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超声波探头

 
      
 
 

 探头
一、压电效应与压电材料
某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场,这种效应称为正压电效应。相反,当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时,产生压缩或拉伸的应力和应变,这种效应称为负压电效应,如图所示。
负压电效应产生超声波,正压电效应接收超声波并转换成电信号。
常用的压电单晶有石英又称二氧化硅(SiO2)、硫酸锂(LiS04H20)、碘酸锂LiIO3)、铌酸锂(LiNbO3)等,除石英外,其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。
常用的压电陶瓷有钛酸钡(BaTi03)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PbTiO3)、偏铌酸铅(PbNb2O4)等。
二、探头的编号方法

 


三、探头的基本结构
压电超声探头的种类繁多,用途各异,但它们的基本结构有共同之处,如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜(对斜探头来说是有机玻璃透声楔)组成。此外,还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。
四、 直探头
(一)直探头的保护膜

  1. 压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜有硬性和软性两类。氧化铝(刚玉)、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜,它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20~30dB。
  2. 软性保护膜有聚胺酯软性塑料等,用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时,可改善声耦合,提高声能传递效率,且探伤结果的重复性较好,磨损后易于更换,它对声能的损耗达6~7dB。
  3. 保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配,其声阻抗Zm应满足一定要求。
  4. 试验表明:所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变,使分辨率变差、灵敏度降低,其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此,应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比,石英晶片不易磨损,故所有石英晶片探头都不加保护膜。

(二)直探头的吸收块
为提高晶片发射效率,其厚度均应保证晶片在共振状态下工作,但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此,在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料,使干扰声能迅速耗散,降低探头本身的杂乱的信号。目前,常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。

五、斜探头
(一)结构与类型

(二)透声楔
斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔,以形成一个所需的声波入射角,并达到波型转换的目的。一发一收型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔,这是因为有机玻璃声学性能良好、易加工成形,但它的声速随温度的变化有所改变又易磨损,所以对探头的角度应经常测试和修正。水浸聚焦探头常以环氧树脂等材料作为声透镜材料。
六、晶片的厚度
压电晶片的振动频率f即探头的工作频率,它主要取决于晶片的厚度T和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率(即基频)是其厚度的函数。可以证明,晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振,此时,在晶片厚度方向的两个面得到*大振幅,晶片中心为共振的驻点。

七、晶片的厚度
通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt,若T=λ/2,则
Nt = f T = C/2
式中:C为晶片材料中的纵波声速。常用晶片材料如PZT的Nt=1800~2000m/s,石英晶片的Nt=285Om/s,钛酸钡晶片的Nt=2520m/s,钛酸铅晶片的Nt=2120m/s。
由式(2.65)可知,频率越高,晶片越薄,制作越困难,且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。

八 特殊探头
(一)水浸聚焦探头

(二)可变角探头

(三)充水探头

(四)双晶探头:a.双晶纵波探头 b.双晶横波探头(纵波全反射)

(五)表面波探头

第四节:试块

一、试块的用途

  1. 测试或校验仪器和探头的性能;
  2. 确定探测灵敏度和缺陷大小;
  3. 调整探测距离和确定缺陷位置;
  4. 测定材料的某些声学特性。

二、试块的分类(主要分二类)

  1. 标准试块
  2. 对比试块(参考试块)
  3. 其他叫法:校验试块、灵敏度试块;平底孔试块、横孔试块、槽口试块;锻件试块、焊缝试块等。

三、试块简介
1.荷兰试块

  1. 1955年荷兰人提出;1958年国际焊接学会通过并命名为IIW试块;ISO组织推荐使用。
  2. 类似的有:中国CSK-IA、日本STB-A1、英国BS-A、西德DIN54521……

2.IIW2试块(三角形试块、牛角试块)

  1. 适用于现场检验(体积小、轻、方便);
  2. 用途较IIW少

3.CSK-IA试块:中国的改型试块
三、试块简介
1.荷兰试块

  1. 1955年荷兰人提出;1958年国际焊接学会通过并命名为IIW试块;ISO组织推荐使用。
  2. 类似的有:中国CSK-IA、日本STB-A1、英国BS-A、西德DIN54521……

