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1、材料检测方法主讲老师：杨 可 材料科学与工程专业主干专业课程*第八章 超声波、射线探伤检测光明给我们经验，读书给我们知识。奥斯特洛夫斯基1超声波检测的原理； 2超声波仪器、探头和试块；3、超声波探伤方法和通用探伤技术； 4、射线探伤分析的原理及其应用. 5、磁粉探伤分析的原理及其应用学习内容：1、了解各种方法的探伤机理； 2、能够进行探伤分析重点： 第一节 超声波探伤仪一、超声波探伤仪概述 1、仪器的作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它 的作用是产生电振荡并加于换能器(探头)上，激励探头发射 超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式 显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及
2、缺陷位置和大 小等信息。 2、仪器的分类 1）按超声波的连续性分类 （1）脉冲波探伤仪：通过探头向工件周期性地发射不连续且 频率不变的超声波，据超声波传播时间及幅度判断工件中缺 陷位置和大小。 （2）连续波探伤仪：通过探头向工件中发射连续且频率不变( 或在小范围内周期性变化)的超声波，据透过工件的超声波 强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。 （3）调频波探伤仪：通过探头向工件中发射连续的频率周期 性变化的超声波，据发射波与反射波的差频变化情况判断工 件中有无缺陷。2）按缺陷显示方式分类 （1）A型显示探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧 光屏的横坐标代表声波的传播时间(或距离)，纵坐标代
3、 表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置， 由反射波的幅度可以估算缺陷大小。（2）B型显示探伤仪：B型显示是一种图象显示，荧光屏的 横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是 靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离)，因而可直 观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。（3）C型显示探伤仪：C型显示也是一种图象显示，探伤仪 荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在 工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示， 因而，当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工 件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。 （4）3D显示探伤仪：B型显示和C型显示的不足之处是 对于缺
4、陷的深度和空间分布不能一次记录成象，而3D显 示技术能把B、C显示相结合产生一个准三维的投影图象 ，同时能表示出缺陷在空间的特征。3）按超声波的通道分类 （1）单通道探伤仪：这种仪器由一个或一对探头单独工作 ，是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。（2）多通道探伤仪；这种仪器由多个或多对探头交替工作 ，每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探 伤。目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪，如CTS-22、 CTS-26等都是A型显示脉冲反射式探伤仪。二、A型脉冲反射式超声探伤仪电路方框图工作过程：同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路 ，扫描电路受触发工作，产生锯齿波电压，加至示波管水平偏
5、转板 ，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。同时 ，发射电路受触发产生高频窄脉冲，加至探头，激励压电晶片振动 ，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生 反射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大 和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水 平扫描线的相应位置上产生缺陷波和底波。根据缺陷波的位置可以 确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小 。 三、仪器主要组成部分的作用1、同步电路：同步电路又称触发电路，它每秒钟产生数 十至数千个脉冲，用来触发探伤仪扫描电路、发射电路 等，使之步调一致、有条不紊地工作。因此，同
6、步电路 是整个探伤仪的“中枢”，同步电路出了故障，整个探 伤仪便无法工作。2、扫描电路：扫描电路又称时基电路，用来产生锯齿波电 压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光 点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。 探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫 描电路的控制旋钮。探伤时，应根据被探工件的探测深 度范围选择适当的深度档级并配合微调旋钮调整，使 刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。 3、发射电路：利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百 伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电 晶片振动，使之发射超声波，可控硅发射电路的典型电 路如教材图4-30所示。发射电路
7、中的电阻Ro称为阻尼电 阻，用发射强度旋钮可改变Ro的阻值。阻值大发射强度 高，阻值小发射强度低，因Ro与探头并联，改变Ro同时 也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。4、接收电路：接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和 视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、 检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，并在荧光屏上 显示。由于接收的电信号非常微弱，通常只有数百微伏 到数伏，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收 电路必须具有约105的放大能力。5、显示电路：主要由示波管及外围电路组成。示波管用来 显示探伤图形，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等 三部分组成，其基本结构如图所示 。四
