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超聲波探頭

 
      
 
 

 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。
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

(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*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 = f T = 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

(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

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)靈敏度和缺陷大小;
  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DIN54521……

2.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);
  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

  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DIN54521……

2.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);
  2. 用途較IIW少

3.CSK-IA試塊:中國(guó)的改型試塊

  1. CSK-IA試塊的主要用途:

① R50、R100圓弧:
-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;
⑤ φ50孔:盲區(qū)測(cè)定。
4.CS-1和CS-2

  1. 1986年通過(guò),CS-1全套26塊,CS-2全套66塊;
  2. 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。
注:鑄鋼件試塊與此形狀相同、尺寸不同
5.CSK-IIA / CSK-IIIA
6.RB-1、RB-2、RB-3
7. 鋼板試塊
8. 半圓試塊
9. 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%

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:0.8
δ=------×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,????? 恒定壓力壓住;
(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**填入表中,直到底波消失;

上表中:


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*大正偏差
d2--實(shí)測(cè)值與理想值的*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

  1. 《ZB Y230--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

  1. 探頭對(duì)準(zhǔn)200 / Φ2平底孔;
  2. [抑制]:0;[發(fā)射強(qiáng)度] [增益]:*大;
  3. 調(diào)[衰減器]使Φ2孔*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

  1. 探頭對(duì)準(zhǔn)IIW試塊R100園弧面;
  2. [抑制]:0; [發(fā)射強(qiáng)度] [增益]:*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;
  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);

斜探頭的靈敏度余量要求≥40dB

七、探頭盲區(qū)測(cè)定
1 概念

  1. 盲區(qū)是指從探測(cè)面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷處的*小距離,即始脈沖寬度覆蓋區(qū)的距離。
  2. 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。

2 測(cè)定方法
方法(1):

  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。
  2. 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*小深度為盲區(qū)。

方法(2):

  1. 用IIW試塊估算
  2. 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。
  3. 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。

八 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

  1. 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;
  2. 若A、B、C不能分開(kāi),先將A、B等高,并取a1、b1值

求: a1
X=20 lg---- (dB)
b1
然后用[衰減器]使B、C等高,取相應(yīng)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、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:

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

  1. 平行移動(dòng)探頭,使B、C等高則分辨率:

h3
Y=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*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)探頭前端點(diǎn),差值即為前沿。

二、斜探頭K值測(cè)試

  1. 如圖,斜探頭分別入射到試塊的二個(gè)圓上,左右移動(dòng)探頭找到*大反射回波;探頭入射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刻度即K
  2. 探頭K值的選擇原則:

(1)聲束掃查到整個(gè)焊縫截面;
(2)聲束盡量垂直于主要缺陷;
(3)有足夠的靈敏度和信噪比;
(4)有利于防止出現(xiàn)偽缺陷波。

十一、聲束偏轉(zhuǎn)角測(cè)定

  1. 概念:主聲束中心線與聲軸間的夾角稱為聲軸偏轉(zhuǎn)角。
  2. 測(cè)定:探頭置于試塊面上,旋轉(zhuǎn)移動(dòng)找到*大回波,測(cè)定探頭中心線與試塊上表面垂線間的夾角。

錄象:入射點(diǎn)、前沿、斜探頭K值測(cè)試



 



 

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