超声波检测技术的试验原理和方法

1、实验超声波检测、实验目的1、了解超声波检测的基本原理和方法；2、了解超声波检测的特点和适用范围；3、掌握斜探头横波探伤的距离波幅（ DAC）曲线制作方法。、实验设备器材1、ZXUD -40E型智能超声波探伤仪ZXUD -40E型数字式超声波探伤仪是小型化的便携式超声波探伤仪器，特别适用于材料缺陷的评估和定位、壁厚测量等，适合各种大型工件和高分辨率测量的要求。主要参数指标如下：发射电压250V/450V脉冲宽度40500ns采样频率100MHz （最高）脉冲重复频率60Hz 1.2KHz阻抗匹配50Q/150 Q/200 Q/500 Q工作模式自发自收/单发单收/穿透分辨力40dB平均电噪声63

2、dB增益0110dB;步进 0.1dB/1dB/2dB/6dB 可选频带（-3dB）宽频 0.515MHz、带通 1 5MHz、210MHz、515MHz放大器精度1dB/20dB垂直线性误差%自动增益10%90%动态范围35dB检波方式正检波/负检波/全检波检测范围010m； 0.1、1以及10mm步进自动设置水平线性误差00.%声速1000 16000m/s,步进为 1m/s零位偏移（探头延迟）0 500.0us显不平移0 1000.0mm； 0.1、1mm步进自动设置信号抑制0-90%;线性检测闸门（2个）起点/宽度/高度连续可调闸门内信号正/负触发报警输出（声光报警）控制闸门内信号测量

3、点选择声程-水平距离-深度实时计算显示测量模式TOF （飞行时间）测量实时计算显示声程折射关系动态显示静态读数测量计算可选参考定量、定位DAC曲线距离-波幅曲线（DAC）, 210个参考点4条附加可修正dB曲线参数通道50组存储管理1000幅回波信号峰值记忆实时检索峰值，反差色显示显示冻结全冻结/参考冻结裂纹测量衍射波法测量裂纹高度曲面修正曲面工件探伤，自动计算定位修正包络曲线峰值包络记录显示数码旋钮数码旋钮操作调节实时时钟日期/时间跟踪，标准时钟计时外设接口高速USB接口，支持计算机通讯、管理显示器高亮、真彩TFT显示器、5.7英寸显示频率NTSC 制式（60Hz）屏幕保护工作/屏保控制（节

4、电状态）电池锂聚合电池，工作时间 ）11小时主机尺寸/重量210mmx165mmx50mm ; 1.8kg （含电池）环境温度-5 C 60 C相对湿度2090% RH（1政器外观如图9-1所示:当连接仅带有一个超声晶片的探头（自发自收）时，可以任意插入一个仪器上的探头连接器。当连接带有双超声晶片的探头（一个为发射晶片，一个为接收晶片）或连接两个探头（一个发射探头，一个接收探头）时，必须注意：发射的一端接入左边一个探头连接 器插孔，接收的一端接入右边一个探头连接器插孔，如图 9-1所示。键盘及其功能口团包日回回囱a 区g 慢ri尉值配作酊供n图9-2 ZXUD -40E的薄膜键盘按键排列仪器包

5、含27个按键。这些按键分成 5大类：电源键、方向键、功能菜单键、子菜单键和功能热键。关于各按键的具体功能概述，参见表 9-1。表9-1各按键的具体功能概述按键类型按键名按键功能描述1电源键（1个）to开机或关机参数数值增减参数选项切换方向键 （2个）光标回退（退格）或取消当前操作（取消）进入A扫范围相关的功能菜单输入数字1施进入仪器自动校准的功能菜单输入数字3置进入检测数据存储管理的功能菜单输入数字4囱一上翻参数功能菜单功能菜单键（10 个）输入数字5应下翻参数功能菜单输入数字0一进入检测闸门相关参数设置的功能菜单输入数字61.进入DAC探伤曲线设置的功能菜单输入数字8囱进入探伤应用的功能菜单

