超聲探傷儀、超聲波探頭、測試塊和耦合劑等是超聲檢測系統的重要組成部分。超聲波檢測的主要設備是超聲波探傷儀,它可以快速、方便、無損傷地檢測、定位、評估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實現電聲轉換,所以超聲波探頭也叫超聲波換能器,其電聲轉換是可逆的,且轉換時間極短,可以忽略不計。根據超聲波的產生方式和電聲轉換的不同,超聲波換能器有很多種。這些電聲轉換方式有:利用某些金屬(鐵磁性材料)在交變磁場中的磁致伸縮,產生和接收超聲波;利用電磁感應原理產生電磁超聲以及利用機械振動、熱效應和靜電法等都能產生和接收超聲波,利用壓電效應原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。
一(yi)、影(ying)響超(chao)聲(sheng)波探傷換能(neng)器(qi)性能(neng)的(de)主要參數
超聲(sheng)波(bo)換能器性能的主要參數(shu)包(bao)括頻(pin)率響應、相對靈(ling)敏(min)度、時間(jian)域(yu)響應、電阻抗、聲(sheng)束(shu)擴散特性、斜探(tan)頭的入射點和(he)折射角(jiao)、聲(sheng)軸偏(pian)斜角(jiao)和(he)雙峰等(deng)。
a. 頻率響(xiang)應
指(zhi)在指(zhi)定物體上測(ce)得的超聲波回波的頻(pin)率特性(xing)(xing)。在用頻(pin)譜分析(xi)儀測(ce)試頻(pin)率特性(xing)(xing)時,從所得頻(pin)譜圖中(zhong)得到換能器的中(zhong)心頻(pin)率、峰值頻(pin)率、帶寬(kuan)等參數。
b. 相對靈敏度
即在(zai)指定的介(jie)質、聲程和(he)反射體上,換(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)將聲能(neng)(neng)轉換(huan)(huan)成(cheng)電(dian)能(neng)(neng)的轉換(huan)(huan)效(xiao)率。
c. 時間域響應
通過超聲波(bo)回波(bo)的形狀、寬度、峰數可以對換能器的時間域(yu)相(xiang)應進行評估。
d. 超聲波換能(neng)器的聲場特性
包(bao)括(kuo)距離幅度(du)特性(xing)(xing)、聲束(shu)擴散特性(xing)(xing)、聲軸偏斜角等。影響聲場特性(xing)(xing)的因素主要包(bao)括(kuo)超聲波傳(chuan)遞介質以及(ji)超聲波換能(neng)器(qi)頻率成分的非單一性(xing)(xing)。
e. 斜探(tan)頭的(de)人(ren)射點(dian)
斜(xie)探頭的人射點(dian)是指斜(xie)楔中(zhong)縱波聲(sheng)軸入射到換能(neng)(neng)器底面的交(jiao)點(dian)。為了方便對缺陷進行(xing)定(ding)位和測(ce)定(ding)換能(neng)(neng)器的K值,應先(xian)測(ce)定(ding)出換能(neng)(neng)器的入射點(dian)和前沿長度(du)。
f. 斜探頭前沿距(ju)離
斜探(tan)(tan)頭前(qian)沿距離是從斜探(tan)(tan)頭人射點到換能器底面前(qian)端(duan)(duan)的距離,此值在實際探(tan)(tan)測時可(ke)用來在工(gong)件表(biao)面上確定缺(que)陷距換能器前(qian)端(duan)(duan)的水平(ping)投影(ying)距離。
二、超聲波(bo)探傷(shang)換能(neng)器(qi)性能(neng)參數測(ce)試
超聲波傷換(huan)能(neng)器設計完成之后需要(yao)(yao)對(dui)其性(xing)能(neng)參數(shu)進行測(ce)試,主要(yao)(yao)測(ce)試項目及性(xing)能(neng)指(zhi)標見表(biao)3.3。
1. 探頭回波頻(pin)(pin)率及頻(pin)(pin)率誤差(cha)測量
a. 直探(tan)頭回波頻(pin)率的測試(圖3.7)
①. 將超聲波換能器置于(yu)1號標(biao)準試塊的25mm處。
②. 使用示波器觀察換能器接收到的回波波形,在此波形中,以峰值點P為基準,讀出P點前一個周期與后兩個周期共三個周期的時間T3,則回波頻率為fe=3/T3,進而計算出回波頻率誤差
b. 斜探頭(tou)回波頻率的測量
將超聲波換能器置(zhi)于1號(hao)試(shi)塊上(shang)使(shi)用示波器觀(guan)察R100圓弧面的最高回波。其余步驟(zou)與直探頭相同。
2. 分辨力(縱向)測量
a. 直(zhi)探(tan)頭分(fen)辨力的測量(liang)
①. 示波(bo)器(qi)抑制置零(ling)或(huo)關,其他旋(xuan)鈕置適當位置,連接探(tan)頭并置于CSK-IA標準(zhun)試塊(kuai)上,觀察聲程分別為(wei)85mm和91mm反射面的回波(bo)波(bo)形(圖3.8),移動探(tan)頭使兩波(bo)等高。
②. 改變靈(ling)敏(min)度(du)使兩(liang)次波(bo)幅同時達到滿幅度(du)的100%,然后測量(liang)波(bo)谷高度(du)h,則(ze)該(gai)超聲波(bo)換能器的分辨力R為 R = 20lg(100/h) , 若(ruo)h=0或兩波能完(wan)全分開,則取R>30dB。
b. 斜探頭分辨(bian)力(li)的測量
