畢業(yè)論文超聲波檢測

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract：2</p><p><b>　　引言3</b></p><p><b>　　1、超聲波4</b></p>

2、<p>　　1.1超聲波檢測的原理4</p><p>　　1.2超聲波檢測的應用6</p><p><b>　　2.超聲波探傷7</b></p><p>　　2.1超聲波探傷儀工作原理7</p><p>　　2.2超聲波探傷可靠性的實現(xiàn)7</p><p>　　2.3超聲波探

3、傷穩(wěn)定性的實現(xiàn)8</p><p>　　2.4 　AVG線圖的應用10</p><p>　　2.5超聲波探傷儀的發(fā)展簡史12</p><p>　　3. 空氣耦合式超聲波檢測15</p><p>　　3.1　空氣耦合式超聲波檢測技術的主要困難15</p><p>　　3.2　空氣耦合式超聲波檢測技術的發(fā)展概況1

4、5</p><p>　　3.3　存在的主要問題17</p><p>　　3.4　展　　望17</p><p><b>　　結束語18</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　致 謝20</b>&

5、lt;/p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　超聲波檢測</b></p><p>　　(浙江海洋學院數(shù)理與信息學院 浙江 舟山 316000)</p><p>　　[摘 要]： 超聲波檢測是指用超聲波來檢測材料和工件，并以超聲波檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方法

6、。選用超聲波作為檢測的原因是因為超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質中沿直線傳播，具有良好的指向性。其次，超聲波在介質中傳播過程中，會發(fā)生衰減和散射，且在異種介質的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達到探測缺陷的目的。超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，由于超聲波在異質界面上會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，尤其是不能通過氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷（缺陷中有氣體）

7、或夾雜，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時，就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過儀器內部的電路處理，在儀器的熒光屏上就會顯示出不同高度和有一定間距的波形?？梢愿鶕?jù)波形的變化特征判斷缺陷在工件重的深度、位置和形狀。</p><p>　　本文主要介紹超聲波探傷技術原理、方法及其性能，并介紹超聲波探傷儀的發(fā)展。了解一種超聲波檢測技術空氣耦合式超聲波檢測技術，了解它發(fā)展存在的問題困難以及發(fā)展概況。</

8、p><p>　　[關鍵詞]：超聲波；超生波檢測；超聲波檢測設備；超聲波檢測技術</p><p>　　UITRASONIC TESTING</p><p>　　Wen Liangke</p><p>　　(School of Mathematics, Physics &Information Science, Zhejiang Ocean

9、University </p><p>　　Zhou Shan，316000)</p><p>　　Abstract：Ultrasonic testing is the use of ultrasound to detect materials and artifacts, and display of ultrasonic detector as a non-destructive te

10、sting methods. Use of ultrasonic testing because ultrasonic beam can be focused on a specific direction, in the medium travels in straight lines, has a good directivity. Secondly, the ultrasonic propagation in the medium

11、, the attenuation and scattering will occur, and the interface in heterogeneous media will produce reflection, refraction and wave-typ</p><p>　　This paper introduces the principle of ultrasonic testing techn

12、iques, methods and properties, and describes the development of ultrasonic flaw detector. Understanding of an ultrasonic detection of air-coupled ultrasonic inspection technology, understand its difficult problems in the

13、 development and the development of profiles.</p><p>　　Key words: Ultrasonic testing; Ultrasonic testing equipment; ultrasonic wave; ultrasonic inspection technique</p><p><b>　　引言</b>

14、;</p><p>　　超聲波檢測是指用超聲波來檢測材料和工件，并以超聲波檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方法。工業(yè)上無損檢測的方法之一。超聲波進入物體遇到缺陷時，一部分聲波會產(chǎn)生反射，發(fā)射和接收器可對反射波進行分析，就能異常精確地測出缺陷來．并且能顯示內部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。  </p><p>　　超聲波是頻率大于 20 kHz&#

15、160;的一種機械波（相對于頻率范圍在 20 Hz ～ 20 kHz 的聲波而言）。超聲波檢測用的超聲波，其頻率范圍一般在 0.25 MHz ～ 15 MHz 之間。用于金屬材料超聲波檢測的超聲波，其頻率范圍通常在 0.5 MHz ～ 10 MHz 之間；而用

16、于普通鋼鐵材料超聲波檢測的超聲波，其頻率范圍通常為 1 MHz ～ 5 MHz。</p><p>　　超聲波是頻率高于20千赫的機械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.5～5兆赫。這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可被用來進行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時，脈沖振蕩器發(fā)

17、出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測元件），探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質（如機油或水等）進入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，還有用另一探頭在工件另一側接受信號的穿透法。利用超聲法檢測材料的物理特性時，還經(jīng)常利用

18、超聲波在工件中的聲速、衰減和共振等特性。</p><p>　　本文主要介紹超聲波檢測的原理、應用以及發(fā)展。簡單介紹超聲波探傷技術原理、方法及其性能，并介紹超聲波探傷儀的發(fā)展。了解一種超聲波檢測技術空氣耦合式超聲波檢測技術，了解它發(fā)展存在的問題困難以及發(fā)展概況。</p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　1.

