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1、第3章 超声检测设备与器材超声检测设备与器材包括超声检测仪、探头、耦合剂和对比试块等。其中仪器和探头是检测设备的关键部分。了解其原理、构造和作用及其性能，是正确选择检测设备与器材并进行有效检测的保证。3.1 超声检测仪超声检测仪是利用超声波的声学特性对材料缺陷进行无损检测的一种电子仪器，是超声检测中的主体设备。它的作用是产生电振荡并施加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时接收来自于探头的电信号，将其放大后以一定的方式显示出来，从而得到被检工件中有关缺陷的信息。3.1.1 超声检测仪的分类一概述按照原理的差异分类，超声检测仪器可以分为下述三类：1穿透式检测仪：这种仪器指示声的穿透能量。仪
2、器发射单一频率的连续波信号，根据透过工件的超声波强度来判断工件中有无缺陷及缺陷的大小，是最初发明的超声检测仪的形式。由于这种仪器对缺陷检测灵敏度较低，且不能确定缺陷的位置，可操作性也受到限制，目前已很少使用。2共振检测仪：这种仪器指示频率可变的超声连续波在工件中形成共振的情况，用于共振法测厚，目前也使用较少。3脉冲反射式超声检测仪这种仪器指示反射声波的幅度和传播时间，称为脉冲反射式检测仪。这类仪器通过探头向工件周期性地发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头发射脉冲超声波，并接收从工件中反射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间和幅度来判断是否存在缺陷和缺陷的大小等情况，称为脉冲反射式超声检测仪
3、。目前又发展了采用一发一收双探头方式，接收从工件中衍射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间来判断是否存在缺陷和缺陷的大小等情况，称为衍射时差法超声检测仪。脉冲反射式检测仪的信号显示方式可分为A、B、C三种类型，又称为A扫描、B扫描、C扫描。其中超声成像显示又可分为B、C、D、S、P型显示等类，其中A型脉冲反射式超声检测仪是使用最广泛、最基本的一种类型。除了上述按照原理的差异分类以外，根据采用的信号处理技术，超声检测仪还可分为模拟式和数字式仪器，按照不同的用途设计有便携式检测仪、非金属检测仪、超声测厚仪等，按操作方式还可分为手工操作超声检测仪和自动超声检测仪等。二A型显示、B型显示和C型显示
4、 1A型显示A型显示是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来（图3-1）。横轴为时间，纵轴为信号幅度。如果超声波在均质材料中传播，声速是恒定的，则传播时间可转变为传播距离。因此，从A型显示中可以得到反射点距声入射点的距离（如纵波垂直入射检验时缺陷的深度，用于确定缺陷的位置），以及回波幅度的大小（用来判断缺陷的当量尺寸）。图3-1所示为脉冲反射法检测的典型A型显示图形，左侧幅度很高的脉冲T称为始脉冲或始波，是发射脉冲直接进入接收器后在示波屏上的起始位置显示出来的脉冲信号，右侧的回波B称为底波或底面回波，是超声波传播到与入射面相对的工件底面产生的反射波，中间的回波F则为缺陷的反射
5、波。图3-1 A型显示原理图A型显示具有检波与非检波两种形式。非检波信号又称为射频信号，是探头输出的脉冲信号的原始形式，可用于分析信号特征，如图3-2（a）所示。检波形式是探头输出的脉冲信号经检波后显示的形式，由于检波形式可将时基线从屏幕中间移到刻度板底线，可观察的幅度范围增加了一倍。同时，所显示的图形较为清晰简单，便于判断信号的存在及读出信号幅度。但检波形式与非检波形式相比，失去了其中的相位信息。如图3-2（b）所示。 （a）射频波形（未检波） （b）视频波形（检波后）图3-2 A型显示波形图2B型显示B型显示是工件的一个二维截面图，将探头在工件表面沿一条线扫查时的距离作为一个轴的坐标，另一
