超聲檢測設(shè)備與器材

1、第2章 超聲檢測設(shè)備與器材超聲檢測設(shè)備與器材包括超聲檢測儀、探頭、試塊、耦合劑和機(jī)械掃查裝置等，其中儀器和探頭對超聲檢測系統(tǒng)的能力起關(guān)鍵性作用。了解其原理、構(gòu)造和作用及其主要性能，是正確選擇檢測設(shè)備與器材并進(jìn)行有效檢測的保證。2.1 超聲檢測儀超聲檢測儀是超聲檢測的主體設(shè)備，它的作用是產(chǎn)生電振蕩并施加于探頭上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時接受來自于探頭的電信號，將其放大后以一定方式顯示出來，從而得到被檢工件中有關(guān)缺陷的信息。 超聲檢測儀的分類超聲檢測儀按照其指示的參量可以分為以下三類：第一指示聲的穿透能量，稱為穿透式檢測儀，這類儀器發(fā)射單一頻率的超聲連續(xù)波，根據(jù)透過工件的超聲強(qiáng)度變化判斷工件中有無

2、缺陷及缺陷大小。這種儀器靈敏度低，且不能確定缺陷深度位置，須從兩側(cè)接近工件，目前已很少使用。第二類指示頻率可變的超聲連續(xù)波在工件中形成共振的情況，用于共振測厚，也已很少用。第三類指示脈沖波的幅度和運行時間，稱為脈沖發(fā)射式檢測儀。這類儀器通過探頭向工件周期性發(fā)射持續(xù)時間很短的電脈沖，激勵探頭發(fā)射脈沖超聲波，并接收從工件中反射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間和幅度判斷是否存在缺陷和缺陷的大小。還可以采用一收一發(fā)雙探頭方式，接收從工件中衍射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間來判斷是否存在缺陷和缺陷大小等情況，稱為衍射時差法超聲檢測儀。脈沖檢測儀的信號顯示方式可分為A型顯示、B型顯示和C

3、型顯示。2 A型顯示、B型顯示與C型顯示A型顯示是一種波形顯示，是將超聲信號的幅度與傳播時間的關(guān)系以直角坐標(biāo)的形式顯示出來。橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間，縱坐標(biāo)代表信號幅度。如果超聲波在均質(zhì)材料中傳播，聲速是恒定的，則傳播時間可轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゾ嚯x。從聲波的傳播時間可以確定缺陷的位置，由回波幅度可以估算缺陷當(dāng)量尺寸。脈沖發(fā)射法檢測的典型A顯示圖形，左側(cè)的幅度很高的脈沖T稱為始波，是發(fā)射脈沖直接進(jìn)入接收電路后，在屏幕上的起始位置顯示的脈沖信號；右側(cè)的高回波B稱為底波或底面回波，是超聲波傳播到入射面相對的工件底面產(chǎn)生的反射波；中間的回波F則為缺陷的反射回波。A型顯示具有檢波和非檢波兩種形式。非檢波信號又稱為

4、射頻信號，是探頭輸出的脈沖信號的原始形式，用于分析信號特征；檢波形式是探頭輸出信號的脈沖信號經(jīng)檢波后顯示的形式。由于檢波形式可將時基線從屏幕中間移動到刻度板底線，可觀察的幅度范圍增加一倍，同時，圖形較為清晰簡單，便于判斷信號的存在及讀出信號幅度。但檢波形式與非檢波形式相比，失去了其中的相位信息。 A型脈沖反射式超聲波探傷儀1 儀器的工作原理A型脈沖反射式模擬超聲檢測儀的主要組成部分是：同步電路、掃描電路（時基電路）、發(fā)射電路、接收放大電路、顯示電路和電源電路等。電路圖：除此之外，檢測儀還有延時電路、報警電路、深度補(bǔ)償電路、標(biāo)記電路、跟蹤及記錄等附加裝置。儀器工作原理：同步電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖同時

5、加至掃描電路和發(fā)射電路，掃描電路受觸發(fā)開始工作，產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉(zhuǎn)板，使電子束產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)，在顯示屏上產(chǎn)生一條水平掃描線。與此同時，發(fā)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻脈沖，施加至探頭，激勵壓電晶片振動，在工件中產(chǎn)生超聲波，超聲波在工件中傳播，遇缺陷或底面產(chǎn)生反射，返回探頭時，又被壓電晶片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)接收電路放大和檢波，加至示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)，在水平掃描線的相應(yīng)位置上產(chǎn)生缺陷回波和底波。2 儀器主要組成部分的作用（1）同步電路 又稱觸發(fā)電路，主要由振蕩器和微分電路等組成。其作用是每秒產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)千個周期性的同步脈沖，作為發(fā)射電路、掃描電路以及其它輔助電路的觸發(fā)脈