6、，如裂纹测高等输入数字9.增提r .选据1在基本增益”、辅助增益”和增益步进”三个菜单之间进行切换一进入通道选择的功能菜单输入小数点（.）子菜单键（5个）Era选择功能菜单的相应子菜单项F*F5If自动调节增益，使当前闸门内的回波达到预设的波高输入负号（-）回接受输入的参数数值功能热键接受功能操作的结果屏幕回波冻结（*）增党中增拄增减 基本增益”、辅助增益”或增益步进”实时存储回波、参数设置和测量数据到仪器数据存储器（9个）完成曲线制作的取参考点，进入曲线制作预备状态输入数字2搜索当前闸门内回波的峰值，色差动态显示输入数字7开启/关闭仪器的声（喇叭）光（报警指示灯）报警输出尸、屏保1进入屏幕保

7、护（简称屏保）节电状态参数设置规程参数设置可通过以下两种规程来完成。有些参数设置仅遵照 方向键增减调节规程”，比如：探头类型、声程跨距等；有些 参数设置又仅遵照 直接数字输入规程”，比如：探头频率、探头规格等；还有些参数设 置可遵照两种规程，比如：检测范围、零位偏移等。方向键增减调节规程来增减参数设置。直接数字输入规程对于垂直菜单探伤通道设置，按下叵二）进入探伤通道设置状态，再次按下叵二）则进入直接数字输入状态；对于水平菜单，按下子菜单键选中子菜单项，再次按下子菜单键则也进入直接数字输入状态。一旦进入直接数字输入状态， 将在菜单项上出现闪烁光标， 等待用户直接输入数字。在输入的过程中，若发现先

8、前输入的数字错误，可按下使得光标回退，删除刚才输入的错误数字。输入完成之后，用户可按下来接受输入，也可按下来取消输入（对于水平菜单项，也可再次按下子菜单键取消输入）电源电源键为仪器电源开关。2、超声波横波斜探头在超声波检测中，超声波探头将电能转换成超声能（产生超声波），发射出去，同时也来取消输入（对于水平菜单项，也可再次按下子菜单键取消输入）电源电源键为仪器电源开关。2、超声波横波斜探头在超声波检测中，超声波探头将电能转换成超声能（产生超声波），发射出去，同时也能将接受到的超声波转换成电能, 程中起到一个能量转换的作用， 探头上常标有该探头的工作频率、通过连接导线传递到探伤仪中。由于超声波探头

9、在检测过因此，超声波探头也称为超声换能器或电声换能器。横波斜晶片尺寸和K值。1.吸声材料 2.斜楔 3.阻尼块 4.外壳 5.电缆线 6.压电晶片图9-3斜探头结构3、试块按一定用途设计制作的具有简单几何形状的人工反射体的试样称为试块。试块和仪器。探头一样是超声波检测中的重要工具， 其主要作用有：确定检测灵敏度、 测试仪器和探头的 组合性能、调整扫描速度（即显示屏上的水平刻度与实际声程之间的比例关系）、评判缺陷大小、以及测量材料声速、衰减性能等。试块可以是按照各种标准制作的标准试块，也可以是自己按照实际需要制作的对比试块。本次实验使用的CKS CA试块和CKS CA试块属于标准试块。其尺寸结构

10、分别如图 9-4、图9-5所示。4、耦合剂由于超声波在空气界面 100%反射，不能穿透到工件中去进行检测，因此，必须借助探 头与工件表面之间涂敷的液体，排除空气间歇，以实现声能的传递，这种液体称为耦合剂。常用的耦合剂有水、甘油、水玻璃和机油。本实验采用机油。中图9-4 CKS CA试块H余lij中图9-4 CKS CA试块H余lij八小:IIII图9-5 CKS CA试块三、实验原理由于超声波不同的检测方法在检测原理上略有区别，在此我们以直探头探伤来说明其脉冲反射法原理。如图 9-6所示:图9-6超声波检测脉冲反射法原理图9-6超声波检测脉冲反射法原理超声波探伤仪发射一定频率的电信号，通过探头

