超声波探伤仪及数字化超声波探伤仪.doc

超声波探伤仪及数字化超声波探伤仪韶蟊仪赵芦『吱帮弓,f式无掼检蔫差'亭e,NDT④V01.19No.2Feb.1997超声波探伤仪及数字化超声波探伤仪蒋危平9?2(中科院武汉精理研究所430071)ULTRASoNICDETECToRSANDDIGrrALULTRASoNICDETECToRSJi蝎gwe'piⅡ暑(WuhanInstituteofPhysics,AcademiaSinlca)l常规超声波探伤仪的基本结构1]超声波探伤仪的基本结构框图如图l所示.探伤仪有同步电路,发射电路,接收电路,时基电路,显示器,电源和超声波换能器等几个部分组成.图1超声坡探伤仪基本结构方框图同步电路:产生使整个仪器协调工作的同步脉冲信号,以同步触发发射电路,时基电路及闸门电路等部分,以便在显示屏上稳定地显示所需观察的超声回波脉冲.发射电路产生高压(负)脉冲.激励超声波换能器产生高额振荡,从而形成脉冲超声波,经耦合层进入被检构件和材料.接收电路:从超声探头接收到的微小超声信号,经压电晶片转换为锻弱的电脉冲信号镬§接收电路放大后显示在示渡器上.常规超声波探伤仪接收电路由衰减器,高撷放大器,检波和视频放大器等几个部分组成.调节衰减器实际上是调节放大器的增益.以便使所观察的回波以合适的高度显示在示波屏上.时基电路:实际是方波形成电路和锯齿波形成电路,产生的锯齿形电压波加到示波管的x偏转板上,以使光点从左到右重复扫描,从而形成脉冲回波显示.光点扫描的速度(时间)要与声在被检工件中传播距离(时间)相对应.如图2所示.仪器调节检测距离.实际上调节时间基线的宽时基接收图2时基与回波显示度(时间).宽度越宽则相应的检测距离越长.2常规超声波探伤仪的主要技术性能超声波探伤仪的技术性能,实际上包括仪器的电子设备性能和超声波探头性能.目前习惯上将仪器的电子设备部分的性能称为探伤仅的性能,而将仪器和探头的综合性能称为超声波探伤系统性能.为此我国颁布A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件(ZB230--84),超声波探伤用探头性能测试方法(ZBY231--84)和A型脉冲反射式超声波探伤系统性能测试方法(zBJ04001--87)等标准,这些标准都对超声坡探伤仪的各项技术指标测试方法作了明确的规定..本文仅对仪器主要性能指标与仪器结构的关系及对探伤的影响作一些介绍.2.1发射部分2.1.1重复频率一般在50Hz~2kHz之间,可以高到10kHz以一55一蚜月鬻瓤¨超声波探伤役及数字化超声波探伤倥上,重复频率高有利于提高探伤速度,可用于高速自动探伤另由于重复频率提高,增加了光点在荧光屏上扫描次数,从而增强了波形显示亮度,有和于薄工件探伤.因此多数探伤仪将重复频率旋钮和深度范围旋钮同轴调节.提高重复频率受到两方面的限制,一是检测距离的限制,即声程远,声传播时阿则长,由于发射脉冲周期应大于声传播时间,因此重复频率不能过高.媾二是重复频率过高,在一个脉冲周期中回波脉冲未衰减掉,因此在下一脉冲周期时显示出来,从而使示波形混乱.212脉冲形态目前多数超声波探伤仪采用的是负脉冲激励超声探头.如从激励宽带窄脉冲探头来要求,理想的应是8脉冲,而实际上的负脉冲有一个上升时间和下降时间(脉冲宽度).我们只能要求上升时间和下降时问尽量短来满足窄脉冲形成的需要.一般来说,上升前沿应小于四分之一高频周期,以5MHz为倒,一个高频周期为200ns,则激励5MHz换能器前沿应小于50ns.目前一些频带较宽的探伤仪(高频段在20MHz以E)前沿时间已<10ns.