第4章超声波探伤

1、第四章第四章 超声波探伤超声波探伤 2主要内容主要内容五、计算机及数字信号处理技术在超声波探伤中的应用五、计算机及数字信号处理技术在超声波探伤中的应用四、液浸法超声波探伤四、液浸法超声波探伤三、直接接触法超声波探伤三、直接接触法超声波探伤二、超声波探伤设备二、超声波探伤设备一、超声波探伤基本原理一、超声波探伤基本原理3 什么是超声波？什么是超声波？ 声波声波是物体是物体机械机械振动振动状态（或能量）的传播形式。所谓状态（或能量）的传播形式。所谓振动振动是指物质的质点在其是指物质的质点在其平衡位置平衡位置附近进行的往返运动形式。附近进行的往返运动形式。 例如：例如：鼓面鼓面经敲击后，它就上下振动

2、，这种振动状态通过空经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波超声波是指振动频率大于是指振动频率大于20kHz以上的，其每秒的振动次数以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20kHz），人们将这种），人们将这种听不见的声波叫做超声波。听不见的声波叫做超声波。 超声和超声和可闻声可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以振动模式，通常以纵波纵波的方式在的方式在弹性介质弹性介质内会传播，是一种能量内会传播，是

3、一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长波长短，在一定距离内短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象声成象所用所用的频率范围在的频率范围在 25MHz之间，常用为之间，常用为33.5MHz（每秒振动（每秒振动1次为次为1Hz，1MHz=106Hz，即每秒振动，即每秒振动100万次；可闻波的频率在万次；可闻波的频率在1620kHZ 之间）。之间）。超声波是声波大家族中的一员超声波是声波大家族中的一员。 4超声波探伤的分类超声波探伤的分类 超声波探伤超声波探伤是利用是利用超声波超声

4、波在物体中的在物体中的传播、反射和传播、反射和衰减等物理特性衰减等物理特性来来发现缺陷发现缺陷的探伤方法。又称的探伤方法。又称超声超声波检验波检验。 超声波探伤超声波探伤分类：分类：按按工作原理工作原理：脉冲反射法、穿透法和共振法脉冲反射法、穿透法和共振法等；等；按按显示缺陷方式显示缺陷方式：A A型、型、B B型、型、C C型和型和3D3D型显示型显示等；等；按按超声波波型超声波波型：纵波法、横波法、表面波法纵波法、横波法、表面波法和和板波板波法法等；等；按按声耦合方式声耦合方式：直接接触法直接接触法和和液浸法液浸法等。等。5第第1节节 超声波探伤基本原理超声波探伤基本原理 超声波超声波:频

5、率频率f20000Hz的的机械振动机械振动在在弹性介质中弹性介质中的一种的一种传传播过程播过程。它是。它是超声频率机械波超声频率机械波。 超声波超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。 探伤中常用的超声波频率：探伤中常用的超声波频率：0.510MHz。 一、超声波的产生和接收一、超声波的产生和接收 超声波超声波是由是由超声波探伤仪超声波探伤仪产生产生电振电振荡荡并施加于并施加于探头探头，利用其，利用其晶片晶片的的压电压电效应效应获得。获得。探头探头主要由主要由保护膜、压电保护膜、压电晶片晶片和和吸收块吸收块等组成等组成(图图4-1)。 (1) 压电

6、晶片压电晶片 由由压电材料压电材料切割成切割成薄片制成，材料分薄片制成，材料分单晶单晶(石英、硫酸石英、硫酸锂和碘酸锂等锂和碘酸锂等)和和多晶多晶(钛酸钡、钛酸钛酸钡、钛酸铅等铅等压电陶瓷压电陶瓷)两大类。两大类。晶片两表面晶片两表面敷有敷有银层银层作电极作电极，“”极极引出的导引出的导线接线接发射端发射端，“+”极接地极接地。6v(2) 吸收块吸收块 由由环氧树脂、硬化剂、增塑剂、橡胶液和钨粉等环氧树脂、硬化剂、增塑剂、橡胶液和钨粉等浇铸在浇铸在“”极极上。作用是上。作用是吸收杂波吸收杂波，并，并使晶片在激励电脉冲使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振动结束后将声能很快损耗掉而停止

7、振动，以便接收反射声波以便接收反射声波。它。它又称又称阻尼块阻尼块。v(3) 保护膜保护膜 可使可使压电晶片压电晶片免于和工件直接接触受磨损免于和工件直接接触受磨损, ,其中其中软膜软膜( (耐磨橡胶、塑料等耐磨橡胶、塑料等) )用于用于粗糙表面的工件粗糙表面的工件；硬膜硬膜( (不锈钢片、刚玉片、环氧树脂等不锈钢片、刚玉片、环氧树脂等) )声能量损失小声能量损失小, ,比软膜应用广比软膜应用广。v(4) 匹配电感匹配电感 对于对于压电陶瓷晶片压电陶瓷晶片制成的制成的探头探头，其，其电气电气阻抗匹配很重要阻抗匹配很重要。加入与晶片并联的。加入与晶片并联的匹配电感匹配电感( (或电阻或电阻) )

8、可使可使探头与仪器的发射电路匹配探头与仪器的发射电路匹配，以提高，以提高发射效率发射效率。它也可装在它也可装在仪器内部仪器内部。7超声波的产生和接收超声波的产生和接收机理机理 当当高频电压高频电压加在晶片加在晶片两面电极两面电极时，由于时，由于逆压电效应逆压电效应，晶，晶片会在厚度方向产生片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动伸缩变形的机械振动。晶片与工件。晶片与工件表面有良好耦合时表面有良好耦合时, ,机械振动机械振动就以就以超声波形式传播进去超声波形式传播进去, ,这就是这就是发射发射。反之反之，当，当晶片晶片受到受到超声波作用超声波作用( (遇到异质界遇到异质界面反射回来面反射回来) )而