6、沖，使各電路在時間上協(xié)調(diào)一致工作。每秒中內(nèi)發(fā)射同步脈沖的次數(shù)稱為重復(fù)頻率。同步脈沖的重復(fù)頻率決定決定超聲儀的發(fā)射脈沖重復(fù)頻率，即決定了每秒向被檢試件內(nèi)發(fā)射超聲波脈沖的次數(shù)。選擇重復(fù)頻率對自動化檢測很重要。自動檢測的優(yōu)勢之一是可以自動記錄超聲信號，因此可使以實現(xiàn)高速掃查，這就需要有高重復(fù)頻率以保證不漏檢。但高重復(fù)頻率使兩次脈沖間隔時間變短，可能使未充分衰減的多次反射進(jìn)入下一周期，形成所謂的“幻想波”造成缺陷誤判。在手工檢測目視請況下，提高重復(fù)頻率可使波形顯示亮度增加，便于觀察。（2）發(fā)射電路發(fā)射電路是一個電脈沖信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生100400V的高壓電脈沖，施加到壓電晶片上產(chǎn)生脈沖超聲波。有些可

7、提供到1000V的高壓電脈沖，以適應(yīng)特殊的檢測情況。發(fā)射電路可分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式的：1）調(diào)諧式電路諧振頻率由電路中的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。諧振頻率通常調(diào)諧到與探頭的固有頻率相一致。這種電路常用于檢測穿透高衰減材料的情況。2）非調(diào)諧式電路發(fā)射短脈沖，脈沖形狀有尖脈沖、方波等不同形式，脈沖頻帶較寬，可適應(yīng)不同頻帶范圍的探頭?，F(xiàn)在常用的超聲檢測儀多采用非調(diào)諧式電路。發(fā)射電脈沖的頻率特性將傳遞到整個檢測系統(tǒng)，首先是探頭，轉(zhuǎn)換為超聲脈沖后進(jìn)入工件，再回到探頭，進(jìn)入接收器，最后到達(dá)顯示器。因此，屏幕上信號可以看作是發(fā)射脈沖經(jīng)過一系列過程被處理后的結(jié)果。發(fā)射電路的頻率特性對最終的A顯示圖

8、形影響很大。為了使探頭的能量轉(zhuǎn)換頻率達(dá)到最高，并且保證發(fā)射的超聲波具有要求的頻譜，通常要求發(fā)射脈沖頻率范圍包含探頭自身的頻帶范圍。頻帶越寬，發(fā)射脈沖越窄，分辨力越好。超聲檢測儀中多設(shè)置發(fā)射強(qiáng)度調(diào)節(jié)旋鈕或阻尼旋鈕，通過改變發(fā)射電路中的阻尼電阻，調(diào)節(jié)發(fā)射脈沖的電壓幅度和脈沖寬度。電壓越高，脈沖越高，則發(fā)射能量越大，但也增大了盲區(qū)。（3）接收電路 超聲信號經(jīng)壓電晶片轉(zhuǎn)換后得到的微弱電脈沖，被輸入接收電路。接收電路對其放大、檢波，使其能在顯示屏上得到足夠的顯示。接收電路通常由衰減器、高頻放大器、檢波器和視頻放大器組成。接收電路的性能直接影響到檢測儀的垂直線性、動態(tài)范圍、檢測靈敏度、分辨力等。衰減器 為

9、了對信號幅度進(jìn)行定量評定，使放大器的輸入電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，設(shè)置衰減器。只有衰減器是經(jīng)校準(zhǔn)的定量測量裝置，但發(fā)射電路和接收電路中的其它旋鈕也會使回波幅度產(chǎn)生影響。在定量調(diào)節(jié)儀器靈敏度和進(jìn)行回波定量評定時，必須確認(rèn)其它旋鈕位置不變。檢波電路的作用是將探頭接收的射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號。檢波有全波、正檢波和負(fù)檢波。抑制電路 為了抑制噪聲信號，將幅度較小的部分信號截去，不在顯示屏上顯示。但使用后會使信號的幅度放大線性變差，動態(tài)范圍變小。過度抑制還有失去小缺陷信號的可能在用單探頭以脈沖反射方式進(jìn)行檢測時，發(fā)射脈沖在激勵探頭的同時也直接進(jìn)入接收電路，形成始波。由于發(fā)射脈沖電壓很高，在短時間內(nèi)放大器倍

