超声波检测缺陷高度的方法讨论

毕业设计（论文）题目： 超声波检测缺陷高度的方法讨论学院：专业名称：班级学号：学生姓名：指导教师：年月

毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：超声波检测缺陷高度的方法讨论业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、超声检测设备一套；计算机2、毕设要求：(1)查找超声波检测缺陷高度的相关资料；(2)掌握超声检测原理；(3)掌握利用超声检测缺陷高度的工艺；(4)数据处理。业设计(论文)工作内容及完成时间：1、查找超声检测缺陷高度的相关资料并撰写开题报告；03.09－04.102、研究尖端衍射信号测量法；04.11－04.153、研究波型转换法等其它方法；04.16－04.304、研究该工件的超声检测工艺；05.04－05.155、完成数据处理；05.16－05.316、总结并撰写论文，答辩。06.01－06.26要参考资料：[1]牛向东.超声端点反射法测量裂纹自身高度的数字处理方法[J].无损检测,2001,23(7):298~301.[2]吴章勤,艾川,王闸.裂纹类缺陷自身高度的超声波测量[J].云南电力技术,2004,32(4):41-43.[3]夏建国,湛宏,韩君.衍射波法测定裂纹高度时的最小可测高度和高度测试精度[J].锅炉制造,2001,108(2):64-66.[4]MariaV.Felice.Accuratedepthmeasurementofsmallsurface-breakingcracksusinganultrasonicarraypost-processingtechnique[J],NDT&EInternational,2014,68105–112.[5]庞天国,罗涛.超声端点衍射法测量在役管道木材疲劳裂纹高度[J].无损检测,2012,34(6):76-78.学院专业类班学生（签名）：日期：自年月日至年月日指导教师（签名）：助理指导教师(并指出所负责的部分)：系（室）主任（签名）：附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。

声波检测缺陷高度的方法讨论学生姓名：班级：指导老师：摘要:由断裂力学可知，在评估零件是否会因某处缺陷而失效时，缺陷的自身高度与其距工件表面的距离都是非常重要的关键因素。本文主要对确定缺陷的自身高度的几种方法进行讨论。常用的检测方法有6dB法，端点衍射法，端点反射法。此外还有当量法与表面波法等。6dB曲法是超声测量缺陷长度的传统方法，也能够用来检测高度。其易于掌握，但适用范围有局限且误差较大。端点反射法是通过测量声波入射到裂纹顶端所产生的回波声程差来测定裂纹高度的，精度比较高。端点衍射法是本文着重探究的方法，选择三处不同尺寸的垂直于表面的开口缺陷，并在开口同侧面与异侧面分别进行测量，并用6dB法对同一缺陷进行验证。端点衍射法的难度较高，测量缺陷深度的基本原理是波的衍射，当超声波能量传播到缺陷端部时，其中所产生的衍射波会和其端点反射波一同被探头接收，在显示屏上衍射波可以通过反射波来确定，即位于端点反射波旁的第一个小波为衍射波。确定缺陷两端点所产生的衍射波后，通过测量它们之间的延迟时间差值，可计算得出缺陷自身高度。但若衍射波与反射波在显示屏上过于接近不利于分辨，则难以准确测算。因为随着缺陷自身高度的减小，衍射现象会越弱。可以通过使用高频率的探头，来降低检测的误差。关键词：超声缺陷高度6dB法端点衍射法端点反射法指导老师签名：

UltrasonicTestingofHeightofDefectStudentname:Class:Supervisor:Abstract:Thefractureshowedthat,inassessingwhetherthepartwillfailforsomedefects,defectsofheightanddistancefromthesurfaceoftheworkpieceisveryimportantkeyfactors.Thisarticlemainlytodiscussseveralmethodsofdeterminedefectheight.Detectionmethodsarecommonlyusedby6dB,endpointdiffractionreflectionmethodendpoint.Inadditionequivalentmethodandsurface-wavemethod.6dBsongmethodisthetraditionalmethodofultrasonicmeasurementofdefectlengthcanalsobeusedtodetecthigh.Itiseasytograsp,butthescopelimitationsanderrors.Endpointbymeasuringtheacousticreflectionmethodistheechooftheincidenttocrackthetopacoustic-pathdifferencemeasurementofcrackheight,precisionishigh.Tipdiffractionmethodsarewaysofpushingbackthepaper,choosethreeperpendiculartothesurface-breakingdefectsinvarioussizesandopeningwithsidesmeasuringwithdifferentsides,respectively,and6dBmethodtoverifythesamedefect.Endpointmethodofdegreeofdifficultyishigh,measuringdefectdepthisthebasicprincipleofwavediffraction,whenultrasonicenergytransmittedtothedefectattheend,thediffractionofwavesreflectedwavesreceivedbytheprobeanditsends,diffraction-wavecanbedeterminedbyreflectiononthedisplay,namelyfirstlocatedclosetoendreflectionWaveletfordiffractedwave.Afteryoudeterminethediffractedwavearisingoutofdefectsatbothends,bymeasuringthedelaybetweenthevaluescanbecalculatedflawheight.Butifthediffractionwaveandreflectedwaveintoocloseagainsttheresolutiononthedisplay,itisdifficulttoaccuratelymeasure.Withdecreasingdefectheight,diffractionwillbeweaker.Byusinghigh-frequencyprobetoreducetesterror.Keywords:Ultrasonic

