超声波检测设备及原理

1、超声波检测设备及原理超声检测主要是利用超声波在工件中的传播特性，如声波在通过材料时能量会损失衰减，在遇到声阻抗不同的两种介质界面时会发生反射、折射等。其工作原理是：1）.声源产生超声波，超声波以一定的方式进入工件传播。2）.超声波在工件中传播遇到不同介质界面（包括工件材料中缺陷的分界面），使其传播方向或特征发生改变。3）.改变后的超声波通过检测设备被接收，并进行处理和分析，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。第一节 超声波探伤仪超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备。了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选择探伤设备进行有效探伤的保证。一、超声波探伤仪概述

2、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缺陷位置和大小等信息。2仪器的分类超声仪器分为超声检测仪器和超声处理（或加工）仪器，超声波探伤仪属于超声检测仪器。超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目的、探测场合、探测速度等方面的要求不同，因而有各种不同设计的超声波探伤仪，常见的有以下几种。1）按超声波的连续性分类脉冲波探伤仪：这种仪器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，根据超声波的传播时间及幅度判断工件中缺

3、陷位置和大小，这是目前使用最广泛的探伤仪连续波探伤仪：这种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工件中有无缺陷及缺陷大小这种仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤仪所代替，但在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。调频波探伤仪：这种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。以往的调频式路轨探伤仪便采用这种原理。但由于只适宜检查与探测面平行的缺陷，所以这种仪器也大多被脉冲波探伤仪所代替。2）按缺陷显示方式分类 A型显示探伤仪：A型显示是一种波形显示

4、，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。 B型显示探伤仪：B型显示是一种图像显示，探伤仪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的分布及缺陷的深度 C型显示探伤仪：C型显示也是一种图像显示，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像，但不能显示缺陷的深度A型、B型、C型三

5、种显示分别如图4-1所示。图4-1 图像显示分类A 型显示 B型显示 C型显示3）按超声波的通道分类单通道探伤仪：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。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一22、CTS一26等都是A型显示脉冲反射式探伤仪。二、A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理1仪器方框电路图图4-2采用方框电路图表示仪器各部分，各方框之间用线条连起来，表示各部分之间的关系，说明仪器的大致结构和工作原理。图4-2 仪器方框电路图2仪器主要组成部分的作用

6、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：见图4-3，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，井配合微调旋钮调整，使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。扫描电路的方框图及其波形见图。图4-3 扫描电路图

7、3）发射电路：见图4-4，发射电路利用闸流管或晶闸管的开关特性，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图所示。图4-4 发射电路图发射电路中的电阻R0称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变R0的阻值。阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因R0与探头并联，改变R0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：见图4-5，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，井在荧光屏上显示。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

8、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。接收电路的性能对探伤仪性能影响极大，它直接影响到探伤仪的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。接收电路的方框图及其波形如图所示。图4-5 接收电路图由大小不等的缺陷所产生的回波信号电压大约有几百微伏到几伏，为了使变化范围如此大的缺陷回波在放大器内得到正常的放大，并能在示波管荧光屏的有效观察范围内正常显示，可使用衰减器改变输入到某级放大器信号的电平。一般把放大器的电压放大倍数用分贝来表示：式中 Kv电压放大倍数的分贝值； U出放大器的输出电压； U入放大器的输入电压，一般探伤仪的电压放大倍数可达104105倍，相当于

9、80100dB。探伤仪面板上的增益、衰减器、抑制等旋钮是放大电路的控制旋钮。增益旋钮用来改变放大器的增益，增益数值大，探伤灵敏度高。衰减器旋钮用来改变衰减器的衰减量。一般说来，衰减读数大，灵敏度低。但是，有的探伤仪为了使用时读数方便统一起见，衰减器读数按增益方式标出，在这种情况下，衰减读数大，灵敏度高。抑制旋钮的作用是抑制草状杂波。但应注意，使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降。5）显示电路：见图4-6，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。图4-6 显示电路图电子枪发射的聚束电子以很高的速度轰击荧光屏时，使荧光物质发

10、光，在荧光屏上形成亮点。扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转板，使电子束发生偏转，因而亮点就在荧光屏上移动，描出探伤图形。由于扫描速度非常快，肉眼看上去就好象是静止的图像。6）电源：电源的作用是给探伤仪各部分电路提供适当的电能，使整机电路工作。标准探伤仪一般用220伏或110伏交流市电，探伤仪内部有供各部分电路使用的变压、整流及稳压电路。携带式探伤仪多用蓄电池供电，用充电器给蓄电池充电。除上述基本组成部分之外，探伤仪还有各种辅助电路，如延迟电路、标距电路，闸门电路、深度补偿电路等，这些辅助电路的作用在此不一一赘述。三、模拟式与数字式超声波探伤仪工作原理区别1仪器结

11、构区别超声波探伤仪的主要工作原理：以一定的脉冲重复周期发射激发超声波的高压电子脉冲：同步接收超声波电信号波形；衰减和放大波形信号；对信号进行检波和滤波：在显示屏上显示回波信号波形；读出波形的幅度和延时时间；判读回波的大小和产生回波的位置。传统模拟超声波探伤仪的基本结构如图4-2所示，是由发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路组成。各部分电路的参数设置都是独立地通过面板旋钮或档位开关控制的，并且只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。而数字化的超声波探伤仪主要是指包括了具有所有模拟超声波探伤仪功能模块的电脑化仪器。采用模数转换电路，数字逻辑电路，微型计算机及计算机接口，使

