超声波探伤仪、探头及试块

第二章 超声波探伤仪、探头及试块

第一节 超声波探伤仪

一、超声波探伤仪的种类和A 型探伤仪工作原理

1. 超声波探伤仪的分类和A 型探伤仪特点

超声波探伤仪种类繁多、分类方法不一。常见的分类方法如下：

在脉冲反射式超声波探伤仪中，以A 型显示、单通道工作的携带式探作仪应用最为广泛，它常作为造船、石油、化工、机械、冶金、铁道和国防工业部门产品和设备现场探伤的重要工具。归纳起来，它有以下特点：

(1) A 型显示屏以横坐标(时间轴)刻度表示超声往复传播时间(传播距离)，纵座标表示脉冲回波高度，该高度与反射体返回声压成正比。

(2) 可用单探头(或双探头)进行探伤，以单通道方式工作。

(3) 对缺陷定位准确，发现微小缺陷的能力(灵敏度)较高。

(4) 在声束复盖区域内，可同时显示不同声程上的多个缺陷；对相邻缺陷有一定分辨能力。

(5) 适用性较广，配以不同探头可对工件作纵波、横波、表面波、板波等探伤。

(6) 一般来说，设备轻便、便于携带和现场使用。

(7) 只能以回波高低来表示反射体的反射量，因而缺陷量值显示不直观、探伤结果不连续，且不易记录和存档。

按声源能动性分(缺

陷是否为

能动声源)

能动声源探伤仪(缺陷为能动声源如声发射) 被动声源探伤仪(缺陷为被动声源) 按发射波连续性分

连续波探伤仪 脉冲波探伤仪

一般连续波探伤仪 共振式探伤仪 调频式探伤仪 按缺陷显示方式分 A 型显示探伤仪 B 型显示探伤仪 C 型显示探伤仪 直接成像 按声通道分 按发射脉冲频带范围分 单通道探伤仪 多通道探伤仪 窄频带探伤仪 宽频带探伤仪

(8) 结果判断受人为因素影响较多，故对操作者技术水平要求较高。

本节主要介绍单通道工作的A 型脉冲反射式超声波探伤仪(以下简称超声波探伤仪)的一般工作原理、基本组成、性能测试和使用方面的知识。

2. 超声探伤仪的一般工作原理和基本组成

超声探伤仪的工作原理类似于无线电雷达，因此，它有固体雷达之称号。图2–1为该类探伤仪最简单的电路方框图。

图2–1 超声探伤仪电路方框图 由图可知，它主要是由同步电路、时基电路(即扫描电路)、发射

电路、接收放大电路四个主要电路和示波管电路、延迟电路、时标电路、电源电器以及探头等几部分组成。

主要电路的过程如下：

同步单元多 正矩形 微分 正负尖 正脉冲触发发射电路

谐振荡器 脉冲 电路 脉冲 负脉冲触发扫描电路 →电缆、探头→超声波→工件中反射体→超声波→电缆、探头→接收放大电路→示波屏Y 偏转板→锯齿波电压→示波屏X 偏转板→从左到右扫描

四个主要电路作用如下：

(1) 同步电路

同步电路是超声探伤仪的心脏和指挥中心，它有多谐振荡器产生周期性的矩形同步脉冲，经微分电路后变为正负尖脉冲，触发闸流管后同时控制发射电路、时基电路、时标电路等部门进行步调一致的工作。同步脉冲是一个周期变化的非连续波，它在每秒种内出现的次数就是同步电路每秒钟的工作次数或同步脉冲的重复频率；也是发射电路扫描电路每秒钟的工作次数，因而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数个上升时间短、脉冲窄、幅度大的高频电脉冲，通过探头电缆将脉冲电压加到探头晶片上，经电声转换，使晶片产生高频机械振动，

→发射脉冲→ →闸流管 → → →

将激发的超声波通过耦合传入工件，自工件中反射体(界面B 或缺陷F)返回的超声能量(或声压)再由晶片转换成电能，传入接收放大电路。

发射电路在一个同步脉冲触发下产生的发射脉冲个数(一般为十几个)，与此间发射电路工作时间之比，就是发射脉冲的频率，也是晶片高频机械振荡的频率——超声波发射频率。发射脉冲包含的频率较为丰富，它有一定的频带宽度，控制发射脉冲幅度的高低就能控制超声波发射强度的强弱。探伤仪面板上的发射强度旋钮，就是起这种控制作用的。

(3) 时基电路(扫描电路)

