超声波探伤仪的组成及其压电换能器

一、超声波探伤仪的组成

　　超声波探伤仪的主要组成有:发射电路,超声压电换能器,放大电路,示波管,时间电路等.大家知道,要抓住探伤介质中超声波的s时间是很短的.例如,钢材声速5900m/s,如超声波在100mm厚的试块内往复一次,底面回波显示时间为100×2/5.9×106=33.9 s.要如此短的时间发现缺陷回波,必须使用窄脉冲宽带压电换能器.

二、超声探伤用压电换能器

　　超声探伤用压电换能器又称超声波探头,它的压电效应是可逆的,一个换能器同时兼作发射和接
收.根据不同的探伤要求,可用不同的探头.例如;锻件探伤一般用(纵波)直探头;焊缝探伤
一般用(横波)斜探头;管材探伤一般用水浸聚焦探头;对板材或钢轨探伤是用轮式探头;对叶
片还可采用专用微型表面波探头等等.

　　
1.无损探伤用压电超声换能器－直探头

　　直探头使用最普遍,在一般情况下直探头发射和接收纵波所示.它由阻尼块,保户膜及压电晶片组成.压电晶片背面加阻尼块,目的是为了获得狭窄的发射脉冲,它主要吸收振动能量,使晶片被发射脉冲激励后很快停止下来,由此起到了对晶片振动的阻尼作用,并降低晶片Q值.为了有效地把压电晶片中的能量传输给吸收块,必须考虑吸收块与晶片间的声耦合匹配(有时吸收块也称匹配块).吸收块一般用吸收系数较大的材料,用其衰减耗损吸收声能,同时考虑在吸收块中加入一定大小的质点,声波产生漫散射而使声能进一步耗损.由于吸收块的作用能使声能实行单面辐射,吸收块减少了晶片的余振,对提高探伤仪空间分辩率大有好处.目前阻尼块大多使用环氧树脂与钨粉混合后浇注在探头压电晶片背面,以达到阻尼作用,其配比与换能器的频率响应有关,要求不同频谱宽度的换能器,其配比是不同的.

　　保护膜是为了使探头中的压电晶片免于与工作直接接触磨损而覆盖在晶片上的保护层.常有软保护膜和硬保护膜两种.软性保护膜可用耐磨橡胶和塑料膜组成,它可使粗糙表面有较好的声耦合;硬性保护膜一般用不锈钢片,氧化铝瓷片或环氧树脂浇注而成.在选择保护膜时尽可能考虑声的穿透率.

　　压电晶片大多用压电材料制成,例如偏尼酸铅(PN),钛酸铅(PT)和锆钛酸铅(PZT)三类,近来新开发了钨钴钛酸铅材料,具有KT高,εrQ,Z低的特性,尤其适用于高频,大面积压电振子.20世纪90年代还有聚偏氟乙烯(PVF2或PVDF)和1-3,3-3连结的压电复合材料,所以以上直探头一般用圆片状压电陶瓷.

　　对于探伤换能器性能参数应考虑有下列几个方面:1,频率域响应;2,时降域响应;3,空间域响应;4,灵敏度(机电转换效率,插入损耗);5,电阻抗,其中1-3对分辨率有很大关系,要求分辨率高,则换能器频带要宽,脉冲时间要短,指向性要好.对于一个直探头具体技术参数最重要的有下列各项:1,有效发射频率:fe±10%MHz;2,频带宽度BW2≈40%;3,近场长度N;4,焦点处声束6dB宽度FB6± FB60.5;5,焦点处声束6dB长度FL6± FL60.5;6,标称直径Dn±1%;7,有效直径De±1.5%;8,垂直偏角β: β=0.0385β- 0.46;9,声轴中心偏移量Ζ<1mm;10,-6dB指向角γ0;11,灵敏度V.

　　
2.无损探伤用超声压电换能器--斜探头

　　斜探头主要有横波探头,表面波探头及兰姆波(板波)探头,由于产生纵波最为容易,而且转换效率高,因此在超声波探伤中需要其它波型时,大多考虑首先获得纵波,然后再利用波型转换来得到其它波型.斜探头即是考虑了斜楔对波型转换的作用原理后,利用纵波在斜楔与界面上的波型转换而在工件中所需波型的一种探头,不论横波,表面波,兰姆波,其探头的共同特点是在发射纵波的压电晶片与工件间加了一个斜楔,但斜楔的角度有所不同,还考虑到能量的发射和接收不同,外形上也有所不同,斜角探头的楔块大多用有机玻璃制作的.

　　对于斜楔头的具体性能参数有如下要求:有效发射频率f0=±5%MHz;频带宽度BW≈40%±10%;折射角β(0):Δβ=0.0385β-0.46;温度系数 β/ T(10℃)Z<1mm;声束中心偏差角δ8mm×9mm<0.80,20mm×22mm<0.5mm0;入射点偏差ZA:<2mm;标称直径Dn: ±1%;有效直径De:±1.5%.

　　
3.无损探伤用超声压电换能器--水浸探头

　　探头采用水浸式可以得到稳定的声耦合,在自动化探伤中水浸探头获得广泛的应用.水浸探头在结构上与直探头相似,由于用水作耦合,无需与工件接触,因此可以不用保护膜,但晶片与水阻抗相差较大,能量传入水中较少,为了提高水浸探头辐射到水中的声能,可以考虑在压电晶片前面覆盖一层匹配介质.