超声波探伤仪实验设计

实验TUD201超声波探伤仪实验设计

一实验目的

1了解超声波探伤的基本原理；

2掌握超声波探伤仪使用的一般方法和检测步骤；

二仪器和原理简介

1特点：TUD201超声波探伤仪具有缺陷定位精度高、能确定缺陷的当量尺寸、灵敏度高、只需单面接近试件、适用于各种形状等优点, 是目前使用最广泛的探伤仪。然而由于其综合了声学、材料、传感器等多方面的知识, 对使用人员的素质和经验提出了较高的要求。

2仪器的组成

TUD201手持式超声波探伤仪是应用较广的单通道便携式A 型显示脉冲反射式超声探伤仪中的一种。它主要由同步电路、时基电路、超声发射设备、超声换能器、超声接收设备、显示装置等部分组成。

3工作原理

当被检测的均匀材料中存在缺陷时, 将造成材料的不连续性, 这种不连续性往往伴随着声阻抗的突变, 而超声波遇到不同声阻抗的物质的交界面上将发生反射, 根据反射波的大小、有无及其在时基轴上的位置可以判断出缺陷的大小、有无以及缺陷的深度。在工作过程中, 同步电路按一定的频率间隔发射触发脉冲信号, 同时触发扫描电路和发射电路。扫描电路影响显示装置。而发射电路产生一个高频脉冲信号去激励换能器, 其中的压电晶片通过逆压电效应将电能转化为机械能, 并通过机械振动进一步转化为声能, 并耦合到被测试件中, 超声波在传播过程中,遇到缺陷或被测物底面时, 会发生反射, 反射波被同一换能器接收, 压电晶片通过正向压电效应将声能转换成电能, 电能经过接收装置处理, 形成反射脉冲信号。

三检测步骤

1耦合剂等准备工作

为了确保超声波能大部分耦合到被测试件中, 应当适当清洁待测试件表面, 在探头与待测试件接触处要均匀涂抹耦合剂。

2初始设定

初始设定主要是设定声速与延时。要实现对不同材料的工件厚度或内部损伤的正确测量需要设定不同的声速与延时。

3步骤:

(1) 根据待测试件的材料先初步设定一大概的声速值, 将延时设为0us;

(2) 调节闸门逻辑为双闸门方式;

(3) 将探头耦合到与被测材料相同且厚度已知的试块上;

(4) 将测量范围调至试块厚度的两倍以上, 这样才可能在探伤仪的显示范围内找到两次回波。

(5) 调整好阻尼、滤波频带与抑制, 适当调整增益, 直至找到一次回波与二次回波;

(6) 移动闸门A, 适当调整其宽度, 使其套住一次回波, 调节闸门A 的高度低于一次回波最高幅值至适当位置, 闸门A 不能与二次回波相交;

(7) 移动闸门B, 适当调整其宽度, 使其套住二次回波, 调节闸门B 的高度低于二次回波最高幅值至适当位置, 闸门B 不能与一次回波相交;

(8) 然后调节声速, 使得状态行显示的声程与试块实际厚度相同。此时, 所得到的声速就是

这种探伤条件下的准确声速值;

( 9) 门逻辑为单闸门方式, 即设为正或负逻辑, 此时声程测量的就是一次回波处的声程; (10) 当状态行的声程测量值与试块的已知厚度相同时, 所得到的探头延时就是该探头的准确探头延时。

图1为按上述步骤设定声速与延时时所得的探伤曲线。由于待测试件与试块均为同一类型的钢质材料, 声速初始值为5920m / s。已知试块的厚度为49.3mm, 为了设定声速, 我们必须找到二次回波,因而将测量范围设置为150mm (设为100mm 也可)。经过上述步骤后, 得到该图, 此时增益为70dB, 阻尼为400, 声速为4687m / s, 延时为0.44s, 滤波频带为高, 抑制为3% 。图1中, 一次回波与二次回波都能被我们轻易辨别出。

图一探伤曲线图

3 检测

在上述两步的基础上, 设定闸门逻辑为正逻辑, 把测量范围调整至待测试件厚度的一倍以上,适当调整增益, 来回缓慢移动探头直至出现一次回波, 移动闸门A, 使之套住一次回波, 这时候, 声程测量值就是工件的厚度或工件内部缺陷距表面的距离。图2为对待测试件内部缺陷进行检测时得到的探伤曲线。由于待测试件厚度约为60mm, 声速和延时上面步骤中已确定, 我们只要找到一次回波即可, 因而将测量范围设置为70mm 就可以满足要求。将探头与待测试件表面耦合好, 适当调整增益, 来回缓慢移动探头, 当增益为54dB、探头在待测试件表面某一位置时, 得到此图, 此时探伤仪声程测量值为22.7mm, 说明, 距探头表面22.7mm处, 待测试件存在缺陷。

