A型显示脉冲超声波探伤仪的基本工作原理

A型显示脉冲超声波探伤仪的基本工作原理

A型显示脉冲超声波探伤仪是目前工业超声检测领域中应用最广泛的设备，它具有结构简单、体积小、重量轻、操作简便、适用面广、价格便宜、特别适用于现场检测等诸多优点。

A型显示脉冲超声波探伤仪（模拟式）的基本工作原理可用图1-5所示的工作原理方框图说明。其整机主要由同步、发射、时基、接收放大、显示以及报警、电源七大部分组成，各部分的主要功能分述如下：

一.同步电路，又称触发电路

同步电路的作用是产生周期性的同步脉冲信号，用以同时触发超声探伤仪各部分电路协同工作，它相当于全机的指挥中心。

同步电路输出的控制脉冲应具有陡峭的前沿以保证分辨率的要求，具有一定的触发功率，此外，还必须注意同步脉冲的重复频率（单位时间内产生同步脉冲信号的次数，特别是在高速探伤的超声自动化检测系统中，这是很重要的参数之一）。目前商品化超声波探伤仪的重复频率一般在50-4000Hz范围。同步脉冲信号的重复频率决定了发射电路在单位时间内施加到超声探头上的发射电脉冲的次数，亦即决定了超声探头在单位时间内发射超声脉冲的次数。重复频率高，单位时间内触发时基电路的次数也增多，因此示波屏上单位时间内电子束对荧屏扫描的次数也增多，波形显示的亮度（辉度）也会增大（与人眼的余辉效应有关）。

应当注意的是，发射电路被触发而产生为激励探头发射超声波的电脉冲，其机理是利用电容器的充放电来实现的，当重复频率太高时，电容器充放电的时间间隔将会显著缩短，将容易产生电容器尚未充电到额定电压值时就开始放电的现象，从而导致发射功率下降-使检测灵敏度降低。

图1-5

重复频率太高时，也会使得两次超声脉冲之间的时间间隔太短，容易使第二次触发的超声脉冲与第一次触发的超声脉冲反射回波相遇而发生干扰，或者是进入了第一次触发的超声脉冲的周期内，也会形成干扰，或者说是第一次触发的脉冲波尚未充分衰减而落入第二次触发的

周期内，形成干扰等等，结果会产生例如幻影波、假信号等。

举例来说，某工件厚度500毫米，材料中的超声波速度为5900米/秒，则工件上第一次底面回波返回到位于探测面上的超声探头的时间t1=2x(500mm/5.9x106mm/s)=169.5微秒，如果重复频率高于（1/169.5x10-6）=5.9KHz时，意味着第二次脉冲将会与第一次脉冲的第二次底面回波相遇并发生干扰。

事实上，由于目前商品化超声波探伤仪的重复频率一般都不超过4KHz，因此还不至于出现上述情况，而是往往会在第二次、第三次或第四次底面回波前出现干扰信号，也容易被误判为缺陷信号。上述例子是以底波为例，而位于工件探测面与底面之间的缺陷在反射时也同样有可能出现类似的干扰现象。

当被检材料透声性优良，而重复频率选择过高时，还会出现所谓“游动波”，特别在钢（例如5CrNiMo、1Cr11Ni2W2MoV、Cr17Ni2等）或铝合金锻件中容易出现。这种游动波酷似缺陷的反射回波信号，其特点是从荧光屏水平刻度的始波位置出发缓慢地（快慢不一）向底波方向移动，直至越过第一次底波之后，从始波位置起又重新出现并向底波方向游动，在不同条件下，其移动速度不同，有时极为缓慢，在探伤检测中应注意予以识别。当把重复频率降低后，这种游动波现象即会消失，因此其识别也是比较简单的。

相反，在高速自动化超声探伤中，为了保证高速扫查以提高检测效率但同时不致漏检，则要求有较高的重复频率，例如，工件厚度方向上某一深度位置存在一个缺陷，探头发出的第一次超声脉冲尚未投射到缺陷上，而探头第二次发射超声脉冲时，探头又已经越过了缺陷位置，从而造成漏检。这需要提高重复频率，亦即是缩短两次发射超声脉冲之间的时间间隔来弥补。假定探头的扫查速度为10米/秒，探头直径为20毫米，为了保证探头移动扫查过程中始终有声束覆盖探测区域以免漏检，则探头每移动20毫米应至少有一次超声脉冲发出，为此其重复频率至少应为1+（20mm/10x103mm/s）=500Hz。实际上，考虑到探测灵敏度的要求，声束覆盖区之间还必须有一定的交互覆盖，这里假定交互覆盖二分之一，也就是说重复频率应达到1KHz。

二.发射电路，又称高频脉冲电路、脉冲发生电路

在同步脉冲信号的触发下，发射电路产生大幅度的高频电脉冲输送给超声探头，激励探头发出具有相同中心频率的脉冲超声波入射到被检材料中去。发射脉冲的幅度（脉冲电压）和持续时间（脉冲宽度）的大小决定着发射功率（又称发射强度、发射能量）的大小。目前商品化超声波探伤仪的发射脉冲幅度多在400-500伏范围，有些大功率的超声波探伤仪器发射脉冲幅度能高达1000伏。在实际检测中，可以根据具体需要调整仪器的发射功率的大小。

