超聲波探傷儀器、試塊

1、2024/3/16,1,3.3超聲波探傷用儀器、探頭和試塊,3.3.1超聲波探傷儀ultruasonic flaw detector,2024/3/16,2,主動型超聲波檢測儀器,2024/3/16,3,被動型超聲波檢測儀器,2024/3/16,4,3.3.1.1儀器的種類,1.按缺陷的顯示方式分類 1） A型顯示(A-scope) 示波屏上縱坐標代表反射波的波幅，橫坐標代表超聲波傳播的距離或時間，根據(jù)缺陷波的波高和水平

2、刻度來進行缺陷的定量和定位。,2024/3/16,5,2）B型顯示(B-scope),示波屏上橫坐標代表探頭移動距離，縱坐標代表超聲波傳播距離或時間。整個示波屏上可顯示入射平面內(nèi)的缺陷斷面形狀。,2024/3/16,6,3）C型顯示(C-scope),示波屏顯示工件中缺陷的水平投影情況，不能顯示缺陷的深度位置。用于定性測試。,2024/3/16,7,2.按聲波特征分,1）脈沖波 周期性的發(fā)射和接受超聲脈沖信號。,2024/3/1

3、6,8,2）連續(xù)波,連續(xù)的發(fā)射和接收頻率和振幅都不變的超聲信號。,2024/3/16,9,3.按儀器的通道數(shù)目分,（1）單通道 由一個或一對探頭單獨工作（2）多通道 由多個或多對探頭交替工作 目前實際超聲波探傷常用的是A型脈沖式單通道超聲波探傷儀。,2024/3/16,10,3.3.1.2 A型脈沖超聲波探傷儀器工作原理,同步電路發(fā)射電路接受放大電路時基電路（掃描電路）顯示電路電源電路,2024/

4、3/16,11,3.3.1.3.超聲波探頭(probe, transducer),1.探頭的基本結(jié)構(gòu)和各部分的作用 超聲探頭是由壓電晶片、楔塊、阻尼塊、接頭等組成。,2024/3/16,12,1)壓電晶片(crystal),當高頻電脈沖激勵壓電晶片時，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為聲能，發(fā)射超聲波；當探頭接收超聲波時，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)化為電能。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)(piezo

5、electric effect) 。探頭也被稱為換能器。 壓電晶片的振動頻率即為探頭的工作頻率，晶片在共振條件下工作： t＝λ/2 t為晶片厚度。,2024/3/16,13,壓電材料：Crystal單晶材料、多晶材料(壓電陶瓷)居里溫度。,2024/3/16,14,2）保護膜、斜楔(protective cover, wedge) 硬保護膜：由氧化鋁、藍寶石或碳化硼制

6、成，用于表面較平滑的試件。 軟保護膜：零點幾毫米厚的可更換塑料，用于表面粗糙的工件。 斜楔：波型轉(zhuǎn)換，使被探工件中只存在折射橫波。一般用有機玻璃做成。斜楔的縱波速度必須小于工件中的縱波速度。,2024/3/16,15,3）阻尼塊(damping block) 使共振的晶片盡快停下來，利于形成窄脈沖，提高分辨力，并吸收晶片背面發(fā)出的雜波，另外還起到支撐晶片的作用。,2024/3/16,16,2.探頭種類,1

7、)縱波直探頭(normal probe) 主要用于探測與探測面（test surface）平行的平面型或立體型缺陷，如板材、鍛件等。,2024/3/16,17,2）斜探頭（angle probe）,斜探頭按入射角可分為縱波斜探頭（longitudinal wave probe）橫波斜探頭（shear wave probe）表面波斜探頭（surface wave probe）,2024/3/16,18,橫波斜探頭主要用于探

8、測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫探傷、氣輪機葉輪探傷等。直探頭和斜楔組成。,2024/3/16,19,3）雙晶探頭,雙晶探頭有兩塊壓電晶片。根據(jù)入射角不同，又可分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。雙晶探頭的優(yōu)點：1.靈敏度高；2.雜波少盲區(qū)??；3.近場區(qū)長度??；4.探測范圍可調(diào)。主要用于探傷近表面缺陷。,2024/3/16,20,4）聚焦探頭（focusing type prob）,聚焦探頭有直探頭和聲透鏡組成，分為點聚

9、焦和線聚焦。點聚焦聲透鏡為球面，線聚焦則為柱面。焦距F與聲透鏡曲率半徑r之間存在以下關(guān)系：F＝c1r/(c1－c2),2024/3/16,21,3.探頭的型號頻率 晶片材料 晶片尺寸 探頭種類 特征,如2.5B20Z,5P6*6K3,5T20FG10Z,2024/3/16,22,3.3.2試塊（test block）,按一定作用設(shè)計制作的具有簡單幾何形狀人工反射體的試樣，稱為試塊。 試塊按來歷分：

