超聲波檢測(cè)設(shè)備及原理

1、超聲波檢測(cè)設(shè)備及原理超聲檢測(cè)主要是利用超聲波在工件中的傳播特性，如聲波在通過材料時(shí)能量會(huì)損失衰減，在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射等。其工作原理是：1）.聲源產(chǎn)生超聲波，超聲波以一定的方式進(jìn)入工件傳播。2）.超聲波在工件中傳播遇到不同介質(zhì)界面（包括工件材料中缺陷的分界面），使其傳播方向或特征發(fā)生改變。3）.改變后的超聲波通過檢測(cè)設(shè)備被接收，并進(jìn)行處理和分析，評(píng)估工件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。第一節(jié) 超聲波探傷儀超聲波探傷儀、探頭和試塊是超聲波探傷的重要設(shè)備。了解這些設(shè)備的原理、構(gòu)造和作用及其主要性能的測(cè)試方法是正確選擇探傷設(shè)備進(jìn)行有效探傷的保證。一、超聲波探傷儀概述

2、1儀器的作用超聲波探傷儀是超聲波探傷的主體設(shè)備，它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器（探頭）上，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)將探頭送回的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過一定方式顯示出來，從而得到被探工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息。2儀器的分類超聲儀器分為超聲檢測(cè)儀器和超聲處理（或加工）儀器，超聲波探傷儀屬于超聲檢測(cè)儀器。超聲波探傷技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，由于探測(cè)對(duì)象、探測(cè)目的、探測(cè)場(chǎng)合、探測(cè)速度等方面的要求不同，因而有各種不同設(shè)計(jì)的超聲波探傷儀，常見的有以下幾種。1）按超聲波的連續(xù)性分類脈沖波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件周期性地發(fā)射不連續(xù)且頻率不變的超聲波，根據(jù)超聲波的傳播時(shí)間及幅度判斷工件中缺

3、陷位置和大小，這是目前使用最廣泛的探傷儀連續(xù)波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)且頻率不變(或在小范圍內(nèi)周期性變化)的超聲波，根據(jù)透過工件的超聲波強(qiáng)度變化判斷工件中有無缺陷及缺陷大小這種儀器靈敏度低，且不能確定缺陷位置，因而已大多被脈沖波探傷儀所代替，但在超聲顯像及超聲共振測(cè)厚等方面仍有應(yīng)用。調(diào)頻波探傷儀：這種儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)的頻率周期性變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波與反射波的差頻變化情況判斷工件中有無缺陷。以往的調(diào)頻式路軌探傷儀便采用這種原理。但由于只適宜檢查與探測(cè)面平行的缺陷，所以這種儀器也大多被脈沖波探傷儀所代替。2）按缺陷顯示方式分類 A型顯示探傷儀：A型顯示是一種波形顯示

4、，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)，縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。 B型顯示探傷儀：B型顯示是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)是靠機(jī)械掃描來代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)是靠電子掃描來代表聲波的傳播時(shí)間(或距離)，因而可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度 C型顯示探傷儀：C型顯示也是一種圖像顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都是靠機(jī)械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而，當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，熒光屏上便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像，但不能顯示缺陷的深度A型、B型、C型三

5、種顯示分別如圖4-1所示。圖4-1 圖像顯示分類A 型顯示 B型顯示 C型顯示3）按超聲波的通道分類單通道探傷儀：這種儀器由一個(gè)或一對(duì)探頭單獨(dú)工作，是目前超聲波探傷中應(yīng)用最廣泛的儀器。多通道探傷儀：這種儀器由多個(gè)或多對(duì)探頭交替工作，每一通道相當(dāng)于一臺(tái)單通道探傷儀，適用于自動(dòng)化探傷。目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀，如CTS一22、CTS一26等都是A型顯示脈沖反射式探傷儀。二、A型脈沖反射式超聲波探傷儀的一般工作原理1儀器方框電路圖圖4-2采用方框電路圖表示儀器各部分，各方框之間用線條連起來，表示各部分之間的關(guān)系，說明儀器的大致結(jié)構(gòu)和工作原理。圖4-2 儀器方框電路圖2儀器主要組成部分的作用

6、1）同步電路：同步電路又稱觸發(fā)電路，它每秒鐘產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)千個(gè)脈沖，用來觸發(fā)探傷儀掃描電路、發(fā)射電路等，使之步調(diào)一致、有條不紊地工作。因此，同步電路是整個(gè)探傷儀的“中樞”，同步電路出了故障，整個(gè)探傷儀便無法工作。2）掃描電路：見圖4-3，掃描電路又稱時(shí)基電路，用來產(chǎn)生鋸齒波電壓，加在示波管水平偏轉(zhuǎn)板上，使示波管熒光屏上的光點(diǎn)沿水平方向作等速移動(dòng)，產(chǎn)生一條水平掃描時(shí)基線。探傷儀面板上的深度粗調(diào)、微調(diào)、掃描延遲旋鈕都是掃描電路的控制旋鈕。探傷時(shí)，應(yīng)根據(jù)被探工件的探測(cè)深度范圍選擇適當(dāng)?shù)纳疃葯n級(jí)，井配合微調(diào)旋鈕調(diào)整，使刻度板水平軸上每一格代表一定的距離。掃描電路的方框圖及其波形見圖。圖4-3 掃描電路圖

7、3）發(fā)射電路：見圖4-4，發(fā)射電路利用閘流管或晶閘管的開關(guān)特性，產(chǎn)生幾百伏至上千伏的電脈沖。電脈沖加于發(fā)射探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，使之發(fā)射超聲波，可控硅發(fā)射電路的典型電路如圖所示。圖4-4 發(fā)射電路圖發(fā)射電路中的電阻R0稱為阻尼電阻，用發(fā)射強(qiáng)度旋鈕可改變R0的阻值。阻值大發(fā)射強(qiáng)度高，阻值小發(fā)射強(qiáng)度低，因R0與探頭并聯(lián)，改變R0同時(shí)也改變了探頭電阻尼大小，即影響探頭的分辨力。4）接收電路：見圖4-5，接收電路由衰減器、射頻放大器、檢波器和視頻放大器等組成。它將來自探頭的電信號(hào)進(jìn)行放大、檢波，最后加至示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，井在熒光屏上顯示。由于接收的電信號(hào)非常微弱，通常只有數(shù)百微伏到數(shù)伏，而示波管

8、全調(diào)制所需電壓要幾百伏，所以接收電路必須具有約105的放大能力。接收電路的性能對(duì)探傷儀性能影響極大，它直接影響到探傷儀的垂直線性、動(dòng)態(tài)范圍、探傷靈敏度、分辨力等重要技術(shù)指標(biāo)。接收電路的方框圖及其波形如圖所示。圖4-5 接收電路圖由大小不等的缺陷所產(chǎn)生的回波信號(hào)電壓大約有幾百微伏到幾伏，為了使變化范圍如此大的缺陷回波在放大器內(nèi)得到正常的放大，并能在示波管熒光屏的有效觀察范圍內(nèi)正常顯示，可使用衰減器改變輸入到某級(jí)放大器信號(hào)的電平。一般把放大器的電壓放大倍數(shù)用分貝來表示：式中 Kv電壓放大倍數(shù)的分貝值； U出放大器的輸出電壓； U入放大器的輸入電壓，一般探傷儀的電壓放大倍數(shù)可達(dá)104105倍，相當(dāng)于

