超聲探傷儀、超聲波探頭、測(cè)試塊和耦合劑等是超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。超聲波檢測(cè)的主要設(shè)備是超聲波探傷儀,它可以快速、方便、無(wú)損傷地檢測(cè)、定位、評(píng)估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換,所以超聲波探頭也叫超聲波換能器,其電聲轉(zhuǎn)換是可逆的,且轉(zhuǎn)換時(shí)間極短,可以忽略不計(jì)。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式和電聲轉(zhuǎn)換的不同,超聲波換能器有很多種。這些電聲轉(zhuǎn)換方式有:利用某些金屬(鐵磁性材料)在交變磁場(chǎng)中的磁致伸縮,產(chǎn)生和接收超聲波;利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電磁超聲以及利用機(jī)械振動(dòng)、熱效應(yīng)和靜電法等都能產(chǎn)生和接收超聲波,利用壓電效應(yīng)原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。
一、影響超聲波探傷換能器性能的主要參數(shù)
超聲波換能器性能的主要參數(shù)包括頻率響應(yīng)、相對(duì)靈敏度、時(shí)間域響應(yīng)、電阻抗、聲束擴(kuò)散特性、斜探頭的入射點(diǎn)和折射角、聲軸偏斜角和雙峰等。
a. 頻率響應(yīng)
指在指定物體上測(cè)得的超聲波回波的頻率特性。在用頻譜分析儀測(cè)試頻率特性時(shí),從所得頻譜圖中得到換能器的中心頻率、峰值頻率、帶寬等參數(shù)。
b. 相對(duì)靈敏度
即在指定的介質(zhì)、聲程和反射體上,換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率。
c. 時(shí)間域響應(yīng)
通過(guò)超聲波回波的形狀、寬度、峰數(shù)可以對(duì)換能器的時(shí)間域相應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。
d. 超聲波換能器的聲場(chǎng)特性
包括距離幅度特性、聲束擴(kuò)散特性、聲軸偏斜角等。影響聲場(chǎng)特性的因素主要包括超聲波傳遞介質(zhì)以及超聲波換能器頻率成分的非單一性。
e. 斜探頭的人射點(diǎn)
斜探頭的人射點(diǎn)是指斜楔中縱波聲軸入射到換能器底面的交點(diǎn)。為了方便對(duì)缺陷進(jìn)行定位和測(cè)定換能器的K值,應(yīng)先測(cè)定出換能器的入射點(diǎn)和前沿長(zhǎng)度。
f. 斜探頭前沿距離
斜探頭前沿距離是從斜探頭人射點(diǎn)到換能器底面前端的距離,此值在實(shí)際探測(cè)時(shí)可用來(lái)在工件表面上確定缺陷距換能器前端的水平投影距離。
二、超聲波探傷換能器性能參數(shù)測(cè)試
超聲波傷換能器設(shè)計(jì)完成之后需要對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,主要測(cè)試項(xiàng)目及性能指標(biāo)見(jiàn)表3.3。
1. 探頭回波頻率及頻率誤差測(cè)量
a. 直探頭回波頻率的測(cè)試(圖3.7)
①. 將超聲波換能器置于1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試塊的25mm處。
②. 使用示波器觀察換能器接收到的回波波形,在此波形中,以峰值點(diǎn)P為基準(zhǔn),讀出P點(diǎn)前一個(gè)周期與后兩個(gè)周期共三個(gè)周期的時(shí)間T3,則回波頻率為fe=3/T3,進(jìn)而計(jì)算出回波頻率誤差
b. 斜探頭回波頻率的測(cè)量
將超聲波換能器置于1號(hào)試塊上使用示波器觀察R100圓弧面的最高回波。其余步驟與直探頭相同。
2. 分辨力(縱向)測(cè)量
a. 直探頭分辨力的測(cè)量
①. 示波器抑制置零或關(guān),其他旋鈕置適當(dāng)位置,連接探頭并置于CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上,觀察聲程分別為85mm和91mm反射面的回波波形(圖3.8),移動(dòng)探頭使兩波等高。
②. 改變靈敏度使兩次波幅同時(shí)達(dá)到滿(mǎn)幅度的100%,然后測(cè)量波谷高度h,則該超聲波換能器的分辨力R為 R = 20lg(100/h) , 若h=0或兩波能完全分開(kāi),則取R>30dB。
