超声波探伤仪的使用和性能测试一、实验目的1、了解超声波探伤仪的工作原理。
2、掌握超声波探伤仪的使用方法。
3、掌握仪器主要性能如水平线性、垂直线性、动态范围、分辨力、灵敏度余量等的测试方法。
二、实验原理目前在实际探伤中，广泛应用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪。
这种仪器荧光屏横坐标表示超声波在工作中的传播时间（或传播距离），纵坐标表示反射回波波高。
根据荧光屏上缺陷波的位置和高度可以判定缺陷的位置和大小。
A型脉冲反射式超声波探伤仪由同步电路、发射电路、接受放大电路、扫描电路（又称时基电路），显示电路和电源电路等部分组成。
其工作原理如图1所示。
图1 A型脉冲反射式超声波探伤仪的电路方型图电路接通以后，同步电路产生脉冲信号，同时触发发射电路、扫描电路。
发射电路被触发以后高频脉冲作用于探头，通过探头的逆电压效应将信号转换为声信号，发射超声波。
超声波在传播过程中遇到异质界面（缺陷或底面）反射回来被探头接受。
通过探头的正压电效应将声信号转换为电信号送至放大电路被放大检波，然后加到荧光屏垂直偏转板上，形成重叠的缺陷波F和底波D。
扫描电路被触发以后产生锯齿波，加到荧光屏水平偏转板上，形成一条扫描亮线，将缺陷波F和底波D按时间展开。
A型脉冲反射式探伤仪型号各异，但主要旋钮和调节方法基本相同。
1、扫描基线的显示与调节【电源开关】－置“开”时，仪器电源接通，面板上电压指示红区，约1分钟后，荧光屏上显示扫描基线。
【辉度】－调节扫描基线的明亮程度。
【聚焦】与【辅助聚焦】－调节扫描基线的清晰程度。
【垂直】－调节扫描基线在垂直方向的位置。
【水平】－调节扫描基线在水平的位置。
一般不用调。
2、工作方式的选择单探头－一只探头兼作发射和接收。
双探头－一只探头发射，另一只探头接收。
3、探测范围的调节【粗调】或【深度范围】－根据工件厚度粗调探测范围。
【微调】－微调探测范围，微调与【脉冲移位】（CTS-32）配合使用，可按一定比例调节扫描基线。
CTS-32最大探测范围为5000mm.4、工作频率的选择【频率选择】－调节超声波探测频率，即探头晶片振动频率。
频率选择一般视材料的衰减和发现的最小缺陷而定。
当材料衰减小，要求发现的缺陷小时，宜选用较高频率；反之可选用较低的频率。
频率选定以后，注意使仪器与探头频率一致，否则灵敏度会降低。
CTS-32采用宽频带放大器，仪器的工作频率取决于探头的实际工作频率。
5、重复频率的选择【重复频率】－调节仪器同步脉冲的频率，重复频率是仪器每秒钟内产生脉冲的次数。
重复频率高，单位时间内扫描次数多，荧光屏图象亮度高，便于观察。
但这时每次发射脉冲的强度减弱了，因此仪器的灵敏度有所下降。
重复频率过高，往往在缺陷回波出现之前，第二次同步信号就开始扫描，从而荧光屏上出现幻影，干扰正常探伤，造成漏检。
CTS-32【重复频率】与【深度范围】同轴，一般不会出现幻影。
6、仪器灵敏度的调节仪器灵敏度是指仪器输出功率的大小，输出功率大，灵敏度高，反之灵敏度低。
仪器灵敏度可以通过【增益】、【衰减器】、【抑制】、【发射强度】等旋钮来调节。
【增益】－通过调节接收放大器的放大倍数来调节荧光屏上的波高使之准确达到规定高。
增益大，灵敏度高。
【衰减器】－定量地调节荧光屏上的波高，常用于比较某回波高与基准波高的相对高度，单位为dB。
衰减器分粗调与细调，均为步进式调节。
【抑制】－限制检波后信号的输出幅度。
抑制杂波，提高信噪比。
使用【抑制】，将使仪器的垂直线性变坏，动态范围变小。
因此当使用荧光屏面板对缺陷定量时，不得使用（抑制）。
抑制增加，灵敏度降低。
【发射强度】－调节发射脉冲的输出的功率。
发射强度强，灵敏度高。
但这时脉冲宽度增大，分辨力降低。
7、扫描选择【同步】－同步电路同时触发扫描电路和发射电路，荧光屏上完整地显示始波T、缺陷波F和底波B。
【延迟】－扫描延迟于发射脉冲一段时间，使始脉冲之后一定范围不显示回波，而把后面更远声程的回波显示出来，可用于较深缺陷展宽分析。
8、深度补偿【深度补偿】是用改变放大量的方法来补偿超声波在介质中的衰减，使位于不同深度的相同反射体得到同样高度的回波。
使用【深度补偿】后将破坏反射体距离――波幅曲线的正常变化规律，实际探伤一般不用。
当工件衰减很大时才用。
仪器的主要性能仪器性能仅与仪器有关。
仪器主要性能有水平线性、垂直线性和动态范围。
1、水平线性仪器荧光屏上时基线水平刻度值与实际声程成正比的程度，称为仪器的水平线性或时基线性。
水平线性主要取决于扫描锯齿波的线性。
仪器水平线性的好坏直接影响测距精度，进而影响缺陷定位。
2、垂直线性仪器荧光屏上的波高与输入信号幅度成正比的程度称为垂直线性或放大线性。
垂直线性主要取决于放大器的性能。
垂直线性的好坏影响应用面板曲线对缺陷定量的精度。
