超声波检测设备及原理Word下载.docx
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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。
②B型显示探伤仪：
B型显示是一种图像显示，探伤仪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的分布及缺陷的深度．
③C型显示探伤仪：
C型显示也是一种图像显示，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像，但不能显示缺陷的深度．A型、B型、C型三种显示分别如图4-1所示。
图4-1图像显示分类
A型显示B型显示C型显示
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一22、CTS一26等都是A型显示脉冲反射式探伤仪。
二、A型脉冲反射式超声波探伤仪的一般工作原理
1．仪器方框电路图
图4-2采用方框电路图表示仪器各部分，各方框之间用线条连起来，表示各部分之间的关系，说明仪器的大致结构和工作原理。
图4-2仪器方框电路图
2．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：
见图4-3，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，井配合微调旋钮调整，使刻度板水平轴上每一格代表一定的距离。
扫描电路的方框图及其波形见图。
扫描电路图4-3图
3）发射电路：
见图4-4，发射电路利用闸流管或晶闸管的开关特性，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图所示。
图4-4发射电路图
发射电路中的电阻R称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变R的阻值。
阻值大发00射强度高，阻值小发射强度低，因R与探头并联，改变R同时也改变了探头电阻尼大00小，即影响探头的分辨力。
4）接收电路：
见图4-5，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，井在荧光屏上显示。
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5的放大能力。
制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约10接收电路的性能对探伤仪性能影响极大，它直接影响到探伤仪的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术指标。
接收电路的方框图及其波形如图所示。
图4-5接收电路图
由大小不等的缺陷所产生的回波信号电压大约有几百微伏到几伏，为了使变化范围如此大的缺陷回波在放大器内得到正常的放大，并能在示波管荧光屏的有效观察范围内正常显示，可使用衰减器改变输入到某级放大器信号的电平。
一般把放大器的电压放大倍数用分贝来表示：
U）（lgdB?
K20出
VU入式中Kv——电压放大倍数的分贝值；
U放大器的输出电压；
——出
45～8010倍，相当于10U——放大器的输入电压，一般探伤仪的电压放大倍数可达～入。
100dB探伤仪面板上的增益、衰减器、抑制等旋钮是放大电路的控制旋钮。
增益旋钮用来衰减器旋钮用来改变衰减器的衰减量。
改变放大器的增益，增益数值大，探伤灵敏度高。
一般说来，衰减读数大，灵敏度低。
但是，有的探伤仪为了使用时读数方便统一起见，衰减器读数按增益方式标出，在这种情况下，衰减读数大，灵敏度高。
抑制旋钮的作用是抑制草状杂波。
但应注意，使用抑制时，仪器的垂直线性和动态范围均会下降。
4-6，显示电路主要由示波管及外围电路组成。
5）显示电路：
见图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。