9、发生而发生伸缩变形伸缩变形时，时，正压电效应正压电效应又会使晶片又会使晶片两表面产生两表面产生不同极性电荷不同极性电荷，形成超声频率的，形成超声频率的高频电压高频电压，这就是这就是接收接收。利用利用压电效应压电效应使使探头探头( (压电晶片压电晶片) )发射或接收发射或接收超声波，就使超声波，就使发现缺发现缺陷陷成为可能。因此，成为可能。因此，探头探头( (压电晶压电晶片片) )是理想的是理想的电声换能器电声换能器。8二、超声波的性质二、超声波的性质 探伤中所用探伤中所用超声波的性质超声波的性质： 有有良好的指向性良好的指向性； 能能在弹性介质中传播在弹性介质中传播，不能在真空中传播不能在真空

10、中传播； 界面的透射、反射、折射和波型转换界面的透射、反射、折射和波型转换; ; 具有具有可穿透物质可穿透物质和在物质中和在物质中有衰减有衰减特性。特性。 1. 1. 有良好的指向性有良好的指向性 (1)(1)直线性直线性 超声波超声波波长很短波长很短(mm(mm级级) )，它在，它在弹性介质弹性介质中能中能象光波一样沿直线传播象光波一样沿直线传播，符合，符合几何光学规律几何光学规律。 声速声速对固定介质是对固定介质是常数常数，根据，根据传播时间传播时间就能求得其就能求得其传传播距离播距离，这为探伤中，这为探伤中缺陷定位缺陷定位提供依据。提供依据。 (2) (2)束射性束射性 声源发出声源发出

11、超声波超声波能集中在能集中在一定区域一定区域( (超声超声场场) )定向辐射定向辐射。9(2)(2)束射性束射性以以圆形压电晶片圆形压电晶片在液体介质以在液体介质以脉冲波形式脉冲波形式发射的发射的纵波超声场纵波超声场( (图图4-2)4-2)为例讨论，这为例讨论，这时的超声场可视为时的超声场可视为理想声场理想声场。分析表明：。分析表明：1) 1) 超声波的能量主要集中在超声波的能量主要集中在22的锥形区的锥形区域内域内( (图图a)a)。越小越小, ,波束指向性越好波束指向性越好, ,超超声波能量集中声波能量集中, ,探伤灵敏度高探伤灵敏度高, ,分辨力高和分辨力高和定位精确。定位精确。上式表

12、明，上式表明，波长越短波长越短（超声频率越高），（超声频率越高），压电晶片直径（声源尺寸）越大压电晶片直径（声源尺寸）越大，则声束，则声束指向性越好指向性越好。 10(2)(2)束射性束射性 2)2)近场区近场区中由于中由于波的干涉波的干涉声压起伏很大声压起伏很大( (图图4-2b4-2b）。这会使处于）。这会使处于声压极大值处声压极大值处的的较小缺陷回波较高较小缺陷回波较高，而处于，而处于声压极小值声压极小值处处的的较大缺陷却回波较低较大缺陷却回波较低，这将，这将引起误判引起误判。因此，探伤中因此，探伤中尽量避免尽量避免在近场区定量在近场区定量。 3)3)超声场中不同纵截面上的声压分布不超声

13、场中不同纵截面上的声压分布不同同( (图图c)c)。而当。而当xNxN(x-(x-距压电晶片表面距压电晶片表面的距离的距离) )的的各纵截面中心声压最高各纵截面中心声压最高，偏离偏离中心轴线中心轴线的的声压逐渐降低声压逐渐降低。实际探伤中。实际探伤中测测定探头波束轴线的偏离程度定探头波束轴线的偏离程度时，时，规定在规定在N N以外以外就是这个原因。就是这个原因。 11(2)(2)束射性束射性4)4)未扩散区未扩散区内内( (图图a中中1.64N) , ,波阵面波阵面近似平面近似平面，声场可看成是，声场可看成是平面波声场平面波声场, ,平平均声压基本不变；均声压基本不变；扩散区扩散区其主波束可视

14、其主波束可视为底面直径为为底面直径为D D的的截头圆锥体截头圆锥体，当当x3Nx3N时，波束按时，波束按球面波球面波规律扩散。规律扩散。 实际焊缝探伤实际焊缝探伤所用金属介质中的所用金属介质中的脉冲波脉冲波横波声场横波声场( (简称简称实际声场实际声场) )，这要比以上，这要比以上分析的理想声场分析的理想声场复杂的多复杂的多，但二者有其，但二者有其基本相似之处基本相似之处。12 2 2能在弹性介质中传播，不能在真空中传播能在弹性介质中传播，不能在真空中传播 超声波通过介质时，以超声波通过介质时，以介质质点的振动方向介质质点的振动方向与与波的传播方向波的传播方向间相互关系的不同，可分为间相互关系

15、的不同，可分为纵波、横波、表面波和板波纵波、横波、表面波和板波等。各类等。各类型波的传播介质和具有的特点见表型波的传播介质和具有的特点见表4-l4-l、表、表4-24-2。 132能在弹性介质中传播，不能在真空中传播能在弹性介质中传播，不能在真空中传播142能在弹性介质中传播，不能在真空中传播能在弹性介质中传播，不能在真空中传播注意：注意： 由于由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型. .因此，对金属因此，对金属( (焊缝焊缝) )进行探伤时必须进行探伤时必须选定所需超声波类选定所需超声波类型型( (通常选择通常选择横波横波) )，否则，否则，会使

16、回波信号发生混乱和得会使回波信号发生混乱和得不到正确的探伤结果不到正确的探伤结果。同时，探伤中通常把。同时，探伤中通常把空气介质空气介质作作真空处理真空处理，即认为，即认为超声波不能通过空气进行传播超声波不能通过空气进行传播。15 3 3界面的透射、反射、折射和波型转换界面的透射、反射、折射和波型转换 超声波超声波从一种介质入射到另一种介质从一种介质入射到另一种介质，经过，经过异质界面异质界面将产生将产生以下几种情况：以下几种情况： (1) 垂直入射垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射异质界面时的透射、反射和绕射 当超声波从一种介质垂直入射到第二种介质上时，其能量一部当超声波从一种介质垂直入射