12、超声波探伤仪的发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路的控制参数能由微机键盘和显示屏人机对话输入，简化了操作，同时实现了超声波探伤波形和数据的数字化输出。除此以外，数字式超声波探伤仪还能增加记忆，打印，通信等电脑化仪器特有的功能。超声波探伤仪的数字化主要体现在读数数字化，波形显示数字化和电脑化数据处理三个方面。2仪器读数区别模拟超声波探伤仪只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。 这里回顾一下获取模拟超声波探伤仪数据的途径：模拟超声波探伤仪对波幅的读出过程是：通过将回波调整到一定的百分比高度线(30%或80%等)，然后读出衰减器的位置读数。模拟波形相对刻度线的读数精度比较

13、低，一般大于2%。模拟探伤仪对回波位置的读出过程是：将已知距离的参考回波调整到整数格上，再将探伤回波在屏幕上的位置刻度读出，按比例计算位置。读数误差大于1%。在使用模拟超声波探伤仪时，探伤所需的其他一些间接参数(如缺陷当量)的估计需要操作人员进行手工计算。精度更低，过程复杂，不容易掌握。而数字式超声波探伤仪除了能显示出超声回波信号的数字化波形外，还能显示出一些探伤所需的直观数据，包括回波幅度和回波位置。数探仪对波幅的读出过程是：将模拟波形电信号放大到合适的量程后<30%<h<100%。用模数转换器转换成数字信号，由计算机计算该数字信号和参考数字的比值或分贝值，自动加上放大器或

14、衰减器的读数，用数字显示出来。读数误差以8位数字采样为例能小于0.4%。数探仪对回波位置的读出过程是：由计算机读取回波峰值点或上升沿处相对同步脉冲的延时记数值，记数脉冲由晶体振荡器产生。计算机将延时数字扣除探头的延时，乘以声速的一半，得到回波的声程。再根据折射角度和有关几何关系，计算出相应的水平距离的垂直深度，在屏幕上数值显示出来。相对精度优于0.5%。微电脑能够利用相关的参数自动计算更多的检测数据，包括缺陷当量，缺陷坐标，缺陷大小，折射角度等。更加准确，直观，操作简单，容易掌握。3波形显示区别模拟探伤仪用示波管显示波形，波形信号在检波后通过高压视频放大，作为Y轴偏转电压：同步的锯齿信号也通过

15、高压视频放大，作为X轴偏转电压；使波形在示波管上显示出来。高压放大器的线性性能直接影响波形的显示质量和人工判读。波形显示和脉冲重复频率同步。重复频率高则波形显示亮度高，重复频率低则波形显示亮度暗。数探仪的波形显示是用模数转换器将波形信号转换成数字信号，由数字逻辑电路或计算机将数字波形画在计算机显示器上。显示器可以是电磁偏转的监视器，也可以是平板显示器。前者虽然有偏转失真，但相对同样偏转的坐标格，没有误差；后者则根本不会失真。数字化波形显示频率和视频同步，亮度均匀。数字式超声波探伤仪在波形显示窗口能独立显示探伤闸门，距离波幅曲线等辅助标识，比模拟超声波探伤仪的显示要灵活和准确得多。4记录方式区别

16、使用模拟探伤仪时，探伤记录需人工填写：抄录仪器旋钮设置， 手描或拍照记录波形，用记录仪画出峰值曲线。 上述工作用数探仪时，都能由计算机轻易地完成。长期存储在机内或打印出来，传输给外部计算机。5模拟仪器与数字仪器操作面板区别图4-7 CTS-22型模拟式超声波探伤仪面板图图4-8 PXUT-350B+数字式超声波探伤仪面板图如图4-7和图4-8可见模拟式探伤仪操作、读数通过诸多旋钮且无法保存其状态。数字式超探仪过通中文热健及数码旋钮，操作简易，轻松读数无需人为计算，且能存储各种数据，更轻巧的体积和超长工作时间使探伤工作更为轻松。四、数字式超声波探伤仪的功能特点1）读数更准确、直观计算机自动读数精

17、度高，结合探伤参数计算出最终结果，简单，直观，快速，准确。自动报警定量合理。对超声检测信号波幅具有以下几种读数方式：波高百分数+当前增益分贝数；波高分贝数+当前增益分贝数；波高相对闸门高度分贝数；波高相对距离波幅曲线分贝数；缺陷尺寸当量(相当于标准缺陷类型的尺寸)数；对超声检测信号定位读数具有以下几种读数方式：相对超声波发射脉冲的延时；相对工件表面超声波入射点的超声波传输延时；相对工件表面超声波入射点的反射点埋藏深度；相对工件表面超声波入射点的超声波传输声程距离；相对工件表面超声波入射点的沿表面投影距离；在用户定义的广义平板、圆管截面或圆棒内的缺陷定位。2）波形显示清晰数探仪采用计算机的显示器