9、80100dB。探傷儀面板上的增益、衰減器、抑制等旋鈕是放大電路的控制旋鈕。增益旋鈕用來改變放大器的增益，增益數(shù)值大，探傷靈敏度高。衰減器旋鈕用來改變衰減器的衰減量。一般說來，衰減讀數(shù)大，靈敏度低。但是，有的探傷儀為了使用時(shí)讀數(shù)方便統(tǒng)一起見，衰減器讀數(shù)按增益方式標(biāo)出，在這種情況下，衰減讀數(shù)大，靈敏度高。抑制旋鈕的作用是抑制草狀雜波。但應(yīng)注意，使用抑制時(shí)，儀器的垂直線性和動(dòng)態(tài)范圍均會(huì)下降。5）顯示電路：見圖4-6，顯示電路主要由示波管及外圍電路組成。示波管用來顯示探傷圖形，示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏等三部分組成。圖4-6 顯示電路圖電子槍發(fā)射的聚束電子以很高的速度轟擊熒光屏?xí)r，使熒光物質(zhì)發(fā)

10、光，在熒光屏上形成亮點(diǎn)。掃描電路的掃描電壓和接收電路的信號(hào)電壓分別加至水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而亮點(diǎn)就在熒光屏上移動(dòng)，描出探傷圖形。由于掃描速度非?？?，肉眼看上去就好象是靜止的圖像。6）電源：電源的作用是給探傷儀各部分電路提供適當(dāng)?shù)碾娔?，使整機(jī)電路工作。標(biāo)準(zhǔn)探傷儀一般用220伏或110伏交流市電，探傷儀內(nèi)部有供各部分電路使用的變壓、整流及穩(wěn)壓電路。攜帶式探傷儀多用蓄電池供電，用充電器給蓄電池充電。除上述基本組成部分之外，探傷儀還有各種輔助電路，如延遲電路、標(biāo)距電路，閘門電路、深度補(bǔ)償電路等，這些輔助電路的作用在此不一一贅述。三、模擬式與數(shù)字式超聲波探傷儀工作原理區(qū)別1儀器結(jié)

11、構(gòu)區(qū)別超聲波探傷儀的主要工作原理：以一定的脈沖重復(fù)周期發(fā)射激發(fā)超聲波的高壓電子脈沖：同步接收超聲波電信號(hào)波形；衰減和放大波形信號(hào)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波和濾波：在顯示屏上顯示回波信號(hào)波形；讀出波形的幅度和延時(shí)時(shí)間；判讀回波的大小和產(chǎn)生回波的位置。傳統(tǒng)模擬超聲波探傷儀的基本結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，是由發(fā)射、接收、衰減、放大、檢波、濾波、顯示、閘門、比較、報(bào)警等電路組成。各部分電路的參數(shù)設(shè)置都是獨(dú)立地通過面板旋鈕或檔位開關(guān)控制的，并且只能顯示出超聲回波信號(hào)的電子掃描波形。而數(shù)字化的超聲波探傷儀主要是指包括了具有所有模擬超聲波探傷儀功能模塊的電腦化儀器。采用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，數(shù)字邏輯電路，微型計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)接口，使

12、超聲波探傷儀的發(fā)射、接收、衰減、放大、檢波、濾波、顯示、閘門、比較、報(bào)警等電路的控制參數(shù)能由微機(jī)鍵盤和顯示屏人機(jī)對(duì)話輸入，簡(jiǎn)化了操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超聲波探傷波形和數(shù)據(jù)的數(shù)字化輸出。除此以外，數(shù)字式超聲波探傷儀還能增加記憶，打印，通信等電腦化儀器特有的功能。超聲波探傷儀的數(shù)字化主要體現(xiàn)在讀數(shù)數(shù)字化，波形顯示數(shù)字化和電腦化數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面。2儀器讀數(shù)區(qū)別模擬超聲波探傷儀只能顯示出超聲回波信號(hào)的電子掃描波形。 這里回顧一下獲取模擬超聲波探傷儀數(shù)據(jù)的途徑：模擬超聲波探傷儀對(duì)波幅的讀出過程是：通過將回波調(diào)整到一定的百分比高度線(30%或80%等)，然后讀出衰減器的位置讀數(shù)。模擬波形相對(duì)刻度線的讀數(shù)精度比較

13、低，一般大于2%。模擬探傷儀對(duì)回波位置的讀出過程是：將已知距離的參考回波調(diào)整到整數(shù)格上，再將探傷回波在屏幕上的位置刻度讀出，按比例計(jì)算位置。讀數(shù)誤差大于1%。在使用模擬超聲波探傷儀時(shí)，探傷所需的其他一些間接參數(shù)(如缺陷當(dāng)量)的估計(jì)需要操作人員進(jìn)行手工計(jì)算。精度更低，過程復(fù)雜，不容易掌握。而數(shù)字式超聲波探傷儀除了能顯示出超聲回波信號(hào)的數(shù)字化波形外，還能顯示出一些探傷所需的直觀數(shù)據(jù)，包括回波幅度和回波位置。數(shù)探儀對(duì)波幅的讀出過程是：將模擬波形電信號(hào)放大到合適的量程后<30%<h<100%。用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)計(jì)算該數(shù)字信號(hào)和參考數(shù)字的比值或分貝值，自動(dòng)加上放大器或

14、衰減器的讀數(shù)，用數(shù)字顯示出來。讀數(shù)誤差以8位數(shù)字采樣為例能小于0.4%。數(shù)探儀對(duì)回波位置的讀出過程是：由計(jì)算機(jī)讀取回波峰值點(diǎn)或上升沿處相對(duì)同步脈沖的延時(shí)記數(shù)值，記數(shù)脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)將延時(shí)數(shù)字扣除探頭的延時(shí)，乘以聲速的一半，得到回波的聲程。再根據(jù)折射角度和有關(guān)幾何關(guān)系，計(jì)算出相應(yīng)的水平距離的垂直深度，在屏幕上數(shù)值顯示出來。相對(duì)精度優(yōu)于0.5%。微電腦能夠利用相關(guān)的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算更多的檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括缺陷當(dāng)量，缺陷坐標(biāo)，缺陷大小，折射角度等。更加準(zhǔn)確，直觀，操作簡(jiǎn)單，容易掌握。3波形顯示區(qū)別模擬探傷儀用示波管顯示波形，波形信號(hào)在檢波后通過高壓視頻放大，作為Y軸偏轉(zhuǎn)電壓：同步的鋸齒信號(hào)也通過

15、高壓視頻放大，作為X軸偏轉(zhuǎn)電壓；使波形在示波管上顯示出來。高壓放大器的線性性能直接影響波形的顯示質(zhì)量和人工判讀。波形顯示和脈沖重復(fù)頻率同步。重復(fù)頻率高則波形顯示亮度高，重復(fù)頻率低則波形顯示亮度暗。數(shù)探儀的波形顯示是用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將波形信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由數(shù)字邏輯電路或計(jì)算機(jī)將數(shù)字波形畫在計(jì)算機(jī)顯示器上。顯示器可以是電磁偏轉(zhuǎn)的監(jiān)視器，也可以是平板顯示器。前者雖然有偏轉(zhuǎn)失真，但相對(duì)同樣偏轉(zhuǎn)的坐標(biāo)格，沒有誤差；后者則根本不會(huì)失真。數(shù)字化波形顯示頻率和視頻同步，亮度均勻。數(shù)字式超聲波探傷儀在波形顯示窗口能獨(dú)立顯示探傷閘門，距離波幅曲線等輔助標(biāo)識(shí)，比模擬超聲波探傷儀的顯示要靈活和準(zhǔn)確得多。4記錄方式區(qū)別

