超声波检测设备及原理.doc

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超声波检测设备及原理

超声检测主要是利用超声波在工件中的传播特性，如声波在通过材料时能量会损失衰减，在遇到声阻抗不同的两种介质界面时会发生反射、折射等。

其工作原理是：

1）.声源产生超声波，超声波以一定的方式进入工件传播。

2）.超声波在工件中传播遇到不同介质界面（包括工件材料中缺陷的分界面），使其传播方向或特征发生改变。

3）.改变后的超声波通过检测设备被接收，并进行处理和分析，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

第一节超声波探伤仪

超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤的重要设备。

了解这些设备的原理、构造和作用及其主要性能的测试方法是正确选择探伤设备进行有效探伤的保证。

一、超声波探伤仪概述

1．仪器的作用

超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它的作用是产生电振荡并加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。

2．仪器的分类

超声仪器分为超声检测仪器和超声处理（或加工）仪器，超声波探伤仪属于超声检测仪器。

超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目的、探测场合、探测速度等方面的要求不同，因而有各种不同设计的超声波探伤仪，常见的有以下几种。

1）按超声波的连续性分类

①脉冲波探伤仪：

这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波，根据超声波的传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小，这是目前使用最广泛的探伤仪

②连续波探伤仪：

这种仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变（或在小范围内周期性变化）的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小．这种仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置，因而已大多被脉冲波探伤仪所代替，但在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。

③调频波探伤仪：

这种仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波，根据发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。

以往的调频式路轨探伤仪便采用这种原理。

但由于只适宜检查与探测面平行的缺陷，所以这种仪器也大多被脉冲波探伤仪所代替。

2）按缺陷显示方式分类

①A型显示探伤仪：

A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的幅度。

由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。

②B型显示探伤仪：

B型显示是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间（或距离），因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度．

③C型显示探伤仪：

C型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。

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的平面图像，但不能显示缺陷的深度．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）按超声波的通道分类

①单通道探伤仪：

这种仪器由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。

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，探伤中广泛使用的超声波探伤仪，如CTS一22、CTS一26等都是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的一般工作原理

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，表示各部分之间的关系，说明仪器的大致结构和工作原理。

图4-2仪器方框电路图

2．仪器主要组成部分的作用

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，同步电路是整个探伤仪的“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，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。

探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫描电路的控制旋钮。

探伤时，应根据被探工件的探测深度范围选择适当的深度档级，井配合微调旋钮调整，使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。

扫描电路的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的开关特性，产生几百伏至上千伏的电脉冲。

电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波，可控硅发射电路的典型电路如图所示。

图4-4发射电路图

发射电路中的电阻R0称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变R0的阻值。

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，即影响探头的分辨力。

4）接收电路：

见图4-5，接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。

它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波管的垂直偏转板上，井在荧光屏上显示。

由于接收的电信号非常微弱，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的放大能力。

接收电路的性能对探伤仪性能影响极大，它直接影响到探伤仪的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。

接收电路的方框图及其波形如图所示。

图4-5接收电路图

由大小不等的缺陷所产生的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的缺陷回波在放大器内得到正常的放大，并能在示波管荧光屏的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的电平。

一般把放大器的电压放大倍数用分贝来表示：

式中Kv——电压放大倍数的分贝值；

U出——放大器的输出电压；

U入——放大器的输入电压，一般探伤仪的电压放大倍数可达104～105倍，相当于80～100dB。

探伤仪面板上的增益、衰减器、抑制等旋钮是放大电路的控制旋钮。

增益旋钮用来改变放大器的增益，增益数值大，探伤灵敏度高。

衰减器旋钮用来改变衰减器的衰减量。

一般说来，衰减读数大，灵敏度低。

但是，有的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。

抑制旋钮的作用是抑制草状杂波。

但应注意，使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降。

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、偏转系统和荧光屏等三部分组成。

图4-6显示电路图

电子枪发射的聚束电子以很高的速度轰击荧光屏时，使荧光物质发光，在荧光屏上形成亮点。

扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转板，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，肉眼看上去就好象是静止的图像。

6）电源：

电源的作用是给探伤仪各部分电路提供适当的电能，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的变压、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，这些辅助电路的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

超声波探伤仪的主要工作原理：

以一定的脉冲重复周期发射激发超声波的高压电子脉冲：

同步接收超声波电信号波形；衰减和放大波形信号；对信号进行检波和滤波：

在显示屏上显示回波信号波形；读出波形的幅度和延时时间；判读回波的大小和产生回波的位置。

传统模拟超声波探伤仪的基本结构如图4-2所示，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。

各部分电路的参数设置都是独立地通过面板旋钮或档位开关控制的，并且只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。

而数字化的超声波探伤仪主要是指包括了具有所有模拟超声波探伤仪功能模块的电脑化仪器。

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，使超声波探伤仪的发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路的控制参数能由微机键盘和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和数据的数字化输出。

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的功能。

超声波探伤仪的数字化主要体现在读数数字化，波形显示数字化和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的电子扫描波形。

这里回顾一下获取模拟超声波探伤仪数据的途径：

模拟超声波探伤仪对波幅的读出过程是：

通过将回波调整到一定的百分比高度线（30%或80%等），然后读出衰减器的位置读数。

模拟波形相对刻度线的读数精度比较低，一般大于2%。

模拟探伤仪对回波位置的读出过程是：

将已知距离的参考回波调整到整数格上，再将探伤回波在屏幕上的位置刻度读出，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，探伤所需的其他一些间接参数（如缺陷当量）的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的数字化波形外，还能显示出一些探伤所需的直观数据，包括回波幅度和回波位置。

数探仪对波幅的读出过程是：

将模拟波形电信号放大到合适的量程后<30%

用模／数转换器转换成数字信号，由计算机计算该数字信号和参考数字的比值或分贝值，自动加上放大器或衰减器的读数，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%。

数探仪对回波位置的读出过程是：

由计算机读取回波峰值点或上升沿处相对同步脉冲的延时记数值，记数脉冲由晶体振荡器产生。

计算机将延时数字扣除探头的延时，乘以声速的一半，得到回波的声程。

再根据折射角度和有关几何关系，计算出相应的水平距离的垂直深度，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的参数自动计算更多的检测数据，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：

同步的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。

高压放大器的线性性能直接影响波形的显示质量和人工判读。

波形显示和脉冲重复频率同步。

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。

数探仪的波形显示是用模／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。

显示器可以是电磁偏转的监视器，也可以是平板显示器。

前者虽然有偏转失真，但相对同样偏转的坐标格，没有误差；后者则根本不会失真。

数字化波形显示频率和视频同步，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的显示要灵活和准确得多。

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4-8PXUT-350B+数字式超声波探伤仪面板图

如图4-7和图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，更轻巧的体积和超长工作时间使探伤工作更为轻松。

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