超聲波基礎(chǔ)知識講解

1、 /17電壓常數(shù)表示單位壓力產(chǎn)生的相對形變電壓的大小，若施加應(yīng)力為P，晶體產(chǎn)生的電壓為up,則g33=up/p（伏米/牛頓）壓電電壓常數(shù)反映壓電晶體的正壓電特性，它關(guān)系著晶片的接受靈敏度，因此也稱壓電接受系數(shù)；g33大晶片接受性能好，接受到微弱的超聲波信號就可以產(chǎn)生較高的電壓,制作高接的超聲波探頭,應(yīng)選用g33較大的壓電晶片。A型脈沖反射式超聲波探傷儀的工作過程：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)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻脈沖，加至探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，在

2、工件中產(chǎn)生超聲波。超聲波在工件中傳播，遇到缺陷或底面發(fā)生發(fā)射，返回探頭時(shí)，又被壓電晶片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)接受電路放大和檢波，加至示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)，5在水平掃描線的相應(yīng)位置上，產(chǎn)生缺陷或底波。根據(jù)缺陷波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的當(dāng)量大小同步電路：又稱觸發(fā)電路，它每秒產(chǎn)生數(shù)十至千個(gè)脈沖，用來觸發(fā)探傷儀其它電路（掃描電路、發(fā)射電路等），使之步調(diào)一致，有條不紊的工作。掃描電路：又稱時(shí)基電路，用來產(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)生一條水平掃描線（即時(shí)基線），（深度粗調(diào)、微調(diào)、掃描延遲，都是掃描電

3、路的控制旋鈕）發(fā)射電路：利用閘流管或可控硅的開關(guān)，它產(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。接受電路由衰減器、射頻放大器、檢波器和視頻放大器組成，它將來自探頭的電信號進(jìn)行放大、檢波，最后加至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上，并在熒光屏上顯示。C、機(jī)電耦合系數(shù)k從能量觀點(diǎn)出發(fā)，壓電效應(yīng)是一種電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的效應(yīng)，機(jī)械能和電能之間耦合強(qiáng)弱用機(jī)電耦合系數(shù)k表示，其定義為：k1=共總的電能電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（從逆壓電效應(yīng)考慮）k2=共總的電能機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能（從正壓電效應(yīng)考慮）機(jī)電耦合系數(shù)關(guān)系著晶片的轉(zhuǎn)化效率，k大轉(zhuǎn)化效率高，晶片的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度高，反之則低。

4、D、居里溫度Tc所有壓電材料當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，壓電效應(yīng)會自行消失，物理學(xué)上稱該溫度為材料的居里溫度或居里點(diǎn)；壓電體有上居里溫度和下居里溫度。如鋯鈦鉛Tc上約為300CTc下約為-80C。因此探測高溫工件的探頭，應(yīng)采用上居里溫度較高的壓電晶片，而在寒冷地區(qū)應(yīng)選用下居里溫度低者。機(jī)械品質(zhì)因素m壓電晶片諧振時(shí)貯存的機(jī)械能E貯與在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因素：m二損貯EE1機(jī)械品質(zhì)因素m反映了壓電晶片諧振時(shí)由于內(nèi)摩擦能消耗的機(jī)械能的大小，m大機(jī)械能損耗小，靈敏度高，但脈沖寬度大，分辨率低，盲區(qū)大；m小則反之。一般探頭中壓電晶片背面的吸收塊的設(shè)置，就是為了降低探頭的機(jī)械品質(zhì)因素m，

5、從而提高探頭的分辨率，減少盲區(qū)。探頭的種類和結(jié)構(gòu)a、種類：按波形分為：縱波探頭、橫波探頭、板波探頭和表面波探頭。按晶片數(shù)目分為：單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭按入射束方向分為：直探頭和斜探頭按頻譜分類：寬頻帶探頭和窄頻帶探頭b、探頭的結(jié)構(gòu)：常用的探頭主要有：直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、水浸探頭和聚焦探頭直探頭：壓電晶片是探頭的核心元件，它的作用是發(fā)射和接收超聲波。晶片由壓電學(xué)晶片體6按一定方式和一定方向切割而成或者由壓電陶瓷經(jīng)極化制成。晶片兩面敷有作為電極的銀層，目的是供給晶片的電壓均勻，晶片上電極火線引至電路，底面則接地線與電路的公共點(diǎn)相接以便形成回路。保護(hù)膜：壓電晶片（直探頭）前面

6、一般都加保護(hù)膜，作用是保護(hù)壓電晶片和電極，防止磨損和破壞。它還須耐磨性能好、強(qiáng)度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適，一般分為軟保護(hù)膜和硬保護(hù)膜，硬保護(hù)膜常用氧化鋁（剛玉）、金屬片等。軟保護(hù)膜常用軟性塑料制成。阻尼塊：也稱吸收快，粘附在壓電晶片背面，其作用是阻止晶片的慣性振動(dòng)和吸收晶片背面輻射的聲能，從而減小脈沖寬度和雜波信號干擾，阻尼塊常用鎢粉和環(huán)氧樹脂按一定比例配制而成。斜探頭：表面波探頭：是斜探頭的一個(gè)特例，當(dāng)斜探頭入射角等于第二臨界角時(shí)，由波形轉(zhuǎn)換得到沿被探材料表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，這種探頭成為表面波探頭。雙晶探頭：又稱聯(lián)合雙探頭或分割式雙探頭，這種探頭含兩個(gè)壓電晶片，裝在同一個(gè)殼體內(nèi)。

