第4章超聲檢測(cè)的設(shè)備與器材

1Xi'anPolytechnicUniversity第4章超聲檢測(cè)設(shè)備與器材主講教師：王秋萍2主要內(nèi)容4.1超聲波探傷儀4.2探頭4.3耦合劑4.4試塊Xi'anPolytechnicUniversity34.1超聲檢測(cè)儀Xi'anPolytechnicUniversity

超聲檢測(cè)儀器分類

A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀的工作原理4Xi'anPolytechnicUniversity超聲檢測(cè)儀的作用：1.產(chǎn)生電振蕩并加于換能器(探頭)上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波。2.將探頭接收回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過一定的方式顯示出來。5

1.按超聲波的通道分

1)單通道檢測(cè)儀。

2)多通道檢測(cè)儀。2.按信號(hào)類型分類

1)模擬信號(hào)檢測(cè)儀。2)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)儀。3.按指示參量分類

1)穿透式檢測(cè)儀。2)調(diào)頻式檢測(cè)儀。3)脈沖波檢測(cè)儀。一.超聲檢測(cè)儀器分類Xi'anPolytechnicUniversity6穿透法示意圖特點(diǎn)：發(fā)射頻率不變的連續(xù)波；接收到的是超聲波能量值；避免盲區(qū)；但靈敏度低，不能對(duì)缺陷定位。Xi'anPolytechnicUniversity74.A型顯示、B型顯示、C型顯示、D型顯示Xi'anPolytechnicUniversity(1)A型顯示

A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)，縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度。A型顯示的缺點(diǎn)：難以判斷缺陷的幾何形狀，缺乏直觀性。8Xi'anPolytechnicUniversityA型顯示具有檢波和非檢波兩種形式。9

B掃描所顯示的是與聲束傳播方向平行且與工件的測(cè)量表面垂直的側(cè)視二維截面圖?？梢燥@示任一縱截面上缺陷的位置、取向與分布。(2)B型顯示Xi'anPolytechnicUniversity10

C掃描所顯示的是與工件檢測(cè)表面平行的某一深度的橫斷面，是工件的一個(gè)視二維截面圖可以顯示任一橫截面上缺陷的形狀與分布，但不能顯示其深度。(3)C型顯示Xi'anPolytechnicUniversity11(4)

A型、B型、C

型顯示舉例A型顯示B型顯示C型顯示組合三維圖Xi'anPolytechnicUniversity12D掃描所顯示的是與聲束平面及測(cè)量表面都垂直的剖面二維截面圖。假設(shè)焊縫中有一長條未焊透缺陷，各掃描成像方式如圖所示。(5)B、C、D掃描顯示Xi'anPolytechnicUniversity13

二.A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀的工作原理Xi'anPolytechnicUniversity1.檢測(cè)原理圖142.儀器的電路方框圖及工作過程Xi'anPolytechnicUniversity154.2超聲波探頭Xi'anPolytechnicUniversity壓電陶瓷片電輸入或輸出端鋁外殼電材料的性能參數(shù)壓電效應(yīng)壓探頭的結(jié)構(gòu)及分類

探頭型號(hào)16一、壓電效應(yīng)1.壓電效應(yīng)

壓電材料當(dāng)承受外力(壓力或張力)作用發(fā)生形變時(shí)，在晶體表面會(huì)出現(xiàn)了極化電荷，晶體內(nèi)部產(chǎn)生了電場(chǎng)，這種效應(yīng)叫做正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)晶體承受外電場(chǎng)作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生形變而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。2.超聲波的發(fā)射和接收超聲波的發(fā)射：把電能超聲能（逆壓電效應(yīng)）超聲波的接收：把超聲能電能的過程（正壓電效應(yīng)）Xi'anPolytechnicUniversity17二.壓電材料的性能參數(shù)

1.壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)是衡量壓電材料發(fā)射性能的重要參數(shù)。2.壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)是衡量壓電材料接收性能的重要參數(shù)。Xi'anPolytechnicUniversity3.介電常數(shù)184.機(jī)電耦合系數(shù)Xi'anPolytechnicUniversity5.機(jī)電品質(zhì)因子6.頻率常數(shù)7.居里溫度：使電壓材料的壓電效應(yīng)消失的溫度稱為壓電材料的居里溫度，用Tc表示。

19三.探頭的結(jié)構(gòu)及分類1.探頭的結(jié)構(gòu)Xi'anPolytechnicUniversity202.各部分的作用

1)壓電晶片：發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)電聲能轉(zhuǎn)換。

2)阻尼塊：對(duì)晶片的振動(dòng)起阻尼作用，提高分辨率；吸收晶片向其背面發(fā)射的超聲波；對(duì)晶片起支撐作用。3)保護(hù)膜：保護(hù)壓電晶片不致磨損或損壞。

