第4章 超声检测设备与器材

第4章 超声检测设备与器材郭黎群台州市特种设备监督检验中心,第4章 超声检测设备与器材 超声检测设备与器材： 超声检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。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并进行有效检测的保证。,4.1 超声检测仪超声检测的主体设备。作用：产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时接受来自探头的电信号，将其放大后以一定的方式显示出来，从而得到被检工件中有无缺陷的信息。4.1.1 超声检测仪的分类1. 概述 超声检测仪指示的三种参量：(1) 超声的穿透能量穿透式检测仪：发射频率不变（或在小范围内周期性变化）的超声连续波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。(2) 频率可变的超声连续波在工件中形成驻波的情况调频波探伤仪：仪器通过探头向工件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。共振式测厚仪,(3) 脉冲波的幅度和运行时间脉冲波探伤仪：仪器通过探头向工件周期性地发射一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及缺陷大小等情况。两种信号显示方式：A型和超声成像（B、C、D、S、P）。衍射时差法超声检测仪：采用一发一收双探头方式，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及缺陷大小等情况。,2. A型显示、B型显示与C型显示,(1) A型显示 波形显示，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。横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。,(2) B型显示 图像显示，是工件的一个二维截面图。横坐标代表探头在工件表面的一条直线扫查距离，纵坐标代表声传播时间（距离）。显示被检工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。,(3) C型显示 图像显示，是工件的一个平面投影图。图的二维坐标对应探头的扫查位置，工件中缺陷的形状和深度以亮度或颜色表示。,4.1.2 模拟式超声检测仪1. 仪器电路方框图和工作原理仪器电路方框图：说明仪器的大概结构和工作原理。主要组成部分：同步电路、扫描电路、发射电路、接收放大电路、显示电路和电源电路等。工作原理：,2. 仪器主要组成部分的作用(1) 同步电路（触发电路）作用：产生数十数千赫兹(Hz)的同步脉冲，作为发射电路、扫描电路以及其他辅助电路的触发脉冲，使各电路在时间上协调一致工作。重复频率：是一个仪器参数,探伤仪器驱动探头发射超声波的次数，例如PRF设置为1kHz即为仪器每秒驱动探头发射1000次超声波。对于模拟式探伤仪器，显示屏的亮度需要有一定的扫描信号来驱动射线管维持，因为PRF过低会造成显示屏暗淡。对于数字式探伤仪，LCD显示屏亮度不再依赖PRF，那么PRF就只与探头扫查速度有关：因为探头在移动的过程中，如果移动的速度过快而PRF太低，可能会造成探头划过某处缺陷时，还没有超声波“照射”到缺陷，造成漏检。如果PRF过高,仪器第一次发射的超声波还没有被探头接收到，就接着发出了第二次、第三次超声波，结果第一次超声波的回波也许夹杂在了第二次激发后，发生逻辑混乱，在显示屏上无规律的显示回波跳动.,2. 仪器主要组成部分的作用同步电路（触发电路） 重复频率的选择：视被检工件厚度进行调节。厚度大，使用较低的重复频率；厚度小，可使用较高的重复频率。幻象波：高重复频率使两次脉冲间隔时间变短，使未充分衰减的多次反射进入下一周期，形成的波形。,(2) 扫描电路（时基电路）作用：产生锯齿波电压，施加到示波管水平偏转板上，使显示管荧光屏上的光点沿水平方向从左向右作等速移动，产生一条水平扫描时基线。时基线调节：测量范围（声速）粗调和细调：改变屏幕上显示的时间（距离）范围的大小，实质是调节扫描速度（锯齿波的斜率）。延迟：调节屏幕上显示的时间范围的起点，即时基电路触发的延迟时间。将同步信号延迟一段时间后触发扫描电路，使扫描延迟一段时间开始。