[医药卫生]超声仪器原理.ppt

第2章 超声检测仪器原理1.探头2.仪器12.3.1 超声探头1.压电效应 2.探头种类 3.探头结构 4.探头参数21.压电效应n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n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n本质：弹性体+电介质；晶胞结构不对称n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）3n压电晶片在厚度方向做一维受迫振动，产 生纵波n纵波倾斜入射（α=αⅠ~αⅡ），经折射产生 横波n谐振时(此时f最高)，基频 f = CL/2l ，l 为 晶片厚度42. 探头种类n直探头：声线垂直入射，可发射接收纵波n斜探头：声线倾斜入射，横波或表面波n双晶探头（分割探头）：一个晶片发射， 一个晶片接收n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5探头图片63.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7n斜探头n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n1—吸声材料；2—斜楔；3 —声阻尼；4—外壳；5— 电缆线；6—压电晶片8n双晶探头n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3～18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 9接触法双晶直探头发射晶片接收晶片10各种双晶直探头焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz，钢中折射 角：45 ~70 11接触法双晶斜探头（续）12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13压电陶瓷的主要性能指标1) 介电常数：1000~60002) 压电灵敏度D33 ：300~600pC/N3) 机械品质因素Q：100~20004) 居里温度：300~400 C5）静电容：1000 ~ 100000pF（与面积有关）6）频率范围：用于超声清洗：30~100KHz用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz用于雾化器：1~2MHz14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 154.探头参数n探头型号的组成项目及排列顺序n基本频率：用阿拉伯数字表示，单位为MHzn晶片材料：用化学元素缩写符号表示，见表n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。

n探头种类：用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可不标出n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mmDJ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16压电 材料代号锆钛 酸铅陶 瓷P钛酸钡陶瓷B钛酸铅陶瓷T铌酸锂单 晶L碘酸锂单 晶I石英单晶Q其它压电 材 料N晶片材料代号17种类代号直探头Z斜探头（用K值 表示）K斜探头（用折射 角表示）X分割探头FG水浸探头SJ表面波探头BM可变角探头KB探头种类代号184.探头参数n直探头：频率-材料-直径例：2.5B20， 5N14n斜探头（横波）：频率-材料-长宽-角度β或K 值（K=tg β ），例：5P86K1.5192.3.2 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201.超声仪器种类n用途：探伤仪；检测仪（声速，厚度等）n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。

n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n缺陷显示方式：A型，B型，C型nA型：显示声轴上的回波（脉冲）nB型：显示声轴扫描的纵剖面（平面图像）nC型：显示声轴扫描的横截面（平面图像）21A型,B型,C型示意图222. 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：①发射电路 ②电源电路 ③接收电路 ④同步电路 ⑤扫描电路 ⑥显示电路要点：①发射接收一条路；②纵横两路要同步；③纵接收，横扫描23A型仪器图片243.电路参数n探头：超声频率n发射电路：发射强度n接收电路：衰减（大）；增益（小）；检波 ；抑制n同步电路：重复频率（触发～，发射～，扫 描～）n扫描电路：扫描速度；扫描延迟n显示电路：聚焦，亮度25超声波脉冲参数示意图26n探伤仪接通电源后，同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BnA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4.工作过程,原理274.工作过程,原理n同步电路产生脉冲同时触发以下两路：n(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n(2)扫描电路产生线性上升电压→电子束水 平偏转n……快速重复上述过程，形成稳定显示n→超声波往返时间＝电子束扫描时间28nt电= t声；显示一次底面回波B1nt电= 2t声；显示二次底面回波B2nt电 t电（ t同同步周期，对应重复频 率）29n如何调节t电（扫描速度）？n调节[深度范围]旋钮！n如何调节t同（对应重复频率）？n靠[深度范围]旋钮在仪器内部联调305.数字型仪器q模拟式仪器的主要问题 q数字化的实现 q数字化仪器的特点 31模拟式仪器的主要问题n①不能记忆显示，不能存储波形n②没有运算功能n③功能简单n④指标难以再提高 32数字化的实现n①模数转换器（A/D）：关键器件；速度要 大于100MHz，分辨率一般8位。

n②微处理器（单片机）：核心器件；16位， 完成数据分析处理n③存储器：大容量FLASH，存储数据、波形 33数字化仪器的特点①检测速度快：自动设置、计算、记录 ②检测精度高：提高1倍左右③信号分析、模式识别、专家系统（缺陷定性 ） ④显示DAC(距离-波幅)曲线，显示波形包络⑤记录、存档、打印报告 ⑥操作提示、微机通信 ⑦手动B扫描，显示焊缝截面 34数字型仪器图片35习题2.2n221.PZT-4的纵波声速为4000m/s，若制作 频率2.5MHz的晶片，厚度＝？n（222）.设发射脉冲宽度为2μs，计算纵波 在钢中的探测盲区（C＝5900m/s）n（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。