超声波检测技术的实验原理和方法

实验超声波检测

一、实验目的

1、了解超声波检测的基本原理和方法；

2、了解超声波检测的特点和适用范围；

3、掌握斜探头横波探伤的距离－波幅（DAC）曲线制作方法。

二、实验设备器材

1、ZXUD-40E型智能超声波探伤仪

ZXUD-40E型数字式超声波探伤仪是小型化的便携式超声波探伤仪器，特别适用于材料缺陷的评估和定位、壁厚测量等，适合各种大型工件和高分辨率测量的要求。

⑴仪器外观如图9-1所示：

图9-1 仪器外观

当连接仅带有一个超声晶片的探头（自发自收）时，可以任意插入一个仪器上的探头连接器。

当连接带有双超声晶片的探头（一个为发射晶片，一个为接收晶片）或连接两个探头（一个发射探头，一个接收探头）时，必须注意：发射的一端接入左边一个探头连接器插孔，接收的一端接入右边一个探头连接器插孔，如图9-1所示。

⑶键盘及其功能

图9-2ZXUD-40E的薄膜键盘按键排列

仪器包含27个按键。这些按键分成5大类：电源键、方向键、功能菜单键、子菜单键和功能热键。关于各按键的具体功能概述，参见表9-1。

表9-1各按键的具体功能概述

⑷参数设置规程

参数设置可通过以下两种规程来完成。

有些参数设置仅遵照“方向键增减调节规程”，比如：探头类型、声程跨距等；有些参数设置又仅遵照“直接数字输入规程”，比如：探头频率、探头规格等；还有些参数设置可遵照两种规程，比如：检测范围、零位偏移等。

⑸方向键增减调节规程

可按下或来增减参数设置。

⑹直接数字输入规程

对于垂直菜单探伤通道设置，按下进入探伤通道设置状态，再次按下则进入直接数字输入状态；对于水平菜单，按下子菜单键选中子菜单项，再次按下子菜单键则也进入直接数字输入状态。

一旦进入直接数字输入状态，将在菜单项上出现闪烁光标，等待用户直接输入数字。

在输入的过程中，若发现先前输入的数字错误，可按下使得光标回退，删除刚才输入的错误数字。输入完成之后，用户可按下来接受输入，也可按下

来取消输入（对于水平菜单项，也可再次按下子菜单键取消输入）。

⑺电源

电源键为仪器电源开关。

2、超声波横波斜探头

在超声波检测中，超声波探头将电能转换成超声能（产生超声波），发射出去，同时也能将接受到的超声波转换成电能，通过连接导线传递到探伤仪中。由于超声波探头在检测过程中起到一个能量转换的作用，因此，超声波探头也称为超声换能器或电声换能器。横波斜探头上常标有该探头的工作频率、晶片尺寸和K值。

1.吸声材料

2.斜楔

3.阻尼块

4.外壳

5.电缆线

6.压电晶片

图9-3斜探头结构

3、试块

按一定用途设计制作的具有简单几何形状的人工反射体的试样称为试块。试块和仪器。探头一样是超声波检测中的重要工具，其主要作用有：确定检测灵敏度、测试仪器和探头的组合性能、调整扫描速度（即显示屏上的水平刻度与实际声程之间的比例关系）、评判缺陷大小、以及测量材料声速、衰减性能等。

试块可以是按照各种标准制作的标准试块，也可以是自己按照实际需要制作的对比试块。本次实验使用的CKS－℃A试块和CKS－℃A试块属于标准试块。其尺寸结构分别如图9-4、图9-5所示。

4、耦合剂

由于超声波在空气界面100％反射，不能穿透到工件中去进行检测，因此，必须借助探头与工件表面之间涂敷的液体，排除空气间歇，以实现声能的传递，这种液体称为耦合剂。常用的耦合剂有水、甘油、水玻璃和机油。本实验采用机油。

图9-4CKS－℃A试块

图9-5 CKS －℃A 试块

三、实验原理

由于超声波不同的检测方法在检测原理上略有区别，在此我们以直探头探伤来说明其脉冲反射法原理。如图9-6所示：

图9-6 超声波检测脉冲反射法原理

超声波探伤仪发射一定频率的电信号，通过探头中的压电晶片转换成超声波，经过耦合剂透射进入被检测工件中，超声波在工件中进行传播，如果没有缺陷，则被工件底面反射到探头当中，探头再将接受到的信号转换成电信号传递到探伤仪中，经过滤波和放大等处理，在显示屏上形成底面回波。由于该波经过了二倍工件厚度的路程，因此底波和发射波在显示屏的水平方向有一段距离。如果在工件内部存在缺陷，那么透射进入工件的超声波在缺陷位置发生反射，该反射波同样经过探头进入探伤仪中，在显示屏上形成回波。由于缺陷位置在工件中，因此该回波所经历的路程比底面回波所经历的路程要短，则该回波在显示屏水平方向上的位置就位于发射波和底波之间。因此通过回波在显示屏水平方向上的位置就可以判断工件内部是否存在缺陷；通过回波的高度就可以判断缺陷的大小；通过移动探头就可以得到缺陷的面积或长度。这就是超声波检测脉冲反射法的基本原理。

四、实验步骤

假使探访条件和要求如下：

1．工件：30mm 厚的钢板焊缝 2．探头：单探头

3．试块：CSKIA ，CSKIIIA 4．DAC 法

其余

缺陷波

发射波底波

（1）DAC点数：5（10、20、30、40、50）

（2）判废线偏移量：+5 dB

（3）定量线偏移量：-3 dB

（4）测长线偏移量：-9 dB

实现步骤如下：

1．将探头与仪器连接，开启仪器电源开关，使仪器处于正常工作状态。

2．探头参数设置

如下图所示：

图9-7探头参数设置菜单

探头类型：探头的入射类型，直探头还是斜探头。

探头K值/角度：K值为探头入射角的正切值（仅用于斜探头）。

探头前沿：从探头的声束入射零点到探头外壳前表面的距离（仅用于斜探头）。

探头频率：探头的信号频率。

探头规格：探头的晶片尺寸。

3．自动校准

超声波探伤前必须将相关的探头、试块组合进行校准，用来保证测量计算的精度，以满足探伤条件的基本准备。

（1）校零位偏移（简称：校零偏）

为了对被检测缺陷精确定位，在检测前应先作距离校准，以保证测量计算时探头入射波处在被检工件的界面零点。

按下功能菜单键，将展开“自动校准”水平菜单。按下子菜单键，选择“校零偏”。校零位偏移时的水平菜单如图9-8所示。

图9-8校零位偏移时的水平菜单

校零位偏移之前，必须完成下面列举的准备工作：

1）重复频率设置为60Hz

2）设置正确的收发模式

3）数字抑制设置为零

4）将探头放置在CSK-IA试块上,放置方式如下所述：

斜探头校零位偏移时，是利用CSK-IA标准试块的双圆弧面为标准参考（圆半径为R50/R100），如下图9-9所示。

校零位偏移的操作描述如下：