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1、超声波中级初试培训讲义第四章：超声检测设备与器材福建省特种设备检验院 雷荣开,前言,超声波检测设备与器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫描装置等。 超声波检测仪和探头是超声波检测的关键设备，其性能的好坏影响超声波检测的检测灵敏度和定位定量精度。 超声波检测试块和耦合剂是超声波检测的重要器材，试块类型和反射体的性质对超声波检测灵敏度和缺陷评定具有重要意义，耦合剂的类型和性能对超声波检测灵敏度和缺陷评定也有重要影响。,第一节 超声检测仪,一、超声检测仪：超声检测仪是超声检测的主体设备，其作用是： 1、产生电振荡并施加于换能器（探头）上，激励探头中的压电晶片产生机械振动，从而产生超声波并
2、发射出去； 2、接收来自探头的电信号，并将其放大后以一定方式显示出来。,二、超声波检测仪的分类 （一）、按超声波的连续性可分为： 1、脉冲波探伤仪：仪器通过向探头的压电晶片周期性地发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头中压电晶片发生振动产生超声波，超声波在工件中传播，并在边界上产生反射和折射，探头的压电晶片接收从工件中反射回来的超声波并转变为电信号，仪器对这些电信号进行处理并以一定的方式显示出来，从而根据反射波在工件中的传播时间确定缺陷的位置，根据反射波的幅度判断缺陷的大小。 2、连续波探伤仪：仪器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，根据透过工件的超声波强度变化判断
3、工件中有无缺陷和缺陷大小。 3、调频波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波，根据发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。 因连续波探伤仪灵敏度低且不能确定缺陷位置，调频波探伤仪只适宜检测与探测面平行的缺陷，在无损检测领域内已被淘汰，无损检测领域内应用最广的是脉冲波探伤仪，由于是根据反射波对缺陷进行评定，所以也叫脉冲反射式超声波探伤仪,脉冲反射式超声波检测仪：检测仪中的脉冲振荡电路产生一个周期性的持续时间很短的电脉冲，这一周期性的电脉冲通过电线施加在探头中的压电晶片上，激励压电晶片产生机械振动，从而产生超声波，超声波通过特定的媒介传入被检工件并在工件中传播，超声波
4、在工件中传播过程中，遇到边界会产生反射和折射，压电晶片接收到从工件中反射回来的超声波，将机械能转化为电脉冲信号，通过检波和放大并以一定方式显示出来，从而根据反射波在工件中的传播时间确定缺陷的位置，根据反射波的幅度判断缺陷的大小。,（二）按缺陷显示方式可分为： 1、A型显示探伤仪：A型显示是一种波型显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间（如果超声波在均匀介质中传播，则声速是恒定的，则传播时间可以转变为传播距离），纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷的位置，反射波的幅度可以估算缺陷的大小。如图3110（a）,2、B型显示探伤仪：B型显示是一种图象显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机
5、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，因而可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。如图,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，因而探头的工件表面移动 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。 如图目前，广泛使用的是A型显示脉冲反射式超声波探伤仪。下面就来研究这种型号的探伤仪,三、超声波探伤仪 （一）超声波探伤仪的工作原理 同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，
6、产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板上，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脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，产生超声波，超声波通过透声介质（偶合剂）进入被检工件，超声波在工件中传播，遇到边界（缺陷或底面）产生反射，返回到探头，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检波，加到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回波和底波。如图,（二）仪器的主要组成及作用 A型脉冲反射式超声波探伤仪主要由同步电路、扫描电路、发射电路、接收放大电路、显示电路和电源电路等组成。 1、同步电路：同步电路也叫触发电路，其作用是产
