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R0 称为阻尼电阻，用发射强度旋钮可改变R0的阻值。

阻值大发射强度高，阻值小发射强度低，因R0 与探头并联，改变R0 同时也改变了探头电阻尼大小，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，而示波管全调制所需电压要几百伏，所以接收电路必须具有约105的放大能力。

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。

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：图4-8 PXUT-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XZ 平面相垂直的y 1，y 2、 y 3轴（如图 4-9 所示）。

为了微观定性的说明石英的压电效应，可以把石英晶胞原子排列的等效电性看成是 如图 4-10 所示的样子。

图 4-10 石英晶胞原子排列的等效电性示意图 在正常情况下，各原子的电荷相互平衡，整个晶胞呈中性，如图 4-10（ a ）。

当在 方向施加压力，由于原子的位置的变更，电平衡遭到破坏，于是在表面 A 呈现负电荷， 表面 B 呈现正电荷，如图 4-10 （ b ）。

当在 x 1 方向施加拉力或在垂直于 x 1方向施加压力 时，表面 A 、 B 上出现电荷相反的情况，如图 4-10 （c ）。

这就形成所谓的正压电效应。

反之，当石英受到外界电场作用，则电场不仅使离子本身极化，而且使晶胞中的离子产 生相对位移，这个位移使得晶胞内部产生内应力，最后引起宏观形变。

这就是所谓逆压 电效应。

实际使用的石英元件都是从石英晶体中按一定方向和切割方式截取的。

由于石英晶 体是各向异性的，即一块石英晶体在不同方位上表现出来的物理性能，如电学、光学、 力学性能各不相同，其压电效应的强弱和性质同样与结晶轴向有关，在有的方向上甚至 没有压电效应。

因此不同的切割方式就可以获得适应不同用途的石英元件，例如有的切此外还有三个垂直于相对棱边，且与 图 4-9 石英晶体割方式可以获得极小的频率，温度系数，可制成稳定度极高在电子技术中广泛应用的稳频晶片，有的切割方式特别适宜制作各种不同性能的机械滤波器，近年来发展的LC 切割方式可以在很宽的温度范围内线性良好的频率温度关系，可制做超声测温元件。

作为超声探头的石英晶片主要采取X 切割和Y 切割二种方式。

所谓X 切割如图4-11（a），就是指垂直于X1，X2、X3 轴中任一轴线切割下来的晶片，它具有纵向正压电效应及纵向逆压电效应，若晶片的边缘分别平行于Y 轴及Z 轴则称之为0°X 一切割，如图4-11b）。

图4-11 石英晶片的X 切割同样，Y 切割就是指垂直于Y1、Y2，Y3 轴中任一轴线切割下来的晶片，它具有横向正压电效应和横向逆压电效应。

纵向压电效应如图4-12 （a）所示，沿着X 轴方向在X 切割晶片上施加交变应力，则在垂直于X 轴平面产生交变电场。

反之，如果在垂直于X 轴平面施加交变电压，则晶片沿X 轴方向将会产生与交变电压同频率的形变，形成机械振动。

图4-12 纵向、横向压电效应横向压电效应如图4-12 （b）所示，当沿X 轴方向对Y 切割晶片施加交变应力时，在与Y 轴垂直的平面上将呈现交变电场。

反之，如果在垂直Y 轴平面上施加交变电场时，沿X 轴方向将会产生同频率的形变。

Y 切割的晶片在探伤中常用来制作表面探头。

2．压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是由许多小晶粒组成的多晶体。

目前探伤中常用的压电陶瓷，其晶胞是钡钛矿型晶胞，如图4-13 （a）所示，所有的压电材料当温度升高到一定值后，压电效应会自行消失，物理学上称这温度为材料的居里点，以T C 表示。

当压电陶瓷的温度在居里点以上时，晶胞属于立方晶系，其正负电荷分配如图4-13 （b）所示。

由于立方体对称性很高，钛离子即使偏离中心位置，但从各方面偏离中心位置的几率是相同的，所以由立方体晶胞组成的晶粒的平均.图4-13 压电陶瓷的压电效应说明图电荷为零，不出现电极化。

若压电陶瓷的温度在居里点以下时，它的晶胞形状变长，立方晶胞变为四方晶胞，其电荷分布如图4-13（c）所示。

此时，钛离子向长轴方向偏离的几率就大，于是正负电荷中心不再重合，出现了电极化现象，这种电极化是自发形成的称为自极化。

在居里点以下，立方晶胞的三个晶轴中的任何一个均可成为四方晶胞较长的晶轴，因而晶粒中各晶胞自极化的取向是杂乱的，其综合作用的结果不呈现极化，没有压电效应。

若在一定温度下，以每毫米1，000～3，000 伏的强电场加在压电陶瓷的两端，使各晶胞极化方向沿外加电场方向重新排列，整个压电陶瓷晶胞的极化方向趋于一致，这种处理称为极化处理。