图4-6显示电路图
电子枪发射的聚束电子以很高的速度轰击荧光屏时，使荧光物质发光，在荧光屏上形成亮点。
扫描电路的扫描电压和接收电路的信号电压分别加至水平偏转板和垂直偏转板，使电子束发生偏转，因而亮点就在荧光屏上移动，描出探伤图形。
由于扫描速度非常快，肉眼看上去就好象是静止的图像。
6）电源：
电源的作用是给探伤仪各部分电路提供适当的电能，使整机电路工作。
标准探伤仪一般用220伏或110伏交流市电，探伤仪内部有供各部分电路使用的变压、整流及稳压电路。
携带式探伤仪多用蓄电池供电，用充电器给蓄电池充电。
除上述基本组成部分之外，探伤仪还有各种辅助电路，如延迟电路、标距电路，闸门电路、深度补偿电路等，这些辅助电路的作用在此不一一赘述。
三、模拟式与数字式超声波探伤仪工作原理区别
1．仪器结构区别
超声波探伤仪的主要工作原理：
以一定的脉冲重复周期发射激发超声波的高压电子．
脉冲：
同步接收超声波电信号波形；
衰减和放大波形信号；
对信号进行检波和滤波：
在显示屏上显示回波信号波形；
读出波形的幅度和延时时间；
判读回波的大小和产生回波的位置。
传统模拟超声波探伤仪的基本结构如图4-2所示，是由发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路组成。
各部分电路的参数设置都是独立地通过面板旋钮或档位开关控制的，并且只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。
而数字化的超声波探伤仪主要是指包括了具有所有模拟超声波探伤仪功能模块的电脑化仪器。
采用模／数转换电路，数字逻辑电路，微型计算机及计算机接口，使超声波探伤仪的发射、接收、衰减、放大、检波、滤波、显示、闸门、比较、报警等电路的控制参数能由微机键盘和显示屏人机对话输入，简化了操作，同时实现了超声波探伤波形和数据的数字化输出。
除此以外，数字式超声波探伤仪还能增加记忆，打印，通信等电脑化仪器特有的功能。
超声波探伤仪的数字化主要体现在读数数字化，波形显示数字化和电脑化数据处理三个方面。
2．仪器读数区别
模拟超声波探伤仪只能显示出超声回波信号的电子扫描波形。
这里回顾一下获取模拟超声波探伤仪数据的途径：
模拟超声波探伤仪对波幅的读出过程是：
通过将回波调整到一定的百分比高度线（30%或80%等），然后读出衰减器的位置读数。
模拟波形相对刻度线的读数精度比较低，一般大于2%。
模拟探伤仪对回波位置的读出过程是：
将已知距离的参考回波调整到整数格上，再将探伤回波在屏幕上的位置刻度读出，按比例计算位置。
读数误差大于1%。
在使用模拟超声波探伤仪时，探伤所需的其他一些间接参数（如缺陷当量）的估计需要操作人员进行手工计算。
精度更低，过程复杂，不容易掌握。
而数字式超声波探伤仪除了能显示出超声回波信号的数字化波形外，还能显示出一些探伤所需的直观数据，包括回波幅度和回波位置。
数探仪对波幅的读出过程是：
将模拟波形电信号放大到合适的量程后<
30%<
h<
100%。
用模／数转换器转换成数字信号，由计算机计算该数字信号和参考数字的比值或分贝值，自动加上放大器或衰减器的读数，用数字显示出来。
读数误差以8位数字采样为例能小于0.4%。
数探仪对回波位置的读出过程是：
由计算机读取回波峰值点或上升沿处相对同步脉冲的延时记数值，记数脉冲由晶体振荡器产生。
计算机将延时数字扣除探头的延时，乘以声速的一半，得到回波的声程。
再根据折射角度和有关几何关系，计算出相应的水平距离的垂直深度，在屏幕上数值显示出来。
相对精度优于0.5%。
微电脑能够利用相关的参数自动计算更多的检测数据，包括缺陷当量，缺陷坐标，缺陷大小，折射角度等。
更加准确，直观，操作简单，容易掌握。
3．波形显示区别
模拟探伤仪用示波管显示波形，波形信号在检波后通过高压视频放大，作为Y轴偏转电压：
同步的锯齿信号也通过高压视频放大，作为X轴偏转电压；
使波形在示波管上显示出来。
高压放大器的线性性能直接影响波形的显示质量和人工判读。
波形显示和脉冲重复频率同步。