6、个轴的坐标是声传播的时间(距离)。图3-3为B型显示原理图。早期的B型显示，是在每个探头位置上，记录下脉冲信号出现的深度位置（传播时间），在相应的位置上以亮点显示出信号的存在，没有回波脉冲的位置则无显示。随着计算机技术的应用，现在的B型显示通常将时间轴上不同深度的信号幅值采集下来，在每个探头移动位置沿时间轴用不同的亮度（或颜色）显示出信号的幅度。将上下表面回波也包含在时间轴显示范围以内，可以从图中观察出缺陷在该截面上的位置、取向与深度以及通过亮度或颜色获取缺陷信号幅度的信息。图3-4为典型的B型显示图象。 图3-3 B型显示原理图 图3-4 典型的B型显示图象3C型显示C型显示是工件的一个平面
7、投影图。探头在工件表面作二维扫查，显示屏的二维坐标对应探头的扫查位置。在每一探头移动位置，将某一深度范围的信号幅度用电子门选出，用亮度或颜色代表信号的幅度大小，显示在对应的探头位置上，则可得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布，如图3-5所示。若以各点的亮度代表回波传播时间，则又可得到缺陷深度分布，称为TOF（time of flight）图。图3-6为典型的C型显示图。B型和C型显示是在A型显示的基础上实现的，在A型显示图上，确定好需采集的信号范围，采用电子门提取出所需信号。目前，B型和C型显示多采用计算机，将信号经A/D转换处理后，显示在计算机屏幕上，图像与数据可存储并可进一步用软件对缺陷进
8、行分析评价。 图3-5 C型显示原理图 图3-6 典型的C型显示图3.1.2 A型脉冲反射式超声检测仪一 A型脉冲反射式超声检测仪的主要组成部分和工作原理1主要组成部分A型脉冲反射式超声检测仪的主要组成部分是同步电路、发射电路、扫描电路、接收放大电路、显示电路以及电源，如图3-7所示。除了上述各部分电路以外，还有报警电路、闸门电路、标距电路、补偿电路等辅助电路。图3-7 A型脉冲反射式超声检测仪的基本电路框图2工作原理仪器的工作原理概括起来是这样的：首先由同步电路以给定的频率产生周期性同步脉冲信号，该信号一方面触发发射电路产生激励电脉冲加到探头上产生脉冲超声波，另一方面控制时基电路产生锯齿波加
9、到示波管X轴偏转板上使光点从左到右随时间移动。超声波通过耦合剂进入工件，反射回波由已停止激振的原探头接收（单探头工作方式）或由另一探头接收（双探头工作方式），转换成相应的电脉冲经放大电路放大加到示波管的Y轴偏转板上，此时，光点不仅沿X轴按时间线性移动，而且受Y轴偏转电压的影响在垂直方向运动，从而产生幅度随时间变化的波形。根据反射回波在时间基线上的位置可确定反射面与超声入射点的距离，根据回波幅度可确定回波声压大小。二模拟式A型脉冲反射式超声检测仪的电路组成与各部分功能1同步电路同步电路又称为触发电路或同步脉冲发生器，主要由多谐振荡器和微分电路等组成。同步电路的作用是产生同步脉冲，去触发扫描电路、
10、发射电路以及其他辅助电路，使超声检测仪的各个部分在时间上协调一致工作。因此，同步电路可看作是整个超声检测仪的“司令部”。同步电路每秒钟产生数十次以至数千次周期性的同步脉冲，同步脉冲是周期性地出现的，每秒钟内发射同步脉冲的次数称为重复频率。重复频率决定了超声检测仪的发射脉冲的频率，即决定了每秒钟向被检工件内发射超声波脉冲的次数。有些仪器设有重复频率调节旋钮以供使用者选择。选择重复频率对自动化检测很重要。自动化检测的优势之一就是可以自动记录超声信号，因而可以实现高速扫查，这就需要有高重复频率以保证不漏检。但是，高重复频率使两次脉冲间隔时间变短，有可能使未充分衰减的多次反射进入下一周期，形成所谓的“