,(3) 发射电路作用：电脉冲信号发生器，产生高压电脉冲施加到压电晶片上产生脉冲超声波。电路形式：调谐式：电路谐振频率由电路中的电感、电容决定，发出的超声波脉冲频带较窄。谐振频率调谐到与探头的固有频率相一致。非调谐式：发射一短脉冲（尖脉冲或方波），脉冲频带较宽，可适应不同频带范围的探头。,阻尼电阻R0： 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。,(4) 接收电路 将来自探头的电信号进行放大、检波后输至显示电路。接收电路性能影响检测仪的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨率等技术指标。组成：衰减器、高频放大器、检波器和视频放大器等。衰减器：对信号幅度定量调节，给出不同信号幅度差的精确读数，用于不同信号幅度的比较；将超出显示器幅度范围的过大信号衰减到显示器可显示的幅度。射频放大电路：将衰减器输出的射频信号进行放大。检波电路：将探头接收到的射频信号转换成视频信号，以检波的形式显示。全波检波：将视频信号正、负半周的信号均转换成正电压信号；正检波：将视频信号正半周的信号均转换成正电压信号；负检波：将视频信号负半周的信号均转换成正电压信号。,抑制电路：用于将幅度较小的一部分信号截去，不在显示屏上显示。使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降。阻塞：使用单晶片探头以脉冲反射法进行检测时，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，在短时间内放大器的放大量会降低，甚至没有放大作用。盲区：由于发射脉冲自身宽度和放大器的阻塞现象，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发现。这段时间所对应的入射面进入试件的深度距离，称为盲区。(5) 显示电路：由示波器和外围电路组成。显示检测图形。(6) 电源电路：给检测仪各部分电路提供适当的电能。,3. 仪器主要开关旋钮的作用及其调整发 射 部 分工作方式选择 选择检测方式，即“双探”和“单探”方式。 双探：一发一收工作状态； 单探：自发自收工作状态。发射强度 改变仪器发射脉冲功率（发射强度）。 重复频率 调节脉冲重复频率，改变发射电路每秒钟发射脉冲的次数。接 收 部 分 衰减器(粗、细) 调节检测灵敏度和测量回波幅度。 增益(增益细调) 改变接收放大器的放大倍数，连续改变检测仪的灵敏度。抑制 抑制荧光屏上幅度较低的或认为不必要的杂乱反射波，使显 示的波形清晰。频率选择 窄频带检测仪具有，使发射电路与所用的探头相匹配，并改变放大器的通频带。显示选择开关 选择射频、全波检波、正检波和负检波显示方式；,时 基 线 部 分 深度范围(粗调) 粗调扫描线所代表的探测范围，可较大幅度改变时间扫描线的扫描速度，使荧光屏上回波间距大幅度压缩或扩展。 深度细调 精确调整探测范围，可连续改变时间扫描线的扫描速度，使荧光屏上回波间距在一定范围内连续变化。 延迟、水平(零位) 调节开始脉冲时刻与开始扫描时刻之间的时间差。使扫描线上的回波位置大幅度左右移动，而不改变回波之间的间距。显 示 部 分 辉度 调节波形的亮度；聚焦 调节示波管中电子束的聚焦程度，使波形清晰；垂直 上下移动时基线。,4.1.3 数字式超声检测仪 计算机技术和超声检测仪技术相结合的产物。 数字式超声检测仪为发射、接收电路的参数控制和接收信号的处理、显示均采用数字化方式的仪器。,1. 数字式超声检测仪与模拟式超声检测仪的异同(1) 基本组成发射电路、接收电路中的衰减器和高频放大器与模拟式仪器相同。信号放大到一定程度后，数字式仪器由模数转换器变成数字信号，由微处理器进行处理后，在显示器上显示。数字式仪器的显示是二维点阵式，由微处理器通过程序来控制显示器实现逐行逐点扫描；模拟式仪器是由单行扫描线经幅度调节显示波形。数字式仪器没有同步电路，电路的同步控制由微处理器通过程序来协调。(2) 仪器的功能数字式仪器可提供模拟式仪器具有的全部功能，但控制方式是不同的。数字式仪器通过人机对话，用按键或菜单的方式，将控制数据输入给微处理器，由微处理器发出信号控制各电路；模拟式仪器由操作者直接拨动开关对仪器的电路进行调整。数字式仪器的控制参数可以存贮和调用，方便检测过程的重复再现；可提供检测波形记录与存贮等附加功能。,(3) 仪器的性能两种仪器的最基本部分发射电路和接收电路相同，仪器的灵敏度、分辨力、放大线性差别不大。