18、，波形显示明亮清晰，有两种方式，一种是将探伤重复频率和60HZ视频同步，波形动态感好；另一种是采用较高的重复频率探伤，以60HZ或30HZ频率显示峰值波形。3）数字化探伤参数计算数字式超声波探伤仪之所以能够显示直观的检测数据，是因为数字式超声波探伤仪具有了计算能力，通过对超声波探伤波形信号的波形高度及波形延迟时间的数字化测量，结合相关先验参数，进行计算，显示出直观的物理量。同时，这些先验参数也能通过标准试块的参考波形测试，自动计算得出，这个过程，是对数字式超声波探伤仪的读数校准过程。数字式超声波探伤仪的定位校准主要计算探头零点，材料声速和折射角度三个参数。探头零点计算：对试块上两个已知倍数声程

19、距离(S1，nSl)的回波分别测得延时(T1，T2)，测量和声程大小无关，和材料声速无关。计算探头入射延时：这里n一般是2，T0表示超声波检测系统的系统延时，包括计时零点到发射超声波的电子延时和超声波在超声探头楔块、耦合材料等非被检测材料中的传输延时。电子延时是数字式超声波探伤仪的固有参数，一般小于0.1us：后者和采用的超声波探头、超声波耦合条件有关，接触法探伤时，主要受超声波探头的楔块影响，没有超声波延时楔块的直探头的传输延时小于0.1us，超声横波探头的传输延时从一微秒到十几微秒不等。探头零点延时校准后，数字式超声波探伤仪根据波形延时T，计算超声波在被检工件内的传输延时Ts：Ts=T-T

20、0。材料声速测量：对一个已知声程(S)的回波测量延时(T)，计算声速：由上式可知，在测量声速之前要保证探头零点延时的正确。试块要和具体检测材料相同。在一般情况下，材料声速和试块声速可根据超声波型(横波或纵波)，材料种类从有关手册查出后输入。在未知材料声速时，才有必要制作试块和测量声速，横波声速的测量一定需要制作圆弧反射面，因为在未知声速时，折射角度是不确定的。折射角度测量：对已知深度(H)的回波测量延时(T)，计算折射角：由上式可知，在测量声速之前必须保证探头零点延时和声速的正确。有一种方法通过两个已知深度（H1，H2）的人工缺陷反射波延时的测量（T1，T2），若已知探头零点延时（T0）、材料

21、声速（C）和折射角度中的任一个参数，可同时计算出另外两个参数。4）距离波幅曲线数探仪通过测量不同距离的相同尺寸人工缺陷回波的绝对分贝数建立距离波幅曲线，能自动在不同 灵敏度、扫查范围时将曲线计算出来、显示在屏幕上。比模拟探伤仪在刻度板上画曲线方便得多。数探仪的曲线是通过各个点的测量值，在对数域用直线相连，形成折线，恢复到线性域时，以指数规律变化，符合声波衰减的自然规律。数探仪的曲线在有效读数量程时有效，一盘要高地20%30%屏幕高度，它的优点在于能自动随着灵敏度的提高而上升，但不能增加动态范围。数探仪的另一项功能自动距离增益补偿能随延时变化增益，使距离波幅曲线变平坦，相对增加动态范围。5）波形

22、的自动捕获数探仪在探伤时能自动捕获闸门内峰值最大的波形，锁定在屏幕上，也能将不同距离上的峰值包络保留下来，辅助测量工作。使探伤更加准确，减轻了操作人员的劳动强度。数探仪还能自动调整增益，使闸门内的回波幅度达到一定的高度，使操作更加简单。6）波形记录、探伤报告的存储、打印和计算机通讯、建立数据库数字式超声波探伤仪的一个重要功能就是能够将探伤参数，探伤波形记录下来，存储在文件中，或传输给计算机，建立有关数据库，实现无损检测工件的信息化管理。7）探伤参数和仪器设置的自动生成数字式超声波探伤仪具有计算能力，能够根据被检测工件的尺寸、形状和探伤方法自动生成探伤仪参数。8）排除电磁干扰和数据后期处理超声波

23、探伤是以脉冲重复频率重复进行的，在短时间内（探头没有很大的移动）探伤波形因超声传输 路径基本相同而肯有相关性，外界电磁干扰等噪声信号是随机出现或不相关的，所以数字式超声波探伤仪经过对回波波形进行多次平均处理能有效排除干扰信号，提高信噪比。数字式超声波探伤仪还能将超声波形进行滤波、频谱分析、相关分析、小波变换、模式识别等算法处理达到得高信噪比、提高分辨率和缺陷识别分析的目的。3.3 使用数字式超声波探伤仪的常见问题1）有关重复频率脉冲重复频率是单位时间内仪器完成超声波检测的有效次数，即实现独立判伤报警的次数。数字式超声波探伤仪的脉冲频率是发展的，一般手持式数字式超声波探伤仪均做到脉冲重复频率和视

