第二章 超声波探伤仪、探头及试块第一节 超声波探伤仪一、超声波探伤仪的种类和A 型探伤仪工作原理1. 超声波探伤仪的分类和A 型探伤仪特点超声波探伤仪种类繁多、分类方法不一。

常见的分类方法如下：在脉冲反射式超声波探伤仪中，以A 型显示、单通道工作的携带式探作仪应用最为广泛，它常作为造船、石油、化工、机械、冶金、铁道和国防工业部门产品和设备现场探伤的重要工具。

归纳起来，它有以下特点：(1) A 型显示屏以横坐标(时间轴)刻度表示超声往复传播时间(传播距离)，纵座标表示脉冲回波高度，该高度与反射体返回声压成正比。

(2) 可用单探头(或双探头)进行探伤，以单通道方式工作。

(3) 对缺陷定位准确，发现微小缺陷的能力(灵敏度)较高。

(4) 在声束复盖区域内，可同时显示不同声程上的多个缺陷；对相邻缺陷有一定分辨能力。

(5) 适用性较广，配以不同探头可对工件作纵波、横波、表面波、板波等探伤。

(6) 一般来说，设备轻便、便于携带和现场使用。

(7) 只能以回波高低来表示反射体的反射量，因而缺陷量值显示不直观、探伤结果不连续，且不易记录和存档。

按声源能动性分(缺陷是否为能动声源)能动声源探伤仪(缺陷为能动声源如声发射) 被动声源探伤仪(缺陷为被动声源) 按发射波连续性分连续波探伤仪 脉冲波探伤仪一般连续波探伤仪 共振式探伤仪 调频式探伤仪 按缺陷显示方式分 A 型显示探伤仪 B 型显示探伤仪 C 型显示探伤仪 直接成像 按声通道分 按发射脉冲频带范围分 单通道探伤仪 多通道探伤仪 窄频带探伤仪 宽频带探伤仪(8) 结果判断受人为因素影响较多，故对操作者技术水平要求较高。

本节主要介绍单通道工作的A 型脉冲反射式超声波探伤仪(以下简称超声波探伤仪)的一般工作原理、基本组成、性能测试和使用方面的知识。

2. 超声探伤仪的一般工作原理和基本组成超声探伤仪的工作原理类似于无线电雷达，因此，它有固体雷达之称号。

图2–1为该类探伤仪最简单的电路方框图。

图2–1 超声探伤仪电路方框图 由图可知，它主要是由同步电路、时基电路(即扫描电路)、发射电路、接收放大电路四个主要电路和示波管电路、延迟电路、时标电路、电源电器以及探头等几部分组成。

主要电路的过程如下：同步单元多 正矩形 微分 正负尖 正脉冲触发发射电路谐振荡器 脉冲 电路 脉冲 负脉冲触发扫描电路 →电缆、探头→超声波→工件中反射体→超声波→电缆、探头→接收放大电路→示波屏Y 偏转板→锯齿波电压→示波屏X 偏转板→从左到右扫描四个主要电路作用如下：(1) 同步电路同步电路是超声探伤仪的心脏和指挥中心，它有多谐振荡器产生周期性的矩形同步脉冲，经微分电路后变为正负尖脉冲，触发闸流管后同时控制发射电路、时基电路、时标电路等部门进行步调一致的工作。

同步脉冲是一个周期变化的非连续波，它在每秒种内出现的次数就是同步电路每秒钟的工作次数或同步脉冲的重复频率；也是发射电路扫描电路每秒钟的工作次数，因而就是探伤仪的重复频率。

(2) 发射电路发射电路在同步电路产生的正触发脉冲作用下，在极短的时间内产生数个上升时间短、脉冲窄、幅度大的高频电脉冲，通过探头电缆将脉冲电压加到探头晶片上，经电声转换，使晶片产生高频机械振动，→发射脉冲→ →闸流管 → → →将激发的超声波通过耦合传入工件，自工件中反射体(界面B 或缺陷F)返回的超声能量(或声压)再由晶片转换成电能，传入接收放大电路。