主要差别：数字式仪器中的模数转换、信号处理和显示部分。其性能决定显示的信号是否失真，主要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。模数转换（A/D转换）：通过对连续变化的模拟信号进行高速度、等间隔的采样，将其变换为一列大小变化的数字量的过程。采样频率决定了可采集的超声波信号的最高频率。,字长：决定幅度读数的精度。 存储深度（数据长度）与采样 频率决定检测范围的大小。 显示器的刷新频率与超声波重 复频率相一致，以保证所有信 号得到显示。,2. 数字式超声检测仪的优势与问题优势：方便超声信号的存储、记录、再现，改变了传统超声检测缺乏永久记录的缺点；方便信号的分析和处理，可从接收的信号中得到更多的量化信息；显示器不需要示波管，使仪器小型化；仪器参数的数字化控制使检测参数可以存储、检测过程的重现。问题：模数转换器的采样频率、数据长度、显示器的分辨率、刷新速度等带来的信号失真，可能对检测信号的评价带来一定的影响。4.1.4 仪器的维护保养4.1.5 自动检测设备,4.1.6 超声波测厚仪1. 共振式测厚仪超声波（连续波）垂直入射到平板工件底面，全反射。当工件厚度为=/2的整数倍时,反射波与入射波互相叠加,形成驻波,产生共振.工件厚度与波速、频率的关系为:当n=1时,f为工件的基频。测得两个相邻的共振频率后，可由下式得到工件的厚度：,共振式测厚仪可测 厚度下限小，最小 可达0.1mm；测试精 度较高。可达0.1%。,2. 脉冲反射式测厚仪通过测量超声波在工件上下底面之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度： 测量往返时间t的两种方法：（1）测量发射脉冲T与第一次底波B1之间的时间。 发射脉冲宽度大，盲区大，测量下限受限制，约1 1.5mm。（2）测量第一次底波B1与第二次底波B2之间的时间或任意两次相邻底波之间的时间。底波脉冲宽度窄，盲区小，测量下限小。最小可达0.25mm。,3. 兰姆波测厚仪当超声波频率、入射角与工件厚度成一定关系时，在薄板工件中产生兰姆波。改变探头入射角角度，使得出现兰姆波，然后根据探头的入射角和频率来测定工件厚度。4. 测厚仪的调整和使用调整要点：（1）测厚前，先校准仪器的下限和线性。测量下限用一块厚度为下限的试块来校准；线性用厚度不同的试块来校正。（2）选择测厚方法。根据工件厚度和精度要求来选择探头。,4.2 探头超声换能器：将其他形式能量转换成超音频振动形式能量的器件可用来发射超声波，具有可逆效应时又可用来接收超声波。探头：以换能器为主要元件组装成具有一定特性的超声发射、接收器件。 超声波探头是组成超声检测系统的最重要的组件之一。探头的性能直接影响超声检测的能力和效果。超声换能器种类：压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。 常用的是压电换能器，压电晶片探头的关键部件。 压电晶片作用：将电能转换成声能，并将声能转换成电能。,4.2.1 压电效应和压电材料正压电效应（声能电能）：某些晶体材料在交变拉压应力的作用下，产生交变电场的效应；逆压电效应（电能声能）：当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应。压电效应：正、逆压电效应的统称。 探头发射超声波 逆压电效应，电能 声能； 探头接收超声波 正压电效应，声能 电能。压电材料：具有压电效应的单晶和多晶材料。多晶材料又称压电陶瓷。 压电单晶体是各向异性的，其产生压电效应的机理与其特定方向上的原子排列方式有关。 压电多晶体是各向同性的。为了使整个晶片具有压电效应，必须对陶瓷多晶体进行极化处理。,4.2.2 压电材料的主要性能参数1. 压电应变常数 d33：在压电晶体上施加单位电压时产生的应变大小。 衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。2. 压电电压常数 g33：作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。 衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。3. 介电常数：介质的介电性质。4. 机电耦合系数 K: 表示压电材料机械能（声能）与电能之间的转换效率。 正压电效应： 逆压电效应：,5. 