10、數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度，加上放大器的阻塞現(xiàn)象，在靠近始波的一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能法線，具體到工件中，這段時間所對應(yīng)的由入射面進(jìn)入工件的深度距離，稱為盲區(qū)。2.2 超聲波探頭常用的壓電換能器探頭，其關(guān)鍵部件是壓電晶片，是一個具有壓電特性的單晶或多晶片薄片，其作用是將電能轉(zhuǎn)換為聲能，并將聲能轉(zhuǎn)換為電能。 壓電效應(yīng)與壓電材料1 壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 晶體在交變拉壓應(yīng)力作用下，產(chǎn)生交變電場的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng) 當(dāng)晶體材料在交變電場作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。超聲探頭中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，當(dāng)高頻電脈沖激勵壓

11、電晶片時，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能，探頭發(fā)射超聲波。當(dāng)探頭接收超聲波時，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換成電能。2 壓電材料具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。分為單晶材料和多晶材料。單晶材料有石英、硫酸鋰、鈮酸鋰等。多晶材料有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛又稱壓電陶瓷。壓電單晶體各向異性，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)的機(jī)理與其特定方向上的原子排列方式有關(guān)。當(dāng)晶體受到特定方向的壓力而變形，可使帶有正、負(fù)電荷的原子沿某一方向改變，而是晶體的一側(cè)帶正電荷另一側(cè)帶負(fù)電荷。石英晶體示意圖。沿X方向施加壓力時，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)最顯著，且電壓沿X方向形成；沿Y方向壓縮晶體，電壓仍在X方向形成，逆壓電效應(yīng)也如此。因此，垂直于X軸切

12、割晶片，使晶片法線平行于三個X軸中的任一軸時，在晶片兩面施加電壓可產(chǎn)生垂直于晶片的振動，形成縱波，這樣的晶片稱為X切割晶片；X切割晶片具有縱向壓電性。使晶片法線方向平行于Y軸切割，稱為Y切割晶片，Y切割晶片具有橫向壓電性。利用Y切割晶片的橫向壓電性，可以制作聲束垂直于工件表面入射的接觸式橫波探頭。壓電多晶體是各向同性。為使真?zhèn)€晶片具有壓電效應(yīng)，要進(jìn)行極化處理。 探頭的結(jié)構(gòu)及各部分的作用壓電探頭一般由壓電晶片、阻尼塊、接頭、電纜線、保護(hù)膜和外殼組成。斜探頭中通常有一個使晶片與入射面成一定角度的斜楔塊。探頭的基本結(jié)構(gòu)如圖：各部分的作用：1 壓電晶片壓電晶片的作用是發(fā)射和接收超聲波。實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換。晶

13、片的性能決定探頭的性能。晶片的尺寸和諧振頻率，決定發(fā)射聲場的強(qiáng)度、距離波幅特性與指向性。晶片制作質(zhì)量的好壞，也關(guān)系著探頭的聲場對稱型、分辨力、信噪比等特性。晶片可以是圓形、方形或矩形。晶片的兩面需敷上銀層，以使晶片上的電壓能均勻分布。2 阻尼塊和吸聲材料阻尼塊對壓電晶片的振動起阻尼作用，一是可使晶片起振后盡快停下來，從而使脈沖寬度減小，分辨力提高；二是阻尼塊可以吸收晶片向其背面發(fā)射的超聲波；三是對晶片起支撐作用。斜探頭中，晶片前面已粘貼在斜楔上，背面可不加阻尼塊。但斜楔內(nèi)的多次反射波會形成一系列雜亂信號，故需在斜楔周圍加上吸聲材料，以減少噪聲。3 保護(hù)膜保護(hù)壓電晶片不受磨損或損壞。保護(hù)膜分為硬

14、、軟保護(hù)膜。硬保護(hù)膜適用于表面粗糙度較高的工件。軟保護(hù)膜適用于表面粗糙度較低的工件。保護(hù)膜會使始波寬度增大，分辨力變差，靈敏度降低。在這方面，硬保護(hù)膜比軟保護(hù)膜更嚴(yán)重。石英晶片不易磨損，可不加保護(hù)膜。4 斜楔是斜探頭中為使超聲波傾斜入射到檢測面而裝在晶片前面的楔塊。斜楔使探頭的晶片與工件表面形成一個嚴(yán)格的夾角；以保證晶片發(fā)射的超聲波按設(shè)定的傾斜角斜入射到斜楔與工件的界面，從而能在界面處產(chǎn)生所需要的波型轉(zhuǎn)換，以便在工件內(nèi)形成特定波型和角度的聲束。斜楔中的縱波波速須小于工件中縱波聲速，且有適當(dāng)?shù)乃p系數(shù)，且耐磨、易加工。一般斜楔用有機(jī)玻璃制成。 探頭的主要種類根據(jù)波型不同，可分為縱波探頭、橫波探頭

