超声波探伤探伤仪探头试块

第二章仪器、探头和试块,、超声波探伤仪、超声波探头、超声波试块,1、超声波探头,、压电效应）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。）逆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逆压电效应。,a)石英晶体,b)正压电效应,c)逆压电效应,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。,式中施加在压电晶片两面的应力t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,式中P施加在压电晶片两面的应力p晶片表面产生的电压梯度，即电压与晶片厚度t之比，p 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。,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，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t和径向p。t越大探测灵敏度越高。p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。,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贮与在一个周期内损耗的能量损之比称为机械品质因子。,机械品质因子值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之值小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力高。,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,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c表示。,结论：超声波探头对晶片的要求,（1）机电耦合系数较大，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）频率常数较大，介电常数较小，以便获得较高的频率（5）居里温度较高，声阻抗适当,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=a1aII）和表面波探头(aLaII)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,) 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,) 举例,2.5 P 13 X13 K 2,5 B 14 Z,K值为K值斜探头矩形晶片13X13mm锆钛酸铅陶瓷频率2.5MHz,2.5 P 13 X13 K 2,直探头圆形晶片直径为14mm钛酸钡陶瓷频率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,T R 2R,IIW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),T 25 100,T 25 50 75 100,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,R,3R,T,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,R50 R100,T,CSK-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,、 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,、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。,重复周期f0=1/t0 标称频率振幅强度,、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,、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i A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ii B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iii C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 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。 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,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：,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。数字便携式探伤仪多用蓄电池供电，用充电器给蓄电池充电。,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,A型脉冲反射式模拟超声波探伤仪的工作过程可参照下图，简要说明如下；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，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。与此同时，发射电路触发产生调频窄脉冲，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，遇缺陷或底面发生反射，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，在水平扫描相应位置上产生缺陷波和底波。根据缺陷的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。,A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理,3仪器的工作流程,4.仪器主要开关旋钮的作用及其调整,A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理,4.仪器主要开关旋钮的作用及其调整,A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理,4.仪器主要开关旋钮的作用及其调整,A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理,A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理,5.模拟仪器的定位调节（扫描比例）,模拟仪器的缺陷定位主要是通过扫描比例的调节，从而在屏幕上观察缺陷回波相对屏幕的位置来确定。