第4章 超声检测的设备与器材

1、1Xi an Polytechnic University第第4 4章章 超声检测设备与器材超声检测设备与器材主讲教师：王秋萍主讲教师：王秋萍2主要内容主要内容4.1 4.1 超声波探伤仪超声波探伤仪4.2 4.2 探头探头4.3 4.3 耦合剂耦合剂4.4 4.4 试块试块 Xi an Polytechnic University34.1 4.1 超声检测仪超声检测仪Xi an Polytechnic Universityu 超声检测仪器分类超声检测仪器分类u A型脉冲反射式超声波检测仪的工作原理型脉冲反射式超声波检测仪的工作原理4Xi an Polytechnic University超声

2、检测仪的作用：超声检测仪的作用：1.1.产生电振荡并加于换能器产生电振荡并加于换能器( (探头探头) )上，激励探头发射超声波上，激励探头发射超声波。2.2.将探头接收回的电信号进行放大，通过一定的方式显示出来将探头接收回的电信号进行放大，通过一定的方式显示出来。5 1.1.按超声波的通道分按超声波的通道分 1)1)单通道检测仪。单通道检测仪。 2)2)多通道检测仪。多通道检测仪。2.2.按信号类型分类按信号类型分类 1)1)模拟信号检测仪。模拟信号检测仪。 2)2)数字信号检测仪。数字信号检测仪。3.3.按指示参量分类按指示参量分类 1)1)穿透式检测仪。穿透式检测仪。 2)2)调频式检测仪

3、。调频式检测仪。 3)3)脉冲波检测仪。脉冲波检测仪。一一. .超声检测仪器分类超声检测仪器分类Xi an Polytechnic University6穿透法示意图穿透法示意图特点：发射频率不变的连续波；特点：发射频率不变的连续波； 接收到的是超声波能量值；接收到的是超声波能量值； 避免盲区；但灵敏度低，不能对缺陷定位。避免盲区；但灵敏度低，不能对缺陷定位。 Xi an Polytechnic University74. 4. A型显示、型显示、B型显示、型显示、C型显示型显示 、D型显示型显示 Xi an Polytechnic University(1)(1) A型显示型显示 A 型显示

4、是一种波形显示，屏型显示是一种波形显示，屏幕的横坐标代表声波的传播时间幕的横坐标代表声波的传播时间( (或或距离距离) )，纵坐标代表反射波的声压幅，纵坐标代表反射波的声压幅度。度。 A型显示的缺点：型显示的缺点：难以判断缺难以判断缺陷的几何形状，缺乏直观性。陷的几何形状，缺乏直观性。8Xi an Polytechnic UniversityA型显示具有检波和非检波两种形式。型显示具有检波和非检波两种形式。9 B扫描所显示的是与声束传播方向平行且与工件的测量表面垂直的扫描所显示的是与声束传播方向平行且与工件的测量表面垂直的侧视二维截面图。侧视二维截面图。 可以显示任一纵截面上缺陷的位置、取向与

5、分布。可以显示任一纵截面上缺陷的位置、取向与分布。(2)(2)B型显示型显示Xi an Polytechnic University10 C扫描所显示的是与工件检测表面平行的某一深度的横断面，是扫描所显示的是与工件检测表面平行的某一深度的横断面，是工件的一个视二维截面图工件的一个视二维截面图 可以显示任一横截面上缺陷的形状与分布，但不能显示其深度。可以显示任一横截面上缺陷的形状与分布，但不能显示其深度。(3)(3) C型显示型显示Xi an Polytechnic University11 (4) (4) A型、型、B型、型、C 型显示型显示举例举例A型显示型显示B型显示型显示C型显示型显示组

6、合三维图组合三维图Xi an Polytechnic University12D扫描所显示的是与声束平面及测量表面都垂直的剖面扫描所显示的是与声束平面及测量表面都垂直的剖面二维截面图二维截面图。假设焊缝中有一长条未焊透缺陷，各扫描成像方式如图所示。假设焊缝中有一长条未焊透缺陷，各扫描成像方式如图所示。(5)(5) B、C、D扫描显示扫描显示Xi an Polytechnic University13 二二. .A型脉冲反射式超声波检测仪的工作原理型脉冲反射式超声波检测仪的工作原理Xi an Polytechnic University1.1.检测原理图检测原理图14 2. 2.仪器的电路方框图

