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超聲波探頭

來(lái)源：北京科威精益科技有限公司 2009年08月11日 17:21

聲波探頭

　　超聲波探頭

　　一.以構(gòu)造分類

　　1.直探頭: 單晶縱波直探頭雙晶縱波直探頭

　　2.斜探頭: 單晶橫波斜探頭a1

　　單晶縱波斜探頭 aL

　　aL在a1附近為爬波探頭

　　爬波探頭；沿工件表面?zhèn)鬏數(shù)目v波，速度快、能量大、波長(zhǎng)長(zhǎng)探測(cè)深度較表面波深，對(duì)工件表面光潔度要求較表面波松。（頻率2.5MHZ波長(zhǎng)約2.4mm，講義附件11、12、17題部分答案）。

　　3.帶曲率探頭: 周向曲率徑向曲率。

　　周向曲率探頭適合---無(wú)縫鋼管、直縫焊管、筒型鍛件、軸類工件等軸向缺陷的檢測(cè)。工件直徑小于2000mm時(shí)為保證耦合良好探頭都需磨周向曲率。

　　徑向曲率探頭適合---無(wú)縫鋼管、鋼管對(duì)接焊縫、筒型鍛件、軸類工件等徑向缺陷的檢測(cè)。工件直徑小于600mm時(shí)為保證耦合良好探頭都需磨徑向曲率。

　　4.聚焦探頭: 點(diǎn)聚焦線聚焦。

　　5.表面波探頭:（當(dāng)縱波入射角大于或等于第二臨界角,既橫波折射角度等于90形成表面波）.

　　沿工件表面?zhèn)鬏數(shù)臋M波，速度慢、能量低、波長(zhǎng)短探測(cè)深度較爬波淺，對(duì)工件表面光潔度要求較爬波嚴(yán)格。

　　*章“波的類型”中學(xué)到：表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度內(nèi)的缺陷。（頻率2.5MHZ波長(zhǎng)約1.3mm，講義附件11、12題部分答案）。

　　二.以壓電晶體分類:

　　三.壓電材料的主要性能參數(shù):

　　1.壓電應(yīng)變常數(shù)d33:

　　d33=Dt/U在壓電晶片上加U這么大的應(yīng)力,壓電晶片在厚度上發(fā)生了Dt的變化量,d33越大,發(fā)射靈敏度越高（82頁(yè)zui下一行錯(cuò)）。

　　2.壓電電壓常數(shù)g33:

　　g33=UP/P在壓電晶片上加P這么大的應(yīng)力.在壓電晶片上產(chǎn)生UP這么大的電壓,g33越大,接收靈敏度越高。

　　3.介電常數(shù)e:

　　e=Ct/A[C-電容、t-極板距離（晶片厚度）、A-極板面積（晶片面積）];

　　C小→e小→充、放電時(shí)間短.頻率高。

　　4.機(jī)電偶合系數(shù)K:

　　表示壓電材料機(jī)械能（聲能）與電能之間的轉(zhuǎn)換效率。

　　對(duì)于正壓電效應(yīng):K=轉(zhuǎn)換的電能/輸入的機(jī)械能。

　　對(duì)于逆壓電效應(yīng):K=轉(zhuǎn)換的機(jī)械能/輸入的電能.

　　晶片振動(dòng)時(shí),厚度和徑向兩個(gè)方向同時(shí)伸縮變形,厚度方向變形大,探測(cè)靈敏度高,徑向方向變形大,雜波多,分辨力降低,盲區(qū)增大,發(fā)射脈沖變寬.（講義附件16、19題部分答案）。

　　聲速: 3240 M/S 工件厚度: 16.00MM 探頭頻率:2.500MC

　　探頭K值: 1.96 探頭前沿: 7.00MM 坡口類型:X

　　坡口角度: 60.00 對(duì)焊寬度: 2.00MM 補(bǔ)償: -02dB

　　判廢: +05dB 定量: -03dB 評(píng)定: -09dB

　　焊口編號(hào): 0000 缺陷編號(hào): 1. 檢測(cè)日期:05.03.09

　　聲速: 3240 M/S 工件厚度: 16.00 MM探頭頻率: 5.00 MC

　　探頭K值: 1.95 探頭前沿: 7.00 MM 坡口類型:X

　　坡口角度: 60.00 對(duì)焊寬度: 2.00 MM 補(bǔ)償:-02 dB

　　判廢: +05 dB 定量: -03 dB 評(píng)定: -09dB

　　焊口編號(hào): 0000 缺陷編號(hào): 1. 檢測(cè)日期:05.03.09

　　5.機(jī)械品質(zhì)因子qm:

　　qm=E貯/E損,壓電晶片諧振時(shí),貯存的機(jī)械能與在一個(gè)周期內(nèi)（變形、恢復(fù)）損耗的能量之比稱……損耗主要是分子內(nèi)摩擦引起的。

　　qm大,損耗小,振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),脈沖寬度大,分辨力低。

　　qm小,損耗大,振動(dòng)時(shí)間短,脈沖寬度小,分辨力高。

　　6.頻率常數(shù)Nt:

　　Nt=tf0,壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù),晶片材料一定,厚度越小,頻率越高.（講義附件16、19題部分答案）。

　　7.居里溫度Tc:

　　壓電材料的壓電效應(yīng),只能在一定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生,超過(guò)一定的溫度,壓電效應(yīng)就會(huì)消失,使壓電效應(yīng)消失的溫度稱居里溫度（主要是高溫影響）。

　　8．的另一項(xiàng)重要指標(biāo)：信噪比---有用信號(hào)與無(wú)用信號(hào)之比必須大于18 dB。（為什么？）

　　四.探頭型號(hào)（應(yīng)注意的問題）

　　1．橫波探頭只報(bào)K值不報(bào)頻率和晶片尺寸。

　　2．雙晶探頭只報(bào)頻率和晶片尺寸不報(bào)F（菱形區(qū)對(duì)角線交點(diǎn)深度）值。

　　例：用雙晶直探頭檢12mm厚的板材，翼板厚度12mm的T型角焊縫，怎樣選F值？

　　講義附件（2題答案）。

　　五.應(yīng)用舉例:

　　1.斜探頭近場(chǎng)N=a´b´COSb/plCOSa。 λ=CS/¦.

　　直探頭近場(chǎng)N=D/4l。λ=CL/¦.

　　2.橫波探傷時(shí)聲束應(yīng)用范圍:1.64N-3N。

　　縱波探傷時(shí)聲束應(yīng)用范圍:³3N。

　　雙晶直探頭探傷時(shí),被檢工件厚度應(yīng)在F菱形區(qū)內(nèi)。

　　3.K值的確定應(yīng)能保證一次聲程的終點(diǎn)越過(guò)焊縫中心線，與焊縫中心

　　線的交點(diǎn)到被檢工件內(nèi)表面的距離應(yīng)為被檢工件厚度的三分之一。

　　4.檢測(cè)16mm厚的工件用5P 9×9K2、2.5P9X9K2、2.5P13X13K2那一種探頭合適（聚峰斜楔）.以5P9X9K2探頭為例。

　　（1）.判斷一次聲程的終點(diǎn)能否越過(guò)焊縫中心線?

　?。ê缚p余高全寬+前沿）/工件厚度

　　（2）.利用公式：

　　N?（工件內(nèi)剩余近場(chǎng)長(zhǎng)度）=N（探頭形成的近場(chǎng)長(zhǎng)度）—N?（探頭內(nèi)部占有的近場(chǎng)長(zhǎng)度）=axbxcosβ/πxλxcosα–Ltgα/tgβ,計(jì)算被檢工件內(nèi)部占有的近場(chǎng)長(zhǎng)度。講義附件（14題答案）。

　　A．查教材54頁(yè)表:

材料	K值	1.0	1.5	2.0	2.5	3
有機(jī)玻璃	COSb/ COSa	0.88	0.78	0.68	0.6	0.52
聚砜	COSb/ COSa	0.83	0.704	0.6	0.51	0.44
有機(jī)玻璃	tga /tgb	0.75	0.66	0.58	0.5	0.44
聚砜	tga /tgb	0.62	0.52	0.44	0.38	0.33

COSb/COSa、tga/tgb與K值的關(guān)系

　　查表可知cosβ/cosα=0.6, tgα/tgβ=0.44,計(jì)算可知α=41.35°.

　　B． λ=Cs/ƒ=3.24/5=0.65mm

　　C．

　　參考圖計(jì)算可知：

　　tgα=L1/4.5,L1=tg41.35°X4.5=0.88X4.5=3.96mm.

　　cosα=2.5/L2,L2=2.5/cos41.5°=2.5/0.751=3.33mm,

　　L=L1+L2=7.3mm,Ltgα/tgβ=7.3×0.44=3.21mm,（N?）

　　由（1）可知，IS=35.8mm, 2S=71.6mm

　　N=axbxcosβ/pxλxcosa=9×9×0.6/3.14×0.65=23.81mm,

　　1.64N=39.1mm, 3N=71.43mm.

