超聲波探頭知識(shí)分享

超聲波探頭精品文檔第三章探傷儀、探頭和試塊 3.1第一節(jié)：探傷儀3.2探頭一、壓電效應(yīng)與壓電材料某些單晶體和多晶體陶瓷材料在應(yīng)力（壓縮力和拉伸力）作用下產(chǎn)生異種電荷向正反兩面集中而在晶體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)這些單晶體和多晶體陶瓷材料處于交變電場(chǎng)中時(shí)，產(chǎn)生壓縮或拉伸的應(yīng)力和應(yīng)變，這種效應(yīng)稱為負(fù)壓電效應(yīng)，如圖所示。負(fù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，正壓電效應(yīng)接收超聲波并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的壓電單晶有石英又稱二氧化硅（ SiO2）、硫酸鋰（LiS04H20）、碘酸鋰LiIO3）、鈮酸鋰（LiNbO3）等，除石英外，其余幾種人工培養(yǎng)的單晶制造工藝復(fù)雜、成本高。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇（BaTi03）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鉛（PbTiO3)、偏鈮酸鉛（PbNb2O4）等。二、探頭的編號(hào)方法三、探頭的基本結(jié)構(gòu)壓電超聲探頭的種類繁多，用途各異，但它們的基本結(jié)構(gòu)有共同之處，如圖所示。它們一般均由晶片、阻尼塊、保護(hù)膜（對(duì)斜探頭來(lái)說(shuō)是有機(jī)玻璃透聲楔）組成。此外，還必須有與儀器相連接的高頻電纜插件、支架、外殼等。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔四、直探頭（一）直探頭的保護(hù)膜1. 壓電陶瓷晶片通常均由保護(hù)膜來(lái)保護(hù)晶片不與工件直接接觸以免磨損。常用保護(hù)膜有硬性和軟性兩類。氧化鋁（剛玉）、陶瓷片及某些金屬都屬于硬性保護(hù)膜，它們適用于工件表面光潔度較高、且平整的情況。用于粗糙表面時(shí)聲能損耗達(dá)20～30dB。2. 軟性保護(hù)膜有聚胺酯軟性塑料等，用于表面光潔度不高或有一定曲率的表面時(shí)，可改善聲耦合，提高聲能傳遞效率，且探傷結(jié)果的重復(fù)性較好，磨損后易于更換，它對(duì)聲能的損耗達(dá) 6～7dB。3. 保護(hù)膜材料應(yīng)耐磨、衰減小、厚度適當(dāng)。為有利于阻抗匹配，其聲阻抗Zm應(yīng)滿足一定要求。4. 試驗(yàn)表明：所有固體保護(hù)膜對(duì)發(fā)射聲波都會(huì)產(chǎn)生一定的畸變，使分辨率變差、靈敏度降低，其中硬保護(hù)膜比軟保護(hù)膜更為嚴(yán)重。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用需要選用探頭及其保護(hù)膜。與陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨損，故所有石英晶片探頭都不加保護(hù)膜。（二）直探頭的吸收塊為提高晶片發(fā)射效率，其厚度均應(yīng)保證晶片在共振狀態(tài)下工作，但共振周期過(guò)長(zhǎng)或晶片背面的振動(dòng)干擾都會(huì)導(dǎo)致脈沖變寬、盲區(qū)增大。為此，在晶片背面充填吸收這類噪聲能量的阻尼材料，使干擾聲能迅速耗散，降低探頭本身的雜亂的信號(hào)。目前，常用的阻尼材料為環(huán)氧樹(shù)脂和鎢粉。五、斜探頭（一）結(jié)構(gòu)與類型收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔（二）透聲楔斜探頭都習(xí)慣于用有機(jī)玻璃作斜楔，以形成一個(gè)所需的聲波入射角，并達(dá)到波型轉(zhuǎn)換的目的。