16、使用模擬探傷儀時(shí)，探傷記錄需人工填寫：抄錄儀器旋鈕設(shè)置， 手描或拍照記錄波形，用記錄儀畫出峰值曲線。 上述工作用數(shù)探儀時(shí)，都能由計(jì)算機(jī)輕易地完成。長(zhǎng)期存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)或打印出來，傳輸給外部計(jì)算機(jī)。5模擬儀器與數(shù)字儀器操作面板區(qū)別圖4-7 CTS-22型模擬式超聲波探傷儀面板圖圖4-8 PXUT-350B+數(shù)字式超聲波探傷儀面板圖如圖4-7和圖4-8可見模擬式探傷儀操作、讀數(shù)通過諸多旋鈕且無法保存其狀態(tài)。數(shù)字式超探儀過通中文熱健及數(shù)碼旋鈕，操作簡(jiǎn)易，輕松讀數(shù)無需人為計(jì)算，且能存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，更輕巧的體積和超長(zhǎng)工作時(shí)間使探傷工作更為輕松。四、數(shù)字式超聲波探傷儀的功能特點(diǎn)1）讀數(shù)更準(zhǔn)確、直觀計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀數(shù)精

17、度高，結(jié)合探傷參數(shù)計(jì)算出最終結(jié)果，簡(jiǎn)單，直觀，快速，準(zhǔn)確。自動(dòng)報(bào)警定量合理。對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)波幅具有以下幾種讀數(shù)方式：波高百分?jǐn)?shù)+當(dāng)前增益分貝數(shù)；波高分貝數(shù)+當(dāng)前增益分貝數(shù)；波高相對(duì)閘門高度分貝數(shù)；波高相對(duì)距離波幅曲線分貝數(shù)；缺陷尺寸當(dāng)量(相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)缺陷類型的尺寸)數(shù)；對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)定位讀數(shù)具有以下幾種讀數(shù)方式：相對(duì)超聲波發(fā)射脈沖的延時(shí)；相對(duì)工件表面超聲波入射點(diǎn)的超聲波傳輸延時(shí)；相對(duì)工件表面超聲波入射點(diǎn)的反射點(diǎn)埋藏深度；相對(duì)工件表面超聲波入射點(diǎn)的超聲波傳輸聲程距離；相對(duì)工件表面超聲波入射點(diǎn)的沿表面投影距離；在用戶定義的廣義平板、圓管截面或圓棒內(nèi)的缺陷定位。2）波形顯示清晰數(shù)探儀采用計(jì)算機(jī)的顯示器

18、，波形顯示明亮清晰，有兩種方式，一種是將探傷重復(fù)頻率和60HZ視頻同步，波形動(dòng)態(tài)感好；另一種是采用較高的重復(fù)頻率探傷，以60HZ或30HZ頻率顯示峰值波形。3）數(shù)字化探傷參數(shù)計(jì)算數(shù)字式超聲波探傷儀之所以能夠顯示直觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)，是因?yàn)閿?shù)字式超聲波探傷儀具有了計(jì)算能力，通過對(duì)超聲波探傷波形信號(hào)的波形高度及波形延遲時(shí)間的數(shù)字化測(cè)量，結(jié)合相關(guān)先驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，顯示出直觀的物理量。同時(shí)，這些先驗(yàn)參數(shù)也能通過標(biāo)準(zhǔn)試塊的參考波形測(cè)試，自動(dòng)計(jì)算得出，這個(gè)過程，是對(duì)數(shù)字式超聲波探傷儀的讀數(shù)校準(zhǔn)過程。數(shù)字式超聲波探傷儀的定位校準(zhǔn)主要計(jì)算探頭零點(diǎn)，材料聲速和折射角度三個(gè)參數(shù)。探頭零點(diǎn)計(jì)算：對(duì)試塊上兩個(gè)已知倍數(shù)聲程

19、距離(S1，nSl)的回波分別測(cè)得延時(shí)(T1，T2)，測(cè)量和聲程大小無關(guān)，和材料聲速無關(guān)。計(jì)算探頭入射延時(shí)：這里n一般是2，T0表示超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)延時(shí)，包括計(jì)時(shí)零點(diǎn)到發(fā)射超聲波的電子延時(shí)和超聲波在超聲探頭楔塊、耦合材料等非被檢測(cè)材料中的傳輸延時(shí)。電子延時(shí)是數(shù)字式超聲波探傷儀的固有參數(shù)，一般小于0.1us：后者和采用的超聲波探頭、超聲波耦合條件有關(guān)，接觸法探傷時(shí)，主要受超聲波探頭的楔塊影響，沒有超聲波延時(shí)楔塊的直探頭的傳輸延時(shí)小于0.1us，超聲橫波探頭的傳輸延時(shí)從一微秒到十幾微秒不等。探頭零點(diǎn)延時(shí)校準(zhǔn)后，數(shù)字式超聲波探傷儀根據(jù)波形延時(shí)T，計(jì)算超聲波在被檢工件內(nèi)的傳輸延時(shí)Ts：Ts=T-T

20、0。材料聲速測(cè)量：對(duì)一個(gè)已知聲程(S)的回波測(cè)量延時(shí)(T)，計(jì)算聲速：由上式可知，在測(cè)量聲速之前要保證探頭零點(diǎn)延時(shí)的正確。試塊要和具體檢測(cè)材料相同。在一般情況下，材料聲速和試塊聲速可根據(jù)超聲波型(橫波或縱波)，材料種類從有關(guān)手冊(cè)查出后輸入。在未知材料聲速時(shí)，才有必要制作試塊和測(cè)量聲速，橫波聲速的測(cè)量一定需要制作圓弧反射面，因?yàn)樵谖粗曀贂r(shí)，折射角度是不確定的。折射角度測(cè)量：對(duì)已知深度(H)的回波測(cè)量延時(shí)(T)，計(jì)算折射角：由上式可知，在測(cè)量聲速之前必須保證探頭零點(diǎn)延時(shí)和聲速的正確。有一種方法通過兩個(gè)已知深度（H1，H2）的人工缺陷反射波延時(shí)的測(cè)量（T1，T2），若已知探頭零點(diǎn)延時(shí)（T0）、材料

21、聲速（C）和折射角度中的任一個(gè)參數(shù)，可同時(shí)計(jì)算出另外兩個(gè)參數(shù)。4）距離波幅曲線數(shù)探儀通過測(cè)量不同距離的相同尺寸人工缺陷回波的絕對(duì)分貝數(shù)建立距離波幅曲線，能自動(dòng)在不同 靈敏度、掃查范圍時(shí)將曲線計(jì)算出來、顯示在屏幕上。比模擬探傷儀在刻度板上畫曲線方便得多。數(shù)探儀的曲線是通過各個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值，在對(duì)數(shù)域用直線相連，形成折線，恢復(fù)到線性域時(shí)，以指數(shù)規(guī)律變化，符合聲波衰減的自然規(guī)律。數(shù)探儀的曲線在有效讀數(shù)量程時(shí)有效，一盤要高地20%30%屏幕高度，它的優(yōu)點(diǎn)在于能自動(dòng)隨著靈敏度的提高而上升，但不能增加動(dòng)態(tài)范圍。數(shù)探儀的另一項(xiàng)功能自動(dòng)距離增益補(bǔ)償能隨延時(shí)變化增益，使距離波幅曲線變平坦，相對(duì)增加動(dòng)態(tài)范圍。5）波形

