超声检测技术
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吸声材料 外壳 电缆线 接口
斜楔
压电晶片
阻尼块
机械工程学院 机械装备及控制系
11
探头的种类和结构
3) 双晶探头（分割探头）
双晶探头有两块压电晶片，一块用于 发射声波，一块用于接收声波。根据 入射角不同分为纵波双晶探头和横波 双晶探头。 优点： （1）灵敏度高 （2）杂波少盲区小 （3）工件中近场区小 （4）探测范围可调
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6
压电换能器——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受化，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，这一现象称为逆压电效应。 （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。
33
机械工程学院 机械装备及控制系
激光超声检测
激光超声光学外差干涉检测
时间延迟干涉检测
机械工程学院 机械装备及控制系 34
电磁超声与激光超声检测的比较
电磁超声检测
作用距离 >1MHz性能随距离迅速下 降，低频(<50kHz)时可达 数米 一般0.5～1MHz 纵波、垂直剪切波、水平 剪切波、表面波、兰姆波 应当沿表面 导体（金属） 成熟 中等 无限制
IIW试块是国际焊接学会 标准试块，该试块是荷兰 代表首先提出来的，故又 称荷兰试块，因形状似船 形又称船形试块。
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15
超声检测技术
设备：超声波探伤仪、探头、耦合剂 用途：检测构件的裂纹、分层、夹杂等内部缺陷 优点：对平面缺陷非常敏感，穿透力强 局限性：需要耦合剂；对被测表面有一定要求；对操 作人员有较高要求。
接口 外壳
电缆线
阻尼块 压电晶片 保护膜
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10
探头的种类和结构
2) 斜探头
斜探头可分为纵波斜探头 （aL<a1）,横波斜探头 （aL=a1~aII）和表面波探头 (aL≧aII) 横波斜探头是利用横波探伤，主要 是用于检测与探测面垂直或成一定 角度的缺陷，如焊接汽轮机叶轮等。 表面波探头当入射角大于第二临界 角在工件中产生表面波，主要检测 工件表面缺陷
32
激光超声法的应用
高温辐射等恶劣环境下的材料特性测量
监测陶瓷的烧结过程(温度700~1200℃)和金属浇铸过程中 的固化前沿; 德国的Keck等利用准分子激光作为超声波的激 发源, 利用Nd:YAG 激光接收, 在热轧无缝钢管( 管长5. 5~ 12m, 温度1230 ℃, 延伸速度2m/s) 生产线上成功地进行了管 坯壁厚均匀性的在线检测; 美国EG& G 公司的M.H. OBrien 等 利用激光超声对核反应堆中的石墨特性进行了分析。
超声检测技术
超声波是频率高于20千赫的机械波。有声速、频率、波长、 声压、声强等参数。在界面也会发生反射、折射。 在超声探伤中常用的频率为0.5～20兆赫。其中金属探伤 最常用的频率是：1～5MHz；探水泥构建用的频率是：< 0.5MHz,如100KHz,200KHz; 探测玻璃陶瓷中μm级小 缺陷用的频率是 100MHz～200MHz,甚至更高。 常应用于： 工业：探伤、距离和厚度测量、流量和密度测量、超声清洗、 超声焊接等； 医疗：超声诊断； 海洋：鱼群探测、深度探测、水中摄影等
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7
脉冲超声波产生
当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应， 晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度 和声速有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹 性波，即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常 称为脉冲波。 目前常用超声波检测技术多数常用脉冲超声波检测。
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3
超声波的波型与适用性
表面波：在物体表面传播的如海浪 兰姆波：因物体两平行表面所限而 形成的纵波与横波组合的波，它在 整个物体内传播，质点作椭圆轨迹 运动 。板材中传播。
对称型(S波，扩展波)兰姆波的特点 是薄板中心质点作纵向振动，上下表 面质点作椭圆运动、振动相位相反并 对称于中心。 非对称型(A型，弯曲波)兰姆波特点 是薄板中心质点作横向振动，上下表 面质点作椭圆运动、相位相同，不对 称。
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22
衍射声时法测焊缝缺陷
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23
超声波检测的发展
电磁超声法
利用电磁声能换能器，可在金属表面产生纵波、横波、 瑞利波、兰姆波和表面波。 通常将换能器直接放置在被测表面。通过电磁力耦合产 生和检测超声波。
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24
电磁超声检测技术
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4
超声波的性质
超声波的反射、折射及波型转换
a) 入射纵波反射、折射波型转换：