一發(fā)一收型分割式雙直探頭和雙斜探頭也都以有機(jī)玻璃作為透聲楔，這是因?yàn)橛袡C(jī)玻璃聲學(xué)性能良好、易加工成形，但它的聲速隨溫度的變化有所改變又易磨損，所以對(duì)探頭的角度應(yīng)經(jīng)常測(cè)試和修正。水浸聚焦探頭常以環(huán)氧樹(shù)脂等材料作為聲透鏡材料。六、晶片的厚度壓電晶片的振動(dòng)頻率 f即探頭的工作頻率，它主要取決于晶片的厚度 T和超聲波在晶片材料中的聲速。晶片的共振頻率（即基頻）是其厚度的函數(shù)?？梢宰C明，晶片厚度T為其傳播波長(zhǎng)一半時(shí)即產(chǎn)生共振，此時(shí)，在晶片厚度方向的兩個(gè)面得到最大振幅，晶片中心為共振的駐點(diǎn)。七、晶片的厚度通常把晶片材料的頻率 f和厚度T的乘積稱為頻率常數(shù) Nt，若T=λ/2，則Nt=fT=C/2式中：C為晶片材料中的縱波聲速。常用晶片材料如 PZT的Nt=1800～2000m/s，石英晶片的Nt＝285Om/s，鈦酸鋇晶片的 Nt＝2520m/s，鈦酸鉛晶片的Nt=2120m/s。由式（2.65）可知，頻率越高，晶片越薄，制作越困難，且 Nt小的晶片材料不宜用于制作高頻探頭。八特殊探頭（一）水浸聚焦探頭（二）可變角探頭收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔（三）充水探頭（四）雙晶探頭：a.雙晶縱波探頭b.雙晶橫波探頭（縱波全反射)（五）表面波探頭3.3第四節(jié)：試塊一、試塊的用途1.測(cè)試或校驗(yàn)儀器和探頭的性能；2.確定探測(cè)靈敏度和缺陷大??；3.調(diào)整探測(cè)距離和確定缺陷位置；4.測(cè)定材料的某些聲學(xué)特性。二、試塊的分類（主要分二類）1.標(biāo)準(zhǔn)試塊2.對(duì)比試塊（參考試塊）3.其他叫法：校驗(yàn)試塊、靈敏度試塊；平底孔試塊、橫孔試塊、槽口試塊；鍛件試塊、焊縫試塊等。三、試塊簡(jiǎn)介1.荷蘭試塊1.1955年荷蘭人提出；1958年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)通過(guò)并命名為IIW試塊；ISO組織推薦使用。2.類似的有：中國(guó)CSK-IA、日本STB-A1、英國(guó)BS-A、西德DIN545212.IIW2試塊（三角形試塊、牛角試塊）1.適用于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)（體積小、輕、方便）；收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔2. 用途較IIW少3. CSK-IA試塊：中國(guó)的改型試塊三、試塊簡(jiǎn)介1.荷蘭試塊1955年荷蘭人提出；1958年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)通過(guò)并命名為 IIW試塊；ISO組織推薦使用。類似的有：中國(guó) CSK-IA、日本STB-A1、英國(guó)BS-A、西德DIN545212.IIW2試塊（三角形試塊、牛角試塊）適用于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)（體積小、輕、方便）； 用途較IIW少3.CSK-IA試塊：中國(guó)的改型試塊CSK-IA試塊的主要用途:R50、R100圓?。?斜探頭入射點(diǎn)、前沿測(cè)定；-掃描線比例校準(zhǔn)；②上下表面刻度：斜探頭K值校準(zhǔn)；③φ50、φ44、φ40孔：斜探頭分辨率測(cè)定；④89、91、100mm臺(tái)階：直探頭分辨率測(cè)定；⑤φ50孔：盲區(qū)測(cè)定。4.CS-1和CS-21986年通過(guò)，CS-1全套26塊，CS-2全套66塊；要求：1）D/L比不能太小，否則產(chǎn)生側(cè)壁效應(yīng)；2）平底孔應(yīng)足以分辨；3）材質(zhì)衰減要小。