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第三章 仪器、探头和试块
超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备。了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选择探伤设备进行有效探伤的保证。
§3.1超声波探伤仪
一、超声波探伤仪概述 1.仪器的作用
超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备,它的作用是产生电振荡并加于换能器（探头）,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.仪器的分类
(1)按超声波的连续性分类 ①脉冲波探伤仪
这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波,根据超声波的传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小,这是目前使用最广泛的探伤仪。②连续波探伤仪
这种仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变(或在小范围内周期性变化)的超声波,根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。这种仪器灵敏度低,且不能确定缺陷位置,因而已大多被脉冲波探伤仪所代替,但在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。③调频波探伤仪
这种仪器通过探头向工件中发射连续的、频率周期性变化的超声波，根据发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。以往的调频式路轨探伤仪便采用这种原理,但由于只适宜检查与探测面平行的缺陷,所以这种仪器也太多被脉冲波探伤仪所代替。(2)按缺陷显示方式分类 ①A型显示探伤仪
A型显示是一种波形显示,探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间（或距离),纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置,由反射波的幅度可以估算缺陷大小。
②B型显示探伤仪
B型显示是一种图象显示,探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头扫查轨迹,纵坐标是靠电子扫描来代表声波传播时间(或距离),因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。③C型显示探伤仪
C型显示也是一种图象显示,探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示,当探头在工件表面移动时,荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图象(从探头方向看的投影),不能显示缺陷深度。
〈a〉A型显示 〈b〉B型显示 〈c〉C型显示
二、A型脉冲反射式超声波探伤仪的-般工作原理 1.仪器电路方框图
A型脉冲反射式超声波探伤仪相当一种专用示波器,尽管型号、外形、体积和功能各不相同,但它们的基本结构和原理都是大同小异的。各种探伤仪都由以下几个主要部分组成,即:同步电路、扫描电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路等。电路方框图如图2.仪器主要组成部分的作用(1)同步电路
同步电路又称触发电路,它每秒钟产生数十至数千个脉冲(触发脉冲),用来触发探伤仪其它电路(扫描电路、发射电路等),使之步调一致、有条不紊地工作。因此,同步电路是整个探伤仪的“中枢”,同步电路出了故障,整个探伤仪便无法工作。
(2)扫描电路
扫描电路又称时基电路,用来产生锯齿波电压,加在示波管水平偏转板上,使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动,产生一条水平扫描线(即时基线)。（3)发射电路
发射电路利用闸流管或可控硅的开关特性,产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头,激励压电晶片振动,使之发射超声波,(4)接收电路
接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它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。由于接收的电信号非常微弱,通常只有数百微伏到数伏,而示波管全调制所需电压要几百伏,所以接收电路必须具有约的放大能力(即100dB)。接收电路的性能对探伤仪性能影响极大,它直接影响到探
伤仪的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。
由大小不等的缺陷所产生的回波信号大约有几微伏到几伏,为了使变化范围如此大的缺陷回波在放大器内得到正常的放大，并能在示波管荧光屏的有效观察范围内正常显示。可使用衰减器改变输入到某级放大器信号的电平。一般把放大器的电压放大倍数用分贝来表示：
式中Kv为电压放大倍数的分贝值,电压,为放大器的输出为放大器的输入电压一般探伤仪的电压放大倍数可达80dB—100dB。
(5)显示电路
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,示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等三部分组成,电子枪发射的聚束电子以很高的速度轰击荧光屏时,使荧光物质发光,在荧光屏上形成亮点。扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转板,使电子束发生偏转,因而亮点就在荧光屏上移动,描出探伤图形。由于扫描速度非常快,肉眼看上去就好象是静止的图象。(6)电源
电源的作用是给探伤仪各部分电路提供适当的电能,使整机电路工作。标准探伤仪一般用220伏或110伏交流市电,探伤仪内部有供各部分电路使用的变压、整流及稳压电路。携带式探伤仪多用蓄电池供电,用充电器给蓄电池充电。3.仪器的工作过程
