超声波探伤仪、探头及试块——(第二节超声波探头)

第二章超声波探伤仪、探头及试块
第二节超声波探头
一、压电效应和压电材料
超声波探伤是利用超声波探头实现电气转换的，所以，超声波探头也叫超声波换能器，其电声转换是可逆的，且转换时间极短，可以忽略不计。

根据产生超声波和电声转换方式的不同，可有多种不同类型的超声波换能器，这些电声转换方式有：利用某些金属(铁磁性材料)在交变磁场中的磁致伸缩，产生和接收超声波：利用电磁感应原理产生电磁超声以及利用机械振动、热效应和静电法等都能产生和接收超声波。

目前用得最多的是以利用压电效应原理制成的压电材料超声换能器。

1. 压电材料的压电效应
某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用下产生应变时引起晶体电荷不对称分配，异种电荷向正反两面集中，材料的晶体中就产生电场和极化，这种效应称为正压电效应。

相反，当已极化的压电材料处于交变电场中时，由于极化作用的影响，在晶体中就会产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为逆压电效应，见图2–15所示。

图2–15 压电材料的压电效应
正、逆压电效应统称压电效应，它是一种互相可逆的物理效应，具有压电效应的材料叫压电材料，压电性是压电材料的特性。

石英是典型的压电单晶材料，沿X轴切割，并在X方向施加外力时，则在垂直于X轴的二个面上将产生等值异种电荷、晶体内即形成电场。

反之，晶体二个面上加以交变电场，则在其X轴方向上就会产生伸缩变形，从而产生和接收传播方向与施力方向一致的纵波。

图2–16为沿X轴切割的石英晶片。

压电陶瓷属多晶压电材料经人工烧结成型，它的压电效应机理与石英有所不同。

压电陶瓷必须先进行极化处理，然后才会具有压电性。

这是因为组成压电陶瓷的铁电体在末极化时铁电体内的电畴(与铁磁体中磁畴类同)各自具有一定的自发极化和本身的电场方向、分布杂乱无章，只有对这种材料施加较强的外电场，才能使电畴发生转动，并趋于与外电场方向一致，见图2–17所示。

图2–16 沿X轴切割的石英晶片图2–17 压电陶瓷材料的电畴分布
当外加极化电极除去以后，将与永久磁铁的剩磁相仿，电畴方向也基本保持不变，而且成为很强的剩余极化；这种极化的晶体在交变电场作用下会产生电致伸缩变形，同时也会把伸缩变形变为电能输出；这样，压电陶瓷也具有了压电性。

只有当温度达到居里点或施以强烈打击时，压电性才会消失。

当发射脉冲的交变电场方向与极化方向平行时，压电陶瓷就产生伸缩变形，产生振动与传播方向一致的纵波。

当电场方向与极化方向垂直时，压电陶瓷将产生剪切变形，产生振动与传播方向垂直的横波，见图2–18所示。

2. 压电晶片的主要性能参数
压电材料是各向异性的材料，表征其特性的参数很多，工业探伤中大多制成压电晶片，它的主要性能参数有：
(1) 机电耦合系数K
机电耦合系数是表征压电晶片中机械能与电能之间相互转换效率(耦合强弱)的重要参数，它定义如下：
晶片输出的机械能(发射状态)
=
%
100
K⨯
输入到晶片的总电能
晶片输出的电能(接收状态)
=
K⨯
%
100
输入到晶片的总机械能
图2–18 电场方向与极化方向对振的影响 探头晶片一般具有厚度和径向两个方向的伸缩振动，见图2–19
所示；因此，机电耦合系数是有方向性的，其厚度方向用K t 表示，
其径向方向用K p 表示。