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔注：鑄鋼件試塊與此形狀相同、尺寸不同5.CSK-IIA/CSK-IIIA6.RB-1、RB-2、RB-3鋼板試塊半圓試塊管子試塊3.4第四節(jié)：組合性能測(cè)試（檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)）一、水平線性1.定義：儀器水平線性是示波屏上時(shí)基線的水平刻度與實(shí)際聲程之間成正比的程度，即示波屏上多次底波等距離的程度。水平線性對(duì)缺陷定位有較大的影響。水平線性用水平線性誤差表示。2.測(cè)試步驟：1）將直探頭置于CSK--1A試塊的25mm厚大平底面上；2）通過(guò)[微調(diào)][水平][脈沖位移]等按鈕，使屏上出現(xiàn)5次底波B1--B5，當(dāng)?shù)撞˙1和B5的幅度分別為50％滿刻度時(shí)，將它們的前沿分別對(duì)準(zhǔn)刻度2.0和10.0。B1和B6的前沿位置在調(diào)整中如相互影響，則應(yīng)反復(fù)進(jìn)行調(diào)整。a2、a3、a4分別為B2、B3、B4與4.0、6.0、8.0的偏差。（3）水平線性誤差計(jì)算：ZBY230--84規(guī)定：儀器的水平線性誤差 ≤2%收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔例：用IIW或CSK-1A試塊測(cè)儀器的水平線性，現(xiàn)測(cè)得B1對(duì)準(zhǔn)2.0，B5對(duì)準(zhǔn)10.0時(shí)，B2、B3、B4與4.0、6.0、8.0的偏差分別為0.5、0.6、0.8;求其水平誤差為多少？解：0.8δ=------100%=1%×0.8×100二、垂直線性1.定義：儀器垂直線性是示波屏上波高與探頭接收的信號(hào)幅值之間成正比的程度。它取決于儀器放大器的性能。垂直線性用垂直線性誤差表示。垂直線性影響缺陷的檢出和定量。2.測(cè)試步驟：1）[抑制]至零，[衰減器]保留30dB衰減余量；2）將直探頭置于CSK--1A試塊的25mm厚大平底面上，?????恒定壓力壓??；（3）調(diào)節(jié)儀器使試塊上某次底波位于示波屏中央，并達(dá)到 100%幅度，作為“0”dB;（4）固定[增益]和其他旋鈕，調(diào)衰減器，每次衰減 2dB,并記下相應(yīng)的波高 H填入表中，直到底波消失；上表中：收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔理想相對(duì)波高是△i=2、4、6dB 時(shí)的波高比（如△i=6dB時(shí)的理想相對(duì)波高是50.1%）三、計(jì)算垂直線性誤差D=（|d1|+|d2|）式中：d1--實(shí)測(cè)值與理想值的最大正偏差d2--實(shí)測(cè)值與理想值的最大負(fù)偏差ZBY230--84規(guī)定：儀器的垂直線性誤差 D≤8%三.探頭靈敏度1.調(diào)節(jié)靈敏度的幾個(gè)旋鈕(1） [發(fā)射強(qiáng)度]調(diào)節(jié)發(fā)射脈沖的輸出幅度，發(fā)射強(qiáng)度大靈敏度高，但分辨率低；(2） [增益]調(diào)節(jié)接收放大器的放大倍數(shù)，增益大靈敏度高；(3） [抑制]限制檢波后信號(hào)的輸出幅度，主要用于抑制雜波、提高信噪比。使用[抑制]會(huì)使儀器的垂直線性變壞，動(dòng)態(tài)范圍變小。 [抑制]增加，靈敏度降低，盡量不要用 [抑制]；（4）[衰減器]電路內(nèi)專用器件，用于定量地調(diào)節(jié)示波屏上的波高，它是步進(jìn)旋鈕。分： [粗調(diào)][細(xì)調(diào)]二檔，[粗調(diào)]步長(zhǎng)10-20dB,[細(xì)調(diào)]步長(zhǎng)1-2dB。CTS-6型總衰減量50db;CTS-22型則為80dB;調(diào)節(jié)靈敏度的幾個(gè)旋鈕《ZBY230--84?A 型脈沖反射超聲探傷通用技術(shù)條件》中規(guī)定：總衰減量不小于60dB;衰減誤差：1dB/12dB.