1、核工业无损检测中心 NUCLEAR NDT CENTER 超声-I 讲义(三、设备),钟志民 ,,1 超声仪器,1.1超声波探伤仪的作用产生电脉冲激发超声探头发射超声波，同时接收来自探头的电信号并显示，得到显示的幅度、位置等信息。 主要使用A型脉冲反射式超声探伤仪。1.2分类波的连续性，显示，通道，声波传播,,1 超声仪器,1.3 A型脉冲反射式超声探伤仪主要有以下五种基本电路：同步电路发射电路扫描电路接收/放大电路显示电路 和各种辅助电路，如延迟、报警、闸门、补偿等。,,1.4 A型脉冲反射式超声探伤仪框图,,1.5 工作原理,同步电路产生同步脉冲，触发扫描电路和发射电路。此时，扫描电路产生
2、锯齿波电压，加于示波管的水平偏转板上，示波管电子束作水平扫描，形成水平的时基线。此外，发射电路产生高压脉冲，加于探头晶片，电能转化为声能。超声波在工件中传播，遇到缺陷或界面产生反射波。其被探头接收，声能转化为电能输入接收电路。放大电路将微弱信号放大加于示波管的垂直偏转板上，示波管电子束作垂直移动，形成回波显示。显示的位置反映了缺陷的声程，波高反映缺陷的当量大小。,,1.6 调整,1）调节显示器的旋钮 辉度/聚焦/水平（零位调节）/垂直（时基线上下移动） 2）调节发射器的旋钮工作方式（单发单收/一发一收）发射强度 3）调节接收器的旋钮衰减器增益深度补偿/显示选择（检波）/抑制,,1.6 调整,4
3、）调节时基器的旋钮深度粗调深度微调延迟 5）调节脉冲重复频率的旋钮,,1.7 维护,1.不可错误使用 2.长期不使用的过程中，定期通电 3.运输的注意事项 4.故障的处理,,1.8 数字超声探伤仪的特点,1.速度快 2.精度高 3.可靠性高，稳定性好 4.体积小重量轻 5.记录与存档方便 6.易于扩展。 7.成像。,,2 超声探头,2.1 压电效应某些晶体材料在交变应力作用下形变时产生交变电场的现象叫正压电效应。反之，晶体材料在交变电场作用下产生交变应力和形变的现象叫逆压电效应。压电效应:正逆压电效应压电晶体（压电材料）.,,2.1 压电效应,,2.2 超声探头,发射超声波和接收超声波的电声换
4、能器。一般，超声探头晶片是利用压电效应工作的。,,2.3 探头的种类,(1)波型分类： 纵波探头横波探头表面波探头(2)接触方式：接触式/液浸式(3)声束聚焦：聚焦和非聚焦(4)晶片数量：单晶片探头/双晶片探头(5)声束入射：直探头/斜探头/可变角探头,,2.4 直探头（纵波接触式直探头）,主要特点：1）适宜探测基本与探测面相平行的缺陷2）广泛应用于锻件、板材、铸件的探伤3）测厚的应用。4）探测近表面盲区大，分辨力低。,,2.4.1 直探头主要结构,1.晶片2. 阻尼块和吸声材料3.保护膜4.外壳5.接线柱,,2.4.1直探头主要结构,1.晶片: 以逆压电效应发射超声波以正压电效应接收超声波特
5、点： 尺寸越大，发射能量越大指向性越好，灵敏度高但近场长度大,,2.4.1直探头主要结构,2. 阻尼块和吸声材料粘附在晶片后面具有阻尼作用的块状物。作用： 1）阻尼晶片振动，减小脉冲宽度（持续振动时间），提高分辨力，减小盲区。 2）吸收晶片背面杂波，提高信噪比。 3）支撑晶片。,,2.4.1直探头主要结构,3.保护膜：保护晶片不致磨损或损坏。 硬保护膜 （刚玉）适用于光洁度高的表面（如锻件表面）； 软保护膜适用于光洁度低或表面较软的工件表面（如轴瓦合金）。,,2.5 斜探头,1.类型： 主要有纵波（ L 1 ）横波（1 L II ）表面波（L II ）板波探头 2.特点：声束倾斜入射适用于探测
