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1、第2章 超声检测仪器原理,1.探头2.仪器,2.3.1 超声探头,1.压电效应2.探头种类3.探头结构4.探头参数,3,1.压电效应,正压电效应：有些单晶和多晶陶瓷材料在应力作用下产生应变时，晶体中就会产生极化或电场，这种效应称为正压电效应。接收超声波逆压电效应：当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，这种效应称为逆压电效应。发出超声波本质：弹性体+电介质；晶胞结构不对称压电材料：具有压电效应的晶体材料称为压电材料。压电材料分为单晶和多晶两大类。压电单晶（石英、硫酸锂等）；压电陶瓷（多晶，钛酸铅等）压电晶体（压电晶片，晶片）,4,压电晶片在厚度方向做一维受迫振动，产生纵波。纵波倾
2、斜入射（=），经折射产生横波谐振时(此时f最高)，基频 f=CL/2l，l 为晶片厚度。,5,2.探头种类,直探头：声线垂直入射，可发射接收纵波斜探头：声线倾斜入射，横波或表面波双晶探头（分割探头）：一个晶片发射，一个晶片接收以上为压电超声探头，占主流地位。另外还有电磁超声探头和激光超声探头。,6,探头图片,7,3.探头结构,直探头：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侧面平行的缺陷如板材、锻件检测。直探头的结构如右图所示，主要由压电晶片、保护膜、吸收块、电线接头和外壳等部分组成。1接头；2外壳；3阻尼块；4电缆线；5压电晶片；6保护膜,8,斜探
3、头斜探头又可分为纵波斜探头，横波斜探头和表面波斜探头。这里仅介绍横波斜探头。横波斜探头是利用横波检测，主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷如焊缝检测、汽轮机叶轮检测等。1吸声材料；2斜楔；3声阻尼；4外壳；5电缆线；6压电晶片,9,双晶探头又称组合式探头，两块压电晶片装在一个探头架下，一个晶片发射，另一个晶片接收，它们发射和接收纵波，结构见图示。晶片下的延迟块（有机玻璃或环氧树脂）使声波延迟一段时间后射入工件，从而可检测近表面缺陷，减小了盲区，并可提高分辨力。两晶片之间用隔声层分开，晶片间的倾角通常为318度之间。两晶片声场的重叠部分是检测灵敏度的最高区域，此区域一般呈菱形。,10,接触
4、法双晶直探头,发射晶片,接收晶片,11,各种双晶直探头,焦距范围：540mm,频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70,12,接触法双晶斜探头（续）,13,超声波探头中的压电陶瓷芯片,将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。,14,压电陶瓷的主要性能指标,1)介电常数：10006000 2)压电灵敏度D33：300600pC/N 3)机械品质因素Q：1002000 4)居里温度：300400 C 5）静电容：1000 100000pF（与面积有关
5、）6）频率范围：用于超声清洗：30100KHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：12MHz,15,耦合剂,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。,16,4.探头参数,探头型号的组成项目及排列顺序基本频率：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，见表。
6、晶片尺寸：用阿拉伯数字表示，单位为mm，其中，圆晶片用直径表示，方晶片用长X宽表示，分割探头晶片用分割前的尺寸表示。探头种类：用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可不标出。探头特征：斜探头钢中折射角正切值(K值)用阿拉伯数字表示。钢中折射角用阿拉伯数字表小，单位为度，分割探头钢中声束交区深度用阿拉伯数字表示，单化为mm，水浸探头水中焦距用阿拉伯数字表示，单位为mm。DJ表示点聚焦，XJ表示线聚焦。,基本频率,晶片材料,晶片尺寸,探头种类,特征,17,晶片材料代号,18,探头种类代号,19,4.探头参数,直探头：频率-材料-直径。例：2.5B20，5N14斜探头（横波）：频率-材料-长宽-角度或K值
