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超声波探头

 
      
 
 

 探头
一、压電(diàn)效应与压電(diàn)材料
某些单晶體(tǐ)和多(duō)晶體(tǐ)陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用(yòng)下产生异种電(diàn)荷向正反两面集中而在晶體(tǐ)内产生電(diàn)场,这种效应称為(wèi)正压電(diàn)效应。相反,当这些单晶體(tǐ)和多(duō)晶體(tǐ)陶瓷材料处于交变電(diàn)场中时,产生压缩或拉伸的应力和应变,这种效应称為(wèi)负压電(diàn)效应,如图所示。
负压電(diàn)效应产生超声波,正压電(diàn)效应接收超声波并转换成電(diàn)信号。
常用(yòng)的压電(diàn)单晶有(yǒu)石英又(yòu)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(yòng)的压電(diàn)陶瓷有(yǒu)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
压電(diàn)超声探头的种类繁多(duō),用(yòng)途各异,但它们的基本结构有(yǒu)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(yǒu)机玻璃透声楔)组成。此外,还必须有(yǒu)与仪器相连接的高频電(diàn)缆插件、支架、外壳等。
四、 直探头
(一)直探头的保护膜

  1. 压電(diàn)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(yòng)保护膜有(yǒu)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(yòng)于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用(yòng)于粗糙表面时声能(néng)损耗达20~30dB。
  2. 软性保护膜有(yǒu)聚胺酯软性塑料等,用(yòng)于表面光洁度不高或有(yǒu)一定曲率的表面时,可(kě)改善声耦合,提高声能(néng)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(néng)的损耗达6~7dB。
  3. 保护膜材料应耐磨、衰减小(xiǎo)、厚度适当。為(wèi)有(yǒu)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(yǒu)固體(tǐ)保护膜对发射声波都会产生一定的畸变,使分(fēn)辨率变差、灵敏度降低,其中硬保护膜比软保护膜更為(wèi)严重。因此,应根据实际使用(yòng)需要选用(yòng)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(yǒu)石英晶片探头都不加保护膜。

(二)直探头的吸收块
為(wèi)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,但共振周期过長(cháng)或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲區(qū)增大。為(wèi)此,在晶片背面充填吸收这类噪声能(néng)量的阻尼材料,使干扰声能(néng)迅速耗散,降低探头本身的杂乱的信号。目前,常用(yòng)的阻尼材料為(wèi)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(yòng)有(yǒu)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(fēn)割式双直探头和双斜探头也都以有(yǒu)机玻璃作為(wèi)透声楔,这是因為(wèi)有(yǒu)机玻璃声學(xué)性能(néng)良好、易加工成形,但它的声速随温度的变化有(yǒu)所改变又(yòu)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為(wèi)声透镜材料。
六、晶片的厚度
压電(diàn)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(kě)以证明,晶片厚度T為(wèi)其传播波長(cháng)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,晶片中心為(wèi)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的乘积称為(wèi)频率常数Nt,若T=λ/2,则
Nt = f T = C/2
式中:C為(wèi)晶片材料中的纵波声速。常用(yòng)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(kě)知,频率越高,晶片越薄,制作越困难,且Nt小(xiǎo)的晶片材料不宜用(yòng)于制作高频探头。

八 特殊探头
(一)水浸聚焦探头

(二)可(kě)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(yòng)途

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

二、试块的分(fēn)类(主要分(fēn)二类)

  1. 标准试块
  2. 对比试块(参考试块)
  3. 其他(tā)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年國(guó)际焊接學(xué)会通过并命名為(wèi)IIW试块;ISO组织推荐使用(yòng)。
  2. 类似的有(yǒu):中國(guó)CSK-IA、日本STB-A1、英國(guó)BS-A、西德DIN54521……

2.IIW2试块(三角形试块、牛角试块)

  1. 适用(yòng)于现场检验(體(tǐ)积小(xiǎo)、轻、方便);
  2. 用(yòng)途较IIW少

3.CSK-IA试块:中國(guó)的改型试块
三、试块简介
1.荷兰试块

  1. 1955年荷兰人提出;1958年國(guó)际焊接學(xué)会通过并命名為(wèi)IIW试块;ISO组织推荐使用(yòng)。
  2. 类似的有(yǒu):中國(guó)CSK-IA、日本STB-A1、英國(guó)BS-A、西德DIN54521……

2.IIW2试块(三角形试块、牛角试块)

  1. 适用(yòng)于现场检验(體(tǐ)积小(xiǎo)、轻、方便);
  2. 用(yòng)途较IIW少

3.CSK-IA试块:中國(guó)的改型试块

  1. CSK-IA试块的主要用(yòng)途:

① R50、R100圆弧:
-斜探头入射点、前沿测定;
-扫描線(xiàn)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(fēn)辨率测定;
④89、91、100mm 台阶:直探头分(fēn)辨率测定;
⑤ φ50孔:盲區(qū)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(néng)太小(xiǎo),否则产生侧壁效应;
(2)平底孔应足以分(fēn)辨;
(3)材质衰减要小(xiǎo)。
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(néng)测试(检测系统的校准)

一、水平線(xiàn)性
1.定义:仪器水平線(xiàn)性是示波屏上时基線(xiàn)的水平刻度与实际声程之间成正比的程度,即示波屏上多(duō)次底波等距离的程度。水平線(xiàn)性对缺陷定位有(yǒu)较大的影响。
水平線(xiàn)性用(yòng)水平線(xiàn)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(fēn)别為(wèi)50%满刻度时,将它们的前沿分(fēn)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(fēn)别為(wèi)B2、B3、B4与4.0、6.0、8.0的偏差。
(3)水平線(xiàn)性误差计算:

