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1、超声检测设备与器材,曹海军南通友联 技术中心,超声检测设备与器材,超声检测仪（模拟、数字）探头（类型、结构、性能、测试方法）试块探头仪器的性能及其测试,超声检测仪,检测仪的分类模拟式超声检测仪数字式超声检测仪仪器的维护保养自动检测设备,检测仪的分类,按波的连续性分为：脉冲式、连续式、调频式按通道数分：单通道、多通道按用途分：金属检测、非金属检测、测厚按按缺陷显示方式分： A型、B型、C型按采用的信号处理技术分：模拟式、数字式,按波的连续性：脉冲波： 向工件中周期性发射不连续且频率不变的超声波。连续波： 向工件中发射连续且频率不变（或在小范围内周期变化）的超声波。调频波： 向工件中发射连续的频率
2、周期性变化的超声波。,检测仪的分类,检测仪的分类,按超声波的通道数分:单通道：常用的手工检测仪，包括模拟和数字式。多通道：通常用在自动检测，一般需要机械扫查装置。,检测仪的分类,按用途分:非金属检测仪：包括对玻璃、混凝土，瓷瓶等材料的检测超声测厚仪：包括母材测厚、涂层测厚等金属检测仪：使用最广泛的检测仪,A型显示,一种波形显示，横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的幅度。反射波的位置可以确定缺陷位置，反射波的幅度可以估算缺陷的大小（见图4-1）A型显示具有检波方式和非检波方式两种，非检波方式又称为射频波，是探头输出脉冲信号的原始形式，可用于分析信号特征；检波形式是信号经检波后显
3、示的形式。,B型显示,一种图像显示，横坐标代表探头的扫查轨迹，纵坐标代表声波的传播时间或距离，可以直观显示出工件一个纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。（图4-3）随着新的计算机技术的应用，还将时间轴上的不同深度的信号幅值全部采集下来，用亮度（颜色）显示信号幅度。,C型显示,一种图像显示，横坐标和纵坐标都代表探头的扫查轨迹（探头在工件表面的位置），用亮度（颜色）来表面信号幅度。可以显示工件内部缺陷平面图像，但不能显示缺陷的深度。（图4-5）如果用亮度（颜色）来代表回波传播时间，则可以得到缺陷深度分布。,模拟式超声检测仪,模拟仪主要组成与工件原理模拟仪主要组成部分的作用模拟仪主要开关旋钮的作用及其调
4、整,模拟仪主要组成与工件原理,仪器电路方框图(P87）：主要组成部分包括同步、扫描、发射、接收放大、显示、电源等6个主要部分。,模拟仪主要组成与工件原理,仪器工作原理：同步电路产生触发脉冲，扫描电路产生锯齿扫描电压加至示波管产生水平扫描线，发射电路产生高频脉冲施加至探头激励压电晶片振动，产生超声波并在工件传播，遇缺陷或底面产生反射返回探头转变为电信号，经接收电路放大和检波，然后显示。,模拟仪主要组成部分的作用,同步电路(P87）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
5、故障，整个探伤仪便无法工作。电路由射极耦合定时自激多谐振荡器构成,振荡频率可以调整，即脉冲重复频率f（每秒钟扫描次数）。产生矩形波经微分电路变成一对正、负脉冲。正脉冲使发射电路工作,负脉冲使扫描电路工作。f（每秒钟扫描次数）探头移动快，探测深度，荧光屏扫描线亮度，波低。f（每秒钟扫描次数），探头移动慢，探测深度，荧光屏扫描线亮度，波高。,模拟仪主要组成部分的作用,扫描电路P88：组成：扫描闸门发生器、锯齿波发生器、锯齿波放大器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
6、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并配合微调旋钮调整，使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。,模拟仪主要组成部分的作用,扫描电路：工作原理：扫描闸门发生器接收同步信号，开始工作，给锯齿波发生器发出矩形波触发信号，锯齿波发生器产生锯齿波信号，送至锯齿波放大器，锯齿波放大器发出正负双向、线性良好的锯齿波电压，输至显示电路中阴极射线管的水平偏转板上，使示波管阴极发出的电子束沿水平方向自左向右水平匀速扫描，在超声波探伤仪示波屏上产生水平扫描线。,模拟仪主要组成部分的作用,扫描电路的调节：改变屏幕上显示的时间（距离）范围的大小，实质是调节扫描速度（锯齿波
7、的斜率）。一般有粗调和细调两个旋钮。调节屏幕上显示的时间范围的起点，也就是时基电路触发的延迟时间。延迟由延迟电路实现。一般有移位按钮。,模拟仪主要组成部分的作用,发射电路P88：工作原理：发射电路是一个脉冲信号发生器，可产生100-400V的高压电脉冲，施加到压电晶片上产生脉冲超声波。工作过程：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。发射电路通常可分为调谐式和非调谐式两种，调谐式电路谐振频率由电路中的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄;非调谐式电路发射一短脉冲，频带较宽，可适应不同频带探头，常见仪器多采用非调谐
