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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：① 脉冲波探伤仪② 连续波探伤仪③ 调频波探伤仪(2) 按缺陷显示方式分类：① A型显示探伤仪：是一种波形显示② B型显示探伤仪：显示工件的纵截面③ 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：① 单通道探伤仪② 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⑷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① 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② 衰减器旋钮用来改变衰减器的衰减量，一般说来衰减读数大，灵敏度低③ 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 C C0 =—= = 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 =ai~a 〃)和表面波探头(aL-a〃)这里仅介绍横波探头和表面波探头① 横波探头是利用横波探伤，主要用于探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^ —② 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⑴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，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①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(LiSO4H2O)、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② 压电陶瓷：钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅[Pb(ZrnTi1~x)O3](x>1) 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③ 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pvf2④ 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：PZT—PVDF⑤ 氧化锌薄膜——超高频应用如：30—3000MHz3. 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. 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/A c——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QmQm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 c^ HrR——介质的损耗电阻 T 9） 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 t t=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。