17、到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向相反的分反射而形成与入射波方向相反的反射波反射波，其余能量则透过界面，其余能量则透过界面产生与入射波方向相同的产生与入射波方向相同的透射波透射波(图图4-3)。 超声波反射能量超声波反射能量W W反反/ /入射能量入射能量W W入入, ,称为称为超声波能量超声波能量反射系数反射系数K=WK=W反反/W/W入入。16 异质界面上的异质界面上的反射是很严重反射是很严重的，尤其的，尤其固固-气界面气界面K100，因因此，探伤中此，探伤中良好的耦合是一必要条件良好的耦合是一必要条件。 焊缝焊缝-其中缺陷其中缺陷构成的构成的异质界面异质界面正因为有正因

18、为有极大的反射极大的反射才使才使探伤探伤成为可能成为可能。同时，。同时，反射系数反射系数K值值仅决定于二介质仅决定于二介质声阻抗声阻抗Z之差之差，差值越大，则差值越大，则K值越大值越大，而与何者为第一介质无关。，而与何者为第一介质无关。超声波能量反射系数超声波能量反射系数K K值值：17波的绕射波的绕射 当当界面尺寸界面尺寸df很小时很小时，声波将能，声波将能绕过其边缘继续前进绕过其边缘继续前进，即产生，即产生波的绕射波的绕射(图图4-4)。由于。由于绕射使反射回波减弱绕射使反射回波减弱，一般认为超声波，一般认为超声波探伤中探伤中能探测到的最小缺陷尺寸为能探测到的最小缺陷尺寸为df=/2。 显

19、然，要想能显然，要想能探测到更小的缺陷探测到更小的缺陷，就必须，就必须提高超声波的频率提高超声波的频率f。18 (2) 倾斜入射倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦 若超声波由一种介质若超声波由一种介质倾斜入射倾斜入射到另一种介质时，在异质界面到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的上将会产生波的反射和折射反射和折射，并产生，并产生波型转换波型转换(图图4-5)。 按按几何光学原理几何光学原理，不同波型的声波，不同波型的声波入射角入射角、反射角反射角、折射角折射角的关系为：的关系为：超声波倾斜入射的反射与折射（超声波倾斜入射的反射与折射（Z1 Z

20、11）s 横波折射角（横波折射角（）。）。纵波横波横波纵波式式 (4-3)19(2) 倾斜入射倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦v 从式从式(4-3)知，知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。v 从图从图4-5可知，当可知，当纵波纵波L2折射角为折射角为90时，在时，在第第II介质内只传播介质内只传播横波横波，这时这时声波入射角声波入射角称称第一临界角第一临界角； 当当横波横波S2折射角为折射角为90时，在第时，在第I介质和第介质和第介质介质界面上产生界面上产生表面波表面波的传播的传播，这时的，这时的

21、声波入射角声波入射角称称第二临界角第二临界角。 v 在进行在进行焊缝超声波探伤焊缝超声波探伤时，时，第第I介质为介质为探头探头的的有机玻璃或环氧有机玻璃或环氧树脂树脂，第第介质介质为为钢材钢材，由式，由式(4-3)得：得： 超声波倾斜入射的反射与折射超声波倾斜入射的反射与折射Z1 z11第一临界角第一临界角：第二临界角第二临界角：2m1mL2S2纵波横波横波纵波20由第一、二临界角的物理意义可知：由第一、二临界角的物理意义可知： 1) 当当2m时，第时，第介质中介质中无折射纵波、无折射横波无折射纵波、无折射横波，但这时在第，但这时在第lI介质表面形成介质表面形成表面波表面波，这是，这是表面波探

22、头表面波探头的设计原理和依据的设计原理和依据。 超声波超声波倾斜入射倾斜入射的反射与折射的反射与折射超声波超声波进入介质后进入介质后有有产生折射产生折射的性质，所以的性质，所以如同光线一样如同光线一样，可利用，可利用透镜产生透镜产生聚焦性能聚焦性能。聚焦所用聚焦所用声透镜声透镜可用可用液体、金属、有机玻璃液体、金属、有机玻璃等等材料制作。通常作成材料制作。通常作成点聚焦点聚焦(球凹面球凹面)和和线线聚焦聚焦(柱凹面柱凹面)声透镜声透镜。同理，同理，曲面工件的探伤曲面工件的探伤由于由于曲面的凹向曲面的凹向也将也将产生聚焦和发散问题产生聚焦和发散问题，对，对探伤产生影响探伤产生影响。 2m1mL2

23、S221 4具有具有可穿透物质可穿透物质和和在物质中在物质中有衰减有衰减的特性的特性 超声波这一性质超声波这一性质与射线相似与射线相似，但超声波具有，但超声波具有更强的更强的穿透能力穿透能力。 因为因为超声波在介质中的传播超声波在介质中的传播就是就是声能的传播声能的传播，由于，由于声能声能(声强声强)与与频率的平方频率的平方(f2)成成正比正比，而探伤用超声波频率远高于声波，而探伤用超声波频率远高于声波(例如例如1MHz超声波能量是超声波能量是lkHz声波的声波的100万倍万倍)，因而，因而超声波能量很大超声波能量很大. 同时，超声波在同时，超声波在大多数介质大多数介质中，尤其是在中，尤其是在