8、式电路。,模拟仪主要组成部分的作用,接收电路P89：仪器接收电路通常是宽带的，很多探头也是宽带的，因此，发射电路的频率特性对显示影响很大。新型数字仪通常有不同的频带设置，可以适应多种探头。发射脉冲频带要包含探头自身的频带范围，频带越宽，发射脉冲越窄，可能达到的分辨力越高（TOFD使用的宽频窄脉冲探头）。,模拟仪主要组成部分的作用,发射电路P88：发射电压调节一般是通过发射强度调节旋钮或者阻尼旋钮进行，通过改变发射电路中的阻尼电阻R0来调节发射脉冲的电压幅度和脉冲宽度。电压越高、脉冲越宽，发射能量越大，但也增大了盲区，使深度分辨力变差。,模拟仪主要组成部分的作用,接收电路：接收电路由衰减器、射频
9、放大器、检波器和视频放大器等组成。作用：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，并在荧光屏上显示。,模拟仪主要组成部分的作用,接收电路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、动态范围伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。一般把放大器的电压放大倍数用分贝来表示。探伤仪面板上的增益、衰减器、抑制等旋钮是放大电路的控制旋钮。,模拟仪主要组成部分的作用,显示电路P90：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
10、子枪、偏转系统和荧光屏等三部分组成。,模拟仪主要组成部分的作用,显示电路作用：把时基线和反射波共同组成的波形显示出来。工作原理：涂有特殊材料的阴极被加热后，发射出热电子，电子被带正高压电的阳极吸引，加速飞向荧光屏。相关旋钮：聚焦旋钮（辅助聚焦）水平旋钮（加在水平偏转板上直流电压）垂直旋钮：加在垂直偏转板上的直流电压，可使水平扫描线在荧幕上下移动。辉度旋钮：控制栅极电压。一般辉度调整后，应重新调节聚焦。,模拟仪主要组成部分的作用,电源电路：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。标准探伤仪一般用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。携带
11、式探伤仪多用蓄电池供电，用充电器供电给蓄电池充电。将220V电源电压、经变压、整流、稳压、逆变等，产生不同种类（高低压、交直流）电压、电流，满足各种电路需要。,模拟仪主要组成部分的作用,其它除上述基本组成部分之外，探伤仪还有各种辅助电路，如延迟电路、标距电路、闸门电路、深度补偿电路等辅助电路。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,开关和旋钮用于调节检测仪的功能和工作状态，,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,工作方式选择旋钮相关电路：发射电路，发射电路与放大电路间连接电路。共三档，单探中等发射强度档、单探可变发射强度档、双探（双晶、穿透、串列等）。选择单探中等发射强度档时，发射强度不可调，仪器具有
12、较高的灵敏度和分辨力。选择单探可变发射强度档时，可调节发射强度，同时改变仪器的灵敏度和分辨力。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,发射强度旋钮此旋钮为发射电路的一个与探头并连的可调电阻。作用：改变仪器的发射脉冲功率从而改变仪器的发射强度。调整：可调电阻（发射强度钮）电阻值加大发射强度增大，仪器灵敏度，但脉冲变宽、分辨力变差。通常在探伤灵敏度满足情况下，发射强度钮尽量放在较低位置（不用或较低）。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,衰减器作用：调节（定量）探伤灵敏度和测量回波幅度，测量材料衰减大小。属定量、非连续性调节位置。电阻群。粗调每档20dB，2档细调每档2dB，共20档总计80dB相关电路