7、及工作过程仪器的电路方框图及工作过程Xi an Polytechnic University154.2 4.2 超声波探头超声波探头Xi an Polytechnic University压电陶瓷片压电陶瓷片电输入或输出端电输入或输出端铝外壳铝外壳u电材料的性能参数电材料的性能参数u压电效应压压电效应压u 探头的结构及分类探头的结构及分类u 探头型号探头型号16一、压电效应一、压电效应1 1. .压电效应压电效应 压电材料当承受外力压电材料当承受外力( (压力或张力压力或张力) )作用发生形变时，在作用发生形变时，在晶体表面会出现了极化电荷，晶体内部产生了电场，这种效晶体表面会出现了极化电荷，

8、晶体内部产生了电场，这种效应叫做正压电效应；反之，当晶体承受外电场作用时，就会应叫做正压电效应；反之，当晶体承受外电场作用时，就会发生形变而产生机械振动，这种效应称为逆压电效应。正、发生形变而产生机械振动，这种效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。逆压电效应统称为压电效应。2.2.超声波的发射和接收超声波的发射和接收超声波的发射：把电能超声波的发射：把电能超声能（逆压电效应）超声能（逆压电效应）超声波的接收：把超声能超声波的接收：把超声能电能的过程（正压电效应）电能的过程（正压电效应）Xi an Polytechnic University17二二. .压电材料的性能参数压电材料的

9、性能参数 1 1. .压电压电应变常数应变常数 压电应变常数是衡量压电材料发射性能的重要参数。压电应变常数是衡量压电材料发射性能的重要参数。2.2.压电电压常数压电电压常数 压电电压常数是衡量压电材料接收性能的重要参数。压电电压常数是衡量压电材料接收性能的重要参数。V/m33UsdNm/Vg33PUXi an Polytechnic University3.3.介电常数介电常数AtC184.4.机电耦合系数机电耦合系数输入的机械能转换的电能对于正压电效应：K输入的电能转换的机械能对于逆压电效应：KXi an Polytechnic University5.5.机电品质因子机电品质因子6.6.频

10、率常数频率常数损储EEm常数2L0tcdfN7.7.居里温度：居里温度：使电压材料的压电效应消失的温度称为压电材料使电压材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用的居里温度，用Tc c表示。表示。 19三三. .探头的结构及分类探头的结构及分类1.1.探头的结构探头的结构Xi an Polytechnic University202.2.各部分的作用各部分的作用 1 1) )压电晶片：压电晶片：发射和接收超声波，实现电声能转换。发射和接收超声波，实现电声能转换。 2)2)阻尼块：阻尼块：对晶片的振动起阻尼作用，提高分辨率；吸收晶对晶片的振动起阻尼作用，提高分辨率；吸收晶片向其背面发射的

11、超声波；对晶片起支撑作用。片向其背面发射的超声波；对晶片起支撑作用。 3) 3)保护膜：保护膜：保护压电晶片不致磨损或损坏。保护压电晶片不致磨损或损坏。 4)4)电缆线：电缆线：链接探头与仪器，屏蔽电磁波。链接探头与仪器，屏蔽电磁波。 5)5)斜楔：斜楔：以特定的角度产生相应的波型以特定的角度产生相应的波型( (实现波型转换实现波型转换) )。 6)6)外壳：外壳：将各部分组合起来，并起保护作用。将各部分组合起来，并起保护作用。Xi an Polytechnic University213.3.探头的分类探头的分类1 1) )接触式纵波直探头接触式纵波直探头( (主要参数：频率和晶片尺寸）主要