7、一個(gè)晶片發(fā)射，一個(gè)晶片接收，兩個(gè)晶片之間用隔聲層隔開。防止發(fā)射聲波直接串入接收晶片。晶片前帶有機(jī)玻璃延遲塊使聲波延遲一段時(shí)間進(jìn)入工件。由于使用了延遲塊，所以大大減小了盲區(qū)，利于近表面探測。多數(shù)雙晶探頭的兩個(gè)晶片都傾斜一定角度（3-18）。若兩個(gè)晶片同時(shí)發(fā)射超聲波束，使其交叉覆蓋區(qū)即為探傷區(qū)，聲束中心線交點(diǎn)F處靈敏度最高。離開F點(diǎn)靈敏度降低很快。改變晶片傾角，可改變交點(diǎn)F處的位置和覆蓋區(qū)的大小。傾角越大，交點(diǎn)F離探測面愈近，覆蓋區(qū)越短粗，探測厚度越??；傾角愈小，交點(diǎn)F離探測面愈遠(yuǎn)，覆蓋區(qū)越窄長，探測厚度越大。三、超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù)1、探傷方法概述按原理分類，可分為脈沖反射法、穿透法和共

8、振法脈沖反射法：超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試塊缺陷的方法。按判斷缺陷情況的回波性質(zhì)，脈沖放射法還可分為：a、缺陷回波法，根據(jù)示波屏上顯示的缺陷探傷圖形進(jìn)行判斷的探傷b、底波回波高度法，依據(jù)底波回波高度變化判斷試件缺陷情況的探傷方法。c、底面多次回波法穿透法：是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件的能量變化來判斷缺陷情況的方法。共振發(fā)：若聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長或半波長的整數(shù)倍時(shí)，由于入射波和反射波的相位相同，則引起共振,因而儀器可顯示出共振頻率點(diǎn)，用相鄰的兩個(gè)共振頻率之差，由公式=)1(2fnfnC算出試件厚度，當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷時(shí)，將改變

9、試件的共振頻率特性，來判斷缺陷情況的方法稱為共振法。常用于測厚。按波形分為：縱波法、橫波法、表面波法、板波法表面波波長比橫波還短,因此衰減也大于橫波，同時(shí)它僅沿表面?zhèn)鞑ィ瑢τ诒砻嫔系膹?fù)層、油污、不光潔等，聲束反應(yīng)敏感，并被大量衰減，利用此特點(diǎn)，可以通過手沾油在聲束傳播方向上進(jìn)行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對缺陷定位按探頭數(shù)目分類：單探頭法、雙探法、多探頭法按探頭接觸方式分類：直接接觸法、液浸發(fā)2、儀器與探頭的選擇7探傷儀的選擇a、對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器b、對于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好衰減精度高的儀器c、對于大型零件的探傷，應(yīng)選擇靈敏度量高，信噪比高、功率大

10、的儀器d、為了有效的發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨率好的儀器e、對于室外現(xiàn)場探傷，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好，抗干擾能力強(qiáng)的攜帶式儀器探頭的選擇：鋼板中，鍛件中的夾層、折疊等缺陷，應(yīng)選用直探頭探傷。焊縫中的焊縫、夾渣、未熔金屬缺陷，應(yīng)選用斜探頭探傷。表面波探頭用于探測工件表面缺陷。雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷聚焦探頭用于水浸探測管材或板材頻率選擇：頻率高，靈敏度和分辨率高，指向性好，對探傷有利，但頻率高，近場區(qū)度大，衰減大，又對探傷不利。實(shí)際探傷中，一般在保證探傷靈敏度的情況下盡看可能選擇較低的頻率。對于晶粒較細(xì)的鍛件、軋制件和焊接件，一般選用較高的頻率，常用2.5-5MH

11、z。對于晶粒粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用0.5-2.5MHz，如果頻率過高，就會引起嚴(yán)重衰減，示波屏上出現(xiàn)林狀回波，信噪比嚴(yán)重下降，甚至無法判斷。晶片直徑的選擇晶片直徑大小對探傷也有一定探頭。探傷厚度大的工件時(shí)，為了有效地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的缺陷，宜選用大晶片探頭。探傷小型工件時(shí)，為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭。探傷表面不太平整，曲率較大的工件時(shí)，為了減少耦合損失，宜選用小晶片探頭。耦合與補(bǔ)償耦合劑應(yīng)滿足以下要求：a、能濕潤工件和探頭表面、流動(dòng)性、粘度和附著力適當(dāng)，不難清理b、聲阻抗高、透聲性能好。c、來源廣、價(jià)格便宜。d、對工件無腐蝕、對人體無害、不污染環(huán)境e、性能穩(wěn)定、不

12、易變質(zhì)能長期保存常用耦合劑有：機(jī)油、水、水玻璃、甘油（Zkg/m影響耦合的主要因素a、耦合厚度的影響b、表面光潔度的影響c、耦合劑聲阻抗影響d、工件表面狀況影響2.s:1.28、1.5、2.17、2.43）83、雙晶探頭探傷：優(yōu)點(diǎn)：據(jù)有盲區(qū)小、對近距離F探測靈敏度高、分辨率強(qiáng)、彌補(bǔ)了普通單直探頭盲區(qū)大，分辨率低的缺點(diǎn)探測范圍：離心輥外層、鑄鋼工作輥工作層、冷輥工作層。離心輥探測方法：水平校準(zhǔn)，將50試塊的側(cè)面的B1調(diào)至水平50%位置，B2調(diào)至水平100%位置將帶5平底孔一次回波調(diào)至80%，將它作為探傷靈敏度發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)予以詳細(xì)記錄，包括非超探缺陷執(zhí)行XT08標(biāo)準(zhǔn)鑄鋼輥、冷輥工作層探測方法：探頭：選用角度適宜的雙晶探頭，如探測深度較大，應(yīng)選晶片角度較小的探頭，反之