ZBY230--84规定:仪器的水平線(xiàn)性误差≤2%

例:用(yòng)IIW或CSK-1A试块测仪器的水平線(xiàn)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(fēn)别為(wèi)0.5、0.6、0.8;求其水平误差為(wèi)多(duō)少?
解:0.8
δ=------×100%=1%
0.8×100

二、垂直線(xiàn)性
1.定义:仪器垂直線(xiàn)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(néng)。垂直線(xiàn)性用(yòng)垂直線(xiàn)性误差表示。垂直線(xiàn)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,作為(wèi)“0”dB;
(4)固定[增益]和其他(tā)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(lǐ)想相对波高是△i=2、4、6dB……时的波高比(如△i=6dB时的理(lǐ)想相对波高是50.1%)
三、计算垂直線(xiàn)性误差
D=( |d1|+|d2| )
式中: d1--实测值与理(lǐ)想值的*大正偏差
d2--实测值与理(lǐ)想值的*大负偏差

ZBY230--84规定:仪器的垂直線(xiàn)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(fēn)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(yòng)于抑制杂波、提高信噪比。使用(yòng)[抑制]会使仪器的垂直線(xiàn)性变坏,动态范围变小(xiǎo)。[抑制]增加,灵敏度降低,尽量不要用(yòng)[抑制];
  4. [衰减器] 電(diàn)路内专用(yòng)器件,用(yòng)于定量地调节示波屏上的波高,它是步进旋钮。分(fēn):[粗调][细调]二档,[粗调]步長(cháng)10-20dB,[细调]步長(cháng)1-2dB。CTS-6型总衰减量50db;CTS-22型则為(wèi)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(yòng)技术条件》中规定:总衰减量不小(xiǎo)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),这时衰减量為(wèi)N1dB;
  4. 提起探头,用(yòng)[衰减器]将電(diàn)噪声電(diàn)平衰减到10%以下,这时衰减量為(wèi)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),这时衰减量為(wèi)N1dB;
  4. 提起探头,用(yòng)[衰减器]将電(diàn)噪声電(diàn)平衰减到10%以下,这时衰减量為(wèi)N2dB;
  5. 灵敏度余量 N=N1-N2(dB);

斜探头的灵敏度余量要求≥40dB

七、探头盲區(qū)测定
1 概念

  1. 盲區(qū)是指从探测面到能(néng)够发现缺陷处的*小(xiǎo)距离,即始脉冲宽度覆盖區(qū)的距离。
  2. 盲區(qū)与近场區(qū)的區(qū)别:盲區(qū)是始脉冲宽度与放大器引起的,而近场區(qū)是波的干涉引起的。盲區(qū)内缺陷一概不能(néng)发现,而近场區(qū)内缺陷可(kě)以发现但很(hěn)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(yòng)φ1平底孔调80%基准高。
  2. 将直探头放于盲區(qū)试块上,能(néng)独立显示φ1平底孔回波的*小(xiǎo)深度為(wèi)盲區(qū)。

方法(2):

  1. 用(yòng)IIW试块估算
  2. 将直探头放于IIW上方:能(néng)独立显示回波的,盲區(qū)≤5mm。无独立回波的,盲區(qū)>5mm。
  3. 将直探头放于IIW左侧:能(néng)独立显示回波的,盲區(qū)5~10mm。无独立回波的,盲區(qū)>10mm。

八 探头分(fēn)辨率
一、概念:示波屏上區(qū)分(fēn)相邻二缺陷的能(néng)力,能(néng)區(qū)分(fēn)的相邻二缺陷的距离愈小(xiǎo),分(fēn)辨率就愈高。分(fēn)辨率与仪器和探头的质量有(yǒu)关。
二、纵波直探头分(fēn)辨率测定

  1. 直探头放于IIW试块85、91、100处,[抑制]為(wèi)0,左右移动探头,使屏上出现A、B、C波;
  2. 若A、B、C不能(néng)分(fēn)开,先将A、B等高,并取a1、b1值

求: a1
X=20 lg---- (dB)
b1
然后用(yòng)[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(fēn)辨率愈高,一般X、Y ≥ 15dB
九、横波斜探头分(fēn)辨率测定

  1. 如图,平行移动探头,使A、B等高则分(fēn)辨率:

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

  1. 平行移动探头,使B、C等高则分(fēn)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即為(wèi)X值,将h3衰减到h4即為(wèi)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(yǒu)圆心刻度,则刻度对应处為(wèi)入射点;如果试块上无圆心刻度则用(yòng)钢尺量,使钢尺100处对准试块圆弧端,钢尺0点即為(wèi)入射点;使钢尺0点对准探头前端点,差值即為(wèi)前沿。

二、斜探头K值测试

  1. 如图,斜探头分(fēn)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(yǒu)足够的灵敏度和信噪比;
(4)有(yǒu)利于防止出现伪缺陷波。

十一、声束偏转角测定

  1. 概念:主声束中心線(xiàn)与声轴间的夹角称為(wèi)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,测定探头中心線(xiàn)与试块上表面垂線(xiàn)间的夹角。

录象:入射点、前沿、斜探头K值测试



 



 

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