b. 斜探頭分辨力的測(cè)量
①. 如圖3.9所示,將超聲波換能器置于CSK-IA試塊的K值測(cè)量位置,確認(rèn)耦合良好的情況下,觀察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波波形,移動(dòng)探頭使兩波等高。
②. 適當(dāng)調(diào)節(jié)衰減或者增益,使A、B波幅同時(shí)達(dá)到滿(mǎn)幅度的100%,然后測(cè)量波谷高度h,則該探頭的分辨力R用上式計(jì)算。若h=0或兩波能完全分開(kāi),則取R>30 dB。
c. 小角度探頭分辨力的測(cè)量
將換能器放置于K<1.5的位置,后續(xù)步驟與斜探頭測(cè)試步驟相同。
3. 直探頭聲軸偏斜角的測(cè)量
a. 如圖3.10所示,在DB-H1試塊上選取橫通孔,通孔深度約為2倍被測(cè)探頭近場(chǎng)長(zhǎng)度。
b. 標(biāo)出探頭的參考方向,以橫通孔的中心軸為參考點(diǎn),將探頭的幾何中心與其對(duì)準(zhǔn),然后使探頭分別沿x的左右兩個(gè)方向的試塊中心線(xiàn)上移動(dòng),記錄孔波最高點(diǎn)時(shí)探頭距離參考點(diǎn)的距離D,其中孔波幅度最高點(diǎn)在x右邊時(shí)加上(十)號(hào),在x左邊時(shí)加上(一)號(hào)。
c. 繼續(xù)沿x的兩個(gè)方向移動(dòng)探頭,分別測(cè)出孔波幅度最高點(diǎn)與兩側(cè)孔波幅度下降6dB時(shí)的位置,分別標(biāo)定為W+x和W-x。
d. 最后沿y方向按以上兩條的方法沿試塊中心線(xiàn)移動(dòng),分別測(cè)出Dy、W+y和W-y。
f. Dx、Dy。為聲軸的偏移,W+x、W-x、W+y 和W-y,表示探頭在該條件下的聲束寬度,精確至1mm.則聲軸的偏斜角
4. 斜探頭、小角度探頭入射點(diǎn)的測(cè)定
a. 橫波斜探頭
連接待測(cè)量換能器,選取CSK-IA型準(zhǔn)或CSK-I型標(biāo)準(zhǔn)試塊,對(duì)試塊R100圓弧面進(jìn)行探測(cè),如圖3.11所示。保持探頭與試塊側(cè)面平行,沿左右兩個(gè)方向移動(dòng)探頭,觀察R100圓弧面的回波幅度達(dá)到最高時(shí)候的位置,則此時(shí)換能器的入射點(diǎn)為R100圓心刻線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的探頭側(cè)棱上的點(diǎn)。讀數(shù)精確到0.5mm。
b. 小角度縱波探頭
連接帶測(cè)量換能器,選取TZS-R試塊的R面,測(cè)量試塊A面下棱角,保持探頭聲束與試塊側(cè)面平行,前后移動(dòng)探頭,記錄A面下棱角回波達(dá)到最高的位置,此時(shí)探頭前沿至試塊A端的距離為x1,然后用二次反射波探測(cè)A面上棱角,同樣找到A面上棱角回波達(dá)到最高的位置,此時(shí)探頭前沿至試塊前端(A端)的距離為x2,則入射點(diǎn)至探頭前沿的距離為 a = x2 - 2x1 。
5. 斜探頭折射角的測(cè)量
測(cè)試設(shè)備包括探傷儀、1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試塊和刻度尺。
測(cè)試步驟:選取1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試塊觀察φ50mm孔的回波,探頭的位置按如下情況放置:當(dāng)K≤1.5時(shí),觀察圖3.12a的通孔回波;1.5<K≤2.5時(shí),觀察圖3.12b的通孔回波;當(dāng)K>2.5時(shí),探頭放置在如圖3.12c的位置,觀察φ1.5mm橫通孔的回波。前后移動(dòng)探頭,找到孔的回波最高位置并固定下來(lái),讀出此時(shí)入射點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的角度刻度β,β即為被測(cè)探頭折射角,讀數(shù)精確到0.5°。
6. 測(cè)量小角度縱波探頭的β角和K值
選取TZS-R試塊的C面或B面,并在測(cè)定探頭的前沿距離a之后,再按圖3.13所展示的方法,找到端面(A面)上棱角的最大反射波高位置,則探頭的K值和β角分別用下式計(jì)算。
小角度探頭人射角α和折射角β對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。
相對(duì)靈敏度測(cè)試如下:
a. 直探頭相對(duì)靈敏度(等同于探傷靈敏度余量)測(cè)量(圖3.14).