重复频率高则波形显示亮度高，重复频率低则波形显示亮度暗。
数探仪的波形显示是用模／数转换器将波形信号转换成数字信号，由数字逻辑电路或计算机将数字波形画在计算机显示器上。
显示器可以是电磁偏转的监视器，也可以是平板显示器。
前者虽然有偏转失真，但相对同样偏转的坐标格，没有误差；
后者则根本不会失真。
数字化波形显示频率和视频同步，亮度均匀。
数字式超声波探伤仪在波形显示窗口能独立显示探伤闸门，距离波幅曲线等辅助标识，比模拟超声波探伤仪的显示要灵活和准确得多。
4．记录方式区别
使用模拟探伤仪时，探伤记录需人工填写：
抄录仪器旋钮设置，手描或拍照记录波形，用记录仪画出峰值曲线。
上述工作用数探仪时，都能由计算机轻易地完成。
长期存储在机内或打印出来，传输给外部计算机。
5．模拟仪器与数字仪器操作面板区别
型模拟式超声波探伤仪面板图4-7CTS-22图
图4-8PXUT-350B+数字式超声波探伤仪面板图
如图4-7和图4-8可见模拟式探伤仪操作、读数通过诸多旋钮且无法保存其状态。
数字式超探仪过通中文热健及数码旋钮，操作简易，轻松读数无需人为计算，且能存储各种数据，更轻巧的体积和超长工作时间使探伤工作更为轻松。
四、数字式超声波探伤仪的功能特点
1）读数更准确、直观
计算机自动读数精度高，结合探伤参数计算出最终结果，简单，直观，快速，准确。
自动报警定量合理。
对超声检测信号波幅具有以下几种读数方式：
波高百分数+当前增益分贝数；
波高分贝数+当前增益分贝数；
波高相对闸门高度分贝数；
波高相对距离波幅曲线分贝数；
缺陷尺寸当量（相当于标准缺陷类型的尺寸）数；
对超声检测信号定位读数具有以下几种读数方式：
相对超声波发射脉冲的延时；
相对工件表面超声波入射点的超声波传输延时；
相对工件表面超声波入射点的反射点埋藏深度；
相对工件表面超声波入射点的超声波传输声程距离；
相对工件表面超声波入射点的沿表面投影距离；
在用户定义的广义平板、圆管截面或圆棒内的缺陷定位。
2）波形显示清晰
数探仪采用计算机的显示器，波形显示明亮清晰，有两种方式，一种是将探伤重复频率和60HZ视频同步，波形动态感好；
另一种是采用较高的重复频率探伤，以60HZ或30HZ频率显示峰值波形。
3）数字化探伤参数计算
数字式超声波探伤仪之所以能够显示直观的检测数据，是因为数字式超声波探伤仪具有了计算能力，通过对超声波探伤波形信号的波形高度及波形延迟时间的数字化测量，结合相关先验参数，进行计算，显示出直观的物理量。
同时，这些先验参数也能通过标准试块的参考波形测试，自动计算得出，这个过程，是对数字式超声波探伤仪的读数校准过程。
数字式超声波探伤仪的定位校准主要计算探头零点，材料声速和折射角度三个参数。
探头零点计算：
对试块上两个已知倍数声程距离（S1，nSl）的回波分别测得延时（T1，T2），测量和声程大小无关，和材料声速无关。
计算探头入射延时：
T?
n?
T1?
T2
0n?
1
这里n一般是2，T表示超声波检测系统的系统延时，包括计时零点到发射超声波0的电子延时和超声波在超声探头楔块、耦合材料等非被检测材料中的传输延时。
电子延时是数字式超声波探伤仪的固有参数，一般小于0.1us：
后者和采用的超声波探头、超声波耦合条件有关，接触法探伤时，主要受超声波探头的楔块影响，没有超声波延时楔块的直探头的传输延时小于0.1us，超声横波探头的传输延时从一微秒到十几微秒不等。
探头零点延时校准后，数字式超声波探伤仪根据波形延时T，计算超声波在被检工件内的传输延时Ts：
Ts=T-T。
0，计算声速：
（T）的回波测量延时（S）材料声速测量：
对一个已知声程
C?
2S
?
TT0
由上式可知，在测量声速之前要保证探头零点延时的正确。
试块要和具体检测材料，材料种类从）相同。
在一般情况下，材料声速和试块声速可根据超声波型（横波或纵波有关手册查出后输入。
在未知材料声速时，才有必要制作试块和测量声速，横波声速的测量一定需要制作圆弧反射面，因为在未知声速时，折射角度是不确定的。
，计算折射角：
（H）的回波测量延时（T）折射角度测量：
对已知深度?
）?
cos（2H
C?
（T?
