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1、核工业无损检测中心核工业无损检测中心NUCLEAR NDT CENTERNUCLEAR NDT CENTER超超声声-I-I 讲义讲义(三、设备三、设备)钟志民钟志民z z1 超声仪器超声仪器n超声波探伤仪的作用超声波探伤仪的作用 产生电脉冲激发超声探头发射超声波，同时产生电脉冲激发超声探头发射超声波，同时接收来自探头的电信号并显示，得到显示的接收来自探头的电信号并显示，得到显示的幅度、位置等信息。幅度、位置等信息。主要使用主要使用A型脉冲反射式超声探伤仪型脉冲反射式超声探伤仪。分类分类 波的连续性，显示，通道，声波传播波的连续性，显示，通道，声波传播 1 超声仪器超声仪器n1.3 A型脉冲反
2、射式超声探伤仪型脉冲反射式超声探伤仪 主要有以下五种基本电路：主要有以下五种基本电路：同步电路同步电路 发射电路发射电路 扫描电路扫描电路 接收接收/放大电路放大电路 显示电路显示电路 和各种辅助电路，如延迟、报警、闸门、补和各种辅助电路，如延迟、报警、闸门、补偿等。偿等。1.4 A型脉冲反射式超声探伤仪框图型脉冲反射式超声探伤仪框图 1.5 工作原理工作原理n同步电路产生同步脉冲，触发扫描电路和发射电路。同步电路产生同步脉冲，触发扫描电路和发射电路。此时，扫描电路产生锯齿波电压，加于示波管的水此时，扫描电路产生锯齿波电压，加于示波管的水平偏转板上，示波管电子束作水平扫描，形成水平平偏转板上，
3、示波管电子束作水平扫描，形成水平的时基线。的时基线。此外，发射电路产生高压脉冲，加于探头晶片，电此外，发射电路产生高压脉冲，加于探头晶片，电能转化为声能。能转化为声能。超声波在工件中传播，遇到缺陷或界面产生反射波。超声波在工件中传播，遇到缺陷或界面产生反射波。其被探头接收，声能转化为电能输入接收电路。其被探头接收，声能转化为电能输入接收电路。放大电路将微弱信号放大加于示波管的垂直偏转板放大电路将微弱信号放大加于示波管的垂直偏转板上，示波管电子束作垂直移动，形成回波显示。上，示波管电子束作垂直移动，形成回波显示。显示的位置反映了缺陷的声程，波高反映缺陷的当显示的位置反映了缺陷的声程，波高反映缺陷
4、的当量大小。量大小。1.6 调整调整1）调节显示器的旋钮）调节显示器的旋钮 辉度辉度/聚焦聚焦/水平（零位调节）水平（零位调节）/垂直（时基线上下移垂直（时基线上下移动）动）2）调节发射器的旋钮）调节发射器的旋钮 工作方式（单发单收工作方式（单发单收/一发一收）一发一收）发射强度发射强度 3）调节接收器的旋钮）调节接收器的旋钮 衰减器衰减器 增益增益 深度补偿深度补偿/显示选择（检波）显示选择（检波）/抑制抑制1.6 调整调整4）调节时基器的旋钮）调节时基器的旋钮 深度粗调深度粗调 深度微调深度微调 延迟延迟5）调节脉冲重复频率的旋钮）调节脉冲重复频率的旋钮1.7 维护维护1.不可错误使用不可
5、错误使用2.长期不使用的过程中，定期通电长期不使用的过程中，定期通电3.运输的注意事项运输的注意事项4.故障的处理故障的处理1.8 数字超声探伤仪的特点数字超声探伤仪的特点1.速度快速度快2.精度高精度高3.可靠性高，稳定性好可靠性高，稳定性好4.体积小重量轻体积小重量轻5.记录与存档方便记录与存档方便6.易于扩展。易于扩展。7.成像。成像。2 超声探头超声探头2.1 压电效应压电效应 某些晶体材料在某些晶体材料在交变应力交变应力作用下形变时作用下形变时产生产生交变电场交变电场的现象叫的现象叫正压电效应正压电效应。反之，晶体材料在反之，晶体材料在交变电场交变电场作用下产生作用下产生交变应力和形
6、变的现象叫交变应力和形变的现象叫逆压电效应逆压电效应。压电效应压电效应:正逆压电效应正逆压电效应 压电晶体（压电材料）压电晶体（压电材料）.2.1 压电效应压电效应 2.2 超声探头超声探头 发射超声波和接收超声波的电声换能器。发射超声波和接收超声波的电声换能器。一般，超声探头晶片是利用压电效应工一般，超声探头晶片是利用压电效应工作的。作的。2.3 探头的种类探头的种类(1)波型分类：波型分类：纵波探头纵波探头 横波探头横波探头 表面波探头表面波探头(2)接触方式：接触式接触方式：接触式/液浸式液浸式(3)声束聚焦：聚焦和非聚焦声束聚焦：聚焦和非聚焦(4)晶片数量：单晶片探头晶片数量：单晶片探