19、超聲波 </b></p><p>　　我們知道，當物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20，000赫茲。因此，當物體的振動超過一定的頻率，即高于人耳聽閾上限時，人們便聽不出來了，這樣的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學診斷的超聲波頻率為1～5兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點?？捎?/p>

20、于測距，測速，清洗，焊接，碎石等 </p><p>　　雖然說人類聽不出超聲波，但不少動物卻有此本領。它們可以利用超聲波“導航”、追捕食物，或避開危險物。大家可能看到過夏天的夜晚有許多蝙蝠在庭院里來回飛翔，它們?yōu)槭裁丛跊]有光亮的情況下飛翔而不會迷失方向呢？原因就是蝙蝠能發(fā)出2～10萬赫茲的超聲波，這好比是一座活動的“雷達站”。蝙蝠正是利用這種“雷達”判斷飛行前方是昆蟲，或是障礙物的。 </p>&l

21、t;p>　　人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。此時人們向水中發(fā)出一系列不同頻率的超聲波，然后記錄與處理反射回聲，從回聲的特征便可以估計出探測物的距離、形態(tài)及其動態(tài)改變。醫(yī)學上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術掃描腦部結構；以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應用于腹部器官的探測。如今超聲波掃描技術已成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可缺少的工具。<

22、/p><p>　　1.1超聲波檢測的原理</p><p>　　超聲波檢測是指用超聲波來檢測材料和工件、并以超聲波檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方法。工業(yè)上無損檢測的方法之一。超聲波進入物體遇到缺陷時，一部分聲波會產(chǎn)生反射，發(fā)射和接收器可對反射波進行分析，就能異常精確地測出缺陷來．并且能顯示內部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。      &

23、#160;   超聲波是頻率大于 20 kHz 的一種機械波（相對于頻率范圍在 20 Hz ～ 20 kHz 的聲波而言）。超聲波檢測用的超聲波，其頻率范圍一般在 0.25 MHz ～ 15 MHz 之間。用于金屬材料超聲波檢測的超聲波，其頻率范圍通常在 0.

24、5 MHz ～ 10 MHz 之間；而用于普通鋼鐵材料超聲波檢測的超聲波，其頻率范圍通常為 1 MHz ～ 5 MHz。           超聲波是頻率高于20千赫的機械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.5～5兆赫。這種機械波在材料中能以一定的速度

25、和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可被用來進行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測元件），</p><p>　　通常，超聲波檢測采用了不同的技術：            ——按波源不同可分

26、為：連續(xù)波、脈沖波；            ——按波型不同可分為：縱波、橫波、表面波、板波、爬波；            ——按接收方式不同可分為：回波（反射）、穿透；      &#

27、160;     ——按耦合方式不同可分為：接觸式、液浸式；            ——按探頭數(shù)不同可分為：單探頭、雙探頭、多探頭。            脈沖回波探傷法通常用于鍛件、焊縫及鑄件等

28、的檢測?？砂l(fā)現(xiàn)工件內部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。被探測物要求形狀較簡單，并有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可采用配備有機械傳送、自動報警、標記和分選裝置的超聲探傷系統(tǒng)。除探傷外，超聲波還可用于測定材料的厚度,使用較廣泛的是數(shù)字式超聲測厚儀,其原理與脈沖回波探傷法相同，可用來測定化工管道、船體鋼板等易腐蝕物件的厚度。利用測定超聲波在材料中的聲速、衰減或共振頻率可測定金屬材料的晶粒度、彈性模量(見拉

29、伸試驗)、硬度、內應力、鋼的淬硬層深度、球墨鑄鐵的球化程度等。此外，穿透式超聲法在檢驗纖維增強塑料和蜂</p><p>　　超聲波檢測法的優(yōu)點是：穿透能力較大，例如在鋼中的有效探測深度可達1米以上;對平面型缺陷如裂紋、夾層等，探傷靈敏度較高，并可測定缺陷的深度和相對大??；設備輕便，操作安全，易于實現(xiàn)自動化檢驗。       缺點是：不易檢查形狀復雜的工件，要求被

30、檢查表面有一定的光潔度，并需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合。對于有些粗晶粒的鑄件和焊縫，因易產(chǎn)生雜亂反射波而較難應用。此外，超聲波檢測還要求有一定經(jīng)驗的檢驗人員來進行操作和判斷檢測結果。</p><p>　　超聲波檢測主要用于探側試件的內部缺陷，它的應用十分廣泛。超聲波檢測屬于反射波檢測法，即根據(jù)反射波的強弱和傳播時間來判斷缺陷的大小和位置。超聲波檢測的頻率范圍為0.4-25MHz，

31、其中用得最多的是1~5 MHz。</p><p>　　按超聲波檢測原理劃分：包括脈沖反射法、穿透法和共振法三種。目前用得最多的是脈沖反射法。 </p><p>　　按超聲波探傷圖形的顯示方式劃分：有A型顯示、B型顯示、C型顯示等。目前用得最多的是A型顯示探傷法。 </p><p>　　按探傷波型分類，脈沖反射法大致可分為直射探傷法（縱波探傷法）、斜射探傷法（橫波探傷

32、法）、表面波探傷法和板波探傷法4種。用的較多的是縱波和橫波探傷法。 </p><p>　　按探傷時使用的探頭數(shù)目分：有單探頭法，雙探頭法，多探頭法3種。用得最多的是單探頭法。 </p><p>　　按接觸方法分類：有直接接觸法和水浸法兩種。直接接觸法的操作要領是，在探頭和試件表面之間涂上耦合劑，以消除空隙，讓超聲波能順利地進入被檢工件。耦合劑可以用機油、水、甘油或水玻璃等。用水浸法時，探頭