在模拟仪器的显波屏上横坐标轴上有着等分的十个大格，每一个大格内又有等分的十小格，通过调节深度和延迟旋钮当示波器内的电子枪的扫描速度调节到某一时刻，屏幕上的每一个小格都与实际距离相对应时，扫描比例调整完毕。如果屏幕上每一小格与实际深度距离相对应，则称之为深度比例，如与水平距离相对应，则称之为水平比例。当每一小格与实际距离一毫米相对应，则称之为比例1:1，每一小格与2毫米对应，称为1:2，每两小格与实际距离一毫米对应称为2:1，以此类推。 在探伤过程中，发现了缺陷回波，只需要从仪器上数出缺陷波对应屏幕上的格数再根据扫描比例进行计算即可得到,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,1.基本组成,从它的基本构成来看，数字式仪器发射电路与模拟式仪器的是相同的，接收放大电路的前半部分，包括衰减器和高频放大器等，与模拟式仪器的也是相同的。但信号经放大到一定程度后，则由模/数转换器将其变为数字信号，由微处理器进行处理后，在显示器上显示出来。,从基本功能来看，数字式仪器可提供模拟式仪器具有的所有功能，但是，各部分功能的控制方式是不同的，在模拟式仪器中，操作者直接拨动旋钮对仪器的电路进行调整，而在数字式仪器中，则要通过人机对话，以按键或菜单的方式，将控制数据输入给微处理器，然后，由微处理器发出信号控制各电路的工作。微处理器还可按照预先设定的程序，自动对仪器进行调整，这就给自动检测提供了极大的方便。此外，数字化控制使得控制参数可以存储，可以自动按存储的参数重新对仪器进行调整，从而方便了检测过程的重复再现。检测波形的数字化使得仪器可进一步提供波形的记录与存储、波形参数的自动计算与显示（波高、距离等）、距离波幅曲线的自动生成、时基线比例的自动调整以及频谱分析等等附加功能。,2.基本功能,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,从影响仪器性能的最基本的部分发射电路和接收电路来看，数字式仪器与模拟式仪器是相同的，因此，仪器的灵敏度、分辨力、放大线性等与模拟仪器差别不大。最主要的差别，是数字式仪器中的模/数转换、信号处理和显示部分。这部分的性能决定着显示的信号是否失真。失真严重时，会影响到缺陷的判定，造成漏检、误检。仪器这部分性能的主要影响参数有模/数转换器的模/数转换频率、字长和存储深度，以及显示器的刷新频率。,3.基本性能,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,4.主要参数,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,（1）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，即实现独立判定缺陷报警的次数。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，使每次超声检测反射波被显示出来，这与模拟式探伤仪一致，但重复频率被降到了50Hz60Hz，在快速扫查和自动检测时性能不好。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，500Hz2000KHz，高速数据处理进行自动捕获最大缺陷波，再以视频显示出来，于是兼顾了显示性能和扫查性能。,（2）分辨力超声波探伤仪的波形分辨力受发射波的宽窄、接收匹配阻抗的高低和放大器带宽性影响。数字探伤仪的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，为了保证检测效果，一般取峰值，所以会把标识分辨力的谷值抛弃。使测试分辨力降低，而模拟探伤仪的波形是连续的，谷值能一直保持，反映真正分辨力，所以在测试数字探伤仪的分辨力时要将波形适当拉宽，即缩小水平扫描范围，测试到真正的分辨力。为了符合现行标准，就要选择更高分辨力的探头。,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,4.主要参数,（3）水平线性数字式超声波探伤仪水平线性相对误差取决于波形分辨力。绝对误差取决于采样频率（40MHz-200MHz）。数字式超声波探伤仪是以帖采样时钟显示和读取水平延时数据的，排除了模拟超声波探伤仪由锯齿放大失真引起的线性误差和荧屏分辨力误差。（4）垂直线性数字式超声波探伤仪的垂直线性误差有三个因素，一是数字化分辨力，一般为8位，256级，或7位128级（数字双向检波检测1位），垂直线性误差是0.4%0.8%；第二个因素是数字控制放大器的精度；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、和荧屏分辨力误差。,（5）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，但一般超声波检测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。,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,5.数字式超声波探伤仪的功能特点,（1）读数准确、直观计算机自动读数精度高，结合检测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。（2）波形显示清晰数字式探伤仪采用计算机的显示器，波形显示明亮清晰，有两种方式，一种是将检测重复频率和60Hz视频同步，波形动态感好；另一种是采用较高的重复频率检测，以60Hz或30Hz频率显示峰值波形。（3）数字化检测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，通过对超声波检测波形信号的波形高度及波形延迟时间的数字化测量，结合相关参数，进行计算，显示出直观的物理量。同时，这些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。,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,5.数字式超声波探伤仪的功能特点,（4）距离波幅曲线数字式探伤仪通过测量不同距离的相同尺寸人工缺陷反射波的绝对分贝数建立距离波幅曲线，能自动在不同灵敏度、扫查范围条件下将曲线计算出来，显示在屏幕上。比模拟探伤仪在刻度板上画曲线方便得多。数字式探伤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。数字式探伤仪的曲线在有效读数量程时有效，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。数字式探伤仪的另一项功能是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）波形的自动捕获数字式探伤仪在检测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。使检测更加准确，减轻了操作人员的劳动强度。数字式探伤仪还能自动调整增益，使闸门内的反射波幅度达到一定的高度，使操作更加简单。,数字式超声波探伤仪的一般工作原理,5.数字式超声波探伤仪的功能特点,（6）波形记录、检测报告的存储、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