defectsheight

6dBultrasonictipdiffractiontechniquetipechomethod

SignatureofSupervisor:目录第1章绪论1.1测量缺陷深度的重要性 第1章绪论1.1测量缺陷深度的重要性对于缺陷的深度进行准确的测量相当重要，在一些高精尖的行业领域，如航空航天、石化、电力与核等领域内特为尤甚。当零件中的裂纹超过临界裂纹尺寸时，该零件就会失效。当零部件的生产尤其是在役过程中，若未能发现并及时更换或维修失效零件，往往会造成灾难性的破坏。上个世纪五十年代，投入航线的9架“彗星”号客机，竟有3架在不到一年的时间里空中解体，而裂纹缺陷就是罪魁祸首。且在飞机解体前，裂纹导致机舱内气压突然下降，使人体肺部气体急骤膨胀而破裂，就已造成乘客死亡。在此事故之前人们对于裂纹的认识不足，正是这个惨痛的教训，才使得对疲劳裂纹的研究广泛开展。2011年北京某处电梯发生了导致人员伤亡的严重事故。经据分析，该事故起因于电梯驱动主机与前座板的一根联接螺栓的疲劳断裂，导致主机支座移位，上行扶梯下滑。但若零部件一旦检出裂纹便将其判为废品，无疑是种极大的浪费。利用断裂力学的理论则可以确定已有的微小裂纹是否有可能扩展至使零件失效的程度。但在确定断裂力学参量如应力强度因子时，需要用到裂纹的确切位置和大小等信息。因此我们必须要准确测量出裂纹的深度，这样才能有效地评估其对系统产生的影响是否危害到整体的稳定性等。对于较为微小的裂纹，测量其尺寸尤为有意义，因其危害性相对不大，加以维修常常不至于影响工件的正常使用。而超声检测作为无损检测领域内最为常用的方法，常用于对缺陷定量检测。断裂力学证明受压部件中平面缺陷（如裂纹）穿过壁厚的径向长度（自身高度），缺陷距表面及与其它的距离等都是评估其有效与否的关键因素，且平行于部件表面的裂纹危险性要小得多[1]。且在RSEM、ASME标准及国标JB/T4730-2005中，均明确指出在役设备若在实际检测中发现缺陷回波，对位于定量线与定量线以上的缺陷及已经判定为危害性的缺陷，都应进行埋藏深度、缺陷取向、自身高度和缺陷位置等参数的测定。1.2发展与现状早期，超声波检测仪仅采用模拟信号分析，除少数先进设备外仅有A扫描形式，对无损检测人员的的经验要求非常高，需要依靠人工记录波形、分析计算才能得出裂纹的深度。八十年代后期，单片机技术的不断发展使得超声波信号的数字化采集分析成为可能，国内外相继研发了数字式超声检测仪，提高了检测尤其是定性测量的效率，结合断裂力学，可进一步对构件的强度和剩余寿命做出评估。近十几年来，许多另外神经网络技术在超声检测中的运用也越来越广泛，其主要是实现缺陷类型的识别，如何利用神经网络与超声技术结合测量缺陷大小的研究较少。较为显著的研究有L.N.Konmsky等，其团队实现了利用工人神经网络对缺陷大小的定量识别，将时域反射透射幅度比选为特征量，取得了令人满意的准确度。目前，将成像技术、信号分析与处理技术、自动化控制技术人和工智能技术应用在超声检测中已经成为发展趋势。逐步实现通过图像来直观展现内部缺陷，利用现代数字信号处理技术来替代人工主观判断计算来进行缺陷的定性定量分析和无损评价。近年来我国利用数字波形相位延时技术，并研发成功多通道相控阵超声检测实验系统，其发射延时分辨率也屈指可数。另外中国石油天然气管道科学院与各单位联合，采用电子方法及对超声波的相位控制，实现了超声波声束偏转和聚焦。相比国外同类产品，增添了三维动态缺陷显示功能，还能实现横向裂纹的扫描检测。我国利用数字化多通道超声检测技术加以结合自动化控制技术，在对曲面类构件、中小型管道类的无损检测更方面有所突破。在国外，美国的Panametrics公司、PAC公司、GE公司、德国的Krautkraemer公司、英国的Sonatest公司、UltrasonicSciences公司、法国的SOFRATEST公司所生产的超声探伤仪在国际上均处于领先地位。由美国Panametrics公司所生产的EPOCH4PLUS数字式手持便携式的超声探伤仪，操作简便且扫描范围广达1~10000mm，频率范也围大，模拟带宽可达25MHz，测量精度极高，对裂纹的深度测量误差小。德国KrautKraemer公司研发的USN60型智能超声探伤仪，自带曲率矫正的三角缺陷先定位计算功能，声程范围从1mm至27940mm，覆盖从薄壁到大声程工件，且支持智能观察。但这些进口设备，购价高昂，普及程度远远不如国内同类产品。但总体上超声检测法在缺陷的定量分析中智能程度不高，依然对检测人员有较高的要求，因其不可得到直观的数据，需要进行进一步计算才能确定缺陷深度，一些形状不规则的工件甚至需辅以其它检测方法进行综合分析才可得出最终结果。扫查过程常受到检测人员经验及技术的影响，测量结果的准确性得不到保证。这些问题尚亟待解决。目前最广泛使用的是脉冲反射法，当采用此法测量裂纹缺陷时，纵使仪器的各项性能均非常优异，检测人员操作也十分规范，但在缺陷的定量上仍不尽如人意。例如探头平移或转动时，反射波虽会连续出现，而波幅却会改变，对检测人员的判断造成干扰，且对缺陷自身高度的测定精度有待提高，尤其是对于高度小的裂纹（<2mm）,检出率很低。美国Marshall研究组通过调查统计大量厚钢板焊缝的超声无损探伤情况（如表1），发现用超声检测法确定缺陷高度的精确度不容乐观。统计表明，当缺陷高度为6.35mm时，缺陷检出率仅为42%，且误差较大。如何提高裂纹高度测量的精确度，是国内外无损检测领域共同关心的问题。本实验主要通过用不同种方法检测同一裂纹，比较其精度，综合分析得出各种方法的优越性，旨在探究如何选择检测方法，使得超声检测对裂纹高度的测量精确度有所提高。