2.IIW2试块(三角形试块、牛角试块)

  1. 适用于现场检验(体积小、轻、方便);
  2. 用途较IIW少

3.CSK-IA试块:中国的改型试块

  1. CSK-IA试块的主要用途:

① R50、R100圆弧:
-斜探头入射点、前沿测定;
-扫描线比例校准;
② 上下表面刻度:斜探头K值校准;
③φ50、φ44、φ40孔:斜探头分辨率测定;
④89、91、100mm 台阶:直探头分辨率测定;
⑤ φ50孔:盲区测定。
4.CS-1和CS-2

  1. 1986年通过,CS-1全套26块,CS-2全套66块;
  2. 要求:

(1)D/L比不能太小,否则产生侧壁效应;
(2)平底孔应足以分辨;
(3)材质衰减要小。
注:铸钢件试块与此形状相同、尺寸不同
5.CSK-IIA / CSK-IIIA
6.RB-1、RB-2、RB-3
7. 钢板试块
8. 半圆试块
9. 管子试块

3.4

第四节:组合性能测试(检测系统的校准)

一、水平线性
1.定义:仪器水平线性是示波屏上时基线的水平刻度与实际声程之间成正比的程度,即示波屏上多次底波等距离的程度。水平线性对缺陷定位有较大的影响。
水平线性用水平线性误差表示。
2.测试步骤:
(1)将直探头置于CSK--1A试块的25mm厚大平底面上;
(2)通过[微调][水平][脉冲位移]等按钮,使屏上出现5次底波B1--B5,当底波B1和B5的幅度分别为50%满刻度时,将它们的前沿分别对准刻度2.0和10.0。B1和B6的前沿位置在调整中如相互影响,则应反复进行调整。
a2、a3、a4分别为B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差。
(3)水平线性误差计算:

ZBY230--84规定:仪器的水平线性误差≤2%

例:用IIW或CSK-1A试块测仪器的水平线性,现测得B1对准2.0,B5对准10.0时,B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差分别为0.5、0.6、0.8;求其水平误差为多少?
解:0.8
δ=------×100%=1%
0.8×100

二、垂直线性
1.定义:仪器垂直线性是示波屏上波高与探头接收的信号幅值之间成正比的程度。它取决于仪器放大器的性能。垂直线性用垂直线性误差表示。垂直线性影响缺陷的检出和定量。

2.测试步骤:
(1)[抑制]至零,[衰减器]保留30dB衰减余量;
(2)将直探头置于CSK--1A试块的25mm厚大平底面上,????? 恒定压力压住;
(3)调节仪器使试块上某次底波位于示波屏中央,并达到100%幅度,作为“0”dB;
(4)固定[增益]和其他旋钮,调衰减器,每次衰减2dB,并记下相应的波**填入表中,直到底波消失;

上表中:


理想相对波高是△i=2、4、6dB……时的波高比(如△i=6dB时的理想相对波高是50.1%)
三、计算垂直线性误差
D=( |d1|+|d2| )
式中: d1--实测值与理想值的*大正偏差
d2--实测值与理想值的*大负偏差

ZBY230--84规定:仪器的垂直线性误差D≤8%

三.探头灵敏度
1.调节灵敏度的几个旋钮

  1. [发射强度] 调节发射脉冲的输出幅度,发射强度大灵敏度高,但分辨率低;
  2. [增益] 调节接收放大器的放大倍数,增益大灵敏度高;
  3. [抑制]限制检波后信号的输出幅度,主要用于抑制杂波、提高信噪比。使用[抑制]会使仪器的垂直线性变坏,动态范围变小。[抑制]增加,灵敏度降低,尽量不要用[抑制];
  4. [衰减器] 电路内专用器件,用于定量地调节示波屏上的波高,它是步进旋钮。分:[粗调][细调]二档,[粗调]步长10-20dB,[细调]步长1-2dB。CTS-6型总衰减量50db;CTS-22型则为80dB;

调节灵敏度的几个旋钮

  1. 《ZB Y230--84? A型脉冲反射超声探伤通用技术条件》中规定:总衰减量不小于60dB;衰减误差:1dB/12dB.

