超声波探伤仪、探头及试块

第二章 超声波探伤仪、探头及试块

第一节 超声波探伤仪

一、超声波探伤仪的种类和A 型探伤仪工作原理

1. 超声波探伤仪的分类和A 型探伤仪特点

超声波探伤仪种类繁多、分类方法不一。常见的分类方法如下：

在脉冲反射式超声波探伤仪中，以A 型显示、单通道工作的携带式探作仪应用最为广泛，它常作为造船、石油、化工、机械、冶金、铁道和国防工业部门产品和设备现场探伤的重要工具。归纳起来，它有以下特点：

(1) A 型显示屏以横坐标(时间轴)刻度表示超声往复传播时间(传播距离)，纵座标表示脉冲回波高度，该高度与反射体返回声压成正比。

(2) 可用单探头(或双探头)进行探伤，以单通道方式工作。

(3) 对缺陷定位准确，发现微小缺陷的能力(灵敏度)较高。

(4) 在声束复盖区域内，可同时显示不同声程上的多个缺陷；对相邻缺陷有一定分辨能力。

(5) 适用性较广，配以不同探头可对工件作纵波、横波、表面波、板波等探伤。

(6) 一般来说，设备轻便、便于携带和现场使用。

(7) 只能以回波高低来表示反射体的反射量，因而缺陷量值显示不直观、探伤结果不连续，且不易记录和存档。

按声源能动性分(缺

陷是否为

能动声源)

能动声源探伤仪(缺陷为能动声源如声发射) 被动声源探伤仪(缺陷为被动声源) 按发射波连续性分

连续波探伤仪 脉冲波探伤仪

一般连续波探伤仪 共振式探伤仪 调频式探伤仪 按缺陷显示方式分 A 型显示探伤仪 B 型显示探伤仪 C 型显示探伤仪 直接成像 按声通道分 按发射脉冲频带范围分 单通道探伤仪 多通道探伤仪 窄频带探伤仪 宽频带探伤仪

(8) 结果判断受人为因素影响较多，故对操作者技术水平要求较高。

本节主要介绍单通道工作的A 型脉冲反射式超声波探伤仪(以下简称超声波探伤仪)的一般工作原理、基本组成、性能测试和使用方面的知识。

2. 超声探伤仪的一般工作原理和基本组成

超声探伤仪的工作原理类似于无线电雷达，因此，它有固体雷达之称号。图2–1为该类探伤仪最简单的电路方框图。

图2–1 超声探伤仪电路方框图 由图可知，它主要是由同步电路、时基电路(即扫描电路)、发射

电路、接收放大电路四个主要电路和示波管电路、延迟电路、时标电路、电源电器以及探头等几部分组成。

主要电路的过程如下：

同步单元多 正矩形 微分 正负尖 正脉冲触发发射电路

谐振荡器 脉冲 电路 脉冲 负脉冲触发扫描电路 →电缆、探头→超声波→工件中反射体→超声波→电缆、探头→接收放大电路→示波屏Y 偏转板→锯齿波电压→示波屏X 偏转板→从左到右扫描

四个主要电路作用如下：

(1) 同步电路

同步电路是超声探伤仪的心脏和指挥中心，它有多谐振荡器产生周期性的矩形同步脉冲，经微分电路后变为正负尖脉冲，触发闸流管后同时控制发射电路、时基电路、时标电路等部门进行步调一致的工作。同步脉冲是一个周期变化的非连续波，它在每秒种内出现的次数就是同步电路每秒钟的工作次数或同步脉冲的重复频率；也是发射电路扫描电路每秒钟的工作次数，因而就是探伤仪的重复频率。

(2) 发射电路

发射电路在同步电路产生的正触发脉冲作用下，在极短的时间内产生数个上升时间短、脉冲窄、幅度大的高频电脉冲，通过探头电缆将脉冲电压加到探头晶片上，经电声转换，使晶片产生高频机械振动，

→发射脉冲→ →闸流管 → → →

将激发的超声波通过耦合传入工件，自工件中反射体(界面B 或缺陷F)返回的超声能量(或声压)再由晶片转换成电能，传入接收放大电路。

发射电路在一个同步脉冲触发下产生的发射脉冲个数(一般为十几个)，与此间发射电路工作时间之比，就是发射脉冲的频率，也是晶片高频机械振荡的频率——超声波发射频率。发射脉冲包含的频率较为丰富，它有一定的频带宽度，控制发射脉冲幅度的高低就能控制超声波发射强度的强弱。探伤仪面板上的发射强度旋钮，就是起这种控制作用的。

(3) 时基电路(扫描电路)

时基电路在同步电路产生的负触发脉冲(同步于正触发脉冲)的作用下产生一定斜度的锯齿波电压，使示波管X 方向偏转板控制的电子束沿水平方向自左至右地匀速扫描，示波屏水平轴上就得到一条明亮的时基线(也叫时间轴或水平扫描线)。扫描光点的位移速度与加在X 方向偏转板上锯齿波电压有关；因此，控制锯齿波电压的斜率就可以控制扫描速度，达到调节探测范围(即时间轴比例)的目的。仪器探测范围的调节由粗调、细调(也叫声速调节)旋钮来完成。时基电路每秒钟内的工作次数决定于同步脉冲的触发次数；所以，示波管荧光屏上图像在每秒钟内显示次数与同步脉冲的重复频率是一致的。

(4) 接收放大电路

接收放大电路包括高频放大器、衰减器、检波器、视频放大器、滤波器和深度补偿电路等。接收放大电路的主要作用是将一个微弱的回波信号电压(一般为mV 数量级)经数级放大器放大到Y 方向偏转板上可显示的工作电压(一般为数十伏)，从而使工件中较小的反射体回波也能得到一定的幅度显示。接收放大电路中起关键作用的部分是放大器，它有以下几个主要指标衡量其性能好坏。

放大倍数 放大倍数通常用信号电压的相对放大量(即增益dB)表示：

f g

U U lg 20)dB (K (2–1)

式中：U f 表示输入信号电压，也是反射体的回波信号电压；U g 表示放大器的输出信号电压，也是加在Y 方向偏转板上的工作电压。

仪器面板上具有的增益(或衰减)dB 量越大，表示仪器放大器所提供的放大倍数也越大。探伤仪以增益dB 或以衰减dB 表示时，本质上都是改变放大量。前者dB 值越大，放大倍数越大。后者dB 值越大，放大倍数越小。目前，国内仪器以衰减dB 表示居多，国外仪器以增益dB 表示居多，使用中应注意区别。

一般超声波探伤仪放大器具有80～100dB 的增益量，其放大量

受电子元件本身噪声电平的限制。

频带宽度 放大器的频带宽度直

接影响探伤仪的分辨能力。图2–2为

频带宽度定义的示意图。

图中f 0为主频率，f 1和f 2分别为