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1、*1 3.3超声波探伤用仪器、探头和试块 3.3.1超声波探伤仪 ultruasonic flaw detector *2 主动型超声波检测仪器 *3 被动型超声波检测仪器 *4 3.3.1.1仪器的种类 1.按缺陷的显示方式 分类 1） A型显示(A-scope) 示波屏上纵坐 标代表反射波的波 幅，横坐标代表超 声波传播的距离或 时间，根据缺陷波 的波高和水平刻度 来进行缺陷的定量 和定位。 *5 2）B型显示(B-scope) 示波屏上横坐 标代表探头移 动距离，纵坐 标代表超声波 传播距离或时 间。整个示波 屏上可显示入 射平面内的缺 陷断面形状。 *6 3）C型显示(C-scope)
2、 示波屏显示工 件中缺陷的水 平投影情况， 不能显示缺陷 的深度位置。 用于定性测试 。 *7 2.按声波特征分 1）脉冲波 周期性的发射和接受超声脉冲信号。 *8 2）连续波 连续的发射和 接收频率和振 幅都不变的超 声信号。 *9 3.按仪器的通道数目分 （1）单通道 由一个或一对探头单独工作 （2）多通道 由多个或多对探头交替工作 目前实际超声波探伤常用的是 A型脉冲式单通道超声波探伤仪。 *10 3.3.1.2 A型脉冲超声波探伤仪器工作原理 同步电路 发射电路 接受放大电路 时基电路（扫描电路） 显示电路 电源电路 *11 3.3.1.3.超声波探头(probe, transduce
3、r) 1.探头的基本结构 和各部分的作 用 超声探头是 由压电晶片、 楔块、阻尼块 、接头等组成 。 *12 1)压电晶片(crystal) 当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压 电效应，将电能转化为声能，发射超声波；当 探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能 转化为电能。正压电效应和逆压电效应统称压 电效应(piezoelectric effect) 。探头也被称为换 能器。 压电晶片的振动频率即为探头的工作频率 ，晶片在共振条件下工作： t/2 t为晶片厚度。 *13 压电材料： Crystal 单晶材料、多 晶材料(压电 陶瓷) 居里温度。 *14 2）保护膜、斜楔(protectiv
4、e cover, wedge) 硬保护膜：由氧化铝、蓝宝石或碳化硼制 成，用于表面较平滑的试件。 软保护膜：零点几毫米厚的可更换塑料， 用于表面粗糙的工件。 斜楔：波型转换，使被探工件中只存在折 射横波。一般用有机玻璃做成。斜楔的纵波 速度必须小于工件中的纵波速度。 *15 3）阻尼块(damping block) 使共振的晶片尽快停下来，利 于形成窄脉冲，提高分辨力，并吸 收晶片背面发出的杂波，另外还起 到支撑晶片的作用。 *16 2.探头种类 1)纵波直探头(normal probe) 主要用于探测与探测面 （test surface）平行的 平面型或立体型缺陷，如 板材、锻件等。 *17
5、 2）斜探头（angle probe） 斜探头按入射角可分为 纵波斜探头（longitudinal wave probe） 横波斜探头（shear wave probe） 表面波斜探头（surface wave probe） *18 横波斜探头 主要用于探测与探 测面垂直或成一定 角度的缺陷，如焊 缝探伤、气轮机叶 轮探伤等。 直探头和斜楔组成 。 *19 3）双晶探头 双晶探头有两块压电晶 片。根据入射角不同， 又可分为双晶纵波探头 和双晶横波探头。双晶 探头的优点： 1.灵敏度高； 2.杂波少盲区小； 3.近场区长度小； 4.探测范围可调。 主要用于探伤近表面缺 陷。 *20 4）聚焦探头
