超声波检测设备及原理Word格式.docx
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①A型显示探伤仪:
A型显示就是一种波形显示,探伤仪荧光屏得横坐标代表声波得传播时间（或距离）,纵坐标代表反射波得幅度。
由反射波得位置可以确定缺陷位置,由反射波得幅度可以估算缺陷大小。
②B型显示探伤仪:
B型显示就是一种图像显示,探伤仪荧光屏得横坐标就是靠机械扫描来代表探头得扫查轨迹,纵坐标就是靠电子扫描来代表声波得传播时间（或距离）,因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷得分布及缺陷得深度。
③ C型显示探伤仪:
C型显示也就是一种图像显示,探伤仪荧光屏得横坐标与纵坐标都就是靠机械扫描来代表探头在工件表面得位置。
探头接收信号幅度以光点辉度表示,因而,当探头在工件表面移动时,荧光屏上便显示出工件内部缺陷得平面图像,但不能显示缺陷得深度.Ａ型、B型、Ｃ型三种显示分别如图4－1所示。
图4-1图像显示分类
A型显示 B型显示 C型显示
3）按超声波得通道分类
①单通道探伤仪:
这种仪器由一个或一对探头单独工作,就是目前超声波探伤中应用最广泛得仪器。
②多通道探伤仪:
这种仪器由多个或多对探头交替工作,每一通道相当于一台单通道探伤仪,适用于自动化探伤。
目前,探伤中广泛使用得超声波探伤仪,如CTＳ一２2、CTS一２6等都就是A型显示脉冲反射式探伤仪。
二、A型脉冲反射式超声波探伤仪得一般工作原理
1、仪器方框电路图
图4—2采用方框电路图表示仪器各部分,各方框之间用线条连起来,表示各部分之间得关系,说明仪器得大致结构与工作原理。
图4-2仪器方框电路图
2、仪器主要组成部分得作用
1）同步电路:
同步电路又称触发电路,它每秒钟产生数十至数千个脉冲,用来触发探伤仪扫描电路、发射电路等,使之步调一致、有条不紊地工作。
因此,同步电路就是整个探伤仪得“中枢”,同步电路出了故障,整个探伤仪便无法工作、
2）扫描电路:
见图4-３,扫描电路又称时基电路,用来产生锯齿波电压,加在示波管水平偏转板上,使示波管荧光屏上得光点沿水平方向作等速移动,产生一条水平扫描时基线、探伤仪面板上得深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都就是扫描电路得控制旋钮、探伤时,应根据被探工件得探测深度范围选择适当得深度档级,井配合微调旋钮调整,使刻度板水平轴上每一格代表一定得距离。
扫描电路得方框图及其波形见图。
图4－3扫描电路图
3）发射电路:
见图4—４,发射电路利用闸流管或晶闸管得开关特性,产生几百伏至上千伏得电脉冲。
电脉冲加于发射探头,激励压电晶片振动,使之发射超声波,可控硅发射电路得典型电路如图所示。
图4－4发射电路图
发射电路中得电阻R０称为阻尼电阻,用发射强度旋钮可改变Ｒ0得阻值。
阻值大发射强度高,阻值小发射强度低,因R０与探头并联,改变R0同时也改变了探头电阻尼大小,即影响探头得分辨力。
４）接收电路:
见图4—5,接收电路由衰减器、射频放大器、检波器与视频放大器等组成。
它将来自探头得电信号进行放大、检波,最后加至示波管得垂直偏转板上,井在荧光屏上显示、由于接收得电信号非常微弱,通常只有数百微伏到数伏,而示波管全调制所需电压要几百伏,所以接收电路必须具有约105得放大能力。
接收电路得性能对探伤仪性能影响极大,它直接影响到探伤仪得垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。
接收电路得方框图及其波形如图所示。