发射功率大，其脉冲电压高，涉及到超声换能器元件的承受能力是否适合，如果电压太高，会导致压电晶体发热、加速老化甚至被击穿损坏，所以大功率超声波探伤仪使用的是专用探头而不能代以普通探头以免造成探头损坏。此外，发射功率大，其脉冲宽度也大，会影响检测时的分辨力，在要求高分辨力，特别是近表面分辨力要求高的情况下，则不宜使用过高的发射功率。当然，发射功率大，带来了检测灵敏度高、穿透距离大、穿透力强的好处，因此必须兼顾分辨力要求和被检材料的具体情况（如声衰减大小）等作综合考虑。

三.时基电路，又称时间扫描电路、扫描电路

在同步脉冲信号触发下，时基电路产生一个随时间呈线性变化的扫描锯齿波电压输送到示波管的水平偏转板上，示波管荧光屏上将出现一个电子束（光点）沿水平方向自左向右地、随时间成正比地扫描，由于人眼的余辉效应，在示波屏上将看到的是一条水平扫描线，又称为时基线或时间轴。同步脉冲信号每触发一次，电子束就扫描一次，所以重复频率越高，扫描线的亮度就越大。

通过调整时基电路内RC时间电路的电阻或电容，改变时间参数，可以改变扫描锯齿波电压的上升斜率，从而改变电子束的扫描速度，实现时基线与不同材料中不同的超声波传播时间

（声速不同或传播距离不同）呈线性关系，亦即可以调节探测范围。超声探伤仪上的时基线长度应大于示波屏的宽度以满足实际检测时调整的需要，这在时基电路中是通过调整锯齿波电压的幅度来控制时基线长度的。

在一些探伤仪中，为了便于观察距始脉冲（探测面位置）较远的缺陷信号，设置了延时电路，其作用是把同步信号延迟一段时间（延迟量可调整）后再触发扫描电路，或者说是滞后一段时间才开始电子束的扫描，从而能够以较快的扫描速度探查某一特定区域，把来自这一区域的回波展宽显示在示波屏上，便于对所关注的回波信号进行观察。还有的探伤仪上设置了标记电路，又称电子标记，它是在同步脉冲信号触发下，在时基线上出现的负向尖脉冲信号，其位置可以调节，用作探测距离或时基线上某位置的标志。

四.接收放大电路

接收放大电路的功能是把超声探头接收到的超声回波转换成的电信号加以放大，以满足显示观察的需要。它主要包括以下几个部分：

1.衰减器

这是由多节п型或г型网络，或两者混合组成的电阻分压器，接收探头输出的电信号首先进入衰减器，它可以以分贝（dB）为单位定量控制由衰减器输送到放大电路的信号，用以比较接收信号的强弱，便于对缺陷大小或材料的超声波衰减情况等进行定量评定。

对衰减器的要求是应具有一定的衰减量，一般至少为50分贝，目前商品化超声波探伤仪上的衰减器其衰减量多在80-110分贝之间。此外，衰减器的输入阻抗（特性阻抗）应为常数，不影响仪器的输入和输出阻抗，并且要与放大电路的阻抗相匹配。衰减器的分贝值必须精确，以免造成定量误差，一般要求至少达到2dB±0.1dB，这与衰减器所用电阻的性能与精度，以及衰减器的结构和接线方式有关。除此之外，衰减器应有良好的频率响应特性，即频带要足够宽，能覆盖探伤仪的整个工作频率范围。为了抵抗外界干扰，衰减器还应装有接地的屏蔽外壳。

2.前置放大电路

前置放大电路位于衰减器和高频放大电路之间，其功能是将接收到的微弱回波信号首先进行电压放大。超声探头接收到的回波信号一般只有数百微伏至几伏之间，为便于后面进一步的放大和处理，必须首先采取前置放大。

3.高频放大电路，又称主放大电路

前置放大电路输出的信号进入高频放大电路进行高增益的选频放大。

前置放大与高频放大合起来总称为接收放大电路，主要有以下几个方面的要求：

（1）采用宽频带放大电路以容纳尽可能多的回波脉冲信号的谐波成分，使放大后的脉冲信号不致失真（畸变）。不过，随着频带的加宽，将会相应增大噪声而降低信噪比，这是必须注意的。所谓放大器的频带宽度，是指放大器具有的频率特性，其放大倍数会随频率变化，在高频端和低频端的放大倍数都要下降，一般把放大倍数下降到相应中心频率放大倍数的21/2/2=0.707倍（即下降3分贝）时高低端频率之差作为放大器的频带宽度，它直接影响检测分辨率。频带宽度越大，脉冲宽度就越窄，放大后的波形畸变也越小，在配合以宽频带（窄脉冲）超声探头使用时，就能获得较高的检测分辨力。

（2）具有较高的增益，即有较大的放大倍数。增益越高，意味着放大电路输出信号幅度与输入信号幅度之比越大，检测灵敏度就越高。不过，随着增益的提高，噪声也要增大，因此决定了增益不可能达到非常高的程度。

（3）具有良好的放大线性，即放大电路输出信号的幅度与输入信号幅度有良好的正比例关系（线性关系），这决定着检测仪器显示部分的垂直线性，对准确评定回波信号大小进而判断缺陷大小起着重要作用。放大电路能够不失真地输出信号的最大幅度范围则决定了线性放大区-动态范围的大小。