6、（focusing type prob） 聚焦探头有直探头和声 透镜组成，分为点聚焦 和线聚焦。点聚焦声透 镜为球面，线聚焦则为 柱面。焦距F与声透镜 曲率半径r之间存在以 下关系： Fc1r/(c1c2) *21 3.探头的型号 频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征 如2.5B20Z,5P6*6K3,5T20FG10Z *22 3.3.2试块（test block） 按一定作用设计制作的具有简单几何形状人 工反射体的试样，称为试块。 试块按来历分： 标准试块和参考试块； 按试块上人工反射体分： 平底孔试块 横孔试块 槽形试块 *23 3.3.2.1 IIW试块 IIW试块是 国际焊接学
7、会标准试块 ，也称荷兰 试块和船形 试块。尺寸 如图所示。 *24 用途 1.调整纵波探测范围和扫描速度； 2.测仪器的水平线形、垂直线形和动态范围； 3.厕直探头和仪器的分辨力； 4.测直探头和仪器组合后的穿透能力； 5.测直探头和仪器的盲区； 6.测斜探头的入射点； 7.测斜探头的入射角； 8.测斜探头和仪器的灵敏度余量； 9.调整横波探测范围和扫描速度。 *25 3.3.2.2半圆试块 半圆试块是目前 广泛应用的一种 试块，其结构如 图所示。 *26 用途 1.调整横波探测范围和扫描速度； 2.调整纵波探测范围和扫描速度； 3.测仪器的水平线形、垂直线形和动态范围 ； 4.测斜探头的入射
8、点； 5.调整灵敏度； *27 3.3.2.2 CSK-A试块 CSK-A试块是我 国锅炉和钢制压 力容器对接焊缝 超声波探伤 JB115281标准 规定的标准和试 块，是在IIW试块 基础上改进后得 到的。 *28 1.仪器水平线性 (linearity of time base) 仪器水平线性是指仪器示波屏上时基线 显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的 程度，或者是示波屏上多次底波等距离的程 度。 仪器水平线性的好坏影响缺陷定位。 利用CSK-IA试块进行仪器和探头性能的测试 *29 1）将直探头置于CSK-IA试块上，对准25mm厚的 大平底； 2）调微调、水平或脉冲等旋钮，使示波 屏
9、上出现五次底波B1至B5，且使B1前沿对准 2.0， B5对准10.0，记录B2、 B3、 B4与水平 刻度值4.0、6.0、8.0的偏差值a2、a3、a4； 3）计算水平线性误差； |amax|/0.8b |amax|=max(a2、a3、a4)； b示波屏水平满刻度值。 测试步骤 *30 2.垂直线性(linearity of amplifier) 垂直线性指仪器放大器的线性度。它 表示探头所接受的信号电压大小与荧光屏 上所显示的回波高度成正比的程度。 仪器中衰减器的精度直接反映着垂直 线性误差。垂直线性的好坏影响缺陷定量 精度。 *31 测试步骤 1）抑制至0，衰减器保留30dB的衰减余
10、 量； 2）直探头通过耦合剂置于CSKIA上，对准 25mm底面，并用压块恒定压力； 3）调节仪器使试块上某次底波位于示波屏的 中间，并达满幅度100，但不饱和，作为 0dB； 4）固定增益和其它旋钮，调衰减器，每 次衰减2dB，并记下相应的波高Hi填入表中 ，直到底波消失。 *32 衰减量dB024681012141618202224 回 波 高 度 实 测 绝对 波高 Hi 相对 波高 理想相对 波高 10079.468.150.139.831.625.119.915.812.6107.96.3 偏差 表中：实测相对波高Hi/H0100 理想相对波高10dB/20100 *33 5）计算垂
11、直线性误差 D=(|d1|+|d2|)% |d1|实测值与理想值最大正偏差； |d1|实测值与理想值最大负偏差； *34 3.动态范围（dynamic range） 动态范围是指仪器示波屏容纳信号 大小的能力，将满幅度100某波高 用衰减器衰减到刚能识别的最小 值所需衰减的分贝值就是仪器的动 态范围。 *35 4.斜探头入射点（probe index） 入射点是探头发射的波束轴线 与探测面的交点。 将探头对准R100圆弧面，作平 行侧面的前后移动，使圆弧面 反射波达到最大值，此时斜楔 底面与试块圆心重合的地方就 是该探头的入射点。此时，探头 的前沿长度为 l0RM *36 5.斜探头的K值和s