7、头/双晶片探头双晶片探头(5)声束入射：直探头声束入射：直探头/斜探头斜探头/可变角探头可变角探头2.4 直探头（纵波接触式直探头）直探头（纵波接触式直探头）主要特点：主要特点：1）适宜探测基本与探测面相平行的缺陷）适宜探测基本与探测面相平行的缺陷 2）广泛应用于锻件、板材、铸件的探伤）广泛应用于锻件、板材、铸件的探伤 3）测厚的应用。）测厚的应用。4）探测近表面盲区大，分辨力低。）探测近表面盲区大，分辨力低。2.4.1 直探头主要结构直探头主要结构 1.晶片晶片 2.阻尼块和吸声材料阻尼块和吸声材料 3.保护膜保护膜 4.外壳外壳 5.接线柱接线柱直探头主要结构直探头主要结构 1.晶片晶片:
8、以以逆压电效应发射逆压电效应发射超声波超声波 以以正压电效应接收正压电效应接收超声波超声波 特点：特点：尺寸越大，发射能量越大尺寸越大，发射能量越大 指向性越好，灵敏度高但近场长度大指向性越好，灵敏度高但近场长度大 直探头主要结构直探头主要结构 2.阻尼块和吸声材料阻尼块和吸声材料 粘附在晶片后面具有阻尼作用的块状物。粘附在晶片后面具有阻尼作用的块状物。作用：作用：1）阻尼晶片振动，减小脉冲宽度（持续振）阻尼晶片振动，减小脉冲宽度（持续振动时间），提高分辨力，减小盲区。动时间），提高分辨力，减小盲区。2）吸收晶片背面杂波，提高信噪比。）吸收晶片背面杂波，提高信噪比。3）支撑晶片。）支撑晶片。直
9、探头主要结构直探头主要结构3.保护膜：保护晶片不致磨损或损坏。保护膜：保护晶片不致磨损或损坏。硬保护膜硬保护膜（刚玉）适用于光洁度高的表面（刚玉）适用于光洁度高的表面（如锻件表面）；（如锻件表面）；软保护膜适用于光洁度低或表面较软的工件软保护膜适用于光洁度低或表面较软的工件表面（如轴瓦合金）。表面（如轴瓦合金）。2.5 斜探头斜探头1.类型：类型：主要有纵波（主要有纵波（L 1）横波（横波（1 L II）表面波（表面波（L II）板波探头板波探头2.特点：声束倾斜入射特点：声束倾斜入射 适用于探测与探测面成一定角度的缺陷，如适用于探测与探测面成一定角度的缺陷，如焊缝、管材、锻件的探伤。焊缝、管
10、材、锻件的探伤。2.5.3 斜探头主要结构斜探头主要结构横波斜探头与直探头的主要区别：横波斜探头与直探头的主要区别：1）多透声斜楔：）多透声斜楔：实现波型转换，使工件中实现波型转换，使工件中只存在折射横波只存在折射横波 特点：特点：纵波声速小于工件波声速小于工件纵波声速波声速 衰减系数适当衰减系数适当 耐磨宜加工耐磨宜加工 加工吸声槽，减少反射加工吸声槽，减少反射杂波波2）少保护膜）少保护膜 晶片不与工件直接接触晶片不与工件直接接触横波斜探头的标称方式横波斜探头的标称方式1.纵波入射角标称纵波入射角标称 30，45 等等2.横波折射角标称横波折射角标称 45 60 70等等3.横波折射角的正切
11、值横波折射角的正切值K标称标称 k=1,1.5,2,2.5,3等等2.6 双晶探头双晶探头1.类型：一个发射类型：一个发射/一个接收一个接收双晶纵波双晶纵波双晶横波双晶横波2.特点：灵敏度高；杂波少盲区小特点：灵敏度高；杂波少盲区小 近场长度小（延迟块的采用）近场长度小（延迟块的采用）探测范围可调探测范围可调主要用于探伤近表面缺陷。主要用于探伤近表面缺陷。制作成本高，覆盖深度有限。制作成本高，覆盖深度有限。2.6.3 双晶探头结构双晶探头结构聚焦探头聚焦探头1.类型：点聚焦，线聚焦类型：点聚焦，线聚焦/水浸聚焦，接触水浸聚焦，接触聚焦聚焦2.特点：特点：点聚焦：灵敏度高，分辨力高；点聚焦：灵敏
12、度高，分辨力高；但覆盖范围小；但覆盖范围小；线聚焦：灵敏度高，线聚焦：灵敏度高，覆盖范围略大。覆盖范围略大。超声探头的型号超声探头的型号基本频率基本频率 晶片材料晶片材料 晶片尺寸晶片尺寸 探头种类探头种类 特征特征 MHz 元素缩写符号元素缩写符号 mm 拼音缩写拼音缩写 K，MM(1)直探头型号举例直探头型号举例 2.5B20Z(2.5MHz,钛酸钡晶片，直径钛酸钡晶片，直径20mm，直探头），直探头）(2)斜探头型号举例斜探头型号举例 5P86K1(5MHz,锆钛酸铅晶片，锆钛酸铅晶片，86mm，斜探头，斜探头，K=1）3试块试块3.1 定义：超声检测中，特定材料设计制定义：超声检测中，