8、、仪器主要旋钮的作用及其调整探伤仪面板上有许多开关和旋钮，用于调节探伤仪的 功能和工作状态。图3.7是CTS22型探伤仪面板示意图 ，以这种仪器为例，说明各主要开关的作用及其调整方 法。 1、工作方式选择旋钮工作方式选择旋钮的作用是选择探测方式。即“双探 ”或“单探”方式。当开关置于“双探”时，为双探头 一发一收工作状态，可用一个双晶探头或两个单探头探 伤，发射探头和接收探头分别连接到发射插座和接收插 座。当开关置于“单探”时，为单探头发收工作状态， 可用一个单探头探伤，此时发射插座和接收插座从内部 连通，探头可插入任一插座。2、发射强度旋钮发射强度旋钮的作用是改变仪器的发射脉冲功率，从 而改
9、变仪器的发射强度。增大发射强度时，可提高仪器 灵敏度，但脉冲变宽，分辨力变差。因此，在探伤灵敏 度能满足要求的情况下，发射强度旋钮应尽量放在较低 的位置。3、增益旋钮（增益细调旋钮）作用是改变接收放大器的放大倍数，进而连续改变探 伤仪的灵敏度。 4、衰减器衰减器的作用是调节探伤灵敏度和测量回波振幅。调 节灵敏发时，衰减读数大，灵敏度低；衰减读数小，灵 敏度高。测量回波振幅时，衰减读数大，回波幅度高； 衰减读数小，回波幅度低。一般探伤仪的衰减器分粗调 和细调两种，粗调每档10dB或20dB，细调每挡2dB或1dB ，总衰减量80dB左右。5、抑制旋钮抑制荧光屏上幅度较低或认为不必要的杂乱反射波，
10、 使之不予显示，从而使荧光屏显示的波形清晰。在探伤 中一般不使用抑制。 6、深度范围旋钮（深度粗调旋钮）作用是粗调荧光屏扫描线所代表的探测范围。调节深 度范围旋钮，可较大幅度地改变时间扫描线的扫描速度 。从而使荧光屏上回波间距大幅度地压缩或扩展。7、深度细凋旋钮精确调整探测范围。调节细调旋钮。可连续改变扫描 线的扫描速度，从而使荧光屏上的回波间距在一定范围 内连续变化。8、延迟旋钮（脉冲移位旋钮）用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时到之间的时 间差。调节延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左 右移动，而不改变回波之间的距离。调节探测范围时， 用延迟旋钮可进行零位校正，即用深度粗调和细调旋钮 调
11、节好回波间距后，再用延迟旋钮将反射波调至正确位 置，使声程原点与水平刻度的零点重合。9、聚焦旋钮聚焦旋钮的作用是调节电子束的聚焦程度，使荧光屏 波形清晰。 10、频率选择旋钮宽频带探伤仪的放大器频率范围宽，覆盖了整个探伤 所需的频率范围，探伤仪面板上没有频率选择旋钮。探 伤频率由探头频率决定。窄频带探份仪没有频率选择开 关，用以使发射电路与所用探头相匹配，并用以改变放 大器的通带，使用时开关指示的频率范围应与所选用探 头相一致。11、水平旋钮 水平旋钮也称零位调节旋钮，调节水平旋钮，可使扫 描线连扫描线上的回波一起左右移动一段距离，但不改 变回波间距。调节探测范围时，用深度粗调和细调旋钮 调好
12、回波间距，用水平旋钮进行零位校正。12、重复频率旋钮重复频率旋钮的作用是调节脉冲重复频率，即改变发 射电路每秒钟发射脉冲的次数。 l3、垂直旋钮垂直旋钮用于调节扫描线的垂直位置。调节垂直旋钮 ，可使扫描线上下移动。14、辉度旋钮辉度旋钮用于调节波形的亮度。15、深度补偿开关有些探伤仪设有深度补偿开关或“距离振幅校正 ”(DAC)旋钮，它们的作用是改变放大器的性能，使位于 不藏深度的相同尺寸缺陷的回波高度差异减小。16、显示选择开关显示选择开关用于选择“检波”或“不检波”显示。 五、仪器的维护六、数字智能探伤仪 1、数字智能探伤仪的特点 1)检测速度快 2)检测精度高 3)可靠性高、稳定性好 4
13、)记录与存档 5)可编程性2、数字智能探伤仪的发展前景 1)成像技术的应用 2)缺陷定性 第二节 超声波测厚仪一、共振式测厚仪 1、原理：当工件厚度为半波长的整数倍时，反射波与入射波互 相迭加，形成驻波，产生共振。这时工件厚度与波速、 频率的关系为： 2、方法：测厚时，调节原理图中的调谐电容C ，改变振荡频率 。由频率振荡器输出的交变电信号加到超声波探头上， 产生超声波在工件中传播。当超声波在工件中产生共振 时。探头负载阻抗减小，通过电流表A的板极电流达极大 值，这时的频率为共振频率。再次调节电容C。改变频率 ，测出相邻的另一共振频率，进而利用上式求出工件厚 度。共振式测厚仪可测厚度下限小，最
14、小可达0.1mm；测试 精度较高，可达0.1%。但使用不大方便t不能直读，须用 公式计算工件厚度。另外要求被测工件上下表面平整光 洁。 二、脉冲反射式测厚仪 1、原理：脉冲反射式测厚仪是通过测量超声波在工件上下底面 之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度，其计算公 式如下：2、方法：发射电路发出脉冲很窄的周期性电脉冲，通过电缆加 到探头上，激励探头压电晶片产生超声波。该超声波在 工件上下底面多次反射。反射波被接收，转为电信号经 放大器放大后输入计算电路，由计算电路测出超声波在 工件上下底面往返依次传播时间，再换算成工件厚度显 示出来。 三、测厚仪的调整与使用 1、测厚仪的调整1）仪器的下限要用
15、一块厚度为下限的试块来校准。例如 下限为1mm的仪器要有一块1mm厚的试块。调整时将探头 对准该试块底面。使仪器显示厚度为lmm即可。2）线性要用厚度不同的试块来校正。调整时将探头分别 对准厚度不同的试块底面，使仪器显示相应试块厚度。2.测厚方法 先据工件厚度情况和精度要求选择探头。工件较薄时 宜选双晶或带延迟块探头，工件较厚时宜选单晶探头。测厚与探伤一样，要求工件表面光洁平整。测试时要 施加一定的耦合剂。测厚时，探头放置要平稳、压力适 当。第三节 超声波探头一、压电效应 1、正压电效应：晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效 应。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电 能。2
16、、逆压电效应：当晶体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效 应。探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时， 发生逆压电效应，将电能转换为声能。 二、压电材料：单晶石英(SiO2)，在正常情况下，各原子的电荷相互 平衡，不显电荷，呈中性。当晶体受到压应力作用时， 使正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体 受到拉应力作用时，同样也会在晶体表面极板上出现正 、负游离电荷，不过这时极板电荷与受压力作用时极板 电荷相反。这就是正压电效应。反之，如果在晶体表面 极板上施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆 压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分单晶 材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英(SiO2)、硫酸 锂(Li2SO4)、铌酸锂(LiNbO3)等。常用的多晶材料有钛 酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PbZrTiO3，缩写为PZT)、钛酸 铅(PbTiO3)等，多晶材料又称压电陶瓷。单晶材料接收 灵敏度较高，多晶材料发射灵敏较高。 三、压电材料的主要性能