13、：接收放大电路前部，控制信号输入的大小。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,衰减器作用：调节（定量）探伤灵敏度和测量回波幅度，测量材料衰减大小。粗调每档20dB，2档；细调每档2dB，共20档。总计80dB相关电路：接收放大电路前部，控制信号输入的大小。衰减器读数大，输出信号；衰减器读数小，输出信号衰减器读数大，仪器灵敏度低，小缺陷看不到。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,增益旋钮可调电位器：放大器发射极交流负反馈电阻（可调）相关电路：放大电路发射极交流负反馈电阻。作用原理：改变高频放大器的信号放大倍数，从而连续改变探伤仪的灵敏度。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,增益旋钮用途：调整探伤灵
14、敏度用衰减器调整探伤灵敏度，不能正好使波高达基准波高时，可用增益协助平滑调整使波高达基准波高。注意：探伤灵敏度调整确定后，不能再使用“增益”调波高，破坏调整好的探伤灵敏度。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,抑制旋钮相关电路：高频放大器信号检波后加一直流电压。作用原理：给放大信号加一直流电压，从而去掉荧光屏上不必要的材料晶界、电路噪声造成的杂乱反射波，使荧光屏上显示反射波清晰。注意：使用抑制可能漏掉小缺陷使用抑制破坏仪器垂直线性，减小动态范围。除非十分必要，一般不使用“抑制”,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,深度粗调旋钮相关电路：扫描电路的大电容器。作用原理：调整深度粗调，能使扫描电路锯齿波
15、发生器充电电容大小变换，从而大幅度地改变扫描线同一长度的扫描的持续时间。即改变扫描线的探测范围。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,深度粗调旋钮调整方法：根据不同工件的探测范围调整不同档位。通常分：10mm、50mm、250mm、1m几档，其标识数值是钢纵波探测深度值，每档调整范围是其所标数值的5倍左右。注意：深度粗调旋钮各档间相互覆盖，要根据横波、纵波、探测范围合理选用粗调档。深度粗调档与同步电路脉冲重复频率同轴调节。探测范围大重复频率低扫描线暗探测范围小重复频率高扫描线亮,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,深度细调旋钮相关电路：扫描电路小电容器。调整方法：“深度粗调”确定之后，调细调钮可在
16、“粗调”数值5倍范围内连续精确调整探测范围，（探测范围大，两波间距小；探测范围小，两波间距大），从而改变相同距离的两个反射波之间的间距。使用注意：调整探测范围时，“深度粗调”置适当档级，然后用试块找出相应位置反射回波（最少两个）调细调旋钮，使扫描线上反射回波间距与反射体的实际距离成比例。（配合脉冲移位旋钮）。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,延迟旋钮（脉冲移位）相关电路：显示电路。作用原理：用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描之间时间差。屏幕图形平行向右移动提前扫描;屏幕图形平行向左移动扫描滞后功能：使扫描线上的回波位置左、右移动，而不改变回波之间的距离。使用方法：调节探测范围时，用脉冲移位可
17、进行零位校正。用深度粗调和细调钮调节好回波间距，再用水平（脉冲移位）旋钮将反射波调至正确位置，使声程的原点与水平刻度的零点重合,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,聚焦旋钮相关电路：显示电路。作用原理：阴极射线管内有聚焦与辅助聚焦极，主要起聚焦作用。使用方法：当使用者认为仪器荧光屏波形显示不够清晰时，可旋转聚焦旋钮，调节电子束的聚焦程度，使荧光屏波形清晰。,模拟仪主要开关旋钮的作用及其调整,其他旋钮择频率选旋钮：选择频带。水平旋钮：又称零位调节，调节回波水平移动，与脉冲移位旋钮功能相同。重复频率旋钮：调节脉冲重复频率。垂直旋钮：调节扫描线的垂直位置。辉度旋钮：调节波形的亮度。深度补偿开关：使位于
18、不同深度的相同尺寸缺陷回波差异减小。显示选择开关：选择显示检波或不检波的波形。,数字式超声检测仪,数字仪的发展数字仪的组成与原理数字仪的有关概念数字仪的按键与菜单数字仪与模拟仪的性能与使用对比,数字仪的发展,上世纪70年代微型计算机问世和大规模集成电路的发展，使计算机技术开始进入超声波探伤领域，但那时只是利用传统探伤仪通过某种接口与微型计算机联机完成某种特定工件的自动探伤或对波形进行一些信号处理。到了上世纪80年代，人们开始研究超声回波信号的数字化及有关数据处理。后来在传统模拟式仪器的基础上，利用数字仪器的特点，增加了对超声波探伤来说极为重要的波形记录、存储和分析等功能，可对动态波形进行全程记