图4—5 接收电路图
由大小不等得缺陷所产生得回波信号电压大约有几百微伏到几伏,为了使变化范围如此大得缺陷回波在放大器内得到正常得放大,并能在示波管荧光屏得有效观察范围内正常显示,可使用衰减器改变输入到某级放大器信号得电平。
一般把放大器得电压放大倍数用分贝来表示:
式中Kv——电压放大倍数得分贝值;
U出——放大器得输出电压;
U入——放大器得输入电压,一般探伤仪得电压放大倍数可达104~105倍,相当于８0~１00dB。
探伤仪面板上得增益、衰减器、抑制等旋钮就是放大电路得控制旋钮、增益旋钮用来改变放大器得增益,增益数值大,探伤灵敏度高。
衰减器旋钮用来改变衰减器得衰减量。
一般说来,衰减读数大,灵敏度低。
但就是,有得探伤仪为了使用时读数方便统一起见,衰减器读数按增益方式标出,在这种情况下,衰减读数大,灵敏度高。
抑制旋钮得作用就是抑制草状杂波、但应注意,使用抑制时,仪器得垂直线性与动态范围均会下降。
5）显示电路:
见图４—6,显示电路主要由示波管及外围电路组成。
示波管用来显示探伤图形,示波管由电子枪、偏转系统与荧光屏等三部分组成、
图4—6显示电路图
电子枪发射得聚束电子以很高得速度轰击荧光屏时,使荧光物质发光,在荧光屏上形成亮点、扫描电路得扫描电压与接收电路得信号电压分别加至水平偏转板与垂直偏转板,使电子束发生偏转,因而亮点就在荧光屏上移动,描出探伤图形、由于扫描速度非常快,肉眼瞧上去就好象就是静止得图像。
6）电源:
电源得作用就是给探伤仪各部分电路提供适当得电能,使整机电路工作。
标准探伤仪一般用22０伏或110伏交流市电,探伤仪内部有供各部分电路使用得变压、整流及稳压电路。
携带式探伤仪多用蓄电池供电,用充电器给蓄电池充电。
除上述基本组成部分之外,探伤仪还有各种辅助电路,如延迟电路、标距电路,闸门电路、深度补偿电路等,这些辅助电路得作用在此不一一赘述、
三、模拟式与数字式超声波探伤仪工作原理区别
1.仪器结构区别
超声波探伤仪得主要工作原理:
以一定得脉冲重复周期发射激发超声波得高压电子脉冲:
同步接收超声波电信号波形;
衰减与放大波形信号;
对信号进行检波与滤波:
在显示屏上显示回波信号波形;
读出波形得幅度与延时时间;
判读回波得大小与产生回波得位置。
传统模拟超声波探伤仪得基本结构如图4-2所示,就是由发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路组成、各部分电路得参数设置都就是独立地通过面板旋钮或档位开关控制得,并且只能显示出超声回波信号得电子扫描波形。
而数字化得超声波探伤仪主要就是指包括了具有所有模拟超声波探伤仪功能模块得电脑化仪器。
采用模／数转换电路,数字逻辑电路,微型计算机及计算机接口,使超声波探伤仪得发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路得控制参数能由微机键盘与显示屏人机对话输入,简化了操作,同时实现了超声波探伤波形与数据得数字化输出。
除此以外,数字式超声波探伤仪还能增加记忆,打印,通信等电脑化仪器特有得功能。
超声波探伤仪得数字化主要体现在读数数字化,波形显示数字化与电脑化数据处理三个方面。
2.仪器读数区别
模拟超声波探伤仪只能显示出超声回波信号得电子扫描波形。
这里回顾一下获取模拟超声波探伤仪数据得途径:
模拟超声波探伤仪对波幅得读出过程就是:
通过将回波调整到一定得百分比高度线（3０%或８0%等）,然后读出衰减器得位置读数。
模拟波形相对刻度线得读数精度比较低,一般大于2％。
模拟探伤仪对回波位置得读出过程就是:
