超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)技術(shù)

主要內(nèi)容:●超聲波檢測(cè)的基本知識(shí)●超聲波換能器●超聲無(wú)損檢測(cè)●超聲波物位計(jì)●超聲波流量計(jì)●超聲波測(cè)厚儀

一、超聲波檢測(cè)的基本知識(shí)

1.超聲波及其特點(diǎn)

聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳輸?shù)臋C(jī)械波。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。頻率高于20KHz的波稱為超聲波.聲波的頻率界限

特點(diǎn)：（1）能以各式各樣的傳播模式（縱波，橫波、表面波，薄板波）在氣體、液體、固體或它們的混合物等各種媒質(zhì)中傳播，也可在光不能通過的金屬、生物體中傳播，是探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。（2）由于傳播時(shí)受介質(zhì)聲速、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過來可由超聲波傳播的情況測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。

超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理利用某種待測(cè)的非聲量（如密度，濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流量、液位、厚度，缺陷等）與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的物理量（如聲速、聲阻抗、衰減等）之間存在著的直接或間接的關(guān)系，在確定了這些關(guān)系之后就可通過測(cè)定這些超聲物理量來測(cè)出待測(cè)的非聲量。

2.超聲波的類型

超聲波在介質(zhì)中傳播的波型取決于介質(zhì)本身的固有特性和邊界條件，對(duì)于流體介質(zhì)（空氣、水等），當(dāng)超聲波傳播時(shí)，在介質(zhì)中只有拉伸形變而沒有切變形變發(fā)生，所以只存在超聲縱波；在固態(tài)介質(zhì)中，由于切變產(chǎn)生，故還存在超聲橫波。

縱波、橫波、表面波、板波、棒中的波.

當(dāng)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和超聲波傳播方向相同時(shí)，此種超聲波為縱波波型。在超聲波檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。

當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和超聲波的傳播方向垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波型。鋼表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?/p>

3.介質(zhì)的超聲傳播特性

(1)聲速

超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|(zhì)的聲速，用C表示。聲速隨介質(zhì)及其狀態(tài)（如溫度）的不同而不同。如在常溫下，空氣中的聲速334m/s，在水中的聲速約為1440m/s，而在鋼鐵中約為5000m/s。對(duì)于液體介質(zhì)，只能傳播縱波，以CL表示：

除水以外，大部分液體的聲速隨溫度的升高而減小，而水中的聲速隨溫度的升高而增加。流體中的聲速隨壓力的增加而增加。

K——

介質(zhì)的體積彈性模量；

ρ——介質(zhì)的密度。(2)聲阻抗定義為傳聲介質(zhì)的密度ρ與聲速C的乘積，用Z表示。它是介質(zhì)固有的一個(gè)常數(shù)，它的數(shù)值對(duì)超聲波在介質(zhì)中的傳播非常重要，單位為瑞利（rayl）。超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。對(duì)空氣，0℃時(shí)：Z=428rayl

；

20℃時(shí)：Z=415rayl

；對(duì)水，20℃時(shí)，Z=1.48×106

rayl

；對(duì)鋼鐵，20℃時(shí)，Z≈107

rayl

。超聲波的反射和折射(3)聲衰減超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的衰減，其產(chǎn)生原因可分為三個(gè)方面：（1）由于波前的擴(kuò)展而產(chǎn)生的能量損失；（2）超聲波在介質(zhì)中的散射而產(chǎn)生的能量損失，即散射衰減；（3）由于介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)主的吸收衰減。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律為:p0——距離聲源x=0處的聲壓；I0——距離聲源x=0處的聲強(qiáng)；α——衰減系數(shù)吸收衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)本身的粘滯性和熱傳導(dǎo)所引起的聲能損耗叫吸收衰減。介質(zhì)的粘滯效應(yīng)分為切變粘滯和體積粘滯兩種。介質(zhì)對(duì)超聲波的總的吸收系數(shù)可表達(dá)為：

