超聲波探傷換能器性能及其測試、評價

  超聲探傷儀、超聲波探頭、測試塊和耦合劑等是超聲檢測系統(tǒng)的重要組成部分。超聲波檢測的主要設(shè)備是超聲波探傷儀，它可以快速、方便、無損傷地檢測、定位、評估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，所以超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉(zhuǎn)換是可逆的，且轉(zhuǎn)換時間極短，可以忽略不計。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式和電聲轉(zhuǎn)換的不同，超聲波換能器有很多種。這些電聲轉(zhuǎn)換方式有：利用某些金屬（鐵磁性材料）在交變磁場中的磁致伸縮，產(chǎn)生和接收超聲波；利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電磁超聲以及利用機(jī)械振動、熱效應(yīng)和靜電法等都能產(chǎn)生和接收超聲波，利用壓電效應(yīng)原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。

一、影響超聲波探傷換能器性能的主要參數(shù)

 超聲波換能器性能的主要參數(shù)包括頻率響應(yīng)、相對靈敏度、時間域響應(yīng)、電阻抗、聲束擴(kuò)散特性、斜探頭的入射點(diǎn)和折射角、聲軸偏斜角和雙峰等。

a. 頻率響應(yīng)

  指在指定物體上測得的超聲波回波的頻率特性。在用頻譜分析儀測試頻率特性時，從所得頻譜圖中得到換能器的中心頻率、峰值頻率、帶寬等參數(shù)。

b. 相對靈敏度

  即在指定的介質(zhì)、聲程和反射體上，換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率。

c. 時間域響應(yīng)

  通過超聲波回波的形狀、寬度、峰數(shù)可以對換能器的時間域相應(yīng)進(jìn)行評估。

d. 超聲波換能器的聲場特性

  包括距離幅度特性、聲束擴(kuò)散特性、聲軸偏斜角等。影響聲場特性的因素主要包括超聲波傳遞介質(zhì)以及超聲波換能器頻率成分的非單一性。

e. 斜探頭的人射點(diǎn)

  斜探頭的人射點(diǎn)是指斜楔中縱波聲軸入射到換能器底面的交點(diǎn)。為了方便對缺陷進(jìn)行定位和測定換能器的K值，應(yīng)先測定出換能器的入射點(diǎn)和前沿長度。

f. 斜探頭前沿距離

  斜探頭前沿距離是從斜探頭人射點(diǎn)到換能器底面前端的距離，此值在實(shí)際探測時可用來在工件表面上確定缺陷距換能器前端的水平投影距離。

二、超聲波探傷換能器性能參數(shù)測試

超聲波傷換能器設(shè)計完成之后需要對其性能參數(shù)進(jìn)行測試，主要測試項(xiàng)目及性能指標(biāo)見表3.3。

1. 探頭回波頻率及頻率誤差測量

 a. 直探頭回波頻率的測試（圖3.7)

 ①. 將超聲波換能器置于1號標(biāo)準(zhǔn)試塊的25mm處。

 ②. 使用示波器觀察換能器接收到的回波波形，在此波形中，以峰值點(diǎn)P為基準(zhǔn)，讀出P點(diǎn)前一個周期與后兩個周期共三個周期的時間T₃,則回波頻率為f_e=3/T₃，進(jìn)而計算出回波頻率誤差

 b. 斜探頭回波頻率的測量

  將超聲波換能器置于1號試塊上使用示波器觀察R100圓弧面的最高回波。其余步驟與直探頭相同。

2. 分辨力（縱向）測量

 a. 直探頭分辨力的測量

  ①. 示波器抑制置零或關(guān)，其他旋鈕置適當(dāng)位置，連接探頭并置于CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上，觀察聲程分別為85mm和91mm反射面的回波波形（圖3.8),移動探頭使兩波等高。

 ②. 改變靈敏度使兩次波幅同時達(dá)到滿幅度的100%,然后測量波谷高度h,則該超聲波換能器的分辨力R為   R = 20lg(100/h) ， 若h=0或兩波能完全分開，則取R>30dB。

 b. 斜探頭分辨力的測量

  ①. 如圖3.9所示，將超聲波換能器置于CSK-IA試塊的K值測量位置，確認(rèn)耦合良好的情況下，觀察試塊上A(Φ50)、B(Φ44)兩孔的回波波形，移動探頭使兩波等高。

