超声波检测设备

基础知识

超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。由这些设备组成一个综合的超声检测系统，系统的总体性能不仅受到各个分设备的影响，还在很大程度上取决于它们之间的配合。随着工业生产自动化程度的提高，对检测的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工检测越来越多地被自动检测系统取代。

一、超声波检测仪

超声波检测仪是超声检测的主体设备，是专门用于超声检测的一种电子仪器。它是根据超声波传播原理、电声转换原理和无线电测量原理设计的，种类繁多，性能也不尽相同，脉冲式超声波检测仪应用最广泛。

超声波检测仪产生电振荡并加于换能器——探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。

1.超声波检测仪的分类

脉冲式检测仪按回波信号的显示方式可分为A型显示、B型显示和C型显示三种类，目前用的超声波探伤仪以A型显示脉冲反射式为主。

A型显示脉冲反射式超声波探伤仪自身发展形成三种形态，如图5-4所示：

（1）模拟式 模拟波形显示，旋钮控制，波形刻度读出。

（2）数字式 数字波形显示，数字参数控制，波形数字读出。

（3）数字模拟组合式 模拟波形显示，旋钮控制，部分参数数字输入，波形数字读出。

模拟式和数字式A型脉冲反射式超声波检测仪在工程实际中应用最为广泛。

图5-4  超声波探伤仪

2. A型显示脉冲反射式模拟式超声波探伤仪工作原理

接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。扫描电路受触发后开始工作，产生的锯齿波电压加至示波管水平（x轴）偏转板上，使电子束发生水平偏转，从而在示波屏上产生一条水平扫描线（又称时间基线）。与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动而产生超声波，再通过探测表面的耦合剂将超声波导入工件。超声波在工件中传播遇到缺陷或底面时会发生反射，回波被同一探头或接收探头所接收并被转变为电信号，经接收电路放大和检波后加至示波管垂直（y轴）偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上产生始波（表面反射波）、缺陷波F，底波B，如图5-5所示。

A型显示脉冲反射式模拟式超声波探伤仪一般由同步电路、发射电路、扫描电路、接收电路、显示电路、电源电路、探头和辅助单元（报警和深度补偿）等组成。

图5-5  A型脉冲反射式超声波探伤仪电路框图

（1）同步电路 同步电路是超声波探伤仪的指挥中心，它产生周期性的脉冲，控制发射电路、接收放大电路、时基电路协调一致地工作。同步电路每秒钟的工作次数就是探伤仪的重复频率。

（2）发射电路 发射电路在同步电路产生的正触发脉冲作用下，在极短的时间内产生上升时间短、脉冲窄、能量高的高频电脉冲，送往探头晶片经电声转换后产生超声波。

（3）扫描电路 扫描电路在同步脉冲的控制下产生锯齿波电信号，送往示波管的水平偏转线圈，产生从左至右的匀速水平扫描线，也称为时基线。

（4）接收放大电路 接收放大电路包括高频放大器、衰减器、检波器、视频放大器和深度补偿等。接收放大的主要作用是将微弱的从探头晶片处送来的电信号经数级放大后加至示波管的垂直偏转线圈上，使回波信号能以一定幅度显示。

二、探头

超声波探头又称压电超声换能器，是实现电——声能量相互转换的能量转换器件。

在超声波检测中，由于被探测工件的形状和材质、探测的目的、探测的条件不同，因而要使用各种不同形式的探头。常用探头如图5-6所示，具体分类见表5-3。

图5-6  各种探头

表5-3 探头分类

选择探头时应综合考虑性能稳定、结构可靠、使用方便，并能满足静压力温度等条件的要求。

1.探头的分类

在焊缝探伤中常用的探头有以下几种：

（1）直探头 声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。它可发射和接收纵波。主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷（板材、锻件）。主要用于探测焊缝缺陷。由压电元件、吸收块、护膜和壳体等组成，如图5-7所示。

图5-7  直探头内部接头

图5-8  斜探头内部结构

（2）斜探头 利用透声料楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头，主要用于检测与探测面成一定角度的缺陷。斜探头可发射和接收横波，由探头、斜楔块和壳体等部分组成，如图5-8所示。

图5-9  双晶探头

（3）双晶探头 为了弥补普通直探头探测近表面缺陷时存在着盲区大、分辨力低的缺点而设计的探头。探头内含两个压电元件，分别是发射晶片和接收晶片，中间用隔声层分开，如图5-9所示。双晶探头又称为分割式TR探头，主要用于探测近表面缺陷和薄工件的测厚。

（4）水浸聚焦探头 由超声探头和声透镜组合而成的探头。声透镜由环氧树脂浇铸成球形或圆柱形凹透镜，类似光学透镜能使光线聚焦一样，它可使超声波束集聚成一点或一条线。由于聚焦探头的声束变细，声能集中，大幅度改善了超声波的指向性，提高了灵敏度和分辨力。