33、和試件之間有水層，超聲波通過水層傳播，受表面狀態(tài)影響不大，可以進行穩(wěn)定的探傷。</p><p>　　1.2超聲波檢測的應用</p><p>　　超聲波檢測可應用于對接焊縫、角焊、板材、管材、棒材、鍛件，以及復合材料等；對面積型缺陷的檢出率較高，對體積型缺陷的檢出率較低；適宜檢測厚度較大的工件，檢測成本較低、速度快、檢測儀器攜帶方便。其局限性在于無法得到缺陷直觀圖象、定性困難，定量精度不高；

34、檢測結果無直接見證記錄；且對材質、晶粒度有一定要求。</p><p>　　無損檢測是現(xiàn)代工業(yè)許多領域中保證產(chǎn)品質量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手段。當今世界各發(fā)達國家都越來越重視無損檢測技術在國民經(jīng)濟各部門中的作用, 日本最近制定的21 世紀優(yōu)先發(fā)展四大技術領域之一的設備延壽技術中, 把無損檢測放在十分重要的位置。</p><p>　　超聲檢測是一種重要的無損檢測技術, 由于它的穿透能力強、

35、對人體無害, 已較廣泛應用于工業(yè)及高技術產(chǎn)業(yè)中。近期召開的國際與全國性無損檢測學術會議上, 超聲檢測方面(含聲發(fā)射) 的論文數(shù)量都幾乎占到總數(shù)的一半, 成為學術研究的活躍分支。</p><p>　　十余年來推動超聲檢測發(fā)展的主要因素是① 工業(yè)生產(chǎn)中的質量意識不斷提高以及在役設備壽命預測技術的要求。② 諸如復合材料和精細陶瓷等新材料的應用, 使傳統(tǒng)的超聲檢測方法遇到障礙, 促使人們探索采用若干特殊的超聲檢測途徑。③

36、 微機技術的3 國家自然科學基金(批準號19574039 及19604010)與國家教委跨世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃項目突飛進帶動了傳統(tǒng)超聲檢測技術水平的提高, 使其獲得的結果更直觀可靠, 還能方便地以二維或三維形式成象。④ 現(xiàn)代信息科學為超聲檢測的發(fā)展注入了新的活力, 由此可對一些復雜的檢測信號與過程作出迅速有效的提取與解讀。⑤ 特殊的構件對超聲檢測提出了非接觸的要求, 促使超聲檢測從換能方法上有了新的突破。 超聲波檢測在醫(yī)學上也有

37、應用。人耳的聽覺范圍有限度，只能對16-20000赫茲的聲音有感覺，20000赫茲以上的聲音就無法聽到，這種聲音稱為超聲。和普通的聲音一樣，超聲能向一定方向傳播，而且可以穿透物體，如果碰到障礙，就會產(chǎn)生回聲，不相同的障礙物就會產(chǎn)生不相同的回聲，人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來了解物體的內部結構。利用這種原理，人們將超聲波用</p><p><b>　　2.超聲波探傷</b>

38、</p><p>　　超聲波探傷是無損檢驗的一種方法。常用探傷方法有: 接觸法、液浸法、反射法、穿透法。廣泛用于鍋爐、高壓容器、船舶、航空、航天、鐵路、橋梁建筑、化工機械、冶金、原材料等非破壞性檢測。優(yōu)點是靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、儀器輕便、效率高、成本低, 對人體無害。超聲波探傷可把探傷工作做得更快、更準確、更可靠。可靠是非常重要的, 是一切檢測工作的生命線, 不可靠的檢測可能比沒有檢測更危險。</p

39、><p>　　2.1超聲波探傷儀工作原理</p><p>　　發(fā)射部分定時重復產(chǎn)生激勵電脈沖。激勵電脈沖的幅度一般為幾百伏到一千多伏。它經(jīng)壓電換能器轉換為超聲脈沖。超聲脈沖在被檢測工件中傳播、反射。反射脈沖傳到接收換能器被轉換成電脈沖, 傳給探傷儀的接收部分。由于接收到的電脈沖可能很強,也可能很弱, 故接收部分既能用衰減器把強信號減弱到幾萬分之一, 也能用放大器把弱信號放大幾萬倍。接收部分把這

40、些脈沖放大或衰減后, 傳給顯示部分顯示在熒光屏上。在熒光屏上, 橫坐標與聲波傳播時間成正比, 縱坐標與脈沖幅度成反比。原理圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 超聲波探傷原理圖</p><p>　　Figure 2-1 Schematic diagram of ultrasonic flaw detection</p><p>　　2.2超聲波探傷可靠性

41、的實現(xiàn)</p><p>　　超聲波探傷儀的可靠性和穩(wěn)定性作為探傷的原則, 開展對探傷儀的檢定工作, 可以大大提高探傷工作的可靠性。超聲波探傷儀的檢定依據(jù)JJ G746 —1991《超聲探傷儀》檢定規(guī)程。對超聲波探傷儀的主要性能———垂直線性、水平線性、衰減誤差、動態(tài)范圍以及最大使用靈敏度等進行檢定。另外對比試塊材料與受檢件的成分, 組織聲學特性應一致或相似。對比試塊材料的內部純凈度利用入射角為0°的直射

42、超聲波, 在規(guī)定的工作頻率和靈敏度下進行掃查, 不得有大于或等于比受檢件材料允許的噪聲低6dB 的任何信號。對比試塊每5 年應檢定一次。</p><p>　　2.3超聲波探傷穩(wěn)定性的實現(xiàn)</p><p><b>　　2.31探傷方法</b></p><p>　　探傷方法是保證探傷結果準確與否的前提條件。因此根據(jù)工件的形狀、缺陷特點、材料性質及探