四、直探头 + 仪器的灵敏度余量测试

  1. 探头对准200 / Φ2平底孔;
  2. [抑制]:0;[发射强度] [增益]:*大;
  3. 调[衰减器]使Φ2孔*高回波达满刻度的50%(基准高),这时衰减量为N1dB;
  4. 提起探头,用[衰减器]将电噪声电平衰减到10%以下,这时衰减量为N2dB;
  5. 灵敏度余量 N=N1-N2(dB);

直探头的灵敏度余量要求≥30dB

五、斜探头 + 仪器的灵敏度余量测试

  1. 探头对准IIW试块R100园弧面;
  2. [抑制]:0; [发射强度] [增益]:*大;
  3. 调[衰减器]使R100回波达满刻度的50%(基准高),这时衰减量为N1dB;
  4. 提起探头,用[衰减器]将电噪声电平衰减到10%以下,这时衰减量为N2dB;
  5. 灵敏度余量 N=N1-N2(dB);

斜探头的灵敏度余量要求≥40dB

七、探头盲区测定
1 概念

  1. 盲区是指从探测面到能够发现缺陷处的*小距离,即始脉冲宽度覆盖区的距离。
  2. 盲区与近场区的区别:盲区是始脉冲宽度与放大器引起的,而近场区是波的干涉引起的。盲区内缺陷一概不能发现,而近场区内缺陷可以发现但很难定量。

2 测定方法
方法(1):

  1. 先将直探头在灵敏度试块上用φ1平底孔调80%基准高。
  2. 将直探头放于盲区试块上,能独立显示φ1平底孔回波的*小深度为盲区。

方法(2):

  1. 用IIW试块估算
  2. 将直探头放于IIW上方:能独立显示回波的,盲区≤5mm。无独立回波的,盲区>5mm。
  3. 将直探头放于IIW左侧:能独立显示回波的,盲区5~10mm。无独立回波的,盲区>10mm。

八 探头分辨率
一、概念:示波屏上区分相邻二缺陷的能力,能区分的相邻二缺陷的距离愈小,分辨率就愈高。分辨率与仪器和探头的质量有关。
二、纵波直探头分辨率测定

  1. 直探头放于IIW试块85、91、100处,[抑制]为0,左右移动探头,使屏上出现A、B、C波;
  2. 若A、B、C不能分开,先将A、B等高,并取a1、b1值

求: a1
X=20 lg---- (dB)
b1
然后用[衰减器]使B、C等高,取相应的a2、b2值
求: a2
Y=20 lg---- (dB)
b2
X、Y值愈大分辨率愈高,一般X、Y ≥ 15dB
九、横波斜探头分辨率测定

  1. 如图,平行移动探头,使A、B等高则分辨率:

h1
X=20lg-------(dB)
h2

  1. 平行移动探头,使B、C等高则分辨率:

h3
Y=20lg------ (dB)
h4
要求:X或Y≥ 6dB
实测时,[衰减器]将h1衰减到h2即为X值,将h3衰减到h4即为Y值。

十、斜探头的校准
一、入射点、前沿测试

  1. 如图,斜探头入射到R100圆弧上,左右移动探头找到*大反射回波;如果试块上有圆心刻度,则刻度对应处为入射点;如果试块上无圆心刻度则用钢尺量,使钢尺100处对准试块圆弧端,钢尺0点即为入射点;使钢尺0点对准探头前端点,差值即为前沿。

二、斜探头K值测试

  1. 如图,斜探头分别入射到试块的二个圆上,左右移动探头找到*大反射回波;探头入射点所对应的刻度即K
  2. 探头K值的选择原则:

(1)声束扫查到整个焊缝截面;
(2)声束尽量垂直于主要缺陷;
(3)有足够的灵敏度和信噪比;
(4)有利于防止出现伪缺陷波。

十一、声束偏转角测定

  1. 概念:主声束中心线与声轴间的夹角称为声轴偏转角。
  2. 测定:探头置于试块面上,旋转移动找到*大回波,测定探头中心线与试块上表面垂线间的夹角。

录象:入射点、前沿、斜探头K值测试



 



 

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