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1、2-2 超声检测方法超声检测方法2-2-1 超声检测用仪器与探头的选择超声检测用仪器与探头的选择(1)仪器选择仪器选择 探伤仪器的选择，应从探伤对象的材料和缺探伤仪器的选择，应从探伤对象的材料和缺陷的状况考虑，如果仪器选得不正确，不但导陷的状况考虑，如果仪器选得不正确，不但导致不可靠的探伤结果，而且在经济上也带来损致不可靠的探伤结果，而且在经济上也带来损失。失。仪器的选择应从选择最合适的探头开始，因仪器的选择应从选择最合适的探头开始，因为探头的性能是检测缺陷的关键，而探伤装置为探头的性能是检测缺陷的关键，而探伤装置本身则应使探头的性能获得最充分地发挥。本身则应使探头的性能获得最充分地发挥。在考
2、虑探伤操作要求的同时，还要考虑仪器的在考虑探伤操作要求的同时，还要考虑仪器的自动化程度，同时考虑选择试块、辅助工具以自动化程度，同时考虑选择试块、辅助工具以及耦合介质等。及耦合介质等。探头探头耦合剂耦合剂工件工件缺陷缺陷 超声波探伤仪是根据超声波传播原理、电声转超声波探伤仪是根据超声波传播原理、电声转换原理和无线电测量原理设计的，其中应用最广换原理和无线电测量原理设计的，其中应用最广泛的是脉冲式超声波探伤仪。泛的是脉冲式超声波探伤仪。按照超声波在两个不同声阻抗介质的界面上将按照超声波在两个不同声阻抗介质的界面上将发生反射，反射能量将取决于界面两种介质声阻发生反射，反射能量将取决于界面两种介质声
3、阻抗的差异大小以及界面的取向和大小。抗的差异大小以及界面的取向和大小。探头探头耦合剂耦合剂工件工件缺陷缺陷超声波超声波脉冲式超声波探伤仪主要分为脉冲式超声波探伤仪主要分为A型显示和平面显型显示和平面显示两大类，其中示两大类，其中A型显示超声波探伤仪如图型显示超声波探伤仪如图荧光屏上纵坐标代表反射波幅度，横坐标代表荧光屏上纵坐标代表反射波幅度，横坐标代表声波传播时间，以缺陷波的幅度和位置来确定声波传播时间，以缺陷波的幅度和位置来确定缺陷的大小和在工件中的位置。缺陷的大小和在工件中的位置。这种仪器具有结构简单、使用方便和适用面广这种仪器具有结构简单、使用方便和适用面广等许多优点，因此在目前应用最为
4、广泛，在我等许多优点，因此在目前应用最为广泛，在我国已形成系列产品。国已形成系列产品。A型显示超声探伤仪的缺点，是难以判断缺陷型显示超声探伤仪的缺点，是难以判断缺陷的几何形状和缺乏直观性。的几何形状和缺乏直观性。为了更好地进行定量、定位探伤，设计了可为了更好地进行定量、定位探伤，设计了可对缺陷几何形状作出判断的仪器，如对缺陷几何形状作出判断的仪器，如B型显示、型显示、C型显示、准三维显示和超声透视等。型显示、准三维显示和超声透视等。B型显示是一种型显示是一种可以显示出工件可以显示出工件的某一纵断面的的某一纵断面的显示方法，探头显示方法，探头移动距离作为横移动距离作为横轴，探伤距离轴，探伤距离(
5、深深度度)作为纵轴作为纵轴若对应于探头各若对应于探头各个位置的纵向扫个位置的纵向扫查有反射，把它查有反射，把它作为辉度变化显作为辉度变化显示，以固定速度示，以固定速度移动探头，即完移动探头，即完成探伤图形。成探伤图形。在在B型显示中所型显示中所用示波管的荧光用示波管的荧光屏是由长余辉荧屏是由长余辉荧光物质组成，当光物质组成，当声束照射大缺陷声束照射大缺陷时，其后面小缺时，其后面小缺陷和底面反射就陷和底面反射就无法记录。无法记录。C型显示是使探头工型显示是使探头工件上纵、横交替扫件上纵、横交替扫查，把在探伤距离查，把在探伤距离特定范围内的反射特定范围内的反射作为辉度变化的显作为辉度变化的显示方式