4)電纜線：鏈接探頭與儀器，屏蔽電磁波。

5)斜楔：以特定的角度產(chǎn)生相應(yīng)的波型(實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換)。

6)外殼：將各部分組合起來，并起保護(hù)作用。Xi'anPolytechnicUniversity213.探頭的分類1)接觸式縱波直探頭(主要參數(shù)：頻率和晶片尺寸）2)接觸式斜探頭Xi'anPolytechnicUniversity223)雙晶探頭Xi'anPolytechnicUniversity234)接觸式聚焦探頭Xi'anPolytechnicUniversity245)水浸探頭Xi'anPolytechnicUniversity251.探頭型號(hào)的組成項(xiàng)目四.探頭型號(hào)Xi'anPolytechnicUniversity262.探頭型號(hào)舉例Xi'anPolytechnicUniversity274.3耦合劑Xi'anPolytechnicUniversity

耦合劑及其作用耦合劑的性能常用耦合劑28一.耦合劑及其作用Xi'anPolytechnicUniversity29二.耦合劑的性能Xi'anPolytechnicUniversity30三.常用耦合劑Xi'anPolytechnicUniversity314.4試塊CSK-ⅠA試塊

按一定用途設(shè)計(jì)制作的具有簡(jiǎn)單幾何形狀人工反射體或模擬缺陷的式樣，統(tǒng)稱為試塊。Xi'anPolytechnicUniversity

試塊的分類標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)比試塊321.檢測(cè)用試塊分類一.試塊的分類(1)

標(biāo)準(zhǔn)試塊：特點(diǎn)：由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定的試塊，其特性與制作要求由專門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。作用：標(biāo)準(zhǔn)試塊用于儀器探頭系統(tǒng)性能測(cè)試校準(zhǔn)和檢測(cè)校準(zhǔn)，如ⅡW

試塊。

JB/T4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)采用的標(biāo)準(zhǔn)試塊有：鋼板用標(biāo)準(zhǔn)試塊CBⅠ、CBⅡ；鍛件用標(biāo)準(zhǔn)試塊CSⅠ、CSⅡ、CSⅢ；焊接中采用的標(biāo)準(zhǔn)試塊有：CSK-ⅠA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、

CSK-ⅣA。Xi'anPolytechnicUniversity33(2)對(duì)比試塊：特點(diǎn)：是以特定方法檢測(cè)特定工件時(shí)采用的試塊，含有意義明確的人工反射體(如平底孔、短橫孔、長橫孔、槽等)。其聲學(xué)特性與被檢測(cè)工件材料相似，其外形尺寸應(yīng)能代表被檢測(cè)工件的特征，試塊厚度應(yīng)與被檢測(cè)工件的厚度相對(duì)應(yīng)。作用：主要用于檢測(cè)儀校準(zhǔn)以及評(píng)估缺陷的當(dāng)量尺寸。Xi'anPolytechnicUniversity34(3)模擬試塊：特點(diǎn)：是含模擬缺陷的試塊，可以是模擬工件中實(shí)際缺陷而制作的樣件，或者是在以往檢測(cè)中所發(fā)現(xiàn)含自然缺陷的樣件。作用：主要用于檢測(cè)方法的研究、無損檢測(cè)人員資格考核和評(píng)定、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證儀器探頭系統(tǒng)的檢測(cè)能力和檢測(cè)工藝等。Xi'anPolytechnicUniversity35２.按人工反射體分類Xi'anPolytechnicUniversity361.標(biāo)準(zhǔn)試塊的基本要求二.標(biāo)準(zhǔn)試塊2.常用標(biāo)準(zhǔn)試塊Xi'anPolytechnicUniversity37(1)ⅡW試塊（荷蘭試塊或船形試塊）Xi'anPolytechnicUniversity381)

調(diào)整縱波探測(cè)范圍和掃描速度(時(shí)基線比例)。ⅡW試塊的用途:例：檢測(cè)厚度為400mm的鍛件，應(yīng)如何調(diào)節(jié)掃描速度？Xi'anPolytechnicUniversity392)

測(cè)定儀器的水平線性、垂直線性和動(dòng)態(tài)范圍，利用試塊上25mm或100mm。

水平線性測(cè)量Xi'anPolytechnicUniversity40垂直線性測(cè)量d1---實(shí)測(cè)值與理想值得最大正偏差；

d2---實(shí)測(cè)值與理想值得最大負(fù)偏差

10010008080-0.663630.150500.139390.831310.62626-0.92020-0.11616-0.21313-0.41010088-0.1660.3Xi'anPolytechnicUniversity41動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量：

