超聲波檢測(cè)第三章

超聲波檢測(cè)第三章第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲波探頭１、壓電效應(yīng)１）正壓電效應(yīng)晶體材料在外力拉壓作用下，產(chǎn)生交變電場(chǎng)的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。２）負(fù)壓電效應(yīng)晶體材料在交變電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)稱為負(fù)壓電效應(yīng)。ＡＢ－＋＋—a)石英晶體b)正壓電效應(yīng)c)負(fù)壓電效應(yīng)第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、壓電材料的主要性能參數(shù)1)壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)表示在壓電晶體上施加單位電壓時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。式中Ｕ——施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力

Δt——晶片在厚度方向的變形量壓電應(yīng)變常數(shù)d33是衡量壓電晶體材料發(fā)射靈敏度高低的重要參數(shù)。D33值越大，發(fā)射性能越好，發(fā)射靈敏度越高。第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2)壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)表示作用在壓電晶體上單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電壓梯度大小式中P——施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力Ｕp——晶片表面產(chǎn)生的電壓梯度，即電壓Ｕ與晶片厚度t之比，Ｕp

＝Ｕ／ｔ壓電電壓常數(shù)g33是衡量壓電晶體材料接收靈敏度高低的重要參數(shù)。g33值越大，接收性能越好，接收靈敏度越高。2、壓電材料的主要性能參數(shù)第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3)介電常數(shù)介電常數(shù)表示在壓電晶體上施加單位電壓時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。式中C——電容器電容

t——電容器極板距離

A——電容器極板面積介電常數(shù)越大電容器存貯的電量越大。越小電容器放電時(shí)間越快頻率越高。2、壓電材料的主要性能參數(shù)第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)Ｋ，表示壓電材料機(jī)械難（聲能）與電能之間的轉(zhuǎn)換效率當(dāng)晶片振動(dòng)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生厚度和徑向兩個(gè)方向的變形，因此機(jī)電耦合系數(shù)分為厚度方向Ｋt和徑向Ｋp。Ｋt越大探測(cè)靈敏度越高。Ｋp越大，低頻諧振波增多，發(fā)射脈沖變寬，導(dǎo)致分辨率下降，盲區(qū)增大。正壓電效應(yīng)負(fù)壓電效應(yīng)2、壓電材料的主要性能參數(shù)第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5)機(jī)械品質(zhì)因子壓電晶片在諧振時(shí)貯存的機(jī)械能Ｅ貯與在一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量Ｅ損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因子。當(dāng)晶片振動(dòng)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生厚度和徑向兩個(gè)方向的變形，因此機(jī)電耦合系數(shù)分為厚度方向Ｋt和徑向Ｋp。Ｋt越大探測(cè)靈敏度越高。Ｋp越大，低頻諧振波增多，發(fā)射脈沖變寬，導(dǎo)致分辨率下降，盲區(qū)增大。2、壓電材料的主要性能參數(shù)第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6)頻率常數(shù)壓電晶片的厚度與因有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫作頻率常數(shù)式中cL——晶片中縱波聲速