晶片的K t 越大，表示晶片在厚度方向的电声
转换效率越高，探测灵敏度也越高。

而晶片的K p 越大，不需要的低
频谐振波增多，会使发射脉冲变宽，导致分辨力下降，盲区增大。

图2–19 晶片方向和径向伸缩 (2) 介电常数ε
介电常数是表征压电晶片介电性能的参数，它与晶片附上电极后
的电容有关，也就是与其电气阻抗有关。

探头制作中考虑到阻抗匹配
对它有一定要求；ε越大，晶片电气阻抗越小。

为使探头有较好阻抗
匹配，ε不宜太大。

(3) 机械品质因素Q m 。

机械品质因素定义为：机械能量一个振动周期内损耗的量压电晶片贮存的机械能=m Q
Q m 是一个大于1的数，它反映了压电晶片振动时克服内磨擦所
消耗能量的大小；Q m 越大，机械损耗越小，则灵敏度会增高，但探
头分辨力却成反比地下降，脉冲变宽，盲区也增大。

实际探伤用探头
都用在晶片背面充填声吸收材料(阻尼块)的方法来降低Q m 值，提高
分辨力，减小盲区。

(4) 压电模量d 33、压电压力常数g 33和压电应力常数e 33
探伤用压电陶瓷都用极化方向的厚度振动，并用脚标“33”表示厚
度方向。

压电模量d 33也叫压电应变常数，它表示压电体应力恒定时
电场强度所产生应变变化与电场强度之比，即
)V /m ( u t d a
a 33∆= (2–5) 式中：a t ∆为厚度方向形变，a u 为外加电压 d 33越大，则由单位外加电压引起的变形越大，有利于提高晶片
的发射效率。

压电应力常数e 33表示压电体应变恒定时，电场强度所
产生的应力变化与电场强度之比；e 33越大，表示用较小的电压能产
生较大的晶片振动；因此，d 33和e 33大的晶片，可用作发射型探头的
辐射。

压电压力常数g 33表示晶片厚度方向的接收性能。

)N /m V ( P u g p 33⋅= (2–6)
式中：p u 表示晶片产生的电压，P 表示晶片接收到的声压。

g 33大，接
收到较小声压也可产生较大的电压。

从而有利于提高接收灵敏度；因
此，g 33大的晶片常用作接收型探头的晶片。

脉冲反射法探伤时，应选择满足下述要求的超声波探头晶片：
a. 要有尽可能高的厚度方向的转换效率，即K t 要大，径向转换
效率K p 要小；因此，K t /K p 要大，以利于提高探测灵敏度。

b. 要有尽可能短的脉冲持续时间，即在激励后能非常快地回到
静止状态，Q m 要小，以获得较高的分辨力和较小的盲区。

c. 晶片的频谱包络应接近于高斯曲线，以获得良好的波形。

d. 要求晶片声阻抗与被检材料声阻抗相接近，以利于阻抗匹配。

e. 晶片应有较高的居里点，以便提高探头的工作温度。

f. 对一发一收型双晶片探头，选择，d 33，e 33大的晶片作为发射
晶体，g 33大的晶片作为接收晶片。

3. 压电晶片的种类和特性
压电晶片可分为压电单晶和压电陶瓷(多晶体)两大类，每类又有
数种不同性能的压电材料。

(1) 压电单晶
a. 石英又称二氧化硅(Sio 2)，是天然或人工制作的单晶，也是最
早用于制作探头的压电材料。

它具有居里温度高(575℃)、介电常数
小(ε=4.15)，以及电性能和机械性能稳定的特点，适用于制成高温、
高频探头；缺点是厚度方向机电耦合系数小，K t =10%，灵敏度低，
因而逐渐被其他晶体材料所取代。

b. 硫酸锂(LiSO 4H 2O)和碘酸钾(LiIO 3)都是人工培养的单晶，它们
的g 33均较大，接收灵敏度高，发射特性介于石英和钛酸钡之间，它
们的声阻抗较低，适宜于制成水浸探头。

但因其易溶于水，故需要完
全密封；又因晶片背面易于阻尼，故适用于做成窄脉冲发射和接收的
探头，分辨力高。

c. 铌酸锂(LiNbO 3)系人工培养的单晶，它有较高的K t (约55%)、
居里温度(1210℃)，介电常数也较小，宜用于制作高频、高温、高压
探头。

以上除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。

(2) 压电陶瓷
a. 钛酸钡(BaTiO 3)是人工烧结的多晶体，也是最早用于制作探头
的压电陶瓷。

钛酸钡晶片有较高的发射特性(d 33大)，但接收特性不如
石英，它的声阻抗较大，故不易阻尼吸收，且K p 较大，分辨力差，
盲区亦大。

钛酸钡晶片的K t 略大于石英，但仍较低，应用日趋减少。

b. 锆钛酸铅(PZT)是人工烧结的多晶体，它具有高的压电应变常
数(即d 33大)和高的厚度方向机电耦合系数(K t =68～76%)，灵敏度很
高，已逐步取代了钛酸钡材料。