时基电路在同步电路产生的负触发脉冲(同步于正触发脉冲)的作用下产生一定斜度的锯齿波电压，使示波管X 方向偏转板控制的电子束沿水平方向自左至右地匀速扫描，示波屏水平轴上就得到一条明亮的时基线(也叫时间轴或水平扫描线)。扫描光点的位移速度与加在X 方向偏转板上锯齿波电压有关；因此，控制锯齿波电压的斜率就可以控制扫描速度，达到调节探测范围(即时间轴比例)的目的。仪器探测范围的调节由粗调、细调(也叫声速调节)旋钮来完成。时基电路每秒钟内的工作次数决定于同步脉冲的触发次数；所以，示波管荧光屏上图像在每秒钟内显示次数与同步脉冲的重复频率是一致的。

(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、滤波器和深度补偿电路等。接收放大电路的主要作用是将一个微弱的回波信号电压(一般为mV 数量级)经数级放大器放大到Y 方向偏转板上可显示的工作电压(一般为数十伏)，从而使工件中较小的反射体回波也能得到一定的幅度显示。接收放大电路中起关键作用的部分是放大器，它有以下几个主要指标衡量其性能好坏。

放大倍数 放大倍数通常用信号电压的相对放大量(即增益dB)表示：

f g

U U lg 20)dB (K (2–1)

式中：U f 表示输入信号电压，也是反射体的回波信号电压；U g 表示放大器的输出信号电压，也是加在Y 方向偏转板上的工作电压。

仪器面板上具有的增益(或衰减)dB 量越大，表示仪器放大器所提供的放大倍数也越大。探伤仪以增益dB 或以衰减dB 表示时，本质上都是改变放大量。前者dB 值越大，放大倍数越大。后者dB 值越大，放大倍数越小。目前，国内仪器以衰减dB 表示居多，国外仪器以增益dB 表示居多，使用中应注意区别。

一般超声波探伤仪放大器具有80～100dB 的增益量，其放大量

受电子元件本身噪声电平的限制。

频带宽度 放大器的频带宽度直

接影响探伤仪的分辨能力。图2–2为

频带宽度定义的示意图。

图中f 0为主频率，f 1和f 2分别为

主频率附近放大倍数是主频率对应放大倍数的2/2倍时所相应的频率。 f(即f2－f1)就表示频带宽度。所谓宽频带放大器，也就是能在较宽的接收信号频率范围内保持其放大倍数基本一致(增益量波动范围小于3dB)。宽频带放大实际上是增大了放大器有效工作范围，使比主频率低(或高)得较多的一些回波信号也得到基本一致的放大，这显然有助于提高对产生不同回波频率的相邻反射体的显示和分辨。宽频带的放大器配以宽频带的探头就能获得较高的分辨率，但应注意到，频带变宽了，噪声相应也要增大，从而降低了信噪比，容易引起草状回波增多。

放大器的线性放大器输入信号幅度与输出信号幅度成正比的程度称为放大线性。接收电路中放大器的放大线性决定了探伤仪的放大线性(垂直线性)。放大量与信号电压幅度之间的关系服从(2–1)式的规律。

放大器的动态范围接收放大电路除了应有足够的放大倍数(或放大量)外，还要求视放级有足够的不失真输出幅度。放大器最大的不失真输出信号幅度范围称为放大器的动态范围，该动态范围也决定了探伤仪的动态范围。

噪声系数放大器的噪声主要来自电子管、晶体管和电阻等电讯元件的热噪声。噪声系数控制在较小范围内才能提高仪器的信噪比，因此，电子元件的精选和优质是改善仪器性能的重要因素。

除上述指标外，接收放大电路还应有良好的抗阻塞特性、稳定性等性能指标。

(5) 其他附属电路

超声波探伤仪的其它附属电路有：示波管电路、延迟电路、时标电路和电源电路等。

3. 超声波探伤仪的主要调节旋钮及其作用

(1) 辉度、聚焦和辅助聚焦旋钮

辉度旋钮用以调节扫描线及图像亮度，聚焦和辅助聚焦旋钮相互配合调节扫描线及图像清晰度。

(2) 水平和探测范围调节旋钮

水平调节也叫零位调节，它可以在不改变扫描速度的情况下使整个时间轴(包括示波屏上图像)左右移动，它与调节探测范围的粗调、细调旋钮配合后，用于斜探头横波探伤时的零位校正和直探头、斜探头探伤的探测范围调节。所谓零位校正就是使斜探头的声程原点与入射点重合，并和时间轴零位相一致，见图2–3所示。此时斜探头入射点与声程原点(半圆试块圆心)重合，同时，有机玻璃斜楔中的纵波声程即移至零位左边，再根据试块尺寸和斜探头折射角的大小配合粗调、细调的调节，就可以达到使横波声程(水平距或深度)与时间轴刻度之间建立一定的比例关系的目的，这种比例关系的确定也叫探测范围调节，它给缺陷定位不仅带来方便，而且可以提高准确性。