纵波倾斜入射到不同介质的表面时，会产 生反射纵波、反射横波，折射纵波、折射 横波，反射、折射角度符合一般的反射折 射定律。 当在第二介质中的折射纵波角等于90度时， 称这时的纵波入射角为第一临界角。在第 二介质中已没有纵波，只有横波。 当纵波入射角继续增大时，在第二介 质中的横波折射角也增大，当达到90度时， 第二介质中没有超声波，超声波都在表面， 为表面波。
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18
超声检测技术分类及特点
脉冲穿透法：
采用两个探头设置在被测件两侧，接收穿透后的信 号，来检测缺陷。 穿透法能较好地克服反射法的缺点。
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19
超声检测技术分类及特点
超声相控扫描检测技 术：
借鉴相控阵雷达技术原 理发展的技术。利用阵列 换能器，通过控制各阵元 的声波相位，实现对超声 波声场的控制。
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1
超声波的特点
a) b) c) d) 有良好的指向性 能量高 具有光的特性 穿透能力强、衰减小
材料 钢 水
纵波声速 米每秒
5900 1400
横波声速 米每秒
3230 -----
有机 玻璃
铝
2720
6260
1460
3080
铜
4700
2260
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2
超声波的波型与适用性
超声波的波型有：纵波、横波、 表面波和兰姆波
纵波（L） 质点的振动方向与波的传播方向相 平行 。纵波在固、液、气三种介质 中均能传播。 横波（S） 质点的振动方向与传播方向相垂 直 ，质点受到的是交变剪切应力的作用， 故亦称切变波。液体和气体不能够承受 剪切应力，故无横波传播。
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8
超声检测工作原理
超声波入射到被检物中，如遇到缺陷（界面）则一部分入射 超声波被反射，并利用探头接收反射信号检出缺陷大小（尺寸） 和位置。
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9
探头的种类和结构
1) 直探头（纵波探头）
直探头用于发射和接收纵波 故又称纵波探头。主要用于探 测与探测面平行的缺陷。如板 材锻件探伤等。
电磁超声检测可应用于高温检测、移动检测、真空检 测等场合。
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超声波检测的发展
激光超声法
激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬 时热作用, 在固体表面产生热特性区,然后利用这种小 热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力, 从而通 过这种热应力产生超声波。
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材料性质的高精度无损检测
通过对衍射超声波渡越时间差的分析, 利用极短的激光脉 冲, 激发出极短的超声脉冲, 非常准确地确定材料的缺陷, 以 及各种体缺陷及其位置, 其精度可达0. 1mm 以上。
应用于薄膜和复合材料的研究
利用激光超声技术, 测定沿不同方向传播的Lamb 波来确定 各向异性薄膜中的频散曲线
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工作原理
涡流线圈贴于金属表面，磁铁如图放置，此时金属内的磁力线平 行干金属表面。当线圈内通过高频电流时，将在金属表面感应出 涡流，且涡流平面与磁力线平行，在磁场作用下，涡流上将受一 个力的作用。某一时刻的方向如图所示方向向上，半个周期后将 受一个向下的力，这样，质点受交变力的作用，因此在作用力方 向上产生一个弹性波。由于振动方向和波的传播方向一致，此波 为超声纵波。
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26
无缝钢管的检测
钢管壁厚的均匀程 度是评定钢管质量的重 要指标。传统的检测方 法是利用尺规测量钢管 的头尾尺寸，因无法得 知中间部分的数据。所 以无法有效控制产品的 质量。应用电磁超声技 术，通过测量钢管上不 同位置的壁厚，得知其 壁厚的均匀程度，从而 为控制产品质量提供了 一种可靠的检测手段。
外壳 电缆线 接口 斜楔
吸声材料
压电晶片
聚焦区
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探伤区 声透镜
阻尼块
13
探头的种类和结构
４) 可变角探头
可变角探头入射角可变，转动压电晶片可使入射角连续变化， 从而实现纵波、横波、表面波和板波探伤。
角度标尺
外壳
接口
பைடு நூலகம்
压电晶片 旋转杆 保护膜
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27
钢管壁厚检测
钢管速度1m/s 8向检测 精度优于1%
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28
电磁超声波检测
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29
高速列车车轮检测
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30
电磁超声高温检测
在接近1MHz频率时，超声波可以穿过高温钢 测量声通过钢坯的时间来检测钢坯内部温度
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20
超声检测技术分类及特点
直射声束法和斜射声束法 单探头与双探头法 接触法与液浸法 爬坡检测法和衍射声时法
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21
衍射声时法
