的具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分为单晶材料的多晶材料，常用的单晶材料有石英（多晶材料，常用的单晶材料有石英（S Si iO O2 2）硫酸锂（）硫酸锂（L Li iSOSO4 4）、）、铌酸锂（铌酸锂（L Li iN Nb bO O3 3）；常用多晶材料有钛酸钡）；常用多晶材料有钛酸钡(B(Ba aT Ti iO O3 3)、锆钛酸铅、锆钛酸铅（P Pb bZ Zr rT Ti iO O3 3）钛酸铅（）钛酸铅（P Pb bT Ti iO O3 3）。）。1 1、压电应变常数压电应变常数d d3333：表示在压电晶体上施加单位电压时所产：表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。生的应变大小。d d3333=t/U =t/U （m/Vm/V）U-U-施加在压电晶片上的电压，施加在压电晶片上的电压，t-t-在厚度方向的变形量。在厚度方向的变形量。压电应变常数压电应变常数D D3333值越大，发射性能越好（发射强度越大），发值越大，发射性能越好（发射强度越大），发射灵敏度越高。射灵敏度越高。2 2、压电电压常数压电电压常数g g3333：表示作用在压电晶体上单位应力所产生：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。的电压梯度大小。g g3333=U=Up p/P /P （Vm/NVm/N）P-P-施加在压电晶片两面的应力，施加在压电晶片两面的应力，U Up p晶片表面产生的电压梯度，晶片表面产生的电压梯度，即电压即电压U U与晶片厚度与晶片厚度t t之比。之比。压电电压常数压电电压常数g g3333值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。3 3、介电常介电常=Ct/A=Ct/ACC电容器电容，电容器电容，tt电容器极板的距离；电容器极板的距离；A-A-电容器极板面积。电容器极板面积。超声波检测用的压电晶体（超声波检测用的压电晶体（t t和和A A一定），一定），频率一般要求比较频率一般要求比较高高，此时，此时应小些，因为应小些，因为小，小，C C就小就小，电容器，电容器充放电时间短，充放电时间短，频率高频率高。4 4、机电偶合系数机电偶合系数K K：机电偶合系数表示压电材料机械能（声机电偶合系数表示压电材料机械能（声能）与电能之间的能）与电能之间的转换效率。转换效率。K=K=转换的能量转换的能量/输入的能量输入的能量正压电效应：正压电效应：K=K=转换的电能转换的电能/输入的声能；输入的声能；逆压电效应：逆压电效应：K=K=转换的声能转换的声能/输入的电能；输入的电能；探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向二个方向的伸缩探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向二个方向的伸缩变形，因此机械偶合系数分为厚度方向的机械偶合系数变形，因此机械偶合系数分为厚度方向的机械偶合系数K Kt t和和径向机械偶合系数径向机械偶合系数K KP P。K Kt t大，检测灵敏度高，大，检测灵敏度高，K KP P大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽。大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽。5 5、机械品质因子机械品质因子mm机械品质因子机械品质因子mm表示压电晶片在谐振时表示压电晶片在谐振时储存的机械能储存的机械能E E储储与与一个周期内一个周期内损耗的能量损耗的能量E E损损之比。之比。m=Em=E储储/E/E损损压电晶片振动损耗的能量主要是由压电晶片振动损耗的能量主要是由内磨擦内磨擦引起的，引起的，mm对对分分辨力辨力有较大影响，有较大影响，mm大，损耗小，晶片振动持续时间长，大，损耗小，晶片振动持续时间长，脉冲宽度大，分辨力低，反之，脉冲宽度大，分辨力低，反之，mm小，表示损耗大，脉冲小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力高。宽度小，分辨力高。6 6、频率常数频率常数N NN Nt t=tf=tf0 0=C=CL L/2/2tt晶片厚度；晶片厚度；f f0 0晶片固有谐振频率，晶片固有谐振频率，C CL L晶片中纵波波速。晶片中纵波波速。