第3章超聲檢測儀器探頭和試塊

1、第3章 超聲檢測設(shè)備與器材超聲檢測設(shè)備與器材包括超聲檢測儀、探頭、耦合劑和對比試塊等。其中儀器和探頭是檢測設(shè)備的關(guān)鍵部分。了解其原理、構(gòu)造和作用及其性能，是正確選擇檢測設(shè)備與器材并進(jìn)行有效檢測的保證。3.1 超聲檢測儀超聲檢測儀是利用超聲波的聲學(xué)特性對材料缺陷進(jìn)行無損檢測的一種電子儀器，是超聲檢測中的主體設(shè)備。它的作用是產(chǎn)生電振蕩并施加于換能器（探頭）上，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時接收來自于探頭的電信號，將其放大后以一定的方式顯示出來，從而得到被檢工件中有關(guān)缺陷的信息。3.1.1 超聲檢測儀的分類一概述按照原理的差異分類，超聲檢測儀器可以分為下述三類：1穿透式檢測儀：這種儀器指示聲的穿透能量。儀

2、器發(fā)射單一頻率的連續(xù)波信號，根據(jù)透過工件的超聲波強(qiáng)度來判斷工件中有無缺陷及缺陷的大小，是最初發(fā)明的超聲檢測儀的形式。由于這種儀器對缺陷檢測靈敏度較低，且不能確定缺陷的位置，可操作性也受到限制，目前已很少使用。2共振檢測儀：這種儀器指示頻率可變的超聲連續(xù)波在工件中形成共振的情況，用于共振法測厚，目前也使用較少。3脈沖反射式超聲檢測儀這種儀器指示反射聲波的幅度和傳播時間，稱為脈沖反射式檢測儀。這類儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射一持續(xù)時間很短的電脈沖，激勵探頭發(fā)射脈沖超聲波，并接收從工件中反射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間和幅度來判斷是否存在缺陷和缺陷的大小等情況，稱為脈沖反射式超聲檢測儀

3、。目前又發(fā)展了采用一發(fā)一收雙探頭方式，接收從工件中衍射回來的脈沖波信號，通過檢測信號的返回時間來判斷是否存在缺陷和缺陷的大小等情況，稱為衍射時差法超聲檢測儀。脈沖反射式檢測儀的信號顯示方式可分為a、b、c三種類型，又稱為a掃描、b掃描、c掃描。其中超聲成像顯示又可分為b、c、d、s、p型顯示等類，其中a型脈沖反射式超聲檢測儀是使用最廣泛、最基本的一種類型。除了上述按照原理的差異分類以外，根據(jù)采用的信號處理技術(shù)，超聲檢測儀還可分為模擬式和數(shù)字式儀器，按照不同的用途設(shè)計(jì)有便攜式檢測儀、非金屬檢測儀、超聲測厚儀等，按操作方式還可分為手工操作超聲檢測儀和自動超聲檢測儀等。二a型顯示、b型顯示和c型顯示

4、 1a型顯示a型顯示是將超聲信號的幅度與傳播時間的關(guān)系以直角坐標(biāo)的形式顯示出來（圖3-1）。橫軸為時間，縱軸為信號幅度。如果超聲波在均質(zhì)材料中傳播，聲速是恒定的，則傳播時間可轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゾ嚯x。因此，從a型顯示中可以得到反射點(diǎn)距聲入射點(diǎn)的距離（如縱波垂直入射檢驗(yàn)時缺陷的深度，用于確定缺陷的位置），以及回波幅度的大?。ㄓ脕砼袛嗳毕莸漠?dāng)量尺寸）。圖3-1所示為脈沖反射法檢測的典型a型顯示圖形，左側(cè)幅度很高的脈沖t稱為始脈沖或始波，是發(fā)射脈沖直接進(jìn)入接收器后在示波屏上的起始位置顯示出來的脈沖信號，右側(cè)的回波b稱為底波或底面回波，是超聲波傳播到與入射面相對的工件底面產(chǎn)生的反射波，中間的回波f則為缺陷的反射

5、波。圖3-1 a型顯示原理圖a型顯示具有檢波與非檢波兩種形式。非檢波信號又稱為射頻信號，是探頭輸出的脈沖信號的原始形式，可用于分析信號特征，如圖3-2（a）所示。檢波形式是探頭輸出的脈沖信號經(jīng)檢波后顯示的形式，由于檢波形式可將時基線從屏幕中間移到刻度板底線，可觀察的幅度范圍增加了一倍。同時，所顯示的圖形較為清晰簡單，便于判斷信號的存在及讀出信號幅度。但檢波形式與非檢波形式相比，失去了其中的相位信息。如圖3-2（b）所示。 （a）射頻波形（未檢波） （b）視頻波形（檢波后）圖3-2 a型顯示波形圖2b型顯示b型顯示是工件的一個二維截面圖，將探頭在工件表面沿一條線掃查時的距離作為一個軸的坐標(biāo)，另一

6、個軸的坐標(biāo)是聲傳播的時間(距離)。圖3-3為b型顯示原理圖。早期的b型顯示，是在每個探頭位置上，記錄下脈沖信號出現(xiàn)的深度位置（傳播時間），在相應(yīng)的位置上以亮點(diǎn)顯示出信號的存在，沒有回波脈沖的位置則無顯示。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)在的b型顯示通常將時間軸上不同深度的信號幅值采集下來，在每個探頭移動位置沿時間軸用不同的亮度（或顏色）顯示出信號的幅度。將上下表面回波也包含在時間軸顯示范圍以內(nèi)，可以從圖中觀察出缺陷在該截面上的位置、取向與深度以及通過亮度或顏色獲取缺陷信號幅度的信息。圖3-4為典型的b型顯示圖象。 圖3-3 b型顯示原理圖 圖3-4 典型的b型顯示圖象3c型顯示c型顯示是工件的一個平面

7、投影圖。探頭在工件表面作二維掃查，顯示屏的二維坐標(biāo)對應(yīng)探頭的掃查位置。在每一探頭移動位置，將某一深度范圍的信號幅度用電子門選出，用亮度或顏色代表信號的幅度大小，顯示在對應(yīng)的探頭位置上，則可得到某一深度范圍缺陷的二維形狀與分布，如圖3-5所示。若以各點(diǎn)的亮度代表回波傳播時間，則又可得到缺陷深度分布，稱為tof（time of flight）圖。圖3-6為典型的c型顯示圖。b型和c型顯示是在a型顯示的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在a型顯示圖上，確定好需采集的信號范圍，采用電子門提取出所需信號。目前，b型和c型顯示多采用計(jì)算機(jī)，將信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換處理后，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，圖像與數(shù)據(jù)可存儲并可進(jìn)一步用軟件對缺陷進(jìn)