22、的自動(dòng)捕獲數(shù)探儀在探傷時(shí)能自動(dòng)捕獲閘門內(nèi)峰值最大的波形，鎖定在屏幕上，也能將不同距離上的峰值包絡(luò)保留下來，輔助測(cè)量工作。使探傷更加準(zhǔn)確，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)探儀還能自動(dòng)調(diào)整增益，使閘門內(nèi)的回波幅度達(dá)到一定的高度，使操作更加簡(jiǎn)單。6）波形記錄、探傷報(bào)告的存儲(chǔ)、打印和計(jì)算機(jī)通訊、建立數(shù)據(jù)庫數(shù)字式超聲波探傷儀的一個(gè)重要功能就是能夠?qū)⑻絺麉?shù)，探傷波形記錄下來，存儲(chǔ)在文件中，或傳輸給計(jì)算機(jī)，建立有關(guān)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)工件的信息化管理。7）探傷參數(shù)和儀器設(shè)置的自動(dòng)生成數(shù)字式超聲波探傷儀具有計(jì)算能力，能夠根據(jù)被檢測(cè)工件的尺寸、形狀和探傷方法自動(dòng)生成探傷儀參數(shù)。8）排除電磁干擾和數(shù)據(jù)后期處理超聲波

23、探傷是以脈沖重復(fù)頻率重復(fù)進(jìn)行的，在短時(shí)間內(nèi)（探頭沒有很大的移動(dòng)）探傷波形因超聲傳輸 路徑基本相同而肯有相關(guān)性，外界電磁干擾等噪聲信號(hào)是隨機(jī)出現(xiàn)或不相關(guān)的，所以數(shù)字式超聲波探傷儀經(jīng)過對(duì)回波波形進(jìn)行多次平均處理能有效排除干擾信號(hào)，提高信噪比。數(shù)字式超聲波探傷儀還能將超聲波形進(jìn)行濾波、頻譜分析、相關(guān)分析、小波變換、模式識(shí)別等算法處理達(dá)到得高信噪比、提高分辨率和缺陷識(shí)別分析的目的。3.3 使用數(shù)字式超聲波探傷儀的常見問題1）有關(guān)重復(fù)頻率脈沖重復(fù)頻率是單位時(shí)間內(nèi)儀器完成超聲波檢測(cè)的有效次數(shù)，即實(shí)現(xiàn)獨(dú)立判傷報(bào)警的次數(shù)。數(shù)字式超聲波探傷儀的脈沖頻率是發(fā)展的，一般手持式數(shù)字式超聲波探傷儀均做到脈沖重復(fù)頻率和視

24、頻同步，使每次超聲檢測(cè)回波被顯示出為，這與模擬探傷儀一致，但重復(fù)頻率被降到了50HZ-60HZ，在快速掃查和自動(dòng)探傷時(shí)性能不好。因?yàn)槭秋@示同制限制了重復(fù)頻率，所以有的探傷儀包括一些國(guó)外的儀器，采用了較高的重復(fù)頻率，500HZ-2000KHZ，高速數(shù)據(jù)外理進(jìn)行自動(dòng)捕獲最大傷波，再以視頻顯示出來，于是兼顧了顯示性能和掃查性能。影響模擬超探儀脈沖重復(fù)頻率的因素只有超聲傳輸延時(shí)，波形信號(hào)在產(chǎn)生的同時(shí)完成了和閘門電平的比較，輸出報(bào)警。然后就能進(jìn)行下一次脈沖檢測(cè)。而一般數(shù)字式超探儀的探傷判別往往是經(jīng)過后處理的，脈沖重復(fù)頻率要受一數(shù)據(jù)處理時(shí)間的制約。有些進(jìn)口儀器采用了DSP技術(shù)將數(shù)據(jù)處理時(shí)間壓縮到很短，感覺

25、不到和模擬超探儀的差別。2）波形分辨率探傷儀的波形分辨率受發(fā)射波的寬窄、接收匹配阻抗的高低和放大器帶寬性有影響。數(shù)探儀的數(shù)字代波形顯示使波形在水平方向分厲有限個(gè)占的集合（200-500），所以每個(gè)點(diǎn)要代表附近波形的典型值，為了保證探傷效果，一般取峰值，所以會(huì)把標(biāo)識(shí)分辨率的谷值拋棄。使測(cè)試分辨率降低，而模擬探傷儀的波形是連續(xù)的，谷值能一直保持，反映真正分辨率，所以在測(cè)試數(shù)探儀的分辨時(shí)要將波形適當(dāng)拉寬，即縮小水平掃描范圍，測(cè)試到真正的分辨率。為了符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，就要選擇更高分辨率的探頭。3）水平線性誤差數(shù)探儀水平讀數(shù)相對(duì)誤差取決于波形分辨率，當(dāng)模擬波形不失真時(shí)，是波形序列點(diǎn)數(shù)的倒數(shù)，0.5%-0.2

26、%。絕對(duì)誤差取決于采樣頻率（40MHZ-200MHZ）。數(shù)字式超聲波探傷儀是帖采樣時(shí)鐘顯示和讀取水平延時(shí)數(shù)據(jù)的，排除了模擬超聲探傷儀由鋸齒放大失真引起的線性誤差和屏幕辨讀誤差（2%左右）。4）垂直線性誤差數(shù)探儀的垂直讀數(shù)誤差有三個(gè)因素，一是數(shù)字化分辨率，一般為8位，256級(jí)，或7位128級(jí)（數(shù)字雙向檢波檢測(cè)1位），誤差是0.4%0.8%；第二個(gè)因素是數(shù)字控制放大器的精度，0.3分貝到0.6分貝，2%5%；另一個(gè)因素是接收放大器的線性誤差，采用集成化的數(shù)字控制放大器，線性誤差可以控制到很小。排除了模擬探傷儀的衰減器誤差、視頻放大器線性誤差、視頻放大器線性誤差、和屏幕判讀誤差。5）衰減器范圍和增益

27、范圍模擬探傷儀一般用可調(diào)節(jié)100分貝的衰減器，固定60分貝放大器，完成-40分貝到+60分貝的增益調(diào)節(jié)范圍，讀數(shù)用衰減量表示；數(shù)探儀用40分貝的固定衰減器（可選），和80分貝到90分貝左右的數(shù)控放大器完成-40分貝到+80分貝的增益范圍調(diào)節(jié)，用增益值表示，和國(guó)外儀器一致。也有數(shù)字式超聲波探傷儀使用對(duì)數(shù)放大器，具有很大的動(dòng)態(tài)范圍。6）采樣頻率數(shù)字化采樣頻率影響超聲檢測(cè)波形的真實(shí)信息保留，根據(jù)奈奎斯特定理和三農(nóng)定理，數(shù)字化采樣頻率必須高于信號(hào)頻率或帶寬的兩倍，就能還原出模擬波形的任意一點(diǎn)信號(hào)，但一般超聲波探傷的數(shù)據(jù)處理需要很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，不采用算法進(jìn)行還原，所以采樣頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于采樣定律規(guī)定的數(shù)值。最

