第三章 超声波检测技术

4．时基电路 时基电路即扫描电路，由延时、扫描两部分组成。同步脉冲信号 经延迟后，再去触发扫描电路，产生锯齿波电压，加在显象管的偏 转板上，使使电子束匀速移动进行扫描，扫描光点的移动速度与锯 齿波电压幅度变化成正比，只要控制锯齿波电压的斜率，就可以改 变扫描速度，使之与超声波在介质中的传播时间相一致，从而调整 探测范围。通过延迟一段时间后再进行扫描，可以把需要仔细观测 的某一区域展现在荧光屏上，便于对缺陷波观察。
二、探伤仪的使用方法
透射法、反射法，对于连续波还有共振法等。
脉冲反射法 脉冲反射法就是根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其在时 这轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及缺陷深度。 常用的超声探伤是利用超声波入射到两种不同介质交界面上发生 反射的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号 显示在检测仪的荧光屏上。
(3)较大的动态范围。动态范围是指放大器的线性放大区，由于探伤 放大器所放大的信号幅度相差很大，因此该指标对探伤仪更为重要。 接收放大电路主要由前置放大、高频放大、检波器、视频放大、深 度补偿等部分组成，
实现A型显示的波形有两种，一是直接显示回波声压的射频信号， 二是显示检波后的射频信号的回波声压信号，不检波显示和检 波显示的波形分别如图所示。 射频全波显示能真实地反映超声波在介质中的传播情况，通 过对缺陷回波的波形、相位进行分析，有利于判断缺陷的性质。 检波视频放大显示以正向回波形式显示，波形简单．便于对缺 陷的位置、大小进行判断，从而为大多数探伤仪所采用。
第三章 超声波检测技术
• • • • • • • • 超声波检测的基础知识 超声波换能器 超声波换能器接口电路 超声无损检测 超声波物位计 超声波流量计 超声波测厚仪 超声波在其他测量方面的应用
第一节 超声波检测的wenku.baidu.com本知识
一、超声波及其特点
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根 据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波 和特超声波。一般人耳能听到的声音的频率范围在20Hz— 20KHZ 之间，频率低于 20HZ 的波称为次声波 ，而高于 20KHZ的波称为超声波。频率高于109HZ的称为特超声波。 超声波检测中常用的工作频率在0.25~20MHZ范围内。
(2)抗阻塞性。使用单探头探伤时．发射和接收电路将连在一起，因 此将有几百伏的发射信号加到放大器输入端，这使放大器在发射信 号过后的—段时间内不能正常工作．此现象称为阻塞。放大器因阻 塞不能正常放大的时间称为阻塞时间或阻塞区。如果在阻塞时间内 出现缺陷波，则缺陷波将得不到正常放大，这在实际探伤中是不允 计的。因此，在设计和检验放大器性能时，抗阻塞是—个很重要的 指标，必须把阻塞时间减小到探伤允许的范围内。
在超声波检测技术的实际应用中，为了获得较大 的输出信号，可以增大超声波发射装置的发射功率。 但是因为超声波是一种机械波，所以过强的超声波 会产生许多对测量不利的效应，这些不利的效应统 称为超声效应。
为了避免超声效应的出现．实际应用中除了根据 情况限制超声波的强度外，还可以采用高峰值的脉 冲信号。
4）高频型
第三节 超声波换能器的接口电路
一、超声波换能器的驱动电路
二、超声波换能器的接收电路
三、超声波换能器接收发送两用电路
第四节 超声无损检测
A型显示脉冲反射式超声探伤仪
A型显示脉冲反射式超声探伤仪采用按一定频率间隔发射的具 有一定持续时间的超声脉冲波，其探测结果以荧光屏显示，具有 灵敏度高、缺陷定位精度高、适应范围广的优点。
脉冲反射式超声探伤仪的同步电路按一定频率间隔发射具有一定 持续时间的触发脉冲信号，同时触发扫描电路和发射电路。扫描电 路产生的与时间成正比的锯齿被电压加到示波器水平偏转板上，形 成水平扫描线。与此向时，发射电路产生一个高频脉冲信号去激励 换能器，这个发射脉冲信号同时加至接收电路，在时基轴的始端形 成一个幅度很大的起始脉冲信号，通过逆压电效应，发射换能器将 高频电能，通过机械振动转换成声能．并耦合到被测试件中，以超 声波的形式在介质中进行传播，遇到缺陷或被测物底面时，会产生 反射。反射声波被同一换能器接收，并通过正压电效应，将声能转 换成电能，电脉冲送入仪表的接收、放大电路，将放大后的反射信 号加至示波器的垂直偏转板上，形成反射脉冲信号。
4、板波