8、行分析評價。 圖3-5 c型顯示原理圖 圖3-6 典型的c型顯示圖3.1.2 a型脈沖反射式超聲檢測儀一 a型脈沖反射式超聲檢測儀的主要組成部分和工作原理1主要組成部分a型脈沖反射式超聲檢測儀的主要組成部分是同步電路、發(fā)射電路、掃描電路、接收放大電路、顯示電路以及電源，如圖3-7所示。除了上述各部分電路以外，還有報警電路、閘門電路、標(biāo)距電路、補(bǔ)償電路等輔助電路。圖3-7 a型脈沖反射式超聲檢測儀的基本電路框圖2工作原理儀器的工作原理概括起來是這樣的：首先由同步電路以給定的頻率產(chǎn)生周期性同步脈沖信號，該信號一方面觸發(fā)發(fā)射電路產(chǎn)生激勵電脈沖加到探頭上產(chǎn)生脈沖超聲波，另一方面控制時基電路產(chǎn)生鋸齒波加

9、到示波管x軸偏轉(zhuǎn)板上使光點(diǎn)從左到右隨時間移動。超聲波通過耦合劑進(jìn)入工件，反射回波由已停止激振的原探頭接收（單探頭工作方式）或由另一探頭接收（雙探頭工作方式），轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖經(jīng)放大電路放大加到示波管的y軸偏轉(zhuǎn)板上，此時，光點(diǎn)不僅沿x軸按時間線性移動，而且受y軸偏轉(zhuǎn)電壓的影響在垂直方向運(yùn)動，從而產(chǎn)生幅度隨時間變化的波形。根據(jù)反射回波在時間基線上的位置可確定反射面與超聲入射點(diǎn)的距離，根據(jù)回波幅度可確定回波聲壓大小。二模擬式a型脈沖反射式超聲檢測儀的電路組成與各部分功能1同步電路同步電路又稱為觸發(fā)電路或同步脈沖發(fā)生器，主要由多諧振蕩器和微分電路等組成。同步電路的作用是產(chǎn)生同步脈沖，去觸發(fā)掃描電路、

10、發(fā)射電路以及其他輔助電路，使超聲檢測儀的各個部分在時間上協(xié)調(diào)一致工作。因此，同步電路可看作是整個超聲檢測儀的“司令部”。同步電路每秒鐘產(chǎn)生數(shù)十次以至數(shù)千次周期性的同步脈沖，同步脈沖是周期性地出現(xiàn)的，每秒鐘內(nèi)發(fā)射同步脈沖的次數(shù)稱為重復(fù)頻率。重復(fù)頻率決定了超聲檢測儀的發(fā)射脈沖的頻率，即決定了每秒鐘向被檢工件內(nèi)發(fā)射超聲波脈沖的次數(shù)。有些儀器設(shè)有重復(fù)頻率調(diào)節(jié)旋鈕以供使用者選擇。選擇重復(fù)頻率對自動化檢測很重要。自動化檢測的優(yōu)勢之一就是可以自動記錄超聲信號，因而可以實(shí)現(xiàn)高速掃查，這就需要有高重復(fù)頻率以保證不漏檢。但是，高重復(fù)頻率使兩次脈沖間隔時間變短，有可能使未充分衰減的多次反射進(jìn)入下一周期，形成所謂的“

11、幻像波”，造成缺陷誤判。因此，自動化檢測的掃描速度受到最大重復(fù)頻率的限制。在手工檢測目視觀察的情況下，提高重復(fù)頻率可使波形顯示亮度增加，便于觀察。2發(fā)射電路發(fā)射電路是一個電脈沖信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生100v400v的高壓電脈沖，施加到壓電晶片上產(chǎn)生脈沖超聲波。為適應(yīng)某些特殊情況的檢測要求，有些高能型儀器也提供高達(dá)1000v的高壓電脈沖。發(fā)射電路通?？煞譃檎{(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種，圖3-8為兩種電路的原理圖。調(diào)諧式電路諧振頻率由電路中的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。諧振頻率通常調(diào)諧到與探頭的固有頻率相一致。這種電路常用于為了穿透高衰減材料而需激發(fā)寬脈沖的情況。（a) 調(diào)諧式 （b）非調(diào)諧式圖

12、3-8 發(fā)射電路原理圖非調(diào)諧式電路發(fā)射一短脈沖，脈沖形狀有尖脈沖、方波等不同形式，脈沖頻帶較寬。由它激勵的超聲波也是一寬帶脈沖波，中心頻率主要由探頭中壓電晶片的固有參數(shù)決定。目前常見的超聲檢測儀多采用非調(diào)諧式電路。發(fā)射電脈沖的頻率特性將被傳遞到整個檢測系統(tǒng)，首先是探頭，轉(zhuǎn)換為超聲脈沖后進(jìn)入被檢件，之后又回到探頭，進(jìn)入接收電路，最后到達(dá)顯示器。因此，最終顯示在屏幕上的信號可以看作是發(fā)射脈沖經(jīng)過一系列過程被處理后的結(jié)果。目前的超聲檢測儀接收電路通常是寬帶的，很多常用探頭也是寬帶的，因此，發(fā)射電路的頻率特性對最終的a顯示圖形影響很大。為了使探頭的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高，通常要求發(fā)射脈沖頻帶范圍要包含探

13、頭自身的頻帶范圍。頻帶越寬，發(fā)射脈沖越窄，可能達(dá)到的分辨力越好。超聲檢測儀中多設(shè)置有發(fā)射強(qiáng)度調(diào)節(jié)旋鈕或阻尼旋鈕，通過改變發(fā)射電路中的阻尼電阻，可調(diào)節(jié)發(fā)射脈沖的電壓幅度和脈沖寬度。在一般情況下，電壓越高、脈沖越寬、所發(fā)射的能量越大，但同時盲區(qū)增大、深度分辨力變差。因此，在使用時應(yīng)根據(jù)檢測對象的特點(diǎn)加以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)對穿透能力和分辨力的不同要求。3接收電路接收電路也稱為接收放大器，它由衰減器、高頻放大器、檢波器和視頻放大器等組成。超聲信號經(jīng)壓電晶片轉(zhuǎn)換后得到的微小電脈沖，被輸入到接收電路，接受電路對其進(jìn)行放大、檢波，使其能夠在顯示器上得到足夠高度的顯示。接收電路的性能對超聲檢測儀的性能影響極大，它直

14、接影響超聲檢測儀的垂直線性、動態(tài)范圍、檢測靈敏度、分辨力等重要指標(biāo)。國內(nèi)模擬式超聲檢測儀的接收電路的方框圖及其波形如圖3-9所示：圖3-9接收電路及波形圖由缺陷回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓通常只有幾十毫伏至幾百毫伏，放大電路需對其進(jìn)行足夠倍數(shù)的放大（約100db），才能達(dá)到示波管顯示所需的上百伏電壓。為此，接收信號進(jìn)入接收電路后，首先經(jīng)過高頻放大器，將信號電壓放大到一定的倍數(shù)，然后進(jìn)行檢波，再經(jīng)視頻放大器將檢波信號放大到示波管顯示所需的足夠的電壓。放大器的放大倍數(shù)以輸出電壓和輸入電壓比值的分貝數(shù)來表示： (31)式中kv為電壓放大倍數(shù)的分貝值，u出為放大器的輸出電壓，u入為放大器的輸入電壓

