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1、中国机械工程学会无损检测分会中国机械工程学会无损检测分会 UT培训讲义UT培训讲义 本讲义由学会常务委员 晏荣明编写 （仅供参考） 中国机械工程学会无损检测分会深圳市无损检测人员培训中心 电话：021-65550277 电话：13538291001 邮箱：chsndt2008 邮箱：yanrongming 第三章 超声检测系统第三章 超声检测系统 CHAPTER 3 ULTRASONIC TESTING SYSTEM 内容内容CONTENTS 超声检测仪器超声检测仪器UT UNITS 超声检测探头超声检测探头UT TRANSDUCERS 耦合剂耦合剂COUPLANTS 超声检测试块超声检测试块
2、 UT BLOCKS 检测系统的性能及测试检测系统的性能及测试 PERFORMANCE &TESTING 超声检测仪器超声检测仪器UT UNITS 功能和分类功能和分类Function and Classification A型脉冲反射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪 A-scan Pulse Echo Analog UT Instrument A型脉冲反射式数字式超声探伤仪型脉冲反射式数字式超声探伤仪 A-scan Pulse Echo Digital UT Instrument 超声测厚仪超声测厚仪ultrasonic thickness gouge 功能和分类功能和分类 Fun
3、ction and Classification 产生必要的电脉冲激励信号提供给发射换 能器以便激发超声波； 接收、处理、分析并显示来自接收换能器 的包含被检对象的不连续性或物理量信息 的信号，以便对不连续性或物理量作出评 价。 功能和分类功能和分类 Function and Classification 按应用领域分 超声波探伤仪 超声波测厚仪 超声波声速仪 超声波流量计 功能和分类功能和分类 Function and Classification 超声波探伤仪 按超声波种类分：连续波、脉冲波、调频波； 按显示方法分 ：A扫描、B扫描、C扫描； 按信号处理方法分：模拟式、数字式。 A型脉冲反
4、射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪 A-scan Pulse Echo Analog UT Instrument 工作原理 电路分析 A型脉冲反射式模拟超声探伤仪旋钮 A型脉冲反射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪 A-scan Pulse Echo Analog UT Instrument A型脉冲反射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪 A-scan Pulse Echo Analog UT Instrument 同步电路 发射电路 时基电路 接收电路 放大电路 显示电路 A型脉冲反射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪A-scan Pulse Echo An
5、alog UT Instrument 同步电路同步电路 功能：产生周期脉冲信号（即同步信号）， 用以触发探伤仪各部分协同工作。 要求：前沿陡；重复频率有一定范围，通 常在50Hz4000Hz，以适应不同尺寸工件 和不同扫描速度的探伤。 影响：灵敏度和时基线的亮度。 A型脉冲反射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪A-scan Pulse Echo Analog UT Instrument 发射电路发射电路 功能：在同步信号的触发下，以重复频率产生高 频高压的发射信号，用以激励探头中的晶片振动， 从而产生超声波。 要求：高脉冲幅度(300-1000v)以提高探头的辐 射强度从而提高超声波的
6、穿透力和灵敏度；窄脉 冲宽度以覆盖很宽的频率范围和提高分辨率。 影响：超声波的穿透力，检测灵敏度和分辨力。 A型脉冲反射式模拟超声探伤仪型脉冲反射式模拟超声探伤仪A-scan Pulse Echo Analog UT Instrument 时基电路时基电路 功能：在同步信号的触发下，以重复频率产生锯 齿波信号，加在示波管的水平偏转板上，形成水 平扫描线。 要求：线性好，以提高仪器的水平线性，进而提 高定位精度；锯齿波信号的斜率可调，以调节仪 器的扫描范围，适应不同尺寸工件的检测。 影响：仪器的水平线性；扫描范围。 接收电路接收电路 功能：探头接收到微弱的的回波信号先用经校核 的衰减器进行衰减（
7、最大30dB40dB），以便 作定量评定；阻抗匹配，频率调谐。 要求：宽频带以覆盖更大频率范围；好的放大线 性以提高仪器的垂直线性及定量评定精度；短阻 塞时间以缩短盲区。 影响：系统的灵敏度和上盲区；仪器的垂直线性 调整 匹配阻抗 调谐频率 衰减挡位 放大电路放大电路 功能 信号放大（净增益总量60dB80dB） 频带滤波 再进行放大，加在示波管的垂直偏转板，以显 示回波的形状。 要求：高放大倍数以使信号得到足够放大， 因而提高灵敏度； 调整 增益 频带选择 检波电路检波电路 功能 整流和滤波，提取载频脉冲的包络信号 射频信号 探头自振频率或发射载波频率的超声波，通过短时脉冲调制 形成超声波交