t——晶片厚度

f0——晶片固有頻率晶片材料一定，頻率越高，厚度越小2、壓電材料的主要性能參數(shù)第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四7)居里溫度壓電材料與磁性材料一樣，其壓電效應(yīng)與溫度有關(guān)，它只能在一定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生，超過一定的溫度壓電效應(yīng)就會(huì)消失。使壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度稱為壓電材料的居里溫度，用Ｔc表示。結(jié)論：超聲波探頭對(duì)晶片的要求（1）機(jī)電耦合系數(shù)Ｋ較大，以便獲得較高的轉(zhuǎn)換效率（2）機(jī)械品質(zhì)因子較小，以便獲得較高的分辨率和較小的盲區(qū)（3）壓電應(yīng)變常數(shù)和壓電電壓常數(shù)較大，以便獲得較高的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度（4）頻率常數(shù)Ｎ較大，介電常數(shù)較小，以便獲得較高的頻率（5）居里溫度Ｔ較高，聲阻抗Ｚ適當(dāng)2、壓電材料的主要性能參數(shù)第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、探頭的種類和結(jié)構(gòu)1)直探頭（縱波探頭）接口外殼電纜線阻尼塊壓電晶片保護(hù)膜直探頭用于發(fā)射和接收縱波故又稱縱波探頭。主要用于探測(cè)與探測(cè)面平行的缺陷。如板材鍛件探傷等。第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、探頭的種類和結(jié)構(gòu)2)斜探頭接口外殼電纜線阻尼塊壓電晶片斜楔斜探頭可分為縱波斜探頭（aL<a1）,橫波斜探頭（aL=a1~aII）和表面波探頭(aL≧aII)橫波斜探頭是利用橫波探傷，主要是用于檢測(cè)與探測(cè)面垂直或成一定角度的缺陷，如焊接汽輪機(jī)葉輪等。表面波探頭當(dāng)入射角大于第二臨界角在工件中產(chǎn)生表面波，主要檢測(cè)工件表面缺陷吸聲材料第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、探頭的種類和結(jié)構(gòu)3)雙晶探頭（分割探頭）接口外殼電纜線阻尼塊壓電晶片延時(shí)塊隔聲層探傷區(qū)雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射聲波，一塊用于接收聲波。根據(jù)入射角不同分為縱波雙晶探頭和橫波雙晶探頭。優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高（2）雜波少盲區(qū)?。?）工件中近場(chǎng)區(qū)小（4）探測(cè)范圍可調(diào)雙晶探頭主要用于檢測(cè)近表面缺陷。根椐工件因選擇合適的工作頻率、晶片尺寸和探測(cè)深度。第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、探頭的種類和結(jié)構(gòu)3)聚焦探頭探傷區(qū)接口外殼電纜線阻尼塊壓電晶片斜楔吸聲材料聲透鏡聚焦區(qū)聚焦探頭分為點(diǎn)聚焦和線聚焦。點(diǎn)聚焦理想焦點(diǎn)為一點(diǎn)，其聲透鏡為球面；線聚焦理想焦點(diǎn)為一條線，其聲透鏡為柱面。第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、探頭的種類和結(jié)構(gòu)４)可變角探頭可變角探頭入射角可變，轉(zhuǎn)動(dòng)壓電晶片可使入射角連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)縱波、橫波、表面波和板波探傷。角度標(biāo)尺接口外殼壓電晶片旋轉(zhuǎn)桿耦合劑保護(hù)膜第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4、探頭型號(hào)和規(guī)格1)探頭的標(biāo)識(shí)探頭的型號(hào)標(biāo)識(shí)由以下幾部分組成：

基本頻率晶片材料晶片尺寸探頭種類特征基本頻率：探頭的發(fā)射頻率，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為ＭＨｚ晶片材料：用化學(xué)元素縮寫符號(hào)表示晶片尺寸：壓電晶片的大小，圓形晶片用直徑表示，矩形用長(zhǎng)乘寬表示，單位mm探頭種類：漢語(yǔ)拼音縮寫字母代表示探頭特征：漢語(yǔ)拼音縮寫字母代表示２)舉例2.5