15、。通常超聲檢測儀的電壓放大倍數(shù)為104105倍，相當(dāng)于80100db。為了對信號幅度進(jìn)行定量評定，首先要求放大器的輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。為了能夠測量幅度的變化值，在接收的信號進(jìn)入放大器前，先經(jīng)過用分貝度量校準(zhǔn)的衰減器進(jìn)行預(yù)衰減，以便對信號幅度定量調(diào)節(jié)，給出不同信號幅度差的精確讀數(shù)，用于不同信號幅度的比較。同時，衰減器還可將超出顯示器幅度范圍的過大信號衰減到顯示器可顯示的幅度。與衰減器相對應(yīng)，在儀器上還給出未經(jīng)校準(zhǔn)的增益微調(diào)旋鈕，可以在小范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)信號幅度，以將信號峰值準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到刻度線上。衰減器和增益微調(diào)旋鈕是儀器上可由使用者改變接收信號放大倍數(shù)的旋鈕，可用來調(diào)節(jié)儀器的檢測靈敏度和

16、測量回波的幅度，對回波進(jìn)行定量評定。但應(yīng)注意，只有衰減器是經(jīng)校準(zhǔn)的定量測量裝置，而儀器上發(fā)射電路和接收電路中的其它旋鈕（如：發(fā)射強(qiáng)度、抑制、增益微調(diào)等）也會對回波幅度產(chǎn)生影響。在定量調(diào)節(jié)儀器靈敏度和進(jìn)行回波定量評定時，必須確認(rèn)其他旋鈕位置是不變的。檢波電路的作用是將經(jīng)高頻放大器放大的射頻信號轉(zhuǎn)變成視頻信號，以檢波的形式顯示在示波屏上（參見圖3-2（b）。檢波有全波檢波、正檢波和負(fù)檢波。全波檢波可將視頻信號正、負(fù)半周的信號均轉(zhuǎn)換為正電壓全部顯示出來。正檢波和負(fù)檢波則僅顯示視頻信號正半周或負(fù)半周的信號。檢波電路中帶有濾波電路，濾去檢波信號中的高頻成分，使波形平滑。有的儀器中設(shè)置有選擇射頻或視頻顯示

17、方式的旋鈕。為了抑制噪聲信號，接收電路中通常還設(shè)計(jì)有抑制電路，用于將幅度較小的一部分信號截去，不在顯示屏上顯示。應(yīng)當(dāng)注意：使用抑制電路時，儀器垂直線性變差（使顯示的信號幅度放大線性變差）、動態(tài)范圍變小、靈敏度降低，此外，過度的抑制還有失去小缺陷信號的危險，因此，需慎重使用。接收電路的頻帶寬度也是極其重要的，它關(guān)系到能否不失真地將接收的信號轉(zhuǎn)換到示波屏上，因此，要和探頭的頻帶相匹配。4掃描電路掃描電路又稱時基電路，是在采用示波管顯示波形時產(chǎn)生時基線的電路，用來產(chǎn)生鋸齒波電壓，施加到示波管水平偏轉(zhuǎn)板上，使電子束沿水平方向從左至右勻速掃描，產(chǎn)生一條水平掃描時基線。改變掃描速度（鋸齒波的斜率）即可改變

18、顯示在屏幕上的時間范圍，也就是超聲波傳播的聲程范圍。鋸齒波上升斜率的線性決定了掃描時基線的水平線性。圖3-10 是掃描電路方框圖及波形的示意圖。圖3-10 掃描電路方框圖及波形儀器上通常提供兩個時基線調(diào)節(jié)功能，一個是用來改變屏幕上顯示的時間（距離）范圍的大小的，稱為測量范圍調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)該旋鈕的實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)掃描速度（鋸齒波的斜率）。通常儀器設(shè)置深度范圍和深度微調(diào)兩個旋鈕，深度范圍是粗調(diào)旋鈕，按大范圍分檔調(diào)節(jié)，深度微調(diào)是細(xì)調(diào)旋鈕，可以連續(xù)調(diào)節(jié)。另一個功能是調(diào)節(jié)屏幕上顯示的時間范圍的起點(diǎn)，也就是時基電路觸發(fā)的延遲時間，稱為延遲。延遲由延遲電路實(shí)現(xiàn)，延遲電路的作用就是將同步信號延遲一段時間后再去觸發(fā)掃描電

19、路，使掃描延遲一段時間開始，其主要作用是校準(zhǔn)零點(diǎn)。例如在橫波斜探頭檢測時，可以用來將斜楔中傳播距離移出屏幕左端，使入射點(diǎn)對準(zhǔn)零點(diǎn)；在水浸法檢測時，可以用來將水中傳播距離移出屏幕左端，使第一次界面波對準(zhǔn)零點(diǎn)。另外，還可以以較快的掃描速度，將聲傳播方向上某一小段的波形展現(xiàn)在整個屏幕上，以便更仔細(xì)地觀察。5顯示電路顯示電路主要由示波管、高壓電路各控制電路等組成。波形顯示多采用示波管（陰極射線管）。示波管中有垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板，接收電路的信號電壓加在垂直偏轉(zhuǎn)板上，掃描電路產(chǎn)生的鋸齒波加在水平偏轉(zhuǎn)板上。電子槍發(fā)射的高速聚束電子轟擊在熒光屏?xí)r，使熒光物質(zhì)發(fā)光，在熒光屏上形成光點(diǎn)，并按所加的偏轉(zhuǎn)電壓，在

20、屏幕上掃描出圖形。當(dāng)重復(fù)掃描相同圖像的頻率很高時，由于人眼的視覺暫留作用，圖像看起來是靜止不動的，所以，當(dāng)探頭穩(wěn)定地放在工件表面時，看到的是靜止的回波波形，便于對信號進(jìn)行評定。當(dāng)探頭移動速度很快時，圖像是閃爍變化的，因此，在采用目視觀察波形進(jìn)行檢測時，必須限制掃查速度，以保證缺陷波能夠產(chǎn)生重復(fù)圖像，使人眼捕捉到缺陷波。示波管前通常裝有刻度板，稱為面板，從面板上可讀出回波的位置和高度。6電源一般儀器使用220伏或110伏交流電源，小型便攜式檢測儀采用蓄電池，用充電器給蓄電池充電。7輔助電路在超聲檢測儀中還有一些為不同目的而設(shè)置的輔助電路，其中比較重要的，是有的儀器配備的距離-波幅補(bǔ)償電路（又稱d

21、ac）和閘門電路。前面已經(jīng)講過，尺寸相同的缺陷反射回波高度隨距探頭的距離遠(yuǎn)近而不同，遠(yuǎn)場區(qū)回波幅度隨距離增大而下降，這樣，就不能通過觀察回波幅度的大小直接評定不同埋深的缺陷尺寸。距離-波幅補(bǔ)償電路，就是采用電子學(xué)方法對顯示的回波高度進(jìn)行補(bǔ)償，使同尺寸不同埋深的缺陷回波在屏幕上顯示的高度大致相等。這在采用自動報警閘門檢測缺陷時十分重要。在采用c掃描成像技術(shù)對較大深度范圍內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢測時，由于幅度c掃描不能給出缺陷深度信息，采用dac消除距離對波高的影響，有助于正確判斷圖像中缺陷的大小。閘門電路相當(dāng)于在時基線上設(shè)置了一個窗口，限定了時間軸上某一特定范圍。閘門的起點(diǎn)和寬度均可調(diào)整，與a型顯示的圖形