11、中的压电晶片转换成超声波，经过耦 合剂透射进入被检测工件中，超声波在工件中进行传播， 如果没有缺陷，则被工件底面反射到探头当中，探头再将接受到的信号转换成电信号传递到探伤仪中，经过滤波和放大等处理，在显示屏上形成底面回波。 由于该波经过了二倍工件厚度的路程，因此底波和发射波在显示屏的水平方向有一段距离。 如果在工件内部存在缺陷，那么透射进入工件的超声波在缺陷位置发生反射，该反射波同样经过探头进入探伤仪中，在显示屏上形成回波。由于缺陷位置在工件中，因此该回波所经历的路程比底面回波所经历的路程要短，则该回波在显示屏水平方向上的位置就位于发射波和底波之间。因此通过回波在显示屏水平方向上的位置就可以判

12、断工件内部是否存在缺陷； 通过回波的高度就可以判断缺陷的大小；通过移动探头就可以得到缺陷的面积或长度。这就是超声波检测脉冲反射法的基本原理。四、实验步骤假使探访条件和要求如下：.工件：30mm厚的钢板焊缝.探头：单探头.试块：CSKIA , CSKIIIA. DAC 法DAC 点数：5 (10、20、30、40、50)(2)判废线偏移量：+5 dB(3)定量线偏移量：-3 dB(4)测长线偏移量：-9 dB实现步骤如下：.将探头与仪器连接，开启仪器电源开关，使仪器处于正常工作状态。.探头参数设置如下图所示：氏3. _1探头角度 4S.6探头前0* 0nrn5.0MHz探头规格图9-7探头参数设

13、置菜单探头类型：探头的入射类型，直探头还是斜探头。探头K值/角度：K值为探头入射角的正切值(仅用于斜探头)。探头前沿：从探头的声束入射零点到探头外壳前表面的距离(仅用于斜探头)探头频率：探头的信号频率。探头规格：探头的晶片尺寸。.自动校准超声波探伤前必须将相关的探头、试块组合进行校准，用来保证测量计算的精度,以满足探伤条件的基本准备。（1）校零位偏移（简称：校零偏）为了对被检测缺陷精确定位，在检测前应先作距离校准，以保证测量计算时探头入射波处在被检工件的界面零点。位5|按下&U位5|按下&U功能菜单键，将展开自动校准”水平菜单。按下叵二I子菜单键,选择 校零偏”。校零位偏移时的水平菜单如图9-

14、8所示。检测崩围 200i6nnam45. 0图9-8校零位偏移时的水平菜单校零位偏移之前，必须完成下面列举的准备工作：1）重复频率设置为 60Hz2）设置正确的收发模式3）数字抑制设置为零4）将探头放置在 CSK-IA试块上，放置方式如下所述：斜探头校零位偏移时， 是利用CSK-IA标准试块的双圆弧面为标准参考（圆半径为R50/R100）,如下图9-9所示。校零位偏移的操作描述如下：1）调整检测范围按下 上二|子菜单键，选中 检测范围”菜单项。调节检测范围，使得在回波显示区中可以看到斜探头的R50/R100圆弧面回波处于屏幕可见的合适位置。如果已经满足上述条件可以不进行此项操作。按下一,进入

15、如下校零偏设置”对话框:10按下一,进入如下校零偏设置”对话框:10图9-10“校零偏设置”对话框图9-10“校零偏设置”对话框R1”和“参考按下,退出校零偏设置；按下匚习，完成校零偏设置,进入记录参考。R2”。参考R1与参考R2R1”和“参考按下,退出校零偏设置；按下匚习，完成校零偏设置,进入记录参考。表9-2不同探头类型校零位偏移时的参考输入直探头斜探头R125mm50mmR250mm100mm3）记录参考R1的最高回波完成校零偏设置之后，进入记录参考R1。水平菜单如下所示:梅陆圉,赚逐制很回附至雨酝I图9-11 记录参考R1”水平菜单此时首先确认参考1的回波被闸门套住，如果回波在闸门外，