13、特定材料设计制作的有专门用途的试样。作的有专门用途的试样。主要用途：主要用途：1）测试仪器和探头性能）测试仪器和探头性能 2）调节扫描速度和灵敏度）调节扫描速度和灵敏度 3）判定缺陷大小）判定缺陷大小 4）测定材料声学性质（声速，衰减等）测定材料声学性质（声速，衰减等）试块分类试块分类1.来历来历(1)标准试块（标准试块（STB）如如IIW和和IIW2试块试块 (2)参考试块参考试块/对比试块（对比试块（RB）各部门依据具体检测对象的探伤需要制定的各部门依据具体检测对象的探伤需要制定的试块。试块。如如CS-I，CSK-IIA试块分类试块分类2.反射体反射体(1)平底孔试块平底孔试块(2)横孔试
14、块横孔试块(RB-3)(3)槽形试块（矩形槽，槽形试块（矩形槽，V形槽，形槽，U形槽）形槽）(4)自然缺陷试块自然缺陷试块 试块分类试块分类4.用途用途(1)钢管试块钢管试块(2)钢板试块钢板试块(CB-II5平底孔）平底孔）(3)焊缝试块焊缝试块(4)叶根试块叶根试块 钢、铝压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块钢、铝压力管道和管子焊接接头超声检测对比试块常用试块常用试块试块试块（国际焊接协会（国际焊接协会/荷兰荷兰/船形）船形）(1)材质：材质：20g (2)用途用途 测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围 调节扫描速度和范围调节扫描速度和范围 测定直
15、探头与仪器的分辨力、盲区、最大穿透能力测定直探头与仪器的分辨力、盲区、最大穿透能力 测定斜探头的入射点、折射角（测定斜探头的入射点、折射角（K值）、声束偏斜。值）、声束偏斜。1955年荷兰人提出；1958年国际焊接学会通过并命名为IIW试块；ISO组织推荐使用。常用试块常用试块(1)台阶孔台阶孔(2)阶梯圆弧阶梯圆弧 (3)折射角改为折射角改为K值值(4)材质一般同工件材质一般同工件 CSK-IA 试块图A.4 CSK-IB 试块常用试块常用试块测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围调节扫描速度和范围调节扫描速度和范围测定斜探头的入射点、折射角（测定斜探头
16、的入射点、折射角（K值）值）调节灵敏度调节灵敏度图A.4 CSK-IB 试块常用试块常用试块4.半圆试块（中心切槽半圆试块（中心切槽/不切槽）不切槽）测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围测定仪器的水平线性、垂直线性、动态范围调节扫描速度和范围调节扫描速度和范围测定斜探头的入射点测定斜探头的入射点调节灵敏度调节灵敏度图A.4 CSK-IB 试块常用试块常用试块5.CS-1(26)，CS-2(66)试块试块（平底孔试块）（平底孔试块）仪器的水平线性、垂直线性、动态范围仪器的水平线性、垂直线性、动态范围测定平底孔测定平底孔AVG调节灵敏度，缺陷定量定位调节灵敏度，缺陷定量定位测定直探头与仪器组合性
17、能测定直探头与仪器组合性能图A.4 CSK-IB 试块常用试块常用试块A，CSK-A,CSK-A焊缝超声探伤用横孔试块焊缝超声探伤用横孔试块材质与工件相同或相近。材质与工件相同或相近。适用的厚度范围不同适用的厚度范围不同（8-120mm；120mm以上）以上）图A.4 CSK-IB 试块常用试块常用试块试块（试块（GB11345-89）焊缝超声探伤用焊缝超声探伤用3横孔试块横孔试块材质与工件相同或相近。材质与工件相同或相近。RB-1RB-2RB-3图A.4 CSK-IB 试块试块的要求与维护试块的要求与维护1.标准试块、对比试块的要求标准试块、对比试块的要求形状要求：小，轻，宜加工，携带，适用