19、录，并通过具有手动B扫描功能示意性地显示工件断面图象。,数字仪的发展,数字仪的一个主要特点是具有人机对话，主要有菜单式和功能键方式。菜单式不受仪器按键限制，对话功能较强，但操作较繁琐，不易为探伤人员接受；功能键方式具有操作简便、快捷等特点，易为探伤人员所接受。,数字仪的发展,关于波形显示方式有全数字式和数字模拟混合方式，前者显示数字波形，通常可供标准视频输出，便于记录动态波形。后者通过示波管显示模拟波形，可进行数字调节与处理，兼有模拟与数字仪器的特点，但不能利用录象设备记录动态波形。,数字仪的发展,上世纪90年代，国内主要超声探伤仪厂家相继研制出便携式全数字仪器，兼有上述各类型仪器的功能，在技
20、术水平上逐步接近国际先进水平，并开发出不少具有自己特色的功能和应用软件；如功能键操作、屏幕中文提示、圆柱面工件探伤曲面自动校正、显示焊缝探伤剖面示意图、大容量波形数据存储器及数据库管理软件、成像等。南通友联于1993年试制成功国内第一批CRT型数字式超声探伤仪并投入实际应用，紧接着1995年研制成功国内第一台便捷式EL型数字超声波探伤仪。,数字仪的组成与原理,新型数字式仪器在传统仪器上增加了数据处理，新型数字式仪器方框图如上图所示，仪器由中央微处理器、数字处理部分、电源部分、存储部分、显示部分、通讯部分、人机交互部分组成。,数字仪的组成与原理,系统中模拟部分主要由发射电路、接收电路、缓冲电路、
21、放大电路、检波滤波电路、A/D转换电路组成，其完成激发信号的产生、发射和回波信号的接收、缓冲、可控放大、检波、滤波以及A/D转换一系列模拟信号到数字信号的处理过程。,数字仪的组成与原理,通讯部分主要有USB接口、LPT接口、串口、网络接口等等，其作为系统软件下载、探伤数据传输储存到电脑、打印输出的数据通道；系统中人机交互部分为薄膜键盘组成，其提供人机交互的通道。数字处理部分系统中数字处理部分完成回波信号的数字检波、滤波、压缩等信号处理过程，同时其还具有显示缓存、激发脉冲产生、可控增益调节、AD采样控制等其它功能；系统中中央处理器对整个系统运行进行实时支配调度。,数字仪的组成与原理,工作流程简述
22、：当系统接收到开机信号后，系统便相继启动各路电源并对各路电源进行实时监测，若电源各部分监测数据正常，系统将进入正常工作状态，否则将立即进行关机保护。在系统正常工作状态下，系统按照设置的参数信息，由中央处理器对系统其它部分进行调度，发射电路产生高压脉冲，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，遇到缺陷或底面发生反射，返回探头时，又被压电晶片转变成电信号，系统将采集的回波信号经过模拟部分处理后上传到数据处理部分，在数据处理部分进行编码、压缩等过程处理后，最终送显于屏幕上。当系统接收到关机信号后，系统对当前仪器现场状态数据进行实时保护存储，最后关闭各路电源。,数字式仪器的
23、有关概念,在数字仪中一些概念与模拟仪有着不同的含义,数字式仪器的有关概念,数字式仪器的有关概念,数字式仪器的按键和菜单,目前国内外数字式超声波探伤仪基本采用薄膜键盘按键形式，用于调节仪器的功能和工作状态。左图为PXUT-350型探伤仪的键盘面板示意图，以此为例，说明各主要按键的作用及其调整方法。,数字式仪器的按键和菜单,目前国内外数字式超声波探伤仪基本采用薄膜键盘按键形式，用于调节仪器的功能和工作状态。也有采用按键菜单混合式，以及触摸屏式。,数字仪与模拟仪的性能与使用对比,数字仪与模拟仪的性能与使用对比,数字仪的优势与问题,优势：存储、记录、再现十分方便。方便信号分析与处理。仪器更小型化。为自
24、动检测系统提供了更方便的条件。问题信号失真可能对检测信号的评价来一定的影响。,自动检测设备,传统手工扫查简便灵活、成本低，但检测过程受人为因素影响较大。自动检测适用于批量生产的具有特定开关规格的材料和零件，具有较高的检测可靠性。自动检测通常采用水浸法，不同形状、规格的工件会有不同的机械扫查装置。超声自动检测系统通常由超声检测仪、探头、机械扫查器、电气控制、水控制、显示与记录、上下料装置等构成。,自动检测设备,离线钢板探伤小车,自动检测设备,罗孚汽车刹车臂自动化检测项目,自动检测设备,海底油气管线检测系统,海底管道的超声在线检测：64通道同步发射接受工作，将超声波数据存储实时存储在硬盘上，为管道
25、离线分析提供可靠的数据。海底管道的实时定位检测：64通道同步工作，并实时对采集的超声数据进行分析，实时对管道缺陷进行分级判别。智能can系统：实时与智能控制器及其他外设进行信息交换。并实时将旋转编码器和涡流信息向其他各系统部分发送。,仪器的维护保养,超声检测仪的维护的注意点按说明书要求操作。防止强烈震动。避免在靠近强磁场、灰尘多、电源波动大、有强烈振动、温度过高或过低的场合使用仪器。应防止雨、水、机油等进行仪器内部。应核对仪器额定电源电压，电池应注意保养。,仪器的维护保养,超声检测仪的维护的注意点使用旋钮时不易用力过猛，不宜使用尖锐物接触显示屏和按钮。探头线和电源线应理顺，拔接时不要抓住电缆线
