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，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（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（對斜探頭來說是有機(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。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，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(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(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，但共振周期過長或晶片背面的振動干擾都會導(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。

四、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(jī)玻璃作斜楔，以形成一個所需的聲波入射角，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。

五、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(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

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

二、試塊的分類（主要分二類）

標(biāo)準(zhǔn)試塊
對比試塊（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(yàn)（體積小、輕、方便）；
用途較IIW少

3.CSK-IA試塊：中國的改型試塊

4.CS-1和CS-2試塊

1986年通過，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)：組合性能測試（檢測系統(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[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，將它們的前沿分別對準(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試塊測儀器的水平線性，現(xiàn)測得B1對準(zhǔn)2.0，B5對準(zhǔn)10.0時，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：

理想相對波高是△i=2、4、6dB……時的波高比（如△i=6dB時的理想相對波高是50.1%）
三、計算垂直線性誤差
D=（ |d1|+|d2| ）
式中： d1--實(shí)測值與理想值的最大正偏差
d2--實(shí)測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] 限制檢波后信號的輸出幅度，主要用于抑制雜波、提高信噪比。使用[抑制]會使儀器的垂直線性變壞，動態(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10-20dB, [細(xì)調(diào)]步長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試

探頭對準(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試

探頭對準(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)測定

1 概念

盲區(qū)是指從探測面到能夠發(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)，而近場區(qū)內(nèi)缺陷可以發(fā)現(xiàn)但很難定量。

2 測定方法
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定

直探頭放于IIW試塊85、91、100處，[抑制]為0，左右移動探頭，使屏上出現(xiàn)A、B、C波；
若A、B、C不能分開，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定

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

平行移動探頭，使B、C等高則分辨率：
h3
Y=20lg------ (dB)
h4
要求：X或Y≥ 6dB
實(shí)測時，[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)、前沿測試

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

2、斜探頭K值測試

如圖，斜探頭分別入射到試塊的二個圓上，左右移動探頭找到最大反射回波；探頭入射點(diǎn)所對應(yīng)的刻度即K
探頭K值的選擇原則:
(1)聲束掃查到整個焊縫截面;
(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。
測定：探頭置于試塊面上，旋轉(zhuǎn)移動找到最大回波，測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值測試
5.3對曲面工件的校準(zhǔn) （略）