8、变信号。 显示屏上满幅显示（050%） 同时有脉冲信息和载波信息 检波（视频）信号 直流脉冲包络信号 显示满幅（0100%） 只有脉冲信息 信号抑制电路 将小信号斩波到零 检波电路检波电路 A型脉冲反射式数字式超声探伤仪型脉冲反射式数字式超声探伤仪 A-scan Pulse Echo Digital UT Instrument 超声测厚仪超声测厚仪 ultrasonic thickness gouge 共振式测厚仪共振式测厚仪 脉冲反射式测厚仪脉冲反射式测厚仪 兰姆波测厚仪兰姆波测厚仪 超声测厚仪超声测厚仪共振式共振式 原理 连续波垂直入射到工件中，当厚度为半波长整数倍时， 形成驻波，产生共振
9、。 优点：可测厚度下限0.1mm，精度0.1； 缺点：不能直读结果，需要计算。 1 22 1 2() n nn c nn f n c ff 当时，测得相邻两个共振频率后，即可计算厚度： 超声测厚仪超声测厚仪脉冲反射式脉冲反射式 原理 通过测量超声波在工件中往返时间，根据声速计算： 两种方法： 始波与第一次底波之间的时间，可测下限1-1.5mm； 第一次和第二次底波之间的时间，可测下限0.25mm. 优点：精度0.01mm，应用最广。 2 ct 超声测厚仪超声测厚仪兰姆波兰姆波 原理 在频率、入射角和厚度一定时激发兰姆波， 然后，改变入射角或频率，产生兰姆波， 根据入射角或频率测量厚度。 应用较
10、少。 超声检测探头超声检测探头TRANSDUCERS 功能和分类功能和分类Function & Classification 压电效应和压电材料压电效应和压电材料 Piezoelectric Effect & Material 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 探头电缆线探头电缆线Transducer Cable 功能和分类功能和分类Function & Classification 探头在超声检测中起能量转换的作用。 发射探头把仪器发射电路提供的电能转换 成机械振动能（尤其超声能）向被检工件 中辐射超声波。 接收探头把机械能（即接收到的超声波） 转
11、换成电能，被仪器接收。 功能和分类功能和分类Function & Classification 按应用领域分 ：探伤探头、测厚探头、测距探头 按耦合方法分 ：接触式探头、液浸式探头 按晶片数量分：单晶探头、双晶 探头 按声束与工件表面的夹角分：直探头、斜探头 按所激发的波型分 ：纵波探头、横波探头、表面波探头 按能量是否聚焦分 ：普通探头、聚焦探头 压电式超声探头压电式超声探头 Piezoelectric Transducer 接触式单晶直束纵波探头 接触式单晶斜束探头 接触式双晶探头 水浸式单晶直束纵波聚焦探头 探头型号命名 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Trans
12、ducer 接触式单晶直束纵波探头接触式单晶直束纵波探头 原理：晶片作厚度方向振动，产生纵波。 晶片： 发射和接收超声波的作用； 结构 1-接头2-外壳3-接线4-匹配线圈5-阻尼块 6-内壳7-压电晶片8-保护膜 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 接触式单晶直束纵波探头接触式单晶直束纵波探头 晶片：发射和接收超声波； 阻尼块：增加晶片阻尼、吸收往背面辐射的声波； 保护膜：保护晶片免受磨损和损伤。 特点：结构简单，使用方便； 应用：直射声束纵波检测。 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 接触式单晶斜束探头接触
13、式单晶斜束探头 原理：在发射信号的激励下，晶片产生纵波，倾 斜传到斜楔与被检工件的界面时，发生折射和波 型转换，在工件中得到与探头固有频率相同频率 的所需要波型。 结构 1-接头 2-外壳 3-接线 4-匹配线圈 5-阻尼块 6-内壳 7-压电晶片 8-保护膜 9-斜楔 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 接触式单晶斜束探头接触式单晶斜束探头 斜楔：保护晶片和转换波型。 特点：产生斜向声束；可通过不同的斜楔角度得 到不同的波型。 应用：横波检测、表面波检测、板波检测。 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 接触式
14、双晶直束纵波探头接触式双晶直束纵波探头 原理：两晶片一发一收，分别发射和接收 信号。 结构 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 接触式双晶直束纵波探头接触式双晶直束纵波探头 隔声层：阻止发射信号直接被接收。 特点：高幅度的发射信号未直接进入接收 电路造成阻塞，所以检测盲区小；具有一 定的聚焦效果。 应用：测厚、薄板及近表面不连续性的检 测；还还用于粗晶材料的斜束检测。 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 水浸式单晶直束纵波聚焦探头水浸式单晶直束纵波聚焦探头 原理：直探头发射超声波，经透镜聚焦。 结构：直探头和平
