第6章超声波探伤设备简介

居里温度TC较高，声阻抗Z适当。
二、超声波探头的组成结构
压电换能器探头由压电晶片、阻尼块、接头、 电缆线、保护膜和外壳组成。斜探头有一个使 晶片与入射面成一定角度的斜楔块。
1. 压电晶片 接收和发射超声波，实现电声换能。晶片性能
决定探头性能。
晶片的尺寸和频率决定发射声场的强度、距离 波幅特性和指向性。晶片制作质量关系到探头 的声场对称型、分辨力、信噪比等特性。 单晶材料 压电晶片 多晶陶瓷材料 钛酸钡、钛酸铝等 石英、硫酸锂等
轨道铺筑与探伤检测
第六章 超声波探伤设备简介
钢轨超声波探伤的历史和现状
1954年10月铁道部引进瑞士生产的共振 式探伤仪用于钢轨探伤，这是我国铁路 钢轨超声波探伤的开始。 1972年两通道钢轨探伤仪JGT－2问世； 1983年上海超声波仪器厂生产的JGT－3 钢轨探伤仪具有四个通道，具有反射和 穿透式检测功能。 随着科技的不断发展，相继推出了JGT－5、 CT－1、SB－1C、GTS－2、JGT－5DSS、 BJGT－6等钢轨探伤仪；1996年，上海皓天 超声电子有限公司研制出了JDT-6B/A型6通 道仪器，第一次把微机技术应用于探伤，实 现了局部智能化。 1993年我国引进了美国PJT公司生产的 SYS－1000大型钢轨探伤车，从而使得我 国的钢轨探伤工作从单一的小仪器探伤 发展到大小仪器互补进行钢轨探伤的局 面，目前广州、上海地铁均已采用互补 模式，
的特殊性（工字型），此方法一般不应用于钢
轨探伤中。
C型显示
该方式可形象地显示工件内部缺陷的平面投影 图像，若以各点的亮度代表回波传播时间，则 也可得到缺陷深度分布。
二、超声波探伤仪的工作原理
模拟式
模拟波形显示，旋扭控制 ，波形刻度读出。
A型显示脉冲反射式 超声波探伤仪自身 数字式 数字Hale Waihona Puke Baidu形显示，数字参数 控制，波形数字读出。
工作原理
晶片，激励晶片产生超声波脉冲。超声波透过耦 合剂射入工件，遇工件界面或缺陷即产生反射回
波，又由探头接收转变成电脉冲输入高频放大器
，经检波电路再由视频放大电路进一步放大后加 到示波管的垂直偏转板上。
这时荧光屏上的亮点不仅在水平线上按时间作线 性移动，而且受到垂直偏转板上的电压影响作垂
直运动，由此产生一幅与探头接收到的超声波传
扫描电路
扫描电路
3.扫描电路（时基电路） 作用：产生锯齿波电压，施加到示波管水平偏转 板上，使显示管荧光屏上的光点沿水平方向从左 向右作等速移动，产生一条水平扫描时基线。 测量范围（声速）粗调和细调：改变屏幕上显示 的时间（距离）范围的大小，实质是调节扫描速 度（锯齿波的斜率）。 延迟：调节屏幕上显示的时间范围的起点，即时 基电路触发的延迟时间，从而改变扫描起点。 探伤时，可根据被检工件的厚度选择适当的探测 范围，使荧光屏水平轴每刻度代表一定的距离， 从而达到确定缺陷位置的目的。
压电换能器 压电晶片—探头的关键部件 磁致伸缩换能器 超声换能器的种类 电磁声换能器 激光换能器
压电晶片作用：将电能转换成声能，并将声能转
换成电能。
正压电效应（声能→电能）：某些晶体材料在交 变拉压应力的作用下，产生交变电场的效应； 逆压电效应（电能→声能）：当晶体材料在交变 电场作用下，产生伸缩变形的效应。
2.阻尼块和吸声材料 与晶片或楔块组合具有较高阻尼效率的块状物 体称为阻尼块。阻尼块由环氧树脂和钨粉等按
一定比例配成的阻尼材料，对压电晶片的惯性
振动起阻尼作用，减少脉冲宽度和杂信号的干 扰，提高分辨力；吸收晶片向背面发射的超声 波；对晶片起支承作用。
3.保护膜 保护压电晶片不致磨损和损坏。有硬质保护膜 （如陶瓷、金属片等）和软质保护膜（如有机
接收电路
三、超声波探伤仪的主要性能 根据铁道部技术标准《A型脉冲反射式超声波探 伤仪通用技术条件》（JB/T 10061-1999）规定 ，超声波通用探伤仪需具备以下主要性能： 水平线性：探伤仪荧光屏时间或距离轴线上显 示的信号与输入接收信号成正比关系的程度。按 标准其误差不大于2%。 垂直线性：探伤仪荧光屏上显示信号幅度与输 入接收器的信号幅度成正比关系的程度。按标准 其误差不大于8%。 动态范围：在增益调节不变时，探伤仪荧光屏 上能分辨的最大与最小反射面积波高之比，即反 射波高从100%到消失所需要的衰减量。按标准不 小于26dB。
