无损检测学习.docx

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1、第三章仪器、探头和试块第一节超声波探伤仪一、概述1. 作用：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和大小等信息。2. 分类：(1) 按超声波的连续性分类： 脉冲波探伤仪 连续波探伤仪 调频波探伤仪(2) 按缺陷显示方式分类： A型显示探伤仪：是一种波形显示 B型显示探伤仪：显示工件的纵截面 C型显示探伤仪：显示与声束垂直的截面(3) 声波的通道分类： 单通道探伤仪 多通道探伤仪二. A型显示探伤仪工作原理1. 仪器的电路方框图2. 仪器的主要组成部分的作用(1) 同步电路：用来触发探

2、伤仪扫描电路、发射电路等使之步调一致，有条不紊的工作。(2) 扫描电路：用来产生锯齿波电压，加在示波器管水平偏转板上，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。(3) 发射电路：发射电路利用阐流管或可控硅的开关特性，产生几百甚至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动， 使之发射超声波。接收电路：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。接收电路的方框图及其波形如下图所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。 增益旋钮用来改变放大器的增益，增益数值大，探伤灵敏度高。 衰减器旋钮用来改变衰减器

3、的衰减量，一般说来衰减读数大，灵敏度低。 抑制旋钮的作用是抑制草状杂波。(5) 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。(6) 电源：给探伤仪各部分电路提供适当的电能，使整机电路工作。3. 仪器的工作过程三. 仪器主要开关旋钮的作用及其调整四. 仪器的维护第二节超声波测厚仪超声波测厚仪分为共振式、脉冲反射式和兰姆式三种。一. 共振式测厚仪仗 X CC0 =2 2 f 2（ fn - f _1二. 脉冲反射式测厚仪0 = 1 ct2第三节 超声波换能器（探头）概述：1. 换能器：将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的能量转换器件。2. 超声换能器：实现电超声能量相互转换的

4、能量转换器件。在超声 检测中也称超声探头，简称探头，是超声检测的关键器件。一.超声换能器的种类概述：超声波探伤用的探头种类很多，根据波形不同分为纵波探头、横波 探头、表面波探头、板波探头等；根据偶合方式分为接触式探头和 液（水）浸探头等；根据波束分为聚焦探头与非聚焦探头；根据晶 片数不同分为单晶探头、双晶探头等；此外还有高温探头、微型探 头等。下面介绍几种探头。1. 按波形分的（1）直探头（纵波探头）直探头用于发射和接收纵波，故又称为纵波探头。直探头主要用于探测 与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。直探头主要由压电晶片、 保护膜、吸收块、电缆接头和外壳等部分组成。压电晶片的作用是发射和接收

5、超声波，实现电声转换。保护膜的作用是保护压电晶片不致磨损或损坏。保护膜分为硬、软保护 膜两类。硬保护膜用于表面光洁度较高的工件探伤。软保护膜可用于表 面光洁度较低的工件探伤。吸收块紧贴压电晶片对压电晶片的振动起阻尼作用，所以又叫阻尼块。 阻尼块使晶片起振后尽快停下来，从而使脉冲宽度变小，分辨力提高。 另外吸收块还可以吸收晶片背面的杂波，提高信噪比。吸收块第三个作 用是支撑晶片。外壳的作用在于将各部分组合在一起，并保护之。(2)斜探头斜探头可分为纵波斜探头(aL va/)，横波斜探头(aL =aia )和表面波探头(aL-a)。这里仅介绍横波探头和表面波探头。 横波探头是利用横波探伤，主要用于探

6、测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤等。横波斜探头实际上是直探头加透声斜楔组成。由于晶片不直接与工件接触，因此这里直探头没有保护膜。透声斜楔的作用是实现波形转换，使被探工件中只存在折射横波。K值探头的入射角a l可按下式计算：C K 2a l=Sin 一1()S 2式中 CL1斜楔中的纵波速度；c；2工件中的横波速度；K探头的K值，K= tg 表面波探头用于产生和接收表面波，用于探测表面或近表面缺陷。表面波探头的结构与横波斜探头一样，唯一的区别是斜楔块入射角不同。表面波探头的入射角按下式计算：ca = Sin t lil CR 2式中 cr 2 工件中表面波速度2. 双

7、晶探头双晶探头有两块晶片，一块用于发射超声波，一块用于接收超声波。主 要用于探伤近表面缺陷。优点：灵敏度高；杂波少盲区小；工件中近场区长度小；探测范围可调。3. 按原理分磁致伸缩换能器某些材料在加上磁场力以后，其几何尺寸将会发生变化，反之，当几 何尺寸变化时，又能改变原有的磁场，这种现象称为磁致伸缩效应。 通常采用磁致伸缩材料作为螺管线圈的铁芯，线圈通以高频电流时， 铁芯产生高频振动传递给介质产生超声波。概括为：磁场与尺寸的相 互变化引起机械振动产生超声波。优缺点：涡流探头大，只适合于50KHz下的低频，在超声检测中无应用。（2）电磁超声换能器（涡流声换能器）原理：通电线圈在金属表面激励出涡流