第2章实验原理2.16dB法2.1.1检测原理6dB曲法是超声测量缺陷长度的传统方法，但也能够用来检测高度。根据声学理论可知距离增加一倍，声压级减少6dB

，在示波器上即显示为，当增益降低6dB时波高恰为原来的二分之一，因此6dB法又称半波高度法[2]。当端部回波明显易于分辨，以端部最大回波处作6dB法的起点；当缺陷回波只有单峰且变化较明显时(如图2.1)，便将最大回波处作为起点；当回波高度变化很小(如图2.2)，则将回波迅速降落前的半波高处，作为6dB法测高的起点。移动探头使之偏离缺陷边缘，直到回波高度降低6dB。此时，记录声程长度并标记探头入射点的位置，结合声束角度等信息，即可利用三角形定理计算出裂纹高度。图2.1缺陷回波只有单峰且变化较明显图2.2缺陷回波高度变化很小2.1.2检测方法若裂纹为内部缺陷，则缺陷自身高度：ΔH=(W2－W1)2·cosθ(2.1)式中:W1(mm)和W2(mm)分别为声波入射点至缺陷上、下边缘位置处的声程，可直接从显示屏上读出，θ(°)为折射角，其正切值即为探头K值。若裂纹为表面开口缺陷：1）当缺陷开口处与检测面同侧时，缺陷自身高度：ΔH=W·cosθ(2.2)式中:W(mm)为入射点至缺陷下边缘位置的声程，θ(°)为折射角。2）当缺陷开口处与检测面异侧时，缺陷自身高度：ΔH=t－W·cosθ(2.3)式中：t(mm)为壁厚；W(mm)为入射点至缺陷上边缘位置的声程；θ(°)为折射角。2.2端点衍射法：2.2.1衍射原理：端点衍射法测量缺陷深度的基本原理是波的衍射，而声波的衍射是以散射为基础的。当声波遇到与其波长相当的障碍物或小孔时，入射波便会朝各个方向散射。由惠更斯－菲涅尔原理可知，此时障碍物或小孔附近的声场是由入射波与散射波叠加所形成，当入射波频率较低时，在障碍物附近的散射波很弱，总声场的参数基本上取决于入射声波，便产生了入射声波绕过障碍物的边缘并继续传播到其背面形成衍射波的现象[3]。当障碍物尺寸小于波长或近似相等时，则会出现声波的衍射。不仅如此，当障碍物尺寸较大时，障碍物边缘也会出现衍射声波，并以端点为圆心呈现圆心展衍。但波长越长或障碍物尺寸越小，这种衍射现象就越明显。如图2.3所示即为声波衍射现象。衍射波的强度由缺陷端部的形状与尺寸所决定的。对于裂纹及未焊透等线状缺陷，当声束对准其端部时，会得到具有对称性的柱面的散射波，其入射波和散射波叠加后所得的衍射波强度较大，比较容易识别[4]。但如小气孔等呈圆形的缺陷，得到的散射波为较弱的球面波，入射到缺陷端部的声束界面都有一定的宽度而大部分柱孔直径都远小于声束截面积。其衍射回波强度也远小于平面状缺陷。利用端点衍射发测量缺陷高度，当超声波能量传播到缺陷端部时，其中所产生的衍射波会和其端点反射波一同被探头接收，在显示屏上可以通过反射波来确定衍射波即位于端点反射波旁的第一个小波为衍射波。确定缺陷两端点所产生的衍射波后，通过测量它们之间的延迟时间差值，计算得出缺陷自身高度[5]。如图2.4所示。图2.3衍射现象图2.4端点衍射回波法测缺陷自身高度2.2.2测高方法对于开口缺陷：(1)检测面与缺陷开口异面时，检测原理如图2.5所示。反射波高80%(b)衍射波图2.5检测面与缺陷开口异面时记录缺陷反射回波高度调为荧光屏80%时的ΔC(如图2.5a)后，再将灵敏度提高15dB～25dB，沿缺陷伸展方向移动探头进行扫查，观察声束轴线，当其完全离开缺陷端点后找到第一个峰值回波即端点衍射波。记录端点距探测面距离ΔDW，如图2.5b）。(3)按(2.4)式即可求出缺陷自身高度ΔH=ΔC－ΔDW(2.4)(4)检测面与缺陷开口同面时，如图2.6。如(2.5)式计算缺陷自身高度：ΔH=ΔDW(2.5)图2.6检测面与缺陷开口同面时1对于零件内部缺陷(a)单斜探头对零件内部垂直缺陷测高将探头置于任一探测面，前后缓慢移动探头扫查缺陷。当找出缺陷的上下端点反射波后再微动探头，找到缺陷上端点前与下端点后紧邻出现的上下端点衍射回波入，并记录其位置，按(2.6)式计算缺陷自身高度。ΔH=ΔDW下－ΔDW上(2.6)(b)单斜探头对零件内部倾斜缺陷测高缓慢移动探头在探测A、B端点扫查缺陷，确定A点和B点衍射回波后，再精确测量探头移动距离L1，然后将探头移到对应侧，用同样的方法测得L2。见图2.7.图2.7单斜探头对焊接接头内部倾斜缺陷测高方法因其为倾斜缺陷，所以当L1和L2的数值是不等的。若其数值相等，那么可判定该缺陷为垂直缺陷。按照式(2.7)可计算出缺陷的倾角θ：θ=tan-1×[(L－ΔH·tanβ)/ΔH](2.7)则倾斜缺陷长度AB由三角形定理可得：AB=［(L－ΔH·tanβ)2+ΔH2］1/2(2.8)式中：AB——缺陷倾斜长度，mm；ΔH——缺陷倾斜高度，mm；tanβ——斜探头折射角正切值；L1、L2——探头从B点移动至A点的距离，mm。(c)双斜探头“V”形串接法测高。当缺陷埋深较深，或是端点部的散射波淹没衍射波致使衍射信号无法识别时，则采用双斜探头“V”型串接法进行测高（见图2.8）。图2.8双斜探头“V”型串接法进行测高按如下步骤操作：(1)一般选择两只相同型号且K值相同的球晶片聚焦斜探头，但常规探头亦可。