T）0由上式可知，在测量声速之前必须保证探头零点延时和声速的正确。
有一种方法通过两个已知深度（H1，H2）的人工缺陷反射波延时的测量（T1，T2），若已知探头零点延时（T0）、材料声速（C）和折射角度中的任一个参数，可同时计算出另外两个参数。
4）距离波幅曲线
数探仪通过测量不同距离的相同尺寸人工缺陷回波的绝对分贝数建立距离波幅曲线，能自动在不同灵敏度、扫查范围时将曲线计算出来、显示在屏幕上。
比模拟探伤仪在刻度板上画曲线方便得多。
数探仪的曲线是通过各个点的测量值，在对数域用直线相连，形成折线，恢复到线性域时，以指数规律变化，符合声波衰减的自然规律。
数探仪的曲线在有效读数量程时有效，一盘要高地20%～30%屏幕高度，它的优点在于能自动随着灵敏度的提高而上升，但不能增加动态范围。
数探仪的另一项功能自动距离增益补偿能随延时变化增益，使距离波幅曲线变平坦，相对增加动态范围。
5）波形的自动捕获
数探仪在探伤时能自动捕获闸门内峰值最大的波形，锁定在屏幕上，也能将不同距离上的峰值包络保留下来，辅助测量工作。
使探伤更加准确，减轻了操作人员的劳动强度。
数探仪还能自动调整增益，使闸门内的回波幅度达到一定的高度，使操作更加简单。
6）波形记录、探伤报告的存储、打印和计算机通讯、建立数据库
数字式超声波探伤仪的一个重要功能就是能够将探伤参数，探伤波形记录下来，存储在文件中，或传输给计算机，建立有关数据库，实现无损检测工件的信息化管理。
7）探伤参数和仪器设置的自动生成
数字式超声波探伤仪具有计算能力，能够根据被检测工件的尺寸、形状和探伤方法自动生成探伤仪参数。
8）排除电磁干扰和数据后期处理
超声波探伤是以脉冲重复频率重复进行的，在短时间内（探头没有很大的移动）探．
伤波形因超声传输路径基本相同而肯有相关性，外界电磁干扰等噪声信号是随机出现或不相关的，所以数字式超声波探伤仪经过对回波波形进行多次平均处理能有效排除干扰信号，提高信噪比。
数字式超声波探伤仪还能将超声波形进行滤波、频谱分析、相关分析、小波变换、模式识别等算法处理达到得高信噪比、提高分辨率和缺陷识别分析的目的。
3.3使用数字式超声波探伤仪的常见问题
1）有关重复频率
脉冲重复频率是单位时间内仪器完成超声波检测的有效次数，即实现独立判伤报警的次数。
数字式超声波探伤仪的脉冲频率是发展的，一般手持式数字式超声波探伤仪均做到脉冲重复频率和视频同步，使每次超声检测回波被显示出为，这与模拟探伤仪一致，但重复频率被降到了50HZ-60HZ，在快速扫查和自动探伤时性能不好。
因为是显示同制限制了重复频率，所以有的探伤仪包括一些国外的仪器，采用了较高的重复频率，500HZ-2000KHZ，高速数据外理进行自动捕获最大伤波，再以视频显示出来，于是兼顾了显示性能和扫查性能。
影响模拟超探仪脉冲重复频率的因素只有超声传输延时，波形信号在产生的同时完成了和闸门电平的比较，输出报警。
然后就能进行下一次脉冲检测。
而一般数字式超探仪的探伤判别往往是经过后处理的，脉冲重复频率要受一数据处理时间的制约。
有些进口仪器采用了DSP技术将数据处理时间压缩到很短，感觉不到和模拟超探仪的差别。
2）波形分辨率
探伤仪的波形分辨率受发射波的宽窄、接收匹配阻抗的高低和放大器带宽性有影响。
数探仪的数字代波形显示使波形在水平方向分厉有限个占的集合（200-500），所以每个点要代表附近波形的典型值，为了保证探伤效果，一般取峰值，所以会把标识分辨率的谷值抛弃。
使测试分辨率降低，而模拟探伤仪的波形是连续的，谷值能一直保持，反映真正分辨率，所以在测试数探仪的分辨时要将波形适当拉宽，即缩小水平扫描范围，测试到真正的分辨率。
为了符合现行标准，就要选择更高分辨率的探头。
3）水平线性误差
数探仪水平读数相对误差取决于波形分辨率，当模拟波形不失真时，是波形序列点数的倒数，0.5%-0.2%。
绝对误差取决于采样频率（40MHZ-200MHZ）。
数字式超声波探伤仪是帖采样时钟显示和读取水平延时数据的，排除了模拟超声探伤仪由锯齿放大失真引起的线性误差和屏幕辨读误差（2%左右）。
4）垂直线性误差
数探仪的垂直读数误差有三个因素，一是数字化分辨率，一般为8位，256级，或7位128级（数字双向检波检测1位），误差是0.4%－0.8%；