6、与探测面成一定角度的缺陷，如焊缝、管材、锻件的探伤。,,2.5.3 斜探头主要结构,横波斜探头与直探头的主要区别： 1）多透声斜楔：实现波型转换，使工件中只存在折射横波特点：纵波声速小于工件纵波声速衰减系数适当耐磨宜加工加工吸声槽，减少反射杂波 2）少保护膜晶片不与工件直接接触,,2.5.4横波斜探头的标称方式,1.纵波入射角标称30 ，45 等 2.横波折射角标称45 60 70等 3.横波折射角的正切值K标称k=1,1.5,2,2.5,3等,,2.6 双晶探头,1.类型：一个发射/一个接收 双晶纵波 双晶横波 2.特点：灵敏度高；杂波少盲区小近场长度小（延迟块的采用）探测范围可调 主要用于
7、探伤近表面缺陷。制作成本高，覆盖深度有限。,,2.6.3 双晶探头结构,,2.7聚焦探头,1.类型：点聚焦，线聚焦/水浸聚焦，接触聚焦 2.特点： 点聚焦：灵敏度高，分辨力高；但覆盖范围小； 线聚焦：灵敏度高，覆盖范围略大。,,2.8超声探头的型号,基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征MHz 元素缩写符号 mm 拼音缩写 K，MM (1) 直探头型号举例2.5B20Z(2.5MHz,钛酸钡晶片，直径20mm，直探头） (2)斜探头型号举例5P86K1(5MHz,锆钛酸铅晶片，86mm，斜探头，K=1）,,3试块,3.1 定义：超声检测中，特定材料设计制作的有专门用途的试样。 3.2主要
8、用途：1）测试仪器和探头性能2）调节扫描速度和灵敏度3）判定缺陷大小4）测定材料声学性质（声速，衰减等）,,3.3试块分类,1.来历(1)标准试块（STB）如IIW和IIW2试块 (2)参考试块/对比试块（RB） 各部门依据具体检测对象的探伤需要制定的试块。如CS-I，CSK-IIA,,3.3试块分类,2.反射体(1)平底孔试块(2)横孔试块(RB-3) (3)槽形试块（矩形槽，V形槽，U形槽）(4)自然缺陷试块,,3.3试块分类,4.用途(1)钢管试块(2)钢板试块(CB-II5平底孔）(3)焊缝试块(4)叶根试块,钢、铝压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块,,3.4常用试块,1.IIW试
9、块（国际焊接协会/荷兰/船形）(1)材质：20g(2)用途 测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围调节扫描速度和范围测定直探头与仪器的分辨力、盲区、最大穿透能力测定斜探头的入射点、折射角（K值）、声束偏斜。,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。,,3.4常用试块,2.CSK-IA(1)台阶孔(2)阶梯圆弧 (3)折射角改为K值(4)材质一般同工件,CSK-IA 试块,A.4 CSK-IB 试块,,3.4常用试块,3.IIW2测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围 调节扫描速度和范围 测定斜探头的入射点、折射角（K值） 调节灵敏度,A.4
10、CSK-IB 试块,,3.4常用试块,4.半圆试块（中心切槽/不切槽） 测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围 调节扫描速度和范围 测定斜探头的入射点 调节灵敏度,A.4 CSK-IB 试块,,3.4常用试块,5.CS-1(26)，CS-2(66)试块 （平底孔试块） 仪器的水平线性、垂直线性、动态范围 测定平底孔AVG 调节灵敏度，缺陷定量定位 测定直探头与仪器组合性能,A.4 CSK-IB 试块,,3.4常用试块,6.CSK-A，CSK-A,CSK-A 焊缝超声探伤用横孔试块 材质与工件相同或相近。 适用的厚度范围不同 （8-120mm；120mm以上）,A.4 CSK-IB 试块,,3.