18、；形状要求：小，轻，宜加工，携带，适用；材质要求：均匀，无杂质，无影响使用的缺陷；材质要求：均匀，无杂质，无影响使用的缺陷；标准试块具有广泛的代表性；标准试块具有广泛的代表性；对比试块材料声学特性应尽可能与工件一致。对比试块材料声学特性应尽可能与工件一致。精度要求：平行度精度要求：平行度/垂直度垂直度/尺寸公差尺寸公差粗糙度：标准试块粗糙度：标准试块/对比试块对比试块图A.4 CSK-IB 试块试块的要求与维护试块的要求与维护2.试块的维护试块的维护1）编号登记管理；）编号登记管理；2）使用、运输中注意保护；）使用、运输中注意保护；3）防锈的问题；）防锈的问题；4）使用时，清除反射体内的油污；
19、）使用时，清除反射体内的油污；5）妥善保管，防止重压和火烤，防止变形。）妥善保管，防止重压和火烤，防止变形。图A.4 CSK-IB 试块试块的要求与维护试块的要求与维护2.试块的维护试块的维护1）编号登记管理；）编号登记管理；2）使用、运输中注意保护；）使用、运输中注意保护；3）防锈的问题；）防锈的问题；4）使用时，清除反射体内的油污；）使用时，清除反射体内的油污；5）妥善保管，防止重压和火烤，防止变形。）妥善保管，防止重压和火烤，防止变形。图A.4 CSK-IB 试块常用耦合剂及要求常用耦合剂及要求1.耦合耦合耦合的好坏影响超声能量传入工件的高低。耦合的好坏影响超声能量传入工件的高低。2.耦
20、合剂的作用耦合剂的作用(1)排出空气排出空气(2)减小摩擦，便于操作减小摩擦，便于操作(3)保护探头保护探头图A.4 CSK-IB 试块常用耦合剂及要求常用耦合剂及要求3.常用耦合剂的要求常用耦合剂的要求(1)润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，不难清洗；不难清洗；(2)声阻抗高，透声性好；声阻抗高，透声性好；(3)来源广，价格便宜；来源广，价格便宜；(4)对工件、人体、环境无害；对工件、人体、环境无害；(5)性能稳定，容易保存。性能稳定，容易保存。常用耦合剂常用耦合剂(1)水水 (2)甘油甘油 (3)机油机油 (4)化学浆糊化学浆糊图A
21、.4 CSK-IB 试块常用耦合剂及要求常用耦合剂及要求3.常用耦合剂的要求常用耦合剂的要求(1)润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，润湿工件和探头表面，流动性、粘度和附着力适当，不难清洗；不难清洗；(2)声阻抗高，透声性好；声阻抗高，透声性好；(3)来源广，价格便宜；来源广，价格便宜；(4)对工件、人体、环境无害；对工件、人体、环境无害；(5)性能稳定，容易保存。性能稳定，容易保存。常用耦合剂常用耦合剂(1)水水 (2)甘油甘油 (3)机油机油 (4)化学浆糊化学浆糊图A.4 CSK-IB 试块4仪器和探头性能及测试仪器和探头性能及测试仪器的性能仪器的性能1)垂直线性垂直线性；仪器
22、的垂直线性是指仪器屏幕上的仪器的垂直线性是指仪器屏幕上的波高波高与探头接收的与探头接收的信号之间成正比的程度信号之间成正比的程度。垂直线性的好坏。垂直线性的好坏影响缺陷定影响缺陷定量精度量精度。垂直线性误差垂直线性误差5%（JB4730-2005）图A.4 CSK-IB 试块仪器的性能仪器的性能2)水平线性水平线性 仪器水平线性是指仪器屏幕上时基线显示的仪器水平线性是指仪器屏幕上时基线显示的水平刻度水平刻度值与实际声程之间成正比的程度，值与实际声程之间成正比的程度，或者说是屏幕上多或者说是屏幕上多次底波等距离的程度。仪器水平线性的好坏直接次底波等距离的程度。仪器水平线性的好坏直接影响影响测距精
23、度测距精度，进而，进而影响缺陷定位影响缺陷定位。水平线性误差水平线性误差1%（JB4730-2005）3)动态范围动态范围 动态范围是指仪器屏幕容纳信号大小的能力。动态范围是指仪器屏幕容纳信号大小的能力。一般不得小于一般不得小于26dB。图A.4 CSK-IB 试块探头的性能探头的性能1)斜探头的入射点和前沿距离斜探头的入射点和前沿距离n斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对