衍射声时法技术 依赖与超声波与 不连续端点的相 互作用。这种相 互作用导致产生 一个大覆盖角的 衍射波，对衍射 波的检测可确定 缺陷。 基本组成包括一 对相距一定间距 的超声发射器与 接收器。
耦合剂
标准试块
1.确定检测灵敏度 2.测试仪器和探头的性能 3.调整扫描速度 4.评判缺陷的大小 此外，还可利用试块来测 量材料的声速、衰减性能等。
IIW2试块也是国际焊接学会 标准试块，由于外形像牛角， 故俗称牛角试块。与IIW试块 相比IIW2试块体积小重量轻， 形状简单，易加工，便携带， 但功能较IIW试块要少。
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16
超声波探伤仪的分类
按缺陷显示方式分类
① A型显示超声探伤仪 ② B型显示超声探伤仪 ③ C型显示超声探伤仪 A型
B型
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C型
17
超声检测技术分类及特点
脉冲反射法：
发射脉冲波到被测件内部，观察反射波来对试件 进行检测。 优点：检测灵敏度高；对缺陷定位精度高； 操作方便；适用范围广 缺点：存在检测盲区；对主平面与声束轴线不垂直 的缺陷容易漏检；对高衰减材料不利
b) 第一临界角
c) 第二临界角
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5
超声波换能器
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。 所谓换能器就是能进行能量转换的器件。超声波换能 器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)：在超声检测中往往用一个超声换能器，既 作发射换能器，又作接收换能器。 常用：压电换能器和磁致伸缩换能器
接口 外壳 隔声层
电缆线
阻尼块 压电晶 片 延时块 探伤区
双晶探头主要用于检测近表面缺陷。 根椐工件因选择合适的工作频率、晶 片尺寸和探测深度。
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探头的种类和结构
4）聚焦探头
聚焦探头分为点聚焦和线聚焦。点聚焦理想焦点为一点，其 声透镜为球面；线聚焦理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。
电磁超声检测的特点：
(1)电磁超声借助电磁场作为发送和接收超声波的介质，所以不 需要油、水之类的耦合剂； (2)通过改变磁铁的结构和形状，改变信号发射和接收线圈的排 列方式，就可以分别产生纵波、横波和表面波等不同模式的波， 特别是SH波； (3)可对高温物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测，因而 可减轻工作量，节约能源。EMAT甚至能检测750℃的高温物体， 常规超声无法做到； (4)由于不需要耦合剂，不存在接触压力变化问题，探伤灵敏变 稳定； (5)不能用于非金属检测。
斜楔
压电晶片
阻尼块
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11
探头的种类和结构
3) 双晶探头（分割探头）
双晶探头有两块压电晶片，一块用于 发射声波，一块用于接收声波。根据 入射角不同分为纵波双晶探头和横波 双晶探头。 优点： （1）灵敏度高 （2）杂波少盲区小 （3）工件中近场区小 （4）探测范围可调
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压电换能器——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受化，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，这一现象称为逆压电效应。 （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。
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激光超声检测
激光超声光学外差干涉检测
时间延迟干涉检测
机械工程学院 机械装备及控制系 34
电磁超声与激光超声检测的比较
电磁超声检测
作用距离 >1MHz性能随距离迅速下 降，低频(<50kHz)时可达 数米 一般0.5～1MHz 纵波、垂直剪切波、水平 剪切波、表面波、兰姆波 应当沿表面 导体（金属） 成熟 中等 无限制
IIW试块是国际焊接学会 标准试块，该试块是荷兰 代表首先提出来的，故又 称荷兰试块，因形状似船 形又称船形试块。
机械工程学院 机械装备及控制系
15
超声检测技术
设备：超声波探伤仪、探头、耦合剂 用途：检测构件的裂纹、分层、夹杂等内部缺陷 优点：对平面缺陷非常敏感，穿透力强 局限性：需要耦合剂；对被测表面有一定要求；对操 作人员有较高要求。
接口 外壳
电缆线
阻尼块 压电晶片 保护膜
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10
探头的种类和结构
2) 斜探头
斜探头可分为纵波斜探头 （aL<a1）,横波斜探头 （aL=a1~aII）和表面波探头 (aL≧aII) 横波斜探头是利用横波探伤，主要 是用于检测与探测面垂直或成一定 角度的缺陷，如焊接汽轮机叶轮等。 表面波探头当入射角大于第二临界 角在工件中产生表面波，主要检测 工件表面缺陷
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激光超声法的应用
高温辐射等恶劣环境下的材料特性测量
监测陶瓷的烧结过程(温度700~1200℃)和金属浇铸过程中 的固化前沿; 德国的Keck等利用准分子激光作为超声波的激 发源, 利用Nd:YAG 激光接收, 在热轧无缝钢管( 管长5. 5~ 12m, 温度1230 ℃, 延伸速度2m/s) 生产线上成功地进行了管 坯壁厚均匀性的在线检测; 美国EG& G 公司的M.H. OBrien 等 利用激光超声对核反应堆中的石墨特性进行了分析。