它的缺点是K p 较大(K p =30～60%)，
易产生不需要的振动模式，需要配以高效阻尼块来降低Q m 值，提高
分辨力和减小盲区。

锆钛酸铅晶片介电常数较大( =1500)，频率常数
较低，N t =1.89MHz ²mm ，因而不宜制成高频探头。

c. 钛酸铅(PbTiO 3)是一种新型的人工烧结的多晶体，它的K t 较大
(约50%)，K p 较小(K p =10%)，机械强度比PZT 晶片好，且性能稳定、适宜于制作高频探头；缺点是烧结工艺难以控制，成本高。

d. 偏铌酸铅(PbNb 2O 4)也是较好的新型压电陶瓷，具有较高的
K t (K t =37%)和低的K p (K p =7%)，居里点为570℃，可用于制作高温、
高频和高分辨力(高阻尼)探头、以及冲击波探头。

二、压电超声探头的基本组成和分类
压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同
之处，见图2–20所示。

它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜(对斜
探头来说是有机玻璃透声楔)组成；此外，还必须有与仪器相连接的
高频电缆插件、支架、外壳等。

1. 直探头的保护膜
压电陶瓷晶片通常均由保护
膜来保护晶片不与工件直接接触
以免磨损。

常用保护膜有硬性和
软性两类。

烧结碳化钨、石英、
氧化铝(刚玉)、陶瓷片、耐磨钢及
其他金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、
且平整的情况；用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB 。

软性保护膜
有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损
后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB 。

保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。

为有利于阻抗匹配，其
声阻抗Z m 应满足式(1–33)。

试验表明：所有固体保护膜对发射声波会产生一定的畸变，使分
辨率变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。

因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。

与陶瓷晶片相比，石英晶
图2–20 超声探头基本原理
片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。

2. 吸收块
为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，
但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增
大。

为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声
能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。

目前，常用的阻尼材料为
环氧树脂和钨粉，并按下列重量(g)比配制。

钨粉：环氧树脂∶二乙烯三胺∶邻苯二甲酸二丁酯=35∶10∶
10∶1也可在混合后加入少量硬橡胶粉，浇注在晶片背面，经一段时
间固化后，钨粉在环氧树脂中的分布控制在越靠近晶片密度越大的原
则，以利于阻尼块与晶片的声阻匹配，使晶片背面干扰声更有效地传
入阻尼块中被吸收掉。

3. 透声楔
斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射
角，并达到波型转换的目的。

一发一收型分割式双直探头和双斜探头
也都以有机玻璃作为透声楔，这是因为有机玻璃声学性能良好、易加
工成形，但它的声速随温度的变化有
所改变又易磨损，所以对探头的角度
应经常测试和修正。

水浸聚焦探头常
以环氧树脂等材料作为声透镜材料。

4. 晶片的厚度
压电晶片的振动频率f 即探头的
工作频率，它主要取决于晶片的厚度
T 和超声波在晶片材料中的声速。

晶
片的共振频率(即基频)是其厚度的函
数；可以证明，晶片厚度T 为其传播
波长一半时即产生共振，图2–21表
示晶片共振的形式。

此时，在晶片厚
度方向的两个面得到最大振幅，晶片
中心为共振的驻点。

通常把晶片材料的频率f 和厚度T 的乘积称为频
率常数N t ，若λ=2
1T ，则： 2C T f N t =⋅= (2–7)
式中：C 为晶片材料中的纵波声速。

常用晶片材料如PZT 的N t =1800～
2000m/s 、石英晶片的N t =2850m/s 、钛酸钡晶片的N t =2520m/s 、钛酸
铅晶片的N t =2120m/s 。

