超声波检测(第三章).ppt

第三章 仪器、探头和试块 、超声波探伤仪 、超声波探头 、超声波试块 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。 ）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。 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。 式中 施加在压电晶片两面的应力 t晶片在厚度方向的变变形量 压电应变压电应变 常数d33是衡量压电压电 晶体材料发发射灵敏度高低的重要参数。 D33值值越大，发发射性能越好，发发射灵敏度越高。 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。 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。 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 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 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 R50 R100T 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 (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产生的回波信号电压电压 大约约有几百微伏到几伏，为为了使变变化范围围 如此大的缺陷回波在放大器内得到正常的放大，并能在示波管荧荧光屏的有效观观察范 围围内正常显显示，可使用衰减器改变输变输 入到某级级放大器信号的电电平。一般把放大器的 电压电压 放大倍数用分贝贝来表示： 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 名 称功 能 显显示部分 辉辉度旋钮钮调节时调节时 基线线和图图形的亮度 聚焦旋钮钮 调节调节 示波管中电电子束的聚焦程度，使时时基线线和波形清 晰 水平旋钮钮 左右移动时动时 基线线，使时时基线扫线扫 描范围围与面板的刻度线线 范围围相重合 垂直旋钮钮 上下移动时动时 基线线，使时时基线线与面板上的时时基线线刻度线线 相重合 发发射部分 工作方式选择选择 旋钮钮可在单单探头头工作方式和双探头头工作方式间转换间转换 发发射强度旋钮钮 （或称阻尼旋钮钮 ） 通过过改变发变发 射电电路中的阻尼电电阻来调节发调节发 射超声波 的强度和宽宽度 重复频频率旋钮钮改变发变发 射电电路每秒钟钟内发发射高压压脉冲的次数 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 接收部分 衰减器旋钮钮 （或称增益旋钮钮 ） 可定量调节显调节显 示的反射波高度，用于调节检测调节检测 灵敏度， 评评定缺陷反射波大小 增益微调调旋钮钮可在小范围围内（如6dB内）连续连续 地调节调节 波高 频频率选择选择 旋钮钮可选择选择 接收电电路的频频率响应应 检检波方式旋钮钮可选择选择 非检检波、全波检检波、正检检波和负检负检 波 抑制旋钮钮使幅度较较小的一部分噪声信号不在显显示屏