 ②. 適當(dāng)調(diào)節(jié)衰減或者增益，使A、B波幅同時達(dá)到滿幅度的100%,然后測量波谷高度h,則該探頭的分辨力R用上式計算。若h=0或兩波能完全分開，則取R>30 dB。

 c. 小角度探頭分辨力的測量

  將換能器放置于K<1.5的位置，后續(xù)步驟與斜探頭測試步驟相同。

3. 直探頭聲軸偏斜角的測量

  a. 如圖3.10所示，在DB-H₁試塊上選取橫通孔，通孔深度約為2倍被測探頭近場長度。

  b. 標(biāo)出探頭的參考方向，以橫通孔的中心軸為參考點(diǎn)，將探頭的幾何中心與其對準(zhǔn)，然后使探頭分別沿x的左右兩個方向的試塊中心線上移動，記錄孔波最高點(diǎn)時探頭距離參考點(diǎn)的距離D,其中孔波幅度最高點(diǎn)在x右邊時加上（十）號，在x左邊時加上（一）號。

 c. 繼續(xù)沿x的兩個方向移動探頭，分別測出孔波幅度最高點(diǎn)與兩側(cè)孔波幅度下降6dB時的位置，分別標(biāo)定為W_+x和W_-x。

 d. 最后沿y方向按以上兩條的方法沿試塊中心線移動，分別測出D_y、W_+y和W_-y。

 f. D_x、D_y。為聲軸的偏移，W_+x、W_-x、W_+y 和W_-y,表示探頭在該條件下的聲束寬度，精確至1mm.則聲軸的偏斜角

4. 斜探頭、小角度探頭入射點(diǎn)的測定

 a. 橫波斜探頭

   連接待測量換能器，選取CSK-IA型準(zhǔn)或CSK-I型標(biāo)準(zhǔn)試塊，對試塊R100圓弧面進(jìn)行探測，如圖3.11所示。保持探頭與試塊側(cè)面平行，沿左右兩個方向移動探頭，觀察R100圓弧面的回波幅度達(dá)到最高時候的位置，則此時換能器的入射點(diǎn)為R100圓心刻線所對應(yīng)的探頭側(cè)棱上的點(diǎn)。讀數(shù)精確到0.5mm。

 b. 小角度縱波探頭

  連接帶測量換能器，選取TZS-R試塊的R面，測量試塊A面下棱角，保持探頭聲束與試塊側(cè)面平行，前后移動探頭，記錄A面下棱角回波達(dá)到最高的位置，此時探頭前沿至試塊A端的距離為x1,然后用二次反射波探測A面上棱角，同樣找到A面上棱角回波達(dá)到最高的位置，此時探頭前沿至試塊前端（A端）的距離為x2,則入射點(diǎn)至探頭前沿的距離為  a = x₂ - 2x_{1  。}

5. 斜探頭折射角的測量

 測試設(shè)備包括探傷儀、1號標(biāo)準(zhǔn)試塊和刻度尺。

 測試步驟：選取1號標(biāo)準(zhǔn)試塊觀察φ50mm孔的回波，探頭的位置按如下情況放置：當(dāng)K≤1.5時，觀察圖3.12a的通孔回波；1.5<K≤2.5時，觀察圖3.12b的通孔回波；當(dāng)K>2.5時，探頭放置在如圖3.12c的位置，觀察φ1.5mm橫通孔的回波。前后移動探頭，找到孔的回波最高位置并固定下來，讀出此時入射點(diǎn)相對應(yīng)的角度刻度β，β即為被測探頭折射角，讀數(shù)精確到0.5°。

 6. 測量小角度縱波探頭的β角和K值

  選取TZS-R試塊的C面或B面，并在測定探頭的前沿距離a之后，再按圖3.13所展示的方法，找到端面（A面）上棱角的最大反射波高位置，則探頭的K值和β角分別用下式計算。

小角度探頭人射角α和折射角β對應(yīng)關(guān)系見表3.4 (斜塊聲速取2730m/s)。

相對靈敏度測試如下：

 a. 直探頭相對靈敏度（等同于探傷靈敏度余量）測量（圖3.14).