　　工件內(nèi)部剩余的近場(chǎng)（N?）=N-N?=20.6mm（此范圍以內(nèi)均屬近場(chǎng)探傷）.

　　（1.64N-N?）與IS比較,（3N-N?）與2S比較,

　　使用2.5P13X13K2探頭檢測(cè)16mm厚工件,1.64N與3N和5P9X9K2探頭基本相同,但使用中仍存在問題，2.5P9X9K2探頭存在什么問題？

　　一.探傷過(guò)程中存在的典型問題:

　　不同探頭同一試塊的測(cè)量結(jié)果

反射體深度	1#探頭	2#探頭
	橫波折射角	聲程	橫波折射角	聲程
mm	（）	mm	（）	mm
20	21.7	21.7	32.8	24.3
40	24.4	45.0	32.5	49.8
60	25.8	70	30.9	75.6
80	28.9	101.8	29.1	102.0

注:1.晶片尺寸13´132.晶片尺寸10´20.

　　試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):同一探頭（入射角不變）在不同深度反射體上測(cè)得的橫波折射角不同,進(jìn)一步試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),折射角的變化趨勢(shì)與晶片的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的晶片,折射角的變化趨勢(shì)不同,甚至*相反,而對(duì)同一

　　晶片,改變探頭縱波入射角,其折射角變化趨勢(shì)基本不變,上表是兩個(gè)晶片尺寸不同的探頭在同一試塊上測(cè)量的結(jié)果.

　　1#探頭聲束中心軌跡 2#探頭聲束中心軌跡

　　1.縱波與橫波探頭概念不清.

　　*臨界角:由折射定律SinaL/CL1=SinbL/CL2,當(dāng)CL2>CL1時(shí),bL>aL,隨著aL增加,bL也增加,當(dāng)aL增加到一定程度時(shí),bL=90,這時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱為*臨界角aI,

　　aI=SinCL1/CL2=Sin2730/5900=27.6,當(dāng)aL

　　第二臨界角:由折射定律SinaL/CL1=SinbS/CS2,當(dāng)Cs2>CL1時(shí),bS>aL,隨著aL增加,bS也增加,當(dāng)aL增加一定程度時(shí),bS=90,這時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱為第二臨界角aⅡ.aⅡ=SinCL1/CS2=Sin2730/3240=57.7.當(dāng)aL=aI--aⅡ時(shí),第二介質(zhì)中只有折射橫波S,沒有折射縱波L,常用橫波探頭的制作原理。

　　利用折射定律判斷1#探頭是否為橫波探頭。

　　A.存橫波探傷的條件:Sin27.6/2730=Sinb/3240,

　　Sinb=Sin27.6´3240/2730=0.55,b=33.36,K=0.66。

　　B.折射角為21.7時(shí)：

　　Sina/2730=Sin21.7/3240,Sina=Sin21.7´2730/3240,a=18.15,

　　小于*臨界角27.6。

　　折射角為28.9時(shí)：

　　Sina/2730=Sin28.9/3240,Sina=Sin28.9´2730/3240,a=24,也小于*臨界角27.6。

　　C.如何解釋1#探頭隨反射體深度增加,折射角逐漸增大的現(xiàn)象,由A、B

　　可知,1#探頭實(shí)際為縱波斜探頭,同樣存在上半擴(kuò)散角與下半擴(kuò)散角,而且上半擴(kuò)散角大于下半擴(kuò)散角。（講義附件9題答案）。

　　縱波入射角aL由0逐漸向*臨界角aI（27.6）增加時(shí),第二介質(zhì)中的縱波能量逐漸減弱,橫波能量逐漸增強(qiáng),在聲束的一定范圍內(nèi),q下區(qū)域內(nèi)的縱波能量大于q上區(qū)域內(nèi)的縱波能量,探測(cè)不同深度的孔,實(shí)際上是由q下區(qū)域內(nèi)的縱波分量獲得反射回波zui高點(diǎn)。

　　由超聲場(chǎng)橫截面聲壓分布情況來(lái)看,A點(diǎn)聲壓在下半擴(kuò)散角之內(nèi),B點(diǎn)聲壓在上半擴(kuò)散角之內(nèi),且A點(diǎn)聲壓高于B點(diǎn)聲壓。再以近場(chǎng)長(zhǎng)度N的概念來(lái)分析,2.5P13´13K1探頭N=36.5mm,由此可知反射體深度20mm時(shí),聲程約21.7mm,b=21.7時(shí)N=40.07mm為近場(chǎng)探傷。

　　在近場(chǎng)內(nèi)隨著反射體深度增加聲程增大,A點(diǎn)與B點(diǎn)的能量逐漸向C點(diǎn)增加,折射角度小的探頭角度逐漸增大,折射角度大的探頭角度逐漸減少。

　　2.盲目追求短前沿:

　　以2.5P 13´13K2探頭為例,b=15mm與b=11mm,斜楔為有機(jī)玻璃材料;

　　（1）.檢測(cè)20mm厚,X口對(duì)接焊縫,缺陷為焊縫層間未焊透.