压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做压电晶片的频率常数。由上式可知，制作高频探头时，晶做压电晶片的频率常数。由上式可知，制作高频探头时，晶片厚度较小，制作低频探头时，晶片厚度较大。片厚度较小，制作低频探头时，晶片厚度较大。发射超声波发射超声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速。的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速。7 7、居里温度居里温度T TC C压电材料的压电效应与温度有关，它只能在一定温度内产压电材料的压电效应与温度有关，它只能在一定温度内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料压电生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料压电效应消失的温度称为压电材料的效应消失的温度称为压电材料的居里温度。居里温度。综上所述，为了使超声波探头具有所要求的性能，综上所述，为了使超声波探头具有所要求的性能，超声波超声波探头对晶片的一般要求是：探头对晶片的一般要求是：机电耦合系数机电耦合系数K K较大，以获得较高的转换效率；较大，以获得较高的转换效率；机械品质因子机械品质因子mm较小，以获得较高的分辨力和较小盲区；较小，以获得较高的分辨力和较小盲区；压电应变常数压电应变常数d d3333和压电电压常数和压电电压常数g g3333较大，以获得较高的发较大，以获得较高的发 射灵敏度和接收灵敏度。射灵敏度和接收灵敏度。频率常数频率常数N N较大，介电常数较大，介电常数较小，以获得较高的频率。较小，以获得较高的频率。居里温度居里温度T TC C较高，声阻抗较高，声阻抗Z Z适当。适当。三三、探头的结构探头的结构超声波探头一般由超声波探头一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳护膜和外壳组成。如图组成。如图 a a）直探头）直探头 b b）斜探头）斜探头它们的作用是：它们的作用是：1 1、压电晶片压电晶片的作用是发射和接收超声波，实现电声能转换。的作用是发射和接收超声波，实现电声能转换。2 2、阻尼块阻尼块的作用一是对压电晶片的振动起阻尼作用，从而减的作用一是对压电晶片的振动起阻尼作用，从而减小脉冲宽度，提高分辨力，二是吸收晶片向背面发射的超声小脉冲宽度，提高分辨力，二是吸收晶片向背面发射的超声波，三是对晶片起支承作用。波，三是对晶片起支承作用。3 3、保护膜保护膜的作用是保护压电晶片，不致磨损或损坏的作用是保护压电晶片，不致磨损或损坏4 4、斜楔斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而装在晶是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。其作用一是保证晶片发射的超声波按设定的片前面的楔块。其作用一是保证晶片发射的超声波按设定的倾斜角倾斜入射到斜楔与工件的界面上，从而产生波型转换，倾斜角倾斜入射到斜楔与工件的界面上，从而产生波型转换，以便在工件内形成特定波型和角度的声束。二是对晶片起保以便在工件内形成特定波型和角度的声束。二是对晶片起保护作用护作用。四、探头的种类四、探头的种类按波型不同：纵波探头、横波探头、表面波探头按波型不同：纵波探头、横波探头、表面波探头;按耦合方式：接触式探头和液浸探头；按耦合方式：接触式探头和液浸探头；按波束形状：聚焦探头和非聚焦探头；按波束形状：聚焦探头和非聚焦探头；按晶片数量：单晶探头和双晶探头；按晶片数量：单晶探头和双晶探头；按声束方向：直探头、斜探头、可变角探头。按声束方向：直探头、斜探头、可变角探头。1 1、直探头：直探头用于发射和接收纵波，所以也叫纵波直探头：直探头用于发射和接收纵波，所以也叫纵波探头。其主要参数是探头。其主要参数是频率频率和和晶片直径晶片直径。直探头主要用于检。直探头主要用于检测与检测面测与检测面平行或近似平行平行或近似平行的缺陷。用于对的缺陷。用于对板材、锻件板材、锻件等等工件的检测。工件的检测。2 2、斜探头：可分为斜探头：可分为纵波斜探头、横波斜探头、表面波探纵波斜探头、横波斜探头、表面波探头、兰姆波探头和可变角探头头、兰姆波探头和可变角探头。用得最多的是横波斜探头。用得最多的是横波斜探头（a aa aL La a）。斜探头的主要参数是）。斜探头的主要参数是频率、晶片尺寸、频率、晶片尺寸、K K值或角度、入射点（前沿长度）值或角度、入射点（前沿长度）等，主要用于检测与等，主要用于检测与探探测面垂直或成一定角度测面垂直或成一定角度的缺陷。