22、結(jié)合起來，就可以選出圖形中所關(guān)心的一個范圍內(nèi)的信號，對其進(jìn)行處理?；蛴糜谟|發(fā)報警裝置，或用于記錄缺陷信息，也可以將閘門內(nèi)的信號提取出來，進(jìn)行波形特征的計(jì)算或頻譜分析。超聲c掃描檢測中，閘門用來限制要提取的信號的深度范圍，閘門的高度（門限值）可用來限制可被選出的回波的最小幅度。需注意一點(diǎn)，閘門提取出來的信號可能會有失真。傳統(tǒng)的超聲檢測儀中，儀器的所有功能均提供相應(yīng)的調(diào)節(jié)旋鈕，而現(xiàn)在的數(shù)字式儀器則多采用按鍵方式，不論采用何種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，其基本功能的設(shè)置是相似的。為了便于讀者了解掌握各旋鈕的作用，現(xiàn)將常見的超聲檢測儀旋鈕及其功能列于表3-1。表31 超聲檢測儀各旋鈕作用一覽表名稱功能同步電路重復(fù)頻

23、率旋鈕改變發(fā)射電路每秒鐘內(nèi)發(fā)射高壓脈沖的次數(shù)。發(fā)射部分工作方式選擇旋鈕可在單探頭工作方式和雙探頭工作方式間轉(zhuǎn)換。發(fā)射強(qiáng)度旋鈕（或稱阻尼旋鈕）通過改變發(fā)射電路中的阻尼電阻來調(diào)節(jié)發(fā)射超聲波的強(qiáng)度。接收部分衰減器旋鈕（或稱增益旋鈕）可定量調(diào)節(jié)顯示的回波高度。用于調(diào)節(jié)檢測靈敏度，評定缺陷回波大小。增益微調(diào)旋鈕可在小范圍內(nèi)（如6db內(nèi)）連續(xù)地調(diào)節(jié)波高。頻率范圍選擇旋鈕可選擇接收電路的頻率響應(yīng)。檢波方式旋鈕可選擇非檢波、全波檢波、正檢波和負(fù)檢波。抑制旋鈕使幅度較小的一部分噪聲信號不在顯示屏上顯示。掃描電路深度范圍（粗調(diào)）旋鈕（或稱掃描范圍旋鈕）以大的區(qū)間調(diào)節(jié)時基線長度所代表的探測范圍，以使需要檢測的深度范

24、圍的回波顯示在屏幕上。深度微調(diào)旋鈕(或稱深度細(xì)調(diào)旋鈕）可連續(xù)精確地調(diào)節(jié)時基線代表的探測范圍，使時基線刻度與聲傳播距離成所需的比例，以對缺陷準(zhǔn)確定位。脈沖位移旋鈕（或稱延遲旋鈕）調(diào)節(jié)同步脈沖觸發(fā)掃描電路的時間，使掃描延遲一段時間開始，配合深度細(xì)調(diào)，可將所需觀察的波展寬，以便更細(xì)致地觀察。也可用于平移顯示的波形，使回波與時基刻度線對準(zhǔn)。顯示部分輝度旋鈕調(diào)節(jié)時基線和圖形的亮度。聚焦旋鈕調(diào)節(jié)示波管中電子束的聚焦程度，使時基線和圖象清晰。水平旋鈕左右移動時基線，使時基線掃描范圍與面板的刻度線范圍相重合。垂直旋鈕上下移動時基線，使時基線與面板上的時基刻度線相重合。3.1.3 數(shù)字式超聲檢測儀一什么是數(shù)字式

25、超聲檢測儀數(shù)字式超聲檢測儀是計(jì)算機(jī)技術(shù)和超聲檢測儀技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是在傳統(tǒng)的超聲檢測儀的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器功能的精確和自動控制、信號獲取和處理的數(shù)字化和自動化、檢測結(jié)果的可記錄性和可再現(xiàn)性。因此，它具有傳統(tǒng)的超聲檢測儀的基本功能，同時，又增加了數(shù)字化帶來的數(shù)據(jù)測量、顯示、存儲與輸出功能。近年來，數(shù)字式儀器發(fā)展很快，正在逐步替代模擬式儀器。數(shù)字式超聲檢測儀主要是指發(fā)射、接收電路的參數(shù)控制和接收信號的處理、顯示均采用數(shù)字化方式的儀器。不同的制造商生產(chǎn)的數(shù)字式儀器，可能會采用不同的電路設(shè)置，保留的模擬電路部分也不相同，但最主要的一點(diǎn)，是探頭接收的隨時間變化的超聲信號，需經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)

26、字處理后顯示出來。二數(shù)字式超聲檢測儀與模擬式超聲檢測儀的異同1基本組成圖3-11是典型a型脈沖反射式數(shù)字式超聲檢測儀的電路框圖。從它的基本構(gòu)成來看，數(shù)字式儀器發(fā)射電路與模擬式儀器是相同的，接收放大電路的前半部分，包括衰減器和高頻放大器等，與模擬式儀器也是相同的。但信號經(jīng)放大到一定程度后，則由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)閿?shù)字信號，由微處理器進(jìn)行處理后，在顯示器上顯示出來。傳統(tǒng)儀器上的檢波、濾波、抑制等功能可以通過對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理完成，也可在模數(shù)轉(zhuǎn)換前采用模擬電路完成。數(shù)字式儀器的顯示是二維點(diǎn)陣式的，與模擬式儀器的顯示方式有很大的不同，因此，超聲檢測儀中不再有產(chǎn)生掃描線的時基電路，而是由微處理器通過程

27、序來控制顯示器實(shí)現(xiàn)逐行逐點(diǎn)掃描。發(fā)射電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的同步控制不再需要同步電路，而是由微處理器通過程序來協(xié)調(diào)各部分的工作。 圖3-11 數(shù)字式超聲檢測儀電路框圖2儀器的功能從基本功能來看，數(shù)字式儀器可提供模擬式儀器具有的所有功能。但是，各部分功能的控制方式是不同的。在模擬式儀器中，操作者直接旋動旋鈕對儀器的電路進(jìn)行調(diào)整，而在數(shù)字式儀器中，則要通過人機(jī)對話，以按鍵或菜單的方式，將控制數(shù)據(jù)輸入給微處理器，然后，由微處理器發(fā)出信號控制各電路的工作。微處理器還可按照預(yù)先設(shè)定的程序，自動對儀器進(jìn)行調(diào)整，這就給自動檢測系統(tǒng)提供了極大的方便。此外，數(shù)字化控制使得控制參數(shù)可以存儲，可以自動按存儲的參數(shù)重新對儀