图2测试件内部缺陷探伤曲线

四、检测时的注意事项

1回波的寻找与确定

很多初次接触该探伤仪的人, 在调整声速或进行检测时找不到回波, 这有可能是以下原因造成的:

(1) 探头与待测工件接触不好, 探头与试件表面有空气存在, 气体与金属二者之间的声阻抗相差太大, 超声探头与被测物体之间存在的空气间隙将使超声波几乎全部反射回来, 从而影响超声波从超声探头透入到被测物体。

(2) 待测试件太薄或者缺陷接近表面。

(3) 测量范围过小。横轴代表了反射回波的传播时间。而测量范围则表示仪器能显示的最大一次回波反射时间, 如果测量范围小于缺陷的深度或工件的厚度, 仪器将不能把一次回波显示出来。因而若要显示一次回波, 测量范围应至少是缺陷的深度或工件的厚度的一倍; 同样, 若要显示二次回波, 测量范围至少是缺陷的深度或工件的厚度的两倍。

(4) 增益过小。增益过小的话, 回波的幅度也会偏小, 可能会和杂波或噪声混淆, 从而不能被测量人员清晰地识别出来。

2 杂波与噪声的滤除

仪器中, 抑制是通过设定抑制百分比来抑制幅度低于设定值的波的显示。抑制百分比(即满幅值的百分比) 表示最小显示的波形高度。低于此高度的波将被忽略, 其幅值记为零。通过设定合适的抑制百分比的值, 可以去除被测工件的结构噪声。注意, 抑制百分比如果太大的话, 它也可能抑制二次回波, 使之不能显示。如果仪器和电脑连接, 也可以把测量数据导入电脑中运用小波除噪等软件的方法进行特征值提取与滤波。33阻尼、滤波频带对测量的影响

( 1) 探伤仪中有个阻尼调整选项, 可选的阻尼值有50、150、400, 操作说明书中介绍该功能用来匹配超声探头, 通过调节阻尼来适应被测材料的声阻抗, 从而改善回波显示的幅度、宽度和分辨力。所选择阻尼越大, 回波波形越窄、越低, 回波分辨力越高。这里调整的阻尼是吸收块的阻尼。起振后的压电晶片去掉激励后要经过多次振动才会停止, 这会使发射脉冲变宽而降低探头的分辨力。吸收块浇铸在压电晶片的负极, 它可以吸收声能量。主要用来吸收向背面发射的声波, 抑制径向振动和杂波, 对压电晶片的振动起阻尼作用, 使晶片的振动能量很快耗损掉, 从而在电脉冲结束后很快停振, 缩短余振, 使发射脉冲变窄, 波形不失真, 回波也相应变窄, 从而提高检测分辨力。所选阻尼越大, 晶片的振动能量耗损越快, 发射脉冲越窄, 回波相应变窄, 分辨力越高。

( 2) 滤波频带要与所选探头相一致。它有三个选项, 每个选项及其对应的频率范围如下:

低( 0.2~ 1MH z)

中( 0.6~ 4MH z)

高( 2~ 10MH z)

每次选用不同的探头时, 都要使滤波频带与探头频率参数相协调。例如, 上面的测量中, 选用了2.5MH z、20的直探头, 此时滤波频带应选中!

或者高而不能选低。

3 局限

(1) 存在一定盲区, 对近表面缺陷和薄壁工件不适用。其主要原因是: 使用单探头探伤时, 发射和接收将连在一起, 因此将有几百伏的发射信号加到放大器的输入端, 这使放大器在发射信号过后的一段时间内不能正常工作, 这种现象称为阻塞, 如果此时出现回波, 接收设备将无法正确识别。

(2) 只能给出缺陷的位置和当量尺寸, 不能直接显示缺陷的几何形状和大小。由于A 型显示是将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来, 因此从A 型显示中只能得到反射面距声入射面的距离以及回波幅度的大小。当然, 对于经验丰富的探伤人员而言, 他们可以根据材料的特性和回波的特征判断出缺陷的类型。若要直接显示缺陷的几何形状和大小, 可采用B 型显示、C 型显示超声波探伤仪或超声全息成像技术、ALOK 成像技术等。五思考题

1反射式超声波检测仪的工作原理是什么？

2调整声速或进行检测时找不到回波, 这有什么原因造成的？