超声检测技术
超声波是频率高于20千赫的机械波。有声速、频率、波长、 声压、声强等参数。在界面也会发生反射、折射。 在超声探伤中常用的频率为0.5～20兆赫。其中金属探伤 最常用的频率是：1～5MHz；探水泥构建用的频率是：< 0.5MHz,如100KHz,200KHz; 探测玻璃陶瓷中μm级小 缺陷用的频率是 100MHz～200MHz,甚至更高。 常应用于： 工业：探伤、距离和厚度测量、流量和密度测量、超声清洗、 超声焊接等； 医疗：超声诊断； 海洋：鱼群探测、深度探测、水中摄影等
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脉冲超声波产生
当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应， 晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度 和声速有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹 性波，即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常 称为脉冲波。 目前常用超声波检测技术多数常用脉冲超声波检测。
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3
超声波的波型与适用性
表面波：在物体表面传播的如海浪 兰姆波：因物体两平行表面所限而 形成的纵波与横波组合的波，它在 整个物体内传播，质点作椭圆轨迹 运动 。板材中传播。
对称型(S波，扩展波)兰姆波的特点 是薄板中心质点作纵向振动，上下表 面质点作椭圆运动、振动相位相反并 对称于中心。 非对称型(A型，弯曲波)兰姆波特点 是薄板中心质点作横向振动，上下表 面质点作椭圆运动、相位相同，不对 称。
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衍射声时法测焊缝缺陷
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23
超声波检测的发展
电磁超声法
利用电磁声能换能器，可在金属表面产生纵波、横波、 瑞利波、兰姆波和表面波。 通常将换能器直接放置在被测表面。通过电磁力耦合产 生和检测超声波。
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24
电磁超声检测技术
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4
超声波的性质
超声波的反射、折射及波型转换
a) 入射纵波反射、折射波型转换：
纵波倾斜入射到不同介质的表面时，会产 生反射纵波、反射横波，折射纵波、折射 横波，反射、折射角度符合一般的反射折 射定律。 当在第二介质中的折射纵波角等于90度时， 称这时的纵波入射角为第一临界角。在第 二介质中已没有纵波，只有横波。 当纵波入射角继续增大时，在第二介 质中的横波折射角也增大，当达到90度时， 第二介质中没有超声波，超声波都在表面， 为表面波。
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18
超声检测技术分类及特点
脉冲穿透法：
采用两个探头设置在被测件两侧，接收穿透后的信 号，来检测缺陷。 穿透法能较好地克服反射法的缺点。
机械工程学院 机械装备及控制系
19
超声检测技术分类及特点
超声相控扫描检测技 术：
借鉴相控阵雷达技术原 理发展的技术。利用阵列 换能器，通过控制各阵元 的声波相位，实现对超声 波声场的控制。
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1
超声波的特点
a) b) c) d) 有良好的指向性 能量高 具有光的特性 穿透能力强、衰减小
材料 钢 水
纵波声速 米每秒
5900 1400
横波声速 米每秒
3230 -----
有机 玻璃
铝
2720
6260
1460
3080
铜
4700
2260
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超声波的波型与适用性
超声波的波型有：纵波、横波、 表面波和兰姆波
纵波（L） 质点的振动方向与波的传播方向相 平行 。纵波在固、液、气三种介质 中均能传播。 横波（S） 质点的振动方向与传播方向相垂 直 ，质点受到的是交变剪切应力的作用， 故亦称切变波。液体和气体不能够承受 剪切应力，故无横波传播。
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超声检测工作原理
超声波入射到被检物中，如遇到缺陷（界面）则一部分入射 超声波被反射，并利用探头接收反射信号检出缺陷大小（尺寸） 和位置。
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探头的种类和结构
1) 直探头（纵波探头）
直探头用于发射和接收纵波 故又称纵波探头。主要用于探 测与探测面平行的缺陷。如板 材锻件探伤等。
电磁超声检测可应用于高温检测、移动检测、真空检 测等场合。
机械工程学院 机械装备及控制系 31
超声波检测的发展
激光超声法
激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬 时热作用, 在固体表面产生热特性区,然后利用这种小 热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力, 从而通 过这种热应力产生超声波。
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材料性质的高精度无损检测
通过对衍射超声波渡越时间差的分析, 利用极短的激光脉 冲, 激发出极短的超声脉冲, 非常准确地确定材料的缺陷, 以 及各种体缺陷及其位置, 其精度可达0. 1mm 以上。