15、凹球面声透镜组合。 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 水浸式单晶直束纵波聚焦探头水浸式单晶直束纵波聚焦探头 特点：聚焦探头能量集中、检测灵敏度高、 横向分辨率好。 应用：特别适合于不连续性的定位和定量 的精确评定。 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 探头型号命名探头型号命名 斜探头钢中折射角正切 或度数用阿拉伯数字表 示 用一个或两个汉语拼音字母表示， 直探头 可不标 用阿拉伯数字表示，单位mm，其中圆形晶片为直径； 矩形晶片为长X宽；分割晶片为分割前的尺寸 用化学元素缩写符号表示 用阿拉伯数字表示，单位M
16、Hz 基本频率 晶片材料 晶片尺寸 特 征 探头种类 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 探头型号命名探头型号命名 晶晶 片片 材材 料料 代代 号号 锆钛酸铅陶瓷 P 钛酸钡陶瓷 B 钛酸铅陶瓷 T 铌酸锂单晶 L 碘酸锂单晶 I 石英单晶 Q 其他材料 N 压电式超声探头压电式超声探头Piezoelectric Transducer 探头型号命名探头型号命名 探探 头头 种种 类类 代代 号号 直探头 Z 斜探头（用K表示） K 斜探头（用角度表示） X 分割探头 FG 水浸探头 SJ 表面波探头 BM 可变角探头 KB 压电式超声探头压电式超声探
17、头Piezoelectric Transducer 探头型号命名探头型号命名 2.5 B 20 Z 种类：直探头 晶片直径：14mm 晶片材料：钛酸钡陶瓷 基本频率：2.5MHz 5 P 6*6 K 3 特征值：K值为3 种类：用K值表示的斜探头 晶片尺寸：长*宽 晶片材料：PZT 基本频率：5MHz 探头电缆线探头电缆线Transducer Cable 耦合剂耦合剂COUPLANTS 材料材料 声阻抗声阻抗 优点优点 缺点缺点 备注备注 水 1.5 便宜 生锈、 不易润湿、 粘度低 添加防锈剂、润 湿剂 机油 1.28 润湿性和粘度合 适、无腐蚀 甘油 2.43 耦合效果好 腐蚀、贵 水玻璃
18、 2.17 化学浆糊 便宜 腐蚀 超声检测试块超声检测试块UT BLOCKS 功能和分类功能和分类Function & Classification 标准试块标准试块Standard Block 参考试块参考试块Reference Block 功能和分类功能和分类Function & Classification 功能 探伤仪性能、探头性能以及二者组成的检测系 统的综合性能的测量、校验； 仪器定标和灵敏度的调整；不连续性的定位和 定量评定。 分类 标准试块； 参考试块。 功能和分类功能和分类Function & Classification 制作试块材料的要求 标准试块：符合标准； 参考试块：
19、与被检工作相同或相似；不应有妨碍 使用的缺陷。 功能和分类功能和分类 Function & Classification IIW1试块 IIW2 试块 ASTM铝合金试块 半圆试块 标准试块标准试块Standard Block 标准试块标准试块Standard Block 标准试块标准试块Standard Block 用用 途途 分分 类类 内内 容容 反反 射射 体体 水平线性 垂直线性 仪仪 器器 动态范围 25或100mm平面 斜探头入射点 R50或R100mm圆柱面 斜探头折射角 50或1.5mm圆柱孔 斜探头声束轴线偏离角 25mm端角 斜探头声束宽度 50mm圆柱面 探探 头头 斜
20、探头回波频率 R100mm圆柱面 斜探头的灵敏度余量测量 R100mm圆柱面 直探头远场分辨率 85mm槽底、91和100mm平面 斜探头远场分辨率 50、44和40mm圆柱孔 直探头盲区（估计） 50mm圆柱孔（至两侧距离5和10mm） 测测 试试 性性 能能 综综 合合 最大穿透力 23mm有机玻璃 调节仪调节仪 器状态器状态 定标、扫描范围 25和100mm平面或R50和R100mm圆柱 面 标准试块标准试块Standard Block 标准试块标准试块Standard Block 用用 途途 分分 类类 内内 容容 反反 射射 体体 水平线性 垂直线性 仪仪 器器 动态范围 12.5m
21、m平面 斜探头入射点 R50或R25mm圆柱面 斜探头折射角 5mm圆柱孔 测测 试试 性性 能能 探探 头头 斜探头声束轴线偏离 12.5mm端角 时时 基基 定标、扫描范围 12.5mm平面或 R50和R25mm圆 柱面 调节调节 和校和校 核仪核仪 器状器状 态态 灵灵 敏敏 度度 回波高度 5mm圆柱孔 标准试块标准试块Standard Block 标准试块标准试块Standard Block 参考试块参考试块Reference Block 焊缝试块 棒试块 管试块 参考试块参考试块Reference Block RB-1, RB-2 2 300 5050 参考试块参考试块Reference Block RB-3 参考试块参考试块Reference Block 棒试块棒试块 参考试块参考试块Reference Block 管试块