ASNT - UT二级官方教程 - 图文(7)

互吸引，晶体又恢复到原来不受外力作用的状态。

沿石英晶体两个面中的一个切割，即X向切割或Y向切割，即可用来制作换能器。X向晶体产生纵波模，Y向晶体产生横波模。

极化陶瓷

用来制作换能器的另外一种材料是电致伸缩材料。电致伸缩材料是一种铁电体。

由于铁电材料将电能转化成超声波声能的效率较高，所以今天，大多数的超声换能器都用铁电材料制成。因为铁电材料的机械性能与陶瓷材料相类似，所以这些材料称为极化陶瓷。

铁电体在自然状态下由于正负电荷随机排列，所以不显示出极性。只有电荷有序排列起来才具有压电效应。方法是把它加热到居里温度并施加外电场。

在温度降低的过程中，维持外电场不变，电荷将保持有序排列。这样处理后的铁电体就具有了压电能力。

铁电材料

两种常用的铁电材料是钛酸钡和锆钛酸铅，两者都能很好地发射超声波。但在作为接收器使用时，与石英相比效果稍差。这两种铁电材料都易老化，且不溶于水。

天然压电材料

硫酸锂是另一个用于制造换能器的材料。它与石英一样，是一种天然压电材料。硫酸锂极易溶于水，不易老化。

换能器的剖面示意图显示出它的结构和各组件的位置。

换能器的结构

换能器中，用一个耐磨片来防止压电元件的磨损。耐磨片通常用氧化铝或合成红宝石材料制成，在接触法检测中，它为换能器提供了一个耐磨表面。

液浸法换能器的前表面一般用环氧材料制成。在液浸换能器和被检工件间的接触的可能性很小，所以不需要对压电元件进行保护。

背衬材料起机械阻尼作用。当电脉冲激励压电元件时，便会产生振动。如果不对这一振动加以控制，压电元件就会象音叉一样持续振动下去。在脉冲回波法中，不符合检测要求，因为换能器同时也用作接收器。

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如果放任其自由振动，压电元件需要花很长时间才能停下来，而且这一时间与压电材料的厚度有关。因此不使用阻尼的压电元件对近表面的分辨率很差。当压电元件仍在振动的时候，换能器不能用作接收。

压电元件被脉冲激励后发生振动，而阻尼材料控制这一振动。只有这样，换能器才可以同时用作接收器。阻尼的大小对换能器的操作特性是非常重要的。如果阻尼过大，灵敏度会降低。如果阻尼过小，分辨率会降低。

换能器的结构能承受一定的外力，但也必须小心使用。比如掉在地上，可能使耐磨片或压电元件破裂或损坏背衬材料。

背衬材料损坏会使压电元件产生显著的振铃效应。背衬材料损坏也很容易在CRT显示中从始脉冲的加宽观察到。

几乎所有的换能器上面都刻有一串数字，标注着压电元件的尺寸和频率。在需要检定时，可能用到这些数据。

接触式和液浸式换能器

根据使用目的不同，换能器可以分成很多类型。其中最主要的两类，一个是接触式，另一个是液浸式。不论是直声束法还是斜声束法的接触式换能器，都使用一个压电元件来产生纵波。在直声束检测中，直接用纵波探测工件；在斜声束检测中，利用一个斜的有机玻璃楔块将纵波转换为横波。

斜声束换能器有两种结构，一种是楔声与换能器为一整体，另一种是可拆卸的。在使用可拆卸的换能器时，保持换能器与楔块之间良好的耦合是非常重要的，这样才能确保发射的超声波穿过换能器到达有机玻璃界面。

楔块具有一定的几何结构，其功能是：

(1)、楔块按某一角度切割，以使在被检工件中产生具有特定传播方向的横波。

(2)、楔块的形状应使在楔块与材料表面间反射的声波在楔块自身中衰减掉，避免在CRT扫描中生成噪声。楔块的外表面也经常做成锯齿状，这样有助于衰减内部反射的超声波。

直声束换能器

直声束换能器也带有机玻璃延迟楔块。楔块用来提高近表面的分辨率，使声波的盲区位于楔块中而不是在被检材料中。楔块也可用耐高温材料制作，这样的换能器在高温下检测比较理想。对于可拆卸楔块，要用适当的耦合剂把它们与换能器粘合在一起。耐高温耦合剂对高温材料的检测是有用的。 双晶片换能器