用于对焊缝、汽轮机叶轮的缺陷。用于对焊缝、汽轮机叶轮等工件的检测。等工件的检测。3 3、双晶探头（分割探头）：双晶探头有两块压电晶片，双晶探头（分割探头）：双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，一块用于接收超声波一块用于发射超声波，一块用于接收超声波,中间夹有隔中间夹有隔声层。发射晶片用声层。发射晶片用发射灵敏度高发射灵敏度高的压电材料制成，接收晶的压电材料制成，接收晶片用片用接收灵敏度高接收灵敏度高的压电晶片制成，这样，探头发射和接的压电晶片制成，这样，探头发射和接收灵敏度都高。双晶探头的主要参数为收灵敏度都高。双晶探头的主要参数为频率、晶片尺寸和频率、晶片尺寸和声束汇集区声束汇集区的范围。的范围。双晶探头的优点：双晶探头的优点：灵敏度高灵敏度高杂波少盲区小杂波少盲区小工件中近场区长度小工件中近场区长度小检测范围可调检测范围可调由于双晶探头的上特点，双晶探头主要用于检测由于双晶探头的上特点，双晶探头主要用于检测近表面缺近表面缺陷陷和和已知缺陷的已知缺陷的定点测量，定点测量，主要用于对主要用于对较薄工作较薄工作的纵波检的纵波检测。如测。如JB/T4730JB/T4730标准规定，板厚为标准规定，板厚为6 620mm20mm的板材超声检的板材超声检测，优先用测，优先用5MHz5MHz的双晶直探头。的双晶直探头。聚焦探头：聚焦探头是利用超声波在聚焦探头：聚焦探头是利用超声波在介面上产生折射介面上产生折射的原理，的原理，使探头发射的超声波束在工件的某处聚集的一种探头。根据使探头发射的超声波束在工件的某处聚集的一种探头。根据聚焦方式不同，可分为点聚焦和线聚焦。点聚焦的理想焦点聚焦方式不同，可分为点聚焦和线聚焦。点聚焦的理想焦点为一个点，其声透镜为球面，线聚焦的理想焦点为一条线，为一个点，其声透镜为球面，线聚焦的理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。聚焦探头的主要参数其声透镜为柱面。聚焦探头的主要参数是频率、晶片尺寸和是频率、晶片尺寸和焦距。焦距。聚焦探头可分为接触式聚焦探头和水浸聚焦探头。聚焦探头可分为接触式聚焦探头和水浸聚焦探头。水浸聚焦探头的焦距水浸聚焦探头的焦距F F与声透镜的曲率半径与声透镜的曲率半径r r的关系为：的关系为：F=C F=C1 1r/r/（C C1 1-C-C2 2）=nr/=nr/（n-1n-1）聚焦探头检测工件时，实际焦距会变小聚焦探头检测工件时，实际焦距会变小 F F=F-L=F-L（C C3 3/C/C2 2-1-1）水层厚度为：水层厚度为：H=F-H=F-LCLC3/3/C C2 2式中：式中：n=Cn=C1 1/C/C2 2，C C1 1、C C2 2、C C3 3分别为声透镜、水、工件中声速。分别为声透镜、水、工件中声速。L L为焦点至工作表面的距离。为焦点至工作表面的距离。五、探头型号五、探头型号探头型号表示方法一般由探头型号表示方法一般由基本频率、晶片材料、晶片尺寸、基本频率、晶片材料、晶片尺寸、探头种类、探头特征探头种类、探头特征五个部分组成，其排列顺序如下：五个部分组成，其排列顺序如下：基本频率基本频率晶片材料晶片材料晶片尺寸晶片尺寸探头种类探头种类探头特征探头特征1 1、基本频率：用阿拉伯数字表示，单位为基本频率：用阿拉伯数字表示，单位为MHzMHz；2 2、晶片材料：用化学元素缩写符号表示；晶片材料：用化学元素缩写符号表示；3 3、晶片尺寸：用阿拉伯数字表示，单位为晶片尺寸：用阿拉伯数字表示，单位为mmmm，其中圆晶片用其中圆晶片用直径表示；矩形晶片用长直径表示；矩形晶片用长宽表示；双晶探头为圆形的，用宽表示；双晶探头为圆形的，用分隔前的直径表示，两个矩形晶片长分隔前的直径表示，两个矩形晶片长宽宽22表示。表示。压电晶片材料压电晶片材料代号代号压电晶片材料压电晶片材料代号代号锆钛酸铅陶瓷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石英单晶Q其它压电材料N4 4、探头种类：用汉语拼音字母表示，直探头可以不标。探头种类：用汉语拼音字母表示，直探头可以不标。5 5、探头特征：斜探头钢中折射角正切值（探头特征：斜探头钢中折射角正切值（K K值）用阿拉伯值）用阿拉伯数字表示。钢中折射角用阿拉伯数字表示，单位为数字表示。钢中折射角用阿拉伯数字表示，单位为“”。双晶探头钢中声束汇集区深度用阿拉伯数字表示，单位为双晶探头钢中声束汇集区深度用阿拉伯数字表示，单位为mmmm，水浸聚焦探头水中焦距用阿拉伯数字表示，单位为水浸聚焦探头水中焦距用阿拉伯数字表示，单位为mmmm，DJDJ表示点聚焦，表示点聚焦，XJXJ表示线聚焦。