7、生周期性的同步脉冲，作为发射电路、扫描电路和其它辅助电路的触发脉冲，使各电路在时间上协调一致地工作，是探伤仪工作的指挥中心。 每秒钟发射同步脉冲的次数称为重复频率，重复频率决定了仪器每秒钟向被检工作内发射超声波的次数。重复频率高，采样数据快，漏检率低。重复频率高，脉冲间隔时间短，使未经过充分衰减的多次反射进入下一周期形成所谓的“幻象波”，造成缺陷误判。所以，重复频率不是越高越好。,2、扫描电路：扫描电路又称时基电路，其作用是产生锯齿波电压，加至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从左到右作匀速移动，产生一条水平扫描时基线，改变扫描速度，即可改变显示在屏幕上的时间或距离范围（超声
8、波传播的声程范围） 3、发射电路：发射电路是一个电脉冲信号发生器，可以产生100-400V的高压电脉冲，施加到探头的压电晶片上，激励压电晶片发生振动，从而产生超声波。掌握以下二个概念： 发射脉冲频带越宽，发射脉冲越窄，分辨率越好。 脉冲电压越高，脉冲越宽，则发射能量越大，穿透力就越大，盲区也越大，深度分辨率越差。,4、接收电路：超声信号经压电晶片转换后得到的微弱电脉冲，被输入到接收电路，接收电路对其进行放大、检波、使其能在显示屏上得到足够的显示。 接收电路通常由衰减器、高频放大器、检波器和视频放大器等组成。接收电路的性能对超声波检测仪器性能影响极大，它直接影响到检测仪的垂直线性、动态范围、检测
9、灵敏度、分辨力等重要技术指标。 垂直线性：垂直线性是指输入到超声检测仪接收电路的信号幅度与其在超声检测仪显示器上所显示的幅度成比例的程度。 动态范围：动态范围是指在增益不变的情况下，超声检测仪可运用的一段信号幅度范围，在此范围内信号不过载或畸变，也不至过小而难以观测。 检测灵敏度：检测灵敏度是指超声检测系统（仪器和探头组合）发现最小缺陷的能力。 分辨力：超声检测系统分辨出相邻两个缺陷的最小距离。,四、仪器旋钮（按键）的作用及调整 仪器主要旋钮（按键）如图3113 1、发射强度旋钮（数字机没有对应的按键）：其作用是改变仪器发射脉冲功率，从而改变仪器的发射强度。增大发射强度，可提高仪器灵敏度，但脉
10、冲变宽，分辨力变差。因此，在检测灵敏度能满足要求的情况下，发发射强度旋钮应尽量放在较低的位置。 2、衰减器旋钮：衰减器的作用是调节检测灵敏度和测量回波振幅，调节灵敏度时，衰减器读数大，灵敏度低，读数小，灵敏度高。测量回波幅度时，衰减器读数大，回波幅度高，读数小，回波幅度低。 3、增益旋钮：其作用是改变接收放大器的放大倍数，进而连续改变检测灵敏度。在对模拟机进行调节时，当反射波高调整到某一指定高度后，后续的调节和检测过程中，都不能再调节增益旋钮。 衰减器旋钮和增益旋钮在数字机中对应的都是增益按键,模拟超声检测仪,数字超声仪,4、抑制旋钮：抑制的作用是抑制荧光屏上幅度较低或认为不必要的杂乱反射信号
11、，使之不予显示，从而使荧光屏显示的波形清晰。 注意：使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降，抑制作用越大，仪器动态范围越小，从而在实际检测中容易漏掉小的缺陷。因此，除非十分必要，一般不使用抑制。 5、深度范围旋钮：也叫深度粗调旋钮，其作用是粗调荧光屏扫描线所代表的检测范围。调节此旋钮，可大幅度地改变扫描速度，从而使荧光屏上回波间距在幅度地压缩或扩展。 6、深度细调旋钮：其作用是精确调整检测范围。调节此旋钮，可连续 改变扫描速度，从而使荧光屏上回波间距在一定范围内连续变化。调节此旋钮的目的是使荧光屏扫描线的反射波间距与反射体的间距成一定比例。 深度范围旋钮和深度细调旋钮在数字机上对应的是“
12、范围”键,第二节 探头 探头是超声检测系统的重要器件，其性能的好坏直接影响超声检测质量，主要影响超声检测的灵敏度、分辨率、信噪比和定位定量精度。 把以换能器为主要元件组装成具有超声波发射和接收特性的器件，称为探头。 凡能把电能或其它形式的能转变为超声能，同时又能把超声波能转变为电能或其它形式的能的元件，称为换能器。换能器的关键部件是具有压电效应的压电晶片， 一、压电效应与压电材料 1、某些晶体材料在交变应力的作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应，反之，晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正逆压电效应统称为压电效应。 2、超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉
13、冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能（机械能），探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。因此，常把探头也叫换能器。,二、压电材料的主要性能参数 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分为单晶材料的多晶材料，常用的单晶材料有石英（SiO2）硫酸锂（LiSO4）、铌酸锂（LiNbO3）；常用多晶材料有钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅（PbZrTiO3）钛酸铅（PbTiO3）。 1、压电应变常数d33：表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。 d33=t/U （ m/V） U-施加在压电晶片上的电压，t-在厚度方向的变形量。 压电应变常数D33值
14、越大，发射性能越好（发射强度越大），发射灵敏度越高。 2、压电电压常数g33：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。 g33=Up/P （ Vm/N） P-施加在压电晶片两面的应力，Up晶片表面产生的电压梯度，即电压U与晶片厚度t之比。 压电电压常数g33值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。,3、介电常 =Ct/A C电容器电容，t电容器极板的距离；A-电容器极板面积。 超声波检测用的压电晶体（t和A一定），频率一般要求比较高，此时应小些，因为小，C就小，电容器充放电时间短，频率高。 4、机电偶合系数K：机电偶合系数表示压电材料机械能（声能）与电能之间的转换效率。 K=转换的能量
15、/输入的能量 正压电效应：K=转换的电能/输入的声能； 逆压电效应：K=转换的声能/输入的电能； 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向二个方向的伸缩变形，因此机械偶合系数分为厚度方向的机械偶合系数Kt和径向机械偶合系数KP。Kt大，检测灵敏度高，KP大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽。,5、机械品质因子m 机械品质因子m表示压电晶片在谐振时储存的机械能E储与一个周期内损耗的能量E损之比。 m=E储/E损 压电晶片振动损耗的能量主要是由内磨擦引起的，m对分辨力有较大影响， m大，损耗小，晶片振动持续时间长，脉冲宽度大，分辨力低，反之，m小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力高。 6、频率常数N Nt
16、=tf0=CL/2 t晶片厚度；f0晶片固有谐振频率，CL晶片中纵波波速。 压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做压电晶片的频率常数。由上式可知，制作高频探头时，晶片厚度较小，制作低频探头时，晶片厚度较大。发射超声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速。,7、居里温度TC 压电材料的压电效应与温度有关，它只能在一定温度内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度。 综上所述，为了使超声波探头具有所要求的性能，超声波探头对晶片的一般要求是： 机电耦合系数K较大，以获得较高的转换效率； 机械品质因子m较小，以获得较高的分辨力和较小盲
17、区； 压电应变常数d33和压电电压常数g33较大，以获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度。 频率常数N较大，介电常数较小，以获得较高的频率。 居里温度TC较高，声阻抗Z适当。,三、探头的结构 超声波探头一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成。如图。,它们的作用是： 1、压电晶片的作用是发射和接收超声波，实现电声能转换。 2、阻尼块的作用一是对压电晶片的振动起阻尼作用，从而减小脉冲宽度，提高分辨力，二是吸收晶片向背面发射的超声波，三是对晶片起支承作用。 3、保护膜的作用是保护压电晶片，不致磨损或损坏 4、斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。其作用一是保证晶片发射的超声波按设定的倾斜角倾斜入射到斜楔与工件的界面上，从而产生波型转换，以便在工件内形成特定波型和角度的声束。二是对晶片起保护作用。,