将已知距离得参考回波调整到整数格上,再将探伤回波在屏幕上得位置刻度读出,按比例计算位置。
读数误差大于1％。
在使用模拟超声波探伤仪时,探伤所需得其她一些间接参数（如缺陷当量）得估计需要操作人员进行手工计算。
精度更低,过程复杂,不容易掌握。
而数字式超声波探伤仪除了能显示出超声回波信号得数字化波形外,还能显示出一些探伤所需得直观数据,包括回波幅度与回波位置。
数探仪对波幅得读出过程就是:
将模拟波形电信号放大到合适得量程后〈30％<
h<
１00％。
用模／数转换器转换成数字信号,由计算机计算该数字信号与参考数字得比值或分贝值,自动加上放大器或衰减器得读数,用数字显示出来。
读数误差以8位数字采样为例能小于0.4％、数探仪对回波位置得读出过程就是:
由计算机读取回波峰值点或上升沿处相对同步脉冲得延时记数值,记数脉冲由晶体振荡器产生。
计算机将延时数字扣除探头得延时,乘以声速得一半,得到回波得声程、再根据折射角度与有关几何关系,计算出相应得水平距离得垂直深度,在屏幕上数值显示出来、相对精度优于0、５%、微电脑能够利用相关得参数自动计算更多得检测数据,包括缺陷当量,缺陷坐标,缺陷大小,折射角度等。
更加准确,直观,操作简单,容易掌握。
3.波形显示区别
模拟探伤仪用示波管显示波形,波形信号在检波后通过高压视频放大,作为Y轴偏转电压:
同步得锯齿信号也通过高压视频放大,作为X轴偏转电压;
使波形在示波管上显示出来。
高压放大器得线性性能直接影响波形得显示质量与人工判读。
波形显示与脉冲重复频率同步。
重复频率高则波形显示亮度高,重复频率低则波形显示亮度暗、数探仪得波形显示就是用模/数转换器将波形信号转换成数字信号,由数字逻辑电路或计算机将数字波形画在计算机显示器上。
显示器可以就是电磁偏转得监视器,也可以就是平板显示器。
前者虽然有偏转失真,但相对同样偏转得坐标格,没有误差;
后者则根本不会失真、数字化波形显示频率与视频同步,亮度均匀、数字式超声波探伤仪在波形显示窗口能独立显示探伤闸门,距离波幅曲线等辅助标识,比模拟超声波探伤仪得显示要灵活与准确得多。
４.记录方式区别
使用模拟探伤仪时,探伤记录需人工填写:
抄录仪器旋钮设置,手描或拍照记录波形,用记录仪画出峰值曲线。
上述工作用数探仪时,都能由计算机轻易地完成。
长期存储在机内或打印出来,传输给外部计算机。
5。
模拟仪器与数字仪器操作面板区别
图４－7CTS—22型模拟式超声波探伤仪面板图
图4－8 PＸUT—35０Ｂ+数字式超声波探伤仪面板图
如图4-7与图4－8可见模拟式探伤仪操作、读数通过诸多旋钮且无法保存其状态。
数字式超探仪过通中文热健及数码旋钮,操作简易,轻松读数无需人为计算,且能存储各种数据,更轻巧得体积与超长工作时间使探伤工作更为轻松。
四、数字式超声波探伤仪得功能特点
1）读数更准确、直观
计算机自动读数精度高,结合探伤参数计算出最终结果,简单,直观,快速,准确。
自动报警定量合理。
对超声检测信号波幅具有以下几种读数方式:
波高百分数+当前增益分贝数;
波高分贝数＋当前增益分贝数;
波高相对闸门高度分贝数;
波高相对距离波幅曲线分贝数;
缺陷尺寸当量（相当于标准缺陷类型得尺寸）数;
对超声检测信号定位读数具有以下几种读数方式:
相对超声波发射脉冲得延时;
相对工件表面超声波入射点得超声波传输延时;
相对工件表面超声波入射点得反射点埋藏深度;
相对工件表面超声波入射点得超声波传输声程距离;
相对工件表面超声波入射点得沿表面投影距离;
在用户定义得广义平板、圆管截面或圆棒内得缺陷定位、
２）波形显示清晰
数探仪采用计算机得显示器,波形显示明亮清晰,有两种方式,一种就是将探伤重复频率与60HＺ视频同步,波形动态感好;