①. 如圖3.9所示,將(jiang)超聲波換能器置(zhi)于CSK-IA試塊的(de)K值測量位置(zhi),確認耦合良(liang)好的(de)情(qing)況下(xia),觀(guan)察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的(de)回(hui)波波形,移(yi)動探(tan)頭使兩波等高。
②. 適當調節衰減或者(zhe)增(zeng)益,使A、B波幅同時達到(dao)滿幅度的100%,然后測量波谷高度h,則(ze)該(gai)探頭的分(fen)辨力R用上式計算。若(ruo)h=0或兩波能完全(quan)分(fen)開,則(ze)取R>30 dB。
c. 小角度(du)探頭分辨力的(de)測量
將換能器(qi)放置于(yu)K<1.5的(de)位置,后續步驟(zou)與斜探頭測試步驟(zou)相同。
3. 直探頭聲軸偏(pian)斜角的測(ce)量
a. 如圖3.10所示,在DB-H1試塊上選取橫通孔,通孔深度約為2倍被測探頭近場長度。
b. 標出探頭的參(can)(can)考(kao)方向(xiang),以橫(heng)通孔的中(zhong)心軸為參(can)(can)考(kao)點(dian)(dian)(dian),將(jiang)探頭的幾何(he)中(zhong)心與(yu)其對準,然后使探頭分別沿(yan)x的左右(you)兩個方向(xiang)的試塊中(zhong)心線上移動,記錄孔波最高點(dian)(dian)(dian)時(shi)探頭距離(li)參(can)(can)考(kao)點(dian)(dian)(dian)的距離(li)D,其中(zhong)孔波幅度最高點(dian)(dian)(dian)在x右(you)邊(bian)時(shi)加(jia)(jia)上(十)號,在x左邊(bian)時(shi)加(jia)(jia)上(一)號。
c. 繼續沿x的兩個方向移動探頭,分別測出孔波幅度最高點與兩側孔波幅度下降6dB時的位置,分別標定為W+x和W-x。
d. 最后沿y方向按以上兩條的方法沿試塊中心線移動,分別測出Dy、W+y和W-y。
f. Dx、Dy。為聲軸的偏移,W+x、W-x、W+y 和W-y,表示探頭在該條件下的聲束寬度,精確至1mm.則聲軸的偏斜角
4. 斜探頭、小角度(du)探頭入射點的測(ce)定(ding)
a. 橫波斜(xie)探(tan)頭
連接待測量換能器,選取CSK-IA型(xing)準或CSK-I型(xing)標準試塊(kuai)(kuai),對(dui)試塊(kuai)(kuai)R100圓弧面進行探(tan)測,如圖3.11所示(shi)。保持探(tan)頭(tou)與(yu)試塊(kuai)(kuai)側(ce)面平行,沿左右兩個方向移動探(tan)頭(tou),觀察R100圓弧面的(de)回波幅度達到最高時(shi)候的(de)位(wei)置,則此時(shi)換能器的(de)入射點為R100圓心(xin)刻(ke)線所對(dui)應的(de)探(tan)頭(tou)側(ce)棱(leng)上的(de)點。讀數(shu)精(jing)確到0.5mm。
b. 小角度縱波探頭
連接帶測量(liang)換能器(qi),選取TZS-R試塊(kuai)(kuai)的(de)(de)R面(mian),測量(liang)試塊(kuai)(kuai)A面(mian)下(xia)棱(leng)角,保持探(tan)(tan)頭聲(sheng)束與(yu)試塊(kuai)(kuai)側面(mian)平行,前(qian)后移動探(tan)(tan)頭,記錄(lu)A面(mian)下(xia)棱(leng)角回(hui)(hui)波(bo)達(da)到最(zui)高的(de)(de)位(wei)置,此(ci)時探(tan)(tan)頭前(qian)沿(yan)至(zhi)(zhi)(zhi)試塊(kuai)(kuai)A端(duan)的(de)(de)距離為(wei)x1,然(ran)后用(yong)二次反射波(bo)探(tan)(tan)測A面(mian)上(shang)棱(leng)角,同(tong)樣找到A面(mian)上(shang)棱(leng)角回(hui)(hui)波(bo)達(da)到最(zui)高的(de)(de)位(wei)置,此(ci)時探(tan)(tan)頭前(qian)沿(yan)至(zhi)(zhi)(zhi)試塊(kuai)(kuai)前(qian)端(duan)(A端(duan))的(de)(de)距離為(wei)x2,則(ze)入射點至(zhi)(zhi)(zhi)探(tan)(tan)頭前(qian)沿(yan)的(de)(de)距離為(wei) a = x2 - 2x1 。
5. 斜探頭折射角的(de)測(ce)量(liang)
測試設備包括探傷(shang)儀、1號標準試塊和刻(ke)度尺。
測試步驟(zou):選取1號標準(zhun)試塊觀(guan)(guan)察(cha)φ50mm孔(kong)(kong)的(de)(de)回(hui)(hui)(hui)波(bo),探(tan)頭的(de)(de)位(wei)置(zhi)按如下(xia)(xia)情(qing)況放置(zhi):當(dang)(dang)K≤1.5時(shi),觀(guan)(guan)察(cha)圖3.12a的(de)(de)通(tong)(tong)孔(kong)(kong)回(hui)(hui)(hui)波(bo);1.5<K≤2.5時(shi),觀(guan)(guan)察(cha)圖3.12b的(de)(de)通(tong)(tong)孔(kong)(kong)回(hui)(hui)(hui)波(bo);當(dang)(dang)K>2.5時(shi),探(tan)頭放置(zhi)在如圖3.12c的(de)(de)位(wei)置(zhi),觀(guan)(guan)察(cha)φ1.5mm橫通(tong)(tong)孔(kong)(kong)的(de)(de)回(hui)(hui)(hui)波(bo)。前后移(yi)動(dong)探(tan)頭,找到孔(kong)(kong)的(de)(de)回(hui)(hui)(hui)波(bo)最(zui)高位(wei)置(zhi)并(bing)固定下(xia)(xia)來(lai),讀出此(ci)時(shi)入(ru)射點相對(dui)應的(de)(de)角度刻度β,β即為被測探(tan)頭折(zhe)射角,讀數(shu)精(jing)確(que)到0.5°。