24、缺陷定位和测定探头的和测定探头的K值。值。图A.4 CSK-IB 试块探头的性能探头的性能2）斜探头）斜探头K值和折射角值和折射角斜探头斜探头K值是指被探工件中横波折射角的正切值是指被探工件中横波折射角的正切值。值。（注意测定斜探头的（注意测定斜探头的K值或折射角也应在近场值或折射角也应在近场区以外进行。）区以外进行。）图A.4 CSK-IB 试块探头的性能探头的性能3）探头主声束偏离和双峰）探头主声束偏离和双峰 探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离探头实际主声束与其理论几何中心轴线的偏离程度程度称为主声束的偏离称为主声束的偏离。平行移动探头，同一反射体产生两个波峰的现平行移动探头，同一反
25、射体产生两个波峰的现象象称为双峰称为双峰。探头主声束偏离和双峰，将会影响对探头主声束偏离和双峰，将会影响对缺陷的定缺陷的定位和判别位和判别。图A.4 CSK-IB 试块探头的性能探头的性能n探头声束特性探头声束特性n探头声束特性是指探头发射声束的扩散探头声束特性是指探头发射声束的扩散情况，常用轴线上声压下降情况，常用轴线上声压下降6dB时探头时探头移动距离（即某处的声束宽度）来表示。移动距离（即某处的声束宽度）来表示。图A.4 CSK-IB 试块综合性能综合性能1.灵敏度余量灵敏度余量 a)灵敏度一般是指整个探伤系统（仪器和探头）发现最灵敏度一般是指整个探伤系统（仪器和探头）发现最小缺陷的能力
26、。小缺陷的能力。发现缺陷愈小，灵敏度就愈高。发现缺陷愈小，灵敏度就愈高。b)仪器和探头的灵敏度常用仪器和探头的灵敏度常用灵敏度余量灵敏度余量来衡量。来衡量。c)灵敏度余量，又叫仪器与探头的综合灵敏度；是指仪灵敏度余量，又叫仪器与探头的综合灵敏度；是指仪器最大输出时（器最大输出时（增益、发射强度最大，衰减和抑制为增益、发射强度最大，衰减和抑制为0），），使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量。使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量。d)灵敏度余量大，说明仪器与探头的灵敏度高。灵敏度余量大，说明仪器与探头的灵敏度高。在达到所探工件的最大检测声程时，其有效灵敏度余量应不小于在达到所探工件的最
27、大检测声程时，其有效灵敏度余量应不小于10dB。图A.4 CSK-IB 试块综合性能综合性能2.盲区和始脉冲宽度盲区和始脉冲宽度n盲区是指盲区是指规定的探伤灵敏度下规定的探伤灵敏度下，从探测面到能够发现，从探测面到能够发现缺陷的最小距离。缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。盲区与盲区内的缺陷一概不能发现。盲区与仪器的阻塞和始仪器的阻塞和始波宽度有关。波宽度有关。n始波宽度是指在一定的灵敏度下，屏幕上高度超过垂始波宽度是指在一定的灵敏度下，屏幕上高度超过垂直幅度直幅度20时的始波延续长度。时的始波延续长度。始波宽度与灵敏度有关，灵敏度高，始波宽度大。始波宽度与灵敏度有关，灵敏度高，始波宽度
28、大。始波宽度大，盲区大。始波宽度大，盲区大。图A.4 CSK-IB 试块对于频率为对于频率为5MHz的探头，宽度不大于的探头，宽度不大于10mm；对于频率为的探头，宽度不大于对于频率为的探头，宽度不大于15mm。综合性能综合性能3.分辨力和信噪比分辨力和信噪比n分辨力是指在屏幕上分辨力是指在屏幕上区分相邻两缺陷的能力区分相邻两缺陷的能力。能区分能区分的相邻两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。的相邻两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。直探头的远场分辨力应不小于直探头的远场分辨力应不小于30dB，斜探头的远场分辨力应不小于，斜探头的远场分辨力应不小于6dB。n信噪比是指屏幕上信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信号有用的最小缺陷信号幅度与无用的幅度与无用的噪声噪声杂波幅度之比杂波幅度之比。信噪比高，杂波少，对探伤有利。信噪比高，杂波少，对探伤有利。信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法进行探伤。进行探伤。图A.4 CSK-IB 试块