4.机电耦合系数 K: 表示压电材料机械能（声能） 与电能之间的转换效率。
转换的能量 K 输入的能量
正压电效应：
转换的电能 K 输入的机械能
逆压电效应：
转换的机械能 K 输入的电能
（声能→电能）
（电能→声能）
5.机械品质因子θm：压电晶片在谐振时储存的 机械能与在一个周期内损耗的能量之比。
主要性能
灵敏度余量：在超声探伤系统中，以一定电平 表示的标准缺陷探测灵敏度与最大探测灵敏度之 间的差值，其含义是仪器和探头组合检测最小缺 陷的能力。 分辨力：超声探伤系统能够区分横向、纵向或
主要性能
深度方向相距最近的一定大小的两个相邻缺陷的 能力。 盲区：在一定的探伤灵敏度下，从探测面到最
近可探缺陷在被检工件中的深度。 电噪声电平：荧光屏上电噪声平均幅度在垂直 刻度上的百分比。
查工件缺陷的电子仪器。它的作用是产生电振
荡并加于探头晶片，激励晶片发射超声波；同 时将探头接收的信号进行放大，通过一定的形 式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷 及缺陷位置和大小等信息。
通常所说的超声波探伤仪，就是指A型显示的 脉冲反射式探伤仪。它是以水平基线（X轴）
表示超声波传播的时间或距离，用垂直基线
工作原理
播时间和回波强度相对应的图形，从而在扫描线 的相应位置上显示缺陷的深度和大小。此外，具 有报警和深度补偿功能的一起，也受到同步脉冲 的控制，产生报警和进行深度补偿。
1.同步电路（触发电路） 作用：产生数十～数千赫兹(Hz)的同步脉冲，作 为发射电路、扫描电路以及其他辅助电路的触发 脉冲，使各电路在时间上协调一致工作。 重复频率：每秒钟内发射同步脉冲的次数。
玻璃、聚氨酯薄膜、尼龙等）。硬质保护膜虽
然耐磨，但耦合条件要求高，透声性能差；软 质保护膜一般比硬质保护膜的透声性能高3~5倍 ，且具有良好的耦合条件。因此对探测面关洁 度较差的工件多使用软质保护膜，钢轨探伤使
B型显示
该方式可以直观地显示出被探工件任一纵截面 上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。
C型显示是将探头接收到的缺陷信号以亮点和 暗点方式来绘制出缺陷的水平投影图，从而确
定缺陷位置和大小的超声信息显示方法。荧光
屏显示的是被检工件的投影图，黑白显示不能
C型显示
表示出缺陷的埋藏深度，彩色显示借助门脉冲 将深度分成不同色阶，用不同颜色表示不同深 度，则可估算缺陷的大约深度。由于钢轨结构
压电效应：正、逆压电效应的统称。
压电材料：具有压电效应的单晶和多晶材料。多 晶材料又称压电陶瓷。
压电材料的主要性能参数 1.压电应变常数d33：在压电晶体上施加单位电压 时产生的应变大小。
衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。
2.压电电压常数 g33：作用在压电晶体上单位应力 所产生的电压梯度大小。 衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。 3.介电常数ε：介质的介电性质。
这是一种能够显示被检工件横截面的图像
，指示反射体大致尺寸及其相对位置的超
声信息显示方法。荧光屏上横坐标代表探 头移动距离，纵坐标代表超声波传播时间
B型显示
（或距离）。基线随着探头的移动和回波 时间的变化而变化，可以直观了解探头移
动下方横截面的缺陷分布和离探测面的深
度，获得探头扫查方向工件及缺陷的正投 影图。
第二节 超声波探头
一、超声波探头的工作原理 探头：以超声换能器为主要元件组装成具有一 定特性的超声发射、接收器件。超声波探头是
组成超声检测系统的最重要的组件之一。探头
的性能直接影响超声检测的能力和效果。 超声换能器：将其他形式能量转换成超音频振 动形式能量的器件可用来发射超声波，具有可 逆效应时又可用来接收超声波。