24、频同步，使每次超声检测回波被显示出为，这与模拟探伤仪一致，但重复频率被降到了50HZ-60HZ，在快速扫查和自动探伤时性能不好。因为是显示同制限制了重复频率，所以有的探伤仪包括一些国外的仪器，采用了较高的重复频率，500HZ-2000KHZ，高速数据外理进行自动捕获最大伤波，再以视频显示出来，于是兼顾了显示性能和扫查性能。影响模拟超探仪脉冲重复频率的因素只有超声传输延时，波形信号在产生的同时完成了和闸门电平的比较，输出报警。然后就能进行下一次脉冲检测。而一般数字式超探仪的探伤判别往往是经过后处理的，脉冲重复频率要受一数据处理时间的制约。有些进口仪器采用了DSP技术将数据处理时间压缩到很短，感觉

25、不到和模拟超探仪的差别。2）波形分辨率探伤仪的波形分辨率受发射波的宽窄、接收匹配阻抗的高低和放大器带宽性有影响。数探仪的数字代波形显示使波形在水平方向分厉有限个占的集合（200-500），所以每个点要代表附近波形的典型值，为了保证探伤效果，一般取峰值，所以会把标识分辨率的谷值抛弃。使测试分辨率降低，而模拟探伤仪的波形是连续的，谷值能一直保持，反映真正分辨率，所以在测试数探仪的分辨时要将波形适当拉宽，即缩小水平扫描范围，测试到真正的分辨率。为了符合现行标准，就要选择更高分辨率的探头。3）水平线性误差数探仪水平读数相对误差取决于波形分辨率，当模拟波形不失真时，是波形序列点数的倒数，0.5%-0.2

26、%。绝对误差取决于采样频率（40MHZ-200MHZ）。数字式超声波探伤仪是帖采样时钟显示和读取水平延时数据的，排除了模拟超声探伤仪由锯齿放大失真引起的线性误差和屏幕辨读误差（2%左右）。4）垂直线性误差数探仪的垂直读数误差有三个因素，一是数字化分辨率，一般为8位，256级，或7位128级（数字双向检波检测1位），误差是0.4%0.8%；第二个因素是数字控制放大器的精度，0.3分贝到0.6分贝，2%5%；另一个因素是接收放大器的线性误差，采用集成化的数字控制放大器，线性误差可以控制到很小。排除了模拟探伤仪的衰减器误差、视频放大器线性误差、视频放大器线性误差、和屏幕判读误差。5）衰减器范围和增益

27、范围模拟探伤仪一般用可调节100分贝的衰减器，固定60分贝放大器，完成-40分贝到+60分贝的增益调节范围，读数用衰减量表示；数探仪用40分贝的固定衰减器（可选），和80分贝到90分贝左右的数控放大器完成-40分贝到+80分贝的增益范围调节，用增益值表示，和国外仪器一致。也有数字式超声波探伤仪使用对数放大器，具有很大的动态范围。6）采样频率数字化采样频率影响超声检测波形的真实信息保留，根据奈奎斯特定理和三农定理，数字化采样频率必须高于信号频率或带宽的两倍，就能还原出模拟波形的任意一点信号，但一般超声波探伤的数据处理需要很强的实时性，不采用算法进行还原，所以采样频率应远高于采样定律规定的数值。最

28、低采样频率应使超声波信号峰值在采样间隔内起伏变化误差小于能允许的误差。例如，我们允许波幅读数误差4%，对于一个频率为F的正弦波，最低采样频率应高于11×F。由于超声波信号是脉冲信号，即带宽信号，所以F应取频率范围内最高的值，也就是上边频率。对于模拟检波电路，在采样前超声信号经检波电路和滤波电路，形成波形信号的包络，频率范围较低，只需20到40MHz采样频率；对于射频波形或数字检波方式，采样频率要到100到200MHz。五、数字式超声波探伤仪的发展1）数字信号处理数字式超声波探伤仪把超声波探伤和数字信号处理技术、计算机技术结合在一起，使从夹杂各种因素的波形信号中提取对判伤有用的信息的途

29、径大为拓展，有可能采用各种计算方法进行数字信号处理。许多数字式超声波探伤仪已经具有了数字滤波、频谱分析、波形识别、小波分析等数字信号处理功能用于提高检测信噪比和缺陷识别能力。2）自动化多通道数字式超声波探伤仪数字式超声波探伤仪应用于自动化超声波检测，具有巨大的潜力。数字式超声波探伤仪能够协调多个通道的协同工作，各个通道相互独立，互不干扰，并且通过数字信号处理排除工业现场的电磁干扰，识别伤波。完成自动检测和自动判伤。数字式超声波探伤仪在探伤控制计算机协调下工作，能够存储、校准和设置探伤参数，实时将探伤数据传送给主计算机。在主计算机形成自动探伤的数据记录和探伤报告。这种计算机系统管理模式有助于机电

30、一体化控制，把探伤设备和生产设备的自动化管理溶入一体。数字式超声波探伤仪和自动化机械探伤扫查结合起来，能实现超声检测数据的图形化和图像显示。3）计算机超声成像数字式超声波探伤仪和机械扫描或电子控制相结合，实现超声检测数据的各种图形和图像的显示。A扫图形显示超声探伤波形。B扫图像显示探头沿一维扫查的超声探伤图像，图像的一维是探头（或声线）扫查位置，另一维是超声波检测的声程深度位置，超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示。C扫图像显示探头沿两维扫查的超声探伤图像，图像的坐标是探头（或声线）扫查位置，在一定深度范围内的超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示，多层的C扫图像能反映材料中缺陷的立体形态。超声