对直探头纵波探测范围的确定，可利用工件平底面和人工试块平底面。调节时利用粗调和细调旋钮，使底面一次和二次回波分别调节

在相应位置上，此时，与零位对准的地方为声程原点，而始脉冲前沿往往位于零位稍偏左的位置上，见图2–4所示。

图2–3 斜探头零位校正和探测范围调节图2–4 直探头探测范围调节

(3) 发射强度和增益调节旋钮

发射强度旋钮可调节发射脉冲的输出功率，它有强发射和弱发射之分，由拨动开头控制。它通过改变仪器内探头电路的旁路电阻来改变仪器与探头的阻抗匹配，从而达到改变探头晶片激励电压，即发射强度的目的。一般在探测灵敏度足够的前提下，尽量使旋钮置于弱发射位置，因为输出功率增加虽然可提高探测灵敏度，但由于脉冲变宽，阻塞区增大，故分辨能力变差。因此，不宜过分追求强发射。

增益调节有粗调、细调和微调三种调节量，它由衰减器(或增益器)和增益微调旋钮完成。探头接收到回波信号并转换成的电信号在输入接收放大器之前，先经过衰减器，为了保证衰减器有足够精度，要求输入与输出有较好阻抗匹配。衰减器粗调的步进为20dB、12dB、10dB或6dB，细调步进为2dB或1dB。增益微调又称灵敏度控制，它可连续调节，用以控制接收放大器Y轴输出的放大量，其可调增益量为0～10dB。微调增益刻度与放大器放大量之间线性较差，故实际使用中不应以增益刻度来定放大量。

用衰减器可以调节探测灵敏度；测量缺陷相对于基准反射体信号的高度，确定缺陷声压反射率及其当量尺寸；测量被检工件的材质衰减。

(4) 重复频率和探测频率旋钮

超声波探伤仪的重复频率和超声波探测频率是两个不同的概念。重复频率是同步脉冲的频率，是每秒钟内同步电路指挥发射电路、扫描电路等部分协同工作的次数。探测频率是发射脉冲的频率，是发射电路单位时间内发射的高频脉冲数量，也是探头晶片的振动频率，即超声波频率，它们两者的关系见图2–5所示。

图2–5 脉冲的重复频率和探测频率

重复频率 T

1f R = (几十赫至几百赫)

探测频率 t 1f = (几十千赫至几兆赫)

提高重复频率可使单位时间内扫描次数相应增加，荧光屏图像重现次数增多，从而增强了荧光屏上图像的显示亮度，便于观察。自动探伤中检测速度较高，为防止漏检，应相应选择较高的重复频率。一般以手动操作为主的探伤中，重复频率不宜过高，常选50Hz 的整倍数，这样既可消除工频干扰引起的荧光屏闪烁现象，又可避免幻象波的产生。所谓幻象波即重复频率增高后第一个同步脉冲周期内的残波落在第二个同步脉冲周期前段而产生波形重迭的现象，它对缺陷正确分辨有一定的影响，见图2–6所示。

图2–6 脉冲重复频率过高时产生幻象波 (5) 抑制和深度补偿旋钮

抑制是通过改变检波和视放级工作点的方法来限制检波后信号的输出幅度，从而可抑制掉幅度较小的杂波，提高显示的信噪比，见图2–7所示。

由于一般仪器的抑制是非线性的，使用抑制后仪器的垂直线性变坏，动态范围变小，探伤时易造成缺陷漏检和定量不准。

深度补偿电路也叫DAC电路，它将离探头不同深度(声程)、相同尺寸的缺陷反射体因声束扩散、材质衰减引起的波幅差异用电子方式加以修正，使它们得到同样高度的回波，图2–8为其原理图

图2–7 抑制草状回波图2–8 深度振幅补偿原理

(6) 扫描延迟和扩展旋钮

扫描延迟电路加在同步电路与扫描电路之间，它的作用是将同步脉冲去触发扫描电路的时间延长，即先发射后扫描；从而使始脉冲之后一定范围内的回波不予显示，而把后面更远声程上的回波予以显示，起到了扩展显示的作用。真正的扩展旋钮用以扩展局部范围水平扫描比例，可提高读数精度和分辨相邻缺陷。延迟时间的长短用延迟旋钮进行调节。在水浸探伤中，为了提高荧光屏的利用率，往往需要把超声波在水中声程不予显示，而充分显示水/固界面之后工件中回波情况，此时因使用延迟又可叫做界面法。图2–9是界面法和直接接触法在显示上比较。