26、拔插。长期不用时应定期开机和充放电。仪器出现故障时应立即关闭电源及时请专业人员维修，切忌随意拆卸。,探头,换能器与压电效应压电材料压电材料的主要性能探头的结构与组成探头的种类探头的型号,探头,探头的定义以换能器为主要元件组装成具有一定特性的超声波发射、接收器件，常称为探头。超声波探头是组成超声检测系统的最重要组件之一，其性能直接影响超声检测能力和效果。,换能器,超声换能器能将任何其他形式能量转换成超音频振动形式能量的器件，可用来发射超声波，具有可逆效应时又可用来接收超声波。换能器的种类压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器、激光换能器，最常用的是压电换能器。压电换能器关键部件是压电晶片，是具
27、有压电特性的单晶或多晶体薄片，其作用是将电能转换为声能，也能将声能转换为电能。,压电效应,正压电效应晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。负压电效应当晶体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能。压电效应正负压电效应统称为压电效应,石英的压电效应,单晶石英(SiO2)，在正常情况下，各原子的电荷相互平衡，不显电荷，呈中性。当晶体受到压应力作用时，使正、负电荷中心不重合，产生正负游离电荷。当晶体受到拉应力作用时，同样也会在晶体表面极板上出现正、负游离电荷
28、，不过这时极板电荷与受压力作用时极板电荷相反。这就是正压电效应。反之，如果在晶体表面极板上施加正、负电荷，晶体就会产生伸缩变形，即逆压电效应。,压电材料,压电材料具有压电效应的材料称为压电材料（压电晶体），分为单晶材料和多晶材料。常用单晶材料石英(SiO2)、硫酸锂(Li2SO4)、铌酸锂(LiNbO3)等。单晶材料接收灵敏度较高。常用多晶材料钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PbZrTiO3，缩写为PZT)、钛酸铅(PbTiO3)等，多晶材料又称压电陶瓷。多晶材料发射灵敏较高。,压电材料的主要性能参数,压电应变常数d33:表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。 衡量压电晶体材料发射
29、灵敏度高低的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度高。,压电材料的主要性能参数,压电电压常数g33：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。 衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。,压电材料的主要性能参数,介电常数 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数愈大，电容C也就愈大，即电容器所贮电虽就愈多。压电晶体的应根据不同用途来选取。超声波探伤用的压电晶体，频率要求高，应小一些。因为小，C小，电容器充放电时间短,频率高。扬声器频率低，应大一些。,压电材料的主要性能参数,机电耦合系数K表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。 对于正压电效应：
30、 对于负压电效应：,压电材料的主要性能参数,机械品质因子m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m。 压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的。m值对分辨力有较大的影响,m值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之，m值小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力就高。,压电材料的主要性能参数,频率常数N由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是 由上式可知： 这说明压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数，用Nt表示。晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率高，厚度愈小。,压电材料的主要性能参数