12、参数：频率和晶片尺寸）2)2)接触式斜探头接触式斜探头700,2L2L11L范围为：可变角斜探头：可变角板中的缺陷兰姆波斜探头：检测薄或近表面缺陷，产生表面波检测表面表面波斜探头：，产生纯横波横波斜探头：力强）产生小角度纵波（穿透纵波斜探头：等。，标称：有正切值以钢中的横波折射角的等。、称：有以钢中的横波折射角标上形成的入射角探头上直接表明在斜楔以纵波入射角标称：在的标称方式有三种尺寸和声入射角，角度主要参数：频率、晶片2.52 1.5 1.07060504540KXi an Polytechnic University223)3)双晶探头双晶探头和声束汇聚区范围、参数：检测。用于近表明检测和

13、定点检测范围可调工件中近场长度小杂波少盲区小灵敏度高特点SDf2L11L双晶纵横探头：双晶纵波探头：分类Xi an Polytechnic University234)4)接触式聚焦探头接触式聚焦探头尺寸和焦距。主要参数：频率、晶片提高检测灵敏度。作用：使声能聚焦，可Xi an Polytechnic University24LHccLFFnrccrcF) 1(123211检测工件时，实际焦距声透镜的焦距5)5)水浸探头水浸探头量聚焦水浸聚焦探头：使声能波横水浸平探头：产生纯纵)(Xi an Polytechnic University251.探头型号的组成项目探头型号的组成项目四四. .探头

14、型号探头型号Xi an Polytechnic University262.2.探头型号举例探头型号举例Xi an Polytechnic University274.3 4.3 耦合剂耦合剂Xi an Polytechnic Universityu 耦合剂及其作用耦合剂及其作用u 耦合剂的性能耦合剂的性能u 常用耦合剂常用耦合剂28磨损探头。的摩擦，防止工件表面以减小探头与工件之间滑作用，可透过率；耦合剂具有润工件中，以增大声能的使超声波更好地传入头与工件之间的空气，耦合剂的作用：排除探。射率几乎为空气时，超声波的反探头和工件之间有一层使用耦合剂的原因：当之间的液体薄层介质。而加在探头和检测

15、面与工件间声能的传递，耦合剂：为了改善探头率。在检测面上的声强透射超声耦合：是指超声波100%一一. .耦合剂及其作用耦合剂及其作用Xi an Polytechnic University29价格低廉。方便，无腐蚀，易清洗，来源）对人体无害、对试件）透声性能好。件材料的相近。）声特性阻抗尽量与试力强。）浸润性液体，附着能4321二二. .耦合剂的性能耦合剂的性能Xi an Polytechnic University30好。化学浆糊：耦合效果较蚀性，价格合适。适当，无腐、附着力、润湿性能较机油或变压器油：粘度要用水稀释。效果好；但价格昂贵，甘油：声阻抗大，耦合流失、使工件生锈。水：价廉、易得；

16、但易三三. .常用耦合剂常用耦合剂Xi an Polytechnic University314.4 试块试块CSK-A试块试块& 按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺陷的式样，统称为试块。体或模拟缺陷的式样，统称为试块。Xi an Polytechnic Universityu 试块的分类试块的分类u 标准试块标准试块u 对比试块对比试块321.1.检测用试块分类检测用试块分类一一. .试块的分类试块的分类(1)(1) 标准试块：标准试块： 特点：由权威机构制定的试块，其特性与制作要求由专门的标准规定。特点：由权威机构制定的试块，

17、其特性与制作要求由专门的标准规定。 作用：标准试块用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准，如作用：标准试块用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准，如W 试块。试块。 JB/T4730.3-2005标准采用的标准试块有：标准采用的标准试块有： 钢板用标准试块钢板用标准试块CB、CB； 锻件用标准试块锻件用标准试块CS、CS、CS； 焊接中采用的标准试块有：焊接中采用的标准试块有：CSK-A、CSK-A、CSK-A、 CSK-A。 Xi an Polytechnic University33(2) (2) 对比对比试块：试块： 特点：是以特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人特点：是以