28、低采樣頻率應(yīng)使超聲波信號(hào)峰值在采樣間隔內(nèi)起伏變化誤差小于能允許的誤差。例如，我們?cè)试S波幅讀數(shù)誤差4%，對(duì)于一個(gè)頻率為F的正弦波，最低采樣頻率應(yīng)高于11×F。由于超聲波信號(hào)是脈沖信號(hào)，即帶寬信號(hào)，所以F應(yīng)取頻率范圍內(nèi)最高的值，也就是上邊頻率。對(duì)于模擬檢波電路，在采樣前超聲信號(hào)經(jīng)檢波電路和濾波電路，形成波形信號(hào)的包絡(luò)，頻率范圍較低，只需20到40MHz采樣頻率；對(duì)于射頻波形或數(shù)字檢波方式，采樣頻率要到100到200MHz。五、數(shù)字式超聲波探傷儀的發(fā)展1）數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字式超聲波探傷儀把超聲波探傷和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，使從夾雜各種因素的波形信號(hào)中提取對(duì)判傷有用的信息的途

29、徑大為拓展，有可能采用各種計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。許多數(shù)字式超聲波探傷儀已經(jīng)具有了數(shù)字濾波、頻譜分析、波形識(shí)別、小波分析等數(shù)字信號(hào)處理功能用于提高檢測(cè)信噪比和缺陷識(shí)別能力。2）自動(dòng)化多通道數(shù)字式超聲波探傷儀數(shù)字式超聲波探傷儀應(yīng)用于自動(dòng)化超聲波檢測(cè)，具有巨大的潛力。數(shù)字式超聲波探傷儀能夠協(xié)調(diào)多個(gè)通道的協(xié)同工作，各個(gè)通道相互獨(dú)立，互不干擾，并且通過數(shù)字信號(hào)處理排除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，識(shí)別傷波。完成自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)判傷。數(shù)字式超聲波探傷儀在探傷控制計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)下工作，能夠存儲(chǔ)、校準(zhǔn)和設(shè)置探傷參數(shù)，實(shí)時(shí)將探傷數(shù)據(jù)傳送給主計(jì)算機(jī)。在主計(jì)算機(jī)形成自動(dòng)探傷的數(shù)據(jù)記錄和探傷報(bào)告。這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理模式有助于機(jī)電

30、一體化控制，把探傷設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化管理溶入一體。數(shù)字式超聲波探傷儀和自動(dòng)化機(jī)械探傷掃查結(jié)合起來，能實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的圖形化和圖像顯示。3）計(jì)算機(jī)超聲成像數(shù)字式超聲波探傷儀和機(jī)械掃描或電子控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的各種圖形和圖像的顯示。A掃圖形顯示超聲探傷波形。B掃圖像顯示探頭沿一維掃查的超聲探傷圖像，圖像的一維是探頭（或聲線）掃查位置，另一維是超聲波檢測(cè)的聲程深度位置，超聲波檢測(cè)波形的幅度用顏色或灰度表示。C掃圖像顯示探頭沿兩維掃查的超聲探傷圖像，圖像的坐標(biāo)是探頭（或聲線）掃查位置，在一定深度范圍內(nèi)的超聲波檢測(cè)波形的幅度用顏色或灰度表示，多層的C掃圖像能反映材料中缺陷的立體形態(tài)。超聲

31、參數(shù)圖像重建方法主要分透射法和背向散射法，主要原理建立由超聲波傳輸和材料特性參數(shù)相互作用而形成掃查測(cè)量值數(shù)學(xué)模型，通過空間域或空間頻域的反向算法重建材料的特性參數(shù)圖像，一般被稱為合成孔徑算法。超聲成像的超聲波探傷儀器將是超聲波無損檢測(cè)的一片新天地，將建立新的缺陷識(shí)別和定量的方法、概念。4）超聲相控陣技術(shù)超聲波相控陣技術(shù)是指將超聲波探頭分成陣列排列的小片，各個(gè)陣元按一定的延時(shí)關(guān)系（相位關(guān)系）同步發(fā)射，然后檢測(cè)各個(gè)陣元的檢測(cè)信號(hào)按一定的延時(shí)關(guān)系（相位關(guān)系）的疊加（干涉）結(jié)果。這種技術(shù)通過延時(shí)關(guān)系（相位關(guān)系）的控制，能實(shí)現(xiàn)超聲波束的方向控制、聚焦控制及線性掃描，形成電子掃描的B掃圖像。第二節(jié) 超聲波

32、探頭在超聲波探傷中，如何發(fā)射超聲波，以及如何接收經(jīng)被探測(cè)材料傳播后的超聲波，是首先要解決的問題。因?yàn)樗暮脡闹苯雨P(guān)系著探傷的水平。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)超聲的存在之后，就尋找獲得超聲的方法，最早出現(xiàn)的是氣體動(dòng)力式的和液體動(dòng)力式的方法，但這些方法在應(yīng)用上都受到局限，直到發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，能方便的將電能轉(zhuǎn)換成聲能，同時(shí)還可以將聲能轉(zhuǎn)換成電能的方法之后，才使得超聲在無損探傷中得以廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量的器件叫做換能器。能量的形式是各種各樣的，因此換能器的類型也是多種多樣的。在電的普遍應(yīng)用和電量的放大和測(cè)量、顯示技術(shù)比較成熟的情況下，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)電與聲、聲與電之間轉(zhuǎn)換的器件是比較理想的，加之這種換

33、能器本身同時(shí)具備電與聲之間轉(zhuǎn)換的可逆性，這就是目前在超聲波探傷中廣泛采用電聲換能器的主要原因。在特殊的情況下，探傷中也采用首先將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量而后再轉(zhuǎn)換為聲能的換能器（如磁致伸縮式和靜電式換能器等）。在超聲探傷中使用的換能器通常稱為超聲探頭。普通的超聲探頭在電脈沖信號(hào)的激勵(lì)下能發(fā)射超聲脈沖。反之，當(dāng)一個(gè)超聲脈沖作用在探頭上，超聲探頭也能產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電脈沖信號(hào)。顯示電脈沖信號(hào)的方法可以根據(jù)不同的要求采取不同的形式，如采用示波管顯示或電表指示，也可以用喇叭或信號(hào)燈報(bào)警等。超聲探頭加上電脈沖發(fā)生和接收、顯示儀器就構(gòu)成了一個(gè)完整的裝備。但是以往的儀器設(shè)計(jì)人員和制造廠家多重視儀器本身的參數(shù)而

34、忽略探頭的研制，走了一些彎路。探頭雖小，但它集中了大量聲學(xué)的基本問題，如超聲波的吸收和衰減問題，多層介質(zhì)聲波的傳播問題，復(fù)合體的基本振動(dòng)問題，電聲能量轉(zhuǎn)換之間的有關(guān)問題等。所以，探頭的形式，性能，制作工藝，合理使用等，對(duì)探傷結(jié)果的正確性都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，使之成為發(fā)展超聲波探傷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。因而，近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲探頭的研制越來越引起人們的重視。一、壓電效應(yīng)1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某些物體上施加拉力或壓力而發(fā)生形變時(shí)，在其表面上就會(huì)出現(xiàn)電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。1881年又證實(shí)壓電效應(yīng)是可逆的，即能產(chǎn)生正壓電效應(yīng)的物體在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)

35、，逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)。凡是能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。由于壓電材料具有可逆壓電效應(yīng)，所以正、逆壓電效應(yīng)同時(shí)存在于同一材料之中。壓電效應(yīng)在一般情況下是線性的，即電場(chǎng)和形變的依賴關(guān)系成線性關(guān)系。通常把壓電效應(yīng)近似的認(rèn)為是即時(shí)發(fā)生的，當(dāng)在壓電材料某個(gè)方向上施加交變應(yīng)力時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生同步的交變電場(chǎng)，當(dāng)一定取向的交變電場(chǎng)加于壓電材料某一方向上，它將產(chǎn)生與交變電場(chǎng)同頻率的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)外加頻率與壓電材料固有頻率一致時(shí)，則發(fā)生共振，此時(shí)獲得最大形變或電荷量。超聲波探頭就是利用在固有頻率下的逆壓電效應(yīng)發(fā)射超聲波，同時(shí)利用正壓電效應(yīng)的原理接受來自被探測(cè)物的超聲波使之提供電訊號(hào)的。壓電材料必定是非金屬、

