超声讲义.docx
- 文档编号:8664630
- 上传时间:2023-02-01
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:180.62KB
超声讲义.docx
《超声讲义.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《超声讲义.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
超声讲义
超声波检测仪、探头及试块(讲义)
(培训教材:
《超声波检测》第2版机械工业出版社)
一、超声波检测仪
1、超声探伤方法:
●按缺陷显示方式分:
A、B、C型显示法(P45表2-1)
A型:
缺陷深度及缺陷反射信号幅度、形状
B型:
缺陷深度及其在纵截面上的分布
C型:
缺陷在平面视图上的分布(顶视图)
(1)A型显示显示屏横座标代表超声波传播时间(或距离),纵座标代表反射回波的高度;
(2)B型显示显示屏横座标代表超声波传播时间(或距离),这类显示得到的是探头扫查深度方向的断面图;
(3)C型显示显示屏代表被检工件的投影面,这种显示能绘出缺陷的水平投影位置,但不能给出缺陷的埋藏深度。
●按超声波传播方式分:
连续波法、脉冲波法
●按探伤工作原理分:
穿透法、脉冲反射法
探伤时﹐脉冲振荡器发出的电压加在探头上(用压电陶瓷或石英芯片制成的探测组件)﹐探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质(如机油或水等)进入材料并在其中传播﹐遇到缺陷后﹐部分反射能量沿原途径返回探头﹐探头又将其转变为电脉冲﹐经仪器放大而显示在示波管荧光屏或LCD上。
根据缺陷反射波在屏幕上的位置和幅度(与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较)﹐即可测定缺陷的位置和大致尺寸。
譬如,在一个钢工件中存在一个缺陷,由于这个缺陷的存在,造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面,交界面之间的声阻抗不同,当发射的超声波遇到这个界面之后,就会发生反射,反射回来的能量又被探头接收到,转换为电信号,经放大处理后,在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形,横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。
这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同,反映了缺陷的性质。
脉冲反射法:
灵敏度高、缺陷定位精度高、适用于多种探伤技术、不需要专门扫查装置,现场手工操作方便。
穿透法:
探伤几乎不存在盲区,批量工件判伤简单,易实现连续自动探伤。
对于取向不良的缺陷,穿透法尤佳
●按探伤波型分:
纵波法、横波法、表面波法、板波法
●按超声波耦合方式分:
直接接触法、液浸法
直接接触法:
操作简便、灵敏度高;要求探伤面光滑。
但探头易磨损。
液浸法:
适用于表面粗糙的工件探伤,探头不磨损,耦合稳定,便于自动化。
●按探头数量:
单探头、双探头、多探头
常用超声探伤方法:
脉冲反射法(直接接触法、液浸法)、穿透法、
超声波的衰减:
声束扩散、散射、吸收引起的衰减
(1)超声波的扩散传播距离增加,波束截面愈来愈大,单位面积上的能量减少。
(2)材质衰减一是介质粘滞性引起的吸收;二是介质界面杂乱反射引起的散射。
(3)散射衰减随超声波频率的增高而增大,且横波引起的衰减大于纵波。
声波:
(20Hz≤f≤20KHz)
超声波(20KHz 束射特性、反射特性、传播特性、波型转换特性。 ●束射特性: 超声波波长短,声束指向性好,可以使超声能量向一定方向集中辐射。 ●反射特性: 超声波在弹性介质中传播时,遇到异质界面会产生反射、透射或折射,而反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。 ●传播特性: 超声波在弹性介质中传播时,质点振动位移小、振速高,因此,其声压声强均比可闻声波大,传播距离远,可检测范围大。 ●波型转换特性: 超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换,从而为各种波型(纵波、横波、板波、表面波)探伤提供了方便。 人们正是利用了超声波的这些特性,发展了超声波探伤技术。 2、模拟式A型显示超声仪的构成及工作原理(框图P46,工作原理P45,各部分功能P47-51) 工作原理: 同步电路产生周期性的同步脉冲信号,一方面它触发发射电路,(或经触发延迟在时间上作适当延迟后触发发射电路)产生一个持续时间极短的电脉冲加到探头内的压电换能器上,激励晶片产生脉冲超声波。 