探傷儀、探頭和試塊

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(chǎng)，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(chǎng)中時(shí)，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(hào)。
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（BaTi03）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鉛（PbTiO3)、偏鈮酸鉛（PbNb2O4）等。

  
二、探頭的基本結(jié)構(gòu)

     壓電超聲探頭的種類(lèi)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(hù)膜（對(duì)斜探頭來(lái)說(shuō)是有機(jī)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。

三、 直探頭

（一）直探頭的保護(hù)膜

     壓電陶瓷晶片通常均由保護(hù)膜來(lái)保護(hù)晶片不與工件直接接觸以免磨損。常用保護(hù)膜有硬性和軟性兩類(lèi)。氧化鋁（剛玉）、陶瓷片及某些金屬都屬于硬性保護(hù)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(shí)聲能損耗達(dá)20～30dB。
     軟性保護(hù)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(shí)，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(duì)聲能的損耗達(dá)6～7dB。
     保護(hù)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。
     試驗(yàn)表明：所有固體保護(hù)膜對(duì)發(fā)射聲波都會(huì)產(chǎn)生一定的畸變，使分辨率變差、靈敏度降低，其中硬保護(hù)膜比軟保護(hù)膜更為嚴(yán)重。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用需要選用探頭及其保護(hù)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(hù)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(guò)長(zhǎng)或晶片背面的振動(dòng)干擾都會(huì)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(lèi)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(hào)。目前，常用的阻尼材料為環(huán)氧樹(shù)脂和鎢粉。

四、斜探頭

（一）結(jié)構(gòu)與類(lèi)型

（二）透聲楔

     斜探頭都習(xí)慣于用有機(jī)玻璃作斜楔，以形成一個(gè)所需的聲波入射角，并達(dá)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(jī)玻璃作為透聲楔，這是因?yàn)橛袡C(jī)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(duì)探頭的角度應(yīng)經(jīng)常測(cè)試和修正。水浸聚焦探頭常以環(huán)氧樹(shù)脂等材料作為聲透鏡材料。

五、晶片的厚度

     壓電晶片的振動(dòng)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(zhǎng)一半時(shí)即產(chǎn)生共振，此時(shí)，在晶片厚度方向的兩個(gè)面得到最大振幅，晶片中心為共振的駐點(diǎn)。

六、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 = f T = 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。

七、 特殊探頭

（一）水浸聚焦探頭

（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

測(cè)試或校驗(yàn)儀器和探頭的性能；
確定探測(cè)靈敏度和缺陷大小；
調(diào)整探測(cè)距離和確定缺陷位置；
測(cè)定材料的某些聲學(xué)特性。

二、試塊的分類(lèi)（主要分二類(lèi)）

標(biāo)準(zhǔn)試塊
對(duì)比試塊（參考試塊）
其他叫法：校驗(yàn)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(jiǎn)介

1.荷蘭試塊

1955年荷蘭人提出；1958年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)通過(guò)并命名為IIW試塊；ISO組織推薦使用。
類(lèi)似的有：中國(guó)CSK-IA、日本STB-A1、英國(guó)BS-A、西德DIN54521……

2.IIW2試塊（三角形試塊、牛角試塊）

適用于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)（體積小、輕、方便）；
用途較IIW少

3.CSK-IA試塊：中國(guó)的改型試塊

4.CS-1和CS-2試塊

1986年通過(guò)，CS-1全套26塊，CS-2全套66塊；
要求：
（1）D/L比不能太小，否則產(chǎn)生側(cè)壁效應(yīng)；
（2）平底孔應(yīng)足以分辨；
（3）材質(zhì)衰減要小。
注：鑄鋼件試塊與此形狀相同、尺寸不同

5.CSK-IIA / CSK-IIIA試塊

6.RB-1、RB-2、RB-3試塊

7. 鋼板試塊

8. 半圓試塊

9. 管子試塊

3.4 第四節(jié)：組合性能測(cè)試（檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)）

一、水平線性

1.定義：儀器水平線性是示波屏上時(shí)基線的水平刻度與實(shí)際聲程之間成正比的程度，即示波屏上多次底波等距離的程度。水平線性對(duì)缺陷定位有較大的影響。
水平線性用水平線性誤差表示。

