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材料检测方法主讲老师:杨 可 材料科学与工程专业主干专业课程*第八章 超声波、射线探伤检测光明给我们经验,读书给我们知识。奥斯特洛夫斯基1超声波检测的原理; 2超声波仪器、探头和试块;3、超声波探伤方法和通用探伤技术; 4、射线探伤分析的原理及其应用. 5、磁粉探伤分析的原理及其应用学习内容:1、了解各种方法的探伤机理; 2、能够进行探伤分析重点: 第一节 超声波探伤仪一、超声波探伤仪概述 1、仪器的作用:超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备,它 的作用是产生电振荡并加于换能器(探头)上,激励探头发射 超声波,同时将探头送回的电信号进行放大,通过一定方式 显示出来,从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大 小等信息。 2、仪器的分类 1)按超声波的连续性分类 (1)脉冲波探伤仪:通过探头向工件周期性地发射不连续且 频率不变的超声波,据超声波传播时间及幅度判断工件中缺 陷位置和大小。 (2)连续波探伤仪:通过探头向工件中发射连续且频率不变( 或在小范围内周期性变化)的超声波,据透过工件的超声波 强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。 (3)调频波探伤仪:通过探头向工件中发射连续的频率周期 性变化的超声波,据发射波与反射波的差频变化情况判断工 件中有无缺陷。2)按缺陷显示方式分类 (1)A型显示探伤仪:A型显示是一种波形显示,探伤仪荧 光屏的横坐标代表声波的传播时间(或距离),纵坐标代 表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置, 由反射波的幅度可以估算缺陷大小。(2)B型显示探伤仪:B型显示是一种图象显示,荧光屏的 横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹,纵坐标是 靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距离),因而可直 观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。(3)C型显示探伤仪:C型显示也是一种图象显示,探伤仪 荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在 工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点辉度表示, 因而,当探头在工件表面移动时,荧光屏上便显示出工 件内部缺陷的平面图象,但不能显示缺陷的深度。 (4)3D显示探伤仪:B型显示和C型显示的不足之处是 对于缺陷的深度和空间分布不能一次记录成象,而3D显 示技术能把B、C显示相结合产生一个准三维的投影图象 ,同时能表示出缺陷在空间的特征。3)按超声波的通道分类 (1)单通道探伤仪:这种仪器由一个或一对探头单独工作 ,是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。(2)多通道探伤仪;这种仪器由多个或多对探头交替工作 ,每一通道相当于一台单通道探伤仪,适用于自动化探 伤。目前,探伤中广泛使用的超声波探伤仪,如CTS-22、 CTS-26等都是A型显示脉冲反射式探伤仪。二、A型脉冲反射式超声探伤仪电路方框图工作过程:同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路 ,扫描电路受触发工作,产生锯齿波电压,加至示波管水平偏转板 ,使电子束发生水平偏转,在荧光屏上产生一条水平扫描线。同时 ,发射电路受触发产生高频窄脉冲,加至探头,激励压电晶片振动 ,在工件中产生超声波。超声波在工件中传播,遇缺陷或底面发生 反射,返回探头时,又被压电晶片转变为电信号,经接收电路放大 和检波,加至示波管垂直偏转板上,使电子束发生垂直偏转,在水 平扫描线的相应位置上产生缺陷波和底波。根据缺陷波的位置可以 确定缺陷的埋藏深度,根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小 。 