另一方面,同步脉冲经扫描延迟,在时间上适当延迟后控制扫描发生器产生线性较好的锯齿波,经x轴放大器放大后加到示波管X轴偏转板上,使光点从左到右随时间作线性地移动。 超声波透过耦合剂射入试件。 在试件内传播的超声波遇到界面或缺陷时即产生反射,这种超声回波可由已停止激振的原探头接收(单探头工作方式),或由另一接收探头接收(双探头工作方式)转变成电脉冲输入高频放大器,经检波电路再由视频放大器进一步放大后加到示波管的Y轴偏转板上。 这时,光点不仅在水平线上按时间作线性移动而且还要受Y轴偏转板上电压的影响作垂直运动,从而在扫描线上就出现波形。 根据反射回波在扫描线上的位置可确定试件中界面或缺陷与换能器间的距离,荧光屏上显示的波高一般与换能器接收到的超声波声压成正比,故可据以评定反射回波的声压大小。 重复频率: 同步脉冲的产生频率即为仪器的重复频率 工作频率: 超声换能器经同步脉冲激励产生的振动频率 检波: 负向占宽小,灵敏度及分辨力高,适合测薄板(负向脉冲幅度高) 滤波: 3、B型显示与C型显示(P52) 4、数字化A型显示超声仪的构成(框图)及工作原理 系统由ARM920T微处理器、FLASH、SDRAM构建一个计算机平台,具有LCD接口;异步串行通信接口,一路USBhost和一路USBdevice;再扩展网口,DOC接口、构建一个比较完整的计算机平台。 FPGA(现场可编程门阵列)是本系统中重要的组成部分。 在超高速数据采集方面,FPGA有着单片机和DSP所无法比拟的优势。 本系统采用的FPGA直接与计算机连接,通过硬件和软件配合,实现各种控制,包括键盘、开关机、LCD背光、报警、接收、发射的控制。 同时,同高速A/D变换器一起实现高速模数变换和数据信号处理,同D/A变换器一起获得数模转换产生压控电压源对接收放大器的增益进行精密调节。 接收电路由一级低噪声、宽频带的前置放大器和两级压控放大器加一级缓冲放大器组成,可实现110dB的放大调节量,发射电路由高效、高压电感储能电路组成。 电源电路采用开关电源,减少体积和功耗,提高效率。 5、数字化超声仪的3种主要形式: (P54) a)峰值采样法 b)全波采样法 c)模拟数字混合方式 6、数字化超声仪与传统模拟式超声仪的优缺点比较 数字仪优点: ●检测状态、波形数据可存储和回放,方便重复探测; ●测量结果可直接显示; ●可自动校正仪器; ●数字信号处理; ●软件功能强大; ●可根据各种探伤标准制作探伤曲线; ●各种接口与外围设备连接; ●数据后处理,制作探伤报告 ●小型轻便。 模拟仪优点: (适合探测对象单一,无需记录存档、对检测灵敏度和分辨力要求高的应用场合) ●旋钮操作、直观; ●波形实时性好; ●检测灵敏度、分辨力较数字仪高; ●价格便宜。 7、数字化超声仪的发展方向 ●电子与微计算机新技术的应用(使得仪器小型化、模块化) ●超声检测定量化 ●智能化和图象显示功能 ●数据库及自识别功能 ●自动超声检测系统 8、工业超声检测仪器种类及其应用领域 ●通用A型显示金属超声探伤仪 ●多通道金属超声探伤仪 ●铁路钢轨超声探伤仪 ●非金属超声检测仪 ●超声测厚仪 ●超声相控阵检测仪(介绍) 超声相控阵探伤的优势: 超声相控阵探伤技术的最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。 其声束角度、焦距位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调,而且探头内可快速平移声束。 与传统超声检测技术相比,相控阵技术的优势是: ★可提高检测速度; ★不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域,成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段; ★通常不需要复杂的扫查装置,不需要更换探头就可以实现对整个或所关心区域的多角度方向扫查; ★优化控制焦距长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。 二、超声波探头(换能器)(P56-63) 1、压电晶片的压电效应(电声转换): 发射超声波激励压电晶片(逆压电效应),电脉冲→超声波 压电晶片接收超声反射波(正压电效应),超声波→电脉冲 2、探头的基本结构 压电晶片、保护膜、斜契、阻尼块、引线接头 3、探头的主要种类 按产生的波型分: 纵波直探头、横波斜探头、表面波探头 1.普通直探头: 由单块压电晶片兼并发射与接收功能而制成的探头,其晶片多为圆形薄片,还可分为液浸法检测用的和直接接触法用的探头 2.