另一种就是采用较高得重复频率探伤,以6０HZ或30HZ频率显示峰值波形、
3）数字化探伤参数计算
数字式超声波探伤仪之所以能够显示直观得检测数据,就是因为数字式超声波探伤仪具有了计算能力,通过对超声波探伤波形信号得波形高度及波形延迟时间得数字化测量,结合相关先验参数,进行计算,显示出直观得物理量、同时,这些先验参数也能通过标准试块得参考波形测试,自动计算得出,这个过程,就是对数字式超声波探伤仪得读数校准过程。
数字式超声波探伤仪得定位校准主要计算探头零点,材料声速与折射角度三个参数。
探头零点计算:
对试块上两个已知倍数声程距离（S1,nＳl）得回波分别测得延时（T1,T2）,测量与声程大小无关,与材料声速无关。
计算探头入射延时:
这里ｎ一般就是2,T０表示超声波检测系统得系统延时,包括计时零点到发射超声波得电子延时与超声波在超声探头楔块、耦合材料等非被检测材料中得传输延时、电子延时就是数字式超声波探伤仪得固有参数,一般小于0、1ｕs:
后者与采用得超声波探头、超声波耦合条件有关,接触法探伤时,主要受超声波探头得楔块影响,没有超声波延时楔块得直探头得传输延时小于0、1us,超声横波探头得传输延时从一微秒到十几微秒不等、探头零点延时校准后,数字式超声波探伤仪根据波形延时T,计算超声波在被检工件内得传输延时Ts:
Ｔs=T—T0。
材料声速测量:
对一个已知声程（S）得回波测量延时（T）,计算声速:
由上式可知,在测量声速之前要保证探头零点延时得正确。
试块要与具体检测材料相同。
在一般情况下,材料声速与试块声速可根据超声波型（横波或纵波）,材料种类从有关手册查出后输入。
在未知材料声速时,才有必要制作试块与测量声速,横波声速得测量一定需要制作圆弧反射面,因为在未知声速时,折射角度就是不确定得、
折射角度测量:
对已知深度（H）得回波测量延时（T）,计算折射角:
由上式可知,在测量声速之前必须保证探头零点延时与声速得正确。
有一种方法通过两个已知深度（H1,H2）得人工缺陷反射波延时得测量（T１,T2）,若已知探头零点延时（Ｔ０）、材料声速（C）与折射角度中得任一个参数,可同时计算出另外两个参数。
4）距离波幅曲线
数探仪通过测量不同距离得相同尺寸人工缺陷回波得绝对分贝数建立距离波幅曲线,能自动在不同灵敏度、扫查范围时将曲线计算出来、显示在屏幕上、比模拟探伤仪在刻度板上画曲线方便得多。
数探仪得曲线就是通过各个点得测量值,在对数域用直线相连,形成折线,恢复到线性域时,以指数规律变化,符合声波衰减得自然规律。
数探仪得曲线在有效读数量程时有效,一盘要高地2０%~30％屏幕高度,它得优点在于能自动随着灵敏度得提高而上升,但不能增加动态范围、
数探仪得另一项功能自动距离增益补偿能随延时变化增益,使距离波幅曲线变平坦,相对增加动态范围。
５）波形得自动捕获
数探仪在探伤时能自动捕获闸门内峰值最大得波形,锁定在屏幕上,也能将不同距离上得峰值包络保留下来,辅助测量工作。
使探伤更加准确,减轻了操作人员得劳动强度。
数探仪还能自动调整增益,使闸门内得回波幅度达到一定得高度,使操作更加简单。
6）波形记录、探伤报告得存储、打印与计算机通讯、建立数据库
数字式超声波探伤仪得一个重要功能就就是能够将探伤参数,探伤波形记录下来,存储在文件中,或传输给计算机,建立有关数据库,实现无损检测工件得信息化管理、
7）探伤参数与仪器设置得自动生成
数字式超声波探伤仪具有计算能力,能够根据被检测工件得尺寸、形状与探伤方法自动生成探伤仪参数、
8）排除电磁干扰与数据后期处理