31、,居里温度Tc使压电材料的压电效应消失的温度，用Tc表示。压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关，只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，其压电效应就会消失。,压电材料的主要性能参数,探头对晶片的一般要求机电耦合系数较大，以便获得较高的转换效率。机械品质因子较小，以便获得较高的分辨力和较小的盲区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。频率常数较大，介电常数较小，以便获得较高的频率。居里温度较高，声阻抗适当。,探头的结构与组成,探头组成压电晶片阻尼块接头电缆线保护膜外壳楔块,探头的结构,压电晶片压电晶片的作用是发射和接收超声波，实现电声换能,探头的结构,阻尼
32、块与吸声材料吸收块（阻尼块）紧贴压电晶片，对压电晶片的振动起阻尼作用。另外还可以吸收晶片背面的杂波，提高信噪比。并且支承晶片。,探头的结构,保护膜保护膜是保护压电晶片不致磨损。分为硬、软保护膜两类。前者用于表面光洁度较高的工件。后者用于表面光洁度较低的工件探伤。当保护膜的厚度为2/4的奇数倍，且保护膜的声阻抗Z2为晶片声阻抗Z1和工件声阻抗Z3的几何平均值时，超声波全透射。,探头的结构,斜楔斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。斜楔使探头的晶片与工件表面形成一个严格的夹角，以保证晶片发射的超声波按设定的倾斜角斜入射到斜楔与工件的界面，从而能在界面处产生所需要的波形转换
33、。斜探头不需要保护膜。,探头的结构,斜楔中的纵波波速须小于工件中的纵波波速，具有适当的衰减系统，且耐磨、易加工，常用有机玻璃。也有尼龙、聚合物等新材料。,探头的结构,电缆线探头与检测仪间的连接需要采用高频同轴电缆，这种电缆可消除外来电波对探头的激励脉冲及回波脉冲的影响，并防止这种高频脉冲以电波形式向外辐射。对石英、硫酸锂等介电常数很低的压电晶片制成的探头，电缆的长度、种类的变化会引起探头与检测仪间阻抗匹配情况的变化，从而影响灵敏度。,探头的结构,外壳外壳的作用在于将各部分组合在一起，并对内部起到保护作用。外壳的材质塑料外壳：较轻，批量生产成本低。金属外壳：较重，耐磨，成本较高，抗干扰，,探头的
34、主要种类,按波形分纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等按耦合方式分接触式探头、液浸探头按波束分聚焦探头、非聚焦探头按晶片数分单晶探头、双晶探头按用途分高温探头、微型探头等,探头的主要种类,接触式纵波直探头主要用于发射垂直于探头表面传播的纵波，以探头直接接触于工件表面的方式进行垂直入射纵波检测，简称纵波探头。主要用于探测与探测面平行或近似平行的缺陷，如板材、锻件检测等。主要参数是频率和晶片尺寸。,探头的主要种类,接触式斜探头（P103）可分为纵波斜探头、横波斜探头、表面波探头、兰姆波探头及可变角探头等。特点：压电晶片贴在一斜楔上，晶片与探头表面成一定倾角。用于检测与探测面垂直或成一定角度的
35、缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤等。K值与折射角的关系：K = 折射角的正切值。主要参数是频率、晶片尺寸、K值。,探头的主要种类,双晶探头（分割探头）（P104）双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，一块用来接收，中间夹有隔声层。分为双晶纵波探头和双晶横波探头。优点：灵敏度。杂波少盲区小。工件中近场区长度小。检测范围可调。双晶探头主要用于检测近表面缺陷和已知缺陷的定点测量。主要参数是频率、晶片尺寸和声束汇聚区的范围。,探头的主要种类,接触式聚焦探头（P105）聚集探头分类：根据焦点形状不同分为点聚集和线聚集。根据耦合情况分为水浸聚集与接触聚集。接触式聚集探头是探头通过薄层耦合介质与工件接
36、触，根据聚集方式不同分为透镜式聚集、反射式聚集和曲面晶片聚集。主要参数是频率、晶片尺寸和焦距。,探头的主要种类,水浸探头（P106）水浸探头分为水浸平探头与水浸聚集探头。水浸平探头相当于可在水中使用的纵波直探头，用于水浸法检测，当改变探头倾角使声束从水中倾斜入射至工件表面时，可通过折射在工件中产生纯横波，水即为斜楔。水浸聚集探头是在水浸平探头前加上声透镜产生聚集声束。,探头的主要种类,其它探头高温探头：用来检测高温状态下的工件。选用居里温度较高的晶片，外壳、阻尼块、电缆等选用耐高温材料。电磁超声探头：由高频线圈和磁铁两部分组成，高频线圈用来产生高频激发磁场，磁铁用来提供外加磁场。爬波探头：爬波
37、是指表面下纵波，当纵波以第一临界角附近的角度入射到界面时，会产生爬波。,探头的型号,探头型号的组成基本频率-晶片材料-晶片尺寸-探头种类-探头特征基本频率：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：用阿拉伯数字表示，单位为mm。探头种类：用汉语拼音缩写字母表示。探头特征：折射角度（K值）、聚集深度等。举例：2.5P13*13K22.5 P 205 I 14 SJ 10DJ5P20F10,试块,试块的定义与分类标准试块对比试块模拟试块试块的使用和维护,标准试块的基本要求,材质应均匀，内部杂质少，无影响使用的缺陷。要用平炉镇静钢或电炉软钢，如20号碳钢。易加工，不