11、幻像波”，造成缺陷误判。因此，自动化检测的扫描速度受到最大重复频率的限制。在手工检测目视观察的情况下，提高重复频率可使波形显示亮度增加，便于观察。2发射电路发射电路是一个电脉冲信号发生器，可以产生100V400V的高压电脉冲，施加到压电晶片上产生脉冲超声波。为适应某些特殊情况的检测要求，有些高能型仪器也提供高达1000V的高压电脉冲。发射电路通常可分为调谐式和非调谐式两种，图3-8为两种电路的原理图。调谐式电路谐振频率由电路中的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。谐振频率通常调谐到与探头的固有频率相一致。这种电路常用于为了穿透高衰减材料而需激发宽脉冲的情况。（a) 调谐式 （b）非调谐式图
12、3-8 发射电路原理图非调谐式电路发射一短脉冲，脉冲形状有尖脉冲、方波等不同形式，脉冲频带较宽。由它激励的超声波也是一宽带脉冲波，中心频率主要由探头中压电晶片的固有参数决定。目前常见的超声检测仪多采用非调谐式电路。发射电脉冲的频率特性将被传递到整个检测系统，首先是探头，转换为超声脉冲后进入被检件，之后又回到探头，进入接收电路，最后到达显示器。因此，最终显示在屏幕上的信号可以看作是发射脉冲经过一系列过程被处理后的结果。目前的超声检测仪接收电路通常是宽带的，很多常用探头也是宽带的，因此，发射电路的频率特性对最终的A显示图形影响很大。为了使探头的能量转换效率达到最高，通常要求发射脉冲频带范围要包含探
13、头自身的频带范围。频带越宽，发射脉冲越窄，可能达到的分辨力越好。超声检测仪中多设置有发射强度调节旋钮或阻尼旋钮，通过改变发射电路中的阻尼电阻，可调节发射脉冲的电压幅度和脉冲宽度。在一般情况下，电压越高、脉冲越宽、所发射的能量越大，但同时盲区增大、深度分辨力变差。因此，在使用时应根据检测对象的特点加以调节，以适应对穿透能力和分辨力的不同要求。3接收电路接收电路也称为接收放大器，它由衰减器、高频放大器、检波器和视频放大器等组成。超声信号经压电晶片转换后得到的微小电脉冲，被输入到接收电路，接受电路对其进行放大、检波，使其能够在显示器上得到足够高度的显示。接收电路的性能对超声检测仪的性能影响极大，它直
14、接影响超声检测仪的垂直线性、动态范围、检测灵敏度、分辨力等重要指标。国内模拟式超声检测仪的接收电路的方框图及其波形如图3-9所示：图3-9接收电路及波形图由缺陷回波引起的压电晶片产生的射频电压通常只有几十毫伏至几百毫伏，放大电路需对其进行足够倍数的放大（约100dB），才能达到示波管显示所需的上百伏电压。为此，接收信号进入接收电路后，首先经过高频放大器，将信号电压放大到一定的倍数，然后进行检波，再经视频放大器将检波信号放大到示波管显示所需的足够的电压。放大器的放大倍数以输出电压和输入电压比值的分贝数来表示： (31)式中KV为电压放大倍数的分贝值，U出为放大器的输出电压，U入为放大器的输入电压
15、。通常超声检测仪的电压放大倍数为104105倍，相当于80100dB。为了对信号幅度进行定量评定，首先要求放大器的输出电压与输入电压成线性关系。为了能够测量幅度的变化值，在接收的信号进入放大器前，先经过用分贝度量校准的衰减器进行预衰减，以便对信号幅度定量调节，给出不同信号幅度差的精确读数，用于不同信号幅度的比较。同时，衰减器还可将超出显示器幅度范围的过大信号衰减到显示器可显示的幅度。与衰减器相对应，在仪器上还给出未经校准的增益微调旋钮，可以在小范围内连续调节信号幅度，以将信号峰值准确地调节到刻度线上。衰减器和增益微调旋钮是仪器上可由使用者改变接收信号放大倍数的旋钮，可用来调节仪器的检测灵敏度和测量回波的幅度，对回波进行定量评定。但应注意，只有衰减器是经校准的定量测量装置，而仪器上发射电路和接收电路中的其它旋钮（如：发射强度、抑制、增益微调等）也会对回波幅度产生影响。在定量调节仪器灵敏度和进行回波定量评定时，必须确认其他旋钮位置是不变的。检波电路的作用是将经高频放大器放大的射频信号转变成视频信号，以检波的形式显示在示波屏上（参见图3-2（b）。检波有全波检波、正检波和负检波。全波检波可将视频信号正、负半