7、（K=tg），例：5P86K1.5,2.3.2 超声仪器,1.种类2.原理框图3.电路参数4.工作过程5.数字型仪器,21,1.超声仪器种类,用途：探伤仪；检测仪（声速，厚度等）按信号类型分类：模拟信号检测仪，即常规超声检测仪，显示器显示模拟波形，具有显示迅速、细腻、真实的特点；数字信号检测仪，以常规超声检测仪为基础，加上模数转换及存储器，具有存储、显示和打印输出缺陷的当量值和位置等参数的功能，另外可实时得到缺陷的当量和位置等主要信息，而且为数字信号处理奠定了良好的基础。通道数：单通道；多通道,前者仪器由一个或一对探头单独工作；后者仪器则是由多个或多对探头交替工作，适用于自动化探伤缺陷显示方式
8、：A型，B型，C型A型：显示声轴上的回波（脉冲）B型：显示声轴扫描的纵剖面（平面图像）C型：显示声轴扫描的横截面（平面图像）,22,A型,B型,C型示意图,23,2.A型仪器原理框图,A型脉冲反射式超声波探伤仪电路框图 六大块：发射电路 电源电路 接收电路 同步电路 扫描电路 显示电路 要点：发射接收一条路；纵横两路要同步；纵接收，横扫描,24,A型仪器图片,25,3.电路参数,探头：超声频率发射电路：发射强度接收电路：衰减（大）；增益（小）；检波；抑制同步电路：重复频率（触发，发射，扫描）扫描电路：扫描速度；扫描延迟显示电路：聚焦，亮度,26,超声波脉冲参数示意图,27,探伤仪接通电源后，同
9、步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。扫描电路受触发开始工作产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平(x轴)偏转板，使电子束发生水平偏转，在示波屏上产生一条水平扫描线(又称时间基线)。与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，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和底面发生反射，回波为同一探头或接收探头所接收并被转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波管垂直(Y轴)偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上产生缺陷波F、底波B。A型显示脉冲反射法超声波探伤目前应用最广，其主要特点是示波屏上纵座标代表反射波的振幅，横坐标代表超声波的传播时间。
10、,4.工作过程,原理,28,4.工作过程,原理,同步电路产生脉冲同时触发以下两路：(1)发射电路产生高电压激发超声波向试件内传播遇缺陷或底面返回接收超声波衰减（放大）检波电子束垂直偏转(2)扫描电路产生线性上升电压电子束水平偏转快速重复上述过程，形成稳定显示超声波往返时间电子束扫描时间,29,t电=t声；显示一次底面回波B1t电=2t声；显示二次底面回波B2t电 t电（t同同步周期，对应重复频率）,30,如何调节t电（扫描速度）？调节深度范围旋钮！如何调节t同（对应重复频率）？靠深度范围旋钮在仪器内部联调,5.数字型仪器,模拟式仪器的主要问题 数字化的实现 数字化仪器的特点,32,模拟式仪器的
11、主要问题,不能记忆显示，不能存储波形没有运算功能功能简单指标难以再提高,33,数字化的实现,模数转换器（A/D）：关键器件；速度要大于100MHz，分辨率一般8位。微处理器（单片机）：核心器件；16位，完成数据分析处理存储器：大容量FLASH，存储数据、波形,34,数字化仪器的特点,检测速度快：自动设置、计算、记录检测精度高：提高1倍左右信号分析、模式识别、专家系统（缺陷定性）显示DAC(距离-波幅)曲线，显示波形包络记录、存档、打印报告操作提示、微机通信手动B扫描，显示焊缝截面,35,数字型仪器图片,36,习题2.2,221.PZT-4的纵波声速为4000m/s，若制作频率2.5MHz的晶片，厚度？（222）.设发射脉冲宽度为2s，计算纵波在钢中的探测盲区（C5900m/s）。（223）.屏上显示二次底波，画出超声波传播和电子束运动的“分解动作”示意图。,
