温度对超声波探头灵敏度的影响研究

温度对超声波探头灵敏度的影响研究
温度对超声波探头灵敏度的影响研究
摘要:在恒温工作台上将标准试块加热,测试不同温度下,高温探头发射/接收超声波能力的变化,以研究温度对探头压电效应的影响。

试验结果证明,高温使探头的压电效应减弱,探头发射和接收超声波的能力因此大幅降低甚至完全消失,从而制约了高温超声波检测技术的应用。

由于常规超声检测只能在10~60℃条件下应用,而石油化工等行业,有大量承压设备在高温条件下运行,常规超声检测技术无法对其进行在线检测。

因此近年来国内一些科研机构开始尝试开发高温超声检测技术,并有一些应用实例见诸报道。

温度对超声的影响表现在当温度升高时,超声波声速减小,斜探头的折射角增大,超声波在介质中传播的衰减加大。

温度的另一个重要影响是对探头晶片压电效应的影响。

压电效应与温度有关,温度升高时压电效应减弱,当达到某一温
度即居里温度时,压电效应完全消失。

在常规超声检测中,探头和工件基本没有温差,因此压电效应也是恒定不变的。

但在高温超声检测中,随着探头与工件的接触时间延长,工件的热量逐渐传入探头,导致探头温度逐渐升高,压电效应逐渐减弱甚至完全消失。

笔者在此通过试验对这一现象进行研究。

1 试验所用的设备器材
超声波检测仪采用武汉中科创新生产的hs610型数字超声波检测仪。

高温探头来自国外,两只型号分别为w45b2gv(下称探头1)和
w60b2gv(下称探头2)。

探头频率为2 mhz,最高工作温度<350℃。

按厂家的说明书,探头在温度250℃时可连续工作,>250℃时必须间歇工作,每次工作时间≤20 s。

高温耦合剂采用美国sono公司出产的so-no650和sono950型高温耦合剂,最高工作温度可达343℃和510℃。

恒温工作台由笔者设计,国内某专业厂家制造(图1)。

工作台温度可在50~500℃内连续调节,温度误差<3℃。

工作台上设计有凹槽,可将csk-ⅰa试块全部嵌入槽内加热。

2 试验方法和结果
将csk-ⅰa试块嵌入恒温工作台的槽内,先在常温下(20℃)将探头对准试块的r100 mm圆弧面,找到最高回波,调节超声波检测仪的“自动增益”按钮,使回波在仪器上的显示高度为满屏幕的80%,记下此时仪器的增益分贝数。

保持仪器的增益不变,将恒温工作台加热到不同的温度,待试块的温度与工作台的温度一致时,在试块上涂敷耦合剂,等待几秒钟后耦合剂的温度也与工作台的温度一致,再将探头对准试块的r100 mm圆弧面,找到最高回波,记录回波在仪器上的显示波高(占满屏幕的百分比)。

表1和表2分别为两个探头的试验数据。

根据表1和表2的数据绘出不同温度下探头反射波
高随时间变化的曲线见图2和3。

3 结果分析
3.1 高温时超声波衰减的情况
在高温超声波检测中,超声波在传播过程中的损失包括在探头-耦合剂-工件的界面上的耦合损失、超声波在介质内传播的衰减损失,以及由于探头压电效应减弱导致的探头发射和接收超声波效率下降的损失。

衰减损失随着温度升高而增大。

耦合界面的损失则比较复杂,对于试验所用的高温耦合剂来说,在常温下耦合剂为凝固状,耦合性能较差;随着温度升高变为液状,耦合性能变好;当温度继续升高,耦合剂中的润湿性物质挥发,耦合性能又变差。

压电效应随着温度升高而减弱,当温度达到压电晶片的居里温度时,压电效应完全消失。

试验结果反映了这三个因素的综合影响。

分析表1和表2的数据,可以看出:
(1)在20℃时,探头、工件和耦合剂的温度相同,耦合损失、衰减损失和压电效应都不会发生变化,因此反射回波波高也是恒定的。

在5 0℃时,探头在前几秒钟时间内,波高有轻微的下降,探头1从83%下降到72%,相当于下降了1.2 db;探头2从82%下降到73%,相当于下降了1.0 db。

当探头的温度升高到与试块温度相同时,波高保持恒定不再下降。

因此在50℃以下时,可无需考虑温度对探头
的影响。

(2)在探头与加热过的试块刚接触的一瞬间,可以认为试块的热量尚未传入探头,因此探头发射和接收超声波的能力与常温时相同,但这一瞬间所测得的回波波高仍有较大的差异,这个差异是由耦合损失和衰减损失共同引起的。

在50℃和100℃时,耦合改善减少的超声波损失大于衰减增加的损失,因此起始波高比常温时略微高一些。

15 0℃时则与常温时相当。

在200℃以上时,由于耦合和衰减引起的损失都在增加,因此起始波高明显下降,探头1从常温时的80% 下降到了26%,相当于衰减了9.8 db;探头2从常温时的80%下降到了20%,相当于衰减了12 db。

(3)当试块在某一恒定温度下,衰减损失是不变的;由于在试验过程中,探头是在耦合剂的温度与试块的温度一致后再放上去的,且每次试验持续的时间只有1 min左右,因此可以认为耦合剂的耦合特性也是基本不变的。

在一定温度下,回波波高时间的变化反映了温度对探头压电效应的影响。

当温度>50℃时, 温度对探头压电效应的影响非常显著。

如探头1在100℃时,波高从刚与试块接触的85%下降到4 7%后才不再下降,相当于下降了5.1 db;在150℃时,波高从刚与试块接触的80%下降到15%后才不再下降,相当于下降了14.5 db。

当温度在200℃以上时,探头与试块接触不到15 s时间,波高已下降到不可见。

探头2在100℃时,波高从刚与试块接触的84%下降到30%后才不再下降,相当于下降了8.5 db;在150℃时,波高从刚与试块接触的78%下降到10%后才不再下降,相当于下降了17.8 db。

当温度在200℃以上时,探头与试块接触不到10 s时间,波高已下降到不可见。

3.2 高温给超声检测带来的不利影响
高温下探头压电效应随温度升高而减弱的现象给超声检测带来的不利影响,表现在以下几个方面:
(1)高温探头只能在较低的温度下连续工作,当温度较高时必须间歇工作。

在超声检测中,给缺陷准确定位和定量都是以找到缺陷的最高回波为准。

但对高温超声波检测,在探头与工件短时接触的过程中,探头发射和接收超声波的能力不再是恒定的,而是随着与工件接触的时间快速下降,这样确定缺陷的最高回波变得几乎不可能,因而无法给缺陷准确定位和定量。

(2)压电效应下降使得探头发射和接收超声波的能力同时减弱,工件内的缺陷所显示的信号幅度大幅下降,一些小的缺陷将难于或无法检出。

(3)由于超声波信号快速下降,留给检测人员扫查和观察波形的时间很短,因此操作难度很大。

(4)高温损害探头的性能,即使再冷却到室温,探头发射和接收超声波的能力也不能完全恢复到原来的水平。

因此高温探头使用一定次数后,性能会下降乃至报废。

4 结语
高温下探头压电效应随温度升高而降低的现象制约了高温超声波检测技术的应用,因此必须控制探头的温度,研制一种能可靠冷却的探
头可能是高温超声波检测技术今后的发展方向。