实验二 超声波检测讲义csb

1、实验二 超声波探伤与测厚【实验目的】1、通过实验了解超声波探伤的基本原理，并掌握超声波探伤仪的使用及基本探伤方法。2、探测不同样块的厚度及不同材料中超声波的传播速度。【实验仪器】 CTS-22A超声探伤仪游标卡尺或螺旋测微器（测试块中的声速用）【实验仪器介绍】CTS-22A超声探伤仪的性能：CTS-22A型超声探伤仪是按有关标准设计制造的产品，其衰减器采用衰减型。仪器灵敏度高，分辨力好，功耗低，体积小，使用方便，稳定可靠的便携式超声探伤仪，可用于各种钢板焊缝及锻件探伤，尤其适用于机械、能源、交通、石化等工业部门中流动性大的野外或高架空探伤作业；同时也可作为无损检测人员资格考核鉴定用标准化仪器。

2、 【实验原理】超声波探伤原理：1超声波的传播特性声波是由物体的机械振动所发出的波动，它在均匀弹性介质中匀速传播，其传播距离与时间成正比。当声波的频率超过20000赫时，人耳已不能感受，即为超声波。声波的频率、波长和声速间的关系是：                               

3、;                                                   

4、60;                              （1）式中 波长；c波速；f频率。由公式可见，声波的波长与频率成反比，超声波则具有很短的波长。超声波探伤技术，就是利用超声波的高频率和短波长所决定的传播特性。即：（1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介质中是直线传播的

5、，可以定向控制。（2）具有穿透性，频率越高，波长越短，穿透能力越强，因此可以探测很深（尺寸大）的零件。穿透的介质超致密，能量衰减越小，所以可用于探测金属零件的缺陷。（3）具有界面反射性、折射性，对质量稀疏的空气将发生全反射。声波频率越高，它的传播特性越和光的传播特性接近。如超声波的反射、折射规律完全符合光的反射、折射规律。利用超声波在零件中的匀速传播以及在传播中遇到界面时发生反射、折射等特性，即可以发现工件中的缺陷。因为缺陷处介质不再连续，缺陷与金属的界面就要发生反射等。如图1所示超声波在工件中传播，没有伤时，如图1a，声波直达工件底面，遇界面全反射回来。当工件中有垂直于声波传播方向的伤，声波

6、遇到伤界面也反射回来，如图1b。当伤的形状和位置决定界面与声波传播方向有角度时，将按光的反射规律产生声波的反射传播。图1 超声波在工件中的传播 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪首先是个超声波发生器，它利用交流电源和振荡电路，产生高频电脉冲，并可根据探伤要求调节脉冲的频率及发射能量。超声波探伤仪还具有将接受到的电脉冲依其能量的大小、时间的先后通过荧光显示屏显示出来的功能。其工作原理示于图2。发生器使示波管产生水平扫描线（一条亮线，代表时间轴），接收放大器使接受到的脉冲信号作用于示波管的垂直偏转板，并按信号收到的时间先后将水平扫描线的相应部位拉起脉冲值。始脉冲是仪器发射出去的原始脉冲

7、信号，伤脉冲是超声波自工件内缺陷处返回的脉冲信号，底脉冲则是超声波自工件底部返回来的脉冲信号。由于超声波在工件内是匀速传播的，因此在工件内走过的路程越长，返回的时间越晚，所以底脉冲要比伤脉冲出现的晚，它们在荧光屏上的水平距离反应了超声波在工件内走过的距离。因此有: 则                             &#

8、160;               （2）式中:d工件表面至缺陷的距离。I沿探测方向的工件厚度。b伤脉冲到始脉冲的扫描刻度。底脉冲到始脉冲的扫描刻度。图2 探伤仪工作原理示意图超声波在介质中传播是有能量衰减的。走过的距离越长，反射回来的能量也越小，表现在接收回来的脉冲高度要减少。如果伤较小，少量超声波自伤处反射回来，将有一个矮的伤脉冲，此时大部分能量抵达工件底面，底脉冲仍较高。如果伤面积很大，则伤脉冲就会高，相应的底脉冲就会很小。如遇到伤很大，或其界面又

9、不垂直于超声波入射的方向（如图1c），则伤脉冲没有（反射波收不到），底脉冲也可能没有。超声波探头是超声波探伤仪的重要附件，工程上所用的探头分为直探头和斜探头两种。探头又叫做换能器，探伤仪发射出来的是高频电脉冲，利用探头上的压电晶体（常用锆钛酸铅）将电脉冲转换成机械振动超声波。探头又可以将由工件上接收到的超声波转换成电脉冲，输给接收放大电路，再加于示波管上。直探头表面向工件发射的是垂直于工件表面的超声波。斜探头是在压电晶体表面上嵌有具一定倾角的有机玻璃块而构成。斜探头向工件表面发射的是倾斜入射的超声波，探头上均应标明其倾角数值，以便于计算其在工件内的折射角。但在工程上不需要计算，它可以通过试验显

10、示出来。如对于焊缝的检验，多利用斜探头探伤，如图3所示。探头在位置I处，声波恰传播到钢板（焊缝）底部， 叫一次声程。探头在位置II处，声波经一次反射后抵达钢板（焊缝）顶部，为二次声程。对于壁厚为b的钢板，、为:                                  &