38、易变形和锈蚀，具有良好的声学性能。平行度、垂直度、粗糙度和尺寸精度等都要符合一定的要求。检测面粗糙度一般不低于Ra=1.6um，尺寸公差0.05mm。人工反射体（例如平底孔）应检验其直径、孔底两面粗糙度、平面度等。,试块的定义,试块的定义按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺陷的试样。试块的重要性试块和仪器、探头一样，是超声检测中的重要器材。,试块的用途,确定探伤灵敏度超声检测前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。测试仪器和探头的性能。仪器和探头的一些重要性能（如垂直线性、水平纯属、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、入射点、K值等）是利用试块来测试的。调整扫描速
39、度利用试块可以调整仪器水平刻度值与实际声程间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。评判缺陷的大小。利用某些试块绘制的距离波幅曲线对缺陷定量是目前常用的一种定量方法之一。,试块的分类,试块的分类超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块三大类。三类试块各有其用途和不同的使用场合。,试块的分类,标准试块由权威机构制定的试块，其特性与制作要求有专门的标准规定，通常具有规定的材质、形状、尺寸及表面状态。用于仪器探头系统性能测试校准和检测校准。举例CSK-IA,DB-P Z20-2，DZ-I等。,试块的分类,对比试块是以特定方法检测特定工件时采用的试块，含有意义明确的人工反射体，与被检工件
40、材料声学特性相似，其外形尺寸应能代表被检工件的特征，试场厚度与被检的厚度相对应，对比试块主要用于检测校准以及评估缺陷的当量尺寸，以及将所检出的不连续信号与试块中已知反射体产生的信号相比较。对比试块多数是在待检工件上进行加工而成。,试块的分类,模拟试块是含模拟缺陷的试块，可以是模拟工件中实际缺陷而制作的样件，或者是在以往检测中所发现含自然缺陷的样件。模拟试块主要用于检测方法的研究、无损检测人员资格考核和评定、评价和验证仪器探头系统的检测能力和检测工艺等。模拟试块中通常含有人工裂纹或者自然裂纹。,试块的分类与作用,人工反射体主要有长横孔、短横孔、横通孔、平底孔、V形槽以及其他线形切割槽。长横孔具有
41、轴对称特点，反射波幅较稳定，有线性缺陷特征，适用于各种角度探头。一般代表工件内有一定长度的裂纹、未焊透、未熔合和条状夹渣。通常用在对接接头、堆焊层的超声检测中，也有用在螺栓件和铸件检测中。比如CSK-IIA。,试块的分类与作用,短横孔在近场区表现为线状反射体特征，在远场区表现为占状反射体特征。主要用于对接接头检测，适用于各种角度探头不。例如CSK-IIIA 。,试块的分类与作用,平底孔一般具有点状面积型反射体的特点，主要用于锻件、钢板、对接焊接接头、复合板、堆焊层的超声检测。通常用于直探头和双晶探头的校准和检测。例如CS-2。,常用标准试块,IIW试块（IIW:国际焊接学会）该试块是由荷兰代表
42、首先提出的，又称为荷兰试块。由于外形状似船形，又叫船形试块。,常用标准试块,IIW试块的用途调整纵波、横波检测范围和扫描速度（调整声程）。测定水平线性、垂直线性、动态范围、分辨力、盲区、灵敏度余量、声束偏离等。测定斜探头的入射点、折射角。测定直探头与仪器组合的远场分辨力、最大穿透能力。IIW试块改进德国和日本在R100圆心处两侧加开宽0.5mm深2mm的沟槽，借以获得R100 圆弧的多次反射。,常用标准试块,IIW2试块该试块也是由荷兰代表首先提出的，由于外形类似牛角，又叫牛角试块。一次波与二次的关系。P112.,常用标准试块,IIW2试块的用途测定斜探头的入射点和角度。测试仪器水平线性、垂直
43、线性、和动态范围。测定仪器和探头的组合灵敏度。调整检测范围和扫描速度（调整声程）。IIW2试块的特点质量轻、尺寸小，形状简单、容易加工和便于携带。但功能不及IIW试块。,常用标准试块,CSK-IA试块(P113)是JB/T4730里规定的标准试块，是在IIW上改进后得到。改进点台阶孔，用于测定横波分辨力。R100R50阶梯圆弧。将试块上标定的折射角改为K值。,常用标准试块,CSK-IIA、CSK-IIIA、 CSK-IVA试块(P113)是NB/T47013里规定的对比试块，是焊缝超声波检测用的横孔标准试块。常用来制作距离波幅曲线、斜探头的K值、扫描范围、灵敏度余量等。,常用标准试块,美国AS