机械品质因子m：压电晶片在谐振时储存的机械能E储与在一个周期内损耗的能量E损之比。 6. 频率常数 Nt：压电晶片的厚度与固有频率的乘积。 驻波理论，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件。7. 居里温度 TC：使压电材料的压电效应消失的温度。超声波探头对晶片的要求：机电耦合系数K较大，以便获得较高的转换效率。机械品质因子m较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区。压电应变常数d33和压电电压常数 g33较大，以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度。频率常数Nt较大，介电常数较小，以便获得较高的频率。居里温度TC较高，声阻抗Z适当。,4.2.3 探头的结构 压电换能器探头由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成。 斜探头有一个使晶片与入射面成一定角度的斜楔块。,1. 压电晶片 接收和发射超声波，实现电声换能。晶片性能决定探头性能。 晶片的尺寸和频率决定发射声场的强度、距离波幅特性和指向性。晶片制作质量关系到探头的声场对称型、分辨力、信噪比等特性。,2. 阻尼块和吸声材料 阻尼块由环氧树脂和钨粉等按一定比例配成的阻尼材料，对压电晶片的振动起阻尼作用：使脉冲宽度减小，提高分辨力；吸收晶片向背面发射的超声波；对晶片起支承作用。3. 保护膜 保护压电晶片不致磨损和损坏。分硬、软保护膜。4. 斜楔使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。斜楔中的纵波波速须小于工件中的纵波波速。5. 电缆线6. 外壳,4.2.4 探头的主要种类种类：a. 波型分类：纵波、横波、表面波、板波探头等。b. 耦合方式分类：接触式、液（水）浸式。c. 波束分类：聚焦、非聚焦。d. 晶片数分类：单晶、双晶。1. 接触式纵波直探头 发射垂直于探头表面传播的纵波，直接接触工件表面的方式入射纵波检测。 主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷（板材、锻件）。 主要参数：频率、晶片尺寸。,2. 接触式斜探头共同特点：压电晶片贴在一斜楔上，晶片于探头表面成一定倾角。纵波斜探头（L） ：利用小角度的纵波进行缺陷检测；利用纵波穿透能力强的特点进行纵波斜入射检测。使用时应注意工件中同时存在的横波的干扰。横波斜探头（L=） ：折射波为纯横波。结构为直探头加斜楔。主要用于检测与探测面成一定角度的缺陷。表面波探头（L） ：入射角在产生瑞利波的临界角附近，通常比略大。结构与横波斜探头一样。用于检测表面和近表面缺陷。,3. 双晶探头（分割探头）分类：双晶纵波探头（L）、双晶横波探头（L=）。结构：双晶探头有分别用于发射和接收的两块压电晶片，中间夹有隔声层。优点：灵敏度高、杂波少盲区小、工件中近场区长度小、探测范围可调。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：频率、晶片尺寸和声束汇聚区。,兰姆波探头：角度根据板厚、频率和所选的兰姆波模式而定。用于检测薄板中缺陷。可变角探头：入射角可变。入射角变化范围为070。,4. 接触式聚焦探头点聚焦声透镜为球面，理想焦点为一点；线聚焦声透镜为柱面，理想焦点为一条线。接触聚焦：通过薄层耦合介质与工件接触。 接触聚焦方式：透镜式聚焦、反射式聚焦和曲面晶片式聚焦。主要参数：频率、晶片尺寸和焦距。,5. 水浸平探头和水浸聚焦探头水浸法：以水为耦合介质，探头不与工件直接接触。水浸平探头：在水中使用的纵波平探头。当改变探头倾角使声束从水中倾斜入射至工件表面，可通过折射在工件中产生纯横波。水浸聚焦探头：在水浸平探头前加上声透镜产生聚焦声束。焦距F与声透镜的曲率半径r之间的关系：,式中：n透镜与耦合介质波速比，n=C1/C2。 对于有机玻璃和水： F = 2.2r 聚焦探头检测工件时，实际F会变小： F = FL（C3/C21）式中： L工件中焦点至工件表面的距离； C2耦合剂中波速； C3 工件中波速。水层厚度：H = FLC3/C2,6. 高温探头7. 电磁超声探头8. 爬波探头爬波：表面下的纵波。当纵波以第一临界角附近的角度入射到界面时，会在第二介质中产生表面下纵波，即爬波。爬波探头：结构与横波探头类似，入射角不同。