24、钢等金属材料钢等金属材料中传中传播时，传输损失少，播时，传输损失少，传播距离大传播距离大，一般可达，一般可达数米远数米远，因此，因此穿透能穿透能力强力强。超声探伤能有。超声探伤能有较大的探测深度较大的探测深度，这是其它探伤方法所不能，这是其它探伤方法所不能比拟的。比拟的。22超声波的超声波的衰减衰减的的三个原因三个原因 主要由主要由散射、吸收散射、吸收和和声束扩散声束扩散引起的衰减。引起的衰减。 1) 散射散射引起的衰减引起的衰减 这是由于声波在这是由于声波在不均匀的和各向异性不均匀的和各向异性的的金属晶粒的金属晶粒的界面界面上产生上产生折射、反射和波型转换折射、反射和波型转换所致。一般来说，

25、所致。一般来说， 频率频率f越高、晶粒尺寸越高、晶粒尺寸d越大越大，散射引起的衰减越厉害，散射引起的衰减越厉害。 实际探伤中，实际探伤中，奥氏体钢焊缝奥氏体钢焊缝晶粒晶粒粗大粗大(达数毫米达数毫米)，衰减很严重，在，衰减很严重，在示波屏上形成示波屏上形成 “草状回波草状回波”，显显著降低探伤时的信噪比著降低探伤时的信噪比(图图4-6)。23超声波的衰减超声波的衰减的的三个原因：三个原因： 2) 吸收吸收引起的衰减引起的衰减 超声波传播时，超声波传播时，介质质点间介质质点间产生产生相对运动，相对运动，互相互相摩擦摩擦使部分使部分声能转换为声能转换为热能热能，通过，通过热传导引起衰减热传导引起衰减

26、。金属介质的吸收衰减金属介质的吸收衰减与散射衰减相比，与散射衰减相比，几乎略去不计几乎略去不计, ,但但液体介质的吸收衰减液体介质的吸收衰减则是则是主要的主要的。 3) 声束扩散声束扩散引起的衰减引起的衰减 这是因为随着这是因为随着传播距离的增大传播距离的增大，波束截面增大波束截面增大使使单位面积上声能逐渐减少单位面积上声能逐渐减少所致。所致。 声压下降声压下降规律见规律见图图4-2b。24v总之总之，金属材料的超声波探伤金属材料的超声波探伤，主要考虑，主要考虑散射引起的衰减散射引起的衰减，其规律如下：其规律如下：上式表明，上式表明，声压按声压按负指数负指数规律衰减规律衰减。研究指出，。研究指

27、出，散射散射衰减系数衰减系数与与频率频率f、晶粒平均直径晶粒平均直径d及各向异性系数及各向异性系数F有关，且当有关，且当d时，时， 与与f4 、d3 成正比。成正比。探伤探伤晶粒较粗大工件晶粒较粗大工件时，为时，为减少散射衰减减少散射衰减而常而常选用选用较低频率较低频率f。可淬硬钢的焊缝可淬硬钢的焊缝调质热处理调质热处理，晶粒得到细化后晶粒得到细化后再进行探伤。再进行探伤。25 在探伤在探伤晶粒较粗大晶粒较粗大和和大型工件大型工件, ,应应测定衰减系数测定衰减系数, ,并在并在定量计算定量计算时考虑时考虑材质衰减的影响材质衰减的影响, ,以便以便减小定量减小定量误差误差。26 三、脉冲反射法三

28、、脉冲反射法超声波探伤超声波探伤基本原理基本原理 脉冲反射法脉冲反射法是超声波探伤中是超声波探伤中应用最广应用最广的方法。的方法。 基本原理基本原理： 将将一定频率间断发射的超声波一定频率间断发射的超声波（脉冲波脉冲波）通过）通过一一定介质定介质（耦合剂耦合剂）的耦合）的耦合传入工件传入工件，当遇到，当遇到异质界面异质界面(缺陷或工件底面缺陷或工件底面)时，超声波将产生时，超声波将产生反射反射，回波回波(即即反反射波射波)被被仪器接收仪器接收并以并以电脉冲信号电脉冲信号在在示波屏上显示示波屏上显示出出来。由此判断缺陷的有无，以及进行定位、定量和评来。由此判断缺陷的有无，以及进行定位、定量和评定

29、。定。 根据根据回波表示方式回波表示方式不同，可分为不同，可分为A型、型、B型、型、C型型和和3D显示法显示法等。等。27CTS-22A 超声探伤仪超声探伤仪 缺陷回波法缺陷回波法28 1A型显示超声波探伤原理型显示超声波探伤原理 A型探伤仪型探伤仪(图图4-7)接通电源后，接通电源后，同步电路同步电路产生的产生的触发脉冲触发脉冲同时加同时加至至扫描电路扫描电路和和发射电路发射电路。扫描电路扫描电路受触发产生受触发产生锯齿波扫描电压锯齿波扫描电压，加至示波管水平（加至示波管水平（X轴轴)偏转板，使电子束发生偏转板，使电子束发生水平偏转水平偏转，在示波，在示波屏上产生一条屏上产生一条水平扫描线水

30、平扫描线(又称时间基线又称时间基线)。同时，。同时，发射电路发射电路受触受触发产生发产生高频窄脉冲高频窄脉冲加至加至探头探头，激励，激励压电晶片振动压电晶片振动，在工件中产生，在工件中产生超声波超声波。超声波超声波在工件中传播遇到在工件中传播遇到缺陷缺陷和底面和底面发生发生反射反射，回波回波为为同一同一探头或接收探头所接收并被转探头或接收探头所接收并被转变为变为电信号电信号, ,经接收电路放大和经接收电路放大和检波检波, ,加至示波管垂直加至示波管垂直( (Y Y轴轴) )偏偏转板上，使转板上，使电子束发生电子束发生垂直偏垂直偏转转, ,在水平扫描线的相应位置上在水平扫描线的相应位置上产生产生