36、電介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，故又稱為壓電晶體。壓電晶體有單晶體及多晶體之分。單晶體系各向異性體，其壓電效應(yīng)與結(jié)晶軸向有關(guān)。它可以是天然形成的，如石英、電氣石等，也可以由人工培養(yǎng)和提拉制成的單晶材料，如硫酸鋰、碘酸鋰，鈮酸鋰、酒石酸鉀鈉等。多晶體系各向同性體是由人工燒結(jié)的鐵電體壓電材料，俗稱壓電陶瓷， 目前超聲探傷中常用的有鈦酸鋇BaTiO3，鈦酸鉛PbTiO3、鋯鈦酸鉛Pb（ZrxTi1-x）O3（國(guó)外商用型號(hào)為PZT）等。下面對(duì)單晶體壓電材料和多晶體壓電材料壓電效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理分別作以微觀定性的解釋。1壓電單晶體的壓電效應(yīng)壓電單晶體的壓電效應(yīng)可以石英為例來作以說明。石英的化學(xué)成分是二氧化硅 （SiO2），

37、屬于三角晶系。它有一個(gè)光學(xué)對(duì)稱軸（光軸）Z；在垂直于Z軸的平面上，通過相對(duì)兩個(gè)棱角有三個(gè)軸X1、X2，X3，沿這些軸的方向的壓電效應(yīng)格外顯著稱為極化軸，此外還有三個(gè)垂直于相對(duì)棱邊，且與XZ平面相垂直的y1，y2、y3軸（如圖4-9所示）。圖4-9 石英晶體為了微觀定性的說明石英的壓電效應(yīng)，可以把石英晶胞原子排列的等效電性看成是如圖4-10所示的樣子。圖4-10 石英晶胞原子排列的等效電性示意圖在正常情況下，各原子的電荷相互平衡，整個(gè)晶胞呈中性，如圖4-10（a）。當(dāng)在x方向施加壓力，由于原子的位置的變更，電平衡遭到破壞，于是在表面A呈現(xiàn)負(fù)電荷，表面B呈現(xiàn)正電荷，如圖4-10（b）。當(dāng)在x1方向

38、施加拉力或在垂直于x1方向施加壓力時(shí)，表面A、B上出現(xiàn)電荷相反的情況，如圖4-10（c）。這就形成所謂的正壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)石英受到外界電場(chǎng)作用，則電場(chǎng)不僅使離子本身極化，而且使晶胞中的離子產(chǎn)生相對(duì)位移，這個(gè)位移使得晶胞內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最后引起宏觀形變。這就是所謂逆壓電效應(yīng)。實(shí)際使用的石英元件都是從石英晶體中按一定方向和切割方式截取的。由于石英晶體是各向異性的，即一塊石英晶體在不同方位上表現(xiàn)出來的物理性能，如電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性能各不相同，其壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱和性質(zhì)同樣與結(jié)晶軸向有關(guān)，在有的方向上甚至沒有壓電效應(yīng)。因此不同的切割方式就可以獲得適應(yīng)不同用途的石英元件，例如有的切割方式可以獲得極小的頻率

39、，溫度系數(shù)，可制成穩(wěn)定度極高在電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用的穩(wěn)頻晶片，有的切割方式特別適宜制作各種不同性能的機(jī)械濾波器，近年來發(fā)展的LC切割方式可以在很寬的溫度范圍內(nèi)線性良好的頻率溫度關(guān)系，可制做超聲測(cè)溫元件。作為超聲探頭的石英晶片主要采取X切割和Y切割二種方式。所謂X切割如圖4-11（a），就是指垂直于X1，X2、X3軸中任一軸線切割下來的晶片，它具有縱向正壓電效應(yīng)及縱向逆壓電效應(yīng)，若晶片的邊緣分別平行于Y軸及Z軸則稱之為0°X一切割，如圖4-11（b）。圖4-11 石英晶片的X切割同樣，Y切割就是指垂直于Y1、Y2，Y3軸中任一軸線切割下來的晶片，它具有橫向正壓電效應(yīng)和橫向逆壓電效應(yīng)。縱向

40、壓電效應(yīng)如圖4-12（a）所示，沿著X軸方向在X切割晶片上施加交變應(yīng)力，則在垂直于X軸平面產(chǎn)生交變電場(chǎng)。反之，如果在垂直于X軸平面施加交變電壓，則晶片沿X軸方向?qū)?huì)產(chǎn)生與交變電壓同頻率的形變，形成機(jī)械振動(dòng)。圖4-12 縱向、橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)如圖4-12（b）所示，當(dāng)沿X軸方向?qū)切割晶片施加交變應(yīng)力時(shí)，在與Y 軸垂直的平面上將呈現(xiàn)交變電場(chǎng)。反之，如果在垂直Y軸平面上施加交變電場(chǎng)時(shí)，沿X軸方向?qū)?huì)產(chǎn)生同頻率的形變。Y切割的晶片在探傷中常用來制作表面探頭。2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是由許多小晶粒組成的多晶體。目前探傷中常用的壓電陶瓷，其晶胞是鋇鈦礦型晶胞，如圖4-13（a）所示，所有的壓

41、電材料當(dāng)溫度升高到一定值后，壓電效應(yīng)會(huì)自行消失，物理學(xué)上稱這溫度為材料的居里點(diǎn)，以TC表示。當(dāng)壓電陶瓷的溫度在居里點(diǎn)以上時(shí)，晶胞屬于立方晶系，其正負(fù)電荷分配如圖4-13（b）所示。由于立方體對(duì)稱性很高，鈦離子即使偏離中心位置，但從各方面偏離中心位置的幾率是相同的，所以由立方體晶胞組成的晶粒的平均.圖4-13 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)說明圖電荷為零，不出現(xiàn)電極化。若壓電陶瓷的溫度在居里點(diǎn)以下時(shí)，它的晶胞形狀變長(zhǎng)，立方晶胞變?yōu)樗姆骄О?，其電荷分布如圖4-13（c）所示。此時(shí)，鈦離子向長(zhǎng)軸方向偏離的幾率就大，于是正負(fù)電荷中心不再重合，出現(xiàn)了電極化現(xiàn)象，這種電極化是自發(fā)形成的稱為自極化。在居里點(diǎn)以下，立方晶

42、胞的三個(gè)晶軸中的任何一個(gè)均可成為四方晶胞較長(zhǎng)的晶軸，因而晶粒中各晶胞自極化的取向是雜亂的，其綜合作用的結(jié)果不呈現(xiàn)極化，沒有壓電效應(yīng)。若在一定溫度下，以每毫米1，0003，000伏的強(qiáng)電場(chǎng)加在壓電陶瓷的兩端，使各晶胞極化方向沿外加電場(chǎng)方向重新排列，整個(gè)壓電陶瓷晶胞的極化方向趨于一致，這種處理稱為極化處理。若經(jīng)極化處理后仍能保持其極化強(qiáng)度的性質(zhì)稱為鐵電性，壓電陶瓷具有鐵電性，經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷就能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。二、壓電方程和壓電材料的有關(guān)常數(shù)1壓電方程晶體材料的物理效應(yīng)主要有（1）力學(xué)效應(yīng)，即應(yīng)力T與應(yīng)變S之間存在著一定的關(guān)系 （4-1） （4-2）式中：彈性順從常數(shù)，腳注i，j表示各分量；彈