特殊用途的超声渡探伤仪高频端达到50MHz时前沿在2ns左右,前沿对窄脉冲影响很大.脉冲宽度将影响输出能量,如采用方波脉冲当脉冲宽度为高频周期的二分之一时输出最大,因此在实际操作中,可以调节脉冲宽度来得到最佳输出状态.2.1.3脉冲电压常用超声波探伤仪电压一般超过100V,多数在400V左右.脉冲电压加到探头的压电晶片两端,压电片受激振动而产生形变,形成脉冲超声波,其幅射能量与激励的脉冲电压直接相关.脉冲电压越高,发射的脉冲超声就越强.但是以提高脉冲电压的方法来提高辐射能量是有限度的,脉冲电压提高到一定值时,输出趋于饱和,这时继续提高脉冲电压不仅没有好处,反而因脉冲加宽而增加盲区.考虑到脉冲电压的高低与上升时间有关,因此有些仪器为兼顾不同需要将脉冲电压分成三档,高压为常规使用,中压用于宽带窄脉冲探头,以保证分辨力,低压则以短的上升时间保证高频探头正常工作.2.1.4阻尼一般是指并联在输出端的阻尼电路,多数采用多档切换来调节电阻值.其作用是电路衰减,阻抗匹配,缩短前铪等,以便在使用不同频率,不葡类型的超声探头时,获得高灵敏度或高分辨力等较佳效果.多数阻尼电阻的调节范围在10~100gl之间.2.2接收部分一56一接收部分是从探头接收到的超声信号转换成弱电信号.一般为毫伏级,部分信号为几十微伏,而示波器垂直偏转满幅值电压近百伏,因此为满足不同材料,构件的探伤要求,不同型号的超声探伤仪总增益在100dB左右接收电路由高频放大,检波和视频放大等三个基本单元组成.增益分配一般为:高频放大60~80dB;视频放大近30dB;由于探伤灵敏度余量与发射,接收和探头等有关,因此,仪器增益指标高低仅是影响探伤灵敏度余量的主要因素2.21频带范围多数仪器在0.4～15MHz范围之内,少数可低于100kHz或高于20MHz.高频放大器可以是宽带,也可工作在窄带,在窄带常用的工作频率为:(0.4),05,1,(1.25),2,(2.25),25,4…575,10,15Mt-Iz.严格地说,宽带工作频带应标明带宽,是一3dB或一6dB或一12dB如0.4～15MHz(一3dB)就标明在O.4～15MHz工作频率范围中不同的工作频率时放大器增益有～3dB差异.有些仪器可工作在宽带,亦可工作在窄带,由于窄带增益要高于宽带,因此仪器主要技术指标中的最大增益一般是指窄带工作时的增益.这点在选购仪器时应特别注意.2.2.2衰减器由于实际探伤中,接收到的信号可以从几十微伏到几伏的变化,为满足示波器不饱和显示的需要,放大器要有60~100dB左右的衰减量.具体总衰减量的多少和仪器的总增益有关.从调节方便考虑,仪器衰减量又分粗调和精调,粗调多数用1O,2O,3O,40,50dB;细调则用2,1或0.SOB不等.衰减量的精确值与当量读数直接相关,因此要求较高,以国内标准12dB的误差不大于土ldB.2.2.3垂直线性误差放大器线性直接影响示波屏上幅度显示与输入信号大小的线性关系,和当量读数精度直接相关.衰减器是线性放大器的一部分,它的精度高低直接影响垂直线性误差.国内仪器的合格标准定为≤8,而国内外较好的仪器一般优于4.2.2.4动态范围是指放大器最大不失真幅度范围,即荧光屏上的回波高度从10OF降到副好可分辨高度的dB差值.放大器线性好,噪音低,则动态范围就宽.按国内标准规定合格值为△≥26dB,但多数仪器则在30dB左右.超声波探伤仪及数字化超声波探伤仪国外部分仪器为提高动态范围而采用对数放大器,使动态范围达到50dB左右,而实际上对数放大器dB读出精度一般低于线性放大器,因此非特殊需要一般不采用.2.3几个组合性能2.3.1灵敏度和信噪比(S/N)检测灵敏度是指发现最小缺陷的能力.