应用于薄膜和复合材料的研究
利用激光超声技术, 测定沿不同方向传播的Lamb 波来确定 各向异性薄膜中的频散曲线
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工作原理
涡流线圈贴于金属表面，磁铁如图放置，此时金属内的磁力线平 行干金属表面。当线圈内通过高频电流时，将在金属表面感应出 涡流，且涡流平面与磁力线平行，在磁场作用下，涡流上将受一 个力的作用。某一时刻的方向如图所示方向向上，半个周期后将 受一个向下的力，这样，质点受交变力的作用，因此在作用力方 向上产生一个弹性波。由于振动方向和波的传播方向一致，此波 为超声纵波。
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无缝钢管的检测
钢管壁厚的均匀程 度是评定钢管质量的重 要指标。传统的检测方 法是利用尺规测量钢管 的头尾尺寸，因无法得 知中间部分的数据。所 以无法有效控制产品的 质量。应用电磁超声技 术，通过测量钢管上不 同位置的壁厚，得知其 壁厚的均匀程度，从而 为控制产品质量提供了 一种可靠的检测手段。
外壳 电缆线 接口 斜楔
吸声材料
压电晶片
聚焦区
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探伤区 声透镜
阻尼块
13
探头的种类和结构
４) 可变角探头
可变角探头入射角可变，转动压电晶片可使入射角连续变化， 从而实现纵波、横波、表面波和板波探伤。
角度标尺
外壳
接口
பைடு நூலகம்
压电晶片 旋转杆 保护膜
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27
钢管壁厚检测
钢管速度1m/s 8向检测 精度优于1%
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28
电磁超声波检测
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29
高速列车车轮检测
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30
电磁超声高温检测
在接近1MHz频率时，超声波可以穿过高温钢 测量声通过钢坯的时间来检测钢坯内部温度
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20
超声检测技术分类及特点
直射声束法和斜射声束法 单探头与双探头法 接触法与液浸法 爬坡检测法和衍射声时法
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21
衍射声时法
衍射声时法技术 依赖与超声波与 不连续端点的相 互作用。这种相 互作用导致产生 一个大覆盖角的 衍射波，对衍射 波的检测可确定 缺陷。 基本组成包括一 对相距一定间距 的超声发射器与 接收器。
耦合剂
标准试块
1.确定检测灵敏度 2.测试仪器和探头的性能 3.调整扫描速度 4.评判缺陷的大小 此外，还可利用试块来测 量材料的声速、衰减性能等。
IIW2试块也是国际焊接学会 标准试块，由于外形像牛角， 故俗称牛角试块。与IIW试块 相比IIW2试块体积小重量轻， 形状简单，易加工，便携带， 但功能较IIW试块要少。
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16
超声波探伤仪的分类
按缺陷显示方式分类
① A型显示超声探伤仪 ② B型显示超声探伤仪 ③ C型显示超声探伤仪 A型
B型
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C型
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超声检测技术分类及特点
脉冲反射法：
发射脉冲波到被测件内部，观察反射波来对试件 进行检测。 优点：检测灵敏度高；对缺陷定位精度高； 操作方便；适用范围广 缺点：存在检测盲区；对主平面与声束轴线不垂直 的缺陷容易漏检；对高衰减材料不利
b) 第一临界角
c) 第二临界角
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超声波换能器
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。 所谓换能器就是能进行能量转换的器件。超声波换能 器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)：在超声检测中往往用一个超声换能器，既 作发射换能器，又作接收换能器。 常用：压电换能器和磁致伸缩换能器
接口 外壳 隔声层
电缆线
阻尼块 压电晶 片 延时块 探伤区
双晶探头主要用于检测近表面缺陷。 根椐工件因选择合适的工作频率、晶 片尺寸和探测深度。
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探头的种类和结构
4）聚焦探头
聚焦探头分为点聚焦和线聚焦。点聚焦理想焦点为一点，其 声透镜为球面；线聚焦理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。
电磁超声检测的特点：
(1)电磁超声借助电磁场作为发送和接收超声波的介质，所以不 需要油、水之类的耦合剂； (2)通过改变磁铁的结构和形状，改变信号发射和接收线圈的排 列方式，就可以分别产生纵波、横波和表面波等不同模式的波， 特别是SH波； (3)可对高温物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测，因而 可减轻工作量，节约能源。EMAT甚至能检测750℃的高温物体， 常规超声无法做到； (4)由于不需要耦合剂，不存在接触压力变化问题，探伤灵敏变 稳定； (5)不能用于非金属检测。