43、性剛度常數(shù)。（2）電學(xué)效應(yīng)，即電場(chǎng)量E與電位移量0之間存在一定的關(guān)系 （4-3） （4-4）式中： 介電常數(shù)，腳注m、k表示各分量；介電隔離率。（3）磁學(xué)效應(yīng)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間存在著一定的關(guān)系 （4-5）式中：導(dǎo)磁率（4）熱學(xué)效應(yīng)，即溫度9與熵。之間存在著一定的關(guān)系 （4-6）式中： Q熱量；P介質(zhì)密度，C比熱。對(duì)于壓電晶體來說，不考慮磁學(xué)效應(yīng)，并認(rèn)為在壓電效應(yīng)過程中無熱交換，因此只考慮其力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)。但又有別于力學(xué)材料和電學(xué)材料，因?yàn)樵趬弘姴牧现羞@二種效應(yīng)之間又是相互作用的，必須同時(shí)考慮。為了定量的描述各物理量之間的關(guān)系而確立的壓電材料物理效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱之為壓電方程

44、。要仔細(xì)了解壓電晶體是如何工作的，就需要根據(jù)已知的原始電學(xué)和力學(xué)的物理量求解相應(yīng)的壓電方程式，才能得到其力學(xué)狀態(tài)和電學(xué)狀態(tài)的變化情況。但是，要討論完整的壓電方程是非常復(fù)雜的。這里僅就從熱力學(xué)理論推導(dǎo)的四種不同形式的壓電方程，從壓電方程各物理量的定義及有關(guān)物理意義的角度作以簡(jiǎn)略的介紹。通常提到的壓電方程，一般是指這四組方程中的一組，它們是從不同的角度描述同一物理量，為了簡(jiǎn)潔起見各物理量不標(biāo)以分量。以上式中SE、CD、T、S等上角標(biāo)E、D、T、S表示以該字母代表的物理量（電場(chǎng)E、電位移D，應(yīng)力T、應(yīng)變S）保持不變?yōu)闂l件。ht、dt等下腳標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置矩陣。d，g，e、h為壓電常數(shù)。以上各壓電常數(shù)d、

45、g、e，h；彈性常數(shù)c、s；介電常數(shù)、之間的關(guān)系為：D=esE=Tg （4-7）G=Td=hsD （4-8）E=Sh=dcE （4-9）H=Se=gcD （4-10）2壓電方程有關(guān)常數(shù)物理意義1）壓電常數(shù)。壓電常數(shù)有d、g、e、h它們分別稱為壓電應(yīng)變常數(shù)d，壓電電壓常數(shù)g、壓電應(yīng)力常數(shù)e、壓電勁度常數(shù)h，其定義為以上式中括號(hào)內(nèi)分母一般為外加因素變化的物理量，分子一般為壓電晶體相應(yīng)變化的物理量，括號(hào)外的腳標(biāo)表示以該字母代表的量不變?yōu)闂l件。根據(jù)以上式中的定義可以看出各壓電常數(shù)的物理含義為：壓電應(yīng)變常數(shù)d：表示壓電晶體在應(yīng)力恒定的情況下，加上電場(chǎng)后所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)變，或電場(chǎng)恒定的情況下加上應(yīng)力所產(chǎn)生的

46、相對(duì)電位移。其單位是米伏或庫侖牛頓。壓電電壓常數(shù)g：表示壓電晶體在電位移恒定的情況下，加上應(yīng)力后所產(chǎn)生的相對(duì)開路電壓；或在應(yīng)力恒定的情況下，由于電位移變化所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)變。其單位是伏·米牛頓或米2庫侖。壓電應(yīng)力常數(shù)e：表示壓電晶體在應(yīng)變恒定的情況下，加上電場(chǎng)后所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)力，或在電場(chǎng)強(qiáng)度恒定情況下， 由于應(yīng)變的變化所引起的相對(duì)電位移。其單位是牛頓伏·米或庫侖米2。壓電勁度常數(shù)h：表示壓電晶體在電位移恒定的情況下由于應(yīng)變的變化所產(chǎn)生的相對(duì)開路電壓，或在應(yīng)變恒定的情況下，由于電位移變化所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)力。其單位是牛頓庫侖或伏米。d和e代表著反壓電性能，故也稱壓電發(fā)射系數(shù)，關(guān)系到

47、壓電晶片發(fā)射靈敏度，d和e的值大，晶片發(fā)射性能好，表示對(duì)壓電晶片施加較小的電壓就可以產(chǎn)生較大的振動(dòng)，從而獲得較強(qiáng)的超聲波。g和h代表著正壓電性能，故也稱壓電接收系數(shù)，關(guān)系到壓電晶片接收靈敏度，g和h的值大，晶片接收性能好，表示接收到較弱的超聲波也能產(chǎn)生較大的電壓。以上四個(gè)壓電常數(shù)中，常數(shù)d用得較多也較容易實(shí)測(cè)，其他各常數(shù)可以通過式4-7、式4-8、式4-9、式4-10的關(guān)系相互換算。在壓電陶瓷中，一般規(guī)定極化方向坐標(biāo)為3或Z，對(duì)于垂直于Z軸的另外二個(gè)坐標(biāo)軸規(guī)定為l和2或X和Y（由于壓電陶瓷在XY平面內(nèi)晶體是各向同性的，1和2可以互換）。D33的腳標(biāo)表示在Z方向上施加電壓引起Z方向上的相對(duì)應(yīng)變，

48、同樣g33表示在Z方向上施加應(yīng)力后引起z方向上產(chǎn)生的相對(duì)開路電壓。余此類推。在超聲探頭壓電晶片參數(shù)中D33和g33是重要的指標(biāo)。2）介電常數(shù)。在介電常數(shù)中，介電隔離率表示電介質(zhì)的電場(chǎng)隨電位移矢量變化的快慢，其單位為米法。在超聲探傷中一般不使用這個(gè)常數(shù)。介電常數(shù)，它反映材料的介電性質(zhì)，對(duì)于壓電晶體來說，它也反映壓電晶體的極化性質(zhì)。壓電材料的介電常數(shù)的定義和靜電學(xué)中一樣。當(dāng)一個(gè)電介質(zhì)處于電場(chǎng)E中，那么電介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)可以用電位移D表示，DE。如果用電介質(zhì)來作電容器電極間的絕緣體，介電常數(shù)與電容器電容量C，電極面積A和極間距離t之間的關(guān)系為（c的單位是法拉，A的單位是米2，t的單位是米，的單位為法米

49、）。介電常數(shù)還經(jīng)常使用相對(duì)分電常數(shù)的概念，其數(shù)值等于在同樣電極下介質(zhì)的電容與真空電容的比值（真空8.85×10-2法/米）。介電常數(shù)與壓電晶片附上電極后的電容有關(guān)，即與壓電晶片呈現(xiàn)的電氣阻抗有關(guān)。制作超聲探頭時(shí)阻抗匹配是很重要的，不同用途的壓電元件對(duì)材料的介電常數(shù)要求也不相同。對(duì)于高頻壓電元件則要求介電常數(shù)小一些，因?yàn)樾∫馕峨娙菪?，工作頻率當(dāng)然就可以做得高些。越大，壓電元件的電氣阻抗越小，如揚(yáng)聲器和送話器之類的壓電元件則要求材料介電常數(shù)大一些。對(duì)于壓電材料來說，由于存在壓電效應(yīng)，其介電常數(shù)的數(shù)值還與換能器的機(jī)械自由度有關(guān)。一般給出兩個(gè)值，其一是換能器被夾緊時(shí)的介電常數(shù)S，另一個(gè)是換能