43、傷要求, 準確無誤地進行探傷。</p><p>　　2.32耦合劑的影響</p><p>　　耦合是實現(xiàn)聲能傳遞的必由途徑, 耦合劑是探頭聲源與工件這兩種固體之間實現(xiàn)聲能傳遞、保證軟接觸所必需的傳聲介質, 它在二者界面上排除空氣, 填充不平的凹坑和間隙, 并兼有防磨損、方便移動的功能。耦合損耗與耦合層厚度d 及耦合層中超聲波波長λ有關。圖2-2 2125MHz 直探頭用錠子油作耦合劑時測得

44、耦合層厚度與回波高度之間關系曲線。從圖2-2 中可以看出, 在d <λ/ 4 范圍內, 隨d/λ的增大, 耦合損耗增大, 在d =λ/ 4 時, 耦合損耗最大。在d = (2 n - 1) λ/ 4 時, 耦合損耗均較大, 聲能透過率較小, 當d = n·λ/ 2 時, 聲能透過率較大,耦合圖損耗較小。常用的耦合劑有機油、柴油、變壓器油、錠子油、水、甘油、漿糊等。</p><p>　　圖 2-2

45、耦合層厚度與回波高度之間關系圖</p><p>　　Figure 2-2 High degree of coupling between the thickness and echo graph</p><p>　　2.33檢驗面的要求</p><p>　　探測面的粗糙度也是影響耦合損耗的因素。圖2-3為使用不同聲阻抗耦合劑時工件表面粗糙度對回波高度的影響, 橫坐標

46、為表面粗糙度的平均高度Rz , 它決定了耦合層的厚度, 即d = Rz 。</p><p>　　圖2-3 表面粗糙度、耦合劑聲阻抗對耦合損耗的影響圖</p><p>　　Table 2-3 Surface roughness, the acoustic impedance of the coupling agent influence diagram of the coupling los

47、s</p><p>　　由圖2-3 可知, 耦合劑聲阻抗越大, 越接近于晶片和工件的聲阻抗, 工件表面粗糙度越小, 即光潔度越高, 則耦合損耗越小, 透聲性能越好。探傷的工件表面加工粗糙度: 接觸法對于A 級檢驗應等于或優(yōu)于Ra312μm , 對于B 級檢驗應等于或優(yōu)于Ra613μm ,液浸法粗糙度應等于或優(yōu)于Ra25μm。</p><p>　　2.34工作頻率的選擇</p>

48、<p>　　工作頻率的選擇是由被測材料的性質和探傷要求決定的, 對鑄鐵、未鍛件等可選用較低頻率, 如1125MHz ; 對晶粒度細的材料, 如鍛鋼、拉拔鋁制件等則用215MHz、5MHz 甚至10MHz。工作頻率高, 則探傷靈敏度高、方向性好、分辨能力強、始波寬度小等, 有利于發(fā)現(xiàn)和評定缺陷; 但頻率高不易穿透晶粒度較粗的工件。而工作頻率低則分辨率也較低, 但穿透力強有利于克服材料的衰減。一般常用工作頻率為215MHz 和5

49、MHz。</p><p>　　2.35探頭類型的選擇</p><p>　　探頭類型的選擇應根據(jù)工件可能產(chǎn)生缺陷的部位和方向、工件的幾何形狀和探測面情況進行選擇。探頭晶片尺寸較大時, 探頭入射至反射體的能量也大, 即有p = p0πD2 / 4λS ; 又因θ = sin - 11122λ/ D 故D 大時指向角較小、聲束指向性好,能量相對集中, 發(fā)現(xiàn)遠距離小缺陷能力強, 即遠場檢測靈敏度較

50、高, 適于厚度工件探傷。反之, 晶片尺寸較小時, 近場短, 且近距離聲束較窄, 有利于缺陷定位。但遠場聲束擴散大, 故宜用于較小厚度工件探件。如圖2-4 所示。</p><p>　　圖 2-4 不同晶片尺寸所產(chǎn)生的場擴散情況圖</p><p>　　Figure 2-4 Chip size produced by different spread of the field map</p

51、><p>　　2.4 AVG線圖的應用</p><p>　　2.41通用AVG線圖的應用</p><p>　　AVG曲線描述了距離—增益量—缺陷尺寸三者之間的關系, 它能方便地用來進行缺陷當量的計算,所以它是一種主要的缺陷定量方法。相對缺陷距離A , 是以探頭近場長度N 為單位來衡量的反射體距離, 即A = N/ S 。通用AVG 線圖中以A 作為橫坐標, 并用常用對數(shù)

52、來刻度。相對缺陷尺寸G , 是以探頭晶片直徑D 為單位來衡量的反射體直徑, 即G=Φ/ D 。通用AVG 線圖中對應一個G 就有一條相應的曲線, 相鄰G 值之間的變化也是常用對數(shù)規(guī)律。波幅增益量V (單位dB) , 它表示反射聲壓相對于起始聲壓的dB 值。通用AVG 線圖中以V (單位dB)作為縱坐標, 采用十進制常用坐標。圖2-5 為平底孔AVG線圖。</p><p>　　圖2-5平底孔AVG線圖</p&

53、gt;<p>　　Figure 2-5 Bottom line graph AVG</p><p>　　由圖2-5 可見, 在A < 1 即近聲場內, 難以據(jù)超聲反射幅度判斷缺陷當量, 而在A > 1 即遠聲場時, 超聲回波幅度隨距離單調下降。(若探傷區(qū)位于近聲場內, 需使用試塊法; 在遠場時, 則采用AVG 曲線法。)</p><p><b>　　2.