(2)先用单斜探头测定缺陷的上下端点距探测面的深度。端点衍射波的识别可参考图2.6。(3)把仪器工作状态转换成一发一收，并置探头1于缺陷上端点的位置，探头2则放在缺陷的另一侧与之对称的位置，调节增益使得反射波幅至荧光屏的80%。(4)移动探头2，当其端点反射波幅度至荧光屏的80%时，固定探头2。再移动探头1扫查端点反射波。当其前方出现新的最高反射波信号或者该波波幅达到最高时，将探头1固定，再次移动探头2，扫寻上端点衍射回波，如此轮流移动两探头，便可最终确认缺陷端点衍射波。测定缺陷端点衍射波的时间延迟差值，即可求出缺陷上端点至距探测面的深度ΔDW上。(5)按照上述步骤依此轮流移动两探头，以确定缺陷下端点衍射波，并获得缺陷下端点距探测面的深度ΔDW下。按式(2.9)计算缺陷高度：ΔH=ΔDW下-ΔDW上(2.9)2.3端部最大回波法2.3.1检测原理当超声波声束入射到裂纹的端点时，依据惠更斯原理，在裂纹尖端横波会形成次生源而产生衍射，即为端部衍射回波。另一部分沿着原路被反射的声波，称为端点反射回波。反射回波与衍射回波的强度，与入射角有关。假如端部的反射面与入射波方向垂直，则衍射波很弱甚至消失，而反射波的强度会很大[6]。端点最大回波法便是通过测量声波入射到裂纹两端所得的回波声程差来测定裂纹高度的，精度比较高。使用端部最大回波法测量缺陷高度时，一般情况下使用直射波法，在直射波实在难以分辨时也允许采用一次回波法。2.3.2测高方法尽量从多个方向用探头沿着缺陷的延伸方向扫查，或用不同K值的探头进行反复操作，确保缺陷端点不被漏检。当检测面积型或体积型缺陷时，必须沿长度方向在几个位置作测定，同样是为了保证却缺陷端点不被漏检。在测定缺陷高度时，应在垂直于缺陷延伸长度的方向，进行前后扫查，这样才能获得最大反射回波。扫查时应适时转动探头，以便可以在缺陷端部的形状不同时也能清晰地测出端部回波。若探测到多个杂乱波峰，则以能找出的缺陷最大自身高度的回波为缺陷端部回波，如图2.9所示。缺陷两端的峰值回波A和A1，定为测定时的基点[7]。一般情况下，选取端部回波波高占荧光屏满刻度50%时的回波前沿值的位置为基点（见图2.10）。图2.9用端部最大波幅法测缺陷自身高度图2.10端部回波声程读数若为内部缺陷：如图2.11(a)所示，探头前后扫查，按式(2.10)求出缺陷高度,或深度1:1调整时基线，可以直接测定。ΔH=(W2-W1)×cosθ(2.10)式中：W1和W2分别为缺陷上、下端部峰值回波处距入射点的声程,θ为折射角。(a)内部缺陷(b)表面开口缺陷图2.11缺陷高度的测定方法若为表面开口缺陷：如图2.11b所示，探测出缺陷端部的最大回波，记录声程并代入式(2.11)和式(2.12)式则可求出缺陷高度ΔH。(1)缺陷开口处与探伤面在同一侧时［见图2.11b右半图］ΔH=W·cosθ(2.11)式中W(mm)——缺陷端部峰值回波处距探头入射点的声程，θ(°)——折射角。(2)缺陷在探测面的对面时[见图2.11b左半图]ΔH=(t–W)·cosθ(2.12)式中W(mm)——缺陷端部峰值回波处距探头入射点的声程，θ(°)为折射角，t(mm)——壁厚。2.4波形转换法在现有仪器具有较高的精确度的情况下，还可采用波型转换法测高。在超声波入射至裂纹型缺陷端部时，其中一部分被反射而沿原路返回被探头接收，另一部分则发生波型转换成为表面波，并顺着裂纹缺陷平面传播[8]。当其传到裂纹根部时，一部分在裂纹根部尖端处产生绕射，顺着裂纹高度方向反向传播，而一部分直接被反射后顺着裂纹高度方向反向继续传播。当两波到达裂纹顶端时会又一次发生波型转换，并最终为探头所接收(R波)由于裂纹的宽度一般很小，因此这两种表面波在裂纹延伸方向的传播时间是相同的[9]。只要确定S波与R波的间距，即可通过计算得出裂纹高度。2.5当量法该方法原理比较简单，即扫查出自然缺陷回波并与试块上人工缺陷回波进行比较，在两缺陷的回波等高且声程相同时，则可判定出该自然缺陷的当量大小就是试块上人工缺陷的尺寸，通过进一步计算即可求得自然缺陷的实际大小[10]。但该方法操作起来十分复杂，不仅需要制作大量试块还要考虑表面补偿等因素，且仅在测定厚度较薄的工件的表面小裂纹适用，因此不作为常用方法。2.6表面波法表面波具有只在固体介质表面进行传播的特性,在测量表面开口的裂纹时可采用表面波延时法来。用表面波测量裂纹自身高度有强度法和延时法两种，但强度法只能用来测量长度小于两倍波长的缺陷[11]。因裂纹对表面波有延时作用就可以此来计算裂纹的深度。即表面波通过裂纹时要经过一段时间,在探伤仪显示屏上的反映是对应有一段水平距离,通过测量这段距离即可确定裂纹的自身高度(深度)。但当缺陷内含油、水或其它等液体时,表面波有可能跨越缺陷开口,使测试误差加大,测量值小于实际裂纹深度[12]。测量缺陷高度还有其它一些方法如声影法和爬波反射法、横波聚焦顶端回波法和声影法测量裂纹深度和高度。经过验证这几种方法测量的精确度也很高，解剖值和测量值的误差不大于12%。但论文选仅取端点衍射法进行实验,同时还以传统的6dB法及端点反射法进行了同样的测量,并进行对比。