44、ME试块(P115)是美国机械工程学会规定的标准试块。用途与CSK-IIA相似，可用来制作距离波幅曲线、斜探头的折射角、扫描范围、灵敏度余量等。试块厚度由被探工件厚度决定。,常用标准试块,英国BS试块(P116)是英国国家标准规定的标准试块。有BS-A1、BS-A2、 BS-A3等几种， BS-A2与IIW类似。 BS-A1可用来校验仪器时基线性、测定斜探头入射点与折射角度、调整仪器时基线性比例和检测灵敏度等。 BS-A3可用来调节时基线比例，测定斜探头入射点与折射角、调节检测灵敏度、测定探头波束轴线偏离程度等。BS-A1材质相当于我国20号碳钢， BS-A3材质与IIW试场基本相同，两种试块
45、的制作要求与IIW也基本相同。,常用标准试块,日本JIS试块(P118)是日本工业标准规定的标准试块。有JIS-STB-A1、JIS-STB-A2、 JIS-STB-A3等几种， JIS-STB-A1与IIW类似。JIS-STB-A2可用来调检测灵敏度、灵敏度余量、距离幅度曲线。JIS-STB-A3形状与IIW试块类似，但尺寸较小，携带方便，适合现场使用，材质、用途与IIW试块相似。,常用标准试块,德国DIN试块(P118)是德国标准规定的标准试块。有DIN54120 1号标准试块和DIN54122 2号标准试块。1号标准试块与IIW试块相似，不同的是R100圆心处开有0.5mmX4X30mm
46、的小槽，用于调节仪器的时基线比例。2号标准试块与IIW2试块相同。,对比试块的基本要求(P119),透声性、声速、声衰减、材质等应尽可能与被检工件相同或相近。制作时应保证材质均匀、无杂质、无影响使用的缺陷。外形应尽可能简单，并能代表被检工件的特征；厚度应与被检工件相对应；粗糙度与被检工件相同或相近。外形尺寸公差应符合规定。,常用对比试块(P119),半圆试块(P120)无缝钢管横波检测对比试块(P120)RB-1、2、3试块(P120)奥氏体不锈钢对接接头对比试块(P122),模拟试块,模拟试块的基本要求(P122)材料应尽可能与被检工件相同或相近，制作时应保证材质均匀、无杂质、无影响用途的其
47、他缺陷。外形尺寸应尽可能与被检工件一致，厚度应与被检工件的厚度相对应，表面条件应与被检工件相同或相近，对于焊接试块，应采用与被检工件同样的焊接工艺。典型模拟试块（P123),试块的使用和维护,编号防护清洁防锈防止变形,仪器和探头的性能及其测试,仪器性能及其测试探头性能及其测试仪器探头组合性能及其测试,仪器性能的测试方法,垂直线性(P79)通常采用20mm2.5MHz直探头和CS-1-5试块。将2平底孔回波调节至满屏的100%，然后调节灵敏度，每次下降2 dB，记下相应的波幅。根据公司进行计算：D=(|d正偏差|+|d负偏差|)%注意：测试动态范围时，抑制需为0。NB/T47013规定动态范围不
48、大于5%。,仪器性能的测试方法,水平线性(P80)用表面光滑、厚度适当、并具有两个相互平行的大平面的试块，用纵波直探头获得到多次反射波，调节后观察回波位置与水平刻度线相重合的情况。以IIW为例，用纵波直探头获得到5次反射波B1-B5，将B1与2水平刻度线重合，B5与10水平刻度线重合。观察和记录B2、B3、B4与水平刻度值的偏差值并计算。数字仪中水平线性是测定零点声速后，在IIW(CSK-IA)上得到各次回波与25整倍数的最大偏差值，即为水平线性值。NB/T47013规定水平线性不大于1%。,仪器性能的测试方法,动态范围通常采用20mm2.5MHz直探头和CS-1-5试块。将2平底孔回波调节至
49、满屏的100%，然后调节灵敏度，使其回波降到刚能辨认的最小值时，该调节量即为仪器的动态范围。注意：测试动态范围时，抑制需为0。NB/T47013规定动态范围不小于20dB。,仪器性能的测试方法,衰减器误差(P81)采用20mm2.5MHz直探头和CS-1-5试块。将2平底孔回波调节至满屏的80%，然后调节灵敏度，使回波高度为满屏的40%，记下调节量A。衰减器误差：|A-12|/12dB采用专用检定仪器：按规定接好仪器，调节检定仪灵敏度，产生80%高的回波，将检定仪衰减12dB。调节超声检测仪灵敏度，使回波高度达到80%，记下调节量B。衰减器误差：|B-12|/12dBNB/T47013规定衰减
50、器误差不大于1dB/12dB。,探头的主要性能,探头主要性能（P81)包括频率响应、相对灵敏度、时间域相应、电阻抗、距离幅度特性、声束扩散特性、斜探头的入射点和折射角、声轴偏斜角和双峰等。,探头性能的测试方法,斜探头入射点和前沿长度（P81)一般用IIW试块或者CSK-IA试块，以IIW试块为例。寻找R100圆弧的最高反射回波，此时，R100圆弧圆心处所对应的探头上的点即为探头入射点。用100减去探头前端至试块圆弧边缘的距离L，即为探头的前沿长度。,探头性能的测试方法,斜探头折射角（K值）（P81)用IIW试块（CSK-IIA)上的50mm和1.5mm横孔来测定。根据不同K值需在试块的不同位置