P

13X13

K

25

B

14

ZK值為２K值斜探頭矩形晶片13X13mm鋯鈦酸鉛陶瓷頻率2.5MHz2.5

P

13X13

K

2直探頭圓形晶片直徑為14mm鈦酸鋇陶瓷頻率2.5MHz第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四試塊的用途1.確定檢測(cè)靈敏度超聲波檢測(cè)靈敏度是一個(gè)重要參數(shù)，因此在超聲波檢測(cè)前，常用試塊上某一特定的人工反射體來(lái)調(diào)整檢測(cè)和校驗(yàn)靈敏度。2.測(cè)試儀器和探頭的性能超聲波探傷儀和探頭的一些重要性能，如垂直線性、水平線性、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、探頭的入射點(diǎn)、K值等都是利用試塊來(lái)測(cè)試的。3.調(diào)整掃描速度利用試塊可以調(diào)整儀器示波屏上刻度值與實(shí)際聲程之間的比例關(guān)系，即掃描速度，以便對(duì)缺陷進(jìn)行定位。4.評(píng)判缺陷的大小利用某些試塊繪出的距離――波幅――當(dāng)量曲線（即實(shí)用AVG曲線）來(lái)對(duì)缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特別是3N以內(nèi)的缺陷，采用試塊比較法仍然是最有效的定量方法。此外，還可利用試塊來(lái)測(cè)量材料的聲速、衰減性能等。第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四試塊的種類和結(jié)構(gòu)1)IIW試塊TR2RIIW試塊是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)試塊，該試塊是荷蘭代表首先提出來(lái)的，故又稱荷蘭試塊，因形狀似船形又稱船形試塊。第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2)IIW2試塊(牛角試塊)T25100T255075100中心不開槽中心開槽IIW2試塊也是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)試塊，由于外形像牛角，故俗稱牛角試塊。與IIW試塊相比IIW2試塊體積小重量輕，形狀簡(jiǎn)單，易加工，便攜帶，但功能較IIW試塊要少。第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3)半圓試塊R3RT半圓試塊是一種便于攜帶的調(diào)校型試塊，材質(zhì)與IIW試塊相同，分中心開切口槽與不開槽兩種。第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4)CSK-IA試塊R50R100TCSK-IA試塊是國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)試塊，功能與IIW試塊相同。增加了R50的反射面。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5)CS-1、CS-2試塊第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6)CSK-IIIA試塊(參考試塊)第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲波探傷儀一、超聲波探傷儀的概述１、超聲波探傷儀的作用超聲波探傷儀是超聲波探作的主體設(shè)備，它的作用是產(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，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過一定的方式顯示出來(lái)，從而得到被探工件內(nèi)部有無(wú)缺陷及缺陷位置大小等信息。第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、超聲波探傷儀的分類１、按波形特征分類i脈沖波超聲波探傷儀通過探頭向工件周期性的發(fā)射不連續(xù)且頻率不變的超聲波，要據(jù)超聲波的傳播時(shí)間及幅度判斷工件中的缺陷位置和大小，是目前使用最廣泛的探傷儀。Ｔ－重復(fù)周期f0=1/t0－標(biāo)稱頻率Ａ－振幅強(qiáng)度第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四１、按波形特征分類ii連續(xù)波超聲波探傷儀這類儀器是連續(xù)的發(fā)射和接收頻率和振幅都不變的超聲信號(hào)，根據(jù)透過工件的超聲波變化判斷工件中有無(wú)缺陷及缺陷大小，這類儀器靈敏度低，且不能確定缺陷位置，因而已大多被脈沖波探傷儀所代替。二、超聲波探傷儀的分類第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四１、按波形特征分類iii調(diào)頻波超聲波探傷儀這類儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)的頻率周期性變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波與反射波的差頻變化情況判斷工件中有無(wú)缺陷。但只適合檢查與探測(cè)面平行的缺陷，所以也大多被脈沖波探傷儀所代替。二、超聲波探傷儀的分類第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、按缺陷顯示方式分類iA型顯示超聲探傷儀是目前脈沖反射式超聲波探傷儀最基本的一種顯示方式，在熒光屏上以縱座標(biāo)代表反射波的幅度，以橫座標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，從缺陷波的幅度和位置來(lái)確定缺陷的大小和存在的位置。二、超聲波探傷儀的分類第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、按缺陷顯示方式分類iiB型顯示超聲探傷儀以屏幕面代表被檢測(cè)對(duì)旬由探頭移動(dòng)線和聲束決定的截面，縱座標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，橫座標(biāo)代表探頭的水平位置，它可以顯示出缺陷在縱截面上的二維特征。二、超聲波探傷儀的分類第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、按缺陷顯示方式分類iiiC型顯示超聲探傷儀是一種圖像顯示方式，以屏幕代表被檢測(cè)對(duì)象的投影面，這種顯示方式能給出缺陷的水平投影位置，但不能給出深度。二、超聲波探傷儀的分類第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、超聲波探傷儀的分類3、按聲波通道分類①單通道探傷儀：這種儀器由一個(gè)或一對(duì)探頭單獨(dú)工作，是目前超聲波探傷中應(yīng)用最廣泛的儀器。②多通道探傷儀：這種儀器由多個(gè)或多對(duì)探頭交替工作，每一通道相當(dāng)于一臺(tái)單通道探傷儀，適用于自動(dòng)化探傷。目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是A型顯示脈沖反射式探傷儀。第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理