8、，该涡流与外加恒磁场相互作用产生洛伦滋力，从而产生超声波。其主要构件有：1）由直流电磁铁或永久磁铁形成的强大而稳定的磁场；2）由大功率射频震荡器馈送窄脉冲的发射线圈；3）接收线圈。其主要优缺点：优点：可实现非接触探伤（如：检测锅炉热交换器的管道内壁，可产生纵波、横波、表面波和板波）缺点：灵敏度较低（3）激光超声换能器激光照射于被检测对象产生干涉或热效应，从而产生应力波。优点：1）可产生纵波、剪切波、表面波、板波；2）非接触检测；3）可产生极窄的声脉冲（可达2ns），从而可检测极薄材料中的分 层类缺陷；4）有可能实现快速、自动、连续检测。缺点：灵敏度较低（4）压电换能器利用某些材料的压电效应制成

9、的超声换能器。二. 探头型号探头型号组成项目及排列顺序如下：基本频率晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征三. 压电效应和压电材料1. 压电效应：某些晶体在交变应力作用下产生交变电场，或者在交变电场作用下产生应 变的现象称位压电效应，前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应。（即：某些介电体受压时产生电场或在电场作用下产生应变的现象称为压 电效应。发射脉冲激励晶片产生超声波一一逆压电效应。超声探头接收声波正压电效应。）2. 压电材料：1）定义：凡具有压电效应的材料，统称为压电材料。2）分类：压电单晶和压电陶瓷压电单晶：a) 石英：二氧化硅(SiO2)制作标准换能器b) 人工单晶：硫酸锂(LiSO4H

10、2O)、铌酸锂(LiNbO3)和碘酸锂(LiIO3)硫酸锂适合作宽频带换能器，a碘酸锂用于作窄脉冲探头 压电陶瓷：钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅Pb(ZrnTi1x)O3(x1) 简称PZT、偏铌酸铅(PbNb2O4)等都是多晶体压电陶瓷材 料，目前应用较广的是PZT和钛酸铅。优点：成本低 极性高分子材料聚偏氟乙烯PVDF水听器，用于超声诊断。聚氟乙烯pvf2 复合压电材料将强介电压电陶瓷微粒分散混合于高分子材料中而成，如：PZTPVDF 氧化锌薄膜超高频应用。如：303000MHz3. 压电效应产生机理：以石英晶体为例加以说明居里温度：居里温度以上时无压电效应4.

11、压电材料的主要技术参数1) 压电应变常数d这是机械自由(恒T)，电学短路(恒)时的压电系数，也称为压电 发射系数。其表达式为：d = (3S/8E)T = (8D/8T)Ed表示压电体在应力恒定时，由于电场强度变化所产生的应变变化(QS)与电场强度变化(5E)之比，或者在电场强度E恒定时，由于应力变化所产生的电位移变化0D)与应力变化(5T)之比。其单位为：米/伏或库仑/牛顿。d 33愈大，发射灵敏度越高。2) 压电电压常数g这是机械自由(恒T)，电学开路(恒。)时的压电系数，也称为压电 接收系数。其表达式为：g = (-8E/8t)d = (8S/8d)t它表示当压电体在电位移恒定时，由于应

12、力变化所产生的电场强度变 化(QE)与应力变化(5T)之比；或者在应力恒定时，由于电位移变化 所产生的应变变化(QS)与电位移变化(QD)之比。其单位为：伏米/牛顿。G越大接收性能愈好。3) 压电应力常数e这是机械夹紧(恒$)、电学短路(恒)时的压电系数。其表达式为：e = (-5T/QE)s = (QD/QS)e它表示当压电体在应变恒定时，由于电场强度变化所产生的应力变化(QT)与电场强度变化(QE)之比；或当电场强度恒定时，由于应变的 变化所产生的电位移变化(QD)与应变变化(QS)的之比。其单位为：牛顿/伏米。4) 压电劲度常数h这是机械夹紧(恒S)、电学开路(恒。)时的压电系数。其表达