第3章实验3.1实验准备3.1.1CTS-1010数字超声探伤仪该仪器是由我国汕头超声仪器研究所生产的，采用了领先于国内业界的多项技术。其采样频率最高可达640MHz，能够在保证速度的情况下对缺陷回波信号进行显示和智能分析，不会漏掉弱小信号的变化，对细节也能及时响应。这一点使回波信号的实时性和真实性得到了保证。使用了FIR数字滤波技术，有较高的信噪比，在检测高衰减材料或厚工件时变现好。阻尼电阻可依据情况设置为400Ω或80Ω。能够调节激励脉冲为负方波，发射电压在25v至250V连续可调，步进为25V。宽度30ns至1000ns连续可调，步进为5ns。脉冲还可实现自动优化，在400Ω/200V设置时，双沿小于10ns,高频时自动优化为脉冲激励，使得在检测复合材料与薄工件时拥有高分辨率。其检测范围可从0.0mm连续调整至10000mm

(钢纵波)

，最小步进值

0.1mm。拥有正向、负向、全波、射频这四种检波方式。报警信号由硬件及两路闸门实时驱动，进波报警、失波报警、DAC曲线报警，报警信号为声、光报警。测量方式为峰值或前沿。主要详细参数如下。

CTS-1010数字超声探伤仪的详细参数工作方式单、双工作频率分宽带、窄带两档，宽带：0.5～15MHz，窄带：1.5～3MHz增益0.0～110.0dB

，步进值：0.1、1.0、2.0、6.0dB；0.1dB档提供智能加速调节功能声速范围1000～15000m/s

，连续可调检测范围0.0～10000mm

(钢纵波)

，连续可调，最小步进值

0.1mm脉冲移位-7.5～3000μs探头零值0～999.9μs脉冲重复频率25～800Hz，自动调节方式垂直线性误差≤3%水平线性误差≤0.4%灵敏度余量≥60dB

(200Φ2平底孔)分辨率≥36dB(5P14)动态范围≥32dB抑制(0～90)%，不影响线性与增益电噪电平<10%

(钢纵波，250mm)3.1.2耦合剂探头与工件之间须填充耦合剂才能使超声波有效地传入工件，使探测面上的声强透射率得到了保障，以达到检测的目的[13]。耦合剂起到了在工件与探头接触面上排除空气的作用，能够充填微小凹坑和间隙并兼有防止探头磨损和润滑的功能。本次实验选用机油作为耦合剂。3.1.3探头探头是以超声换能器为主要原件可用于超声发射和接收的器件。原则上上选用探头时，频率应考虑节能，声束也应尽可能窄[14]。尤其是对于裂纹类缺陷，应尽量实现声束垂直入射。本实验选用2.5P13×13K1横波斜探头,其频率为2.5MHz。因为K1探头波束轴线基本可以打在缺陷中间，定位准确。且在JB/T4730.3—2005中有明确指出在测量缺陷高度时应选K1，2.5MHz～5MHz探头为宜。3.1.4试块选用三块刻槽含碳钢试块，在其表面分别刻有1mm、2mm、3mm开口槽若干，由济宁模具厂生产的。3.2实验步骤在进行试验前先将被检试块的参数输入探伤仪，并选取R50mm作为参考反射面。如图3.1，将斜探头如图置于CSK-IA试块上，图3.1测定声速先顺着试块的方向前后移动探头，找到R100的最大回波并调节增益将波高调至显示屏的60%~80%的高度，后再左右移动探头，使得R50的回波与R100的回波等高。固定探头并移动波门，使其框住R50回波，按下测定声速的按钮即可测得声速。再按下测定延时的按钮便可得到延时。用钢尺测量出探头前沿至试块前段的距离，记录为L。松开探头，再次扫查找到R100回波的波峰，再次用钢尺测量L的数值，记录后再重复上述步骤，再次测量L的数值。将CSK-IA翻转倒置，照图3.2放置探头，前后移动探头，待R50回波最大时固定探头，按下择定K值的按键，得到K值的确切数值。至此定标完毕。测得K为1.03，前沿长度为14.5，延时7.26μs.图3.2测量K值分别在刻有1mm、2mm、3mm深的槽的背面进行探测。探头与刻槽的延伸方向垂直如图3.3所示，在背面相应位置扫查。图3.3扫查依照前述步骤，找到最高一次反射回波并通过将其高度调整为显示屏的80%，在刻有1mm与2mm及3mm槽上的波形分别如图3.4、图3.5、图3.6所示。再将增益提高，找到缺陷衍射波。如图3.7、图3.8、图3.9所示。图3.4检测1mm缺陷时调整反射回波高度为荧光屏80%图3.51mm的端点衍射回波ΔH=ΔC－ΔDW=9.4－7.8=1.6mmδ1=（1-1.6）÷1=-60%图3.6检测2mm缺陷时调整反射回波高度为荧光屏80%图3.7检测2mm的端点衍射回波ΔH=ΔC－ΔDW=9.3－7.7=1.6mmδ2=（2-1.6）÷2=20%图3.9检测3mm缺陷时调整反射回波高度为荧光屏80%图3.102mm的端点衍射回波ΔH=ΔC－ΔDW=9.3－6.7=2.6mmδ3=（3-2.6）÷3=13.3%再于开口面检测缺陷高度，结果如下。图3.11于开口侧扫查1mm缺陷发现衍射波不明显，与反射波混淆难以分辨。¿图3.13于开口侧扫查3mm缺陷所得的衍射回波ΔH=ΔDW=4.1mmδ4=(3-4.1)÷3=﹣36.7%数据分析：在开口面检测时，测量3mm的缺陷的相对误差的绝对值最小为36.7%，而测量1mm缺陷时的无法分辨缺陷的反射波与衍射波不能完成测量。在开口背面检测时，测量3mm缺陷时的相对误差最小，仅为13.3%，缺陷1mm时的相对误差非常大，高达60%。总体上，在开口面检测的相对误差比在开口背面检测大非常多，于开口背面检测缺陷高度的精度相对较高。通过观察发现，缺陷尺寸越大其衍射波与反射波的间距也越大。在开口侧检测时，3mm缺陷的反射波与衍射波的间距最大，在开口背面检测时也是相同情况。因为反射波与衍射波间距越大，则越好辨别衍射波，精度就会较高。