表示线聚焦。如如2.5P13X13K22.5P13X13K2表示基本频率为表示基本频率为2.5MHz,2.5MHz,晶片材料为锆钛酸晶片材料为锆钛酸铅陶瓷，晶片尺寸为铅陶瓷，晶片尺寸为13X1313X13，K K值为值为2 2的斜探头。的斜探头。2.5B20Z2.5B20Z表示基本频率为表示基本频率为2.5MHz,2.5MHz,晶片材料为钛酸铅陶瓷，晶片材料为钛酸铅陶瓷，晶片尺寸晶片尺寸20mm20mm圆晶片的直探头。圆晶片的直探头。5T20FG10Z5T20FG10Z，5I14SJ10DJ5I14SJ10DJ探头种类探头种类代号代号探头种类探头种类代号代号直探头Z水浸聚焦探头SJ斜探头（用K值表示）K表面波探头BM斜探头（用折射角表示）X可变角探头KB分隔探头FG6 6、探头电缆线探头电缆线 探头与检测仪间的连接需采用高频同轴电缆，可消除外来电波对探头的激励探头与检测仪间的连接需采用高频同轴电缆，可消除外来电波对探头的激励脉冲及回波脉冲的影响，并防止这种高频脉冲以电波形式向外辐射。脉冲及回波脉冲的影响，并防止这种高频脉冲以电波形式向外辐射。电缆线的中心是单股或多股芯线。芯线的外面是聚乙烯隔层。隔层的外面是电缆线的中心是单股或多股芯线。芯线的外面是聚乙烯隔层。隔层的外面是金属丝编织的屏蔽层。最外层是外皮，如图所示。金属丝编织的屏蔽层。最外层是外皮，如图所示。对于石英、硫酸锂等介电常数很低的压电晶片制成的探头，电缆的长度、种对于石英、硫酸锂等介电常数很低的压电晶片制成的探头，电缆的长度、种类的变化会引起探头与检测仪间阻抗匹配情况的较大改变，从而影响检测灵敏类的变化会引起探头与检测仪间阻抗匹配情况的较大改变，从而影响检测灵敏度，因此，度，因此，应选用专用电缆，且在检测过程中不可任意更换应选用专用电缆，且在检测过程中不可任意更换，如果更换，应考，如果更换，应考虑重新进行仪器状态调整。虑重新进行仪器状态调整。同轴电缆比一般电缆脆弱，弯曲过大时容易损坏。同轴电缆比一般电缆脆弱，弯曲过大时容易损坏。同轴电缆截面同轴电缆截面:11芯线；芯线；22外皮；外皮；33金属丝屏蔽层；金属丝屏蔽层；44聚乙烯隔层聚乙烯隔层第三节第三节 耦合剂耦合剂超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。为改善探头与工件间声能的传递，而加在好。为改善探头与工件间声能的传递，而加在探头和检测面之间探头和检测面之间的的液体薄液体薄层层称为称为耦合剂耦合剂。加耦合剂是因为探头与工件之间有一层空气，由超声波的物理知识可知，加耦合剂是因为探头与工件之间有一层空气，由超声波的物理知识可知，超声波在超声波在空气界面上几乎全反射空气界面上几乎全反射，即使很薄的空气也会阻止超声波传入工，即使很薄的空气也会阻止超声波传入工件。因此，在探头与工件之间施加耦合剂，以排除探头与工件间的空气间件。因此，在探头与工件之间施加耦合剂，以排除探头与工件间的空气间隙，使隙，使超声波能够传入工件超声波能够传入工件，从工件中，从工件中反射回的超声波也能返回到探头反射回的超声波也能返回到探头，这是施加耦合剂的主要目的。此外，耦合剂还有这是施加耦合剂的主要目的。此外，耦合剂还有润滑作用润滑作用，减少探头磨损，减少探头磨损常用的耦合剂有水、甘油、水玻璃、机油、变压机油、浆糊等。常用的耦合剂有水、甘油、水玻璃、机油、变压机油、浆糊等。一般要求耦合剂应满足以下要求：一般要求耦合剂应满足以下要求：1 1、能能润湿润湿工件和探头表面，工件和探头表面，流动性流动性好，粘度和附着力适当，不难清洗。好，粘度和附着力适当，不难清洗。2 2、声阻抗高声阻抗高，透声性能好。，透声性能好。3 3、来源广，价格便宜。来源广，价格便宜。4 4、对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。对工件无腐蚀，对人体无害，不污染环境。5 5、性能稳定、不易变质，能较长时间保存。性能稳定、不易变质，能较长时间保存。第四节第四节 试块试块按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺陷的试样，称为试块陷的试样，称为试块。一、试块的分类一、试块的分类超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块三大类超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块三大类1 1、标准试块：标准试块是指由权威机构制定的，其特性和制作标准