式中η——介質(zhì)的切變粘滯系數(shù)；

η′——介質(zhì)的體積粘滯系數(shù)；

K

——導(dǎo)熱系數(shù)；

γ——定壓比熱和定容比熱之比；

C——介質(zhì)的聲速。散射衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播遇到障礙物，當(dāng)阻礙物的尺寸與超聲波長(zhǎng)可相比或更小時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射衰減。產(chǎn)生散射衰減的因素很多，總的說來是由于介質(zhì)阻抗的不連續(xù)性造成的。一是材料本身的不均勻;另一種是晶粒尺寸可以與超聲波波長(zhǎng)相比的粗晶粒材料，入射的超聲波在晶界的反射散亂使得聲能變?yōu)闊崮芏鴵p耗，這叫做晶粒散射。當(dāng)晶粒的平均直徑D與超聲波波長(zhǎng)λ之比值不同時(shí),散射衰減亦有不同的規(guī)律。

超聲波在應(yīng)用時(shí)一般使用脈沖波，它具有范圍很寬的頻譜。因此，總的散射衰減系數(shù)為：

二、超聲波換能器

超聲波換能器又稱為超聲波探頭，是完成超聲波發(fā)射和接收的關(guān)鍵器件。換能器按能量轉(zhuǎn)換原理，分為磁性換能器和電性換能器。磁性換能器有電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式；電性換能器有壓電式、電容式、電致伸縮式。在超聲檢測(cè)中，最常用的是壓電換能器，其次是磁致伸縮換能器

。

1.壓電效應(yīng)

逆壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)

2.壓電材料和壓電換能器

常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等。

壓電效應(yīng)原理(a)晶系排列(b)壓縮情況(c)拉伸情況

超聲波換能器外形

縱波直探頭可以發(fā)射和接收縱波，主要由壓電晶片、保護(hù)模和吸收塊組成，另外還有殼體和連接高頻電纜的接插件。

幾種典型超聲波探頭結(jié)構(gòu)

1)壓電晶片直探頭中壓電晶片一般為圓形，以厚度振動(dòng)模式激發(fā)縱波，同一晶片兼有發(fā)射和接收功能。壓電材料選定后，晶片厚度決定了振動(dòng)頻率，頻率和厚度的乘積為一常數(shù)即頻率常數(shù)。

2)保護(hù)膜為防止壓電晶片與被測(cè)物直接接觸造成的磨損和腐蝕，用一層保護(hù)膜覆蓋在晶片上。保護(hù)膜分兩類：一類是硬性保護(hù)膜，用不銹鋼片、鋼玉片或環(huán)氧樹脂澆鑄而成；另一類是軟性保護(hù)膜，用耐磨橡膠或塑料制成，它可使工件粗糙面有較好的聲耦合，但聲能損失比硬性保護(hù)膜大。3)吸收塊

起振后的壓電晶片去掉微勵(lì)后，要經(jīng)過多次振動(dòng)才會(huì)停止，這會(huì)使發(fā)射脈沖變寬而降低探頭的分辨力。一般采取在壓電晶片的負(fù)極澆鑄吸收塊的辦法吸收聲能量，即增加振動(dòng)阻尼，因此也就把吸收塊稱為阻尼塊。吸收塊作為支撐晶片的背襯材料，主要用來吸收向背面發(fā)射的聲波。

選用吸收塊材料的原則是：吸收塊和壓電晶片之間的聲耦合匹配要好；材料的吸收系數(shù)要大。通常是在環(huán)氧樹脂中加入鎢粉和固化劑制成吸收塊，使聲能進(jìn)入吸收塊后被散射而消耗掉。3．超聲換能器的分類按產(chǎn)生的波型分：縱波直探頭，橫波斜探頭，表面波探頭，板波探頭。按接觸方式分：直接接觸探頭，水浸探頭。按檢測(cè)用途分：分割式聯(lián)合雙探頭，聚焦探頭，可變角探頭，專用探頭等。按探頭的頻帶寬度分：通用型，寬頻帶型，密封型，高頻型。1）通用型：超聲波換能器頻帶寬一般可達(dá)數(shù)千赫，并有對(duì)頻率的選擇性。頻率特性