11、#160;                   （3）                              

12、60;                      （4）式中   一次声程；       二次声程；       b钢板厚度；与斜探头的角度有关，此处视为在钢板内的折射角。实际上， 与的数值不需要操作者计算，它可以借助一个具有为顶角的三角标

13、准样块来确定。当将斜探头自钢板边缘向后移动到I位置时，荧光屏上出现一个底脉冲，记住它的扫描刻度。再将斜探头沿三角标准样块的斜边自上而下移动时，底脉冲沿荧光屏的扫描线自左向右移动。当移至刚才的扫描刻度上时，测读该处样块的长度即可得知（或）的实际值。图3 二次声程法当钢板或焊缝内有缺陷时，如图4所示，必在荧光屏 (见图3) I及II之间有伤脉冲出现，根据伤脉冲的扫描刻度，按比例可计算出S值，并可依下式确定伤的位置，图4 利用二次声程法探伤              &#

14、160;                                   （5）              

15、0;                                         （6）【实验内容与步骤】一、超声波探伤实验内容：1探测一块无缺陷的试块，分别从试块的两个不同厚度方向进行探测，观察

16、其始脉冲与底脉冲扫描刻度值的差异，建立起扫描时间与超声波传播距离成正比的概念。见图6。由于ll1则：t必大于t1，且。如果不成比例，应查找原因。图6 图象比例法图5 探测一个样块的两个不同厚度方向根据同一原理（又称图象比例法）测定人工试样内平底孔到探测面的距离，如图7。2探测同一样块上同一深度的不同直径的平底孔，比较其各孔伤脉冲的高低，从而建立起在探伤条件（材料、仪器灵敏度、表面粗糙度等）相同情况下，伤脉冲的高低与伤的面积大小成正比的概念。见图8。图7 探测样块底面的不同孔径图     图8 同一深度下横孔和平底孔的探测图3探测同一样块上相同深度位置直径

17、大小相等的平底孔和横通孔，比较它们的伤脉冲高低，建立起在探测条件相同情况下，伤脉冲的高低与伤的表面形状有关的概念。见图9。4探测样块中细长孔的长度，验证采用半波高度法确定伤的范围的准确性。见图10。图9 细长小孔探测图    5在直角三角标准试块上测定钢板的声程    取斜探头自钢板的一个边缘向后滑移，如图3所示，当探头在I位置时，荧光屏上出现有最高的脉冲值，记录其对应的扫描刻度值。然后将探头置于三角试块的斜边上，并沿斜边自上向下移动，当底脉冲停在刻度t1位置时，测量值，即是一次声程的大小。同样可以确定二次声程的大小。6探测一块单面V

18、型坡口的焊缝试块，令斜探头在距焊缝中心距离为S1至S2（见图3）之间走“之”字形路线，观察有无缺陷，如图11。图10  焊缝探伤示意图超声波探伤实验步骤：实验所用的设备如图11所示。探伤仪内部由“同步发生器”、“高频发生器”、“扫描发生器”、“示波管”等电路构成。在探伤仪面板上有许多工作旋钮，应根据被测零件的材料、形状选择适当的“频率”、“探伤距离”、“工作方式”，并根据荧光屏上的波形显示，调整始脉冲位置、底脉冲位置及高度。（选择及调整过程中请根据指导教师的指导及要求进行，不得任意使用旋钮。）图11 实验装置在探伤过程中，为了排除探头与工件之间的空气间隙，使超声波能量尽可能多地入射工

19、件，故在探测时需在工件表面加耦合剂，耦合剂要求具有一定的粘度，流动性好，无害，通常选用机油作耦合剂。       实验步骤如下：1  检查各接线是否牢固可靠。2  熟悉探伤仪面板上各个旋钮的作用。3  根据工件材料选择探头的频率，并接好探头。4  检查所测工件表面情况，清除锈、污等。5  准备好耦合剂，毛刷等工具。6  打开开关，待扫描出现后，调节扫描始点与零刻度值重合。7  测定时以一定压力缓慢移动探头，使探头与工件表面尽量接触好。8  记录下所需要的数

20、据。【注意事项】1、试块的清洁由于使用随机试块对仪器进行检测时，需涂耦合剂，所以请注意防锈。使用后将随机试块擦干净。气温较高时不要沾上汗液。长期不使用应在随机试块表面涂上少许油脂防锈，当再次使用时，将油脂擦净后，即可进行正常工作。2、探头的保护探头表面为丙烯树脂，对粗糙表面的重划很敏感，因此在使用中应轻按。测粗糙表面时,尽量减少探头在工作表面的划动。常温测量时，被测物表面不应超过60，否则探头不能再用。油、灰尘的附着会使探头线逐渐老化、断裂，使用后应清除缆线上的污垢。【数据记录及处理】1说明超声波探伤与测厚的基本原理。2说明基本探伤方法：图象比例法、半波高度法、二次声程法。并说明其各自用途。3按下图格式记录实验内容，“图示”栏内绘出样块及探头的相应位置，并标出需要的尺寸。“显示图形”栏目中应绘出屏幕上显示的脉冲位置或高度。并标出读出的刻度值。“结论与说明”栏目内应就实测数据进行计算，以计算结果说明其结论。并应对误差进行必要的分析。建议实验报告实