18、特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人 工反射体工反射体( (如平底孔、短横孔、长横孔、槽等如平底孔、短横孔、长横孔、槽等) )。 其声学特性与被检测工件材料相似，其声学特性与被检测工件材料相似， 其外形尺寸应能代表被检测工件的特征，其外形尺寸应能代表被检测工件的特征， 试块厚度应与被检测工件的厚度相对应。试块厚度应与被检测工件的厚度相对应。 作用：作用：主要用于检测仪校准以及评估缺陷的当量尺寸。主要用于检测仪校准以及评估缺陷的当量尺寸。Xi an Polytechnic University34(3) (3) 模拟试块模拟试块： 特点：是含模拟缺陷的试块，可以是模拟工件中实际缺陷

19、而制作的样特点：是含模拟缺陷的试块，可以是模拟工件中实际缺陷而制作的样 件，或者是在以往检测中所发现含自然缺陷的样件。件，或者是在以往检测中所发现含自然缺陷的样件。 作用：主要用于检测方法的研究、作用：主要用于检测方法的研究、 无损检测人员资格考核和评定、无损检测人员资格考核和评定、 评价和验证仪器探头系统的检测能力和检测工艺等。评价和验证仪器探头系统的检测能力和检测工艺等。Xi an Polytechnic University35. .按人工反射体分类按人工反射体分类形槽和其他切割槽）槽形试块：（平底孔试块：短横孔）横孔试块：（长横孔和VXi an Polytechnic Universi

20、ty361.1.标准试块的基本要求标准试块的基本要求二二. .标准试块标准试块面度等。、孔底表面粗糙度、平平底孔需要检验其直径，尺寸公差于表面状态：粗糙度不低具有良好的声学特性。生锈、加工容易、不易变形和材质要求：材质均匀、0.05mm1.6umaR2.2.常用标准试块常用标准试块Xi an Polytechnic University37(1)(1) W试块（荷兰试块或船形试块）试块（荷兰试块或船形试块）Xi an Polytechnic University381)1) 调整纵波探测范围和扫描速度调整纵波探测范围和扫描速度( (时基线比例时基线比例) )。W试块的用途试块的用途:例：检测厚

21、度为例：检测厚度为400mm的锻件，应如何调的锻件，应如何调节扫描速度？节扫描速度？。和的检测方法：利用试块上。的比例关系，即声程与实际水平刻度值扫描速度：时基线上的范围。足以包含需检测的深度时基线显示的范围检测范围：使荧光屏上100mm25mm:1:nxxXi an Polytechnic University392)2) 测定仪器的水平线性、垂直线性和动态范围，利用试块上测定仪器的水平线性、垂直线性和动态范围，利用试块上25mm或或100mm。 水平线性测量水平线性测量示波屏满刻度值。水平误差bba%1000.8maxXi an Polytechnic University40垂直线性测量

22、垂直线性测量%21ddD垂直线性误差：d1-实测值与理想值得最大正偏差； d2-实测值与理想值得最大负偏差 10010008080-0.663630.150500.139390.831310.62626-0.92020-0.11616-0.21313-0.41010088-0.1660.3Xi an Polytechnic University41动态范围测量：动态范围测量： 动态范围的测量通常采用直探头，将试动态范围的测量通常采用直探头，将试块上反射体的回波高度调节到垂直高度的块上反射体的回波高度调节到垂直高度的100，用衰减器将回波幅度由，用衰减器将回波幅度由100下降到刚能下降到刚能辨认

23、的最小值时，该调节量即为仪器的动态辨认的最小值时，该调节量即为仪器的动态范围。注意这时抑制旋范围。注意这时抑制旋钮为“0”。 JB/T 10061-1999标准中规定仪器的动态范围标准中规定仪器的动态范围26 dB。Xi an Polytechnic University42（a a）100% 100% (b) (b) 刚能辨认的最小值刚能辨认的最小值 实验结果：实验结果： 超声检测仪动态范为超声检测仪动态范为 =（52.5-24.5）dB=28 dBXi an Polytechnic University433)3) 测定直探头和仪器的分辨力。利用试块上测定直探头和仪器的分辨力。利用试块上8