板波亦称拉姆波，是板材特有的一种波型，它在板材厚度小 于入射波波长时产生，在一个给定的板材中可以存在三种不同偏 振的板波，一是横波，偏振方向与板表面平行，这种类型的波在 材料检测中不太重要。第二种，是—种对称型的拉姆波，在板中 心面上的质点的偏振方向与传播方向平行，如同纵波的偏振，其 他位置的质点的偏振轨迹为椭圆，第三种为非对称型的拉姆波， 板中心面上质点的偏振方向与传播方向垂直，其他位置上的质点 的偏振轨迹亦为椭园。
1）吸收衰减：介质的吸收现象。粘滞衰减。
2 ）散射衰减：是由于介质阻抗的不连续性造成的。分为两种情 况．一是材料本身的不均匀，如具有不同密度和声速的两种材料的 交界面等等：另一种是晶粒尺寸可以与超声波波长相比的粗晶粒材 料产生晶粒散射。
第二节 超声波换能器
又称为超声波探头，是完成超声波发射和接收的关键器件。可 以将其他形式的能量转换成高频声能(发射换能器)，并且也能够把 超声能量转换成其他易于检测的能量(接收换能器)。换能器按能量 转换原理，分为磁性换能器和电性换能器。磁性换能器有电动式、 电磁式、磁致伸缩式；电性换能器有压电式、电容式、电致伸缩式。
二、超声波的类型
超声波在介质中传播的波型取决于介质本身的固有特性和边界 条件、对于流体介质(空气、水等)，当超声波传播时，在介质 中只有拉伸形变而没有切变形变发生，所以只存在超声纵波； 在固态介质中，由于切变变形产生，故还存在超声横波。 1．纵波
当介质中的质点振动方向和超卢波传播方向相同时，此种超 声波为纵波波型，以L表示。任何介质，当其体积发生交替变 化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易，所以纵波 在超声波检测中得到了广泛价用。
三、超声换能器的分类
(1)按产生的波形分为纵波直探头，横波斜探头，表面波探头．板波 探头。
(2)按接触方式分为直接接触探头，水浸探头。 (3)按检测用途分为分割式联合双探头，聚焦探头，可变角探头，专 用探头等。 (4)按探头的频带宽度分为通用型，宽频带型．密封型，高频型。
1）通用型
3）密封型
2、压电材料和压电换能器 （1）压电材料、常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电 半导体、高分子压电材料等。 （2）超声换能器的结构。 压电晶片，保护膜，吸收块。
二、磁致伸缩换能器
基本原理是磁致伸缩现象。指铁磁物质置于交变的磁场中时在 沿着磁场方向产生伸缩的现象。磁致伸缩换能器就是把铁磁材料置 于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而 产生超声波。
2．横波
当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时．此种超 声波为横波波型，以T表示。以超声波入射的固体材料的界面为基 准，横波又可分为垂直偏振和水平偏振两类，即TV和TH波。 3．表面波 表面波是沿介质表面传播的一种波，在表面波的传播中，介 质表面内受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，在固体上距表面四分 之一波长深处的振幅最强，随着深度的增加其振幅衰减很快，实 际上距表面一个波长以上的地方，振动已近消失，超声表面波在 固态介质表面的传播速度小于介质休内超声横波的传播速度。
一、压电换能器
1 压电效应
(1)逆压电效应；将具有逆压电效应的介质置于电场内，由于电场 作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上 表现为产生了形变，形变与电场强度成正比如电场反向，则形变也 相反。 这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。 (2)正压电效应。当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内 部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符 号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压 电效应。利用正压电效应将机械能(即声能)转换成电能，并用来接 收超声波的装置，称为接收技能器。
5、捧中的波
细棒中可产生纯纵波、弯曲波和扭转波。在材料检测中比较有 用的是棒中的纵波，由声波导理论可知，棒中纯纵波的产牛条件是 超声源的策动频率f必须满足下式
声速是随着介质及其状态 ( 如温度) 的不同而不同；大部分液体 的声速随温度的升高而减小，而水中的声速随温度的升高而增加。 流体中的声速随压力的增加而增加。
1．同步电路