普通斜探头: 由单块压电晶片兼并发射与接收功能,其晶片多为圆形,方形和矩形薄片.其上配有斜楔以改变晶片受激产生的纵波在界面上的入射角,利用超声波的折射特性产生波型转换,从而在检测介质中激发出所需要的波型.它主要用于直接接触法检测。 1.普通直探头: 普通直探头俗称平探头,其基本结构如图所示。 (1)压电晶片: 压电晶片的功能是发射与接收超声波,它是以厚度振动模式振动,激发出纵波.在设计探头时,除了考虑选择适当的压电材料外,还要考虑到压电晶片的尺寸与下述因素有关: 谐振频率: 在谐振状态下可以获得最大的输出功率,主要由压电晶片的厚度来确定,这可以根据压电材料的频率常数(或声速),预定的中心频率来计算。 指向性: 通常选择晶片的直径或边长为传声介质中超声波波长的5-8倍以获得较好的指向性,在一定波长条件下,晶片直径越大,指向性越好。 近场长度(声压分布不均匀区): 这是因为压电晶片激发出的超声波在传声介质中开始传播的一段距离内,声压的分布是不均匀的,有多个极大值和极小值出现,达到一定距离时,声压呈现最后一个最大值,以后即按一定的指数规律单调下降,我们把声轴线上最后一个声压极大值之前的一段范围称为近场区,该近场区的长度有以下关系式: N=(D2-λ2)/4λ 普通斜探头的基本结构如图所示。 压电晶片的功能与直探头相同,用以发射和接收超声波。 吸收块的功能除与直探头情况相同外,还增加一项吸收斜楔中楔内回波的功能,以防止楔内回波对晶片的干扰。 对于斜探头,重要的考虑因素之一就是斜楔的设计: 斜楔又称波型转换器,它的功能是把 按接触方式分: 板波探头、直接接触探头、液浸探头、 按探伤用途分: 分割式双晶探头、聚焦探头、可变角度探头等 4、超声探头的型号标识 基本频率——晶片材料——晶片尺寸——探头种类——特征 SIUI探头命名: 2.5Z10N(PZT锆钛酸铅、直探头)、5Z10×10A70、5Z10×10K2.5、 2.5Z10×10BM(表面波)、2.5Z14FG10Z(分割式)、 2.5Z14SJ30DJ(水浸、点聚焦) BH-50标准回波探头 三、试块与耦合剂(P64-67) 1、标准试块STB: IIW试块(荷兰试块、IS02400)、CSK-IA(GB11345-89)、 STB-G试块(平底孔试块系列、日本标准。 探伤灵敏度余量、制 作距离-幅度曲线、测定垂直线性、动态范围)、 2、对比试块RB: 仅用于时间轴校准和灵敏度调整。 CSK-IIA(长横孔试块)、 CSK-IIIA(短横孔试块)、半圆试块 四、超声探伤仪和探头组合的主要性能指标(以CTS-22A为例子,结合JB/T10061-1999标准讲解,并同时介绍CTS-22A仪器面板及基本操作) (一)CTS-22A型仪器面板及基本操作 CTS-22A型通用探伤仪是汕头市超声仪器研究所有限公司生产的探伤设备,可用于金属和部分非金属材料的超声无损检测,下图为该仪器的面板图,其面板上各旋钮、开关的名称和作用简介如下: CTS-22型探伤仪面板图 1.仪器面板上各旋钮和开关的作用 (1)《“发”插座》和《“收”插座》这两个插座主要用于探头与仪器连接插座,符号“ ”表示“发”插座,符号“ ”表示“收”插座。 (2)《工作方式选择》( 、 、 )和《发射强度》( )旋钮当《工作方式选择》开关置于“ ”时,仪器为双探头一收一发的“双”工作状态;开关置于“ ”或“ ”为单探头发射、接收即“单”工作状态。 其中“ ”为固定的中等发射强度档,此时仪器具有较高的探伤灵敏度和分辨力,一般均采用此档进行探伤;“ ”档的发射强度是可变的,通过《发射强度》( )旋钮来调节发射强度的大小,主要适于配用窄脉冲系列探头,以便获得较高的分辨力。 (3)《粗调衰减器》、《细调衰减器》和《增益》旋钮主要用于伤损定量和材质衰减系数的测量等。 其中: 《粗调衰减器》每调节一档为20dB,《细调衰减器》每调节一档为2dB,《增益》为无级调节。 (4)《抑制》旋钮作用是调节仪器接收电路对回波的抑制大小。 旋钮逆时针旋至最左端时,“抑制”为“0”,仪器处于“无抑制”状态,具有较大的动态范围和良好的垂直线性;旋钮顺时针旋转时,抑制作用逐渐增大,仪器的动态范围变得越来越小,应根据探伤的需要慎重使用“抑制”功能。 (5)《探测范围粗调》、《探测范围微调》和《脉冲位移》旋钮这三个旋钮配合使用主要用于的调节探伤仪显示的探测范围,完成探测深度校准和水平线性的测试。 其中《探测范围粗调》有10、50、250、1000mm(钢纵波)四个档级,当微调置“0”时,荧光屏显示的探测范围略小于粗调档级的标称值;当微调置“10”时,显示的探测范围比它置“0”时增大五倍以上,即此时的探测范围大于粗调开关下一档级的标称值。 (6)《聚焦》旋钮主要调节荧光屏上扫描线和回波显示的清晰程度。 