2.探头的型号

超声波探头的型号由五部分组成，用一组数字和字母表示，表示方法：

（1）基本频率 单位为MHz。

（2）晶片材料 常用的晶片材料（压电材料）及其代号见表5-4。

（3）晶片尺寸 圆形晶片为晶片直径；方形晶片为晶片长度/宽度；分割探头晶片为分割前的尺寸。

（4）探头种类 用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可以不标出，主要种类见表5-5。

（5）探头特征 斜探头为其K值或γ，单位为°。

表5-4 常用压电材料及代号

表5-5 常用探头名称代号

例如：

3.探头的主要参数

焊缝超声波探伤常使用斜探头，其斜探头的主要性能如下：

（1）折射角γ（或探头K值） γ或K值大小决定了声束入射工作的方向和声波传播途径，为缺陷定位计算提供的一个有用数据。

（2）前沿长度 声束入射点至探头前端面的距离称前沿长度，又称接近长度。它反映了探头对有余高的焊缝可接近的程度。

（3）声轴偏离角 探头主声速轴线与晶片中心法线之间的夹角称为声速轴线偏向角。

三、试块

与一般的测量过程一样，为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样（试块）对检测系统进行校准。这种按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件即称为试块，如图5-10所示。

图5-10  超声波探伤试块

1.试块的分类

（1）按来历分 超声波探伤用试块按来历可以分为标准试块、对比试块两种。标准试块是由国际、国家有关组织部门推荐、确定和通过使用的。国际上通用的标准试块有ASTM系列试块、ⅡW试块（又称荷兰试块）等，我国的标准试块有CS–1、CS–2系列等。对比试块则是使用者根据需要自行设计和制造的试块，用于检测校准，其用途比较单一。其外形尺寸应能代表被检工件的特征，试块厚度应与被检工件的厚度相对应。如果涉及两种或两种以上不同厚度部件焊接接头进行检测时，试块的厚度由其最大厚度来确定。

（2）按试块上人工反射体分 按试块上人工反射体可分为：平底孔试块、横孔试块、槽形试块。

2.试块的用途

（1）确定检测灵敏度 超声波检测灵敏度是一个重要参数，因此在超声波检测前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整检测和校验灵敏度。

（2）测试仪器和探头的性能 超声波探伤仪和探头的一些重要性能，如垂直线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的。

（3）调整扫描速度 利用试块可以调整仪器示波屏上刻度值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。

（4）判断缺陷的大小 利用某些试块绘出的距离——波幅——当量曲线（即实用 AV G曲线）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是3 N以内的缺陷，采用试块比较法仍是最有效的定量方法。

此外，还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。

3.标准试块的种类和结构

（1）ⅡW试块（图5-11） ⅡW试块是国际焊接学会标准试块，该试块是荷兰代表首先提出来的，故又称荷兰试块，因形状似船形又称船形试块。

（2）ⅡW2试块（牛角试块）（图5-12） ⅡW2试块也是国际焊接学会标准试块，由于外形像牛角，故俗称牛角试块。与ⅡW试块相比，ⅡW2试块体积小、重量轻、形状简单、易加工、便于携带，但功能较ⅡW试块要少。

图5-11  ⅡW试块

图5-12  ⅡW2试块

（3）CSK–IA、CSK–IB试块（图5-13）

图5-13  CSK-IA试块

CSK–IA是我国锅炉和钢制压力容器对焊缝超声波探伤JB 1152–81标准规定的标准试块，是基于IIW试块改进得到的。

CSK–IB试块是国内自主设计的标准试块，CSK–IB试块在原有CSK–IA的基础上增加了测试斜探头折射角的刻度面。我国规定：CSK–IB试块为焊缝探伤用标准试块。

CSK–IB试块的主要用途：

①利用R100圆弧面测定斜探头入射点和前沿长度。利用 50 mm孔的反射波测定斜探头折射角（K值）。

②校验探伤仪水平线性和垂直线性。

③利用 1.5 mm横孔的反射波调整探伤灵敏度。利用R100圆弧面调整探测范围。

④利用 50圆孔估测直探头盲区和斜探头前后扫查声束特性。

⑤采用测试回波幅度或反射波宽度的方法可测定远场分辨力。

4.对比试块RB

对比试块又称参考试块，是由各专业部门按某些具体探伤对象规定的试块。国标规定RB试块为焊缝探伤用对比试块。该试块共有三种，即RB–1（适用于8～25 mm板厚）、RB–2 （适用于8～100 mm板厚）和RB–3（适用于8～150 mm板厚），其形状和尺寸分别如图5-14所示。RB试块组主要用于绘制距离——波幅曲线、调整探测范围和扫描速度、确定探伤灵敏度和评定缺陷大小，它是对工件进行评级判废的依据。

图5-14  RB试块