50、器在自由狀態(tài)時(shí)的介電常數(shù)T。3）彈性常數(shù)。壓電材料的彈性常數(shù)有彈性順從常數(shù)sii和彈性剛度常數(shù)cjj。彈性順從常數(shù)sii表示材料應(yīng)變si與所施加的應(yīng)力Tj之比。如沿坐標(biāo)軸1施加應(yīng)力T1在同一軸向產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)镾1，則，而就是楊氏模量。如果沿軸1方向施加應(yīng)力T1在與軸1相垂直軸2方向產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)镾2，則，而表示橫向相對(duì)壓縮與縱向相對(duì)伸長(zhǎng)之比，即為柏松比。彈性剛度常數(shù)cjj表示物體產(chǎn)生單位應(yīng)變si所需要的應(yīng)力Tj，從定義可知cjj與sii互為倒數(shù)。cjj就是楊氏模量。由于壓電材料有壓電效應(yīng)，短路彈性剛度常數(shù)用表示，開路彈性剛度常數(shù)用表示。三、壓電材料其他有關(guān)參數(shù)1頻率常數(shù)N1當(dāng)一交變電壓加至壓電晶片

51、時(shí)，壓電晶片在外電場(chǎng)的迫使下，產(chǎn)生與交變電壓相同頻率的振動(dòng)。對(duì)于不同的切割方式或極化方式就存在著兩種振動(dòng)模式，一種是厚度振動(dòng)模式（簡(jiǎn)稱厚度模），另一種是徑向振動(dòng)模式（簡(jiǎn)稱徑向模）。以厚度振動(dòng)模式為例，如果壓電晶片上表面的振動(dòng)，經(jīng)壓電晶片傳至下表面時(shí)，將與下表面的振動(dòng)疊加，其合成振動(dòng)的結(jié)果，決定于晶片振動(dòng)的頻率和晶片的厚度，只有當(dāng)晶片的厚度等于該頻率下的半波長(zhǎng)時(shí)，上表面的振動(dòng)傳至下表面時(shí)正好與下表面振動(dòng)同相位，因此，合成振幅最大，輻射的超聲波能量也最大。壓電晶片在這種條件下工作稱為諧振，滿足諧振條件的工作頻率稱為諧振頻率或基頻，以fr表示。如果壓電晶片的聲速為CT，則諧振條件下的壓電晶片的厚度1

52、為（4-11）（4-12）可以看出對(duì)于厚度模來說諧振頻率fr和晶片厚度1的乘積是一個(gè)常數(shù)，聲學(xué)上稱這個(gè)常數(shù)為頻率常數(shù)N，由定義可知N1=fr×l (4-13)對(duì)于薄的壓電晶片來說 (4-14)式中：p壓電晶片的密度。同樣，對(duì)于徑向模來說，若在諧振頻率下的晶片直徑為d，則其頻率常數(shù)N，zf，·d超聲波探頭一般用壓電晶片厚度振動(dòng)模式，因此頻率常數(shù)N，是經(jīng)常使用的。2電氣品質(zhì)因素e和機(jī)械品質(zhì)因素m電氣品質(zhì)因素e是壓電材料貯存的電能與耗損的電能之比。它反映壓電材料在交變電壓作用下消耗電能而轉(zhuǎn)變成熱能的大小。造成這種消耗的主要原因有，在外加電壓變化時(shí)壓電元件內(nèi)部極化狀態(tài)變化的滯后、壓

53、電材料內(nèi)介質(zhì)存在漏電流以及壓電材料介質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻等。如果把壓電材料看成是一個(gè)電學(xué)介質(zhì)材料，由于電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下引起發(fā)熱而消耗的能量（介質(zhì)損耗），通常以介質(zhì)損耗因子tg的大小來表示，則電氣品質(zhì)因數(shù)e可以用tg的倒數(shù)來表示，即 （4-15）式中，交變電場(chǎng)的角頻率，c介質(zhì)樣品的靜電容，R介質(zhì)的損耗電阻。機(jī)械品質(zhì)因素m的定義是：壓電材料在諧振時(shí)的機(jī)械能量與在一個(gè)周期內(nèi)損耗的機(jī)械能量之比。它反映了壓電材料振動(dòng)時(shí)克服內(nèi)摩擦而消耗能量的大小，是衡量壓電材料的一個(gè)重要常數(shù)。機(jī)械品質(zhì)因素m和電氣品質(zhì)因素e越大，意味著在壓電效應(yīng)過程中損耗的能量就越小，在大功率和高頻情況下的發(fā)熱量就越小，但是對(duì)展寬頻帶，改善波形

54、和提高分辨率等都不利，因此在應(yīng)用時(shí)還需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選擇。另外，由于m和e還隨負(fù)載媒介的性質(zhì)而變化，因此也可以利用改變負(fù)載媒介的辦法來解決上述矛盾（如石英晶體在大氣中自由輻射m高達(dá)50000，而在水中且加阻尼塊m可小于10）。3機(jī)電耦合系數(shù)K從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，壓電效應(yīng)是一種電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的效應(yīng)，為此引入一個(gè)物理量K來衡量壓電材料中機(jī)械能和電能之間的耦合強(qiáng)弱稱為機(jī)電耦合系數(shù)，其定義為：從逆壓電效應(yīng)考慮： (4-16)從正壓電效應(yīng)考慮： (4-17)系數(shù)K2與轉(zhuǎn)能器的效率不同，拿逆壓電效應(yīng)來說，K2只能說明有多少電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，但機(jī)械能并不一定完全轉(zhuǎn)換成輻射的超聲能量。在壓電材料中同時(shí)

55、存在三種特性，即彈性，介電和壓電特性，機(jī)電耦合系數(shù)K與壓電能Um、彈性能Ua和介電能Ud之間的關(guān)系為 (4-18)K是一個(gè)能量的比值，無量綱，最大值為1。當(dāng)K=0時(shí)即無壓電效應(yīng)。對(duì)于超頭探頭，K關(guān)系到發(fā)射靈敏度和接收靈敏度，有用的K值總是愈大愈好。K值是壓電材料一個(gè)最突出的特征量，壓電常數(shù)大，K值亦大。另一方面，對(duì)于各向異性材料K亦隨壓電晶體振動(dòng)模式不同而變化。例如，對(duì)壓電陶瓷材料，一塊薄圓晶片，利用其厚度振動(dòng)，這時(shí)機(jī)電耦合系數(shù)用Kt表示稱為厚度機(jī)電耦合系數(shù)。探頭用薄圓晶片，雖只想利用Kt，但因?yàn)楸A晶片還同時(shí)存在一個(gè)徑向機(jī)電耦合系數(shù)Kp，它是支配晶片徑向振動(dòng)的， 由于Kp的存在使探頭的雜波增多，因此超聲探頭的晶片希望K，越大越好，以獲得高靈敏度，同時(shí)希望Kt/K，也要大，以減少雜波。在實(shí)際應(yīng)用中可以用外電路（如并接一個(gè)電感線圈）來消除K，的影響。超聲探頭常用壓電材料主要常數(shù)值列于表4-1：表