超声波检测(第三章)课件

第三章仪器、探头和试块１、超声波探伤仪２、超声波探头３、超声波试块超声波探头１、压电效应１）正压电效应晶体材料在外力拉压作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。２）负压电效应晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为负压电效应。ＡＢ－＋＋—a)石英晶体b)正压电效应c)负压电效应2、压电材料的主要性能参数1)压电应变常数压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。式中Ｕ——施加在压电晶片两面的应力

Δt——晶片在厚度方向的变形量压电应变常数d33是衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。D33值越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。3)介电常数介电常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。式中C——电容器电容t——电容器极板距离A——电容器极板面积介电常数越大电容器存贮的电量越大。越小电容器放电时间越快频率越高。2、压电材料的主要性能参数4)机电耦合系数机电耦合系数Ｋ，表示压电材料机械难（声能）与电能之间的转换效率当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形，因此机电耦合系数分为厚度方向Ｋt和径向Ｋp。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋp越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降，盲区增大。正压电效应负压电效应2、压电材料的主要性能参数5)机械品质因子压电晶片在谐振时贮存的机械能Ｅ贮与在一个周期内损耗的能量Ｅ损之比称为机械品质因子。当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形，因此机电耦合系数分为厚度方向Ｋt和径向Ｋp。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋp越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降，盲区增大。2、压电材料的主要性能参数7)居里温度压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关，它只能在一定的温度范围内产生，超过一定的温度压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用Ｔc表示。结论：超声波探头对晶片的要求（1）机电耦合系数Ｋ较大，以便获得较高的转换效率（2）机械品质因子较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区（3）压电应变常数和压电电压常数较大，以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度（4）频率常数Ｎ较大，介电常数较小，以便获得较高的频率（5）居里温度Ｔ较高，声阻抗Ｚ适当2、压电材料的主要性能参数3、探头的种类和结构1)直探头（纵波探头）接口外壳电缆线阻尼块压电晶片保护膜直探头用于发射和接收纵波故又称纵波探头。主要用于探测与探测面平行的缺陷。如板材锻件探伤等。3、探头的种类和结构2)斜探头接口外壳电缆线阻尼块压电晶片斜楔斜探头可分为纵波斜探头（aL<a1）,横波斜探头（aL=a1~aII）和表面波探头(aL≧aII)横波斜探头是利用横波探伤，主要是用于检测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊接汽轮机叶轮等。表面波探头当入射角大于第二临界角在工件中产生表面波，主要检测工件表面缺陷吸声材料3、探头的种类和结构3)聚焦探头探伤区接口外壳电缆线阻尼块压电晶片斜楔吸声材料声透镜聚焦区聚焦探头分为点聚焦和线聚焦。点聚焦理想焦点为一点，其声透镜为球面；线聚焦理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。3、探头的种类和结构４)可变角探头可变角探头入射角可变，转动压电晶片可使入射角连续变化，从而实现纵波、横波、表面波和板波探伤。角度标尺接口外壳压电晶片旋转杆耦合剂保护膜4、探头型号和规格1)探头的标识探头的型号标识由以下几部分组成：

基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类特征基本频率：探头的发射频率，用阿拉伯数字表示，单位为ＭＨｚ晶片材料：用化学元素缩写符号表示晶片尺寸：压电晶片的大小，圆形晶片用直径表示，矩形用长乘宽表示，单位mm探头种类：汉语拼音缩写字母代表示探头特征：汉语拼音缩写字母代表示２)举例2.5