图2–9 界面法和直接接触法的显示比较 (7) 其他旋钮

仪器可供调节的旋钮还是单、双探头选择、频率选择和电源开关等。

二、超声波探伤仪的主要性能指标及其测试方法

超声波探伤仪的性能有电气性能和探伤性能之分。对于与探伤操作有密切联系，属于仪器使用者应了 解和掌握的是探伤性能，这些性能中有些是仪器本身，而与探头无关的(如水平线性、垂直线性、动态范围)，有些是与探头有关的(如灵敏度、分辨力、盲区、噪声电平等)。但这些性能一般均需仪器和探头组合后，再借助标准试块进行测定。由于这类测定方法很多，我们这时介绍国内外常用的可由探伤人员自行校验的七个性能指标测定方法及其分等规定。

1. 仪器垂直线偏差的测定

探伤仪的垂直线性即放大线性，它是仪器输入回路电压幅度与示波管上脉冲回波高度成正比的程度。

测试所用的试块为BH –50。使用2.5MHz 、φ20(或φ17等)直探头、测试时仪器抑制置0、补偿关、深度粗调置于相应探测声程位置上。BH –50某次底波反射波高达垂直幅度的100%，以此作为0dB 的基本幅度显示。调节衰减器，每增加2dB 衰减量后记下反射波的实际高度，直至此反射波降至垂直幅度的5%(合 格品为12%)。把每衰减2dB 所得的实际测定值波高百分比与按公式0A A

lg 20dB =?计算所得的理想值之间

的一组偏差值列于表2–1中，其中与理想值之间最大正偏差e max 和最大负偏差绝对值|e |max '-之和即为垂直线性偏差，用百分比表示，即

|)%|(max

max e e e '-+=?

表2–1 垂直线性偏差值列表计算

分等规定如下：

合格品?e≤8%；

一等品?e≤6%；

优等品?e≤5%。

由表2–1所列举某仪器的实测值可知，其最大偏差?e=(4.2+|－3.0|)%=7.2%，故属合格品。

探伤建筑钢结构焊接件用仪器、有关标准要求?e≤5%。

2. 动态范围的测定

动态范围即仪器动态工作范围，它以仪器增益不变时示波屏能分辨的最大回波与最小回波之间的dB差值表示，即仪器示波屏上回波从垂直刻度的100%降至1%范围内反射回波信号的容纳量。测试时试块、探头和仪器的调整与垂直线性测定时相同。调节BH–50某次底波反射波达垂直刻度的100%，然后用衰减器使该回波降至垂直刻度的1%，则使回波下降所用的衰减量m(dB数)即为动态范围。

图2–10 垂直线性偏差曲线

分等规定如下：

合格品m≥26dB；

一等品 m ≥30dB ；

优等品 m ≥30dB 。

一般要求动态范围m ≥26dB 。

3. 水平线性偏差的测定

水平线性又称为时基线性，它表示仪器时基线显示值与探测声程之间成正比的程序，也是X 方向偏转板电子束水平扫描电压与时间成正比关系的程度，即扫描速度的均匀性。仪器水平线性的好坏直接

影响缺陷的定位精度。测试

所用试块为IIW ，使用

2.5MHz 、φ20(或φ17等)直

探头、测试时抑制置0、补

偿关、深度粗调置于六倍被

测试块厚度的相应声程上。

将探头压在试块探测面上，

调节增益使底面六次反射

波B 6显示在时间轴上，且

B 6波高大于垂直幅度的

50%。调节深度细调和水平

旋钮，使一次底面回波B 1和B 6前沿分别与时间轴水平刻度线的0.10(水平刻度

线为十等分)刻度一致，观测底波B 2、B 3、B 4和B 5前沿与水平刻度2、4、6、8的吻合程度，并读出偏差量a 2，a 3，a 4和a 5，取其中最大偏差量a max ，则水平线性偏差L 为(见图2–11所示)：