16、可通过按下方向 键左右移动闸门，使得回波被套住。如果此时闸门内回波波幅超出满刻度，则按下回功能热键，使得回波波幅处于自动增益门限高度（通常设置为80%）。调整探头位置，确认观察到的闸门内回波是最高波（斜探头是观察圆弧面反射，如图9所示）。此时，也可按下谑功能热键，来自动搜索最大峰值。确认记录参考1的最高回波之前的仪器界面， 如下图所示。按下将记录下参考1的回波， 进入下步；按下 匹退回上步;按下 匚工）退出校准。11图9-12图9-12确认记录参考1的最高回波之前的仪器界面进入记录参考4)记录参考R2的最高回波进入记录参考检丽围R2116.02退回上步中止使隹R2后，水平菜单如下所示:图9-1

17、3记录参考 R2”水平菜单按照相同的方法来搜索参考 2的最大回波。确认记录参考2的最高回波之前的仪器界面，如下图所示。按下 将记录下参考2的回波，进入下步；按下退回上步；按下退出校准。45.仪器界面，如下图所示。按下 将记录下参考2的回波，进入下步；按下退回上步；按下退出校准。45.GAB干臼。B. 1. MG81.5 X.XL8. 7140.0 的.电12ft.0的.由切中.由起图9-14确认记录参考2的最高回波之前的仪器界面特别注意：对于斜探头，在找到圆弧R2 (100mm)的最大回波时，用直尺测量斜探头前端到圆弧 R2端面的距离，设为 x,则斜探头前沿即为：100 - x5)自动校零偏计

18、算完成记录参考 R1和R2之后，仪器将自动进行校零偏计算。对于斜探头，将显示如下包含输入“探头前沿”的“校零偏结果”对话框：120儡:呼八探头零偏一.sa. 74le物料声麻.7162ns：;探头前沿一 1之白，一取港输入光标退格1 *1退回上步中止税隹完成松曲图9-15斜探头“校零偏结果”对话框在上述对话框中输入获得的探头前沿值。按下匚H1退回上步；按下匚工I中止校准；按下匚习完成校准。校准。仪器在完成探头零位偏移的自动校准的同时,所使用的材料声速也会随之自动对于斜探头，在校零偏之后，自动进入校角度/K校准。仪器在完成探头零位偏移的自动校准的同时,所使用的材料声速也会随之自动对于斜探头，在校

19、零偏之后，自动进入校角度/K值。（2）校K值（角度）探头（2）校K值（角度）探头K值（角度）校准功能只适用于斜探头。一般探头的标称K值（角度）与实际值有误差。为了在检测时精确定位缺陷的距离，在探头零偏校准后必须对探头K值（角度）进行校准。按下功能菜单键，将展开“自动校准”水平菜单。按下子菜单按下功能菜单键，将展开“自动校准”水平菜单。按下子菜单键，选才i “校K值”。校K值时的水平菜单如下图所示。检冽喘围20也。nn校零偏0. 28UK校K值 1.S0图9-16校K值时的水平菜单“校K值”之前的准备工作：1）确认探头零位偏移已经校准好;2）将探头放置在 CSK-IA试块上，利用 CSK-IA标

20、准试块中的测试孔作为标 准参考。可使用两种测试孔，一个的孔径为50,孔心离探测面的垂直距离即孔深 为30mm ;另一个是孔径为 1.5的横通孔。探头放置方式如下图。1313图9-17斜探头校K值时的探头放置“校K值”的操作描述如下:1）调整检测范围按下子菜单键，选中“检测范围”菜单项。调节检测范围，使得在屏幕显示区中可以看到测试孔50.0或1.5的回波处于屏幕可见的合适位置。如果已经满足上述条件可以不进行此项操作。2)校K2)校K值设置按下上一1,进入如下“校K值设置”对话框:自动 K值I眄.50.0nn.3Q.0nn自动 K值I眄.50.0nn.3Q.0nn进入骗粮*上移菜单取沛fF4F5J