P

13X13

K

25

B

14

ZK值为２K值斜探头矩形晶片13X13mm锆钛酸铅陶瓷频率2.5MHz2.5

P

13X13

K

2直探头圆形晶片直径为14mm钛酸钡陶瓷频率2.5MHz试块的种类和结构1)IIW试块TR2RIIW试块是国际焊接学会标准试块，该试块是荷兰代表首先提出来的，故又称荷兰试块，因形状似船形又称船形试块。2)IIW2试块(牛角试块)T25100T255075100中心不开槽中心开槽IIW2试块也是国际焊接学会标准试块，由于外形像牛角，故俗称牛角试块。与IIW试块相比IIW2试块体积小重量轻，形状简单，易加工，便携带，但功能较IIW试块要少。3)半圆试块R3RT半圆试块是一种便于携带的调校型试块，材质与IIW试块相同，分中心开切口槽与不开槽两种。5)CS-1、CS-2试块6)CSK-IIIA试块(参考试块)超声波探伤仪一、超声波探伤仪的概述１、超声波探伤仪的作用超声波探伤仪是超声波探作的主体设备，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，通过一定的方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置大小等信息。１、按波形特征分类ii连续波超声波探伤仪这类仪器是连续的发射和接收频率和振幅都不变的超声信号，根据透过工件的超声波变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小，这类仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤仪所代替。二、超声波探伤仪的分类１、按波形特征分类iii调频波超声波探伤仪这类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。但只适合检查与探测面平行的缺陷，所以也大多被脉冲波探伤仪所代替。二、超声波探伤仪的分类2、按缺陷显示方式分类iA型显示超声探伤仪是目前脉冲反射式超声波探伤仪最基本的一种显示方式，在荧光屏上以纵座标代表反射波的幅度，以横座标代表声波的传播时间，从缺陷波的幅度和位置来确定缺陷的大小和存在的位置。二、超声波探伤仪的分类2、按缺陷显示方式分类iiiC型显示超声探伤仪是一种图像显示方式，以屏幕代表被检测对象的投影面，这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不能给出深度。二、超声波探伤仪的分类二、超声波探伤仪的分类3、按声波通道分类①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。②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都是A型显示脉冲反射式探伤仪。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理

1、仪器电路原理图电路图是把仪器每一部分用一方框来表示，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。2．仪器主要组成部分的作用同步电路：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：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。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理

(3)发射电路：发射电路利用闸流管或可控硅的开关特性，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。发射电路中的电阻Ro称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变Ro的阻值。阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因Ro与探头并联，改变Ro同时也改变了探头电阻尼大小，即影响探头的分辨力。2．仪器主要组成部分的作用A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理

(4)接收电路：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。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：2．仪器主要组成部分的作用A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理

2．仪器主要组成部分的作用(5)显示电路：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。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象。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理

(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。模拟探伤仪一般用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。数字便携式探伤仪多用蓄电池供电，用充电器给蓄电池充电。2．仪器主要组成部分的作用A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理

A型脉冲反射式模拟超声波探伤仪的工作过程可参照下图，简要说明如下；同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。与此同时，发射电路触发产生调频窄脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波，超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生反射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描相应位置上产生缺陷波和底波。根据缺陷的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理3．仪器的工作流程4.仪器主要开关旋钮的作用及其调整A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理名称功能显示部分辉度旋钮调节时基线和图形的亮度聚焦旋钮调节示波管中电子束的聚焦程度，使时基线和波形清晰水平旋钮左右移动时基线，使时基线扫描范围与面板的刻度线范围相重合垂直旋钮上下移动时基线，使时基线与面板上的时基线刻度线相重合发射部分工作方式选择旋钮可在单探头工作方式和双探头工作方式间转换发射强度旋钮（或称阻尼旋钮）通过改变发射电路中的阻尼电阻来调节发射超声波的强度和宽度重复频率旋钮改变发射电路每秒钟内发射高压脉冲的次数4.仪器主要开关旋钮的作用及其调整A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理接收部分衰减器旋钮（或称增益旋钮）可定量调节显示的反射波高度，用于调节检测灵敏度，评定缺陷反射波大小增益微调旋钮可在小范围内（如6dB内）连续地调节波高频率选择旋钮可选择接收电路的频率响应检波方式旋钮可选择非检波、全波检波、正检波和负检波抑制旋钮使幅度较小的一部分噪声信号不在显示屏上显示名称功能名称功能时基线部分深度粗调旋钮（扫描范围旋钮）以大的区间调节时基线长度所代表的检测范围，以使需要检测的深度范围的反射波显示在屏幕上深度微调旋钮（声速旋钮）可连续精确地调节时基线代表的检测范围，使时基线刻度与声传播距离成所需的比例，以对缺陷准确定位延迟旋钮调节扫描线起始点，将其延迟一段时间开始，配合深度细调，可将所需观察的波形展宽，以便更细致地观察，也可用于平移显示的波形，使反射波与时基线刻度对准4.仪器主要开关旋钮的作用及其调整A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理5.模拟仪器的定位调节（扫描比例）模拟仪器的缺陷定位主要是通过扫描比例的调节，从而在屏幕上观察缺陷回波相