（Y轴）表示缺陷回波大小（幅度）的一种信
A型显示
号显示方式。对同一均匀介质而言，由于超 声波传播时间与缺陷的埋藏深度成正比，因 此可以根据缺陷回波在示波屏水平线上的位
置确定缺陷的深度，用回波幅度的高低来衡
量缺陷的大小。
A型显示
A型显示的缺点：难 以判断缺陷的几何形 状，缺乏直观性。 A型显示具有检波和 非检波两种形式。
E储 m E损
6.频率常数Nt：压电晶片的厚度与固有频率的乘 积。 7.居里温度TC：使压电材料的压电效应消失的温
度。
机电耦合系数K较大，以便获得较高的转换效率。 机械品质因子θm较小，以便获得较高的分辨率和
较小的盲区。
压电应变常数d33和压电电压常数 g33较大，以便获 得较高的发射灵敏度和接收灵敏度。 频率常数Nt较大，介电常数ε较小，以便获得较高 的频率。
发展形成三种形态
模拟波形显示，旋 扭控制，部分参数 数字输入，波形数 字读出。
数字模拟组合式
A型显示脉冲反射式模拟式超声波探伤仪一般由同 步电路、发射电路、扫描电路、接收电路、显示
电路、电源电路、探头和辅助单元（报警和深度
补偿）等组成。
同步电路是探伤仪的指挥中心。由其产生的周期
性同步脉冲信号，一路输给扫描电路产生线性良 好的锯齿波，经示波管水平偏转板在荧光屏上产 生一条水平扫描基线；另一路触发发射电路产生 一个持续时间很短的高频电脉冲至探头内的压电
同步电路
重复频率的选择：视被检工件厚度进行调节。厚 度大，使用较低的重复频率；厚度小，可使用较 高的重复频率。
幻象波：高重复频率使两次脉冲间隔时间变短， 使未充分衰减的多次反射进入下一周期，形成的 波形。
2.扫描电路（时基电路） 作用：产生锯齿波电压，施加到示波管水平偏转 板上，使显示管荧光屏上的光点沿水平方向从左 向右作等速移动，产生一条水平扫描时基线。 时基线调节： 测量范围（声速）粗调和细调：改变屏幕上显示 的时间（距离）范围的大小，实质是调节扫描速 度（锯齿波的斜率）。 延迟：调节屏幕上显示的时间范围的起点，即时 基电路触发的延迟时间。将同步信号延迟一段时 间后触发扫描电路，使扫描延迟一段时间开始。
4.发射电路
作用：电脉冲信号发生器，产生高压电脉冲施 加到压电晶片上产生脉冲超声波。 电路形式有以下两种：
发射电路
调谐式：电路谐振频率由电路中的电感、电容 决定，发出的超声波脉冲频带较窄。谐振频率 调谐到与探头的固有频率相一致。
非调谐式：发射一短脉冲（尖脉冲或方波），
脉冲频带较宽，可适应不同频带范围的探头。
比较；将超出显示器幅度范围的过大信号衰
减到显示器可显示的幅度。 高频放大电路：将衰减器输出的射频信号进
接收电路
行放大。 检波电路：将探头接收到的射频信号转换成
视频信号，以检波的形式显示。
抑制电路：用于将幅度较小的一部分信号截去， 不在显示屏上显示。使用抑制时，仪器的垂直线 性和动态范围均会下降。目的是为了减少杂波。 阻塞：在使用收发并用的单晶片探头以脉冲反射 法进行检测时，很高的发射脉冲在激励探头晶片 的同时也直接进入接收电路，形成始波。由于发 射脉冲电压很高，在短时间内放大器的放大量会 降低，甚至没有放大作用。 盲区：由于发射脉冲自身宽度和放大器的阻塞现 象，在靠近始波的一段时间范围内，所要求发现 的缺陷往往不能发现。这段时间所对应的入射面 进入试件的深度距离，称为盲区。
1957年北京BC13和武汉GTS－1手杖式钢 轨探伤仪问世，标志着我国钢轨探伤仪 的研制、开发、探伤模式的研究，进入 一个新的里程。
1969年初，上海无线电22厂研制生产了 我国首台A型显示脉冲反射式钢轨探伤 仪（JGT－1），使我国钢轨超声波探伤 跃上了一个新的台阶。
第一节 超声波探伤仪
一、超声波探伤仪的显示方式 超声波探伤仪是利用超声波反射或透射原理检
5.接收电路 将来自探头的微弱回波电信号进行多级放大、检 波后输至显示电路（在示波屏在显示）。接收电 路性能直接影响探伤仪的垂直线性、动态范围、
接收电路
探伤灵敏度余量、分辨率等技术指标。 组成：衰减器、高频放大器、检波器和视频放大 器等。
接收电路及其波形
衰减器：对信号幅度定量调节，给出不同信 号幅度差的精确读数，用于不同信号幅度的