31、缺陷波缺陷波F F、底波、底波B B。291A型显示超声波探伤型显示超声波探伤v 由于仪器由于仪器水平扫描线的长短水平扫描线的长短（X轴轴）与）与扫描电压扫描电压有关，有关，而而扫描电压扫描电压与与时间时间成正比成正比，因此，因此反射波的位置反射波的位置能反映能反映声声波传播的时间波传播的时间t，即反映即反映声波传播的距离声波传播的距离X，因此可以对，因此可以对缺陷定位缺陷定位。 又由于又由于反射波幅度的高低反射波幅度的高低（Y轴轴）与接收的电讯号大小）与接收的电讯号大小有关，电讯号的大小取决于接收的反射声能多少，而反有关，电讯号的大小取决于接收的反射声能多少，而反射声能又与射声能又与缺陷反射

32、面的形状和尺寸有一定关系缺陷反射面的形状和尺寸有一定关系，因此，因此反射波幅度的高低间接的反映出缺陷大小反射波幅度的高低间接的反映出缺陷大小，因此可以对，因此可以对缺陷定量缺陷定量和评价和评价。 v 总之，总之，A型脉冲反射法超声波探伤型脉冲反射法超声波探伤目前目前应用最广应用最广。 主要特点主要特点: 示波屏示波屏纵座标纵座标代表代表反射波的振幅，反射波的振幅，横坐标横坐标代代表超声波的表超声波的传播时间传播时间。它虽不能实现缺陷成象，但却是。它虽不能实现缺陷成象，但却是脉冲回波脉冲回波超声波成像超声波成像的基础的基础。302. B型显示超声波探伤基本原理型显示超声波探伤基本原理 B B型显

33、示型显示是脉冲回波超声波是脉冲回波超声波平面成象平面成象的一种。它是以的一种。它是以亮点亮点显示显示接收信号接收信号，以，以示波屏面示波屏面代表代表被探伤对象由探头被探伤对象由探头移动线移动线和和声束声束决定的截面决定的截面。纵坐标纵坐标代表代表声波的传播时间声波的传播时间, ,横坐标横坐标代表代表探头水平位置探头水平位置，它可以显示出，它可以显示出缺陷在横截面缺陷在横截面上的二维特征上的二维特征。完成这种显示的。完成这种显示的探头动作方式探头动作方式称之为称之为B B扫描扫描。 xtxy312. B型显示超声波探伤基本原理型显示超声波探伤基本原理 B B型探伤仪接通电源后，型探伤仪接通电源后

34、，同步电路同步电路触发触发发射电路发射电路，使，使探头发射探头发射超声波超声波。同时触发。同时触发Y Y轴轴扫描电路扫描电路，将，将锯齿波电压锯齿波电压加到示波管加到示波管Y Y轴偏轴偏转板转板。随。随探头位置变化而变化的直流电位探头位置变化而变化的直流电位加到加到X X轴偏转板轴偏转板。 探头接收到的探头接收到的回波信号回波信号经经放大电路放大电路放大后，加到放大后，加到示波管的栅示波管的栅极极进行进行扫描亮度调制扫描亮度调制( (即辉度调制，即辉度调制，亮点亮点显示接收信号显示接收信号) )。 当当探头在工件上沿一直线移动探头在工件上沿一直线移动时，则时，则示波屏上示波屏上就以就以探头在被

35、探头在被检材料表面上的位置检材料表面上的位置（X X）和和声波传播时间声波传播时间(t)(t)为为直角坐标直角坐标显示出显示出图象图象。 B B型显示，探头只需实现型显示，探头只需实现 一维扫描一维扫描即可成象。即可成象。txB B型显示原理框图型显示原理框图323C型显示超声波探伤基本原理型显示超声波探伤基本原理 C C型显示型显示是脉冲回波超声波是脉冲回波超声波平面成象平面成象的一种，它是以的一种，它是以亮亮点或暗点点或暗点显示显示接收信号接收信号。示波屏面示波屏面所表示的是被所表示的是被探伤探伤对象某一定深度上与声束相垂直的对象某一定深度上与声束相垂直的一个平面投影象一个平面投影象，一幅

36、画面一幅画面只能显示只能显示同一深度上不同位置的缺陷同一深度上不同位置的缺陷。完成。完成这种显示的探头动作方式称为这种显示的探头动作方式称为C C扫描扫描。 为保证成象为保证成象精确度精确度，一般都采用，一般都采用 水浸法探伤水浸法探伤。333C型显示超声波探伤基本原理型显示超声波探伤基本原理 C C型探伤仪型探伤仪( (图图4-9)4-9)有一有一电子深度门电子深度门，门的前沿及宽度都可调节。，门的前沿及宽度都可调节。探头在某一部位所接收到的回波探头在某一部位所接收到的回波被送到被送到接收电路接收电路中去放大中去放大，但只，但只有落在有落在门范围之内门范围之内才能才能加到示波管的栅极加到示波

37、管的栅极上，并在上，并在示波屏上形成示波屏上形成一一亮点亮点。亮点亮点在在屏上位置屏上位置与与探头在工件上的位探头在工件上的位置相对应置相对应。通常。通常深度门深度门被调到被调到使前、使前、后表面反射刚好被排除在外后表面反射刚好被排除在外。当当探头探头在在工件表面平行扫查移动工件表面平行扫查移动( (以以对整个工件表面作出扫查对整个工件表面作出扫查) )，在示波，在示波屏上即可得到屏上即可得到整个体积内缺陷或界面整个体积内缺陷或界面的俯视图的俯视图。通过将。通过将深度门深度门调成调成窄的宽窄的宽度度, ,可以记录来自可以记录来自试件内平行扫描面试件内平行扫描面的的某一层中的回波某一层中的回波，

38、而将，而将其它部分的其它部分的信号排除在显示之外信号排除在显示之外。343C型显示超声波探伤型显示超声波探伤 早期早期C C型显示的缺点型显示的缺点: : 只能检测出只能检测出缺陷的缺陷的长度和宽度长度和宽度，而，而不能测出其不能测出其埋藏深度埋藏深度，改用改用彩色荧光屏彩色荧光屏显示，以不同颜色来表示埋藏深度，弥补上述显示，以不同颜色来表示埋藏深度，弥补上述的不足的不足( (图图4-10)4-10)。35 43D显示超声波探伤基本原理显示超声波探伤基本原理 B B型和型和C C型显示型显示的的不足不足： 对于对于缺陷的深度和空间分布缺陷的深度和空间分布不能一次记录成象，不能一次记录成象，而而