6、，能得到平示方式，能得到平面的横截面图。面的横截面图。C型显示利用探头型显示利用探头在探伤面上的位移在探伤面上的位移与荧光屏上亮点的与荧光屏上亮点的位移同步，工件如位移同步，工件如有缺陷，则在荧光有缺陷，则在荧光屏上相应位置就显屏上相应位置就显示出亮点。示出亮点。早期早期C型显示的缺点是只能检测出缺陷的长度型显示的缺点是只能检测出缺陷的长度和宽度，不能测出缺陷埋藏深度，现改用彩色和宽度，不能测出缺陷埋藏深度，现改用彩色荧光屏显示，以不同颜色来表示埋藏深度。荧光屏显示，以不同颜色来表示埋藏深度。C型显示是很直观的显示方法，同时采用高分型显示是很直观的显示方法，同时采用高分辨力探头，主要用于要求高
7、的工件的探伤。辨力探头，主要用于要求高的工件的探伤。若把接收探头放在发若把接收探头放在发射探头的对面，也就射探头的对面，也就是说把探头放在被检是说把探头放在被检工件的两侧，则所得工件的两侧，则所得图象已不是显示的某图象已不是显示的某断面，而是超声投影断面，而是超声投影面，称为超声透视。面，称为超声透视。当然在获得当然在获得B型显示和型显示和C型显示的基础上，通型显示的基础上，通过计算机信号处理技术，可以获得缺陷图象的过计算机信号处理技术，可以获得缺陷图象的准三维显示，具有立体形象。准三维显示，具有立体形象。选择探伤装置时，首先要考虑所要求的探伤条选择探伤装置时，首先要考虑所要求的探伤条件如频率
8、高低。例如，铸件应选用低频率。要件如频率高低。例如，铸件应选用低频率。要探伤装置能否配合采用高分辨率探头，能否满探伤装置能否配合采用高分辨率探头，能否满足高灵敏度探伤的高信噪比要求等。足高灵敏度探伤的高信噪比要求等。(2)探头选择探头选择 目前应用最广、数量最多的超声换能器是以目前应用最广、数量最多的超声换能器是以压电效应为原理的超声换能器，它将来自发射压电效应为原理的超声换能器，它将来自发射电路的电脉冲加到压电晶片上，变成同频率的电路的电脉冲加到压电晶片上，变成同频率的机械振动，从而向被检测对象辐射出超声波。机械振动，从而向被检测对象辐射出超声波。探头探头耦合剂耦合剂工件工件缺陷缺陷超声波超
9、声波同时，它又将从声场中反射回来的声信号转换同时，它又将从声场中反射回来的声信号转换成电信号，送入接收、放大电路，变为可供在成电信号，送入接收、放大电路，变为可供在荧光屏上观察和判断的检荧光屏上观察和判断的检 测信号。测信号。探头探头耦合剂耦合剂工件工件缺陷缺陷超声波超声波探头的基本形式是直探头和斜探头，直探头用探头的基本形式是直探头和斜探头，直探头用于发射和接收纵波，斜探头常用的有横波探头于发射和接收纵波，斜探头常用的有横波探头、表面波探头和板波探头、表面波探头和板波探头 其它各种探头其它各种探头(例如聚焦探头、组合探头、高例如聚焦探头、组合探头、高分辨力探头和高温探头分辨力探头和高温探头)
10、都是它们的变型。都是它们的变型。探头的迅速发展给人们留下了深刻的印象，使探头的迅速发展给人们留下了深刻的印象，使人们充分认识到探头虽小，但它集中了大量声人们充分认识到探头虽小，但它集中了大量声学中的基本问题。学中的基本问题。例如，探头中存在吸收衰减、电声能量转换例如，探头中存在吸收衰减、电声能量转换以及多层波传导传播等，因此它是探伤仪的主以及多层波传导传播等，因此它是探伤仪的主体，而不是探伤装置的附件。体，而不是探伤装置的附件。在探头中，最重要的是压电晶片和阻尼块在探头中，最重要的是压电晶片和阻尼块(吸收吸收块块)，压电晶片下面的保护膜也很重要。压电晶，压电晶片下面的保护膜也很重要。压电晶片是
11、探头的核心，由压电材料加工而成，压电片是探头的核心，由压电材料加工而成，压电材料近年来发展很快，品种繁多。材料近年来发展很快，品种繁多。在超声检测中用得最广泛的压电材料是锆钛酸在超声检测中用得最广泛的压电材料是锆钛酸铅铅(PZT)，灵敏度高，成本低和工艺简单。其次，灵敏度高，成本低和工艺简单。其次是石英和钛酸钡，晶片厚度取决于所需频率。是石英和钛酸钡，晶片厚度取决于所需频率。吸收块是对压电晶片的振动起阻尼作用，目的吸收块是对压电晶片的振动起阻尼作用，目的是提高探头分辨缺陷的能力，常用环氧树脂加是提高探头分辨缺陷的能力，常用环氧树脂加钨粉，要求吸收系数要大，能使声波散射。钨粉，要求吸收系数要大，
