探傷儀、探頭和試塊

3.2 探頭

一、壓電效應與壓電材料

     某些單晶體和多晶體陶瓷材料在應力（壓縮力和拉伸力）作用下產生異種電荷向正反兩面集中而在晶體內產生電場，這種效應稱為正壓電效應。相反，當這些單晶體和多晶體陶瓷材料處于交變電場中時，產生壓縮或拉伸的應力和應變，這種效應稱為負壓電效應，如圖所示。
負壓電效應產生超聲波，正壓電效應接收超聲波并轉換成電信號。
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，其余幾種人工培養的單晶制造工藝復雜、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、探頭的基本結構

     壓電超聲探頭的種類繁多，用途各異，但它們的基本結構有共同之處，如圖所示。它們一般均由晶片、阻尼塊、保護膜（對斜探頭來說是有機玻璃透聲楔）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）直探頭的保護膜

     壓電陶瓷晶片通常均由保護膜來保護晶片不與工件直接接觸以免磨損。常用保護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20～30dB。
     軟性保護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，且探傷結果的重復性較好，磨損后易于更換，它對聲能的損耗達6～7dB。
     保護膜材料應耐磨、衰減小、厚度適當。為有利于阻抗匹配，其聲阻抗Zm應滿足一定要求。
     試驗表明：所有固體保護膜對發射聲波都會產生一定的畸變，使分辨率變差、靈敏度降低，其中硬保護膜比軟保護膜更為嚴重。因此，應根據實際使用需要選用探頭及其保護膜。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膜。

（二）直探頭的吸收塊

     為提高晶片發射效率，其厚度均應保證晶片在共振狀態下工作，但共振周期過長或晶片背面的振動干擾都會導致脈沖變寬、盲區增大。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氧樹脂和鎢粉。

四、斜探頭

（一）結構與類型

（二）透聲楔

     斜探頭都習慣于用有機玻璃作斜楔，以形成一個所需的聲波入射角，并達到波型轉換的目的。一發一收型分割式雙直探頭和雙斜探頭也都以有機玻璃作為透聲楔，這是因為有機玻璃聲學性能良好、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經常測試和修正。水浸聚焦探頭常以環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。可以證明，晶片厚度T為其傳播波長一半時即產生共振，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。

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：試塊

一、試塊的用途

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

二、試塊的分類（主要分二類）

標準試塊
對比試塊（參考試塊）
其他叫法：校驗試塊、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）

適用于現場檢驗（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，否則產生側壁效應；
（2）平底孔應足以分辨；
（3）材質衰減要小。
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：組合性能測試（檢測系統的校準）

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][水平][脈沖位移]等按鈕，使屏上出現5次底波 B1--B5，當底波B1和B5的幅度分別為50％滿刻度時，將它們的前沿分別對準刻度2.0和10.0。B1和B6的前沿位置在調整中如相互影響，則應反復進行調整。
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，現測得B1對準2.0，B5對準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）調節儀器使試塊上某次底波位于示波屏中央，并達到100%幅度，作為“0”dB;
（4）固定[增益]和其他旋鈕，調衰減器，每次衰減2dB,并記下相應的波高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--實測值與理想值的最大正偏差
d2--實測值與理想值的最大負偏差

ZBY230--84規定：儀器的垂直線性誤差D≤8%

三.探頭靈敏度

1.調節靈敏度的幾個旋鈕

[發射強度] 調節發射脈沖的輸出幅度，發射強度大靈敏度高，但分辨率低；
[增益] 調節接收放大器的放大倍數，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] 電路內專用器件，用于定量地調節示波屏上的波高，它是步進旋鈕。分：[粗調][細調]二檔， [粗調]步長10-20dB, [細調]步長1-2dB。CTS-6型總衰減量50db;CTS-22型則為80dB;
調節靈敏度的幾個旋鈕

《ZB Y230--84? A型脈沖反射超聲探傷通用技術條件》中規定：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200 / Φ2平底孔；
[抑制]：0；[發射強度] [增益]：最大；
調[衰減器]使Φ2孔最高回波達滿刻度的50%（基準高），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IIW試塊R100園弧面；
[抑制]：0； [發射強度] [增益]：最大；
調[衰減器]使R100回波達滿刻度的50%（基準高），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、探頭盲區測定

1 概念

盲區是指從探測面到能夠發現缺陷處的最小距離，即始脈沖寬度覆蓋區的距離。
盲區與近場區的區別：盲區是始脈沖寬度與放大器引起的，而近場區是波的干涉引起的。盲區內缺陷一概不能發現，而近場區內缺陷可以發現但很難定量。

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80%基準高。
將直探頭放于盲區試塊上，能獨立顯示φ1平底孔回波的最小深度為盲區。
方法（2）：

用IIW試塊估算
將直探頭放于IIW上方：能獨立顯示回波的，盲區≤5mm。無獨立回波的，盲區＞5mm。
將直探頭放于IIW左側：能獨立顯示回波的，盲區5～10mm。無獨立回波的，盲區＞10mm。

八 探頭分辨率

一、概念：示波屏上區分相鄰二缺陷的能力，能區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量有關。

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

1、入射點、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，則刻度對應處為入射點；如果試塊上無圓心刻度則用鋼尺量，使鋼尺100處對準試塊圓弧端，鋼尺0點即為入射點；使鋼尺0點對準探頭前端點，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；探頭入射點所對應的刻度即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)有利于防止出現偽缺陷波。

十一、聲束偏轉角測定

概念：主聲束中心線與聲軸間的夾角稱為聲軸偏轉角。
測定：探頭置于試塊面上，旋轉移動找到最大回波，測定探頭中心線與試塊上表面垂線間的夾角。
錄象：入射點、前沿、斜探頭K值測試
5.3對曲面工件的校準 （略）