31、参数图像重建方法主要分透射法和背向散射法，主要原理建立由超声波传输和材料特性参数相互作用而形成扫查测量值数学模型，通过空间域或空间频域的反向算法重建材料的特性参数图像，一般被称为合成孔径算法。超声成像的超声波探伤仪器将是超声波无损检测的一片新天地，将建立新的缺陷识别和定量的方法、概念。4）超声相控阵技术超声波相控阵技术是指将超声波探头分成阵列排列的小片，各个阵元按一定的延时关系（相位关系）同步发射，然后检测各个阵元的检测信号按一定的延时关系（相位关系）的叠加（干涉）结果。这种技术通过延时关系（相位关系）的控制，能实现超声波束的方向控制、聚焦控制及线性扫描，形成电子扫描的B扫图像。第二节 超声波

32、探头在超声波探伤中，如何发射超声波，以及如何接收经被探测材料传播后的超声波，是首先要解决的问题。因为它的好坏直接关系着探伤的水平。当人们发现超声的存在之后，就寻找获得超声的方法，最早出现的是气体动力式的和液体动力式的方法，但这些方法在应用上都受到局限，直到发现了压电效应，能方便的将电能转换成声能，同时还可以将声能转换成电能的方法之后，才使得超声在无损探伤中得以广泛的应用和发展。将一种能量转换成另一种能量的器件叫做换能器。能量的形式是各种各样的，因此换能器的类型也是多种多样的。在电的普遍应用和电量的放大和测量、显示技术比较成熟的情况下，当然实现电与声、声与电之间转换的器件是比较理想的，加之这种换

33、能器本身同时具备电与声之间转换的可逆性，这就是目前在超声波探伤中广泛采用电声换能器的主要原因。在特殊的情况下，探伤中也采用首先将电能转换为其他形式的能量而后再转换为声能的换能器（如磁致伸缩式和静电式换能器等）。在超声探伤中使用的换能器通常称为超声探头。普通的超声探头在电脉冲信号的激励下能发射超声脉冲。反之，当一个超声脉冲作用在探头上，超声探头也能产生一个相应的电脉冲信号。显示电脉冲信号的方法可以根据不同的要求采取不同的形式，如采用示波管显示或电表指示，也可以用喇叭或信号灯报警等。超声探头加上电脉冲发生和接收、显示仪器就构成了一个完整的装备。但是以往的仪器设计人员和制造厂家多重视仪器本身的参数而

34、忽略探头的研制，走了一些弯路。探头虽小，但它集中了大量声学的基本问题，如超声波的吸收和衰减问题，多层介质声波的传播问题，复合体的基本振动问题，电声能量转换之间的有关问题等。所以，探头的形式，性能，制作工艺，合理使用等，对探伤结果的正确性都会产生直接的影响，使之成为发展超声波探伤技术的重要环节。因而，近年来国内外对超声探头的研制越来越引起人们的重视。一、压电效应1880年居里兄弟发现，当在某些物体上施加拉力或压力而发生形变时，在其表面上就会出现电荷，这种现象称为正压电效应。1881年又证实压电效应是可逆的，即能产生正压电效应的物体在电场的作用下会产生应变或应力，这种现象称为逆压电效应。正压电效应

35、，逆压电效应统称压电效应。凡是能够产生压电效应的材料称为压电材料。由于压电材料具有可逆压电效应，所以正、逆压电效应同时存在于同一材料之中。压电效应在一般情况下是线性的，即电场和形变的依赖关系成线性关系。通常把压电效应近似的认为是即时发生的，当在压电材料某个方向上施加交变应力时，它将会产生同步的交变电场，当一定取向的交变电场加于压电材料某一方向上，它将产生与交变电场同频率的机械振动。当外加频率与压电材料固有频率一致时，则发生共振，此时获得最大形变或电荷量。超声波探头就是利用在固有频率下的逆压电效应发射超声波，同时利用正压电效应的原理接受来自被探测物的超声波使之提供电讯号的。压电材料必定是非金属、

36、电介质晶体结构，故又称为压电晶体。压电晶体有单晶体及多晶体之分。单晶体系各向异性体，其压电效应与结晶轴向有关。它可以是天然形成的，如石英、电气石等，也可以由人工培养和提拉制成的单晶材料，如硫酸锂、碘酸锂，铌酸锂、酒石酸钾钠等。多晶体系各向同性体是由人工烧结的铁电体压电材料，俗称压电陶瓷， 目前超声探伤中常用的有钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3、锆钛酸铅Pb（ZrxTi1-x）O3（国外商用型号为PZT）等。下面对单晶体压电材料和多晶体压电材料压电效应发生的机理分别作以微观定性的解释。1压电单晶体的压电效应压电单晶体的压电效应可以石英为例来作以说明。石英的化学成分是二氧化硅 （SiO2），