6. 測量(liang)小角度縱波探(tan)頭的β角和K值(zhi)
選取TZS-R試塊的(de)C面或B面,并在測定(ding)探頭的(de)前沿距離a之后,再按圖(tu)3.13所展(zhan)示的(de)方法,找到端面(A面)上(shang)棱角(jiao)的(de)最大反射波高位置,則探頭的(de)K值和β角(jiao)分別(bie)用下式計(ji)算。
小(xiao)角(jiao)(jiao)度探(tan)頭人射角(jiao)(jiao)α和折射角(jiao)(jiao)β對應(ying)關系見表3.4 (斜(xie)塊聲速(su)取2730m/s)。
相對(dui)靈敏(min)度測試如下:
a. 直探(tan)頭相對靈敏度(du)(等同于探(tan)傷靈敏度(du)余量)測量(圖3.14).
①. 使用2.5MHz、Φ20直(zhi)探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標準試塊。
②. 將儀器發射置強,抑制置零或關,增益置最大以達到儀器最大靈敏度。連接待測探頭。觀察此時儀器和探頭的噪聲電平是否高于滿幅度的10%,如果高于,則調節衰減或增益,在噪聲電平等于滿幅度的10%時,記下衰減器的讀數S0。
③. 將探頭置于試塊端面上探測200mm處的Φ2平底孔。移動探頭使中62平底孔反射波幅最高,并用衰減器將它調至滿幅度的50%,記下此時衰減器的讀數S1,則該探頭及儀器的探傷靈敏度余量S為
S=S1-S0 。
b. 斜探頭相對靈敏度測(ce)量(圖3.15)
連接好待測斜探頭,首先按照按直探頭的方法測量噪聲電平S0,然后將待測斜探頭放置在CSK-IA標準試塊上,探測R100圓弧面,保證耦合良好的情況下,保持聲束方向與試塊側面平行,移動待測探頭,找到R100圓弧面的一次回波幅度最高的位置,將其衰減至滿幅度的50%,此時衰減器的讀數為S2.則斜探頭的相對靈敏度S為 S = S2-S0 。
c. 小角(jiao)度(du)縱波(bo)探頭(tou)相對靈敏度(du)測量
測量方法同橫波探頭的情況,但是基準反射面要選取DB-H2試塊上φ3×80橫孔,如圖3.16所示。使用同樣的方式找到孔波最高的位置,將其衰減至滿刻度的50%,記錄衰減器的讀數S3,則S3-S0 的值即為被測探頭的相對靈敏度。
三、提高換能(neng)器性能(neng)措施
優(you)良(liang)信(xin)噪(zao)比是(shi)高性能(neng)換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)基本要(yao)求。常用以(yi)下兩種方法來提高換(huan)(huan)能(neng)器的(de)(de)信(xin)噪(zao)比:一是(shi)增加(jia)激勵(li)脈沖的(de)(de)電(dian)壓幅值,這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)增加(jia)發(fa)射(she)聲(sheng)功率,考(kao)慮到(dao)對待檢測物體與(yu)人體的(de)(de)影響以(yi)及實(shi)際電(dian)路的(de)(de)實(shi)現,不可(ke)能(neng)無限地(di)增加(jia)發(fa)射(she)功率;二(er)是(shi)提高換(huan)(huan)能(neng)器本身的(de)(de)靈敏度。
換(huan)能(neng)(neng)器和電源(yuan)內阻(zu)(zu)間的(de)阻(zu)(zu)抗(kang)匹(pi)配(pei)影響著換(huan)能(neng)(neng)器的(de)靈敏(min)度(du)(du)。由于待探測物體的(de)聲阻(zu)(zu)抗(kang)與換(huan)能(neng)(neng)器材料的(de)聲阻(zu)(zu)抗(kang)嚴(yan)重失(shi)配(pei),這就造成了靈敏(min)度(du)(du)較低。一般需要采用聲匹(pi)配(pei)和電路(lu)匹(pi)配(pei)方(fang)法,提高(gao)(gao)換(huan)能(neng)(neng)器的(de)靈敏(min)度(du)(du)。換(huan)能(neng)(neng)器的(de)靈敏(min)度(du)(du)越高(gao)(gao),使用同樣激勵,在相(xiang)同的(de)噪聲背景下,信噪比越高(gao)(gao)。