12、能使声波散射。同时，吸收块在靠近压电晶片的地方、其声同时，吸收块在靠近压电晶片的地方、其声阻抗尽可能接近压电晶片的声阻抗。阻抗尽可能接近压电晶片的声阻抗。通常是从工艺上采取措施，提高环氧树脂钨通常是从工艺上采取措施，提高环氧树脂钨粉吸收块的声阻抗值、使之接近压电晶片，是粉吸收块的声阻抗值、使之接近压电晶片，是制作高分辨力探头的关键。制作高分辨力探头的关键。当然采用高阻尼吸收块将显著降低超声检测当然采用高阻尼吸收块将显著降低超声检测的灵敏度，因此应视具体情况综合考虑这两方的灵敏度，因此应视具体情况综合考虑这两方面的要求。面的要求。一般来说，由于产生纵波最容易，而且转换效一般来说，由于产生纵波最容
13、易，而且转换效率也高，因此在需要其它波型时，大都考虑首先率也高，因此在需要其它波型时，大都考虑首先获得纵波，然后用波型转换来得到其它波形。获得纵波，然后用波型转换来得到其它波形。斜探头就是采用斜楔对波型转换的作用原理，斜探头就是采用斜楔对波型转换的作用原理，利用纵波在斜楔与工件界面上的波型转换而在工利用纵波在斜楔与工件界面上的波型转换而在工件产生所需的波型。件产生所需的波型。对斜探头来说，除了考虑获得所需的波型及足对斜探头来说，除了考虑获得所需的波型及足够的声能外，还应注意不致由于斜楔的存在而使够的声能外，还应注意不致由于斜楔的存在而使杂波增加，影响缺陷波形的判别。杂波增加，影响缺陷波形的判别
14、。必须认真设计斜楔的形状，使斜楔中由界面反必须认真设计斜楔的形状，使斜楔中由界面反射回来的声能不回到压电晶片上来。射回来的声能不回到压电晶片上来。斜楔的材料一般都采用有机玻璃，在斜楔的某斜楔的材料一般都采用有机玻璃，在斜楔的某些部位增填吸收材料，以便把从斜楔与工件界面些部位增填吸收材料，以便把从斜楔与工件界面反射回来的杂波尽可能吸收掉。反射回来的杂波尽可能吸收掉。双晶探头，由两块分别发射和接超声波的晶片双晶探头，由两块分别发射和接超声波的晶片所组成。双晶斜探头的结构，透声楔分为两部所组成。双晶斜探头的结构，透声楔分为两部分，中间设有隔声层。分，中间设有隔声层。透声楔上放置晶片的斜面，除具有斜探
15、头的入透声楔上放置晶片的斜面，除具有斜探头的入射角外，还有对称倾角射角外，还有对称倾角(一般一般=4o10o)。双晶探头采用收发分离的两块晶片，消除了有双晶探头采用收发分离的两块晶片，消除了有机玻璃与工件界面上的反射杂波，始脉冲不能机玻璃与工件界面上的反射杂波，始脉冲不能进入接收放大器，盲区减小，可以发现近表面进入接收放大器，盲区减小，可以发现近表面缺陷。缺陷。双晶探头具有聚焦双晶探头具有聚焦作用，其声场主声束作用，其声场主声束轴线相交于轴线相交于Q点。点。在由在由a，b，c、d 点点构成菱形区，是检测构成菱形区，是检测灵敏度较高的部位。灵敏度较高的部位。检测灵敏度随深度改检测灵敏度随深度改变
16、，变，b到到Q逐渐升高，逐渐升高，Q到到d逐渐降低，逐渐降低，Q点点的灵敏度最高。的灵敏度最高。多分量换触器同时产生和接收多分量换触器同时产生和接收2个以上信号，例个以上信号，例如如2分量换能器可以产生和接收一个纵波和一个分量换能器可以产生和接收一个纵波和一个横波分量，或两个互相垂直的横波分量。横波分量，或两个互相垂直的横波分量。3分量换能器可以产生和接收一个纵波分量和两分量换能器可以产生和接收一个纵波分量和两个互相垂直的横波分量。多分量换能器的工作个互相垂直的横波分量。多分量换能器的工作原理如图所示。原理如图所示。多分量换能器用于声发射检测和应力测试。包多分量换能器用于声发射检测和应力测试。包括纵波括纵波-横波横波(L-T)二分量、横波二分量、横波-横波横波(T-T)二分二分量、纵波量、纵波-横波横波-横波横波(L-T-T)三分量换能器。三分量换能器。箭头和箭头和为晶片为晶片2的振动方向，的振动方向，和和为信号电为信号电极的极性。由于晶片之间不能共用信号线，彼极的极性。由于晶片之间不能共用信号线，彼此之间采用了隔离层此之间采用了隔离层(G)，其中，其中G1为背衬。为背衬。有时需要不同