第4章总结通过观察，使用端点衍射法时，缺陷高度越小，其衍射波距离缺陷端点反射波越近，不利于观察，因此检测的相对误差也较大。这是因为当缺陷的端点衍射波信号与缺陷端部的散射波信号时间差接近甚至小于半个周期时,在显示屏上即显示为两信号距离较近甚至相互叠加，这会对分辨造成极大的干扰。而当脉冲宽度减小时,两相邻回波信号的分辨力则较高[15]。选择频率较高的探头，对检测有利。但金属组织结构在频率偏高时会产生干扰信号,其信号甚至会大于端点衍射波信号[16]。因此，必须确保在该高频下不会出现金属组织结构噪声。总而言之，采用端点衍射法测量裂纹高度,以裂纹棱端在入射波激励下所产生的衍射波的传输、渡越时间为依据，会比传统的以回波波幅为依据的相对灵敏度法和端点回波峰值法测量精度有所提高，是非常实用的检测方法。

参考文献牛向东.超声端点反射法测量裂纹自身高度的数字处理方法[J].无损检测,2001,23(7):298-301.吴章勤,艾川,王闸.裂纹类缺陷自身高度的超声波测量[J].云南电力技术,2004,32(4):41-43.夏建国,湛宏,韩君.衍射波法测定裂纹高度时的最小可测高度和高度测试精度[J].锅炉制造,2001,108(2):64-66.MariaV.Felice.Accuratedepthmeasurementofsmallsurface-breakingcracksusinganultr-asonicarraypost-processingtechnique[J],NDT&EInternational,2014,68105–112.庞天国,罗涛.超声端点衍射法测量在役管道木材疲劳裂纹高度[J].无损检测,2012,34(6):76-78.姚力.环缝缺陷超声波定量检测方法的探讨[J].无损探伤,1998(2):11-16.全国锅炉压力容器标准化技术委员会.JB/T4730.1-4730.6-2005承压设备无损检测[S].

北京:\o"中国标准出版社"中国标准出版社:130-141林介东.超声波聚焦针探头端点回波法测定缺陷高度的研究[J].无损检测,1992,14(l1):301-303.Y.Ogura.AmeasurementontheSizesofInternalDefectsUsingModeConvertedSurfaceattheDefect[J].JournalofJSNDI,1995,28(3):182-190.R.W.尼柯尔斯编,陈树宁译.压力容容技术进展[M].北京:机械工业出版社,1994.108-114OgilvyJA.DiffractionofElasticWavesbyCracks:ApplicationtoTime-of-flightInspectio-n[J].Ultrasonics,2001,21(11):259-264.董欣,韩晓华,孟令华.透射波半高度法测量裂纹高度的研究[J].中国测试,2012,38(6):9-12.RhoderickGC，YenJH.DevelopmentofaNISTstandardreferencematerialcontainingt-hirtyvolatileorganiccompoundsat5nmol/molinnitrogen[J].AnalyticalChemistry,2006,78(9):3125-3132.柯常波,陈铁群.基于BP神经网络的超声无损测定表面开口裂纹高度[J].兵器材料学与工程,2007,30(1):17-20冯云国,刘广兴,张丙法.端点衍射法测量焊接接头内部缺陷高度[J].无损检测.2012,34(7):42-45.T.Balasubramanian,R.J.Pardikar.UltrasonicSizingofEmbeddedVerticalCracksinFerriticSteelWelds[J].TheoreticalandAppliedFractureMechanics,2003,40:145-151.

致谢倏尔四年光阴已逝，仍是如往常一般生活于学校，却恋恋然怅怅兮却如客者一般，也确实是客者了，就要告别了这处让我稚嫩渐退去沉稳增的学校了。回首之际，甚至觉得连一草一木都需要感谢。感谢大学四年来老师们的谆谆教诲，让我从对无损检测一无所知到能够以它为职业来养活自己。是老师们将让我把一个个未知的理论生动由浅入深，存入自己的脑海，还是老师再如变戏法一般，用实验演绎理论，令我牢记在心。老师的批评及对我的鞭策，也都需要感谢，这些严厉的言辞使得我不至于落向更荒谬的错误。在这四年里，老师的严格要求和考试的压力令面对抽象理论知识的我，偶有挑灯夜战的夜晚，而那些和友人一起深夜复习功课讨论学业与人生理想的日子，在学业上得到长进的同时，也无形中加深了同学们之间的感情。也要感谢他们，课业上或困难或深奥的问题，都以一种轻松的口吻嬉笑讲述将学术的枯燥一一扫去，知识变成了生动美好的东西，更令我对其向往渴望追求。毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：超声波检测缺陷高度的方法讨论业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、超声检测设备一套；计算机2、毕设要求：(1)查找超声波检测缺陷高度的相关资料；(2)掌握超声检测原理；(3)掌握利用超声检测缺陷高度的工艺；(4)数据处理。业设计(论文)工作内容及完成时间：1、查找超声波检测缺陷高度的相关资料并撰写开题报告；03.09－03.202、研究尖端衍射信号测量法；03.21－04.153、研究波型转换法等其它方法；04.16－04.304、研究该工件的超声检测工艺；05.04－05.155、完成数据处理；05.16－05.316、总结并撰写论文，答辩。06.01－06.26要参考资料：[1]史亦伟.超声检测.机械工业出版社[2]李以善.无损检测员:超声波检测.机械工业出版社[3]宋天民.焊接接头无损检测.中国石化出版社[4]G.Diagiacomot,Anultrasonicmethodofmeasuringcrackdepthinstructuralweldments,MaterialsEvaluation(1970)28–29.[5]I.Katoh,Y.Sakurai,T.Matsumura,Themeasurementofflawheightbyultrasonictesting,Hihakaikensa,JournalofNDI26(5)(1977)320–323[5]I.Katoh,Y.Sakurai,T.Matsumura,Themeasurementofflawheightbyultrasonictesting,Hihakaikensa,JournalofNDI26(5)(1977)320–323 毕业设计（论文）开题报告 题目超声波检测缺陷高度的方法讨论专业名称班级学号学生姓名指导教师填表日期年月日