(a)MA40A3S(b)MA40A3R(2)寬頻帶型：寬頻帶型超聲波換能器（如MA23L3）能在工作頻帶內(nèi)有兩個(gè)共振點(diǎn)，因而加寬了頻帶，在很寬的頻帶范圍內(nèi)，具有較高的靈敏度。

MA23L3的頻率特性3）密封型：密封型超聲波換能器（如MA40E1R/S）適用于室外環(huán)境，有較好的耐風(fēng)雨性能，可用于汽車后方檢測(cè)物體的裝置等。

MA40E1R/S的頻率特性4）高頻型：上述各類換能器的中心頻率只有數(shù)十千赫,

但中心頻率高于100KHz的換能器近來也有銷售。MA200A1（發(fā)送與接收共用）換能器中心頻率高達(dá)200KHz，可以進(jìn)行較高分辨率的測(cè)量。三、超聲波換能器的接口電路1.超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電路

數(shù)字式超聲波振蕩電路

采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路

2.超聲波換能器接收電路采用運(yùn)放的超聲波接收電路3.超聲波換能器接收發(fā)送兩用電路

收發(fā)信號(hào)兩用電路

四、超聲無(wú)損檢測(cè)

1.探傷儀的工作原理A型顯示超聲波探傷儀方框圖

直接接觸縱波一次脈沖反射法（a）無(wú)缺陷（b）有小缺陷（c）有大缺陷1-探頭;2-缺陷;3-工件;4-熒光屏直接接觸縱波多次脈沖反射法（a）無(wú)缺陷（b）有小缺陷（c）有大于聲束直徑的缺陷

1-探頭；2-缺陷；3-工件五、超聲波物位計(jì)超聲波物位計(jì)可以分為兩類：定點(diǎn)發(fā)信超聲波物位計(jì)連續(xù)測(cè)量超聲波物位計(jì)

超聲波液位計(jì)超聲波液位計(jì)是利用回聲測(cè)距原理進(jìn)行工作的。分為氣介式、液介式及固介式三類，最常用的是氣介式和液介式。

如果探頭距液面的高度為L(zhǎng)，從發(fā)射到接收超聲波脈沖的時(shí)間間隔為t,則可表示為：

式中C

——

超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度。由上式可知，如果準(zhǔn)確知道介質(zhì)中聲波傳播速度C，再能測(cè)得時(shí)間，就可以準(zhǔn)確測(cè)量液位高度。

(b)、(d)是雙探頭式，聲波經(jīng)過的路程是2S，即：

式中a——

兩個(gè)探測(cè)器之間距離之半。

聲速校正問題

（1）用校正具校正聲速發(fā)射的超聲波脈沖波形聲速校正具

式中C0

——

介質(zhì)中的實(shí)際聲速。浮臂式校正具1-浮子；2-浮臂；3-超聲探頭；4-反射板；5-轉(zhuǎn)軸(2)用固定標(biāo)記校正聲速

固定標(biāo)記校正原理固定標(biāo)記及液面的回波

1-超聲探頭；2-小反射板；3-固定臂回波時(shí)間測(cè)量

（1）雙穩(wěn)法測(cè)時(shí)

雙穩(wěn)法測(cè)時(shí)原理圖雙穩(wěn)測(cè)時(shí)單探頭液位計(jì)原理框圖(2)回鳴測(cè)時(shí)法這種方法是觸發(fā)探頭發(fā)射超聲脈沖后經(jīng)過被測(cè)液面反射，當(dāng)回波回到探頭上時(shí)，這個(gè)回波的前沿又接著觸發(fā)探頭發(fā)出第二個(gè)超聲脈沖，第一個(gè)脈沖的前沿和第二個(gè)脈沖的前沿中間經(jīng)過的時(shí)間t,如果液位高度不變，就是一個(gè)等間距的發(fā)射信號(hào)。如若進(jìn)行校正，也和上述過程一樣，只是這里距離L0