2.測(cè)試步驟：
（1）將直探頭置于CSK--1A試塊的25mm厚大平底面上；
（2）通過(guò)[微調(diào)][水平][脈沖位移]等按鈕，使屏上出現(xiàn)5次底波 B1--B5，當(dāng)?shù)撞˙1和B5的幅度分別為50％滿刻度時(shí)，將它們的前沿分別對(duì)準(zhǔn)刻度2.0和10.0。B1和B6的前沿位置在調(diào)整中如相互影響，則應(yīng)反復(fù)進(jìn)行調(diào)整。
a2、a3、a4分別為B2、B3、B4與4.0、6.0、8.0的偏差。
（3）水平線性誤差計(jì)算：

ZBY230--84規(guī)定：儀器的水平線性誤差≤2%

例：用IIW或CSK-1A試塊測(cè)儀器的水平線性，現(xiàn)測(cè)得B1對(duì)準(zhǔn)2.0，B5對(duì)準(zhǔn)10.0時(shí)，B2、B3、B4與4.0、6.0、8.0的偏差分別為0.5、0.6、0.8;求其水平誤差為多少？
解：0.8
δ=------×100%=1%
0.8×100

二、垂直線性
1.定義：儀器垂直線性是示波屏上波高與探頭接收的信號(hào)幅值之間成正比的程度。它取決于儀器放大器的性能。垂直線性用垂直線性誤差表示。垂直線性影響缺陷的檢出和定量。

2.測(cè)試步驟：
（1）[抑制]至零，[衰減器]保留30dB衰減余量；
（2）將直探頭置于CSK--1A試塊的25mm厚大平底面上，????? 恒定壓力壓住；
（3）調(diào)節(jié)儀器使試塊上某次底波位于示波屏中央，并達(dá)到100%幅度，作為“0”dB;
（4）固定[增益]和其他旋鈕，調(diào)衰減器，每次衰減2dB,并記下相應(yīng)的波高H填入表中，直到底波消失；

上表中：

理想相對(duì)波高是△i=2、4、6dB……時(shí)的波高比（如△i=6dB時(shí)的理想相對(duì)波高是50.1%）
三、計(jì)算垂直線性誤差
D=（ |d1|+|d2| ）
式中： d1--實(shí)測(cè)值與理想值的最大正偏差
d2--實(shí)測(cè)值與理想值的最大負(fù)偏差

ZBY230--84規(guī)定：儀器的垂直線性誤差D≤8%

三.探頭靈敏度

1.調(diào)節(jié)靈敏度的幾個(gè)旋鈕

[發(fā)射強(qiáng)度] 調(diào)節(jié)發(fā)射脈沖的輸出幅度，發(fā)射強(qiáng)度大靈敏度高，但分辨率低；
[增益] 調(diào)節(jié)接收放大器的放大倍數(shù)，增益大靈敏度高；
[抑制] 限制檢波后信號(hào)的輸出幅度，主要用于抑制雜波、提高信噪比。使用[抑制]會(huì)使儀器的垂直線性變壞，動(dòng)態(tài)范圍變小。 [抑制]增加，靈敏度降低，盡量不要用[抑制]；
[衰減器] 電路內(nèi)專用器件，用于定量地調(diào)節(jié)示波屏上的波高，它是步進(jìn)旋鈕。分：[粗調(diào)][細(xì)調(diào)]二檔， [粗調(diào)]步長(zhǎng)10-20dB, [細(xì)調(diào)]步長(zhǎng)1-2dB。CTS-6型總衰減量50db;CTS-22型則為80dB;
調(diào)節(jié)靈敏度的幾個(gè)旋鈕

《ZB Y230--84? A型脈沖反射超聲探傷通用技術(shù)條件》中規(guī)定：總衰減量不小于60dB;衰減誤差：1dB / 12dB.

四、直探頭 + 儀器的靈敏度余量測(cè)試

探頭對(duì)準(zhǔn)200 / Φ2平底孔；
[抑制]：0；[發(fā)射強(qiáng)度] [增益]：最大；
調(diào)[衰減器]使Φ2孔最高回波達(dá)滿刻度的50%（基準(zhǔn)高），這時(shí)衰減量為N1dB;
提起探頭，用[衰減器]將電噪聲電平衰減到10%以下，這時(shí)衰減量為N2dB;
靈敏度余量 N=N1-N2（dB）;
直探頭的靈敏度余量要求≥30dB

