超声探头与超声设备的介绍

    超声检测中使用的探头(超声探头),是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成,它是组成超声检测系统最重要的组件之一,探头的性能直接影响超声检测能力和效果。


    探头的种类很多,根据波形不同,可分为纵波探头、横波探头、表面波探头等。根据耦合方式分为接触式探头和液(水)浸探头。根据波束分为聚焦探头与非聚焦探头。根据晶片数量不同又分为单晶单头、双晶探头等。此外还有高温探头、微型探头等特殊用途的探头。


    超声波探伤仪探头主要由压电晶片组成。探头可发射及接收超声波。探头由于其结构的不同可分为直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、可变角探头(纵波、横波、表面波、兰姆波)、双探头(一个探头发射,另一个探头接收)、聚焦探头(将声波聚集为一细束)、水浸探头(可浸在液体中)以及其它专用探头(如探高压瓷瓶的S型或扁平探头或探人体用的医用探头)等。

超声探伤仪

    直探头直探头也称平探头,可发射及接受纵波。直探头主要由压电晶片、阻尼块(吸收块)及保护膜组成。(1)压电晶片压电晶片的厚度与超声频率成反比。例如锆钛酸铅(PZT-5)的频率厚度常数为1890千赫/毫米,晶片厚度为1毫米时,自然频率为1.89兆赫,厚度为0.7毫米时,自然频率约2.5兆赫。电压晶片的直径与扩散角成反比。电压晶片两面敷有银层,作为导电的极板,晶片底面接地线,晶片上面接导线引至电路上。(2)保护膜直探头为避免晶片与工件直接接触而磨损晶片,在晶片下粘合一层保护膜,有软性保护和硬性保护两种。软性的可用塑料薄膜(厚约0.3毫米),与表面粗糙的工件接触较好。硬性可用不锈钢片或陶瓷片。保护膜的厚度为二分之一波长的整数倍,声波穿透率最大。厚度为四分之一波长的奇数倍时,穿透率最小。晶片与保护膜粘合后,探头的谐振频率将降低。保护膜与晶片粘合时,粘合层应尽可能的薄,不得渗入空气。粘合剂的配方为618环氧树脂:二乙烯三胺:邻苯二甲酸二丁酯=100:8:10粘合后加一定的压力,放置24小时,再在60℃~80℃温度下烘干4小时。(3)阻尼块阻尼块又名吸收块,其作用为降低降低晶片的机械品质系数,吸收声能量。如果没有阻尼块,电振荡脉冲停止时,压电晶片因惯性作用,仍继续振动,加长了超声波的脉冲宽度,使盲区增大,分辨力差。吸收块的声阻抗等于晶片的声阻抗时,效果最佳,常用的吸收快配方如下钨粉:环氧树脂:二乙烯三胺(硬化剂):邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂)=35克:10克:0.5克:1克为使晶片和阻尼块粘合良好,在灌浇前先用丙酮清洗晶片和晶片座表面,并加热至60℃~80℃再行灌浇。环氧树脂和钨粉应充分混合均匀。灌浇后把探头倾斜,使阻尼块上表面倾斜20°左右,这样可消除声波在吸收块上的发射,使荧光屏上杂波减少。


    斜探头超声波探伤仪斜探头可发射及接收横波。斜探头主要由压电晶片、阻尼块和斜楔块组成。晶片产生纵波,经斜楔倾斜入射到被测工件中,转换为横波。斜楔为有机玻璃,被测工件为钢,斜探头的角度(即入射角)在28°~61°之间时,在钢中可产生横波。斜楔的形状应使声波在斜楔中传播时不得返回晶片,以免出现杂波。直探头在液体中倾斜入射工件时,也能产生横波。


    表面探头波可发射和接收表面波。表面波探头是斜探头的一个特例。当入射角增大到某一角度,使在工件中横波的折射角为90°时,在工件中可产生表面波,直探头在液体中倾斜入射工件时,也能产生表面波。


    兰姆波探头可发射和接收兰姆波,也是斜探头的一个特例。当入射角达到一定角度时,在工件中产生兰姆波,直探头在液体中倾斜入射工件时,也能产生兰姆波。


    可变角探头可变角探头可连续改变入射角,以产生纵波,横波,表面波和兰姆波。压电晶片固定在半圆楔块上,半圆楔快又置于大楔块的圆洞内,空隙处注有油,以作导声耦合剂。半圆楔块转动时,入射角即改变。


    双探头超声波探伤仪双探头又称组合探头,两块压电晶片装在一个探头架内,一个晶片发射,另一个接收。双探头发射及接收纵波,晶片下的延迟块使声波延迟一段时间后射入工件,这样可探测近表面的缺陷并可提高分辨力。两块晶片有一倾角(一般约3°~18°),两晶片声场重合部分(阴影部分),是探伤灵敏度较高的部位。


    水浸探头可在水中探伤,其结构与直探头相似,只是探头较长,以便浸在水中,保护膜也可去掉。


    聚焦探头可将超声波聚集成一细束(线状或点状),在焦点处声能集中,可提高探伤灵敏度及分辨力。聚焦探头多用于液浸法自动化探伤。探头发射纵波,但在液体中倾斜入射到工件时,由于入射角的不同,在工件中可产生横波、表面波或兰姆波,根据需要而定。超声聚焦有二种方法:一种是将压电晶片做成凹面,发射的声波直接聚焦,另一种是用声透镜的方法将声波聚焦。前者因烧结成型较困难且曲率半径不易保证,目前多用后者。


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