超声波探伤就是以脉冲重复频率重复进行得,在短时间内（探头没有很大得移动）探伤波形因超声传输路径基本相同而肯有相关性,外界电磁干扰等噪声信号就是随机出现或不相关得,所以数字式超声波探伤仪经过对回波波形进行多次平均处理能有效排除干扰信号,提高信噪比。
数字式超声波探伤仪还能将超声波形进行滤波、频谱分析、相关分析、小波变换、模式识别等算法处理达到得高信噪比、提高分辨率与缺陷识别分析得目得。
3。
3 使用数字式超声波探伤仪得常见问题
1）有关重复频率
脉冲重复频率就是单位时间内仪器完成超声波检测得有效次数,即实现独立判伤报警得次数。
数字式超声波探伤仪得脉冲频率就是发展得,一般手持式数字式超声波探伤仪均做到脉冲重复频率与视频同步,使每次超声检测回波被显示出为,这与模拟探伤仪一致,但重复频率被降到了50HＺ—60ＨＺ,在快速扫查与自动探伤时性能不好、
因为就是显示同制限制了重复频率,所以有得探伤仪包括一些国外得仪器,采用了较高得重复频率,5００ＨZ—2000KHZ,高速数据外理进行自动捕获最大伤波,再以视频显示出来,于就是兼顾了显示性能与扫查性能。
影响模拟超探仪脉冲重复频率得因素只有超声传输延时,波形信号在产生得同时完成了与闸门电平得比较,输出报警、然后就能进行下一次脉冲检测。
而一般数字式超探仪得探伤判别往往就是经过后处理得,脉冲重复频率要受一数据处理时间得制约。
有些进口仪器采用了DＳP技术将数据处理时间压缩到很短,感觉不到与模拟超探仪得差别、
２）波形分辨率
探伤仪得波形分辨率受发射波得宽窄、接收匹配阻抗得高低与放大器带宽性有影响。
数探仪得数字代波形显示使波形在水平方向分厉有限个占得集合（２０0－50０）,所以每个点要代表附近波形得典型值,为了保证探伤效果,一般取峰值,所以会把标识分辨率得谷值抛弃。
使测试分辨率降低,而模拟探伤仪得波形就是连续得,谷值能一直保持,反映真正分辨率,所以在测试数探仪得分辨时要将波形适当拉宽,即缩小水平扫描范围,测试到真正得分辨率。
为了符合现行标准,就要选择更高分辨率得探头。
３）水平线性误差
数探仪水平读数相对误差取决于波形分辨率,当模拟波形不失真时,就是波形序列点数得倒数,0.５％-0、２％。
绝对误差取决于采样频率（40MＨZ—200MＨＺ）、数字式超声波探伤仪就是帖采样时钟显示与读取水平延时数据得,排除了模拟超声探伤仪由锯齿放大失真引起得线性误差与屏幕辨读误差（2％左右）。
4）垂直线性误差
数探仪得垂直读数误差有三个因素,一就是数字化分辨率,一般为8位,256级,或７位128级（数字双向检波检测1位）,误差就是0。
4%－0、8%;
第二个因素就是数字控制放大器得精度,0。
3分贝到0。
6分贝,2％—5％;
另一个因素就是接收放大器得线性误差,采用集成化得数字控制放大器,线性误差可以控制到很小。
排除了模拟探伤仪得衰减器误差、视频放大器线性误差、视频放大器线性误差、与屏幕判读误差。
5）衰减器范围与增益范围
模拟探伤仪一般用可调节１０0分贝得衰减器,固定60分贝放大器,完成-４0分贝到+60分贝得增益调节范围,读数用衰减量表示;
数探仪用4０分贝得固定衰减器（可选）,与８0分贝到9０分贝左右得数控放大器完成－40分贝到+８0分贝得增益范围调节,用增益值表示,与国外仪器一致。
也有数字式超声波探伤仪使用对数放大器,具有很大得动态范围。
6）采样频率
数字化采样频率影响超声检测波形得真实信息保留,根据奈奎斯特定理与三农定理,数字化采样频率必须高于信号频率或带宽得两倍,就能还原出模拟波形得任意一点信号,但一般超声波探伤得数据处理需要很强得实时性,不采用算法进行还原,所以采样频率应远高于采样定律规定得数值。
最低采样频率应使超声波信号峰值在采样间隔内起伏变化误差小于能允许得误差。
