《TOFD检测》教案-3.TOFD探头及楔块

字数总体字数控制在1200-1800字左右（开场白60字左右、知识点/技能点讲解+案例导入字数控制在800-1200左右、知识点应用(职业中的运用)字数控制在100左右、课程小结字数控制在100左右）课程名称TOFD检测法课程负责人电话微课程名称TOFD探头及楔块学校脚本撰写人靳超电话课程结构

（以下仅供参考，根据课程特点确定）解说词（字幕）

（要求连贯、完整、口语化；与PPT对应；如有拟插入的视频或动画，要有上下文承接）对应PPT（素材）（（如PPT1、PPT2等，拟插入微课视频的图片务请插入PPT））可提供素材（标注拟插入视频或动画的编号，单独提供给编导)呈现方式（绿幕、实景）备注开场白60同学你好，本讲我们学习一下TOFD探头及楔块。PPT1本讲内容主要包括：1.压电复合材料2.和TOFD探头的声学特性PPT2知识点讲解在正式学习前，我们先了解一下TOFD探头，由于衍射信号比反射信号微弱很多，所以要求TOFD探头有好的发射和接收性能。为了提高深度方向的分辨力，TOFD探头应能接收窄脉冲信号，因此应具有宽频带和窄脉冲特性，并需要选择合适的脉冲来激励探头。如图所示，这是典型的TOFD超声探头，一个压电传感器安装在有机玻璃或者其他它类似材料的楔块上组成探头。压电传感器大多采用复合材料。晶片尺寸从3mm至20mm，中心频率可达1～~15MHz。楔块设计保证在金属中产生一定角度的纵波，钢中典型的折射角度是45°，60°和70°。探头设计有螺纹结构以便与不同的楔块连接。为了使超声波能够在探头和楔块中进行传播，需要在二者间添加耦合剂，检测过程应保证二者间耦合良好。PPT3-4为提高分辨率和灵敏度，TOFD检测使用的是短脉冲、宽频带、高灵敏度的纵波探头。纵波比其他它波型更快到达接收探头，更容易识别，因此一般采用纵波衍射波检测；使用短脉冲和宽频带是为了得到最佳的精度和时间分辨率；而由于衍射信号很弱，探头必须具有高灵敏度。此外TOFD探头对指向性要求不高，并不追求小的扩散角；相反，为了提高检测效率，增大扩大扫查覆盖范围，通常选用大扩散角探头，晶片尺寸为φ3-φ6mm，比常规脉冲反射法超声探头小得多。为实现以上功能，TOFD探头除了在结构上与普通探头有所不同外，更重要的是使用特殊晶片材料，即压电复合材料。PPT5-64下面我们学习制作探头的压电复合材料，压电复合材料诞生之初是为了提高生物医学中超声成像分辨率，后来发现其一系列的优越性能同样适用于工业超声检测。压电复合材料是压电陶瓷与高分子聚合物复合构成，所用的高分子聚合物有好几种，例如硅胶、环氧树脂、聚偏二氟乙烯(PVDF)等等。换能器用的压电复合材料有多种结构，如图所示为1-3型复合结构，由一系列定向均布的压电棒插在环氧树脂中构成，插在环氧树脂中的压电陶瓷具有一维连通性，(即朝试件单向振动)，而聚合物则具有三维连通性。PPT6-77-85如图所示为我们再来看应用切割填充法制造压电复合材料的过程，先将单体陶瓷切割成骰子块状，再注入聚合树脂，然后切片、打磨、镀银、冲压、极化制成。该种结构可用于相控阵探头、TOFD探头和高性能常规脉冲超声探头。PPT986下面，我们来说说用压电复合材料制作的探头有以下哪些优点：:首先(1)探头的发射和接收性能好，灵敏度高；它的(2)机械品质因数Q值低，带宽大，脉冲短，分辨力高；。另外(3)机电耦合系数值大，声能/电能的转换效率高；;(4)在较大温度范围内特性稳定；;(5)而且可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块和充填技术；;再有(6)声阻抗可以改变，以实现与不同声阻抗的材料匹配。PPT10-1197再学习一下，接着我们了解一下压电复合材料的4项特性参数(1)首先，压电应变常数与压电电压常数乘积d33g33压电应变常数d33是表征压电材料发射灵敏度的参数，压电电压常数g33是表征压电材料接收灵敏度的参数，两个常数的乘积（(d33g33）)数值越大，表示发射－-接收能量越高。（2）其次，机械品质因数Q机械品质因数Q值小，表征带宽大，脉冲窄，检测纵向分辨力好。(3)再有，声阻抗Z声阻抗Z影响超声波在传声界面上的透射，晶片与相邻介质的声阻抗越接近，透声效果果越好。(4)另外还有厚度方向的机电耦合系数Kt厚度方向的机电耦合系数Kt值越大，电声转换效率越高，检测灵敏度越高。PPT12-1308下面，我们学习第二部分，TOFD探头的声学特性，根据相对带宽，可将超声探头作如下分类：:第一种，(1)窄带宽(15%~30%)探头，15%～30%，适用适于一般检测；;第二种，(2)中带宽(31%~75%)探头，31%～75%，适用于检测和一般定量第三种，(3)宽带宽(76~110%)探头，76%～110%，适用适于精确定量和粗晶材料等特殊检测。TOFD检测所用的探头大多是宽带宽探头。PPT1419我们再看一下超声脉冲宽度，一般规定纵向分辨力是指两信号的峰值和峰谷的波幅差大于6dB的相邻两反射体的距离。在TOFD检测中，要求超声脉冲尽可能窄，目的是获得得更高的纵向分辨力，以提高对小裂纹的高度测量能力和测量精度。如图所示，我们对比一下普通压电晶片的探头和压电复合材料探头的区别，普通压电晶片是靠晶片背部的吸收块的强制阻尼来提高带宽的，其代价是损失了灵敏度。而压电复合材料本身具有高阻尼特性（树脂形成阻尼），因此不需采用背阻尼，这样TOFD探头既有很高的灵敏度，又有足够带宽。PPT152本讲小结100本节课本讲我们主要学习了TOFD探头的相关知识，要求掌握1.学习了制作TOFD探头所用的压