%100b |a |L max ?= (2–3) 式中：b 为水平全刻度读数。

分等规定如下：

合格品 L ≤2%；

一等品 L ≤1%；

优等品 L ≤1%。

探伤建筑钢结构焊接件用仪器，有关标准要求水平线性偏差L ≤1%。

4. 灵敏度的测定

仪器与探头组合后在一定探测范围内发现微小缺陷的能力就是仪器和探头所具有的灵敏度，通常用灵敏度余量表示。所谓灵敏度余量，是指从一个规定测距和孔径、孔型的人工反射体获得规定回波时仪器还保留的增益dB 数(即增益余量)测试所用试块为200Φ2平底孔试块，使用2.5MHz 、φ20直探头。测试时探头先暂不与仪器连结，仪器抑制置0、补偿关、增益旋钮置于调整量的80%以上。在保证噪声电平处于分等规定(即合格品≤8%、一等品≤6%、优等品≤4%)

以

图2–11 水平线性偏差测定

下这个前提下，尽可能减小衰减器衰减量(即提高增益量)，并记下此状态衰减器读数η1。

然后将探头和仪器连结，并压在200Φ2平底孔试块上，再增加衰减器衰减量使平底孔最高回波正好达垂直幅度的100%，记下此状态衰减器读数η2，则仪器与探头的组合灵敏度余量为：n(dB)=η2－η1。

分等规定如下：

合格品n≤30dB；

一等品n≤36dB；

优等品n≤46dB。

一般要求灵敏度n≤30dB。

5. 盲区的测定

在发射脉冲宽度内不能检测缺陷波的距离范围称为盲区。它主要由仪器的阻塞及始脉冲展宽决定。所谓始脉冲展宽即一定的仪器和探头组合灵敏度下，超过20%示波屏高度的始脉冲延续长度，用相当于钢铁(或其它所探材料)中的深度和声程表示。在不同的组合灵敏度下始脉冲展宽不同，各个探头的始脉冲展宽随灵敏度变化的程度也不同；因此，探头的始脉冲展宽应使用一组不同灵敏度下测定值来表示。

测试所用试块为图2–12所示盲区测试试块。测试时在上述灵敏度余量条件下，将探头移至盲区试块上，以能满足下述条件的距探测量面最短距离的Φ2平底孔测距作为仪器与探头组合后的盲区。该条件为平底孔反射波幅大于垂直幅度的50%时，此反射波前沿与始脉冲后沿相交的波谷高度应低于垂直幅度的10%，如图2–13所示。

图2–12 测定盲区用试块图2–13 盲区测定时的波形

分等规定如下：

合格品 盲区≤25mm ；

一等品 盲区≤20mm ；

优等品 盲区≤15mm 。

6. 分辨力的测定

分辨力表示仪器和探头组合后能够区分两个相邻不连续缺陷的能力，有近场分辨力、远场分辨力纵向分辨力和横向分辨力之分。盲

区就是一种近场分辨力，这里我们要测定的是远场纵向分辨力。

测试有试块为(CSK –1A 或

IIW)试块，利用缺口中处测距为

85，91和100mm 的三个反射面(见

图2–14所示)，使用2.5MHz 、φ20

直探头，测试时仪器抑制置0、补

偿关、射强度置弱的位置。将探头

置于CSK –1A 试块上，调节增益，

并配合探头移动，使测距85和

91mm 的两个反射波高度相等，并

达到垂直幅度的30%，记下此时衰

减量D 1，然后再减少衰减器衰减

量，使两个反射波峰间的波谷上升

到原来波峰的高度(30%)，记下衰

减器读数D 2，补探头和仪器的分辨

力。

x = D 1－D 2

一般要求x ≤6mm 。

测量斜探头和仪器的分辨力用CSK –1A 试块进行测试，将被测探头置于试块上探测φ50和φ44两孔前后移动探头，适当调节仪器增益和发射强度，使φ50和φ40两孔反射波高度相同均为垂直幅度的30%以上，波谷白波峰的dB 差即为斜探头和仪器综合分辨率。一般要求分辨率≤6dB 。

7. 电噪声电平的测定

电噪声电平表示仪器和探头组合后未向介质中传播时所产生的电噪声波高与垂直满幅度之比。测试时仪器抑制置0、补偿关、增益旋钮在调整量的80%以上，衰减器归0(即全部释放)，探头和仪器连结后直接置于空气中，读出此时电噪声波高度，则电噪声电平：

%100E ?=垂直满幅度电噪声波高

(2–4)

分等规定如下：

合格品 E ≤8%；

一等品 E ≤6%；

图2–14 纵向分辨力的测定

优等品E≤4%。

由以上仪器基本组成和探伤性能测试可知，仪器和探头的探伤特性好坏与仪器和探头电气性能密切相关，它们之间关系归纳表2–2所示。

表2–2 仪器和探头的探伤特性与电气特性的关系