37、属于三角晶系。它有一个光学对称轴（光轴）Z；在垂直于Z轴的平面上，通过相对两个棱角有三个轴X1、X2，X3，沿这些轴的方向的压电效应格外显著称为极化轴，此外还有三个垂直于相对棱边，且与XZ平面相垂直的y1，y2、y3轴（如图4-9所示）。图4-9 石英晶体为了微观定性的说明石英的压电效应，可以把石英晶胞原子排列的等效电性看成是如图4-10所示的样子。图4-10 石英晶胞原子排列的等效电性示意图在正常情况下，各原子的电荷相互平衡，整个晶胞呈中性，如图4-10（a）。当在x方向施加压力，由于原子的位置的变更，电平衡遭到破坏，于是在表面A呈现负电荷，表面B呈现正电荷，如图4-10（b）。当在x1方向

38、施加拉力或在垂直于x1方向施加压力时，表面A、B上出现电荷相反的情况，如图4-10（c）。这就形成所谓的正压电效应。反之，当石英受到外界电场作用，则电场不仅使离子本身极化，而且使晶胞中的离子产生相对位移，这个位移使得晶胞内部产生内应力，最后引起宏观形变。这就是所谓逆压电效应。实际使用的石英元件都是从石英晶体中按一定方向和切割方式截取的。由于石英晶体是各向异性的，即一块石英晶体在不同方位上表现出来的物理性能，如电学、光学、力学性能各不相同，其压电效应的强弱和性质同样与结晶轴向有关，在有的方向上甚至没有压电效应。因此不同的切割方式就可以获得适应不同用途的石英元件，例如有的切割方式可以获得极小的频率

39、，温度系数，可制成稳定度极高在电子技术中广泛应用的稳频晶片，有的切割方式特别适宜制作各种不同性能的机械滤波器，近年来发展的LC切割方式可以在很宽的温度范围内线性良好的频率温度关系，可制做超声测温元件。作为超声探头的石英晶片主要采取X切割和Y切割二种方式。所谓X切割如图4-11（a），就是指垂直于X1，X2、X3轴中任一轴线切割下来的晶片，它具有纵向正压电效应及纵向逆压电效应，若晶片的边缘分别平行于Y轴及Z轴则称之为0°X一切割，如图4-11（b）。图4-11 石英晶片的X切割同样，Y切割就是指垂直于Y1、Y2，Y3轴中任一轴线切割下来的晶片，它具有横向正压电效应和横向逆压电效应。纵向

40、压电效应如图4-12（a）所示，沿着X轴方向在X切割晶片上施加交变应力，则在垂直于X轴平面产生交变电场。反之，如果在垂直于X轴平面施加交变电压，则晶片沿X轴方向将会产生与交变电压同频率的形变，形成机械振动。图4-12 纵向、横向压电效应横向压电效应如图4-12（b）所示，当沿X轴方向对Y切割晶片施加交变应力时，在与Y 轴垂直的平面上将呈现交变电场。反之，如果在垂直Y轴平面上施加交变电场时，沿X轴方向将会产生同频率的形变。Y切割的晶片在探伤中常用来制作表面探头。2压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是由许多小晶粒组成的多晶体。目前探伤中常用的压电陶瓷，其晶胞是钡钛矿型晶胞，如图4-13（a）所示，所有的压

41、电材料当温度升高到一定值后，压电效应会自行消失，物理学上称这温度为材料的居里点，以TC表示。当压电陶瓷的温度在居里点以上时，晶胞属于立方晶系，其正负电荷分配如图4-13（b）所示。由于立方体对称性很高，钛离子即使偏离中心位置，但从各方面偏离中心位置的几率是相同的，所以由立方体晶胞组成的晶粒的平均.图4-13 压电陶瓷的压电效应说明图电荷为零，不出现电极化。若压电陶瓷的温度在居里点以下时，它的晶胞形状变长，立方晶胞变为四方晶胞，其电荷分布如图4-13（c）所示。此时，钛离子向长轴方向偏离的几率就大，于是正负电荷中心不再重合，出现了电极化现象，这种电极化是自发形成的称为自极化。在居里点以下，立方晶

42、胞的三个晶轴中的任何一个均可成为四方晶胞较长的晶轴，因而晶粒中各晶胞自极化的取向是杂乱的，其综合作用的结果不呈现极化，没有压电效应。若在一定温度下，以每毫米1，0003，000伏的强电场加在压电陶瓷的两端，使各晶胞极化方向沿外加电场方向重新排列，整个压电陶瓷晶胞的极化方向趋于一致，这种处理称为极化处理。若经极化处理后仍能保持其极化强度的性质称为铁电性，压电陶瓷具有铁电性，经极化处理后的压电陶瓷就能产生压电效应。二、压电方程和压电材料的有关常数1压电方程晶体材料的物理效应主要有（1）力学效应，即应力T与应变S之间存在着一定的关系 （4-1） （4-2）式中：弹性顺从常数，脚注i，j表示各分量；弹