28、器進(jìn)行調(diào)整，從而方便了檢測過程的重復(fù)再現(xiàn)；檢測波形的數(shù)字化使得儀器可進(jìn)一步提供波形的記錄與存儲、波形參數(shù)的自動計(jì)算與顯示（波高、距離等）、距離波幅曲線的自動生成、時基線比例的自動調(diào)整以及頻譜分析等等附加功能。3儀器的性能從影響儀器性能的最基本的部分發(fā)射電路和接收電路來看，數(shù)字式儀器與模擬式儀器是相同的，因此，儀器的靈敏度、分辨力、放大線性等與模擬儀器差別不大。最主要的差別，是數(shù)字式儀器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理和顯示部分，這部分的性能決定著顯示的信號是否失真，失真嚴(yán)重時，會影響到缺陷的判定，造成漏檢、誤檢。儀器這部分性能的主要影響參數(shù)有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率、字長和存儲深度，以及顯示器的刷新頻率

29、。模數(shù)轉(zhuǎn)換（又稱a/d轉(zhuǎn)換）是通過對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行高速度、等間隔的采樣，將其變換為一列大小變化的數(shù)字量，進(jìn)而對這些數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算、處理、顯示，如圖3-12所示。如果以數(shù)字的大小作為幅度，將這列數(shù)字仍按相同的間隔在直角坐標(biāo)系中描繪出來，則重新構(gòu)成了一個由分離的點(diǎn)組成的曲線，這就是數(shù)字化的波形?？梢?，若要重建的波形不失真，則需盡可能地提高采樣頻率，或者說，增加采樣密度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率，也就是每秒鐘時鐘脈沖的個數(shù)，是固定的，這個頻率決定了可采集的超聲波信號的最高頻率。若模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率與超聲波頻率的比值不夠大，則可能采不到最大峰值，嚴(yán)重時可引起漏檢。1模擬信號 2數(shù)字輸出 3時鐘脈沖圖

30、3-12 模數(shù)轉(zhuǎn)換示意圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器的字長是指一個數(shù)字量用幾位二進(jìn)制數(shù)來表達(dá)，它決定著幅度讀數(shù)的精度。一個8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可表示的數(shù)字是256，也就是說，可將幅度分為256個等級。采用數(shù)字檢波后，半波幅度為128級，則理論精度約為1。但實(shí)際上，由于數(shù)字化過程的幅度誤差，實(shí)際精度要比這個數(shù)值差一些。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一個參數(shù)是存儲深度，即一個波形可存儲的數(shù)據(jù)點(diǎn)的多少，或稱數(shù)據(jù)長度。這個參數(shù)與采樣頻率一起，決定著檢測范圍的大小。對于一定的檢測范圍，采樣頻率越高，則要求存儲深度越大。對于一定的采樣頻率，則存儲深度越大，檢測范圍也越大。模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理以后送到顯示器顯示，能否實(shí)時的把超聲信號全部

31、顯示出來，與顯示器的相應(yīng)速度，以及數(shù)據(jù)處理速度有關(guān)。刷新頻率應(yīng)與超聲脈沖重復(fù)頻率相一致，才能保證所有信號得到顯示。否則，也可能造成缺陷漏檢。這個問題在早期的數(shù)字式儀器上表現(xiàn)得比較嚴(yán)重。三數(shù)字式超聲檢測儀的優(yōu)勢與問題綜上所述，數(shù)字式儀器與模擬式儀器相比的優(yōu)勢在于，接收信號的數(shù)字化使超聲信號的存儲、記錄、再現(xiàn)十分方便，改變了傳統(tǒng)超聲檢測缺乏永久記錄的缺點(diǎn)，同時，也方便了信號的分析與處理，從而可從接收的超聲信號中得到更多的量化信息；顯示器不需要傳統(tǒng)的示波管，使得儀器更便于小型化；以其參數(shù)的數(shù)字式控制使檢測參數(shù)可以存儲、檢測過程的重現(xiàn)更為方便，還便于實(shí)現(xiàn)遙控等功能，為自動檢測系統(tǒng)提供了更方便的條件；數(shù)

32、字化使儀器功能可用軟件不斷擴(kuò)展，使一臺儀器滿足不同使用者的需求。但是，數(shù)字式儀器也有一些不利因素，因其模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率、數(shù)據(jù)長度、顯示器的分辨率、刷新速度等帶來的信號失真，可能對檢測信號的評價帶來的影響，在使用數(shù)字式儀器時必須加以考慮，以免造成缺陷的漏檢、誤檢等問題。3.1.4 儀器的維護(hù)保養(yǎng)超聲檢測儀器是比較精密的電子儀器，為了減少儀器故障的發(fā)生，延長儀器的壽命，使儀器保持良好的工作狀態(tài)，必須注意對儀器的維護(hù)保養(yǎng)。儀器維護(hù)需注意的有以下幾點(diǎn)：1使用儀器前，應(yīng)仔細(xì)閱讀儀器的使用說明書，了解儀器的性能、特點(diǎn)、各旋鈕或按鍵的功能、操作方法和注意事項(xiàng)等，嚴(yán)格按說明書要求使用儀器。2儀器搬動時應(yīng)避

33、免強(qiáng)烈震動，現(xiàn)場檢驗(yàn)時應(yīng)采取可靠的防護(hù)措施，防止摔碰。3儀器應(yīng)避免在強(qiáng)電磁場、灰塵彌漫、雨水淋濺、潮濕、高溫及有腐蝕性氣體的環(huán)境下工作。4使用交流電時，要核對儀器和電源的額定電壓是否相符，防止接錯電源，燒毀儀器元器件。使用直流電源時，要注意電源的極性、工作電壓，并及時給電池充電。5拔接電源、探頭的插頭時，應(yīng)抓住插頭的殼體操作，不要抓住電纜線插拔。探頭線、電源線應(yīng)理順，切忌扭折。6使用儀器旋鈕不宜用力過猛。清潔示波屏?xí)r，應(yīng)用柔軟布料和軟性水擦拭，以避免表面受損。7使用完畢，要及時擦去儀器表面的灰塵和油污，將儀器放置到干燥通風(fēng)的地方。8不經(jīng)常使用的儀器，也應(yīng)定期接通電源開機(jī)半小時，以便驅(qū)除潮氣。9

34、儀器出現(xiàn)故障，應(yīng)立即關(guān)閉電源，及時請維修人員檢查修理，切忌隨意拆動，以防擴(kuò)大故障和發(fā)生事故。3.1.5 超聲測厚儀一常用測厚方法測厚的方法很多，除了常規(guī)的機(jī)械方法(卡尺、千分尺等)外，還有其它一些方法，如超聲波測厚、射線測厚、磁性測厚、電流法測厚等。在船舶系統(tǒng)中，由于超聲波測厚儀具有體積小，重量輕，速度快，精度高、攜帶和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣的方法。二常用的超聲波測厚儀常用的超聲波測厚儀分為共振式、脈沖反射式和蘭姆波式等三種?，F(xiàn)分別簡單介紹如下。1共振式測厚儀從共振理論可知：超聲波(連續(xù)波)垂直入射到平板工件底面時，產(chǎn)生全反射。當(dāng)工件厚度為二分之一波長的整數(shù)倍時，反射波與入射波相互疊加

