超聲波探頭講義

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1、第三章探傷儀、探頭和試塊3.1第一節(jié)：探傷儀?3.2探頭一、壓電效應(yīng)與壓電材料某些單晶體和多晶體陶瓷材料在應(yīng)力（壓縮力和拉伸力）作用下產(chǎn)生異種電荷向正反兩面集中而在晶體內(nèi)產(chǎn)生電場，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)這些單晶體和多晶體陶瓷材料處于交變電場中時，產(chǎn)生壓縮或拉伸的應(yīng)力和應(yīng)變，這種效應(yīng)稱為負(fù)壓電效應(yīng)，如圖所示。負(fù)壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，正壓電效應(yīng)接收超聲波并轉(zhuǎn)換成電信號。常用的壓電單晶有石英又稱二氧化硅（SiO2）、硫酸鋰（LiS04H20）、碘酸鋰LiIO3）、鈮酸鋰（LiNbO3）等，除石英外，其余幾種人工培養(yǎng)的單晶制造工藝復(fù)雜、成本高。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇（BaTi0

2、3）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鉛（PbTiO3)、偏鈮酸鉛（PbNb2O4）等。二、探頭的編號方法?三、探頭的基本結(jié)構(gòu)壓電超聲探頭的種類繁多，用途各異，但它們的基本結(jié)構(gòu)有共同之處，如圖所示。它們一般均由晶片、阻尼塊、保護膜（對斜探頭來說是有機玻璃透聲楔）組成。此外，還必須有與儀器相連接的高頻電纜插件、支架、外殼等。四、直探頭（一）直探頭的保護膜1.壓電陶瓷晶片通常均由保護膜來保護晶片不與工件直接接觸以免磨損。常用保護膜有硬性和軟性兩類。氧化鋁（剛玉）、陶瓷片及某些金屬都屬于硬性保護膜，它們適用于工件表面光潔度較高、且平整的情況。用于粗糙表面時聲能損耗達20～30dB。2.軟性保

3、護膜有聚胺酯軟性塑料等，用于表面光潔度不高或有一定曲率的表面時，可改善聲耦合，提高聲能傳遞效率，且探傷結(jié)果的重復(fù)性較好，磨損后易于更換，它對聲能的損耗達6～7dB。3.保護膜材料應(yīng)耐磨、衰減小、厚度適當(dāng)。為有利于阻抗匹配，其聲阻抗Zm應(yīng)滿足一定要求。4.試驗表明：所有固體保護膜對發(fā)射聲波都會產(chǎn)生一定的畸變，使分辨率變差、靈敏度降低，其中硬保護膜比軟保護膜更為嚴(yán)重。因此，應(yīng)根據(jù)實際使用需要選用探頭及其保護膜。與陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨損，故所有石英晶片探頭都不加保護膜。（二）直探頭的吸收塊為提高晶片發(fā)射效率，其厚度均應(yīng)保證晶片在共振狀態(tài)下工作，但共振周期過長或晶片背面的振動干

4、擾都會導(dǎo)致脈沖變寬、盲區(qū)增大。為此，在晶片背面充填吸收這類噪聲能量的阻尼材料，使干擾聲能迅速耗散，降低探頭本身的雜亂的信號。目前，常用的阻尼材料為環(huán)氧樹脂和鎢粉。五、斜探頭（一）結(jié)構(gòu)與類型（二）透聲楔斜探頭都習(xí)慣于用有機玻璃作斜楔，以形成一個所需的聲波入射角，并達到波型轉(zhuǎn)換的目的。一發(fā)一收型分割式雙直探頭和雙斜探頭也都以有機玻璃作為透聲楔，這是因為有機玻璃聲學(xué)性能良好、易加工成形，但它的聲速隨溫度的變化有所改變又易磨損，所以對探頭的角度應(yīng)經(jīng)常測試和修正。水浸聚焦探頭常以環(huán)氧樹脂等材料作為聲透鏡材料。六、晶片的厚度壓電晶片的振動頻率f即探頭的工作頻率，它主要取決于晶片的厚度T和超

5、聲波在晶片材料中的聲速。晶片的共振頻率（即基頻）是其厚度的函數(shù)。可以證明，晶片厚度T為其傳播波長一半時即產(chǎn)生共振，此時，在晶片厚度方向的兩個面得到最大振幅，晶片中心為共振的駐點。七、晶片的厚度通常把晶片材料的頻率f和厚度T的乘積稱為頻率常數(shù)Nt，若T=λ/2，則Nt=fT=C/2式中：C為晶片材料中的縱波聲速。常用晶片材料如PZT的Nt=1800～2000m/s，石英晶片的Nt＝285Om/s，鈦酸鋇晶片的Nt＝2520m/s，鈦酸鉛晶片的Nt=2120m/s。由式（2.65）可知，頻率越高，晶片越薄，制作越困難，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高頻探頭。八特殊探頭（一）水浸聚焦

6、探頭（二）可變角探頭（三）充水探頭（四）雙晶探頭：a.雙晶縱波探頭b.雙晶橫波探頭（縱波全反射)（五）表面波探頭3.3第四節(jié)：試塊一、試塊的用途1.測試或校驗儀器和探頭的性能；2.確定探測靈敏度和缺陷大??；3.調(diào)整探測距離和確定缺陷位置；4.測定材料的某些聲學(xué)特性。二、試塊的分類（主要分二類）1.標(biāo)準(zhǔn)試塊2.對比試塊（參考試塊）3.其他叫法：校驗試塊、靈敏度試塊；平底孔試塊、橫孔試塊、槽口試塊；鍛件試塊、焊縫試塊等。三、試塊簡介1.荷蘭試塊1.1955年荷蘭人提出；1958年國際焊接學(xué)會通過并命名為IIW試塊；ISO組織推薦使用。2.類似的有：中國CSK-IA、日本STB-A1

7、、英國BS-A、西德DIN54521……2.IIW2試塊（三角形試塊、牛角試塊）1.適用于現(xiàn)場檢驗（體積小、輕、方便）；2.用途較IIW少3.CSK-IA試塊：中國的改型試塊三、試塊簡介1.荷蘭試塊1955年荷蘭人提出；1958年國際焊接學(xué)會通過并命名為IIW試塊；ISO組織推薦使用。類似的有：中國CSK-IA、日本STB-A1、英國BS-A、西德DIN54521……2.IIW2試塊（三角形試塊、牛角試塊）適用于現(xiàn)場檢驗（體積小、輕、方便）；用途較IIW少3.CSK-IA試塊：中國的改型試塊