54、42舉例說明</b></p><p>　　實用AVG線圖是在通用AVG線圖基礎上經(jīng)坐標變換得到的, 是針對某一確定的探頭晶片和探測頻率制作的, 實用AVG 線圖的橫坐標為反射體實際聲程讀數(shù), 以厘米(cm) 或毫米(mm) 為單位;縱坐標為dB 讀數(shù), 圖2-6 中每一條曲線直接表示某一相應反射體當量尺寸。下面用圖2-6 舉例說明實用AVG線圖用于校正探測靈敏度和確定缺陷當量的用法。</p>

55、;<p>　　用215MHz、<20 直徑探頭探測厚度為300mm的鍛鋼件, 要求大于<3 當量缺陷不漏檢, 問利用工件底面如何校正探測靈敏度? 以此靈敏度探測時發(fā)現(xiàn)距探測面200mm 處有一缺陷, 其波高為19dB , 求此缺陷當量?</p><p>　　解: ①使用相應于215MHz , <20 直探頭的實用AVG線圖(即圖2-6) 。</p><p>

56、　　由題意可知: S = SB = Sf=300mm , <f = 3mm。</p><p>　　從圖2-6 中橫坐標S = 300mm 處作其垂線交B 線于點P , 同時交<f = 3mm 曲線于Q 點, 分別從P、Q 作縱坐標垂線, 得到V B = 57dB , V f = 22dB。</p><p>　　靈敏度調整量= V f - V B = ( 22 - 57) dB

57、=- 35dB。</p><p>　　圖 2-6 2.5MHZ、∮20直徑探頭實用AVG線圖</p><p>　　Figure 2-6 2.5MHZ, ∮ 20 chart diameter probe utility AVG</p><p>　　②由題意可知, 用300/ <3 靈敏度( Q 點為靈敏度基準點) 探測, 缺陷聲程為Sf = 200mm , 波

58、高為19dB , 因此只要從Q 點向上平移19dB , 并與橫坐標Sf = 200mm 處的橫坐標垂線交于Q′,則此Q′點對應的當量曲線值<f = 6mm 就是所求缺陷。</p><p>　　2.5超聲波探傷儀的發(fā)展簡史</p><p>　　2.51.國外超聲波探傷儀發(fā)展簡史</p><p>　　蘇聯(lián)薩哈諾夫于1929年最早提出利用穿透法檢查固體內部結構, 以

59、后利用連續(xù)超聲波在實驗室研究成功。由于是穿透法, 分辨率差, 操作又不便, 未能用于工程檢測。</p><p>　　第二次世界大戰(zhàn)期間, 以聲脈沖反射為基礎的聲納設備在法國間世, 并成功地用于水下潛艇檢測。在聲納技術的基礎上, 美、英兩國分別于1944年和1946年研制成功脈沖反射式超聲波探傷儀, 并逐步用于鍛鋼和厚鋼板的探傷。50年代初, 世界各主要工業(yè)國家相繼采用脈沖反射式超聲波探傷儀對鋼鐵、造船和機械制造部

60、分材料進行探傷。</p><p>　　當時超聲波探傷儀是建立在電子管器件和石英壓電晶體的基礎上, 進行材料內部有無缺陷的定性探傷。因此難以建立統(tǒng)一標準, 影響其推廣使用。</p><p>　　50年代以壓電陶瓷晶片取代切割石英晶片,最初應用壓電陶瓷是欽酸鋇, 隨后出現(xiàn)了眾多的不同成分組成的壓電陶瓷, 如錯鐵酸鉛、欽酸鉛、偏妮酸鉛等, 它為生產(chǎn)不同性能要求的換能器提供了條件, 壓電薄膜的出現(xiàn)

61、為生產(chǎn)高頻、液浸式超聲波換能器提供了基礎。這些都便于成型和批量生產(chǎn), 為超聲波探傷儀的推廣創(chuàng)造了條件。標準試塊的使用, 以試塊標準缺陷為參照的當量比較法及距離波幅曲線為判傷標準的建立及近代探傷技術奠定了基礎。</p><p>　　1964年是超聲檢測儀器發(fā)展史上的重要一年,電子元器件和電子技術設計的進步, 使超聲波探傷儀在脈沖發(fā)射的性能、放大器增益、線性等特性上有較大的改進。定量方法的提出, 提高了超聲波探傷結果

62、的可比性和探測結果的可信性。60年代末, 各種試塊的標準化、系列化促進了超聲波探傷儀主要技術指標的標準化、超聲波換能器性能的優(yōu)化和系列化。自40年代超聲波探傷儀問世到70年代超聲波探傷儀半導體化的實現(xiàn), 探傷儀的能耗大大下降, 特別是集成化電路的應用, 由充電電池供電的超聲波探傷儀間世, 體積重量逐步減小, 性能指標逐步提高, 使超聲波探傷可在無電網(wǎng)供電的場合下進行。在各種超聲彼探傷標準的支持下, 超聲探傷方法廣泛用于機械、冶金、電力、

