超声波检测(第三章)

外壳 隔声层 电缆线 阻尼块 压电晶片 延时块 探伤区
3、探头的种类和结构
3) 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； 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。 聚焦理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。
2、压电材料的主要性能参数
5) 机械品质因子
压电晶片在谐振时贮存的机械能Ｅ 与在一个周期内损耗的能量Ｅ 压电晶片在谐振时贮存的机械能Ｅ贮与在一个周期内损耗的能量Ｅ损 之比称为机械品质因子。 之比称为机械品质因子。
θm
E贮 = E损
当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形， 当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形，因此机电耦 合系数分为厚度方向Ｋ 和径向Ｋ 。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋ 。Ｋp 合系数分为厚度方向Ｋt和径向Ｋp。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋp 越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降， 越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降，盲区增 大。
2、压电材料的主要性能参数
4) 机电耦合系数
机电耦合系数Ｋ，表示压电材料机械难（声能） 机电耦合系数Ｋ，表示压电材料机械难（声能）与电能之间的转换效率 Ｋ，表示压电材料机械难
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ正压电效应
转换的能量 K= 输入的能量
负压电效应
转换的电能 K= 输入的机械能 转换的机械能 K= 输入的电能
当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形， 当晶片振动时，同时产生厚度和径向两个方向的变形，因此机电耦 合系数分为厚度方向Ｋ 和径向Ｋ 。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋ 。Ｋp 合系数分为厚度方向Ｋt和径向Ｋp。Ｋt越大探测灵敏度越高。Ｋp 越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降， 越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率下降，盲区增 大。
— c)负压电效应 负压电效应
2、压电材料的主要性能参数
1) 压电应变常数
压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。
∆t d33 = (m / V ) U
式中 Ｕ——施加在压电晶片两面的应力 施加在压电晶片两面的应力 ∆t——晶片在厚度方向的变形量 晶片在厚度方向的变形量 压电应变常数d 是衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。 压电应变常数 33是衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。 D33值越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。 值越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。
中心开槽
3) 半圆试块
半圆试块是一种便于携带的 调校型试块，材质与IIW 调校型试块，材质与 试块相同， 试块相同，分中心开切口槽 与不开槽两种。 与不开槽两种。
T
R
3R
CSK-IA试块 4) CSK-IA试块
CSK-IA 试块是国 内自主设 计的标准 试块， 试块，功 能与IIW 能与 试块相同。 试块相同。 增加了 R50的反 的反 射面。 射面。 T R50 R100
外壳 电缆线 吸声材料 接口
斜楔
压电晶片 探伤区 阻尼块 声透镜 聚焦区
3、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、 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。 横波、表面波和板波探伤。
CSCS5) CS-1、CS-2试块
CSK试块(参考试块) 6) CSK-IIIA 试块(参考试块)
超声波探伤仪 一、 超声波探伤仪的概述 １、 超声波探伤仪的作用 超声波探伤仪是超声波探作的主体设备， 超声波探伤仪是超声波探作的主体设备，它的作用 是产生电振荡并加于换能器（探头） 是产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射 超声波，同时将探头送回的电信号进行放大， 超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定 的方式显示出来， 的方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺 陷位置大小等信息。 陷位置大小等信息。
2、压电材料的主要性能参数
2) 压电电压常数
压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小
g 33 =
Up p
(V / N )
——施加在压电晶片两面的应力 式中 P——施加在压电晶片两面的应力 Ｕp——晶片表面产生的电压梯度，即电压Ｕ与晶片厚度t之比， ——晶片表面产生的电压梯度，即电压Ｕ与晶片厚度t之比， 晶片表面产生的电压梯度 Ｕp ＝Ｕ／ｔ 压电电压常数g 是衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。 压电电压常数g33是衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。 值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。 g33值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。