　　（2）.信噪比的關(guān)系:有用波與雜波幅度之比必須大于18dB.

　　（3）.為什么一次標(biāo)記點(diǎn)與二次標(biāo)記點(diǎn)之間有固定波？

　　由54頁(yè)表可知：COSb/COSa=0.68，K2探頭b=63.44°，

　　COS63.44°=0.447，COSa=0.447/0.68=0.66，

　　COSa=6.5/LX，前沿LX=6.5/0.66=9.85mm。（講義附件6題答案）。

　　3.如何正確選擇雙晶直探頭:

　　（1）.構(gòu)造、聲場(chǎng)形狀、菱形區(qū)的選擇;

　　（2）.用途:為避開近場(chǎng)區(qū),主要檢測(cè)薄板工件中面積形缺陷.

　　（3）.發(fā)射晶片聯(lián)接儀器R口,接收晶片聯(lián)接T口（匹配線圈的作用）.

　　4.探頭應(yīng)用舉例:

　　二.的工作原理:

　　1．通過(guò)壓電效應(yīng)發(fā)射、接收超聲波。

　　2．640V的交變電壓加至壓電晶片銀層，使面積相同間隔一定距離的兩塊金屬極板分別帶上等量異種電荷形成電場(chǎng)，有電場(chǎng)就存在電場(chǎng)力，壓電晶片處在電場(chǎng)中，在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生形變，在交變電場(chǎng)力的作用下，發(fā)生變形的效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)，也是發(fā)射超聲波的過(guò)程。

　　3．超聲波是機(jī)械波，機(jī)械波是由振動(dòng)產(chǎn)生的，超聲波發(fā)現(xiàn)缺陷引起缺陷振動(dòng)，其中一部分沿原路返回，由于超聲波具有一定的能量，再作用到壓電晶體上，使壓電晶體在交變拉、壓力作用下產(chǎn)生交變電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)，是接收超聲波的過(guò)程。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

　　※以儀器的電路來(lái)說(shuō)，只能放大電壓或電流信號(hào)，不能放大聲信號(hào)。

　　四．試塊：※強(qiáng)調(diào)等效試塊的作用。

　　1．常用試塊的結(jié)構(gòu)尺寸、各部位的用途，存在問題；（講義附件8、10、13、18題答案）。

　　2．三角槽與線切割裂紋的區(qū)別；3．立孔與工件中缺陷的比較：、

　　4．幾種自制試塊的使用方法；

　　A．奧氏體試塊：

　　B．雙孔法校準(zhǔn)（主要用于縱波斜探頭探傷,如螺栓）（講義附件5、7題答案）。

　　計(jì)算公式：令h2/h1=n；

　　a=[n（t1+f/2）-（t2+f/2）]/（n-1） ……1式

　　t1與t2為一次聲程分別發(fā)現(xiàn)h1與h2孔時(shí)的聲程（包含a）；

　　COSb=h1/（t1+f/2-a），b=COSh1/（t1+f/2-a）；

　　tgb=K，K=tgCOSh1/（t1+f/2-a） ……2式

　　b=（L2-nL1）/（n-1） …… 3式

　　C．外圓雙孔法校準(zhǔn)原理（外徑f>100mm的工件周向探傷用）：

　　計(jì)算公式：q=（ - ）180/Rp …… 1式

　　…… 2式

　　j=Sin[Sinq（R-h2）/A¢B] ……3式

　　b=Sin（R-h1）Sinj/R …… 4式

　　tgb=K=tgSin（R-h1）Sinj/R …… 5式

　　=ÐeR/57.3- …… 6式

　　Ðe=Ðj-Ðb.

　　D.雙弧單孔法校準(zhǔn)（外徑Φ<100mm的工件周向探傷用）:

　　（1）距離校準(zhǔn)同CSK-ⅠA校圓弧;

　　（2）.K值校準(zhǔn)b=COS[R2+（S+f/2）-（R-h）]/2R2（S+f/2） tgb=K

　　（講義附件3、15題答案）。

　　五.常用的兩種探傷方法:

　　1.曲線法;

　　2.幅值法.

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