一、选题的依据及意义：通过多年来对压力容器检测实践表明，内部裂纹造成的事故远要甚于腐蚀得多。裂纹是焊缝中危害性最大的一种缺陷，它属于条面对面状缺陷，在常温下会导致焊缝的抗拉强度降低，并随着裂纹所占截面积的增加而引起抗拉强度大幅度下降。另外，裂纹的尖端是一个尖锐的缺口，应力集中很大，它会促使构件在低应力下扩展破坏。所以在焊缝中裂纹是一种不允许存在的缺陷。一旦发现必须进行全部清除或将所焊容器(构件)判废。英国曾经对十万个压力容器进行调查，运行一年共发生132件破坏事故，按照事故原因统计原因，由于裂纹扩展造成的破坏占总数的比例高达89.3%。因而对裂纹类缺陷的检测和监控极为重要。根据断裂力学研究证明，带有尖锐边缘的平面缺陷（如裂纹）危险性最大。同时还证明受压部件中平面缺陷穿过壁厚的径向长度、缺陷距表面及与其它缺陷的距离等都是关键性的重要尺寸，而平行于部件表面的裂纹长度是次要的。因此对裂纹类缺陷的自身高度进行精确测量，是运用断裂力学进行承压部件寿命评估的前提，也是评估精确程度的重要决定因素。但使用传统超声检测技术检测裂纹，其结果往往不直观，也容易受到人为干扰，后期计算也较为复杂。为了有效地提高对裂纹检测的可靠性，开展对裂纹深度检测的方法的探索是很有必要的。

二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：国内外，对裂纹的超声检测结果的精确度有较高要求的同时，另一方面对检测过程的自动化程度要求也越来越高。总体呈向着智能化数字化的方向发展的趋势。在国外德国的krautraemer公司和美国的panametrics公司和美国的PAC公司的所生产的超声检测仪较为先进，它们早在上个世纪70年代就将超声检测与电子技术等相关科学联系起来，实现了对缺陷信号的定量，自动读数，自动识别报警等功能。而从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，能代替人类，对人类不易接触的部位对构件中的裂纹进行检测，大大降低了人工工作强度。例如日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人，移动速度约60m/h，重约140kg，采用16个超声探头可以对运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK公司研制的机器人借助管道内液体推力前进，可以测量输油管道腐蚀状况，其检测精度小于1mm。丹麦Force研究所的爬壁机器人，重约10吨，采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。在20世纪末国外还将相控阵技术应用在缺陷检测上。采用相控阵探头，能通过电子扫描实现高速探伤。且避免了采用端部衍射的回波发时所要进行的复杂计算，可利用探伤仪具备的标尺指针，很轻易地计算出缺陷的深度信息。美国的

Imperium公司是世界上唯一可以提供全视频相控阵超声波成像仪的企业，图像可实时的显示在液晶显示屏LCD上或PC上，使用者解释起来很方便。而且它操作简单，使用灵活。它只需更换传感器就可以使同一系统使用不同的频率。在国内，2013年管道局检测公司研制的国内首套电磁超声裂纹检测器完成整机牵拉试验。电其运用到了电磁超声裂纹检测技术，该技术不但具有超声导波的所有优点，还使得不需与被测物体接触就能够测得裂纹有关参数成为可能，尤其适用于高温高压管道的在线监测。但和发达国家还是存在差异，检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，年轻的检测人员缺乏切实的实践经验，导致现有的超声检测技术对复杂裂纹的检测可靠性降低。此外由于国外技术垄断而国内技术尚不成熟，先进检测设备多由国外高价进口，这十分不利于降低裂纹检测的检测成本，急需加强对裂纹检测的技术投入。

三、研究内容及实验方案：3.1研究内容:在实际应用中6db法(如图1)，表面波延时法，端点衍射波法(如图2)以及端点反射波法（如图3）均能有效对裂纹高度进行测量。6db法是超声测量长度的传统方法，通常是探头找到最大峰值后向相反的二个方向水平移动使回波峰值下降一半时的波束中心线距离即为长度，该长度称为指示长度但并非裂纹的真实长度。这种方法可以用来测高，但是误差较大。明确其误差来源是什么，通过方法改进如何减小误差，也是我们探究内容。对表面开口的裂纹可采用表面波延时法来测量裂纹深度，该法主要是通过裂纹对表面波的延时作用来计算裂纹的深度。但当缺陷内含油或水等液体时，表面波有可能跨越缺陷开口，使测试误差大大增加。此外，缺陷的端部太尖锐接收到超声波信号很低甚至接收不到。缺陷表面过于粗糙也会造成误差增大。由此探究当缺陷表面粗糙时，利用何种超声检测方法较为精确。超声端点衍射法是通过测量裂纹端点衍射回波的延迟时间差值来求得裂纹高度的。但是已知衍射波的强度很弱难发现，所以用衍射波测量裂纹高度有较大的难度。当测量缺陷高度时，探究何种情况下优先采用利用超声端点衍射法。端点反射回波法是通过测量主声束入射到裂纹顶端时，所产生的端点回波声程计算裂纹的高度，具体该怎样简化此方法进行后续计算，得出正确结果。图1用6dB法测缺陷自身高度图1：端点衍射回波法测缺陷自身高度图2端点反射法测缺陷自身高度通过实验分别使用这四种方法对裂纹进行检测并计算其高度，对比计算数据与裂纹的实际高度，分别得到几种方法的精确度，从而确定各种方法的最为适用的情况。3.2实验方案：（1）校准时基线，并进行距离修正。使用超声端点衍射回波法，对三块不同的含人工缺陷试块实验，并计算其缺陷高度。（2）使探头沿缺陷方向进行扫查。使用超声端部最大回波法，对上述三块含人工缺陷试块进行测量，计算其缺陷高度。（3）采用6db法，分别对三块含人工缺陷试块检测，观察缺陷在高度方向的延伸观察回波包络线的形态，并计算其缺陷高度。（4）计算数据，分别得出三块含有人工缺陷的试块用各方法检测所得的缺陷误差。对比分析得出结论。