4.2.5 探头型号组成项目： 基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征,4.3 耦合剂4.3.1 耦合剂的作用超声耦合：超声波在检测面上的声强透过率。耦合剂：为了改善探头和工件间声能的传递，加在探头和检测面之间的液体薄层。耦合剂作用：排除探头与工件表面之间的空气，使超声波有效的传入工件，达到检测目的。4.3.2 常用耦合剂常用耦合剂：水、甘油、机油、变压器油、化学糨糊。,4.4 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陷的试样。4.4.1 试块的分类和作用1. 试块的分类（1）标准试块：由权威机构制定的试块，其特性与制作要求有专门的标准规定。通常具有规定的材质、形状、尺寸及表面状态。 用途：用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准。（2）对比试块：以特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人工反射体。它与被检工件材料声学特性相似，其外形尺寸应能代表被检工件的特征，试块厚度应与被检工件的厚度相对应。用途：检测校准以及评估缺陷的当量尺寸。（3）模拟试块：含模拟缺陷的试块。是模拟工件中实际缺陷而制作的样件，或在以往检测中发现含自然缺陷的样件。用途：检测方法研究、评价和验证仪器探头系统检测能力和检测工艺。,2. 人工反射体 试块中的人工反射体应按其使用目的选择，应尽可能与需检测的缺陷特征接近，（1）横通孔和长横孔：具有轴对称特点，反射波幅比较稳定，有线性缺陷特征。适用于各种K值探头。通常用于对接焊接接头等检测。（2）短横孔：在近场区表现为线状反射体特征，在远场区表现为点状反射体特征。适用于各种K值探头。通常用于对接焊接接头等检测。（3）平底孔：具有点状面积型反射体的特点，主要用于锻件、钢板、对接焊接接头等检测。（4）V形槽和其他切割槽：具有表面开口的线性缺陷的特点，适用于钢管等工件横波检测。,4.4.2 标准试块标准试块的基本要求 材质、加工、声学性能。 试块的平行度、垂直度、粗糙度和尺寸精度。2. 常用标准试块（1）IIW试块、IIW2试块 国际标准试块,（2）1号校准试块（GB/T 19799.1-2005）、 CSK-1B试块（GB11345） 国家标准试块（3）CSK-1A、CSK-A 、CSK-A和CSK-A试块 专业（行业）标准试块,4.4.2 对比试块1. 对比试块的基本要求（1）材料的透声性、声速、声衰减等应尽可能与被检工件相同或相近；（2）外形应尽可能简单，并能代表被检工件的特征，厚度与被检工件的厚度相对应，粗糙度与被检工件相同或相近。（3）缺陷采用人工反射体制作。2. 常用对比试块（1）JB/T 4730.3-2005标准中规定的对比试块： a. 钢板横波检测对比试块； b. 锻件横波检测对比试块； c. 无缝钢管横波检测用对比试块：纵向人工缺陷试块、横向人工缺陷试块; d. 声能传输损耗超声检测对比试块； e. T形焊接接头超声检测对比试块； f. 铝焊接接头超声检测对比试块； g. 钢制压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块； h. 铝及铝合金压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块； i. 钛焊接接头超声检测对比试块； j. T1、T2、T3型堆焊层超声检测对比试块； k. 奥氏体不锈钢对接接头对比试块。,（2）半圆试块,（3）无缝钢管对比试块,（4）RB-1、2、3试块 (GB11345),4.4.4 模拟试块1. 模拟试块的基本要求（1）材料应尽可能与被检工件相同或相近；（2）外形尺寸尽可能被检工件一致，表面状态与被检工件相同或相近。（3）采用模拟缺陷制作，模拟工件中实际缺陷而制作的样件，或在以往检测中发现含自然缺陷的样件。 2. 典型模拟试块举例4.4.5 试块的使用和维护,4.5 仪器和探头的性能及其测试 仪器和探头的性能包括：仪器的性能、探头的性能、仪器和探头的综合性能。4.5.1 超声检测仪、探头的主要性能及其组合性能超声检测仪的主要性能 脉冲发射部分 接收部分 （包括与示波器结合的性能） 脉冲重复频率 垂直线性 发射脉冲频谱 频率响应 发射电压（发射脉冲宽度） 噪声电平 脉冲上升时间 最大使用灵敏度 脉冲持续时间 衰减器精度 垂直偏转极限 垂直线性范围 动态范围,