在最小缺陷时的信号幅度应超过噪音的二倍(S/N一2),即信号超过噪音电平6dB.'对于探伤仪来说,一般以灵敏度余量来表示仪器的灵敏度特性.国内使用的标准试块为DB—P20～2型试块,检测臣表面200mm,mm平底孔的灵敏度余量.我国仪器生产厂习惯于将超声波探伤仪在最大增益时,将仪器的噪音电平控制在满幅度的8oA以下.因此将仪器增益开到最大时开始采用衰减器,逐步衰减到mm平底孔回波高度为50%满刻度时,衰减的dB值即为灵敏度余量.而按照国家标准,最大增益时噪音电平超过1o满刻度是允许的,只是在测量仪器灵敏度余量时要扣除超过10(Vii刻度)的dB数.因此,选用仪器时,实际上要考虑的并不是最大增益时仪器的噪音电平值的大小,而是探伤仪的实际灵敏度余量.2.3.2盲区与分辨力盲区是指在规定探伤灵敏度下,从检测面到能测出缺陷的最短距离.分辨力是系统能区分相邻而不连续缺陷的能力.它们均是仪器和探头的组合性能.盲区和分辨力有其相关性,超声脉冲宽窄直接造成盲区大小和分辨力差与好.但造成盲区大,分辨力差的原因并不完全相同.纵向分辨力是受超声脉冲宽度的影响,也受接收放大器带宽和电路检波特性的影响.要取得高分辨力,就要求以短前沿窄脉冲去激励宽带换能器使产生窄脉冲超声波.接收放大器宽带特性来保证不失真放大.造成盲区的原因除超声脉冲宽度外,主要受发射电脉冲幅度和宽度影响.激励脉冲幅度大,使放大器输入级晶体管阻塞甚至损坏,为此目前超声波探伤仪均采用性能良好的限幅保护电路,这就较好地控制了阻塞现象.但激励脉冲后沿是由于电容放电而形成,此放电信号与探头接收到的超声回波信号同时放大并显示在示波屏上.起始的发射信号(包括后延)形成较宽的起始脉冲,就形成所谓的表面盲区,由于激励电脉冲后沿宽度形成的盲区和回波脉冲宽度没有直接的关系.我们曾经采用40rn长电缆线探伤,发现表面盲区增加了三分之一,但缺陷回波脉冲宽度变化不大.因此盲区大,不一定就是分辨力差.3数字化超声波探伤仪数字化超声波探伤仪是计算机技术和超声技术相结合的产物.它承袭了常规超声波探伤仪的基本模式,即A型显示的脉冲回波法,它具有常规超声波探伤仪的基本性能,由于计算机技术的介入,数字化超声波探伤仪就具有数据存储和运算功能,实现了探伤过程中自动判伤,自动读出和显示缺陷的位置和当量值,存储并打印输出探伤报告,不仅解决了超声探伤可记录的问题,而且减少了人为误差,提高了探伤结果的可信性].数字化超声波探伤仪分便携式和多通道式两类.后者多用于声成象系统或自动超声探伤系统.便携式数字化超声波探伤仪],整机由微处理器系统同步和控制,并采用触模式键盘人机对话式操作.奠基本结构框图阿3所示.j千l{lI....,,,I【............数字化趟声波抓伤仪框图微处理器系统发出同步脉冲信号触发发射电路,产生高压负脉冲加在超声探头上,探头接收到的脉冲超声转换成微弱声信号,由接收放大器放大,经A/D变换器将信号转换成数字信号,进入微处理器,运算处理,最后经显示卡至显象管的荧光屏上,实时或冻结显示回波脉冲.4数字化超声波探伤仪的特点数字化超声波探伤仪是在常规模拟式超声波探伤仪的基础上发展起来的,它保留原超声波探伤仪的基本性能,利用计算机系统的功能,对接收到的回波波形记录,存储,分析井打印输出.一般还备有标准视频接口,与计算机联机使用.总体来说数字化超声波探伤仪具有以下特点:(1)操作方式常规超声波探伤仪采用旋钮操作,一个旋钮对应一个功能.如dB衰减器,测量范围,工作频率等.数字化超声波探伤仪则采用键盘以人机对话操作方式,一般有菜。