39、3D3D显示技术显示技术能把能把B B、C C显示相结合产生一个显示相结合产生一个准三维的准三维的投影图象投影图象，同时能表示出，同时能表示出缺陷在空间的特征缺陷在空间的特征。为此，。为此，必须研究用必须研究用成象平面的成象平面的二维图象二维图象来表示出来表示出三维空间的三维空间的坐标关系坐标关系，可通过使，可通过使被检工件的三维空间坐标被检工件的三维空间坐标x x、y y、z z作适当的作适当的坐标变换坐标变换来达到。来达到。 经过坐标变换后，经过坐标变换后，成象平面上的成象平面上的X X、Y Y坐标坐标与与工件工件三维空间坐标三维空间坐标x x、y y、z z之间有如下关系：之间有如下关系

40、：36 C扫描的表达式扫描的表达式B扫描的表达式扫描的表达式 这两种情况是这两种情况是3D3D显示的特殊情况。显示的特殊情况。37 由上可知，通过由上可知，通过二个二个角函数发生器角函数发生器分别调节式分别调节式(4-5)(4-5)中中和和就可以把就可以把空间线段空间线段L的的直角坐标直角坐标作作任意变换任意变换，表示在存储示表示在存储示波器的波器的X-YX-Y平面坐标内平面坐标内。因此，它能使。因此，它能使缺陷的大小、形状及空间缺陷的大小、形状及空间位置位置以以三维平面象形式表示三维平面象形式表示，给人以直观感觉，缺陷就像处在，给人以直观感觉，缺陷就像处在透明体内一样，一目了然。透明体内一样

41、，一目了然。 38 外框线外框线表示表示扫描时超声波对试样的扫描时超声波对试样的作用空间作用空间，底部白色区域底部白色区域相应于相应于C型显示的无缺陷部分型显示的无缺陷部分，黑色区域黑色区域表表示示3个缺陷个缺陷在在底部的投影底部的投影，中间三中间三个白色块个白色块表示表示缺陷缺陷。 该图可清楚看出该图可清楚看出三块缺陷三块缺陷的的大小和大小和形状形状，以及缺陷的，以及缺陷的空间分布空间分布。 图图4-12是用是用M-200拍摄的拍摄的3D显示图象显示图象。39第第2节节 超声波探伤设备超声波探伤设备 超声波超声波探伤仪、探头和试块探伤仪、探头和试块是超声波探伤的是超声波探伤的重要重要设备设备

42、，了解其，了解其原理、构造、主要性能和用途原理、构造、主要性能和用途，从而，从而正正确选择和有效进行探伤确选择和有效进行探伤工作。工作。 一、探头一、探头 又称又称压电超声换能器压电超声换能器，是实现，是实现电电- -声能量声能量相互转相互转换的换的能量转换器件能量转换器件。 1 1探头的分类探头的分类 由于由于工件形状和材质、探伤的目的及探伤条件工件形状和材质、探伤的目的及探伤条件等等不同，因而将使用不同，因而将使用各种不同形式的探头各种不同形式的探头（图（图4-13)4-13)。40 1.1.探头的分类探头的分类41 1.1.探头的分类探头的分类42 1.1.探头的分类探头的分类431.1

43、.探头的分类探头的分类44 1.1.探头的分类探头的分类 (1) 直探头直探头 它是它是声束垂直于被探工件表面入射的探头声束垂直于被探工件表面入射的探头，可，可发射和发射和接收接收纵波纵波。图。图4-l。 (2) 斜探头斜探头 它利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的它利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头，图探头，图4-14。斜楔块斜楔块2用用有机玻璃有机玻璃制作，它与工件组成制作，它与工件组成固定倾角固定倾角的的异质界面异质界面，使，使压电晶片压电晶片3发射的发射的纵波纵波通过通过波型转换波型转换，以，以折射横波折射横波在工件中传播。其它组成部分同直探头。通常横波斜探头以钢

44、中在工件中传播。其它组成部分同直探头。通常横波斜探头以钢中折射角折射角标称标称:=40、45、50、60、70;有时也以折射角的有时也以折射角的正切值正切值标称：标称：K=tg=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。45 1.1.探头的分类探头的分类 (3) (3) 水浸聚焦探头水浸聚焦探头 基本结构见图基本结构见图4-154-15。声透镜声透镜由环氧由环氧树脂浇铸成树脂浇铸成球形球形或或圆柱形凹透镜圆柱形凹透镜，遵循，遵循折射定律折射定律可使可使声束会聚到声束会聚到一点一点或或一条线一条线，前者称，前者称点聚焦探头点聚焦探头，后者，后者称称线聚焦探头线聚焦探头。由于。由于声束会聚区能量集中

45、声束会聚区能量集中, ,声束尺寸小声束尺寸小, , 可提高可提高灵敏度和分辨力灵敏度和分辨力。 (4) (4) 双晶探头双晶探头 它又称它又称分割式分割式TRTR探头探头，内含，内含2 2个压电晶片个压电晶片, ,分别为分别为发射、接收晶片发射、接收晶片，中，中间用间用隔声层隔开隔声层隔开。主要用于。主要用于近表面探伤和测厚近表面探伤和测厚。46 2探头主要性能探头主要性能 v探头性能的好坏探头性能的好坏，直接影响着，直接影响着探伤结果的可靠性和准探伤结果的可靠性和准确性确性。因此，对其有关指标均有。因此，对其有关指标均有一定的要求一定的要求，并需，并需通通过测试，以保证产品质量过测试，以保证