①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標(biāo)準(zhǔn)試塊。
②. 將儀器發(fā)射置強(qiáng),抑制置零或關(guān),增益置最大以達(dá)到儀器最大靈敏度。連接待測(cè)探頭。觀察此時(shí)儀器和探頭的噪聲電平是否高于滿(mǎn)幅度的10%,如果高于,則調(diào)節(jié)衰減或增益,在噪聲電平等于滿(mǎn)幅度的10%時(shí),記下衰減器的讀數(shù)S0。
③. 將探頭置于試塊端面上探測(cè)200mm處的Φ2平底孔。移動(dòng)探頭使中62平底孔反射波幅最高,并用衰減器將它調(diào)至滿(mǎn)幅度的50%,記下此時(shí)衰減器的讀數(shù)S1,則該探頭及儀器的探傷靈敏度余量S為
S=S1-S0 。
b. 斜探頭相對(duì)靈敏度測(cè)量(圖3.15)
連接好待測(cè)斜探頭,首先按照按直探頭的方法測(cè)量噪聲電平S0,然后將待測(cè)斜探頭放置在CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上,探測(cè)R100圓弧面,保證耦合良好的情況下,保持聲束方向與試塊側(cè)面平行,移動(dòng)待測(cè)探頭,找到R100圓弧面的一次回波幅度最高的位置,將其衰減至滿(mǎn)幅度的50%,此時(shí)衰減器的讀數(shù)為S2.則斜探頭的相對(duì)靈敏度S為 S = S2-S0 。
c. 小角度縱波探頭相對(duì)靈敏度測(cè)量
測(cè)量方法同橫波探頭的情況,但是基準(zhǔn)反射面要選取DB-H2試塊上φ3×80橫孔,如圖3.16所示。使用同樣的方式找到孔波最高的位置,將其衰減至滿(mǎn)刻度的50%,記錄衰減器的讀數(shù)S3,則S3-S0 的值即為被測(cè)探頭的相對(duì)靈敏度。
三、提高換能器性能措施
優(yōu)良信噪比是高性能換能器的基本要求。常用以下兩種方法來(lái)提高換能器的信噪比:一是增加激勵(lì)脈沖的電壓幅值,這樣可以增加發(fā)射聲功率,考慮到對(duì)待檢測(cè)物體與人體的影響以及實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn),不可能無(wú)限地增加發(fā)射功率;二是提高換能器本身的靈敏度。
換能器和電源內(nèi)阻間的阻抗匹配影響著換能器的靈敏度。由于待探測(cè)物體的聲阻抗與換能器材料的聲阻抗嚴(yán)重失配,這就造成了靈敏度較低。一般需要采用聲匹配和電路匹配方法,提高換能器的靈敏度。換能器的靈敏度越高,使用同樣激勵(lì),在相同的噪聲背景下,信噪比越高。
提高超聲波換能器的縱向和橫向分辨率也能改善換能器的性能。目前主要是通過(guò)提高換能器的工作頻率以及改善換能器的脈沖響應(yīng),實(shí)現(xiàn)寬帶窄脈沖??v向分辨率的提高主要是通過(guò)聲電匹配。換能器的聲束寬度決定了超聲檢測(cè)系統(tǒng)的橫向分辨率,采用聚焦超聲換能器,是提高換能器橫向分辨率最有效的方法。
四、換能器的評(píng)價(jià)
在超聲波技術(shù)中,超聲波換能器是一個(gè)非常重要的部分,可以說(shuō)超聲技術(shù)的發(fā)展直接取決于其研發(fā)水平。超聲換能器的研究與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)。超聲換能器發(fā)展水平越來(lái)越受到電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及新材料技術(shù)發(fā)展的影響。超聲波換能器中最重要的就是換能器的材料,高效、廉價(jià)、無(wú)污染的新型換能器材料的研制是目前的主要發(fā)展方向。在換能器的材料研發(fā)方面,弛豫型壓電單晶材料具有較好的發(fā)展前景,如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛以及鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛等,有望在超聲等技術(shù)中獲得更為廣泛的應(yīng)用。換能器的測(cè)試技術(shù)則主要體現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)大功率超聲換能器性能的實(shí)時(shí)測(cè)試與定量測(cè)試,這也和超聲波換能器的發(fā)展有著密切的關(guān)系。
總之,超聲技術(shù)中的兩個(gè)主要的研究方面就是超聲波的產(chǎn)生與測(cè)試,兩者的發(fā)展是相互影響的。目前的情況是超聲的測(cè)試技術(shù)發(fā)展滯后于超聲的產(chǎn)生技術(shù)研究,可以預(yù)見(jiàn),隨著超聲換能器技術(shù)水平提高,超聲技術(shù)的發(fā)展一定會(huì)隨之進(jìn)人新的階段。