例如,我们允许波幅读数误差4%,对于一个频率为F得正弦波,最低采样频率应高于１1×
Ｆ、由于超声波信号就是脉冲信号,即带宽信号,所以Ｆ应取频率范围内最高得值,也就就是上边频率。
对于模拟检波电路,在采样前超声信号经检波电路与滤波电路,形成波形信号得包络,频率范围较低,只需20到40MHz采样频率;
对于射频波形或数字检波方式,采样频率要到10０到200MHｚ。
五、数字式超声波探伤仪得发展
1）数字信号处理
数字式超声波探伤仪把超声波探伤与数字信号处理技术、计算机技术结合在一起,使从夹杂各种因素得波形信号中提取对判伤有用得信息得途径大为拓展,有可能采用各种计算方法进行数字信号处理。
许多数字式超声波探伤仪已经具有了数字滤波、频谱分析、波形识别、小波分析等数字信号处理功能用于提高检测信噪比与缺陷识别能力。
2）自动化多通道数字式超声波探伤仪
数字式超声波探伤仪应用于自动化超声波检测,具有巨大得潜力。
数字式超声波探伤仪能够协调多个通道得协同工作,各个通道相互独立,互不干扰,并且通过数字信号处理排除工业现场得电磁干扰,识别伤波。
完成自动检测与自动判伤。
数字式超声波探伤仪在探伤控制计算机协调下工作,能够存储、校准与设置探伤参数,实时将探伤数据传送给主计算机。
在主计算机形成自动探伤得数据记录与探伤报告。
这种计算机系统管理模式有助于机电一体化控制,把探伤设备与生产设备得自动化管理溶入一体。
数字式超声波探伤仪与自动化机械探伤扫查结合起来,能实现超声检测数据得图形化与图像显示、
3）计算机超声成像
数字式超声波探伤仪与机械扫描或电子控制相结合,实现超声检测数据得各种图形与图像得显示、
A扫图形显示超声探伤波形。
B扫图像显示探头沿一维扫查得超声探伤图像,图像得一维就是探头（或声线）扫查位置,另一维就是超声波检测得声程深度位置,超声波检测波形得幅度用颜色或灰度表示。
C扫图像显示探头沿两维扫查得超声探伤图像,图像得坐标就是探头（或声线）扫查位置,在一定深度范围内得超声波检测波形得幅度用颜色或灰度表示,多层得C扫图像能反映材料中缺陷得立体形态。
超声参数图像重建方法主要分透射法与背向散射法,主要原理建立由超声波传输与材料特性参数相互作用而形成扫查测量值数学模型,通过空间域或空间频域得反向算法重建材料得特性参数图像,一般被称为合成孔径算法。
超声成像得超声波探伤仪器将就是超声波无损检测得一片新天地,将建立新得缺陷识别与定量得方法、概念。
４）超声相控阵技术
超声波相控阵技术就是指将超声波探头分成阵列排列得小片,各个阵元按一定得延时关系（相位关系）同步发射,然后检测各个阵元得检测信号按一定得延时关系（相位关系）得叠加（干涉）结果、这种技术通过延时关系（相位关系）得控制,能实现超声波束得方向控制、聚焦控制及线性扫描,形成电子扫描得B扫图像。
第二节 超声波探头
在超声波探伤中,如何发射超声波,以及如何接收经被探测材料传播后得超声波,就是首先要解决得问题。
因为它得好坏直接关系着探伤得水平。
当人们发现超声得存在之后,就寻找获得超声得方法,最早出现得就是气体动力式得与液体动力式得方法,但这些方法在应用上都受到局限,直到发现了压电效应,能方便得将电能转换成声能,同时还可以将声能转换成电能得方法之后,才使得超声在无损探伤中得以广泛得应用与发展。
将一种能量转换成另一种能量得器件叫做换能器。
能量得形式就是各种各样得,因此换能器得类型也就是多种多样得。
在电得普遍应用与电量得放大与测量、显示技术比较成熟得情况下,当然实现电与声、声与电之
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