35、，形成駐波，產(chǎn)生共振。這時工件厚度與波速、頻率的關(guān)系為：上式可轉(zhuǎn)換為： (3-2)式中 工件厚度；工件中波長；c工件中波速；fn工件中第n次共振頻率。n正整數(shù)當(dāng)n=1時，由式(3-2)所得的f為工件基頻，測得兩個相鄰的共振頻率后，可由下式得到工件的厚度。 (33)共振式測厚儀的調(diào)節(jié)原理如圖3-13所示。測厚時，調(diào)節(jié)原理圖中的調(diào)諧電容c，改變振蕩頻率。由頻率振蕩器輸出的交變電信號加到超聲波探頭上，產(chǎn)生超聲波在工件中傳播。當(dāng)超聲波在工件中產(chǎn)生共振時，探頭負(fù)載阻抗減小，通過電流表a的板極電流達(dá)到極大值，這時的頻率為共振頻率。再次調(diào)節(jié)電容c，改變頻率，測出相鄰的另一共振頻率，再利用式(33)式求出工件

36、厚度。共振式測厚儀可測的厚度下限小，最小可達(dá)0.1mm；測量精度較高，可達(dá)o.1%。其缺點(diǎn)是使用不大方便，不能直讀，工件厚度必須用公式計(jì)算。另外要求被測工件上下表面應(yīng)平整光潔。圖3-13 共振式測厚儀原理圖1探頭 2工件2脈沖反射式測厚儀脈沖反射式測厚儀是通過測量超聲波在工件上下底面之間往返一次傳播所需的時間來求得工件厚度的，其計(jì)算公式如下： (34)式中： c一 工件中的波速；t 超聲波在工件中往返一次的傳播時間。脈沖反射式測厚儀原理方框圖如圖3-14所示。發(fā)射電路發(fā)出脈沖很窄的周期性電脈沖，通過電纜加到探頭上，激勵探頭中的壓電晶片產(chǎn)生超聲波。該超聲波在工件上下底面產(chǎn)生多次反射，反射波被探頭

37、接收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)放大器放大后輸入計(jì)算電路，由計(jì)算電路測出超聲波在工件上下底面往返依次傳播的時間，最后再換算成工件厚度顯示出來。圖3-14 脈沖反射式測厚儀原理方框圖測量往返時間（t）有以下兩種方法：第一種方法是測量發(fā)射脈沖（t）與第一次底波（b1）之間的時間，這種方法的特點(diǎn)是：發(fā)射脈沖寬度大，盲區(qū)大，一般測量厚度下限受到限制。但這種方法的儀器原理簡單，成本低廉。為了克服盲區(qū)的影響，目前廣泛使用的脈沖反射式測厚儀都采用雙晶直探頭。這樣，發(fā)射脈沖不直接進(jìn)入接收放大器，較大程度的減小盲區(qū)，測量下限值小，最小可達(dá)1.0 mm。第二種方法是測量第一次底波（b1）與第二次底波（b2）之間的時間或任意兩

38、次相鄰底波之間的時間。這種方法的特點(diǎn)是：底波脈沖寬度窄，盲區(qū)小，測量下限值小，最小可達(dá)0.25 mm。但采用這種方法的儀器線路復(fù)雜，成本較高。近年來，脈沖反射式測厚儀的發(fā)展非常迅速，由于采用集成電路，使其體積、重量大大減小，精度也明顯提高，達(dá)0.01mm。是目前應(yīng)用最廣的一種超聲波測厚儀，它在造船系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。3蘭姆波測厚儀蘭姆波是超聲波在薄板中傳播的一種波型，當(dāng)超聲波頻率、入射角與工件厚度成一定關(guān)系時，便在薄板工件中產(chǎn)生蘭姆波。改變探頭入射角或頓率，使其出現(xiàn)蘭姆波，然后根據(jù)探頭的入射角或頻率來測定工件的厚度。蘭姆波測厚儀適用于薄板測厚，特別適用于小直經(jīng)薄壁管測厚，如130.2的管子等。但

39、由于蘭姆波有些技術(shù)問題尚未完全解決，因此蘭姆波測厚儀應(yīng)用較少。三、測厚儀的調(diào)整與使用測厚儀有多種，各種測厚儀的調(diào)整與使用不完全相同。一般在使用前，要認(rèn)真閱讀說明書，按說明書的要求使用。這里以脈沖反射式測厚儀為例，簡要加以說明。1.測厚儀的調(diào)整測厚前，要先校準(zhǔn)儀器的下限和線性。儀器的測量下限要用一塊厚度為下限的試塊來校準(zhǔn)，例如下限為1mm的儀器要有一塊1mm厚的試塊。調(diào)整時將探頭對準(zhǔn)該試塊底面，使儀器顯示厚度為lmm即可。儀器的線性要用厚度不同的試塊來校正，調(diào)整時將探頭分別對準(zhǔn)厚度不同的試塊底面，使儀器顯示相應(yīng)的試塊厚度值。2.測厚方法（1）首先要根據(jù)工件厚度情況和精度要求來選擇探頭及相應(yīng)的儀器

40、。工件較薄時宜選用雙晶探頭或帶延遲塊探頭，工件較厚時宜選用單晶探頭。（2）測厚前，應(yīng)目視檢查工件上下表面，要求工件表面光潔平整。達(dá)不到要求時，應(yīng)進(jìn)行打磨。（3）測試時要施加一定的耦合劑。常用的耦合劑有甘油、機(jī)油、水玻璃等。當(dāng)使用水玻璃時，使用后要及時用濕布擦去探頭表面的水玻璃，以免干結(jié)，不便清除，有時還會損壞探頭。（4）測厚時，探頭放置要平穩(wěn)、壓力適當(dāng)。每個測試位置應(yīng)盡量在互相垂直的方向各測試一次。對于高溫工件，要用高溫探頭和特殊耦合劑。對于管道中的沉積物，當(dāng)沉積物聲阻抗與工件相差不大時，要先用小錘敲擊幾下管壁后再測，以免誤判。3.2 超聲波探頭超聲波探頭是用來產(chǎn)生與接收超聲波的器件，是組成超

41、聲檢測系統(tǒng)的最重要組件之一。超聲波探頭的性能直接影響到所發(fā)射超聲波的特性，影響到超聲波檢測系統(tǒng)的檢測能力。能夠在材料中產(chǎn)生超聲波的方式有多種，其原理均涉及將其它形式的能量轉(zhuǎn)換為超聲波的振動能量。在超聲檢測中最常用的、與超聲檢測儀相配合使用的超聲探頭，是利用材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換的壓電換能器。這類探頭中的關(guān)鍵部件是壓電晶片，又稱為壓電換能器，是一個具有壓電特性的單晶或多晶體薄片或薄膜。它的作用是將電能轉(zhuǎn)換為聲能，并將聲能轉(zhuǎn)換為電能。3.2.1 壓電效應(yīng)與壓電材料一壓電效應(yīng)與壓電材料某些晶體在交變拉、壓應(yīng)力作用下而產(chǎn)生交變電場的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，晶體材料在交變電場作用下產(chǎn)生伸縮形變