发射电路在一个同步脉冲触发下产生的发射脉冲个数(一般为十几个)，与此间发射电路工作时间之比，就是发射脉冲的频率，也是晶片高频机械振荡的频率——超声波发射频率。

发射脉冲包含的频率较为丰富，它有一定的频带宽度，控制发射脉冲幅度的高低就能控制超声波发射强度的强弱。

探伤仪面板上的发射强度旋钮，就是起这种控制作用的。

(3) 时基电路(扫描电路)时基电路在同步电路产生的负触发脉冲(同步于正触发脉冲)的作用下产生一定斜度的锯齿波电压，使示波管X 方向偏转板控制的电子束沿水平方向自左至右地匀速扫描，示波屏水平轴上就得到一条明亮的时基线(也叫时间轴或水平扫描线)。

扫描光点的位移速度与加在X 方向偏转板上锯齿波电压有关；因此，控制锯齿波电压的斜率就可以控制扫描速度，达到调节探测范围(即时间轴比例)的目的。

仪器探测范围的调节由粗调、细调(也叫声速调节)旋钮来完成。

时基电路每秒钟内的工作次数决定于同步脉冲的触发次数；所以，示波管荧光屏上图像在每秒钟内显示次数与同步脉冲的重复频率是一致的。

(4) 接收放大电路接收放大电路包括高频放大器、衰减器、检波器、视频放大器、滤波器和深度补偿电路等。

接收放大电路的主要作用是将一个微弱的回波信号电压(一般为mV 数量级)经数级放大器放大到Y 方向偏转板上可显示的工作电压(一般为数十伏)，从而使工件中较小的反射体回波也能得到一定的幅度显示。

接收放大电路中起关键作用的部分是放大器，它有以下几个主要指标衡量其性能好坏。

放大倍数 放大倍数通常用信号电压的相对放大量(即增益dB)表示：f gU U lg 20)dB (K (2–1)式中：U f 表示输入信号电压，也是反射体的回波信号电压；U g 表示放大器的输出信号电压，也是加在Y 方向偏转板上的工作电压。

仪器面板上具有的增益(或衰减)dB 量越大，表示仪器放大器所提供的放大倍数也越大。

探伤仪以增益dB 或以衰减dB 表示时，本质上都是改变放大量。

前者dB 值越大，放大倍数越大。

后者dB 值越大，放大倍数越小。

目前，国内仪器以衰减dB 表示居多，国外仪器以增益dB 表示居多，使用中应注意区别。

一般超声波探伤仪放大器具有80～100dB 的增益量，其放大量受电子元件本身噪声电平的限制。

频带宽度 放大器的频带宽度直接影响探伤仪的分辨能力。

图2–2为频带宽度定义的示意图。

图中f 0为主频率，f 1和f 2分别为主频率附近放大倍数是主频率对应放大倍数的2/2倍时所相应的频率。

f(即f2－f1)就表示频带宽度。

所谓宽频带放大器，也就是能在较宽的接收信号频率范围内保持其放大倍数基本一致(增益量波动范围小于3dB)。

宽频带放大实际上是增大了放大器有效工作范围，使比主频率低(或高)得较多的一些回波信号也得到基本一致的放大，这显然有助于提高对产生不同回波频率的相邻反射体的显示和分辨。

