温度对超声波探头灵敏度的影响研究

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1、温度对超声波探头灵敏度的影响研究摘 要:在恒温工作台上将标准试块加热,测试不同温度下 ,高温探头发射/接收超声波能力的变化 ,以研究温度对探头压电效应的影响。试验结果证明 ,高温使探头的压电效应减弱,探头发射和接收超声波的能力因此大幅降低甚至完全消失,从而制约了高温超声波检测技术的应用。由于常规超声检测只能在1060 条件下应用 ,而石油化工等行业,有大量承压 设备在高温条件下运行 ,常规超声检测技术无法对其进行在线检测。因此近年来国内一些科研机构开始尝试开发高温超声检测技术 ,并有一些应用实例见诸报道。温度对超声的影响表现在当温度升高时 ,超声波声速减小 ,斜探头的折射角增大 ,超声波在介质

2、中传播的衰减加大。温度的另一个重要影响是对探头晶片压电效应的影响。压电效应与温度有关 ,温度升高时压电效应减弱,当达到某一温度即居里温度时 ,压电效应完全消失。在常规超声检测中 ,探头和工件基本没有温差,因此压电效应也是恒定不变的。但在高温超声检测中,随着探头与工件的接触时间延长,工件的热量逐渐传入探头 ,导致探头温度逐渐升高 ,压电效应逐渐减弱甚至完全消失。笔者在此通过试验对这一现象进行研究。1 试验所用的设备器材超声波检测仪采用武汉中科创新生产的hs610 型数字超声波检测仪。高温探头来自国外 ,两只型号分别为 w45b2gv( 下称探头 1)和 w60b2gv( 下称探头 2)。探头频率

3、为 2 mhz, 最高工作温度 250 时必须间歇工作,每次工作时间 20 s。 高温耦合剂采用美国sono 公司出产的so-no650和 sono950型高温耦合剂 ,最高工作温度可达343和 510。恒温工作台由笔者设计 ,国内某专业厂家制造 (图 1)。 工作台温度可在 50500 内连续调节 ,温度误差 50 时, 温度对探头压电效应的影响非常显著。如探头 1 在 100 时,波高从刚与试块接触的85% 下降到 47%后才不再下降 ,相当于下降了 5.1 db;在 150 时,波高从刚与试块接触的 80% 下降到 15%后才不再下降 ,相当于下降了 14.5 db 。当温度在 200

4、以上时 ,探头与试块接触不到15 s 时间,波高已下降到不可见。探头2 在 100 时,波高从刚与试块接触的84% 下降到30%后才不再下降 ,相当于下降了 8.5 db; 在 150 时,波高从刚与试块接触的 78% 下降到 10%后才不再下降 ,相当于下降了 17.8 db 。当温度在 200以上时 ,探头与试块接触不到10 s 时间,波高已下降到不可见。3.2 高温给超声检测带来的不利影响高温下探头压电效应随温度升高而减弱的现象给超声检测带来的不利影响 ,表现在以下几个方面 :(1)高温探头只能在较低的温度下连续工作,当温度较高时必须间歇工作。在超声检测中 ,给缺陷准确定位和定量都是以找

5、到缺陷的最高回波为准。但 对高温超声波检测 ,在探头与工件短时接触的过程中,探头发射和接收超声波的能力不再是恒定的,而是随着与工件接触的时间快速下降 ,这样确定缺陷的最高回波变得几乎不可能 ,因而无法给缺陷准确定位和定量。(2)压电效应下降使得探头发射和接收超声波的能力同时减弱,工件内的缺陷所显示的信号幅度大幅下降,一些小的缺陷将难于或无法检出。(3)由于超声波信号快速下降 ,留给检测人员扫查和观察波形的时间很短,因此操作难度很大。(4)高温损害探头的性能 ,即使再冷却到室温 ,探头发射和接收超声波的能力也不能完全恢复到原来的水平。因此高温探头使用一定次数后,性能会下降乃至报废。4 结语高温下探头压电效应随温度升高而降低的现象制约了高温超声波检测技术的应用 ,因此必须控制探头的温度 ,研制一种能可靠冷却的探头可能是高温超声波检测技术今后的发展方向。