第二个因素是数字控制放大器的精度，0.3分贝到0.6分贝，2%－5%；
另一个因素是接收放大器的线性误差，采用集成化的数字控制放大器，线性误差可以控制到很小。
排除了模拟探伤仪的衰减器误
差、视频放大器线性误差、视频放大器线性误差、和屏幕判读误差。
5）衰减器范围和增益范围
模拟探伤仪一般用可调节100分贝的衰减器，固定60分贝放大器，完成-40分贝到+60分贝的增益调节范围，读数用衰减量表示；
数探仪用40分贝的固定衰减器（可选），和80分贝到90分贝左右的数控放大器完成-40分贝到+80分贝的增益范围调节，用增益值表示，和国外仪器一致。
也有数字式超声波探伤仪使用对数放大器，具有很大的动态范围。
6）采样频率
数字化采样频率影响超声检测波形的真实信息保留，根据奈奎斯特定理和三农定理，数字化采样频率必须高于信号频率或带宽的两倍，就能还原出模拟波形的任意一点信号，但一般超声波探伤的数据处理需要很强的实时性，不采用算法进行还原，所以采样频率应远高于采样定律规定的数值。
最低采样频率应使超声波信号峰值在采样间隔内起伏变化误差小于能允许的误差。
例如，我们允许波幅读数误差4%，对于一个频率为F的正弦波，最低采样频率应高于11×
F。
由于超声波信号是脉冲信号，即带宽信号，所以F应取频率范围内最高的值，也就是上边频率。
对于模拟检波电路，在采样前超声信号经检波电路和滤波电路，形成波形信号的包络，频率范围较低，只需20到40MHz采样频率；
对于射频波形或数字检波方式，采样频率要到100到200MHz。
五、数字式超声波探伤仪的发展
1）数字信号处理
数字式超声波探伤仪把超声波探伤和数字信号处理技术、计算机技术结合在一起，使从夹杂各种因素的波形信号中提取对判伤有用的信息的途径大为拓展，有可能采用各种计算方法进行数字信号处理。
许多数字式超声波探伤仪已经具有了数字滤波、频谱分析、波形识别、小波分析等数字信号处理功能用于提高检测信噪比和缺陷识别能力。
2）自动化多通道数字式超声波探伤仪
数字式超声波探伤仪应用于自动化超声波检测，具有巨大的潜力。
数字式超声波探伤仪能够协调多个通道的协同工作，各个通道相互独立，互不干扰，并且通过数字信号处理排除工业现场的电磁干扰，识别伤波。
完成自动检测和自动判伤。
数字式超声波探伤仪在探伤控制计算机协调下工作，能够存储、校准和设置探伤参数，实时将探伤数据传送给主计算机。
在主计算机形成自动探伤的数据记录和探伤报告。
这种计算机系统管理模式有助于机电一体化控制，把探伤设备和生产设备的自动化管理溶入一体。
数字式超声波探伤仪和自动化机械探伤扫查结合起来，能实现超声检测数据的图形化和图像显示。
3）计算机超声成像
数字式超声波探伤仪和机械扫描或电子控制相结合，实现超声检测数据的各种图形和图像的显示。
A扫图形显示超声探伤波形。
B扫图像显示探头沿一维扫查的超声探伤图像，图像的一维是探头（或声线）扫查位置，另一维是超声波检测的声程深度位置，超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示。
C扫图像显示探头沿两维扫查的超声探伤图像，图像的坐标是探头（或声线）扫查位置，在一定深度范围内的超声波检测波形的幅度用颜色或灰度表示，多层的C扫图像能反映材料中缺陷的立体形态。
超声参数图像重建方法主要分透射法和背向散射法，主要原理建立由超声波传输和材料特性参数相互作用而形成扫查测量值数学模型，通过空间域或空间频域的反向算法重建材料的特性参数图像，一般被称为合成孔径算法。
超声成像的超声波探伤仪器将是超声波无损检测的一片新天地，将建立新的缺陷识别和定量的方法、概念。
4）超声相控阵技术
超声波相控阵技术是指将超声波探头分成阵列排列的小片，各个阵元按一定的延时关系（相位关系）同步发射，然后检测各个阵元的检测信号按一定的延时关系（相位关系）的叠加（干涉）结果。
这种技术通过延时关系（相位关系）的控制，能实现超声波束的方向控制、聚焦控制及线性扫描，形成电子扫描的B扫图像。
第二节超声波探头
在超声波探伤中，如何发射超声波，以及如何接收经被探测材料传播后的超声波，是首先要解决的问题。
因为它的好坏直接关系着探伤的水平。
当人们发现超声
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