動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量通常采用直探頭，將試塊上反射體的回波高度調(diào)節(jié)到垂直高度的100％，用衰減器將回波幅度由100％下降到剛能辨認(rèn)的最小值時(shí)，該調(diào)節(jié)量即為儀器的動(dòng)態(tài)范圍。注意這時(shí)抑制旋鈕為“0”。JB/T10061-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定儀器的動(dòng)態(tài)范圍≥26dB。Xi'anPolytechnicUniversity42（a）100%(b)剛能辨認(rèn)的最小值實(shí)驗(yàn)結(jié)果：超聲檢測(cè)儀動(dòng)態(tài)范為△=（52.5-24.5）dB=28dBXi'anPolytechnicUniversity433)

測(cè)定直探頭和儀器的分辨力。利用試塊上85mm、91mm和100mm。JB/T4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，直探頭遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力≥30%。Xi'anPolytechnicUniversity44直探頭遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力測(cè)定實(shí)驗(yàn)圖從檢測(cè)圖中中可以看出，85mm、91mm和100mm尺寸的回波能夠清楚地分辨開來，測(cè)定結(jié)果符合JB/T4730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。(4)

測(cè)定直探頭和儀器組合后的穿透能力。利用試塊上φ50有機(jī)玻璃塊底面的多次反射波。Xi'anPolytechnicUniversity45

5)

測(cè)定直探頭和儀器的盲區(qū)。利用試塊上φ50圓弧面與側(cè)面間距5和10mm。Xi'anPolytechnicUniversity

盲區(qū)由始脈沖寬度和阻塞效應(yīng)引起。始脈沖寬度的測(cè)定方法：按規(guī)定調(diào)好靈敏度并調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)“0”點(diǎn)，示波屏上始脈沖達(dá)20%高處至水平刻度“0”點(diǎn)的距離Wn。即為始脈沖寬度。466)

測(cè)定斜探頭的入射點(diǎn)。利用試塊的R100圓弧面7)

測(cè)定斜探頭的折射角。用φ50孔和φ1.5圓孔35o~60o(K=0.7~1.73)

60o~76o(K=1.73~3.73)

75o~80o(K=3.73~5.67)

Xi'anPolytechnicUniversity478)

測(cè)定斜探頭和儀器的靈敏度余量。利用試塊上R100或φ1.5圓孔Xi'anPolytechnicUniversity489)

調(diào)整橫波探頭探測(cè)范圍和掃描速度。Xi'anPolytechnicUniversity49Xi'anPolytechnicUniversity(2)ⅡW2試塊（牛角試塊）50(3)CSK-ⅠA試塊Xi'anPolytechnicUniversity511)

將直孔φ50改為φ50、φ44、φ40臺(tái)階孔，以便于測(cè)定橫波斜探頭的分辨力。CSK-ⅠA試塊在ⅡW試塊上的三點(diǎn)改進(jìn)Xi'anPolytechnicUniversityJB/T4730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定斜探頭的分辨力≥6dB。52斜探頭分辨力測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖從圖中可得，斜探頭的分辨力為：Xi'anPolytechnicUniversity532)

將R100改為R100、R50階梯圓弧，以便于調(diào)整橫波掃描速度和探測(cè)范圍。調(diào)整方法：將橫波探頭直接對(duì)準(zhǔn)R50和R100圓弧面，使回波B1(R50)對(duì)準(zhǔn)50，B2(R100)對(duì)準(zhǔn)100，于是橫波掃描速度1:1和“0”點(diǎn)同時(shí)調(diào)好校準(zhǔn)。3)

將試塊上標(biāo)定的折射角改為K值(K=tanβS)，從而可直接測(cè)出橫波斜探頭的K值。Xi'anPolytechnicUniversity54(4)CSK-ⅡA試塊、CSK-ⅢA試塊、CSK-ⅣA試塊

---焊接接頭用標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-ⅡA試塊、CSK-ⅢA試塊、CSK-ⅣA試塊主要用于測(cè)定橫波距離-波幅曲線、斜探頭的K值和調(diào)整橫波掃描速度和靈敏度等。其中CSK-ⅡA試塊和CSK-ⅢA試塊適用于壁厚范圍為8～120mm的焊縫，CSK-ⅣA試塊適用于壁厚范圍為120～400mm的焊縫。Xi'anPolytechnicUniversity551)CSK-ⅡA試塊Xi'anPolytechnicUniversity562)CSK-ⅢA試塊X