1、儀器電路原理圖電路圖是把儀器每一部分用一方框來(lái)表示，各方框之間用線條連起來(lái)，表示各部分之間的關(guān)系，說(shuō)明儀器的大致結(jié)構(gòu)和工作原理。第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2．儀器主要組成部分的作用同步電路：同步電路又稱觸發(fā)電路，它每秒鐘產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)千個(gè)脈沖，用來(lái)觸發(fā)探傷儀掃描電路、發(fā)射電路等，使之步調(diào)一致、有條不紊地工作。因此，同步電路是整個(gè)探傷儀的“中樞”，同步電路出了故障，整個(gè)探傷儀便無(wú)法工作。(2)掃描電路：掃描電路又稱時(shí)基電路，用來(lái)產(chǎn)生鋸齒波電壓，加在示波管水平偏轉(zhuǎn)板上，使示波管熒光屏上的光點(diǎn)沿水平方向作等速移動(dòng)，產(chǎn)生一條水平掃描時(shí)基線。探傷儀面板上的深度粗調(diào)、微調(diào)、掃描延遲旋鈕都是掃描電路的控制旋鈕。探傷時(shí)，應(yīng)根據(jù)被探工件的探測(cè)深度范圍選擇適當(dāng)?shù)纳疃葯n級(jí)，井配合微調(diào)旋鈕調(diào)整，使刻度板水平軸上每一格代表一定的距離。掃描電路的方框圖及其波形見圖。A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理

第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(3)發(fā)射電路：發(fā)射電路利用閘流管或可控硅的開關(guān)特性，產(chǎn)生幾百伏至上千伏的電脈沖。電脈沖加于發(fā)射探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，使之發(fā)射超聲波，可控硅發(fā)射電路的典型電路。如圖所示。發(fā)射電路中的電阻Ro稱為阻尼電阻，用發(fā)射強(qiáng)度旋鈕可改變Ro的阻值。阻值大發(fā)射強(qiáng)度高，阻值小發(fā)射強(qiáng)度低，因Ro與探頭并聯(lián)，改變Ro同時(shí)也改變了探頭電阻尼大小，即影響探頭的分辨力。2．儀器主要組成部分的作用A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理

第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(4)接收電路：接收電路由衰減器、射頻放大器、檢波器和視頻放大器等組成。它將來(lái)自探頭的電信號(hào)進(jìn)行放大、檢波，最后加至示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，井在熒光屏上顯示。由于接收的電信號(hào)非常微弱，通常只有數(shù)百微伏到數(shù)伏，而示波管全調(diào)制所需電壓要幾百伏，所以接收電路必須具有約105的放大能力。接收電路的性能對(duì)探傷儀性能影響極大，它直接影響到探傷儀的垂直線性、動(dòng)態(tài)范圍、探傷靈敏度、分辨力等重要技術(shù)指標(biāo)。接收電路的方框圖及其波形如圖所示。由大小不等的缺陷所產(chǎn)生的回波信號(hào)電壓大約有幾百微伏到幾伏，為了使變化范圍如此大的缺陷回波在放大器內(nèi)得到正常的放大，并能在示波管熒光屏的有效觀察范圍內(nèi)正常顯示，可使用衰減器改變輸入到某級(jí)放大器信號(hào)的電平。一般把放大器的電壓放大倍數(shù)用分貝來(lái)表示：2．儀器主要組成部分的作用A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理