43、性刚度常数。（2）电学效应，即电场量E与电位移量0之间存在一定的关系 （4-3） （4-4）式中： 介电常数，脚注m、k表示各分量；介电隔离率。（3）磁学效应，即磁场强度H和磁感应强度B之间存在着一定的关系 （4-5）式中：导磁率（4）热学效应，即温度9与熵。之间存在着一定的关系 （4-6）式中： Q热量；P介质密度，C比热。对于压电晶体来说，不考虑磁学效应，并认为在压电效应过程中无热交换，因此只考虑其力学效应和电学效应。但又有别于力学材料和电学材料，因为在压电材料中这二种效应之间又是相互作用的，必须同时考虑。为了定量的描述各物理量之间的关系而确立的压电材料物理效应的数学表达式，称之为压电方程

44、。要仔细了解压电晶体是如何工作的，就需要根据已知的原始电学和力学的物理量求解相应的压电方程式，才能得到其力学状态和电学状态的变化情况。但是，要讨论完整的压电方程是非常复杂的。这里仅就从热力学理论推导的四种不同形式的压电方程，从压电方程各物理量的定义及有关物理意义的角度作以简略的介绍。通常提到的压电方程，一般是指这四组方程中的一组，它们是从不同的角度描述同一物理量，为了简洁起见各物理量不标以分量。以上式中SE、CD、T、S等上角标E、D、T、S表示以该字母代表的物理量（电场E、电位移D，应力T、应变S）保持不变为条件。ht、dt等下脚标t表示转置矩阵。d，g，e、h为压电常数。以上各压电常数d、

45、g、e，h；弹性常数c、s；介电常数、之间的关系为：D=esE=Tg （4-7）G=Td=hsD （4-8）E=Sh=dcE （4-9）H=Se=gcD （4-10）2压电方程有关常数物理意义1）压电常数。压电常数有d、g、e、h它们分别称为压电应变常数d，压电电压常数g、压电应力常数e、压电劲度常数h，其定义为以上式中括号内分母一般为外加因素变化的物理量，分子一般为压电晶体相应变化的物理量，括号外的脚标表示以该字母代表的量不变为条件。根据以上式中的定义可以看出各压电常数的物理含义为：压电应变常数d：表示压电晶体在应力恒定的情况下，加上电场后所产生的相对应变，或电场恒定的情况下加上应力所产生的

46、相对电位移。其单位是米伏或库仑牛顿。压电电压常数g：表示压电晶体在电位移恒定的情况下，加上应力后所产生的相对开路电压；或在应力恒定的情况下，由于电位移变化所产生的相对应变。其单位是伏·米牛顿或米2库仑。压电应力常数e：表示压电晶体在应变恒定的情况下，加上电场后所产生的相对应力，或在电场强度恒定情况下， 由于应变的变化所引起的相对电位移。其单位是牛顿伏·米或库仑米2。压电劲度常数h：表示压电晶体在电位移恒定的情况下由于应变的变化所产生的相对开路电压，或在应变恒定的情况下，由于电位移变化所产生的相对应力。其单位是牛顿库仑或伏米。d和e代表着反压电性能，故也称压电发射系数，关系到

47、压电晶片发射灵敏度，d和e的值大，晶片发射性能好，表示对压电晶片施加较小的电压就可以产生较大的振动，从而获得较强的超声波。g和h代表着正压电性能，故也称压电接收系数，关系到压电晶片接收灵敏度，g和h的值大，晶片接收性能好，表示接收到较弱的超声波也能产生较大的电压。以上四个压电常数中，常数d用得较多也较容易实测，其他各常数可以通过式4-7、式4-8、式4-9、式4-10的关系相互换算。在压电陶瓷中，一般规定极化方向坐标为3或Z，对于垂直于Z轴的另外二个坐标轴规定为l和2或X和Y（由于压电陶瓷在XY平面内晶体是各向同性的，1和2可以互换）。D33的脚标表示在Z方向上施加电压引起Z方向上的相对应变，

48、同样g33表示在Z方向上施加应力后引起z方向上产生的相对开路电压。余此类推。在超声探头压电晶片参数中D33和g33是重要的指标。2）介电常数。在介电常数中，介电隔离率表示电介质的电场随电位移矢量变化的快慢，其单位为米法。在超声探伤中一般不使用这个常数。介电常数，它反映材料的介电性质，对于压电晶体来说，它也反映压电晶体的极化性质。压电材料的介电常数的定义和静电学中一样。当一个电介质处于电场E中，那么电介质内部的电场可以用电位移D表示，DE。如果用电介质来作电容器电极间的绝缘体，介电常数与电容器电容量C，电极面积A和极间距离t之间的关系为（c的单位是法拉，A的单位是米2，t的单位是米，的单位为法米

49、）。介电常数还经常使用相对分电常数的概念，其数值等于在同样电极下介质的电容与真空电容的比值（真空8.85×10-2法/米）。介电常数与压电晶片附上电极后的电容有关，即与压电晶片呈现的电气阻抗有关。制作超声探头时阻抗匹配是很重要的，不同用途的压电元件对材料的介电常数要求也不相同。对于高频压电元件则要求介电常数小一些，因为小意味电容小，工作频率当然就可以做得高些。越大，压电元件的电气阻抗越小，如扬声器和送话器之类的压电元件则要求材料介电常数大一些。对于压电材料来说，由于存在压电效应，其介电常数的数值还与换能器的机械自由度有关。一般给出两个值，其一是换能器被夹紧时的介电常数S，另一个是换能