外壳 角度标尺
接口
压电晶片 旋转杆 耦合剂
保护膜
4、探头型号和规格
1) 探头的标识
探头的型号标识由以下几部分组成： 探头的型号标识由以下几部分组成： 基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征
基本频率：探头的发射频率，用阿拉伯数字表示，单位为ＭＨｚ 基本频率：探头的发射频率，用阿拉伯数字表示，单位为ＭＨｚ 晶片材料： 晶片材料：用化学元素缩写符号表示 晶片尺寸：压电晶片的大小，圆形晶片用直径表示，矩形用长乘宽表示，单位mm 晶片尺寸：压电晶片的大小，圆形晶片用直径表示，矩形用长乘宽表示，单位 探头种类： 探头种类：汉语拼音缩写字母代表示 探头特征： 探头特征：汉语拼音缩写字母代表示
3、探头的种类和结构
直探头（纵波探头） 1) 直探头（纵波探头）
接口 直探头用于发射和接收纵波故又 称纵波探头。 称纵波探头。主要用于探测与探 测面平行的缺陷。 测面平行的缺陷。如板材锻件探 伤等。 伤等。
外壳
电缆线 阻尼块
压电晶片
保护膜
3、探头的种类和结构
2) 斜探头
斜探头可分为纵波斜探头（ 横波斜探头（ 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 横波斜探头 头(aL≧aII) 横波斜探头是利用横波探伤， 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。 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， 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 吸声材料 外壳 电缆线 接口
2、压电材料的主要性能参数
6) 频率常数
压电晶片的厚度与因有频率的乘积是一个常数， 压电晶片的厚度与因有频率的乘积是一个常数，这个常数叫作频率常数
cL N t = t ⋅ f 0 = (常数) 2
式中c ——晶片中纵波声速 式中cL——晶片中纵波声速 t——晶片厚度 ——晶片厚度 —— f0——晶片固有频率 ——晶片固有频率 晶片材料一定，频率越高， 晶片材料一定，频率越高，厚度越小
结论： 结论：超声波探头对晶片的要求
（1）机电耦合系数Ｋ较大，以便获得较高的转换效率 ）机电耦合系数Ｋ较大， （2）机械品质因子较小，以便获得较高的分辨率和较小的盲区 ）机械品质因子较小， （3）压电应变常数和压电电压常数较大， ）压电应变常数和压电电压常数较大， 以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度 （4）频率常数Ｎ较大，介电常数较小，以便获得较高的频率 ）频率常数Ｎ较大，介电常数较小， （5）居里温度Ｔ较高，声阻抗Ｚ适当 ）居里温度Ｔ较高，声阻抗Ｚ
2、压电材料的主要性能参数
3) 介电常数
介电常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。 介电常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。
t ε =C A
式中C——电容器电容 式中C——电容器电容 t——电容器极板距离 ——电容器极板距离 ——电容器极板面积 A——电容器极板面积 越大电容器存贮的电量越大。 介电常数 ε 越大电容器存贮的电量越大。越小电容器放电时间越快 频率越高。 频率越高。
二、 超声波探伤仪的分类
１、按波形特征分类 i 脉冲波超声波探伤仪 通过探头向工件周期性的发射不连续且频率不变的超声波， 通过探头向工件周期性的发射不连续且频率不变的超声波，要据超声 波的传播时间及幅度判断工件中的缺陷位置和大小， 波的传播时间及幅度判断工件中的缺陷位置和大小，是目前使用最广泛 的探伤仪。 的探伤仪。
IIW2试块也 试块也 是国际焊接学 会标准试块， 会标准试块， 由于外形像牛 角，故俗称牛 角试块。 角试块。与 IIW试块相 试块相 比IIW2试块 试块 体积小重量轻， 体积小重量轻， 形状简单， 形状简单，易 加工，便携带， 加工，便携带， 但功能较 IIW试块要 试块要 少。 T 25 中心不开槽 100 T 25 50 75 100
试块的种类和结构
IIW试块 1) IIW试块
IIW试块是 试块是 国际焊接学 会标准试块， 会标准试块， 该试块是荷 兰代表首先 提出来的， 提出来的， 故又称荷兰 试块， 试块，因形 状似船形又 称船形试块。 称船形试块。 T R 2R
IIW2试块 牛角试块) 试块( 2) IIW2试块(牛角试块)
Ｔ－重复周期
f0=1/t0 －标称频率
Ａ－振幅强度
二、 超声波探伤仪的分类
１、按波形特征分类 ii 连续波超声波探伤仪 这类仪器是连续的发射和接收频率和振幅都不变的超声信号， 这类仪器是连续的发射和接收频率和振幅都不变的超声信号，根据透 过工件的超声波变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小， 过工件的超声波变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小，这类仪器灵敏度 且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤仪所代替。 低，且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤仪所代替。
2、压电材料的主要性能参数
7) 居里温度
压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关， 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关，它只能在一定的 温度范围内产生，超过一定的温度压电效应就会消失。 温度范围内产生，超过一定的温度压电效应就会消失。使压电材料的 压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用Ｔc表示。 压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度， 表示。