三、仪器主要组成部分的作用1、同步电路:同步电路又称触发电路,它每秒钟产生数 十至数千个脉冲,用来触发探伤仪扫描电路、发射电路 等,使之步调一致、有条不紊地工作。因此,同步电路 是整个探伤仪的“中枢”,同步电路出了故障,整个探 伤仪便无法工作。2、扫描电路:扫描电路又称时基电路,用来产生锯齿波电 压,加在示波管水平偏转板上,使示波管荧光屏上的光 点沿水平方向作等速移动,产生一条水平扫描时基线。 探伤仪面板上的深度粗调、微调、扫描延迟旋钮都是扫 描电路的控制旋钮。探伤时,应根据被探工件的探测深 度范围选择适当的深度档级并配合微调旋钮调整,使 刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。 3、发射电路:利用闸流管或可控硅的开关特性,产生几百 伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头,激励压电 晶片振动,使之发射超声波,可控硅发射电路的典型电 路如教材图4-30所示。发射电路中的电阻Ro称为阻尼电 阻,用发射强度旋钮可改变Ro的阻值。阻值大发射强度 高,阻值小发射强度低,因Ro与探头并联,改变Ro同时 也改变了探头电阻尼大小,即影响探头的分辨力。4、接收电路:接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和 视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、 检波,最后加至示波管的垂直偏转板上,并在荧光屏上 显示。由于接收的电信号非常微弱,通常只有数百微伏 到数伏,而示波管全调制所需电压要几百伏,所以接收 电路必须具有约105的放大能力。5、显示电路:主要由示波管及外围电路组成。示波管用来 显示探伤图形,示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏等 三部分组成,其基本结构如图所示 。四、仪器主要旋钮的作用及其调整探伤仪面板上有许多开关和旋钮,用于调节探伤仪的 功能和工作状态。图3.7是CTS22型探伤仪面板示意图 ,以这种仪器为例,说明各主要开关的作用及其调整方 法。 1、工作方式选择旋钮工作方式选择旋钮的作用是选择探测方式。即“双探 ”或“单探”方式。当开关置于“双探”时,为双探头 一发一收工作状态,可用一个双晶探头或两个单探头探 伤,发射探头和接收探头分别连接到发射插座和接收插 座。当开关置于“单探”时,为单探头发收工作状态, 可用一个单探头探伤,此时发射插座和接收插座从内部 连通,探头可插入任一插座。2、发射强度旋钮发射强度旋钮的作用是改变仪器的发射脉冲功率,从 而改变仪器的发射强度。增大发射强度时,可提高仪器 灵敏度,但脉冲变宽,分辨力变差。因此,在探伤灵敏 度能满足要求的情况下,发射强度旋钮应尽量放在较低 的位置。3、增益旋钮(增益细调旋钮)作用是改变接收放大器的放大倍数,进而连续改变探 伤仪的灵敏度。 4、衰减器衰减器的作用是调节探伤灵敏度和测量回波振幅。调 节灵敏发时,衰减读数大,灵敏度低;衰减读数小,灵 敏度高。测量回波振幅时,衰减读数大,回波幅度高; 衰减读数小,回波幅度低。一般探伤仪的衰减器分粗调 和细调两种,粗调每档10dB或20dB,细调每挡2dB或1dB ,总衰减量80dB左右。5、抑制旋钮抑制荧光屏上幅度较低或认为不必要的杂乱反射波, 使之不予显示,从而使荧光屏显示的波形清晰。在探伤 中一般不使用抑制。 6、深度范围旋钮(深度粗调旋钮)作用是粗调荧光屏扫描线所代表的探测范围。调节深 度范围旋钮,可较大幅度地改变时间扫描线的扫描速度 。从而使荧光屏上回波间距大幅度地压缩或扩展。7、深度细凋旋钮精确调整探测范围。调节细调旋钮。可连续改变扫描 线的扫描速度,从而使荧光屏上的回波间距在一定范围 内连续变化。8、延迟旋钮(脉冲移位旋钮)用于调节开始发射脉冲时刻与开始扫描时到之间的时 间差。调节延迟旋钮可使扫描线上的回波位置大幅度左 右移动,而不改变回波之间的距离。调节探测范围时, 用延迟旋钮可进行零位校正,即用深度粗调和细调旋钮 调节好回波间距后,再用延迟旋钮将反射波调至正确位 置,使声程原点与水平刻度的零点重合。9、聚焦旋钮聚焦旋钮的作用是调节电子束的聚焦程度,使荧光屏 波形清晰。 10、频率选择旋钮宽频带探伤仪的放大器频率范围宽,覆盖了整个探伤 所需的频率范围,探伤仪面板上没有频率选择旋钮。探 伤频率由探头频率决定。