10、 標準試塊和參考試塊； 按試塊上人工反射體分： 平底孔試塊 橫孔試塊 槽形試塊,2024/3/16,23,3.3.2.1 IIW試塊,IIW試塊是國際焊接學(xué)會標準試塊，也稱荷蘭試塊和船形試塊。尺寸如圖所示。,2024/3/16,24,用途,1.調(diào)整縱波探測范圍和掃描速度；2.測儀器的水平線形、垂直線形和動態(tài)范圍；3.廁直探頭和儀器的分辨力；

11、4.測直探頭和儀器組合后的穿透能力；5.測直探頭和儀器的盲區(qū)；6.測斜探頭的入射點；7.測斜探頭的入射角；8.測斜探頭和儀器的靈敏度余量；9.調(diào)整橫波探測范圍和掃描速度。,2024/3/16,25,3.3.2.2半圓試塊,半圓試塊是目前廣泛應(yīng)用的一種試塊，其結(jié)構(gòu)如圖所示。,2024/3/16,26,用途,1.調(diào)整橫波探測范圍和掃描速度；2.調(diào)整縱波探測范圍和掃描速度；3.測儀器的水平線形、垂直線形和動態(tài)范圍；4.測斜探頭

12、的入射點； 5.調(diào)整靈敏度；,2024/3/16,27,3.3.2.2 CSK-ⅠA試塊,CSK-ⅠA試塊是我國鍋爐和鋼制壓力容器對接焊縫超聲波探傷JB1152－81標準規(guī)定的標準和試塊，是在IIW試塊基礎(chǔ)上改進后得到的。,2024/3/16,28,1.儀器水平線性 (linearity of time base) 儀器水平線性是指儀器示波屏上時基線顯示的水平刻度值與實際聲程之間成正比的程度，或者是示波屏上多次底波等距離的程

13、度。 儀器水平線性的好壞影響缺陷定位。,利用CSK-IA試塊進行儀器和探頭性能的測試,2024/3/16,29,1）將直探頭置于CSK-IA試塊上，對準25mm厚的大平底；2）調(diào)[微調(diào)]、[水平]或[脈沖]等旋鈕，使示波屏上出現(xiàn)五次底波B1至B5，且使B1前沿對準2.0， B5對準10.0，記錄B2、 B3、 B4與水平刻度值4.0、6.0、8.0的偏差值a2、a3、a4；3）計算水平線性誤差； Δ＝|

14、amax|/0.8b |amax|=max(a2、a3、a4)； b－示波屏水平滿刻度值。,測試步驟,2024/3/16,30,2.垂直線性(linearity of amplifier) 垂直線性指儀器放大器的線性度。它表示探頭所接受的信號電壓大小與熒光屏上所顯示的回波高度成正比的程度。 儀器中衰減器的精度直接反映著垂直線性誤差。垂直線性的好壞影響缺陷定量精度。,2024/3/16,31,測試步驟,1）[

15、抑制]至0，[衰減器]保留30dB的衰減余量；2）直探頭通過耦合劑置于CSK—IA上，對準25mm底面，并用壓塊恒定壓力；3）調(diào)節(jié)儀器使試塊上某次底波位于示波屏的中間，并達滿幅度100％，但不飽和，作為0dB；4）固定[增益]和其它旋鈕，調(diào)[衰減器]，每次衰減2dB，并記下相應(yīng)的波高Hi填入表中，直到底波消失。,2024/3/16,32,表中：實測相對波高％＝Hi/H0×100％ 理想相對波高％＝

16、10－dB/20×100％,2024/3/16,33,5）計算垂直線性誤差,D=(|d1|+|d2|)% |d1|－實測值與理想值最大正偏差； |d1|－實測值與理想值最大負偏差；,2024/3/16,34,3.動態(tài)范圍（dynamic range）,動態(tài)范圍是指儀器示波屏容納信號大小的能力，將滿幅度100％某波高用[衰減器]衰減到剛能識別的最小值所需衰減的分貝值就是儀器的動態(tài)范圍。,2024/3/16

17、,35,4.斜探頭入射點（probe index）,入射點是探頭發(fā)射的波束軸線與探測面的交點。 將探頭對準R100圓弧面，作平行側(cè)面的前后移動，使圓弧面反射波達到最大值，此時斜楔底面與試塊圓心重合的地方就是該探頭的入射點。此時，探頭的前沿長度為 l0＝R－M,2024/3/16,36,5.斜探頭的K值和βs,斜探頭K值是指被探工件中橫波折射角βs的正切值。探頭置于B位置時，βs在35－60度時；探頭置于C位置時