四、目标、主要特色及工作进度4.1研究目标：(1)通过实验研究，总结出利用几种不同的超声原理测量裂纹高度的特点；(2)熟悉掌握几种超声检测裂纹高度的原理和步骤；(3)熟练采用超声A扫描检测方法对焊缝进行检测；(4)通过对比四种检测数据，分析得出各方法的试用情形；(5)了解明确将来利用超声检测裂纹高度的发展趋势。4.2主要特色：对同种检测方法，使用不同的设备进行实验，以求降低误差。在实验中不仅利用到基本的超声检测原理，还利用计算机仿真软件，对相应检测的误差危害进行评估，从而得出各方法最适用的情形。4.3工作进度：1、查阅超声波测缺陷高度的方法讨论的相关资料并撰写开题报告；03.09－04.102、研究尖端衍射信号测量法；04.11－04.153、研究波型转换法等其它方法；04.16－04.304、研究该工件的超声检测工艺；05.04－05.155、数据处理，将检测结果进行对比，并分析结果；05.11－05.256、总结并撰写论文，答辩。05.26－06.26五、参考文献牛向东.超声端点反射法测量裂纹自身高度的数字处理方法[J].无损检测,2001,23(7):298~301.吴章勤,艾川,王闸.裂纹类缺陷自身高度的超声波测量[J].云南电力技术,2004,32(4):41-43.夏建国,湛宏,韩君.衍射波法测定裂纹高度时的最小可测高度和高度测试精度[J].锅炉制造,2001,108(2):64-66.MariaV.Felice.Accuratedepthmeasurementofsmallsurface-breakingcracksusinganultr-asonicarraypost-processingtechnique[J],NDT&EInternational,2014,68105–112.庞天国,罗涛.超声端点衍射法测量在役管道木材疲劳裂纹高度[J].无损检测,2012,34(6):76-78.姚力.环缝缺陷超声波定量检测方法的探讨[J].无损探伤,1998(2):11-16.全国锅炉压力容器标准化技术委员会.JB/T4730.1-4730.6-2005承压设备无损检测[S].

北京:\o"中国标准出版社"中国标准出版社:130-141林介东.超声波聚焦针探头端点回波法测定缺陷高度的研究[J].无损检测,1992,14(l1):301-303.Y.Ogura.AmeasurementontheSizesofInternalDefectsUsingModeConvertedSurfaceattheDefect[J].JournalofJSNDI,1995,28(3):182-190.R.W.尼柯尔斯编,陈树宁译.压力容容技术进展[M].北京:机械工业出版社,1994.108-114OgilvyJA.DiffractionofElasticWavesbyCracks:ApplicationtoTime-of-flightInspectio-n[J].Ultrasonics,2001,21(11):259-264.董欣,韩晓华,孟令华.透射波半高度法测量裂纹高度的研究[J].中国测试,2012,38(6):9-12.RhoderickGC，YenJH.DevelopmentofaNISTstandardreferencematerialcontainingt-hirtyvolatileorganiccompoundsat5nmol/molinnitrogen[J].AnalyticalChemistry,2006,78(9):3125-3132.柯常波,陈铁群.基于BP神经网络的超声无损测定表面开口裂纹高度[J].兵器材料学与工程,2007,30(1):17-20冯云国,刘广兴,张丙法.端点衍射法测量焊接接头内部缺陷高度[J].无损检测.2012,34(7):42-45.T.Balasubramanian,R.J.Pardikar.UltrasonicSizingofEmbeddedVerticalCracksinFerriticSteelWelds[J].TheoreticalandAppliedFractureMechanics,2003,40:145-151.毕业设计文献翻译与原文 题目：超声检测缺陷高度的方法讨论学院：专业名称：班级学号：学生姓名：指导教师：年月利用超声波确定铁素体钢焊缝内部的纵向裂纹的大小摘要：在结构组件内部往往有裂纹，因此必须通过可靠的程序确定它们的大小。需要通过专业的超声检测技术估算这些裂纹在厚度方向上的高度，传统的脉冲回波技术在纵向裂纹的定量评价有很大的局限性，因为它会受到反射率和耦合系数等变化的影响。本研究的目的是依据传播时间而不是反射振幅来提高内部裂纹高度测量的精确度。已经研究出了一种独特的方法能够产生已知高度在2.5毫米到18毫米之间且15毫米长的疲劳裂纹这些裂纹在矩形钢试块中产生并且随后通过焊接嵌入预定位置。这些含有被嵌入纵向裂缝的焊接试块在传播时间如(a)裂纹端点反射法和(b)波型转换法的基础上通过超声技术被用来检测。可知使用这两种技术都是非常合适的，因为估算的缺陷高度与真实的缺陷高度之间的精确度仅相差1毫米。关键词：内部裂缝裂缝高度断裂力学参数

引言当裂纹尺寸因负载而超过临界尺寸之时，焊接结构就会失效。利用断裂力学的理论可以确定原先存在的裂纹是否会扩展到不能服役的程度。在估算断裂力学参量如应力强度因子时，知道裂纹的确切位置结构和大小是非常重要的。有很多种方法来检测表面裂纹但只有为数不多的方法能检测内部裂纹。近年来，超声探伤仪和换能器的性能得到了提升。其中最有前景的方向是开发计算机和微处理器在数字探伤仪中的应用。这不仅能降低检测成本也有助于简化用于确定投影距离跳跃距离缺陷深度、尺寸和衰减系数的计算。回波高度、声程长度、缺陷的位置和大小在显像管或液晶屏上数字化地实时显现，完全消除了人为失误的可能。许多利用超声波传播时间的方法最终能提高对缺陷大小确定的精确度。若干种利用体波的技术已被提出。但本文只对用于估算缺陷高度的这两种方法进行概述。2试块的准备试块的制备主要包括在钢试块中产生疲劳裂纹与埋置这些裂纹在预定的位置。边缘刻有11毫米的槽且90毫米宽16毫米厚(如图1)的含碳钢块用1276号拉伸强度试验机进行疲劳载荷试验。选择适当的疲劳载荷参数使得在疲劳试验起始时工作应力强度因子能故超过临界应力强度因子以便让材料和裂纹扩展能够在第二阶段的一个较低的水平。在计算临界强度因子时ΔK的取值范围可由ΔK=YΔσ（πa）1/2.注意式中σ是应力振幅，a是裂纹长度，Y是相关系数。一些试块