63、鐵道、石化、航空、造船、建筑等行業(yè)的材料和構件探傷, 還形成了鋼軌超聲探傷的專用機和各種多通道超聲波自動探傷儀。</p><p>　　自動超聲探傷, 采用模擬式多通道探傷儀, 不管是在線或離線, 存在的難題是缺陷的當量判別, 因為靜態(tài)下缺陷回波高度與動態(tài)時不同, 更重要的是動態(tài)波形難以觀察, 特別是探傷速度提高后, 無法用人眼觀察回波, 只能用閘門內閡值報警及記錄的方法。而實際上, 自動超聲檢測系統(tǒng)一般均在強電于

64、擾的情況下工作, 超聲檢測的信號噪聲比很差, 嚴重地影響自動探傷的可靠性。</p><p>　　隨著70年代計算機技術的發(fā)展, 計算機的性能價格比提高, 使計算機有可能應用于自動超聲檢測信號處理中, 即將檢測到的超聲回波信號, 經(jīng)A/D變換后, 進人計算機系統(tǒng), 進行處理。由于計算機的介入, 一方面提高了設備的抗干擾能力;另一方面, 利用計算機的運算功能, 實現(xiàn)了對缺陷信號的自動讀數(shù)、自動識別、自動補償、定量和報

65、警。儀器的通道數(shù)越多, 各通道自動調節(jié)功能的特點就越明顯。因此計算機的應用, 使自動超聲檢測技術得到了較快的發(fā)展。</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路和微機技術的快速發(fā)展,1983年德國KK公司推出第一臺便攜式數(shù)字化超聲波探傷儀USD1型, 采用的是Z80CPU,盡管重量較重、體積較大、功能較差, 但其自動設置DAC曲線、自動判傷、數(shù)據(jù)存儲和打印輸出功能已顯示出數(shù)字化超聲波探傷儀強大的生命力。</p&g

66、t;<p>　　1986年起, 世界各主要工業(yè)國家數(shù)字化超聲波探傷儀得到迅速發(fā)展, 目前新一代用于生產(chǎn)的超聲波探傷儀, 正進一步向小型化和多功能化發(fā)展。</p><p>　　2.52 國內超聲波探傷儀發(fā)展簡史</p><p>　　我國50年代初引進蘇聯(lián)超聲波探傷儀, 初期長春應用物理所的查天錫、向明等仿制了加拿大生產(chǎn)的超聲波探傷儀,1953 年上海材料研究所前身綜合應用研究所

67、也去長春仿制了加拿大生產(chǎn)的超聲波探傷儀, 并與長春所一起在工業(yè)生產(chǎn)中推廣超聲波探傷技術, 與此同時, 上海江南造船廠的吳繩武等人試制出超聲波探傷儀, 小批量生產(chǎn)推向市場。60年代,先后形成上海儀器廠原中原電器廠、營口探傷儀器廠、武漢電子儀器廠和汕頭超聲波儀器廠等超聲波儀器專業(yè)生產(chǎn)廠,</p><p>　　80年代初, 國內各生產(chǎn)廠研制生產(chǎn)的超聲波探傷儀的放大器線性、動態(tài)范圍、靈敏度余量、當量讀數(shù)精度等主要技術指標

68、均有大幅度提高, 較好地滿足了超聲探傷技術的需要。特別值得一提的是,1980年汕頭超聲儀器廠推出的CTS一22型超聲波探傷儀的主要性能指標與當時國際同類儀器水平相當, 而且外形美觀, 穩(wěn)定性、可靠性均有很大的提高, 因此深受國內用戶好評。據(jù)不完全統(tǒng)計, 該機已銷售15000臺以上。</p><p>　　國內儀器水平的提高, 也為我國與國際間建立交流、合作與互認創(chuàng)造了一定的條件。</p><p&

69、gt;　　我國計算機與超聲檢測技術的結合始于70年代末, 當時中國科學院聲學研究所等單位開始研究計算機在超聲檢測中的應用問題, 重點是研究超聲信號的采集、量化和信號處理間題。80年代隨著微機技術的發(fā)展, 計算機輔助的超聲成象系統(tǒng)和自動超聲探傷系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。并出現(xiàn)用于生產(chǎn)檢測的計算機化的C掃描、P掃描超聲成象系統(tǒng), 各種管材和棒材自動檢測系統(tǒng)和晶粒度超聲檢測系統(tǒng)等。各種成象方法的研究, 如衍射CT成象、合成孔徑聚焦成象(STFT)、A

70、LOK成象均取得可喜進展。</p><p>　　大規(guī)模集成電路的發(fā)展, 為我國便攜式數(shù)字化超聲波探傷儀的研制創(chuàng)造了良好的條件。1989年中科院武漢物理所武漢科聲技術公司研制成功國內第一臺全數(shù)字化超聲波探傷儀(KS1010型), 并于1990年批量推向市場, 與此同時中科院聲學所數(shù)字、模擬組合式電腦超聲波探傷儀亦研制成功, 推向市場。從而推進了我國新一代數(shù)字化超聲波探傷儀的發(fā)展。目前數(shù)字化超聲波探傷儀已開始形成規(guī)模

71、生產(chǎn), 得到推廣使用。</p><p>　　超聲波換能器是產(chǎn)生和接收超聲信號的器件,是超聲波探傷儀的核心部件。國內超聲波探傷研究、使用和探傷儀生產(chǎn)單位在一段時間曾非常重視超聲探頭性能對超聲探傷結果的影響, 千方百計提高超聲探頭的技術指標和性能。但近幾年來隨著小型超聲探頭生產(chǎn)廠的大量出現(xiàn), 雖在推進技術進步和活躍市場方面起到一定作用, 但也造成超聲探頭市場的混亂。隨意使用不合格探頭進行探傷的現(xiàn)象屢見不鮮, 對原本不