由式(2–7)可知，频率越高、晶片越薄，制作越困难，且N t 小的
晶片材料不宜用于制作高频探头。

5. 压电超声探头的种类
纵波直探头 横波斜探头 表面波探头
压电超
声探头
按产生的波型分
按接触方式分
板波探头
直接接触探头
水浸探头
图2–21 晶片振动形式
三、超声探头主要性能的指标及其测定方法
国内商品探头上通常标有探头的频率(标称频率)、晶片尺寸(圆形的为直径、方形的为长乘宽)，以及斜探头的入射角α或钢中折射角β、钢中折射角的正切值，即K值(K=tgβ)。

这些探头性能指标仅是探头的标称值，它们与探头的实际测定值有时还有一定的差距，其中对探伤结果影响较大的斜探头折射角必须进行实际测定，且使用时以实际测定值作为定位计算的依据。

探头的许多性能指标是与仪器组合后进行测定的，其中主要几个性能指标测定方法，现分叙如下：
1. 探头的工作频率
频率是超声探伤的一个重要参数。

当传播介质一定时，它决定了传播特性的波长和衰减，声束指向角，探头近场特性的近场长度，以及反射体回波声压的大小等等；它还与实际探伤时缺陷的定位和定量密切相关。

测定探头的频率，主要是测定它的最佳工作频率，这是因为一方面生产厂在探头上的标称频率往往与探头的工作频率有一定的差距；另一方面，因探头的频率是很丰富的，它在一定的范围内形成一个频谱，频谱包络线的峰值就是探头的最佳工作频率。

频谱分析仪是一种昂贵的测试仪器，它能对探头的回波脉冲自动进行频率分析，测定结果在横轴表示频率，纵轴用dB(或振幅)表示，傅里哀级数各成分的大小见例图2–22所示。

图2–23所示为用示波器粗略测定探头工作频率的原理图。

测定时，示波器荧光屏上可获得探头发射脉冲来自底面的第一次回波，然后由示波器来测量该回波脉冲的周期T和谐振波个数n，则频率f=n/T，即可计算得到。

2. 直探头声轴偏向角φn和水平位移Z n
直探头晶片声轴与其几何中心轴的夹角称为声轴偏向角，用φn 表示。

声轴与几何中心轴在探测面上间距称为声轴水平位移，用Z n 表示。

两者都用来衡量声束的轴对称性和声轴的歪斜程度。

测定时将直探头置于图2–24所示的横孔试块上，横孔孔径为φ1、距探测面的距离大于探头的近场长N。

先在探头圆周上标出四等分的四个参考点A，B，C，D，并使B，D二点处于试块中心线MN上。

沿MN 线平移探头，在分别获得孔深h 1和孔深h 2的最高回波时，测
定A ，C 二点偏离横孔中心的水平位移量l 1和l 2。

由三角计算可得：
)＞h h ( h h l l tg 121
21211n --=φ- |tg h l |Z 1n 111n φ-=
图2–22 由频谱分析仪得到的探头频率分布 图2–23 用示波器测定探头工作频率 将探头移动90°，使A ，C
二点处于中心线MN 上，在上
述同一条件下用同样方法可测
得：
h h l l tg 1
21212n -'-'=φ- |tg h l |Z 2n 112n φ-=
比较1n φ和2n φ、1n Z 和2n Z ，分别取两者中大的数值作为直探头的声轴偏向角φn 和声轴水平位移Z n ，若要更精确测量，可在探头上标出更多的等分参考点进行多次测量，再经比较得出
图2–24 直探头声轴偏向角和水平位移测定
结论。

3. 斜探头的入射点和K值
斜探头的入射点可在IIW试块或IIW2试块和半圆试块上测定，要求试块的基准反射面处于探头的远场(S≥3N)，这样测得的入射点误差较小。

测定时，将探头置于试块探测面上(如图2–25所示为IIW 试块上的测试情况)，探头在探测面中心位置上作平行侧面的前后移动，使R100的圆弧面回波达到最高，并使其为垂直刻度的50%～80%，则此时R100圆弧中心所对应的探头上该点就是斜探头入射点。