15、、表面波探頭、板波探頭等。根據(jù)耦合方式，可分為接觸式探頭和水浸探頭根據(jù)波束分為聚焦與非聚焦探頭。根據(jù)晶片數(shù)不同分為單晶探頭、雙晶探頭等1 接觸式縱波直探頭探頭直接接觸工件表面的方式進(jìn)行垂直入射縱波檢測，用于檢測與檢測面平行或近似平行的缺陷，如板材、鍛件檢測等。主要的參數(shù)頻率和晶片尺寸。2 接觸式斜探頭可分為縱波斜探頭（），橫波斜探頭（）、表面波探頭（）、蘭姆波探頭及可變角探頭。共同特點：壓電晶片貼在斜楔上，晶片與探頭表面成一傾角?？v波斜探頭是入射角（）的探頭。其目的是：利用小角度的縱波進(jìn)行缺陷檢測，或在橫波衰減過大的情況下，利用縱波穿透能力強(qiáng)的特點進(jìn)行縱波斜入射。使用時應(yīng)注意工件中同時存在橫波

16、的干擾。橫波斜探頭是入射角（）且折射波為純橫波的探頭，橫波斜探頭實際上是直探頭加斜楔組成的。主要用于檢測與檢測面成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機(jī)葉輪檢測等。橫波探頭的標(biāo)稱方式有三種：一是以縱波入射角來標(biāo)稱，二是以橫波折射角來標(biāo)稱，三是以鋼中折射角的正切值K來表示，在計算鋼中缺陷位置時比較方便。主要參數(shù)為工作頻率、晶片尺寸和K值。K值與入射角、折射角的換算關(guān)系，此表適用于有機(jī)玻璃/鋼界面。表面波探頭入射角需產(chǎn)生表面波的臨界角附近，通常比第二臨界角略大。表面波探頭用于對表面或近表面缺陷進(jìn)行檢測。表面波探頭的結(jié)構(gòu)與橫波探頭一樣，只是角度不同。蘭姆波探頭的角度根據(jù)板厚、頻率和所選定的蘭姆波模式而定，主

17、要用于薄板中缺陷的檢測?？勺兘翘筋^的入射角可變，轉(zhuǎn)動壓電晶片可使入射角連續(xù)變化，一般變化范圍為0º70º，可實現(xiàn)縱波、橫波、表面波或蘭姆波檢測。3 雙晶探頭（分割探頭）雙晶探頭有兩個壓電晶片，一個用于發(fā)射超聲波，另一個用于接收超聲波，中間夾有隔聲層。入射角不同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。雙晶探頭具有以下優(yōu)點：（1） 靈敏度高 雙晶探頭的兩塊晶片，一收一發(fā)，發(fā)射晶片用發(fā)射靈敏度高的壓電材料，接收晶片用接收靈敏度高的壓電材料。這樣探頭的發(fā)射和接收靈敏度都高，這是單晶探頭無法比擬的。（2） 雜波少盲區(qū)小 雙晶探頭的發(fā)射與接收分開，消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波。同

18、時由于始脈沖未進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，使盲區(qū)大大減小，為檢測近表面缺陷提高了有利的條件。（3） 工件中近場區(qū)長度小 雙晶探頭采用了延遲塊，縮短了工件中的近場區(qū)長度，這對檢測有利。（4） 對菱形區(qū)內(nèi)的缺陷靈敏度較高?？梢酝ㄟ^改變?nèi)肷浣莵碚{(diào)整。入射角增大，菱形區(qū)向表面移動，在水平方向變窄。入射角減小，菱形向內(nèi)部移動，在垂直方向變窄。主要用于檢測近表面缺陷和已知缺陷的定點測量。主要參數(shù)為頻率、晶片尺寸和聲束匯聚區(qū)。4 接觸式聚焦探頭焦點形狀不同分為點聚焦和線聚焦。點聚焦焦點為一點，聲透鏡為球面；線聚焦焦點為一條線，聲透鏡為柱面。根據(jù)耦合情況不同分為水浸聚焦和接觸聚焦。接觸聚焦方式不同分為透鏡式聚焦、反射式聚焦和曲面晶片式聚焦。圖 聚焦探頭a) 透鏡式 平面晶片發(fā)射超聲波通過聲透鏡和透鏡楔塊實現(xiàn)聚焦b) 反射式 平面晶片發(fā)射通