11、4常用试块,7.RB试块（GB11345-89） 焊缝超声探伤用3横孔试块 材质与工件相同或相近。 RB-1 RB-2 RB-3,A.4 CSK-IB 试块,,3.5试块的要求与维护,1.标准试块、对比试块的要求 形状要求：小，轻，宜加工，携带，适用； 材质要求：均匀，无杂质，无影响使用的缺陷；标准试块具有广泛的代表性；对比试块材料声学特性应尽可能与工件一致。 精度要求：平行度/垂直度/尺寸公差 粗糙度：标准试块/对比试块,A.4 CSK-IB 试块,,3.5试块的要求与维护,2.试块的维护 1）编号登记管理； 2）使用、运输中注意保护； 3）防锈的问题； 4）使用时，清除反射体内的油污； 5
12、）妥善保管，防止重压和火烤，防止变形。,A.4 CSK-IB 试块,,3.5试块的要求与维护,2.试块的维护 1）编号登记管理； 2）使用、运输中注意保护； 3）防锈的问题； 4）使用时，清除反射体内的油污； 5）妥善保管，防止重压和火烤，防止变形。,A.4 CSK-IB 试块,,3.6常用耦合剂及要求,1.耦合 耦合的好坏影响超声能量传入工件的高低。 2.耦合剂的作用 (1)排出空气 (2)减小摩擦，便于操作 (3)保护探头,A.4 CSK-IB 试块,,3.6常用耦合剂及要求,3.常用耦合剂的要求 (1)润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，不难清洗； (2)声阻抗高，透声性好；
13、(3)来源广，价格便宜； (4)对工件、人体、环境无害； (5)性能稳定，容易保存。 常用耦合剂 (1)水 (2)甘油 (3)机油 (4)化学浆糊,A.4 CSK-IB 试块,,3.6常用耦合剂及要求,3.常用耦合剂的要求 (1)润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，不难清洗； (2)声阻抗高，透声性好； (3)来源广，价格便宜； (4)对工件、人体、环境无害； (5)性能稳定，容易保存。 常用耦合剂 (1)水 (2)甘油 (3)机油 (4)化学浆糊,A.4 CSK-IB 试块,,4仪器和探头性能及测试,4.1仪器的性能 1)垂直线性；仪器的垂直线性是指仪器屏幕上的波高与探头接收的信号
14、之间成正比的程度。垂直线性的好坏影响缺陷定量精度。垂直线性误差5% （JB4730-2005）,A.4 CSK-IB 试块,,4.1仪器的性能,2)水平线性仪器水平线性是指仪器屏幕上时基线显示的水平刻度值与实际声程之间成正比的程度，或者说是屏幕上多次底波等距离的程度。仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位。 水平线性误差1% （JB4730-2005） 3)动态范围动态范围是指仪器屏幕容纳信号大小的能力。一般不得小于26dB。,A.4 CSK-IB 试块,,4.2探头的性能,1)斜探头的入射点和前沿距离 斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头
15、的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定探头的K值。,A.4 CSK-IB 试块,,4.2探头的性能,2）斜探头K值和折射角斜探头K值是指被探工件中横波折射角的正切值。（注意测定斜探头的K值或折射角也应在近场区以外进行。）,A.4 CSK-IB 试块,,4.2探头的性能,3）探头主声束偏离和双峰探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度称为主声束的偏离。平行移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。探头主声束偏离和双峰，将会影响对缺陷的定位和判别。,A.4 CSK-IB 试块,,4.2探头的性能,探头声束特性 探头声束特性是指探头发射声束的扩散情况，常用轴线上声
16、压下降6dB时探头移动距离（即某处的声束宽度）来表示。,A.4 CSK-IB 试块,,4.2综合性能,1.灵敏度余量a)灵敏度一般是指整个探伤系统（仪器和探头）发现最小缺陷的能力。发现缺陷愈小，灵敏度就愈高。b)仪器和探头的灵敏度常用灵敏度余量来衡量。c)灵敏度余量，又叫仪器与探头的综合灵敏度；是指仪器最大输出时（增益、发射强度最大，衰减和抑制为0），使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量。d)灵敏度余量大，说明仪器与探头的灵敏度高。在达到所探工件的最大检测声程时，其有效灵敏度余量应不小于10dB。,A.4 CSK-IB 试块,,4.2综合性能,2.盲区和始脉冲宽度 盲区是指规定的探伤灵敏
17、度下，从探测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。盲区与仪器的阻塞和始波宽度有关。 始波宽度是指在一定的灵敏度下，屏幕上高度超过垂直幅度20时的始波延续长度。始波宽度与灵敏度有关，灵敏度高，始波宽度大。始波宽度大，盲区大。,A.4 CSK-IB 试块,对于频率为5MHz的探头，宽度不大于10mm； 对于频率为2.5MHz的探头，宽度不大于15mm。,,4.2综合性能,3.分辨力和信噪比 分辨力是指在屏幕上区分相邻两缺陷的能力。能区分的相邻两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。直探头的远场分辨力应不小于30dB，斜探头的远场分辨力应不小于6dB。 信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。信噪比高，杂波少，对探伤有利。信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法进行探伤。,A.4 CSK-IB 试块,