42、的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料分為單晶體和多晶體兩類。常用的壓電單晶體有石英、硫酸鋰、鈮酸鋰等，常用多晶體壓電材料有鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。壓電單晶體是各向異性的，其產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理與其特定方向上的原子排列方式有關(guān)。當(dāng)晶體受到特定方向的壓力而變形時，可使帶有正、負(fù)電荷的原子位置沿某一方向改變而使晶體的一側(cè)帶有正電荷，另一側(cè)帶有負(fù)電荷。圖3-15是石英晶體的方位示意圖。它有3個x軸，沿x方向施加壓力時，產(chǎn)生的壓電效應(yīng)最顯著，且電壓沿x方向形成；沿y方向壓縮晶體時,電壓仍在x方向形成。對于逆壓電效應(yīng)也是如此。因此，

43、垂直于x軸切割晶片，使晶片法線平行于x1、x2、x3中的任一軸時，在晶片兩面施加電壓可產(chǎn)生垂直于晶片的振動，形成縱波，這樣的晶片稱為x切割晶片；使晶片法線平行于y軸進(jìn)行切割，稱為y切割晶片，這時，在晶片兩面施加電壓可產(chǎn)生平行于晶片的振動。x切割晶片具有縱向壓電性，y切割晶片具有橫向壓電性。利用 y切割晶片的橫向壓電性，可以制作聲束垂直于工件表面入射的接觸式橫波探頭。 圖3-15 石英晶體的方位示意圖壓電多晶體是各向同性的。為了使整個晶片具有壓電效應(yīng)，必須對陶瓷多晶體進(jìn)行極化處理，即在一定溫度下以強(qiáng)外電場施加在多晶體的兩端，使多晶體中的各晶胞的極化方向重新取向，從而獲得總體上的壓電效應(yīng)。超聲波探

44、頭中的壓電晶片，在高頻電脈沖激勵下，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能（機(jī)械能），探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)探頭的壓電晶片接收超聲波時，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能。二壓電材料的主要性能參數(shù)1壓電應(yīng)變常數(shù)d33壓電應(yīng)變常數(shù)d33表示壓電晶體在外加電場變化時產(chǎn)生的應(yīng)變變化的大小，用下式表示： (35)式中：u施加在壓電晶片兩面的電壓 晶片在厚度方向的變形量壓電應(yīng)變常數(shù)d33是衡量晶片發(fā)射性能好壞的重要參數(shù)，d33值大，發(fā)射性能好，發(fā)射強(qiáng)度大，靈敏度高。2壓電電壓常數(shù)g33壓電電壓常數(shù)g33表示壓電晶體發(fā)生應(yīng)力變化時所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化的大小，用下式表示： (36)式中：p施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力 up

45、晶片表面產(chǎn)生的電壓梯度，即電壓u與晶片厚度（）之比，up =u/。壓電電壓常數(shù)g33是反映晶片接收性能的重要參數(shù)。g33值大，接收性能好，接收靈敏度高。3介電常數(shù)e介電常數(shù)e是反映介質(zhì)的介電性質(zhì)的參數(shù)，在制作探頭考慮阻抗匹配時起作用。用下式表示： (37)式中：c電容器電容t電容器極板距離a電容器極板面積由上式可知：當(dāng)電容器的極板距離和極板面積一定時，介電常數(shù)e越大，電容c也就越大，即電容器所儲電量就越多。壓電晶體的e應(yīng)根據(jù)不同的用途來選取。超聲檢測用的壓電晶體，一般要求頻率比較高，此時e應(yīng)小一些，因?yàn)閑小，c就小，電容充放電的時間短，能適用于較高的頻率。4頻率常數(shù)n為使探頭能發(fā)射最大強(qiáng)度的超

46、聲波，探頭晶片必須在共振條件下振動，按照共振條件，在諧振頻率下，晶片厚度應(yīng)等于波長的一半，即： 式中，晶片厚度；f0晶片的固有（諧振）頻率；cl晶片中縱波速度。整理上式，并令，可得： （38 ）上式說明：壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數(shù)，在數(shù)值上等于晶片中聲速的二分之一，這個常數(shù)稱為頻率常數(shù)，用n表示。 頻率常數(shù)是選擇探頭晶片厚度的重要參數(shù)，同樣的材料，制作高頻探頭時，需用小厚度晶片，制作低頻探頭時，需用大厚度晶片，晶片厚度與頻率成反比關(guān)系；而制作同樣頻率的探頭，頻率常數(shù)大的材料，晶片厚度也較大。由于晶片的振動的幅度總是在諧振頻率時為最大，發(fā)射超聲波的頻率主要取決于晶片的厚度和晶片中的

47、聲速。5機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm是壓電晶體在諧振時儲存的機(jī)械能量（e儲）與在一個周期內(nèi)損耗的機(jī)械能量（e損）之比（qm）： （39 ）它反映了壓電晶體在振動時因克服內(nèi)摩擦而消耗的能量大小。qm值對分辨力有較大的影響，qm值大，表示損耗小，晶片振動的持續(xù)時間長，脈沖寬度大，分辨力低，反之，qm值小，分辨力高。6機(jī)電耦合系數(shù)k機(jī)電耦合系數(shù)k是衡量電能和聲能（機(jī)械能）相互轉(zhuǎn)換的效率。對于正壓電效應(yīng)：對于逆壓電效應(yīng)：k值大則說明轉(zhuǎn)換效率高。探頭晶片振動時，同時產(chǎn)生厚度方向和徑向方向的伸縮變形，因此，機(jī)電耦合系數(shù)k分為厚度方向kt和徑向kp。kt大，檢測靈敏度高，kp大，低頻諧振波增多，發(fā)射脈沖

48、變寬，導(dǎo)致分辨力降低，盲區(qū)增大。7居里溫度tc居里溫度tc是壓電晶體發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化的一個臨界溫度，或稱相變溫度。高于這個溫度，壓電晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)變，壓電效應(yīng)就會消失。居里溫度的高低對選擇高溫檢測用的晶片十分重要。三超聲波探頭對晶片的一般要求1機(jī)電耦合系數(shù)k較大，以使獲得較高的轉(zhuǎn)換效率；2機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm較?。灰员惬@得較高的分辨力和較小的盲區(qū)；3壓電應(yīng)變常數(shù)d33和壓電電壓常數(shù)g33較大，以便獲得較高的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度；4頻率常數(shù)nt較大，介電常數(shù)較小，以便獲得較高的頻率；5居里溫度tc較高，聲阻抗z要適當(dāng)。四常用壓電材料常用壓電材料分為壓電單晶體和壓電陶瓷兩類。表3-2列出了常用壓電