72、夠重視探頭性能的探傷者來說, 其探傷結果的可靠性、可比性都存在很大間題。</p><p>　　近代探傷技術最重要的發(fā)展是定量化程度的提高, 因此探頭的標準化、系列化是關鍵。對于我國超聲探傷人員來說, 把超聲探頭看作超聲探傷儀的關鍵部件, 重視探頭性能、質量, 合理地選擇探頭型號、規(guī)格和技術指標是探傷結果可靠性的重要保證。因此, 如何使超聲探傷用換能器性能標準化, 應該提到日程上, 并引起質量監(jiān)督部門的重視, 這對

73、于探傷結果的可靠性和可比性是極其重要的。</p><p>　　3. 空氣耦合式超聲波檢測</p><p>　　超聲波在無損檢測領域有著廣泛的應用, 但傳統(tǒng)的檢測方法需要使用專門耦合劑或用水浸法來減少超聲波在空氣中傳播的損失, 限制了它的適用范圍?？諝怦詈鲜匠暉o損檢測技術較好地彌補了這方面的不足, 其非接觸、非侵入、完全無損的特點, 特別是能夠實現(xiàn)快速在線掃查, 有著很好的應用前景, 但傳

74、統(tǒng)的壓電陶瓷的換能器無法作為空氣耦合換能器, 因此, 研制以空氣為耦合層的超聲波換能器是該技術的研究重點。隨著顯微機械加工技術的發(fā)展以及高分子材料技術的進步, 高效率、高靈敏度的空氣耦合式超聲波換能器的制作取得了較大的突破, 加上低噪聲, 高增益的放大器的研制及計算機信號處理技術的發(fā)展, 使空氣耦合式超聲波無損檢測技術有了長足的進步, 并在一些領域獲得了較好的應用成果。</p><p>　　3.1　空氣耦合式超聲

75、波檢測技術的主要困難</p><p>　　空氣同檢測對象之間巨大的特性聲阻抗差以及空氣對高頻聲波較大的吸收率, 使普通壓電陶瓷的換能器無法實現(xiàn)非接觸檢測。表1 給出了超聲波在幾種常見介質中傳輸?shù)奶匦月曌杩?Z) 和傳輸系數(shù)(T ) , 其中, 特性聲阻抗定義為Z= QV , 其單位為: kgöm 2 s, 用Ray1 表示。傳輸系數(shù)T 表明了超聲波從一種介質進入另一種介質中時能量損失的情況, 是Z 的函

76、數(shù): T =4Z1Z2ö(Z1+ Z2) 2, 無量綱。</p><p>　　表3-1　常見介質的特性聲阻抗和傳輸系數(shù)</p><p>　　Table 3-1 Common characteristics of the medium acoustic impedance and transmission coefficient</p><p>　　從表3-

77、1 中可以看出, 超聲波在從空氣入射到被測試塊, 要損失大約80dB, 當其再出射到空氣中還要發(fā)生同樣的衰減, 大約要損失150dB 以上。因此, 巨大的特性阻抗差是空氣耦合超聲檢測技術一個主要困難。另外, 空氣對高頻超聲波的高吸收率也是不容忽視的,可以用衰竭距離(信號振幅減弱至其初始值的1öe 的距離) 來表示, 其與頻率成反比關系, 當頻率為1MHz時, 大概為5cm , 而到了4MHz 時, 僅為311mm, 也就是說,

78、 留給該技術的空間僅有幾個厘米。正因為如此, 此項技術在很長一段時間里并沒有得到廣泛的應用。</p><p>　　3.2　空氣耦合式超聲波檢測技術的發(fā)展概況</p><p>　　近年來, 空氣耦合式超聲波檢測技術的研究重點主要是在空氣耦合式超聲波換能器研制和具體的檢測應用上。高效率、高靈敏度的空氣耦合式換能器的研究是此項技術的核心, 主要有兩個方向: (1) 從傳統(tǒng)的壓電陶瓷超聲換能器出發(fā)

79、, 通過增加耦合層的方法制作適應以空氣作介質的換能器; (2) 采用顯微加工技術制作靜電換能器。1995 年,W. A. Grandia 系統(tǒng)地闡述了這兩種方法的基本原理和制作方法, 并作了相應的比較。</p><p>　　在耦合層的研究上, 主要有3個問題: (1) 尋找低特性聲阻, 低衰減率, 具有足夠的機械Q 值的耦合材料。(2) 要將符合條件的材料加工成厚度合適(Kö4 厚度被證明是比較理想的)

80、 的耦合層, (3) 要將制作出來的耦合層加到壓電陶瓷制作的超聲波換能器上。對材料的選擇, 主要集中在多孔復合材料上, 高纖維復合材料, 硅氣凝膠等, T. Gomez 經(jīng)過對多種材料特性的研究, 提出了兩種比較理想的材料聚聚醚砜和尼龍, 另外在一些特殊的應用上可以使用的混合纖維素脂(M ixed cellalo seesters) 和聚二氟乙烯PVDF, 基本上解決了材料的選擇問題。目前隨著顯微加工技術的進步, 所需厚度薄膜的制備已經(jīng)