第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2．儀器主要組成部分的作用(5)顯示電路：顯示電路主要由示波管及外圍電路組成。示波管用來(lái)顯示探傷圖形，示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏等三部分組成。電子槍發(fā)射的聚束電子以很高的速度轟擊熒光屏?xí)r，使熒光物質(zhì)發(fā)光，在熒光屏上形成亮點(diǎn)。掃描電路的掃描電壓和接收電路的信號(hào)電壓分別加至水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而亮點(diǎn)就在熒光屏上移動(dòng)，描出探傷圖形。由于掃描速度非?？?，肉眼看上去就好象是靜止的圖象。A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理

第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(6)電源：電源的作用是給探傷儀各部分電路提供適當(dāng)?shù)碾娔埽拐麢C(jī)電路工作。模擬探傷儀一般用220伏或110伏交流市電，探傷儀內(nèi)部有供各部分電路使用的變壓、整流及穩(wěn)壓電路。數(shù)字便攜式探傷儀多用蓄電池供電，用充電器給蓄電池充電。2．儀器主要組成部分的作用A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理

第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四A型脈沖反射式模擬超聲波探傷儀的工作過程可參照下圖，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下；同步電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖同時(shí)加至掃描電路和發(fā)射電路，掃描電路受觸發(fā)開始工作，產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉(zhuǎn)板，使電子束發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，在熒光屏上產(chǎn)生一條水平掃描線。與此同時(shí)，發(fā)射電路觸發(fā)產(chǎn)生調(diào)頻窄脈沖，加至探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，在工件中產(chǎn)生超聲波，超聲波在工件中傳播，遇缺陷或底面發(fā)生反射，返回探頭時(shí)，又被壓電晶片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)接收電路放大和檢波，加至示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)，在水平掃描相應(yīng)位置上產(chǎn)生缺陷波和底波。根據(jù)缺陷的位置可以確定缺陷的埋藏深度，根據(jù)缺陷波的幅度可以估算缺陷當(dāng)量的大小。A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理3．儀器的工作流程第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.儀器主要開關(guān)旋鈕的作用及其調(diào)整A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理名稱功能顯示部分輝度旋鈕調(diào)節(jié)時(shí)基線和圖形的亮度聚焦旋鈕調(diào)節(jié)示波管中電子束的聚焦程度，使時(shí)基線和波形清晰水平旋鈕左右移動(dòng)時(shí)基線，使時(shí)基線掃描范圍與面板的刻度線范圍相重合垂直旋鈕上下移動(dòng)時(shí)基線，使時(shí)基線與面板上的時(shí)基線刻度線相重合發(fā)射部分工作方式選擇旋鈕可在單探頭工作方式和雙探頭工作方式間轉(zhuǎn)換發(fā)射強(qiáng)度旋鈕（或稱阻尼旋鈕）通過改變發(fā)射電路中的阻尼電阻來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射超聲波的強(qiáng)度和寬度重復(fù)頻率旋鈕改變發(fā)射電路每秒鐘內(nèi)發(fā)射高壓脈沖的次數(shù)第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.儀器主要開關(guān)旋鈕的作用及其調(diào)整A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理接收部分衰減器旋鈕（或稱增益旋鈕）可定量調(diào)節(jié)顯示的反射波高度，用于調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度，評(píng)定缺陷反射波大小增益微調(diào)旋鈕可在小范圍內(nèi)（如6dB內(nèi)）連