提高(gao)超聲波換能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)縱向(xiang)和橫(heng)向(xiang)分辨率(lv)也能(neng)(neng)(neng)改善換能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)。目前主要是(shi)通過提高(gao)換能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)工(gong)作頻率(lv)以及改善換能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)脈沖響應,實現(xian)寬帶窄脈沖。縱向(xiang)分辨率(lv)的(de)(de)提高(gao)主要是(shi)通過聲電匹(pi)配。換能(neng)(neng)(neng)器的(de)(de)聲束寬度決定(ding)了超聲檢測系統的(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨率(lv),采用聚(ju)焦超聲換能(neng)(neng)(neng)器,是(shi)提高(gao)換能(neng)(neng)(neng)器橫(heng)向(xiang)分辨率(lv)最有(you)效的(de)(de)方法。
四、換能器(qi)的評價(jia)
在超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波技(ji)術(shu)中,超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)是(shi)一個(ge)非(fei)常(chang)重(zhong)要的(de)(de)(de)部分,可以(yi)(yi)說超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)發展直接取決于(yu)其研發水(shui)平。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)研究與(yu)現代科學技(ji)術(shu)密切相關。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)發展水(shui)平越來越受到電子技(ji)術(shu)、自動控制技(ji)術(shu)、計算機技(ji)術(shu)以(yi)(yi)及(ji)新材(cai)(cai)料(liao)(liao)技(ji)術(shu)發展的(de)(de)(de)影響。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)中最重(zhong)要的(de)(de)(de)就是(shi)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao),高效、廉價、無污染的(de)(de)(de)新型(xing)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研制是(shi)目前的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要發展方向。在換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)研發方面(mian),弛豫型(xing)壓電單晶(jing)材(cai)(cai)料(liao)(liao)具有較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)發展前景,如鈮(ni)鎂酸(suan)鉛(qian)-鈦酸(suan)鉛(qian)以(yi)(yi)及(ji)鈮(ni)鋅(xin)酸(suan)鉛(qian)-鈦酸(suan)鉛(qian)等(deng),有望在超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)等(deng)技(ji)術(shu)中獲得更(geng)為廣泛(fan)的(de)(de)(de)應用。換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)測(ce)試技(ji)術(shu)則主(zhu)(zhu)要體現在如何實現大(da)功率(lv)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)實時測(ce)試與(yu)定量測(ce)試,這也和超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波換(huan)能(neng)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)發展有著密切的(de)(de)(de)關系(xi)。
總之,超(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)術中的(de)(de)(de)(de)兩個主要的(de)(de)(de)(de)研究方面就是超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)與測試(shi),兩者的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)是相互影響的(de)(de)(de)(de)。目前的(de)(de)(de)(de)情(qing)況是超(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)測試(shi)技(ji)術發展(zhan)滯(zhi)后于超(chao)聲(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)技(ji)術研究,可以預(yu)見,隨(sui)著超(chao)聲(sheng)(sheng)換能器(qi)技(ji)術水平提高,超(chao)聲(sheng)(sheng)技(ji)術的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)一定會隨(sui)之進人新的(de)(de)(de)(de)階段。