入射点位置可在斜探头楔块上直接标记，也可用记录探头前沿距离的方法来确定，一般允许误差为±1mm。

斜探头折射角一般在IIW试块上利用φ50圆弧面和φ1.5横孔进行测定，如图2–26所示。

图2–25 斜探头入射点测定图2–26 斜探头折射角测定
当探头置于A位置附近时，可测定折射角为35°～60°；探头置于B位置附近，可测定折射角为60°～75°；探头置于C位置附近时，可测定折射角为75°～80°。

测定时，探头应平行于试块侧面前后移动，并将获得基准反射面(φ50圆弧面和φ1.5横孔)最高回波时入射点所对应试块上标称角度即为折射角度数，也可用下述公式计算：
探头置于A位置时：
7035
a
X
K1-
+ =
探头置于B位置时：
3035
a
X
K2-
+ =
探头置于C 位置时：15
a X K 3+= 用φ50圆弧面有一定面积，最高回波不易观察和区分，所以，也可用孔径不大的横孔试块测定斜探头的折射角，见图2–27所示，此时，h
a X K +=。

4. 斜探头灵敏度
斜探头灵敏度也是以探头与仪器组合，并发现某一声程上的基准反射面后，仪器尚存的增益分贝量来表示。

常用的基准反射面有IIW 试块上的R 100圆弧面，或RB –1柱孔等，见图2–28所示
图2–27 利用横孔试块测定折射角
图2–28 斜探头灵敏度余量测定
测定时，仪器抑制关、深度补偿关，探头先置于空气中，在保证噪声电平低于垂直幅度的10%前提下，尽可能提高仪器的灵敏度，记录此状态的衰减器读数n 1；再将探头放至IIW 试块或RB –2试块上，调节衰减器，使R 100圆弧反射波或Φ3柱孔反射波达50%垂直幅度，记录此时衰减器读数n 2则灵敏度余量为：
)dB (n n n 12-=
5. 斜探头分辨力
我国JB1152–81和ZBJ04001–87标准规定，斜探头分辨力在CSK –IA 试块上进行测定，测定时仪器抑制和深度补偿置关，将探头置于图2–29所示的位置上，移动探头，使直径为φ50与φ44两孔反射波高相等，此时，其波峰与波谷的分贝差应不小于6dB ，即：
2
1
h h lg 20)dB (Z ≥6dB 6. 斜探头主声束偏斜
斜探头主声束水平方向偏斜角度可在IIW(或CSK –IA)试块上测定。

将探头置于图2–30所示位置上探测棱角反射，当反射波幅最大时，探头中心线与被测棱边的夹角应在90°±2°范围内。

垂直方向的偏斜，对于单峰来说实质上就是折射角偏差。

但由于副瓣或声场分布异常，则有可能导致声束垂直方向出现双峰。

测定斜探头有无双峰，可用任何横孔试块，如图2–31所示。

测试时，保持声束轴线与试块侧面平面，探头作前后移动，观察波形变化。

当示波屏显示出如图2–32所示波形时，则可认为该探头具有明显的双峰。

若用这种探头进行探伤，必然影响对缺陷的定位和定量。

图2–29 在CSK –IA 试块上斜探头分辨力的测定
图2–30 斜
探头水平偏斜角测定 图2
–31 用横孔试块测定有无双
峰 图2–32 双峰波形显
示
图2–33 在CSK –IA 试块上斜探头盲区的测定
7. 斜探头的盲区
所谓斜探头的盲区，是由于斜探头有机玻璃楔块(有的带阻尼块)内回波吸收不完全，使得工件中离探头入射点较近区域内的反射体回波有可能被始脉冲覆盖而不能分辨的区域。

斜探头盲区按下述方法测定：
JB1152–81规定斜探头盲区在CSK–IA试块上测定，见图2–33所示。

将探头置于CSK–IA试块上，其入射点与R100圆弧中心对准，使R50回波高度不低于垂直刻度的50%，然后用衰减器增益30dB；此时，把斜探头置于空气中，擦去楔块上耦合剂，观察楔块内回波，它与垂直刻度20%高度线交点在时间轴上相应刻度为P，则OP就是斜探头在钢中的盲区，单位为mm。