50、器在自由状态时的介电常数T。3）弹性常数。压电材料的弹性常数有弹性顺从常数sii和弹性刚度常数cjj。弹性顺从常数sii表示材料应变si与所施加的应力Tj之比。如沿坐标轴1施加应力T1在同一轴向产生的应变为S1，则，而就是杨氏模量。如果沿轴1方向施加应力T1在与轴1相垂直轴2方向产生的应变为S2，则，而表示横向相对压缩与纵向相对伸长之比，即为柏松比。弹性刚度常数cjj表示物体产生单位应变si所需要的应力Tj，从定义可知cjj与sii互为倒数。cjj就是杨氏模量。由于压电材料有压电效应，短路弹性刚度常数用表示，开路弹性刚度常数用表示。三、压电材料其他有关参数1频率常数N1当一交变电压加至压电晶片

51、时，压电晶片在外电场的迫使下，产生与交变电压相同频率的振动。对于不同的切割方式或极化方式就存在着两种振动模式，一种是厚度振动模式（简称厚度模），另一种是径向振动模式（简称径向模）。以厚度振动模式为例，如果压电晶片上表面的振动，经压电晶片传至下表面时，将与下表面的振动叠加，其合成振动的结果，决定于晶片振动的频率和晶片的厚度，只有当晶片的厚度等于该频率下的半波长时，上表面的振动传至下表面时正好与下表面振动同相位，因此，合成振幅最大，辐射的超声波能量也最大。压电晶片在这种条件下工作称为谐振，满足谐振条件的工作频率称为谐振频率或基频，以fr表示。如果压电晶片的声速为CT，则谐振条件下的压电晶片的厚度1

52、为（4-11）（4-12）可以看出对于厚度模来说谐振频率fr和晶片厚度1的乘积是一个常数，声学上称这个常数为频率常数N，由定义可知N1=fr×l (4-13)对于薄的压电晶片来说 (4-14)式中：p压电晶片的密度。同样，对于径向模来说，若在谐振频率下的晶片直径为d，则其频率常数N，zf，·d超声波探头一般用压电晶片厚度振动模式，因此频率常数N，是经常使用的。2电气品质因素e和机械品质因素m电气品质因素e是压电材料贮存的电能与耗损的电能之比。它反映压电材料在交变电压作用下消耗电能而转变成热能的大小。造成这种消耗的主要原因有，在外加电压变化时压电元件内部极化状态变化的滞后、压

53、电材料内介质存在漏电流以及压电材料介质结构不均匀等。如果把压电材料看成是一个电学介质材料，由于电介质在电场作用下引起发热而消耗的能量（介质损耗），通常以介质损耗因子tg的大小来表示，则电气品质因数e可以用tg的倒数来表示，即 （4-15）式中，交变电场的角频率，c介质样品的静电容，R介质的损耗电阻。机械品质因素m的定义是：压电材料在谐振时的机械能量与在一个周期内损耗的机械能量之比。它反映了压电材料振动时克服内摩擦而消耗能量的大小，是衡量压电材料的一个重要常数。机械品质因素m和电气品质因素e越大，意味着在压电效应过程中损耗的能量就越小，在大功率和高频情况下的发热量就越小，但是对展宽频带，改善波形

54、和提高分辨率等都不利，因此在应用时还需根据实际情况适当选择。另外，由于m和e还随负载媒介的性质而变化，因此也可以利用改变负载媒介的办法来解决上述矛盾（如石英晶体在大气中自由辐射m高达50000，而在水中且加阻尼块m可小于10）。3机电耦合系数K从能量的观点出发，压电效应是一种电能和机械能互相转化的效应，为此引入一个物理量K来衡量压电材料中机械能和电能之间的耦合强弱称为机电耦合系数，其定义为：从逆压电效应考虑： (4-16)从正压电效应考虑： (4-17)系数K2与转能器的效率不同，拿逆压电效应来说，K2只能说明有多少电能被转换成机械能，但机械能并不一定完全转换成辐射的超声能量。在压电材料中同时

55、存在三种特性，即弹性，介电和压电特性，机电耦合系数K与压电能Um、弹性能Ua和介电能Ud之间的关系为 (4-18)K是一个能量的比值，无量纲，最大值为1。当K=0时即无压电效应。对于超头探头，K关系到发射灵敏度和接收灵敏度，有用的K值总是愈大愈好。K值是压电材料一个最突出的特征量，压电常数大，K值亦大。另一方面，对于各向异性材料K亦随压电晶体振动模式不同而变化。例如，对压电陶瓷材料，一块薄圆晶片，利用其厚度振动，这时机电耦合系数用Kt表示称为厚度机电耦合系数。探头用薄圆晶片，虽只想利用Kt，但因为薄圆晶片还同时存在一个径向机电耦合系数Kp，它是支配晶片径向振动的， 由于Kp的存在使探头的杂波增多，因此超声探头的晶片希望K，越大越好，以获得高灵敏度，同时希望Kt/K，也要大，以减少杂波。在实际应用中可以用外电路（如并接一个电感线圈）来消除K，的影响。超声探头常用压电材料主要常数值列于表4-1：表