宽频带的放大器配以宽频带的探头就能获得较高的分辨率，但应注意到，频带变宽了，噪声相应也要增大，从而降低了信噪比，容易引起草状回波增多。

放大器的线性放大器输入信号幅度与输出信号幅度成正比的程度称为放大线性。

接收电路中放大器的放大线性决定了探伤仪的放大线性(垂直线性)。

放大量与信号电压幅度之间的关系服从(2–1)式的规律。

放大器的动态范围接收放大电路除了应有足够的放大倍数(或放大量)外，还要求视放级有足够的不失真输出幅度。

放大器最大的不失真输出信号幅度范围称为放大器的动态范围，该动态范围也决定了探伤仪的动态范围。

噪声系数放大器的噪声主要来自电子管、晶体管和电阻等电讯元件的热噪声。

噪声系数控制在较小范围内才能提高仪器的信噪比，因此，电子元件的精选和优质是改善仪器性能的重要因素。

除上述指标外，接收放大电路还应有良好的抗阻塞特性、稳定性等性能指标。

(5) 其他附属电路超声波探伤仪的其它附属电路有：示波管电路、延迟电路、时标电路和电源电路等。

3. 超声波探伤仪的主要调节旋钮及其作用(1) 辉度、聚焦和辅助聚焦旋钮辉度旋钮用以调节扫描线及图像亮度，聚焦和辅助聚焦旋钮相互配合调节扫描线及图像清晰度。

(2) 水平和探测范围调节旋钮水平调节也叫零位调节，它可以在不改变扫描速度的情况下使整个时间轴(包括示波屏上图像)左右移动，它与调节探测范围的粗调、细调旋钮配合后，用于斜探头横波探伤时的零位校正和直探头、斜探头探伤的探测范围调节。

所谓零位校正就是使斜探头的声程原点与入射点重合，并和时间轴零位相一致，见图2–3所示。

此时斜探头入射点与声程原点(半圆试块圆心)重合，同时，有机玻璃斜楔中的纵波声程即移至零位左边，再根据试块尺寸和斜探头折射角的大小配合粗调、细调的调节，就可以达到使横波声程(水平距或深度)与时间轴刻度之间建立一定的比例关系的目的，这种比例关系的确定也叫探测范围调节，它给缺陷定位不仅带来方便，而且可以提高准确性。

对直探头纵波探测范围的确定，可利用工件平底面和人工试块平底面。

调节时利用粗调和细调旋钮，使底面一次和二次回波分别调节在相应位置上，此时，与零位对准的地方为声程原点，而始脉冲前沿往往位于零位稍偏左的位置上，见图2–4所示。

图2–3 斜探头零位校正和探测范围调节图2–4 直探头探测范围调节(3) 发射强度和增益调节旋钮发射强度旋钮可调节发射脉冲的输出功率，它有强发射和弱发射之分，由拨动开头控制。

它通过改变仪器内探头电路的旁路电阻来改变仪器与探头的阻抗匹配，从而达到改变探头晶片激励电压，即发射强度的目的。

一般在探测灵敏度足够的前提下，尽量使旋钮置于弱发射位置，因为输出功率增加虽然可提高探测灵敏度，但由于脉冲变宽，阻塞区增大，故分辨能力变差。

因此，不宜过分追求强发射。

增益调节有粗调、细调和微调三种调节量，它由衰减器(或增益器)和增益微调旋钮完成。

探头接收到回波信号并转换成的电信号在输入接收放大器之前，先经过衰减器，为了保证衰减器有足够精度，要求输入与输出有较好阻抗匹配。

衰减器粗调的步进为20dB、12dB、10dB或6dB，细调步进为2dB或1dB。

增益微调又称灵敏度控制，它可连续调节，用以控制接收放大器Y轴输出的放大量，其可调增益量为0～10dB。

微调增益刻度与放大器放大量之间线性较差，故实际使用中不应以增益刻度来定放大量。

用衰减器可以调节探测灵敏度；测量缺陷相对于基准反射体信号的高度，确定缺陷声压反射率及其当量尺寸；测量被检工件的材质衰减。

(4) 重复频率和探测频率旋钮超声波探伤仪的重复频率和超声波探测频率是两个不同的概念。

重复频率是同步脉冲的频率，是每秒钟内同步电路指挥发射电路、扫描电路等部分协同工作的次数。

探测频率是发射脉冲的频率，是发射电路单位时间内发射的高频脉冲数量，也是探头晶片的振动频率，即超声波频率，它们两者的关系见图2–5所示。

图2–5 脉冲的重复频率和探测频率重复频率 T1f R = (几十赫至几百赫)探测频率 t 1f = (几十千赫至几兆赫)提高重复频率可使单位时间内扫描次数相应增加，荧光屏图像重现次数增多，从而增强了荧光屏上图像的显示亮度，便于观察。

自动探伤中检测速度较高，为防止漏检，应相应选择较高的重复频率。

一般以手动操作为主的探伤中，重复频率不宜过高，常选50Hz 的整倍数，这样既可消除工频干扰引起的荧光屏闪烁现象，又可避免幻象波的产生。

所谓幻象波即重复频率增高后第一个同步脉冲周期内的残波落在第二个同步脉冲周期前段而产生波形重迭的现象，它对缺陷正确分辨有一定的影响，见图2–6所示。