21、图9-18 “校K值设置”对话框在上述对话框中，根据屏幕提示，依次车入/选择：校准方式（手动/自动）、 角度表示（角度/K值）、标称值、参考孔直径以及参考孔深度。,完成校K值设置，进入校“参考孔直径”与“参考孔深度”的输入值参见下表,完成校K值设置，进入校50.0参考孔1.5参考孔参考孔直径50.0mm1.5mm参考孔深度30mm15mm表9-3 不同测试孔类型校 K值时的参考输入退出校K值设置；按下值过程。3）自动校K值进入自动校K值之后，水平菜单如下显示:检髓围 划.0nn13 1 RKsa.a?退回上涉中止校图9-19 “记录参考”水平菜单第一步：记录参考孔的最高回波首先确认测试孔的回波

22、被闸门套住。如果回波在闸门外，可通过按下方向键左右移动闸门，使得回波被套住。如果此时闸门内回波波幅超出满刻度，则14按下4-11所示。将记录功能热键，使得回波波幅处于自动增益门限高度（通常设置为按下4-11所示。将记录80%）。调整探头位置，确认观察到的闸门内回波是最高波，如图 此时，也可按下i记忆j功能热键,来自动搜索最大峰值。按下下参考孔的回波，进入下步；按下 L2U退回上步；按下退出校准。第二步：自动进行校 k值计算完成记录参考孔之后，仪器将自动进行校k值计算，并显示如下的对话框:探头K值-329CF33 .退回上步而打 中止检隹而九 完明窗隹,图9-20 “校K值结果”对话框退回上步;

23、按下中止校准；按下完成校准。退回上步;按下中止校准；按下完成校准。4.探伤曲线DAC:称为距离-波幅曲线。由于波束的扩散角和材料中的声衰减，同样大小的天然反射体的距离变化引起回波高度（当量）发生相应变化。用标准的参考发射体记录下这种变化的曲线，即为 DAC曲线，可以作为缺陷的定量参考。（1）设置按下国二功能菜单键，进入“曲线”主菜单，如下图所示：DAC 制作？299.图9-21未制作曲线的曲线水平菜单制作探伤曲线前的准备工作：1）确保探头已经经过正确的校准；2）确保设置了正确的材料声速；3）确保设置了合适的仪器发射 /接收参数；4）确保设置了正确的探头尺寸和探头频率（ （制作DGS曲线要求）。

24、（2）制作DAC曲线制作DAC曲线使用标准的 CSK-IIIA试块，如下图所示。15图9-22图9-22制彳DAC曲线时的试块和探头放置其操作描述如下:1）按下匚口子菜单键，进入 DAC1）按下检独侬IR 1 ?中止制作图9-23记录参考1水平菜单2）将探头放置在 CSK-IIIA试块上，如图9-5所示。对准第一个测试孔（20mm 深的孔），此时首先确认此测试孔回波被闸门套住。如果在闸门外，可通过按下方向键左右移动闸门，使得回波被套住;如果此时闸门内回波波幅超出满刻度，则按下可使得回波波幅处于自动增益门限高度（通常设置为80%）向键左右移动闸门，使得回波被套住;如果此时闸门内回波波幅超出满刻度，则按下可使得回波波幅处于自动增益门限高度（通常设置为80%）。调整探头位置确认观察到的闸门内回波是最高波（可以通过峰值记忆功能找准最高波）时，按下 记录参考回波时，按下 记录参考回波1 ；若按下EI 子菜单键，将中止制作，屏幕显示内容为“用户取消了 DAC曲线的制作！ ”的消息对话框。在以上记录参考的步骤中，按下匚匚!子菜单键，选中“