窄频带探份仪没有频率选择开 关,用以使发射电路与所用探头相匹配,并用以改变放 大器的通带,使用时开关指示的频率范围应与所选用探 头相一致。11、水平旋钮 水平旋钮也称零位调节旋钮,调节水平旋钮,可使扫 描线连扫描线上的回波一起左右移动一段距离,但不改 变回波间距。调节探测范围时,用深度粗调和细调旋钮 调好回波间距,用水平旋钮进行零位校正。12、重复频率旋钮重复频率旋钮的作用是调节脉冲重复频率,即改变发 射电路每秒钟发射脉冲的次数。 l3、垂直旋钮垂直旋钮用于调节扫描线的垂直位置。调节垂直旋钮 ,可使扫描线上下移动。14、辉度旋钮辉度旋钮用于调节波形的亮度。15、深度补偿开关有些探伤仪设有深度补偿开关或“距离振幅校正 ”(DAC)旋钮,它们的作用是改变放大器的性能,使位于 不藏深度的相同尺寸缺陷的回波高度差异减小。16、显示选择开关显示选择开关用于选择“检波”或“不检波”显示。 五、仪器的维护六、数字智能探伤仪 1、数字智能探伤仪的特点 1)检测速度快 2)检测精度高 3)可靠性高、稳定性好 4)记录与存档 5)可编程性2、数字智能探伤仪的发展前景 1)成像技术的应用 2)缺陷定性 第二节 超声波测厚仪一、共振式测厚仪 1、原理:当工件厚度为半波长的整数倍时,反射波与入射波互 相迭加,形成驻波,产生共振。这时工件厚度与波速、 频率的关系为: 2、方法:测厚时,调节原理图中的调谐电容C ,改变振荡频率 。由频率振荡器输出的交变电信号加到超声波探头上, 产生超声波在工件中传播。当超声波在工件中产生共振 时。探头负载阻抗减小,通过电流表A的板极电流达极大 值,这时的频率为共振频率。再次调节电容C。改变频率 ,测出相邻的另一共振频率,进而利用上式求出工件厚 度。共振式测厚仪可测厚度下限小,最小可达0.1mm;测试 精度较高,可达0.1%。但使用不大方便t不能直读,须用 公式计算工件厚度。另外要求被测工件上下表面平整光 洁。 二、脉冲反射式测厚仪 1、原理:脉冲反射式测厚仪是通过测量超声波在工件上下底面 之间往返一次传播的时间来求得工件的厚度,其计算公 式如下:2、方法:发射电路发出脉冲很窄的周期性电脉冲,通过电缆加 到探头上,激励探头压电晶片产生超声波。该超声波在 工件上下底面多次反射。反射波被接收,转为电信号经 放大器放大后输入计算电路,由计算电路测出超声波在 工件上下底面往返依次传播时间,再换算成工件厚度显 示出来。 三、测厚仪的调整与使用 1、测厚仪的调整1)仪器的下限要用一块厚度为下限的试块来校准。例如 下限为1mm的仪器要有一块1mm厚的试块。调整时将探头 对准该试块底面。使仪器显示厚度为lmm即可。2)线性要用厚度不同的试块来校正。调整时将探头分别 对准厚度不同的试块底面,使仪器显示相应试块厚度。2.测厚方法 先据工件厚度情况和精度要求选择探头。工件较薄时 宜选双晶或带延迟块探头,工件较厚时宜选单晶探头。测厚与探伤一样,要求工件表面光洁平整。测试时要 施加一定的耦合剂。测厚时,探头放置要平稳、压力适 当。第三节 超声波探头一、压电效应 1、正压电效应:晶体材料在交变拉压应力作用下,产生交变电场的效 应。探头接收超声波时,发生正压电效应,将声能转为电 能。2、逆压电效应:当晶体材料在交变电场的作用下,产生伸缩变形的效 应。探头发射超声波,高频电脉冲激励探头压电晶片时, 发生逆压电效应,将电能转换为声能。 二、压电材料:单晶石英(SiO2),在正常情况下,各原子的电荷相互 平衡,不显电荷,呈中性。当晶体受到压应力作用时, 使正、负电荷中心不重合,产生正负游离电荷。当晶体 受到拉应力作用时,同样也会在晶体表面极板上出现正 、负游离电荷,不过这时极板电荷与受压力作用时极板 电荷相反。这就是正压电效应。反之,如果在晶体表面 极板上施加正、负电荷,晶体就会产生伸缩变形,即逆 压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料分单晶 材料和多晶材料,常用的单晶材料有石英(SiO2)、硫酸 锂(Li2SO4)、铌酸锂(LiNbO3)等。常用的多晶材料有钛 酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PbZrTiO3,缩写为PZT)、钛酸 铅(PbTiO3)等,多晶材料又称压电陶瓷。单晶材料接收 灵敏度较高,多晶材料发射灵敏较高。 三、压电材料的主要性能
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