81、可以完成, 但由于這樣的膜往往很脆, 很難附到換能器的表面上, 并且單層膜的耦合性能是比較差的, 因此, 一般采用雙層或三層膜的制作方法,對耦合層要求的技術指標也有了比較清楚的界定, 為以后商業(yè)化和實用化研究提供了基本的依據(jù)。靜電換能器的基本原理是將一面金屬化處理后的薄膜附在表面均勻分布小孔的導體基板上, 形成許多小氣穴, 當給基板和薄膜之間加直流偏壓時, 由于靜電力的作用,</p><p>　　圖6-2　靜電換

82、能器原理圖</p><p>　　Figure 6-2 Electrostatic transducer schematic</p><p>　　隨著換能器研究的進展, 利用已有的超聲波檢測系統(tǒng), 通過適當?shù)母脑靵磉M行無接觸檢測是一個應用研究重點。例如通過增加低噪高增益前置放大器, 盡可能地提高信噪比, 已經(jīng)出現(xiàn)達到100dB 增益的低噪聲放大器。R. Stoessel 等利用以硅橡膠作為耦

83、合層的壓電式換能器采用C 掃描的方法對幾種復合材料的缺陷檢測進行了研究; E. Blomme 等在較寬的頻率范圍內對一些典型材料: 布料上的涂層, 鋁板、鋼板、薄鑄件中的缺陷利用此方法進行檢測, 得到比較滿意的結果; 在造紙業(yè)中利用該技術進行了測厚和測濕;另外還進行了在線涂層監(jiān)測的應用研究。在靜電換能器的應用上, Tat Hean Gan 等采用聚焦方式進行表面成像, 得到了較高的成像精度, 由于可以實現(xiàn)在無光照和高溫等環(huán)境中應用, 在

84、一些場合比光學成像更有優(yōu)勢。利用靜電換能器組成陣列進行成像研究也有進展, 這些都從各個側面反映了在空氣耦合超聲無損檢測技術在實際中的應用。</p><p>　　3.3　存在的主要問題</p><p>　　雖然空氣耦合式超聲波無損檢測技術在各方面都有了較大進展, 但仍然有許多問題尚未得到根本解決,主要有:</p><p>　　(1) 作用距離短, 帶寬窄。高聲阻差、強

85、衰減是空氣耦合超聲無損檢測技術必須面臨的問題, 其適用的頻率范圍只能在1MHz 左右, 較大地限制了它的應用范圍。</p><p>　　(2) 空氣耦合條件下的聲場特性的研究還不是很深入、系統(tǒng)。</p><p>　　(3) 換能器的研究取得了較大的進展, 但實用的產(chǎn)品并不多見, 大多還處在實驗研究階段。</p><p>　　( 4) 專門的檢測系統(tǒng)研究還不成熟, 在

86、線應用較少。</p><p><b>　　3.4　展望</b></p><p>　　雖然在大面積在線實時掃查、復合材料缺陷檢測、表面成像等方面有著良好的應用前景, 但空氣耦合式超聲無損檢測技術離工業(yè)化應用還有一段距離, 需要進一步深入研究。根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀, 下一步的研究主要集中在3個方面, (1) 適用于不同應用環(huán)境的空氣耦合式超聲波換能器的研制, 進一步提高精度

87、和靈敏度, 降低制作成本。(2) 適用于工業(yè)化的在線檢測系統(tǒng)的研制, 盡快從實驗室進入工業(yè)現(xiàn)場。(3) 深入研究空氣耦合條件下的超聲波聲場特性, 盡可能地擴展此技術的適用范圍。</p><p><b>　　結束語 </b></p><p>　　本文主要介紹超聲波檢測的原理、應用以及發(fā)展。通過一些大家所比較熟悉的超聲波檢測技術來了解超聲波檢測的原理及其發(fā)展。并通過這些技

88、術了解，加深超聲波檢測技術的最新發(fā)展情況以及研究方向。</p><p>　　本文首先對超聲波的原理進行簡單的介紹從而了解超聲波檢測的原理。簡單介紹超聲波檢測的情況</p><p>　　本文主要介紹超聲波檢測的原理、應用以及發(fā)展。簡單介紹超聲波探傷技術原理、方法及其性能，并介紹超聲波探傷儀的發(fā)展。了解一種超聲波檢測技術空氣耦合式超聲波檢測技術，了解它發(fā)展存在的問題困難以及發(fā)展概況。</

89、p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王耀?。畬訝顝秃喜牧厦劫|中的Lamb波[J]．物理學進展，1996，16 (4)：363- 376．</p><p>　　[2] 劉鎮(zhèn)清．超聲無損檢測中的導波技術[J]．無損檢測，1999，21(8)：367- 369．</p><p>　　[3] Kun

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99、ia and C. M. Fortunko. NDE applications of air-coupled ultrasonic transducers [J]. IEEE Ultras Symposium, 1995, 697- 709.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本論文是在我的指導老師叢老師的悉心指導下完成的。由衷感謝叢老師對

100、我論文的具體指導。從選題之后，每個星期五會例行討論上一次的任務和平時遇見的一些不懂的問題，然后又布置新的任務去實踐完成。叢老師的循循善誘和做學問的方法，讓我學會了很多理論知識和實踐知識，也學會了做人處事的道理。叢老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度讓我受益匪淺。在論文準備當中，叢老師也時刻關心著論文完成的動態(tài)。在初稿過程中，叢老師也給予了很大的幫助，再次對叢老師在論文修改中認真負責的態(tài)度表示由衷的感謝。</p><p>　　感謝我