49、材料的主要性能參數(shù)。表32 常用壓電材料的主要性能參數(shù)壓電材料切割方向波型d33(10-12 m/v)g33(10-3 mv/n)k(%)qmtc（）en(mhzmm)壓電單晶體石英x縱2.315.00.11065504.52.87石英y橫4.61.80.141065504.61.93硫酸鋰y縱1617.50.307510.32.73鈮酸鋰35y縱6.02.30.49105120039.03.70壓電陶瓷鈦酸鋇z縱1901.80.3830011517002.6鈦酸鉛z縱583.30.4310504601502.12pzt-4z縱2892.60.5150032811502.0pzt-5z縱374

50、2.480.497536515001.89pzt-7z縱1503.980.506003504252.1pzt-8z縱2252.50.48100030010002.07壓電單晶體中的石英是最早使用的壓電晶體，它具有機(jī)械性能和電性能穩(wěn)定，耐腐蝕，居里溫度高等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生不需要的其它振動模式，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率也較低。單晶體中硫酸鋰的特點(diǎn)是接收超聲波的性能很好。同時，它產(chǎn)生的其它振動模式較少，易于加阻尼，適用于制作窄脈沖高分辨力的探頭。缺點(diǎn)是易溶解于水，居里溫度低，價格較高，制作大尺寸晶片較困難。鈮酸鋰的特點(diǎn)是機(jī)電耦合系數(shù)大，居里溫度很高，適宜制成高頻、高溫、高壓探頭晶片。缺點(diǎn)是成本較高，不同

51、方向的熱膨脹不均勻，經(jīng)歷驟冷驟熱時容易發(fā)生炸裂。壓電陶瓷的發(fā)射性能好，接收性能不如石英和硫酸鋰。其中鋯鈦酸鉛（pzt）是最常用的壓電陶瓷，盡管它具有機(jī)械品質(zhì)因數(shù)大，不容易獲得窄發(fā)射脈沖，容易產(chǎn)生橫向的其它振動，材料特性差異大等缺點(diǎn)，但它價格便宜，容易制成尺寸較大的、各種形狀的晶片，在10mhz以下的探頭中，應(yīng)用非常廣泛。3.2.2 探頭的種類和結(jié)構(gòu)一探頭的分類1按波型分類按波型分類，探頭有縱波探頭、橫波探頭，表面波探頭等。例如縱波探頭是發(fā)射縱波和接收縱波的探頭。2按與工件接觸方式分類按探頭與工件接觸方式分類，探頭有接觸式探頭和液浸探頭等。接觸式探頭是用于直接接觸法進(jìn)行檢測的探頭。液浸探頭是用于

52、液浸法進(jìn)行檢測的探頭。3按聲束聚焦情況分類按聲束聚焦情況分類，探頭有聚焦探頭和非聚焦探頭。4按晶片數(shù)量分類按晶片數(shù)量分類，探頭有單晶片探頭、雙晶探頭和陣列排列的多晶探頭。單晶片探頭是探頭上裝有一個晶片的探頭，可兼作發(fā)射超聲波和接收超聲波。雙晶探頭是一個探頭中裝有兩個晶片的探頭，通常一個晶片用于發(fā)射超聲波，另一個探頭用于接收超聲波。列排列的多晶探頭用于相控陣技術(shù)。5按聲束入射方向分類按聲束入射方向分類，探頭有直探頭、斜探頭和可變角探頭?？勺兘翘筋^是能夠改變(調(diào)節(jié))入射角的探頭。二常用探頭1直探頭直探頭就是采取直接接觸法把超聲波垂直入射到工件表面進(jìn)行檢測所用的探頭。直探頭是發(fā)射縱波和接收縱波的探頭

53、，所以，又稱為縱波探頭。（1）直探頭的結(jié)構(gòu)直探頭的結(jié)構(gòu)如圖3-16所示，主要由晶片、阻尼塊、保護(hù)膜、吸聲材料等部分組成。外殼 圖3-16 直探頭的結(jié)構(gòu) 圖3-17 斜探頭的結(jié)構(gòu) 晶片晶片用壓電晶體制作而成，也稱為壓電晶片。它的作用是以其逆壓電效應(yīng)發(fā)射超聲波，又以其正壓電效應(yīng)接收超聲波(回波)，壓電晶片是探頭中最重要的元件，晶片的性能決定著探頭的性能。晶片的尺寸和諧振頻率，決定著發(fā)射聲場的強(qiáng)度、距離-波幅特性與指向性；晶片制作質(zhì)量的好壞，也關(guān)系到探頭的聲場對稱性、分辨力、信噪比等特性。晶片可制成圓形、方形或矩形。晶片的兩面需鍍上銀層（或金層、鉑層）作為電極，以使晶片上的電壓能均勻地分布。 阻尼塊

54、和吸聲材料阻尼塊是粘附在晶片后面具有阻尼作用的塊狀物體，一般是由環(huán)氧樹脂和鎢粉等按一定比例配成的。阻尼塊的第一個作用對壓電晶片的振動起阻尼作用；其二是吸收晶片向其背面發(fā)射的超聲波；其三是對晶片起支承作用。晶片在高壓電脈沖激勵下產(chǎn)生振動之后，由于慣性的作用，振動在一段時間內(nèi)不容易停止，從而使脈沖較寬。這種持續(xù)的振動會妨礙晶片對回波信號的接收，使這段時間內(nèi)的回波信號不能顯現(xiàn)，深度分辨力降低。阻尼塊可以增大晶片的振動阻尼，降低qm值，從而縮短晶片的振動時間，使振動著的晶片盡快恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，以有利于晶片對回波信號的接收。阻尼塊的阻尼作用越大，脈沖的寬度越窄，分辨力越高，但是，靈敏度會下降，因此，也不

55、能片面追求過大的阻尼效果晶片發(fā)射超聲波是向晶片兩面同時發(fā)射的，晶片向其背面發(fā)射的超聲波返回晶片后會產(chǎn)生雜波信號。為了吸收晶片背面的超聲波，阻尼塊要求是衰減系數(shù)較大的吸聲材料。 保護(hù)膜壓電陶瓷晶片通常都很脆，當(dāng)采用直接接觸的方式使晶片直接沿工件表面進(jìn)行掃查時，鍍銀層很快磨損，晶片很容易損壞。為此，常在晶片前面粘附一層薄保護(hù)膜，以保護(hù)晶片和電極層不被磨損或碰壞，另一方面，也能改善探頭與工件的耦合效果。保護(hù)膜有硬保護(hù)膜和軟保護(hù)膜兩類。硬保護(hù)膜用氧化鋁、藍(lán)寶石、碳化硼、碳化鎢、含硅砂塑料等材料制成，適用于探測表面較平滑的工件。對于表面粗糙的工件的檢測，則常采用聚胺酯塑料等材料制成的可更換的軟保護(hù)膜，以改善耦合效果。保護(hù)膜會使始波寬度增大，分辨力變差，靈敏度降低，在這方面，硬保護(hù)膜比軟保護(hù)膜更嚴(yán)重。對保護(hù)膜的要求是：強(qiáng)度高，耐磨性好，衰減系數(shù)小，厚度適當(dāng)，透聲性能好。 匹配線圈除高頻窄脈沖等特殊探頭外，一般探頭均配有匹配線圈，匹配線圈用于調(diào)整探頭中的電