13、式为：h = (-QT/QD)s = (-QE/QS)d它表示当压电体在应变恒定时，由于电位移变化所产生的应力变化(QT)与电位移变化(QD)之比；或者在电位移恒定时，由于应变的变 化所产生的电场强度变化(QE)与应变变化(QS)的之比。其单位为：伏/米。5) 介电常数8 = ct/Ac电容器的电容量 单位：法拉(F)A电极面积单位：米2t极间距离单位：米 介电常数单位：法/米6) 机电偶合系数K转换的能量JK2 . 一输入的能量正压电效应:逆压电效应:理想条件下压电体以电能形式放出的电能理想条件下输入到压电体中的总机械能理想条件下压电体以机械能形式放出的机械能 理想条件下输入到压电体中的总电

14、能7) 机械品质因数Qm压电晶片振动时，储存的机械能量与在同一周期内损耗的机械能量之比 称为机械品质因素。=谐振时压电振子贮存的机械能量Qm -谐振时每周期内损耗的机械能量Qm越大则机械内耗越小、灵敏度越高，但分辨率降低、始脉冲变宽、 盲区变大，因此须用阻尼层使晶片阻尼，以降低Qm。Qm大，灵敏度高，适合于功率超声或生发射探头，Qm低灵敏度低， 适合于检测和探伤。8）电气（器）品质因素Q和介质损耗因素tgge_谐振时压电振子贮存的电能1 = RQe 谐振时每周内损耗的电能=tg8 0Q是压电晶片谐振时储存的电能与一个周期内损耗的电能之比，称为 e电气品质因素。 谐振角频率c晶片静电容cHrR介

15、质的损耗电阻 T9）频率常数Nt定义：N为谐振频率与晶片尺寸的乘积。Nt = ft -1 =（c/2t）xt=c/2Nt厚度振动频率常数，单位：MHz哑ft 厚度振动谐振频率（基频）t晶片厚度Np = f - DN p径向振动频率常数f p径向振动谐振频率D晶片直径例：已知某晶片的厚度频率常数Nt=2.05MHz哑,求5MHz晶片的厚度。解：Nt=f tt=Nt/f=2.05/5=0.401 哑10）居里温度孔定义：当温度升到某一临界温度点T时压电材料的压电特性消失该温度为 c居里温度。11）振动模式及机电偶合系数极化方向电极面振动方向机电耦合系数薄柱体薄 圆 片沿长度方向作伸缩振动薄 长 片

16、径向振动沿轴向伸缩振动片 长 方 片厚度方向伸缩振动厚度切变振动K平面机电耦合系数K31横向机电耦合系数K33纵向机电耦合系数Kt厚度机电耦合系数K15厚度切变机电耦合系 数当电场方向与极化方向相同时，产生正应变S1,S2,S3。当电场方向与极化方向垂直时，产生该平面的切应变S4,S5。5.压电晶片的极化与剩余极化强度1）极化一一压电材料在外加电场E的作用下，电畴作有规取向，宏观上 产生极化强度P继续增大电场强度使极化强度达到饱和值PS，这个过程 称为压电陶瓷的极化。剩余极化强度Pr移去外加电场后（E=0），压电陶瓷保留的极化强 度Pr称为剩余极化强度，其方向为外加电场方向。2）介电体、压电体

17、、热电体和铁电体之间的关系：介电体一一电后质，绝缘体。压电体一一能产生压电效应的电介质铁电体一一存在自发极化现象的电解质称为铁电体。其介电常数或极 化强度随电场而变化，当电场移去后还显示剩余极化现象， 这些极化现象与铁磁体的极化类似，故得名。或：铁电体就是具有自发极化，而自发极化可以因外电场的作用而改 变方向的介电晶体。压电陶瓷为铁电体。自发极化随外电场而转动的性质称为铁电性。导电体晶体分类i压电体一般压电体一般热电体介电体热电体铁电体、非压电晶体3）电滞回线一一铁电体具有电滞回线，其形状类似于铁磁体的磁滞回线（铁 电体并非含有铁，而是因电滞回线类似于磁滞回线）4）电电介质中D,予和丘之间的关

18、系：P =（- ）E 即P = E = &E 令D = P + 0 E即D =击6压电方程（1）形变和应变形变种类：a伸缩形变:zrb弯曲形变:c剪切形变:线应变=sdx 1SXXsyyJdz 3角应变（切应变）角应变变形时，一个直角的角度变化量6 =tgB =竺11 dx0 = tgQ22ZBAD的变化量9 =9 +9 =竺+ 四=s12 dx dy类似的S = S =Syoz平面的切应变vz S.V 4S = S = S xoz平面的切应变zx xz 5 故应变雄阵为：(s S S xx xy xzS S S双 yy kssszx zy zz y 应力矩阵：S -S1 XX其中：s s2