若经极化处理后仍能保持其极化强度的性质称为铁电性，压电陶瓷具有铁电性，经极化处理后的压电陶瓷就能产生压电效应。

、压电方程和压电材料的有关常数1．压电方程晶体材料的物理效应主要有同样，对于径向模来说，若在谐振频率下的晶片直径为 d ，则其频率常数 N ，zf ，·d 超声波探头一般用压电晶片厚度振动模式，因此频率常数N ，是经常使用的。

2．电气品质因素 θe 和机械品质因素 θm 电气品质因素 θe 是压电材料贮存的电能与耗损的电能之比。

它反映压电材料在交 变电压作用下消耗电能而转变成热能的大小。

造成这种消耗的主要原因有，在外加电压 变化时压电元件内部极化状态变化的滞后、压电材料内介质存在漏电流以及压电材料介质结构不均匀等。

如果把压电材料看成是一个电学介质材料，由于电介质在电场作用下 引起发热而消耗的能量（介质损耗） ，通常以介质损耗因子 tg δ的大小来表示，则电气品 质因数θe 可以用 tg δ的倒数来表示，即式中， ω—— 交变电场的角频率，c —— 介质样品的静电容， R —— 介质的损耗电阻。

机械品质因素 θm 的定义是：压电材料在谐振时的机械能量与在一个周期内损耗的 机械能量之比。

它反映了压电材料振动时克服内摩擦而消耗能量的大小，是衡量压电材 料的一个重要常数。

机械品质因素 θm 和电气品质因素 θe 越大， 意味着在压电效应过程中损耗的能量就 越小，在大功率和高频情况下的发热量就越小，但是对展宽频带，改善波形和提高分辨 率等都不利，因此在应用时还需根据实际情况适当选择。

另外，由于 θm 和 θe 还随负载 媒介的性质而变化，因此也可以利用改变负载媒介的办法来解决上述矛盾（如石英晶体 在大气中自由辐射 θm 高达 50000 ，而在水中且加阻尼块 θm 可小于 10）。

3．机电耦合系数 K 从能量的观点出发，压电效应是一种电能和机械能互相转化的效应，为此引入一个 物理量 K 来衡量压电材料中机械能和电能之间的耦合强弱称为机电耦合系数，其定义 为：从逆压电效应考虑：从正压电效应考虑：理想条件下贮存在压电 材料中的电能 理想条件下输入以压电 材料中的总机械能系数 K 2与转能器的效率不同，拿逆压电效应来说， 成机械能，但机械能并不一定完全转换成辐射的超声能量。

1 tg4-15)理想条件下贮存在压电 理想条件下输入到材料中的机械能 材料中的总(4-16)(4-17)K 2只能说明有多少电能被转换在压电材料中同时存在三种特性，即弹性，介电和压电特性，机电耦合系数K 与压电能Um 、弹性能Ua 和介电能Ud 之间的关系为K 是一个能量的比值，无量纲，最大值为 1 。

当K=0 时即无压电效应。

对于超头探头，K 关系到发射灵敏度和接收灵敏度，有用的K 值总是愈大愈好。

K 值是压电材料一个最突出的特征量，压电常数大，K 值亦大。

另一方面，对于各向异性材料K 亦随压电晶体振动模式不同而变化。

例如，对压电陶瓷材料，一块薄圆晶片，利用其厚度振动，这时机电耦合系数用K t 表示称为厚度机电耦合系数。

探头用薄圆晶片，虽只想利用K t，但因为薄圆晶片还同时存在一个径向机电耦合系数Kp ，它是支配晶片径向振动的，由于Kp 的存在使探头的杂波增多，因此超声探头的晶片希望K ，越大越好，以获得高灵敏度，同时希望K t/K ，也要大，以减少杂波。

在实际应用中可以用外电路（如并接一个电感线圈）来消除K ，的影响。

超声探头常用压电材料主要常数值列于表4-1 ：表4-1 常用压电材料主要常数项目材料名称化学符号切割形D 33D 33( ×10-2m /N)tKpKΡ(g/ cm3)C( m/s)Ρ c( ×105瑞利)m Qc( ℃)/ ε0NMH Z·mm 波( ×10-12m/v)石英SiO2X纵 2.31 5.00 2.651154 2.8.15740 5.2050.57石压英SiO2Y横 4.6 1.802.6311541.9.1458500.2050.63电硫Li2SO Y纵1617.50 2.05171 2.7单酸锂4·H2O.306470 1.250.33品碘酸锂LiIO3Z纵004.44123 2.0.51.171308.556.06铌LiNb3纵 6.0 2.30 4.673113 3.7酸锂O35°Y.494400 4.802009.00钛酸钡BaTiZ纵190 1.800 5.753311 2.6 O3.38.364700.00015700P压04351电ZT Z 纵289 2.6.51-7.50000.00028150 2.0陶－4P瓷ZT Z纵374 2.48007.743711.8－.49.605350 3.756550095AP U m 压电能弹性能和介电能的几何平均(4-18)（2）特点。