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超聲波探傷儀的組成及其壓電換能器
一、超聲波探傷儀的組成
超聲波探傷儀的主要組成有:發(fā)射電路,超聲壓電換能器,放大電路,示波管,時間電路等.大家知道,要抓住探傷介質(zhì)中超聲波的s時間是很短的.例如,鋼材聲速5900m/s,如超聲波在100mm厚的試塊內(nèi)往復(fù)一次,底面回波顯示時間為100×2/5.9×106=33.9 s.要如此短的時間發(fā)現(xiàn)缺陷回波,必須使用窄脈沖寬帶壓電換能器.
二、超聲探傷用壓電換能器
超聲探傷用壓電換能器又稱超聲波探頭,它的壓電效應(yīng)是可逆的,一個換能器同時兼作發(fā)射和接
收.根據(jù)不同的探傷要求,可用不同的探頭.例如;鍛件探傷一般用（縱波）直探頭;焊縫探傷
一般用（橫波）斜探頭;管材探傷一般用水浸聚焦探頭;對板材或鋼軌探傷是用輪式探頭;對葉
片還可采用微型表面波探頭等等.
1.無損探傷用壓電超聲換能器－直探頭
直探頭使用zui普遍,在一般情況下直探頭發(fā)射和接收縱波所示.它由阻尼塊,保戶膜及壓電晶片組成.壓電晶片背面加阻尼塊,目的是為了獲得狹窄的發(fā)射脈沖,它主要吸收振動能量,使晶片被發(fā)射脈沖激勵后很快停止下來,由此起到了對晶片振動的阻尼作用,并降低晶片Q值.為了有效地把壓電晶片中的能量傳輸給吸收塊,必須考慮吸收塊與晶片間的聲耦合匹配（有時吸收塊也稱匹配塊）.吸收塊一般用吸收系數(shù)較大的材料,用其衰減耗損吸收聲能,同時考慮在吸收塊中加入一定大小的質(zhì)點,聲波產(chǎn)生漫散射而使聲能進一步耗損.由于吸收塊的作用能使聲能實行單面輻射,吸收塊減少了晶片的余振,對提高探傷儀空間分辯率大有好處.目前阻尼塊大多使用環(huán)氧樹脂與鎢粉混合后澆注在探頭壓電晶片背面,以達到阻尼作用,其配比與換能器的頻率響應(yīng)有關(guān),要求不同頻譜寬度的換能器,其配比是不同的.
保護膜是為了使探頭中的壓電晶片免于與工作直接接觸磨損而覆蓋在晶片上的保護層.常有軟保護膜和硬保護膜兩種.軟性保護膜可用耐磨橡膠和塑料膜組成,它可使粗糙表面有較好的聲耦合;硬性保護膜一般用不銹鋼片,氧化鋁瓷片或環(huán)氧樹脂澆注而成.在選擇保護膜時盡可能考慮聲的穿透率.
壓電晶片大多用壓電材料制成,例如偏尼酸鉛（PN）,鈦酸鉛（PT）和鋯鈦酸鉛（PZT）三類,近來新開發(fā)了鎢鈷鈦酸鉛材料,具有KT高,εrQ,Z低的特性,尤其適用于高頻,大面積壓電振子.20世紀(jì)90年代還有聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF）和1-3,3-3連結(jié)的壓電復(fù)合材料,所以以上直探頭一般用圓片狀壓電陶瓷.
對于探傷換能器性能參數(shù)應(yīng)考慮有下列幾個方面:1,頻率域響應(yīng);2,時降域響應(yīng);3,空間域響應(yīng);4,靈敏度（機電轉(zhuǎn)換效率,插入損耗）;5,電阻抗,其中1-3對分辨率有很大關(guān)系,要求分辨率高,則換能器頻帶要寬,脈沖時間要短,指向性要好.對于一個直探頭具體技術(shù)參數(shù)zui重要的有下列各項:1,有效發(fā)射頻率:fe±10%MHz;2,頻帶寬度BW2≈40%;3,近場長度N;4,焦點處聲束6dB寬度FB6± FB60.5;5,焦點處聲束6dB長度FL6± FL60.5;6,標(biāo)稱直徑Dn±1%;7,有效直徑De±1.5%;8,垂直偏角β: β=0.0385β- 0.46;9,聲軸中心偏移量Ζ<1mm;10,-6dB指向角γ0;11,靈敏度V.
2.無損探傷用超聲壓電換能器--斜探頭
斜探頭主要有橫波探頭,表面波探頭及蘭姆波（板波）探頭,由于產(chǎn)生縱波zui為容易,而且轉(zhuǎn)換效率高,因此在超聲波探傷中需要其它波型時,大多考慮首先獲得縱波,然后再利用波型轉(zhuǎn)換來得到其它波型.斜探頭即是考慮了斜楔對波型轉(zhuǎn)換的作用原理后,利用縱波在斜楔與界面上的波型轉(zhuǎn)換而在工件中所需波型的一種探頭,不論橫波,表面波,蘭姆波,其探頭的共同特點是在發(fā)射縱波的壓電晶片與工件間加了一個斜楔,但斜楔的角度有所不同,還考慮到能量的發(fā)射和接收不同,外形上也有所不同,斜角探頭的楔塊大多用有機玻璃制作的.
對于斜楔頭的具體性能參數(shù)有如下要求:有效發(fā)射頻率f0=±5%MHz;頻帶寬度BW≈40%±10%;折射角β（0）:Δβ=0.0385β-0.46;溫度系數(shù) β/ T（10℃）Z<1mm;聲束中心偏差角δ8mm×9mm<0.80,20mm×22mm<0.5mm0;入射點偏差ZA:<2mm;標(biāo)稱直徑Dn: ±1%;有效直徑De:±1.5%.
3.無損探傷用超聲壓電換能器--水浸探頭
探頭采用水浸式可以得到穩(wěn)定的聲耦合,在自動化探傷中水浸探頭獲得廣泛的應(yīng)用.水浸探頭在結(jié)構(gòu)上與直探頭相似,由于用水作耦合,無需與工件接觸,因此可以不用保護膜,但晶片與水阻抗相差較大,能量傳入水中較少,為了提高水浸探頭輻射到水中的聲能,可以考慮在壓電晶片前面覆蓋一層匹配介質(zhì).