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使用双晶片换能器是为了提高近表面的分辨纱。双晶片换能器由分离的发射晶片和接收晶片组成。这样，即使在发射脉冲期间，接收晶片也能不间断地接收。 图4-1

超声换能器和标准试块

超声换能器是超声检测系统的核心。

图4-2

瓷。

超声换能器中的晶体材料由压电材料制成，例如：石英、硫酸锂盐和极化陶(1) 石英是最先使用的材料，具有非常稳定的频率特性。然而它产生的超声

能量较小，已经被一些更有效的材料所代替。

(2) 硫酸锂盐是一种非常有效的声能接收器。但它易脆，且溶于水，还有温

度必须低于165℉的限制。

(3) 极化陶瓷是最有效的声能发射器，但易磨损。常用的极化陶瓷有钛酸钡、

偏铌酸铅和锆钛酸铅。

主要从三个方面来描述换能器的性能： (1) 灵敏度：发现小缺陷的能力

(2) 分辨率：在深度（即时间上），区分相互靠近的两个缺陷的反射声波的

能力。

(3) 效率：能量转换效率。

换能器的灵敏度是在标准试块中，发现一特定深度的特定尺寸的平底孔的能力。能探测的孔越小，灵敏度越高。

可以通过对标准试块上人工缺陷的响应幅度来测量换能器的灵敏度。 因为即使同样尺寸、频率和材料的换能器，对同一反射体也不会总产生相同幅度的信号，所以有必要使用标准试块。

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换能器

标准试块

平底孔 图4-3

陷的声反射的能力。 图4-4

分辨率是指在时间即深度上，区分靠近工件边缘的缺陷或相互靠近的两个缺

超声波的产生

切割换能器的晶体材料的两种方法： (1) 垂直于X轴方向切割的晶体产生纵波 (2) 垂直于Y轴方向切割的晶体产生横波

如下图所示，大多数用于超声波检测的晶体是垂直于X轴向切割的。

X轴 Y轴

Z轴 图4-5

在使用中，换能器的尺寸起一定作用。

(1) 在一定频率下，换能器的尺寸越大，声束扩散越小。

(2) 然而，尺寸小频率高的换能器发现小缺陷的能力更高。

(3) 换能器的尺寸越大，传给被检工件的声能越多。大尺寸低频率的换能器

常用来获得更大的穿透深度。

(4) 大尺寸单晶体的换能器一般仅限用于低频。因为非常薄，高频晶体很容

易毁坏。

在使用中，换能器的频率是一个重要因素。

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(1) 换能器的频率越高，声束传播的损失越小，灵敏度和分辨率越高。不发

声波如下图所示传播时，小缺陷的反射的声波可能较少。

高频换能器

缺陷 高频换能器

图4-6

发现不垂直于声束轴线的反射体。

(2) 换能器频率越低，声波的穿透深度越深，扩散也越大，声束的扩散可以(3) 换能器的频率与晶体的厚度有关。晶片越薄，换能器的频率越高。 大多数超声检测使用的频率在0.2MHz到25MHz之间，超过10MHz的晶片过薄且易碎，不宜用于接触法检测。

所以频率高于10MHz的换能器主要用于液浸法检测。

常用换能器的形状、尺寸和物理性能

常用类型包括：漆刷式、双晶片式、单晶片式、斜声束式、聚焦式、镶嵌式、接触式和液浸式。

单晶片换能器可以只发射或只接收，或既发射又接收。

双晶片换能器既可以由两个单晶片换能器并排安装在一起组成，也可以重叠在一起组成。

在双晶片换能器中，一个晶片用作发射器，另一个用作接收器。

发射

接收

隔声板

图4-7

所以它对近表面有较好的分辨率。

因为双晶片换能器的接收晶片可以在发射晶片完成发射之前接收缺陷信号，

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