五、斜探頭 + 儀器的靈敏度余量測(cè)試

探頭對(duì)準(zhǔn)IIW試塊R100園弧面；
[抑制]：0； [發(fā)射強(qiáng)度] [增益]：最大；
調(diào)[衰減器]使R100回波達(dá)滿刻度的50%（基準(zhǔn)高），這時(shí)衰減量為N1dB;
提起探頭，用[衰減器]將電噪聲電平衰減到10%以下，這時(shí)衰減量為N2dB;
靈敏度余量 N=N1-N2（dB）;
斜探頭的靈敏度余量要求≥40dB

七、探頭盲區(qū)測(cè)定

1 概念

盲區(qū)是指從探測(cè)面到能夠發(fā)現(xiàn)缺陷處的最小距離，即始脈沖寬度覆蓋區(qū)的距離。
盲區(qū)與近場(chǎng)區(qū)的區(qū)別：盲區(qū)是始脈沖寬度與放大器引起的，而近場(chǎng)區(qū)是波的干涉引起的。盲區(qū)內(nèi)缺陷一概不能發(fā)現(xiàn)，而近場(chǎng)區(qū)內(nèi)缺陷可以發(fā)現(xiàn)但很難定量。

2 測(cè)定方法
方法（1）：

先將直探頭在靈敏度試塊上用φ1平底孔調(diào)80%基準(zhǔn)高。
將直探頭放于盲區(qū)試塊上，能獨(dú)立顯示φ1平底孔回波的最小深度為盲區(qū)。
方法（2）：

用IIW試塊估算
將直探頭放于IIW上方：能獨(dú)立顯示回波的，盲區(qū)≤5mm。無(wú)獨(dú)立回波的，盲區(qū)＞5mm。
將直探頭放于IIW左側(cè)：能獨(dú)立顯示回波的，盲區(qū)5～10mm。無(wú)獨(dú)立回波的，盲區(qū)＞10mm。

八 探頭分辨率

一、概念：示波屏上區(qū)分相鄰二缺陷的能力，能區(qū)分的相鄰二缺陷的距離愈小，分辨率就愈高。分辨率與儀器和探頭的質(zhì)量有關(guān)。

二、縱波直探頭分辨率測(cè)定

直探頭放于IIW試塊85、91、100處，[抑制]為0，左右移動(dòng)探頭，使屏上出現(xiàn)A、B、C波；
若A、B、C不能分開(kāi)，先將A、B等高，并取a1、b1值
求： a1
X=20 lg---- (dB)
b1
然后用[衰減器]使B、C等高，取相應(yīng)的a2、b2值
求： a2
Y=20 lg---- (dB)
b2
X、Y值愈大分辨率愈高，一般X、Y ≥ 15dB

九、橫波斜探頭分辨率測(cè)定

如圖,平行移動(dòng)探頭，使A、B等高則分辨率：
h1
X=20lg-------(dB)
h2

平行移動(dòng)探頭，使B、C等高則分辨率：
h3
Y=20lg------ (dB)
h4
要求：X或Y≥ 6dB
實(shí)測(cè)時(shí)，[衰減器]將h1衰減到h2即為X值，將h3衰減到h4即為Y值。

十、斜探頭的校準(zhǔn)

1、入射點(diǎn)、前沿測(cè)試

如圖，斜探頭入射到R100圓弧上，左右移動(dòng)探頭找到最大反射回波；如果試塊上有圓心刻度，則刻度對(duì)應(yīng)處為入射點(diǎn)；如果試塊上無(wú)圓心刻度則用鋼尺量，使鋼尺100處對(duì)準(zhǔn)試塊圓弧端，鋼尺0點(diǎn)即為入射點(diǎn)；使鋼尺0點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)探頭前端點(diǎn)，差值即為前沿。

2、斜探頭K值測(cè)試

如圖，斜探頭分別入射到試塊的二個(gè)圓上，左右移動(dòng)探頭找到最大反射回波；探頭入射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刻度即K
探頭K值的選擇原則:
(1)聲束掃查到整個(gè)焊縫截面;
(2)聲束盡量垂直于主要缺陷;
(3)有足夠的靈敏度和信噪比;
(4)有利于防止出現(xiàn)偽缺陷波。

十一、聲束偏轉(zhuǎn)角測(cè)定

概念：主聲束中心線與聲軸間的夾角稱為聲軸偏轉(zhuǎn)角。
測(cè)定：探頭置于試塊面上，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)找到最大回波，測(cè)定探頭中心線與試塊上表面垂線間的夾角。
錄象：入射點(diǎn)、前沿、斜探頭K值測(cè)試
5.3對(duì)曲面工件的校準(zhǔn) （略）