3、动态范围仪器的动态范围是指反射信号从垂直极限衰减到消失时所需的衰减量，也就是仪器荧光屏容纳信号的能力。
影响动态范围的主要因素的仪器的线性范围和荧光屏的大小。
仪器与探头的主要综合性能仪器与探头的主要综合性能不仅与仪器有关，而且与探头有关。
主要综合性能有盲区、分辨力、灵敏度余量等。
1、盲区从探测面到能发现缺陷的最小距离，称为盲区。
盲区内缺陷一概不能发现。
盲区与放大器的阻塞时间和始脉冲宽度有关，阻塞时间长，始脉冲宽，盲区大。
2、分辨力在荧光屏上区分距离不同的相邻两缺陷的能力称为分辨力。
能区分的两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。
分辨力与脉冲宽度有关，脉冲宽度小，，分辨力高。
3、灵敏度余量灵敏度余量是指仪器与探头组合后，在一定的探测范围内发现微小缺陷的能力。
具体指从一个规定测距孔径的人工试块上获得规定波高时仪器所保留的dB数。
保留的dB 数愈高，说明综合灵敏度愈高。
三、实验仪器设备1.、仪器：CTS-32。
2.、探头：2.5MHzφ20或2.5 MHzφ14的直探头)。
3.、试块：CSK-IA、200∕Φ1平底孔试块等。
4.、耦合剂：机油。
四、实验要求1、要求学生加强理解超声探伤的基本原理，了解探伤仪的功能和熟悉探伤仪的操作；2、要求学生能独立操作每一个实验步骤，了解和掌握其相关的原理，培养学生熟练的试验操作。
五、实验内容1、水平线性的测试(1) 调有关旋钮时基线清晰明亮，并与水平刻度线重合。
(2) 将探头通过耦合剂置于CSK-IA 或IIW 试块上，如图2的A 处。
(3) 调【微调】、【水平】或【脉冲移位】等按钮，使荧光屏上出现五次底波B 1-B 5,且使B 1， B 5前沿分别对准水平刻度值20和100，如图3。
(4) 观察记录B 2 、B 3 、B 4与水平刻度值40，60，80的偏差值a 2 ,a 3 ,a 4100%δ⨯αmax＝0.8b(5) 计算水平线性误差：式中 max α——123ααα、、中最大者，b ——荧光屏水平满刻度值。
图2 水平、垂直线性测试图3 水平线性测试波形2、垂直线性的测试(1) 【抑制】至“0”，【衰减器】保留30dB 衰减余量。
(2) 探头通过耦合剂置于CSK-IA ，如图2是B 处。
(3) 调【增益】使底波达荧光屏满幅度100％，但不饱和，作为0dB 。
(4) 固定【增益】，调【衰减器】，每次衰减2dB ，并记下相应回波高度打，填入表1表中：相对波高％＝iidb H 100%db H ∆⨯衰减波高衰减0波高理想相对波高ii i 2000H H 1%10100%20lgi H n H ∆⎛⎫⎛⎫=⨯=-∆ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(5) 计算垂直线性误差D= (d1d2)%+ d1 ——实测值与理想值的最大正偏差； d2 ——实测值与理想值的最大负偏差； 3. 动态范围的测试(1) 【抑制】至“0”，【衰减器】保留30dB 。
(2) 探头置于图2的A 处，调【增益】使底波达荧光屏满幅度80％。
(3) 固定【增益】，记录这时衰减余量N1，调【衰减器】使底波降1mm,记下这时的衰减余量N2。
(4) 计算动态范围：△＝N2-N1 (db) 4. 分辨率的测定(1) 【抑制】至“0”，其它旋钮位置适当。
(2) 探头置于图4 所示的CSK-IA 的III 处，前后左右移动探头，使荧光屏出现声程为85，91，100的三个反射波。
(3) 当A,B,C 不能分开时，如图5（a ），则分辨率为 F 1= (91-85)a 6a(mm)a b a b=-- (4) 当A,B,C 能分开时，如图5（b ），则分辨率为 F 1= (91-85) c 6c(mm)a b a b=--5. 灵敏度余量的测试(1) 【抑制】至“0”， 【增益】最大，【发射强度】至强。
(2)连接探头，调节【衰减器】使仪器噪声电子为满幅度10％，记录这时【衰减器】的读数N1。
(3) 探头置于图6所示的灵敏度余量试块上（200∕ 1平底孔试块），调【衰减器】使平底孔回波达满幅度80％，这时【衰减器】的读数N2。
(4) 计算：灵敏度余量△N ＝N2-N1 (db)图4 分辨率测试(a) A 、B 不能分开(b) A 、B 能分开图5 测分辨率波形图6 灵敏度余量六、实验报告要求1、每人一份实验报告；2、严格按照试验步骤注意记录试验数据，分析试验结果；3、指出实验过程中的参数测量是否有其它方式并加以说明。
七、思考题1、决定探伤仪水平线性和垂直线性的因素是什么？2、扫描基线的聚焦性能对实际探伤有无影响，为什么？八、实验注意事项1、实验过程中探头和试块应尽量贴紧，以减少声波损耗；2、使用试块过程中要小心，探测时应该试块放稳；将搬动时防止砸伤自己或砸损化仪器。