46、产品质量。 v焊缝超声波探伤焊缝超声波探伤中常用的中常用的斜探头斜探头主要性能：主要性能： (1) 折射角折射角(或探头或探头K值值) ：或或K值大小值大小决定了决定了声束入声束入射到工件的方向射到工件的方向和和声波传播途径声波传播途径，是为缺陷，是为缺陷定位计算定位计算提供的有用数据。提供的有用数据。探头探头磨损后磨损后均需均需测量测量或或K值值。 (2) 前沿长度前沿长度：声束声束入射点入射点至探头前端面的距离至探头前端面的距离，又，又称称接近长度接近长度。反映探头对焊缝可接近的程度。反映探头对焊缝可接近的程度。入射点入射点是是探头声束轴线与楔块底面的交点探头声束轴线与楔块底面的交点，探头

47、在使用前和，探头在使用前和使用过程中要经常使用过程中要经常测定入射点位置测定入射点位置，以便对，以便对缺陷准确缺陷准确定位定位。 焊缝探伤，横波斜探头的前沿越小越好。o47 2探头主要性能探头主要性能 (3) 声轴偏斜角声轴偏斜角:它反映它反映主声束中心轴线主声束中心轴线与与晶片中心法线晶片中心法线的的重合程度重合程度，直接影响，直接影响缺陷定位和指示长度缺陷定位和指示长度测量精度。测量精度。 国标规定：主声束在国标规定：主声束在水平方向上的偏离水平方向上的偏离应应限制在限制在2范围范围内；主声束内；主声束垂直方向的偏离垂直方向的偏离，不应有明显双峰不应有明显双峰。 48二、超声波探伤仪二、超

48、声波探伤仪 主要功能主要功能: :产生产生超声频率超声频率电振荡电振荡，激励探头发射激励探头发射超声波超声波. .同时同时, ,它又将它又将探头探头送回的电信号进行放大、处理送回的电信号进行放大、处理，并通过一定方式，并通过一定方式显示显示。 1 1超声波探伤仪的分类超声波探伤仪的分类 按按超声波的连续性超声波的连续性：脉冲波、连续波脉冲波、连续波和和调频波探伤仪调频波探伤仪三种。三种。焊缝探伤焊缝探伤采用采用脉冲波脉冲波。 按按缺陷显示方式缺陷显示方式：A A型显示型显示、B B型显示、型显示、C C型显示和型显示和3D3D显示超声显示超声波伤仪波伤仪等。等。 49 1 1超声波探伤仪的分类

49、超声波探伤仪的分类 按按超声波的通道数目超声波的通道数目分为分为单通道单通道和和多通道探伤仪多通道探伤仪二种。二种。 前者前者由由一个或一对探头单独工作一个或一对探头单独工作； 后者后者由由多个或多对探头交替工作多个或多对探头交替工作，每一通道每一通道相当于相当于一台单通一台单通道探伤仪道探伤仪，适用于，适用于自动化探伤自动化探伤。 例如：例如：BCST-9型型双通道双通道超声波探伤仪；超声波探伤仪；CTS-20型型80通道通道声波探伤仪声波探伤仪(中厚钢板自动探伤设计的穿透式探伤仪器中厚钢板自动探伤设计的穿透式探伤仪器)等。等。 501 1超声波探伤仪的分类超声波探伤仪的分类 目前，目前，焊

50、缝探伤焊缝探伤中广泛使用的超声波探伤仪，如中广泛使用的超声波探伤仪，如CTS-CTS-2222、CTS-26CTS-26( (图图4-16)4-16)、JTS-5JTS-5、 JTSZ-1JTSZ-1等均是等均是A A型显示型显示脉冲反射式脉冲反射式单通道单通道超声波探伤仪超声波探伤仪。 51 2 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 A A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪相当一种相当一种专用专用示波器示波器。型号、性能有所不同型号、性能有所不同，其，其基本结构、工作原理基本结构、工作原理均均大同小异大同小异。 探伤仪电路探伤仪电路主要由主要由同步

51、电路、扫描电路、发射电路、接同步电路、扫描电路、发射电路、接收电路、显示电路收电路、显示电路、电源电路和辅助电路、电源电路和辅助电路等等单元电路单元电路组组成。成。电路原理框图电路原理框图见图见图4-74-7。 522 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 (1) 同步电路同步电路：又称：又称触发电路触发电路，仪器，仪器各部分的时序各部分的时序由它决定，即由它决定，即它产生使整个仪器调协工作的它产生使整个仪器调协工作的同步触发脉冲同步触发脉冲。通常由。通常由主控振荡主控振荡器器产生周期性的产生周期性的矩形同步脉冲矩形同步脉冲(输入波输入波)，经过经过微分电路微分电路产生产生微分微分波

52、波(正、负脉冲正、负脉冲)，再经，再经削波电路削波电路根根据需要用据需要用二极管二极管将将正脉冲或负正脉冲或负脉冲削去脉冲削去(图图4-17)。即可用此。即可用此正正或负脉冲或负脉冲去触发去触发扫描电路扫描电路和和发发射电路射电路等，使其同步工作。等，使其同步工作。 触发脉冲的时间间隔触发脉冲的时间间隔称为称为触触发周期发周期，其倒数就是，其倒数就是重复频率重复频率，一般为一般为50Hz10KHz。 532 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 (2) (2) 扫描电路扫描电路：又称：又称时基电路时基电路。它产生。它产生锯齿波电压锯齿波电压，使，使示波屏电示波屏电子束能沿水平方向自左

53、向右的匀速扫描子束能沿水平方向自左向右的匀速扫描。 扫描光点的位移速度扫描光点的位移速度V V与加在与加在示波管水平偏转板示波管水平偏转板上的上的锯齿波电锯齿波电压压U U有关。因此，只要控制有关。因此，只要控制锯齿波电压的斜率锯齿波电压的斜率，就能控制，就能控制扫描速度扫描速度，使之与声波在介质中传播时间相一致，达到使之与声波在介质中传播时间相一致，达到调节探测范围调节探测范围的目的。的目的。扫描电路扫描电路的的控制旋钮控制旋钮有探伤仪面板上的有探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延深度粗调、微调、扫描延迟迟旋钮旋钮。扫描电路框图及其波形，图。扫描电路框图及其波形，图4-184-18。 扫描电