12、 斜探头K值是指被探 工件中横波折射角s 的正切值。 探头置于B位置时， s在3560度时； 探头置于C位置时，s 在6075度时； 探头置于D位置时， s在7580度时； 若探头在C位置，则 K=tgs=(Ll035)/30 *37 6.探伤灵敏度（flaw detection sensitivity） 探伤灵敏度是指整个探伤系统发现 最小缺陷的能力。灵敏度常用灵敏 度余量来衡量。灵敏度余量是指仪 器最大输出时，使规定反射体回波 达基准高所需衰减的衰减总量。 *38 1）仪器与直探头的灵敏度余量 a 仪器增益至最大，抑制至0，发射 强度至“强”，连接探头，并使探头悬 空，调衰减器使电噪声电平
13、10， 记下此时的衰减器读数N1dB； b 将探头对准试块上2平底孔，调衰减 器使2平底孔回波高达50，记下此 时衰减器读数N2dB，则仪器与探头的 灵敏度余量N为 NN2 N1dB *39 2）仪器与斜探头灵敏度余量 a 仪器增益至最大，抑制至0，发 射强度至“强”，连接探头，并使探 头悬空，调衰减器使电噪声电平 10，记下此时的衰减器读数 N1dB； b 探头置于CSKIA试块上，记下使 R100圆弧面的第一次反射波最高达 50时的衰减量N2，则仪器与斜探 头的灵敏度余量N为 NN2 N1dB *40 7.盲区（dead zone） 盲区是指从探测面 到能够发现缺陷的 最小距离。 盲区的测
14、定可在盲 区试块上进行，如 果没有盲区试块， 可利用CSKIA试块 来估计盲区的范围 。 *41 8.分辨力（resolving power，resolution） 仪器与探头的分 辨力是指在示波 屏上区分相邻两 缺陷的能力。 *42 1）仪器与直探头的分辨力 a抑制至0，探头置于CSK IA的处，左右移动探 头，使示波屏上出现85、 91、100三个反射回波A、 B、C。 b 当A、B、C不能分开时， 分辨力RP为： RP=(9185)a/(a-b)(mm) c 当A、B、C能分开时，分辨力RP为： RP=(9185)c/a(mm) *43 2）仪器与斜探头的分辨力 a 探头置于CSKIA试
15、块上 对准50、44、40三 个阶梯孔，使示波屏上出 现三个反射波。 b 平行移动探头并调节仪器 ，使50、44回波等高 ，其波峰为，波谷为h2， 则其分辨力为 X=20lg(h1/h2)(dB) 实际测试时，用衰减器将h1衰减到h2，其衰减 量N就为分辨力，即XN *44 9.扫描速度的调整 仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值 与工件或试块中的实际声程x之间的 比例关系称为扫描速度或时基扫描线的 比例。 超声波探伤前必须首先根据探测范围调 整好扫描速度，以便在规定的探测范围 内发现缺陷并对缺陷进行定位。 *45 横波扫描速度的调整 1）声程调整法 使示波屏上的水平刻度值与工件或试块中 的实际
16、声程x之间的比例，即：x1：n， 这时仪器示波屏直接显示反射体横波声程。 利用CSKIA试块调整横波扫描速度：调节 仪器，使B1对50，B2对100，此时横波扫描速 度就为1：1 *46 横波探伤术语 *47 2）水平距离调整法 按水平距离调整横波扫描速度是使示波屏 上水平刻度值与工件或试块中反射体的 水平投影距离l成比例，即：l1：n。 利用CSKIA试块调整：先计算R50，R100 圆弧反射波B1，B2对应的水平距离l1，l2： l1=50K/(1+K2)1/2; l2=100K/(1+K2)1/2 然后将横波探头对准R50和R100，调节仪器 使B1，B2分别对准水平刻度l1，l2即可。 *48 3）深度调整法 按深度调整横波扫描速度是使示波屏上水 平刻度值与工件或试块中反射体的深度d 成比例，即：d1：n。 利用CSKIA试