為已知（假定1米），時(shí)間間隔為t0

。如果L0=1米，液位單位選用毫米，則應(yīng)用1000倍頻，得到一系列脈沖，每個(gè)脈沖相當(dāng)于1毫米。在測(cè)量段時(shí)間t中，可以通過的脈沖數(shù)就是以毫米為單位的液位數(shù)值。2.超聲波料位計(jì)

超聲波料位計(jì)的工作原理是：從粉倉(cāng)頂部的已知高度L處向料面發(fā)射一個(gè)超聲脈沖波，該波在空氣中傳播（速度是C=340m/s），遇到料面時(shí)反射回來。若能測(cè)得聲波往返時(shí)間t，則由下式就能求得料位高度h值：把高度

h表達(dá)式變換一下：設(shè)t=1s，則：

用一個(gè)17KHz的振蕩器，如果門開啟1s，則計(jì)數(shù)器顯示17000，每個(gè)脈沖代表1cm。假如開門信號(hào)是在發(fā)射超聲脈沖波的同時(shí)提供，關(guān)門信號(hào)由接收到的回波信號(hào)提供，那么這時(shí)計(jì)數(shù)器所顯示的數(shù)值為。再由上式可求得

h值。如果采用減法計(jì)數(shù)器，先預(yù)置數(shù)L值，最終顯示的數(shù)值就是料位h值。脈沖回波法超聲波料位計(jì)示意圖測(cè)試原理超聲波料位計(jì)整機(jī)方框圖

脈沖回波信號(hào)報(bào)警單元各環(huán)節(jié)波形圖

六、超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速偏移法、多普勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。

傳播速度變化法

超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳輸速度與在靜止介質(zhì)中的傳播速度不同，其變化量與介質(zhì)流速有關(guān)。測(cè)得這一變化量就能求得介質(zhì)的流速，進(jìn)而求出流量。

設(shè)u為介質(zhì)流速，C為介質(zhì)靜止時(shí)聲速。順流中超聲波的傳播速度為C+u，逆流中超聲波的傳播速度為C-u

，順流和逆流之間速度差與介質(zhì)流速u有關(guān),測(cè)得這一差別可求得流速，進(jìn)而通過計(jì)算得到流量值。聲波在順流、逆流中的傳播情況

測(cè)量速度差的方法,常用的有時(shí)間差法、相位差法和頻率差法。超聲波在管壁間的傳播

(1)時(shí)間差法設(shè)順流傳播時(shí)間為t1,

逆流傳播時(shí)間為t2

式中

D——

管道直徑；

τ——超聲波在管壁內(nèi)傳播所用的時(shí)間。

時(shí)間差法超聲波流量計(jì)原理

時(shí)間差法測(cè)時(shí)波形圖

相位差法

如果換能器發(fā)射連續(xù)超聲波或者發(fā)射周期較長(zhǎng)的脈沖波列，則在順流和逆流發(fā)射時(shí)接收到的信號(hào)之間就產(chǎn)生了相位差Δφ,Δφ=ω·Δt,Δt就是前面的時(shí)間差。相位差法超聲波流量計(jì)方框圖

頻率差法

超聲換能器向被測(cè)介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖波，經(jīng)過一段時(shí)間此脈沖波被接收并放大，放大了的信號(hào)再去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射換能器再次向介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖波，系統(tǒng)形成振蕩。設(shè)順流時(shí)振蕩的頻率為f1，逆流時(shí)振蕩的頻率為f2,則：頻率差法超聲波流量計(jì)方框圖

超聲波流