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,加至示波管水平偏转板,使电子束发生水平偏转,在荧光屏上产生一条水平扫描线。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,遇缺陷或底面发生反射,返回探头时,又被压电晶片转变为电信号,经接收电路放大和检波,加至示波管垂直偏转板上,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和底波。根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度,根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小。
三、仪器主要开关旋钮的作用及其调整
图3.7CTS-22型探伤仪面板示意图
1.发射插座2.接收插座3.工作方式选择4.发射强度5.粗调衰减器6.细调衰减器7.抑制8.增益9.定位能标10.示波管11.遮光ER12.聚焦13.探度范围14.深度细调15.脉冲移位16.电源电压指示器17.电源开关
四、仪器的使用及维护
超声波探伤仪是比较精密的电子仪器,希望仪器技术性能好,可靠性要高，因此应注意以下几点： 1.使用仪器前,应仔细阅读仪器使用说明书,了解仪器的性能特点,熟悉仪器各控制开关和旋钮的位置、操作方法和注意事项,严格按说明书要求操作。2.搬动仪器时应防止强烈振动,现场探伤尤其高空作业时,应采取可靠保护措施,防止仪器摔碰。3.尽量避免在靠近强磁场、灰尘多、电源波动大、有强烈振动及温度过高或过低的场合使用仪器。
4.仪器工作时应防止雨、雪、水、机油等进入仪器内部,以免损坏线路和元件。
5.连接交流电源时,应仔细核对仪器额定电源电压和市电电压,防止错接电源,‘烧'毁元件。使用蓄电池供电的仪器,应严格按说明书进行充电操作。放电后的蓄电池应及时充电,存放较久的蓄电池也应定期充电,否则会影响蓄电池容量甚至无法重新充电。6.移动旋钮时不宜用力过猛,尤其是旋钮在极端位置时更应注意,否则会使旋钮“错位甚至损坏”。7.拔接电源插头或探头插头时,应用手抓住插头壳体操作,不要抓住电缆线拔插。探头线和电源线应理顺,不要弯折扭曲。
8.仪器每次用完后,应及时进行外表清洁,擦去表面灰尘、油污,放置在干燥地方。
9.在气候潮湿地区或潮湿季节,仪器长期不用,每月要接通电源开机一次,开机时间约半小时,以驱除潮气,防止仪器内部短路或击穿。同时,也给电解电容充了电,以防变质。
10.仪器出现故障应立即关闭电源，请维修人员检查修理、千万不可随意乱动，以防故障扩大和发生事故。
§3.2探头
一、探头的作用和原理 1.探头的作用
超声波探伤中,超声波的产生和接收过程是一种能量转换过程,这种转换是通过探头实现的,探头的作用就是将电能转换为超声能(产生超声波)和将超声能转换为电能（接收超声波)。将能量从一种形式转换为另一种形式的器件称为换能器。探头是一种电声能量转换器件。因此,探头也称为超声换能器或电声换能器。
2.压电效应
某些晶体受到拉力或压力而产生变形时,在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下,晶体发生弹性形变的现象,称为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应，能够产生压电效应的材料称为压电材料。
由于压电材料多是非金属电介质晶体结构,故又称为压电晶体。压电晶体分为单晶体和多晶体。单晶体系各向异性体,其中有天然形成的单晶材料,如石英()、电气石等;有人工培养拉制成的单品材料,)、腆酸锂（）、铌酸锂（）酒如硫酸锂(石酸钾钠(KNT)等,单晶体的接收灵敏度较高。多晶体系各向同性体,它是人工烧制而成的,多晶材料如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅〈PZT〉、偏铌酸铅〈PbNb2O6)等,这些人工烧制的多晶材料统称压电陶瓷。多晶体的发射灵敏度较高。常用于制作超声探头的主要有石英、硫酸锂、锆钛酸铅等。
3.超声波的产生和接收
超声波探伤是通过探头产生和接收超声波,探头的核心元件是薄片状压电体,通常称为压电晶片。探伤仪发射电路产生的高频电脉冲加于探头时,激励压电晶片发生高频振动,产生超声波。相反,当超声波传至探头而使晶片发生高频振动时,晶片便产生高频电振荡,送至探伤仪放大电路,经放大和检波,在示波管上显示出波形。这就是超声波的产生和接收过程。可以看出,探头是利用压电晶片的逆压电效应产生超声波,同时利用压电晶片的正压电效应接收超声波的。
二、压电晶体的主要性能参数
不同压电材料具有不同的性能,介绍几个主要参数： 1.压电应变常数
表示单位电压产生的形变大小。若施加一定电压,使厚度变化,则:
压电应变常数反映电压晶体的逆压电特性,它关系着晶片的发射灵敏度,因而也称为压电发射系数。大，晶片发射性能好,对晶片施加较低的电压就可以产生较强的振动,从而获得较强的超声波。制作单发射超声波探头,应选用2.压电电压常数
较大的压电晶片。
单位压力产生的相对开路电压的大小。若施加应力为P，晶片产生的电压为,则：
它关系着晶片的接收灵敏度,因此也称压电接收系数。大,晶片接收性能好,接收到微弱的超声波信号就可以产生较高的电压。制作单接收超声波探头,应 15 选用较大的压电晶片。
3、机电耦合系数K 从能量观点出发,压电效应是一种电能和机械能相互转化的效应。机械能和电能之间耦合强弱用机电耦合系数K表示,其定义为：
发射
接收
机电耦合系数关系着晶片的转换效率,K大,转换效率高,晶片的发射灵敏度和接收灵敏度高。
机电耦合系数有好几个,其中与超声探头有关的主要是厚向机电耦合系数和径向机电耦合系数。厚向机电耦合系数K,反映晶片作厚度伸缩振动时的机电耦合效应。径向机电耦合系数,反映晶片沿径向伸缩振动时的机电耦合效应。作为超声探头用的薄圆形晶片,我们只想利用,但由于的存在,会使杂波增多。因此超声探头的晶片希望越大越好,以获得较高的灵敏度,同时希望
也要大,以减少杂波。
4频率常数
由谐振条件可知,当压电晶片的厚度等于该频率下的半波长时,压电晶片将产生谐振(共振),由此得：
即
由此可见,压电晶片的谐振频率f与压电晶片的厚度t的乘积为常数,人们把这个常数称为频率常数,用表示,其单位为MHz·mm
由于不同压电晶体材料中的波速C不同,因此不同压电材料的也不同, 5.居里温度
所有压电材料当温度达到一定值后,压电效应会自行消失,物理学上称该温度为材料的居里温度或居里点,以表示。压电晶体有上居里温度（）和下居里温度（）如锆钛酸铅上约300℃,约一80℃。因此探测高温工件的探头,应采用上居里点较高的压电晶片,而在寒冷地区探伤应选用下居里温度低者。
1.机械品质因素
压电晶片谐振时贮存的机械能E与在一个振动周期内损耗的能量之比,称为机械品质因素,用表示。
机械品质因素。反映了压电晶片谐振时由于内摩擦所消耗的机械能的大小。,机械能损耗小,灵敏度高,但脉冲宽度大,分辨力低,盲区大。小则反之。压电晶片背面的吸收块的设置,就是为了降低探头的机械品质因素,从而提高探头的分辨力,减少盲区。
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