24、5mm、91mm和和100mm。)/lg(20ba分辨力：JB/T4730.3-2005标准中规定，直探头远场分辨力标准中规定，直探头远场分辨力30%。Xi an Polytechnic University44直探头远场分辨力测定实验图直探头远场分辨力测定实验图从检测图中中可以从检测图中中可以看出，看出，85mm、91 mm和和100mm尺寸尺寸的回波能够清楚地的回波能够清楚地分辨开来，测定结分辨开来，测定结果符合果符合JB/T4730标标准规定。准规定。(4)(4) 测定测定直直探头和仪器组合后的穿透能力。利用试块上探头和仪器组合后的穿透能力。利用试块上50有机玻璃块底有机玻璃块底 面的多

25、次反射波。面的多次反射波。Xi an Polytechnic University45 5)5) 测定测定直直探头和仪器的盲区。利用试块上探头和仪器的盲区。利用试块上50圆弧面与侧面间距圆弧面与侧面间距5和和10mm。 Xi an Polytechnic University 盲区由始脉冲宽度和阻塞效应引起。盲区由始脉冲宽度和阻塞效应引起。始脉冲宽度的测定方法：始脉冲宽度的测定方法：按规定调好灵敏度并调至标准按规定调好灵敏度并调至标准“0”点，示波点，示波屏屏上始脉冲达上始脉冲达20%高处至水平刻度高处至水平刻度“0”点的距离点的距离Wn。即为始脉冲宽度。即为始脉冲宽度。466)6) 测定斜探

26、头的入射点。利用试块的测定斜探头的入射点。利用试块的R100圆弧面圆弧面7)7) 测定斜探头的折射角。用测定斜探头的折射角。用50孔和孔和1.5圆孔圆孔3035tan10000lLKKMlS值为探头探头前沿长度3560(K=0.71.73) 6076(K=1.733.73) 7580(K=3.735.67) Xi an Polytechnic University478)8) 测定斜探头和仪器的灵敏度余量。利用试块上测定斜探头和仪器的灵敏度余量。利用试块上R100或或1.5圆孔圆孔%)10,()50%mm2(12探头悬空平底孔，灵敏度余量：仪器与直探头组合时的NNN%)10,()50%100(

27、12探头悬空圆弧面，灵敏度余量：仪器与斜探头组合时的NRNNXi an Polytechnic University489)9) 调整横波探头探测范围和扫描速度。调整横波探头探测范围和扫描速度。即可。调至圆弧面，找到回波，并换横波探头并对准，然后、分别对准、底面，使底波先用直探头对准相当于横波声程的纵波声程的10010010050BB91mm6 .6450323091590050mm91mm21RXi an Polytechnic University49Xi an Polytechnic University(2)(2) W2试块（牛角试块）试块（牛角试块）50(3)(3) CSK-A试块试

28、块Xi an Polytechnic University511)1) 将直孔将直孔50改为改为50、44、40台阶孔，以便于测定横波斜探台阶孔，以便于测定横波斜探头的分辨力。头的分辨力。CSK-A试块在试块在W试块上的三点改进试块上的三点改进Xi an Polytechnic UniversityJB/T4730标准规定斜探头的分辨力标准规定斜探头的分辨力6dB。52斜探头分辨力测试实验图斜探头分辨力测试实验图从图中可得，斜探头的分辨力为：从图中可得，斜探头的分辨力为：dB141050lg20XXi an Polytechnic University532)2) 将将R100改为改为R100

29、、R50阶梯圆弧，以便于调整横波扫描速度阶梯圆弧，以便于调整横波扫描速度和探测范围。和探测范围。调整方法：调整方法：将横波探头直接对将横波探头直接对准准R5050和和R100100圆弧面，使回波圆弧面，使回波B1( (R50)50)对准对准5050，B2( (R100)100)对对准准100100，于是横波扫描速度，于是横波扫描速度1:11:1和和“0 0”点同时调好校准。点同时调好校准。3)3) 将试块上标定的折射角改为将试块上标定的折射角改为K值值(K=tanS)，从而可直接测出，从而可直接测出横波斜探头的横波斜探头的K值。值。Xi an Polytechnic University54(4)(4) CSK-A试块、试块、 CSK-A试块