19、yyS -S3 zz5 -S4 yzS -S5 xzS -S5 xy(T T T iT -TT -Txx xy xzixx4yz-T=TTT其中：T- - TT -Tyx yy yz2yy5xz.TTTT- - TT-T* zx zy zz /3zz6xy=SSS11=_& s = 1+&)各向同性固体的应力应变关系:SSSS000T11112131SSSS000T22122232SSSS000T3=3132333S000S00T4444S0000S0T5445S00000ST614461323=S 32 = S126 mm型压电陶瓷的应力应变关系(3方向极化)S SSS000 一T11112

20、131SSSS000T21211132SSSS000T3=1313333S000S00T4444S0000S0T5445S00000ST61446(2)电位移和电场强度的关系:DSS )E11112131D=SSSE22122232DSS .E1- 33132333上式中下标3表示z轴，即极化轴，1、2分别表示与z轴垂直的坐标 轴，即x轴和y轴。脚标4、5、6分别表示与1、2、3轴垂直的平面内的横向应力和应变。(3)正向压电效应的表达式D = d TD = d T = d T224 415 4D = d T + d T + d T 331 132 233 3第一类压电方程（机械自由，电学短路）

21、T、E为自变量 通用方程：| S = SeT + d E D = d T + 8 t E 厚度方向压电方程S = Set + d E 333 333 3D =d T +8tE 333 333 3第二类压电方程（机械钳紧、电学短路）以S、T为自变量 通用方程：fT = Ce S - E D = e S + 8 s E 厚度方向压电方程：C33 S 3 - % E3D =e S +8sE333 333 3第三类压电方程（机械自由、电学开路），以T、D为自变量 通用方程：| S = Sd T + DE = g T + P t D 厚度方向压电方程：S = SdT + g D 333 333 3E =

22、g T +P tD 333 333 3第四类压电方程（机械钳紧、电学开路）以S和D为自变量 通用方程：|T = CdS - DE = hS + P，D厚度方向压电方程（以D3和七为自变量）CD S 3 -七3 D3E =-h S +PsD 333 3333压电方程的解（厚度方向） 设板厚l与波长入相当，横向尺寸（x,y方向或圆盘源径向）远大于入。3方向（z方向）经极化处理，上下底面涂满电极，横向边界（径向边界钳 紧）只有S3存在，以D3和S3为自变量，可得厚度方向的 第四类压电方程：C33 S 3 - h33 D3E =-h S +PsD 333 3333厚度振动波动方程为：设加入压电陶瓷两端

23、面的电压为V，则产生的机械力为nV，在两端面产生日和&的振速，作用于端面的力为七和马。jSinkl2P cAF1V1 I图中 n = A机电偶合系数/& s33八 ACs =夹紧电容。/& s33Pc 压电晶片的特征声阻抗c = ：Cs / P33发射时，V-nV、匚1、匚2、F1、F2接收时土F F121 = n（C 一。）动态电流值 d211 = 7 CsV静态电流值CS0C。dCF = T A = C d 户 A -、D3 A宣-C Sinkz + (-)coskz-妃 jsin kl tgkljI = dQ = 6 (D3 A)dtdt=j AD3Ij A在Z=0端面上，利用CD =p

24、 C2得F =PcA -E-妃1 j tgkl sin klj=四-C tgL-址昂-、j 2 2 sin klj电压 V = lE dz = jl(-h 冬+0sD )dz3 。 3 o 33 6z33 3勺+岑j第四节 试块一、作用1. 校验仪器和探头性能2. 确定探伤条件 确定探伤灵敏度 调整扫描速度3. 确定缺陷的位置和大小4. 探索探伤方法二、分类1 .按来历分（国际标准试块：IIW、IIW2国家标准试块：按GB11345有相应的标准试块专业标准试块：CSKIA、CSKIIA、CSKIIIA参考试块（也叫对比试块）2. 按反射体类型分人工规则反射体平底孔、短横孔、长横孔、槽形、柱孔自

25、然缺陷试块自然形状试块三、IIW试块和CSKIA试块IIW2试块CSKIA试块（注：它们的尺寸及用途十分重要）第五节仪器和探头的性能几其测试一、探伤系统的主要性能1. 仪器性能：水平线性（误差W2%）、垂直线性（误差W8%）、动态范围（误差326dB）、电噪声电平、衰减器精度。2. 探头性能（声场特性斜探头：前沿长度、折射角（K值）、主声束偏斜、双峰3. 仪器探头组合性能：灵敏度余量、始波占宽、分辨力、盲区二、探头性能及其测试1. 斜探头 入射点（测前沿长度10 ）10=RM 测折射角（国内测K值）L 1. - 35-30探头主声束偏离与双峰2. 直探头除声束特性与仪器无关外，它也具有声轴线偏斜