2.仪器的调节与使用 (1)连接电源本仪器适用10.5-14.5V的直流电源,工作电流约0.6A,为此,可将仪器和DC-7型镍氢电池配套使用,也可与DC-7充电器配套使用。 当使用充电器时,充电器的电源电压按铭牌上标注的电压供电,根据不同的电源电压,其电流约80~200mA。 把蓄电池(充电器)插入仪器后部时,应将两只坚固螺钉拧紧,使连接可靠并防止搬动时脱落。 (2)接通电源开启面板上《电源》开关,电压指示器的指针应稳定的指示在红区中段,表示电压正常。 这时可听到仪器内部发出频率约2KHz微弱声音,说明仪器的直流变换器工作正常。 约1分钟后荧光屏上会出现扫描基线。 如电压指示器的指针在黑区,表示电压过低,应予检查。 (3)工作方式设定按探伤工艺要求设定《工作方式》、《发射强度》、《抑制》大小。 如果使用单探头工作,希望仪器具有较高的探伤灵敏度和分辨力,且仪器垂直线性为最好,则《工作方式》置“ ”、《发射强度》置任何位置、《抑制》用小起子逆时针旋至最左端。 (4)探测范围调节探测范围标定方法有声程、水平和垂直三种,而每一种方法又有不同的比例,具体选用那一种方法根据探伤要求而确定,其原则是使探测范围内的缺陷回波能显示出来,又便于观察;同时也使缺陷的定位更方便和准确。 (5)探伤灵敏度校准探伤之前,应根据探伤工艺规定需发现缺陷的大小以及采用的探头品种等,调整仪器的衰减量,这项工作通常称为探伤灵敏度校准。 通常利用与工件同一材质制成的人工缺陷试块并按照工艺规程要求进行,若采用其它试块,应作必要的补偿。 (二)探伤仪和探头组合的主要性能指标 ●水平线性(仪器时基线显示值与探测声程之间成正比的程度。 定位的要求) 测试方法: 连接标准回波探头(BH-50),调节深度和扫描延迟,在分别将底波调到相同幅度(如垂直刻度的80%)的条件下,使第一次底波B1的前沿对准水平刻度“0”,底波B6前沿对准水平刻度“10”,分别读取第二至第五次底波前沿与水平刻度“2”、“4”、“6”、“8”的偏差Ln,然后取其最大偏差Lmax按下式计算水平线性误差△L △L=(|Lmax|/B)*100% B—水平全刻度数 ●垂直线性(仪器输入回路电压幅度与显示屏上脉冲回波高度成正比的程度。 定量的要求)、 测试方法: 连接2.5Z20N直探头,并固定在平底孔试块上,调节仪器,使孔波幅度为垂直刻度的100%,,调节衰减器,依次记下每衰减2dB时孔波幅度的百分数,直至26dB,然后将孔波幅度实测值与理论值相比较,取最大正偏差d(+)与最大负偏差d(-)之绝对值的和为垂直线性误差△d, △d=|d(+)|+|d(-)| 衰减量(dB) 理论波高值(%) 实测波高值(%) 误差(%) 0 100 100 0 2 79.4 4 63.1 6 50.1 8 39.8 10 31.6 12 25.1 14 20.0 16 15.8 18 12.5 20 10.0 22 7.9 24 6.3 26 5.0 28 4.0 30 3.2 ●灵敏度余量(仪器与探头组合后在一定探测范围内发现缺陷的能力)、 测试方法: 连接2.5Z20N直探头,并固定在平底孔试块(200mmΦ2)上,调节仪器并移动探头,使孔波幅度最高且为垂直刻度的50%,记下此时衰减器的读数S1。 断开探头连接,释放衰减器,使电噪声≤10%,并记下此时衰减器的读数S0。 则探伤灵敏度余量Sp Sp=S1-S0 ●动态范围(仪器显示屏容纳信号大小的能力)、 测试方法: 测定方法的布置如垂直线性测定,调节最大平底孔回波为100%满刻度,调节衰减器读取平底孔回波从100%满刻度下降刚能辨认之最小值时所需要的衰减量dB值,即为探伤仪在该探头给定工作频率下的动态范围。 一般动态范围的测试可与垂直线性的测定同时进行。 ●远场分辨力(区分两个相邻而不连续缺陷的能力)、 ●薄板分辨力(配用5C10N窄脉冲探头的薄板分辨率应不大于1.2mm) ●盲区(在发射脉冲宽度内不能检测缺陷波的距离范围。 主要由仪器的阻塞及始波宽度决定) ●衰减器精度(误差: 每2dB±0.1dB。 ) ●工作频带 五、超声探伤仪有关标准 1、国家行业标准JB/T10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》 2 、欧盟标准EN12668-1: 2000《超声检测设备的性能与验证第一部分: 仪器》 3、ISO12710: 2002《无损检测超声检测超声检测仪电性能的评定》 4、美国ASTME1324-00《超声波检查仪若干电子特性测量指南》 5、日本JISZ2351-1992《超声脉冲回波检测仪电子性能评定方法》
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 超声 讲义