四、直探頭+儀器的靈敏度余量測(cè)試收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔1.探頭對(duì)準(zhǔn)200/Φ2平底孔；2.[抑制]：0；[發(fā)射強(qiáng)度][增益]：最大；3調(diào)[衰減器]使Φ2孔最高回波達(dá)滿刻度的 50%（基準(zhǔn)高），這時(shí)衰減量為 N1dB;4提起探頭，用[衰減器]將電噪聲電平衰減到 10%以下，這時(shí)衰減量為 N2dB;5.靈敏度余量N=N1-N2（dB）;直探頭的靈敏度余量要求 ≥30dB五、斜探頭+儀器的靈敏度余量測(cè)試探頭對(duì)準(zhǔn)IIW試塊R100園弧面；[抑制]：0；[發(fā)射強(qiáng)度][增益]：最大；3. 調(diào)[衰減器]使R100回波達(dá)滿刻度的 50%（基準(zhǔn)高），這時(shí)衰減量為 N1dB;提起探頭，用[衰減器]將電噪聲電平衰減到10%以下，這時(shí)衰減量為N2dB;靈敏度余量N=N1-N2（dB）;斜探頭的靈敏度余量要求 ≥40dB七、探頭盲區(qū)測(cè)定概念盲區(qū)是指從探測(cè)面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷處的最小距離，即始脈沖寬度覆蓋區(qū)的距離。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔盲區(qū)與近場(chǎng)區(qū)的區(qū)別：盲區(qū)是始脈沖寬度與放大器引起的，而近場(chǎng)區(qū)是波的干涉引起的。盲區(qū)內(nèi)缺陷一概不能發(fā)現(xiàn)，而近場(chǎng)區(qū)內(nèi)缺陷可以發(fā)現(xiàn)但很難定量。測(cè)定方法方法（1）：先將直探頭在靈敏度試塊上用φ1平底孔調(diào)80%基準(zhǔn)高。將直探頭放于盲區(qū)試塊上，能獨(dú)立顯示φ1平底孔回波的最小深度為盲區(qū)。方法（2）：用IIW試塊估算將直探頭放于IIW上方：能獨(dú)立顯示回波的，盲區(qū)≤5mm。無(wú)獨(dú)立回波的，盲區(qū)＞5mm。將直探頭放于IIW左側(cè)：能獨(dú)立顯示回波的，盲區(qū)5～10mm。無(wú)獨(dú)立回波的，盲區(qū)＞10mm。探頭分辨率一、概念：示波屏上區(qū)分相鄰二缺陷的能力，能區(qū)分的相鄰二缺陷的距離愈小，分辨率就愈高。分辨率與儀器和探頭的質(zhì)量有關(guān)。二、縱波直探頭分辨率測(cè)定直探頭放于IIW試塊85、91、100處，[抑制]為0，左右移動(dòng)探頭，使屏上出現(xiàn)A、B、C波；若A、B、C不能分開(kāi)，先將A、B等高，并取a1、b1值求：a1收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔X=20lg----(dB)b1然后用[衰減器]使B、C等高，取相應(yīng)的a2、b2值求：a2Y=20lg----(dB)b2X、Y值愈大分辨率愈高，一般 X、Y≥15dB九、橫波斜探頭分辨率測(cè)定1. 如圖,平行移動(dòng)探頭，使 A、B等高則分辨率：h1X=20lg-------(dB)h21. 平行移動(dòng)探頭，使 B、C等高則分辨率：h3Y=20lg------(dB)h4要求：X或Y≥6dB實(shí)測(cè)時(shí)，[衰減器]將h1衰減到h2即為X值，將h3衰減到h4即為Y值。十、斜探頭的校準(zhǔn)一、入射點(diǎn)、前沿測(cè)試1. 如圖，斜探頭入射到 R100圓弧上，左右移動(dòng)探頭找到最大反射回波；如果試塊上有圓心刻度，則刻度對(duì)應(yīng)處為入射點(diǎn)；如果試塊上無(wú)圓心刻度則用收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員刪除精品文檔鋼尺量，使鋼尺 100處對(duì)準(zhǔn)試塊圓弧端，鋼尺 0點(diǎn)即為入射點(diǎn)；使鋼尺 0點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)探頭