54、路每秒钟内工作扫描电路每秒钟内工作次数次数取决于取决于同步脉冲同步脉冲的的触发次数触发次数。542 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 (3) 发射电路发射电路:为为缩小盲区、提高探测精度缩小盲区、提高探测精度,多采用多采用窄脉冲发射电路窄脉冲发射电路。 图图4-19工作过程工作过程 ：稳态时稳态时，晶闸管不导电晶闸管不导电，电容器电容器C充电充电(E（+） - R-C-谐振回路谐振回路-地地)。当。当正触发脉冲正触发脉冲加到加到晶闸管控制极晶闸管控制极使其导电时使其导电时,电容器电容器C通过晶闸管放电通过晶闸管放电(C(+)-晶闸管晶闸管-地地-谐振回路谐振回路-C(-) )，在

55、，在谐振回谐振回路内引起路内引起谐振谐振 。发射波发射波可为几百伏至上千伏的可为几百伏至上千伏的高压负脉冲高压负脉冲，加到，加到探头晶片探头晶片上，上，经过经过电电-声转换声转换，产生，产生高频高频机械振荡机械振荡，进入，进入被检工件被检工件, ,形形成成脉冲超声波脉冲超声波。001/(2)fL C55 (3) 发射电路发射电路 C0为探头为探头本身的电容本身的电容和和线圈线圈L0的分布电容及其它分布电容的分布电容及其它分布电容之和之和，L0为谐振线圈为谐振线圈。 R0称为称为阻尼电阻阻尼电阻，用，用发射强度旋钮发射强度旋钮可改变其阻值，可改变其阻值，阻值大则发射阻值大则发射强度高强度高。同时

56、，因。同时，因R0与与探头并联探头并联，改变，改变R0同时也改变同时也改变探头电阻尼探头电阻尼大小大小，即，即影响探头分辨力影响探头分辨力。 超声脉冲超声脉冲包括包括几个高频振荡周期几个高频振荡周期，它有一定的，它有一定的频带宽度频带宽度。控。控制制发射脉冲电压的高低发射脉冲电压的高低或或脉冲宽度脉冲宽度，就能控制超声波，就能控制超声波发射强度发射强度。 001/(2)fL C谐振谐振:探头探头562 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 (4) 接收电路接收电路 由由衰减器、高频放大器、检波器衰减器、高频放大器、检波器和和视频放大器视频放大器等组成等组成(图图4-20)。 因来自因

57、来自探头的回波信号探头的回波信号电压很微弱电压很微弱(毫伏级毫伏级)，而，而示波管全调制所示波管全调制所需电压需电压要要数十伏数十伏，所以，所以接收电路接收电路应具有应具有l05放大能力放大能力(即即100dB)。 同时，为使同时，为使缺陷回波缺陷回波信号电压信号电压能在能在放大器放大器内得到内得到正常放大正常放大，并，并在在示波屏的有效观察范围内正常示波屏的有效观察范围内正常 显示显示，使用，使用衰减器衰减器来改变输入到某来改变输入到某 级放大器级放大器信号电平信号电平。 dBdB（decibel,decibel,分贝）：表示声音分贝）：表示声音强度的单位。强度的单位。 dBdB在在超声探伤

58、中超声探伤中是是“增益调节单增益调节单位位”, ,也叫也叫“辐射当量辐射当量”，是，是超声超声波折算的单位波折算的单位。数值越大，辐射和数值越大，辐射和穿透力越强。穿透力越强。 57 (4) 接收电路接收电路 放大器放大器采用采用调谐调谐(LC)放大器中放大器中参差参差调谐放大器电路调谐放大器电路，探伤仪面板探伤仪面板上的上的增益、衰减器、抑制增益、衰减器、抑制等旋钮等旋钮是是放大电路控制旋钮放大电路控制旋钮。 注意注意：增益增益数值大，探伤灵敏度高数值大，探伤灵敏度高；衰减器衰减器读数大读数大，灵敏度降低灵敏度降低。 抑制旋钮抑制旋钮可可抑制草状杂波抑制草状杂波(图图4-21)，使用它会使，

59、使用它会使示波屏上显示的波示波屏上显示的波高与输入信号幅值高与输入信号幅值不成正比不成正比。同时，。同时，过度的抑制过度的抑制还有失去有用信还有失去有用信号的危险号的危险，故应慎用。，故应慎用。582 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 (5) 显示电路显示电路 主要由主要由示波管示波管和和外围电路外围电路组成。示波管中组成。示波管中电子枪电子枪发射的发射的聚焦电子聚焦电子高速轰击高速轰击示波屏示波屏，使，使荧光物质发光荧光物质发光形形成成亮点亮点。当。当接收电路接收电路送来的送来的信号电压信号电压加在加在垂直垂直(y轴轴)偏偏转板转板上；而作为上；而作为时间轴时间轴的的扫描电压扫

60、描电压则加在则加在水平水平(x轴轴)偏偏转板转板上，上，电子束电子束则按则按所加电压发生偏转所加电压发生偏转，显示出波形显示出波形. 因为因为1秒钟内能重复描出秒钟内能重复描出几十甚至几千次几十甚至几千次相互重叠相互重叠的相同图象，所以看上去的相同图象，所以看上去图象是不动图象是不动的。的。示波管示波管前装前装有有刻度板刻度板，可以读出，可以读出回波位置回波位置x及高度及高度y。592 2超声波探伤仪的工作原理超声波探伤仪的工作原理 (6) 电源电源 使用电压使用电压(220V)，仪器内部有供各单元电路使用，仪器内部有供各单元电路使用的的变压、整流及稳压电路变压、整流及稳压电路等。等。 携带式