同步电路又称为触发电路，产生周期性的脉冲信号电压，用以同 时触发仪器各部分电路协调工作，是整机的指挥中心，由多谐振荡 器或其他脉冲振荡器产生的前沿很陡的周期性矩形脉冲，经微分后 由射极跟随器输出正负触发脉冲，同时触发发射、时基、时标、报 警等单元，使其同步工作。同步脉冲的重复频率一般为50—10KHZ。
超声波的特点：
(1) 能以各式各样的传播模式 ( 纵波，横波、表面波，薄板波 ) 在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可 在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效 手段。
(2)由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长短， 容易提高测量的分辨率。 (3)由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以， 反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。 超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声量 (如密度、 浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液体、厚度、 缺陷等 ) 与某些描述媒质声学特性的物理量 ( 如声速、声阻抗、 衰减等)之间存在着的直接或间接的关系，在确定了这些关系之 后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。
(2)脉冲宽度窄。为了提高检测分辨率，希望使用很窄的声脉冲，声 脉冲的宽度主要取决于晶片的Q值(品质因数)，增加阻尼可以减窄声 脉冲，但这将使声脉冲幅度减小，影响检测的灵敏度。降低穿透深 度，因此必须兼顾高分辨率和高灵敏度的要求而设计最佳电路。 3接收放大电路 应具有如下特点： (1)宽频带。超声波探伤仪所采用的信号脉冲一般包含很多频率成 分．脉冲越窄，所包含的谐波成分就越多，为了使放大脉冲信号不 失真，放大器应有足够的带宽。
声速与介质的许多特性有关，例如介质的成分、混合物的比例、 溶液的浓度、某些液体的比重等。 2．声阻抗 声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一 部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传 播。声波的反射和折射。
超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取 决于这两种介质的声阻抗之比 声阻抗定义为传声介质的密度P与声 速c的乘积，用z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声 波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)； 1rayl=1N· s／m2=lkg／(s· m2) 空气和钢铁的声阻抗相差很远，垂直人射到空气和钢铁界面上 的超声波几乎全被反射。 3、声衰减 超声波的衰减原因分为三个方面：1）由于波前的扩展而产生 的能量损失；2）超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散 射衰减；3）由于介质内耗所产生的吸收衰减。
1、探伤仪的工作原理 当被检测的均匀材料中存在缺陷时，将造成材料的不连续 性．这种不连续性往往伴随着声阻抗的突变‘、由因声传播理论可 知：超声波在两个不同声阻抗的交界面上将发生反射．反射能量的 大小取决于交界面两边材料声阻抗的大小与交界面的取向和尺寸。 脉冲反射式超声探伤仪基本结构主要由同步、发射脉冲、时基、接 收放大、显示及报警、时标、电源等部分组成，
直接接触纵波脉冲反射法：所谓直接接触法是将换能器通过耦合 介质直接与探测面发生接触的检测方法。 根据耦合介质和耦合条件的不同，换能器和试件的耦合方式分 为直接接触法和液浸法。 直接接触法是在换能器与试件之间填充很薄的一层耦合剂。耦 合剂应具有较高的声阻抗，透声性能好．一般用油类，如硅油、甘 油、机油等。 液浸法是使探头发射的声波经过一段液体后再进入工件的探伤方 法。常用的浸液有水、油或其他液体。液浸法中探头与被检物不接 触，因此，超声波的发射与接收都比较稳定，受油膜厚度、接触压 力和表面光洁度的影响较小。
2．发射电路
发射电路用来产生高频、高幅度的窄脉冲信号，通过超声换能器 转换成超声波，从而对被检测对象进行探测。但从探伤的需要出发， 发射电路应满足以下两个要求： (1)发射功率大。发射功率是发射电路中一个很重要的指标。为了 穿透较厚的工件，需要用较大的电功率转换成声功率，而电功率是 由电容充电电荷的能量决定的，即