  ①. 使用2.5MHz、Φ20直探頭和CS-1-5或DB-PZ20-2型標(biāo)準(zhǔn)試塊。

  ②. 將儀器發(fā)射置強(qiáng)，抑制置零或關(guān)，增益置最大以達(dá)到儀器最大靈敏度。連接待測探頭。觀察此時儀器和探頭的噪聲電平是否高于滿幅度的10%,如果高于，則調(diào)節(jié)衰減或增益，在噪聲電平等于滿幅度的10%時，記下衰減器的讀數(shù)S₀。

  ③. 將探頭置于試塊端面上探測200mm處的Φ2平底孔。移動探頭使中62平底孔反射波幅最高，并用衰減器將它調(diào)至滿幅度的50%,記下此時衰減器的讀數(shù)S₁,則該探頭及儀器的探傷靈敏度余量S為

S=S₁-S₀ 。

 b. 斜探頭相對靈敏度測量（圖3.15)

  連接好待測斜探頭，首先按照按直探頭的方法測量噪聲電平S₀,然后將待測斜探頭放置在CSK-IA標(biāo)準(zhǔn)試塊上，探測R100圓弧面，保證耦合良好的情況下，保持聲束方向與試塊側(cè)面平行，移動待測探頭，找到R100圓弧面的一次回波幅度最高的位置，將其衰減至滿幅度的50%,此時衰減器的讀數(shù)為S₂.則斜探頭的相對靈敏度S為  S = S₂-S₀  。

c. 小角度縱波探頭相對靈敏度測量

  測量方法同橫波探頭的情況，但是基準(zhǔn)反射面要選取DB-H2試塊上φ3×80橫孔，如圖3.16所示。使用同樣的方式找到孔波最高的位置，將其衰減至滿刻度的50%,記錄衰減器的讀數(shù)S₃，則S₃-S₀ 的值即為被測探頭的相對靈敏度。

三、提高換能器性能措施

  優(yōu)良信噪比是高性能換能器的基本要求。常用以下兩種方法來提高換能器的信噪比：一是增加激勵脈沖的電壓幅值，這樣可以增加發(fā)射聲功率，考慮到對待檢測物體與人體的影響以及實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)，不可能無限地增加發(fā)射功率；二是提高換能器本身的靈敏度。

 換能器和電源內(nèi)阻間的阻抗匹配影響著換能器的靈敏度。由于待探測物體的聲阻抗與換能器材料的聲阻抗嚴(yán)重失配，這就造成了靈敏度較低。一般需要采用聲匹配和電路匹配方法，提高換能器的靈敏度。換能器的靈敏度越高，使用同樣激勵，在相同的噪聲背景下，信噪比越高。

 提高超聲波換能器的縱向和橫向分辨率也能改善換能器的性能。目前主要是通過提高換能器的工作頻率以及改善換能器的脈沖響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)寬帶窄脈沖?？v向分辨率的提高主要是通過聲電匹配。換能器的聲束寬度決定了超聲檢測系統(tǒng)的橫向分辨率，采用聚焦超聲換能器，是提高換能器橫向分辨率最有效的方法。

四、換能器的評價

  在超聲波技術(shù)中，超聲波換能器是一個非常重要的部分，可以說超聲技術(shù)的發(fā)展直接取決于其研發(fā)水平。超聲換能器的研究與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)。超聲換能器發(fā)展水平越來越受到電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及新材料技術(shù)發(fā)展的影響。超聲波換能器中最重要的就是換能器的材料，高效、廉價、無污染的新型換能器材料的研制是目前的主要發(fā)展方向。在換能器的材料研發(fā)方面，弛豫型壓電單晶材料具有較好的發(fā)展前景，如鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛以及鈮鋅酸鉛－鈦酸鉛等，有望在超聲等技術(shù)中獲得更為廣泛的應(yīng)用。換能器的測試技術(shù)則主要體現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)大功率超聲換能器性能的實(shí)時測試與定量測試，這也和超聲波換能器的發(fā)展有著密切的關(guān)系。

 總之，超聲技術(shù)中的兩個主要的研究方面就是超聲波的產(chǎn)生與測試，兩者的發(fā)展是相互影響的。目前的情況是超聲的測試技術(shù)發(fā)展滯后于超聲的產(chǎn)生技術(shù)研究，可以預(yù)見，隨著超聲換能器技術(shù)水平提高，超聲技術(shù)的發(fā)展一定會隨之進(jìn)人新的階段。