18、，βs在60－75度時；探頭置于D位置時，βs在75－80度時；,若探頭在C位置，則 K=tgβs=(L＋l0－35)/30,2024/3/16,37,6.探傷靈敏度（flaw detection sensitivity）,探傷靈敏度是指整個探傷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。靈敏度常用靈敏度余量來衡量。靈敏度余量是指儀器最大輸出時，使規(guī)定反射體回波達基準高所需衰減的衰減總量。,2024/3/16,38,1）儀器

19、與直探頭的靈敏度余量,a 儀器[增益]至最大，[抑制]至0，[發(fā)射強度]至“強”，連接探頭，并使探頭懸空，調(diào)[衰減器]使電噪聲電平≤10％，記下此時的[衰減器]讀數(shù)N1dB；b 將探頭對準試塊上Ф2平底孔，調(diào)[衰減器]使Ф2平底孔回波高達50％，記下此時衰減器讀數(shù)N2dB，則儀器與探頭的靈敏度余量N為 N＝N2－ N1dB,2024/3/16,39,2）儀器與斜探頭靈敏度余量,a 儀器[增益]至最

20、大，[抑制]至0，[發(fā)射強度]至“強”，連接探頭，并使探頭懸空，調(diào)[衰減器]使電噪聲電平≤10％，記下此時的[衰減器]讀數(shù)N1dB；b 探頭置于CSK－IA試塊上，記下使R100圓弧面的第一次反射波最高達50％時的衰減量N2，則儀器與斜探頭的靈敏度余量N為 N＝N2－ N1dB,2024/3/16,40,7.盲區(qū)（dead zone）,盲區(qū)是指從探測面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷的最小距離。 盲區(qū)的測定可在

21、盲區(qū)試塊上進行，如果沒有盲區(qū)試塊，可利用CSK－IA試塊來估計盲區(qū)的范圍。,2024/3/16,41,8.分辨力（resolving power，resolution）,儀器與探頭的分辨力是指在示波屏上區(qū)分相鄰兩缺陷的能力。,2024/3/16,42,1）儀器與直探頭的分辨力,a[抑制]至0，探頭置于CSK－IA的Ⅲ處，左右移動探頭，使示波屏上出現(xiàn)85、91、100三個反射回波A、B、C。b 當A、B、C不能分開時，分辨力RP為：

22、 RP=(91－85)a/(a-b)(mm),c 當A、B、C能分開時，分辨力RP為： RP=(91－85)c/a(mm),2024/3/16,43,2）儀器與斜探頭的分辨力,a 探頭置于CSK－IA試塊上對準Ф50、Ф44、Ф40三個階梯孔，使示波屏上出現(xiàn)三個反射波。b 平行移動探頭并調(diào)節(jié)儀器，使Ф50、Ф44回波等高，其波峰為，波谷為h2，則其分辨力為 X=20lg(h1/h2)(dB),實際測試時，用衰減器將h1衰減到h

23、2，其衰減量ΔN就為分辨力，即X＝ΔN,2024/3/16,44,9.掃描速度的調(diào)整,儀器示波屏上時基掃描線的水平刻度值г與工件或試塊中的實際聲程x之間的比例關(guān)系稱為掃描速度或時基掃描線的比例。 超聲波探傷前必須首先根據(jù)探測范圍調(diào)整好掃描速度，以便在規(guī)定的探測范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷進行定位。,2024/3/16,45,橫波掃描速度的調(diào)整,1）聲程調(diào)整法 使示波屏上的水平刻度值г與工件或試塊中的實際聲程x之間的比例，即г：x＝1：

24、n，這時儀器示波屏直接顯示反射體橫波聲程。 利用CSK－IA試塊調(diào)整橫波掃描速度：調(diào)節(jié)儀器，使B1對50，B2對100，此時橫波掃描速度就為1：1,2024/3/16,46,橫波探傷術(shù)語,2024/3/16,47,2）水平距離調(diào)整法,按水平距離調(diào)整橫波掃描速度是使示波屏上水平刻度值г與工件或試塊中反射體的水平投影距離l成比例，即г：l＝1：n。 利用CSK—IA試塊調(diào)整：先計算R50，R100圓弧反射波B1，B2對應(yīng)的水平距離l

25、1，l2： l1=50K/(1+K2)1/2; l2=100K/(1+K2)1/2 然后將橫波探頭對準R50和R100，調(diào)節(jié)儀器使B1，B2分別對準水平刻度l1，l2即可。,2024/3/16,48,3）深度調(diào)整法,按深度調(diào)整橫波掃描速度是使示波屏上水平刻度值г與工件或試塊中反射體的深度d成比例，即г：d＝1：n。 利用CSK—IA試塊調(diào)整：先計算R50，R100圓弧反射波B1，B2對應(yīng)的深度d1，d2： d1