超声波检测仪及其应用

1.概述

用于固体材料超声波检测的装置按其指示的参量可分为三类：

第一类指示声的穿透能量，常用于穿透法，如图3.5-9所示。这种装置在结构上可包括超声源、接收器、试件及适当的耦合剂，由超声源发射的超声波借助耦合剂穿过试件为接收器所接收，当试件中声特性阻抗或声衰减有某些变化（如存在宏观缺陷或微观组织结构有变化）时，接收到的超声能量可有变化，这可用仪表来指示。此法设备简单，结果易于说明。但由于缺陷的可检性随缺陷面积与波束面积之比、缺陷相对于波束的取向、缺陷与探头之间距离的不同而异，且不能确定缺陷在试件中距表面的距离，试件几何形状的微小变化可引起接收信号幅度的变化，需从两侧接近试件，故而使用范围不广。

图3.5-9 穿透法示意图

图3.5-10 A型显示脉冲反射式超声仪的基本电路框图

1—同步电路 2—发射电路 3—时基电路 4—探头（换能器） 5—试件 6—缺陷 7—接收放大电路 8—示波器 9—荧光屏显示

图3.5-11 B型显示框图

1—Y轴扫描电路 2—同步电路 3—电子束强度调制 4—放大电路 5—发射电路 6—机械连接 7—X轴位置 8—探头 9—缺陷 10—试件

第二类指示频率可变的超声连续波在试件中形成驻波的情况，可用于共振测厚，但目前已很少使用。

第三类指示反射声波的幅度和运行时间，常用于脉冲反射法，对于宏观缺陷的检测来说，根据反射的显示方式及显示内容又可分为A、B、C三种类型：A型主要显示反射面在试件中的埋藏深度及反射信号的幅度；B型主要显示反射面在试件纵截面上的分布；C型则主要显示反射面在平面视图上的分布。

2.A型、B型、C型显示仪

图3.5-10为A型显示脉冲反射式超声仪的最基本电路框图。同步电路以给定的频率（仪器的脉冲重复频率）产生周期性同步脉冲信号，这信号一方面触发发射电路产生激励电脉冲加到探头上产生脉冲超声波，另一方面控制时基电路产生锯齿波加到示波管X轴偏转板上使光点从左到右随时间移动。超声波通过耦合剂射入试件遇到界面即产生反射，回波可由已停止激振的原探头接收（单探头工作方式）或由另一探头接收（双探头工作方式）转换成相应的电脉冲经放大电路放大加到示波管的Y轴偏转板上，此时，光点不仅在X轴上按时间作线性移动尚受Y轴偏转极上电压的影响作垂直运动，从而在时间基线上出现波形；根据反射波在时间基线上的位置可确定反射面与超声入射面的距离，根据回波幅度可确定回波声压大小。波形可以是经检波也可以是未经检波处理的，前者清晰，后者真实，这是要注意的。

图3.5-11为B型显示系统示意图，同步信号触发发射电路使探头发射出超声波，同时还触发Y轴扫描电路，将锯齿波电压加到示波管的Y轴偏转板上。随探头位置变化而变化的直流电位加到X轴偏转板上。探头接收到回波信号经放大电路放大后加到示波管的栅极进行扫描亮度调制。由于所用示波管的荧光屏是长余辉的，这样当探头在试件上沿一直线移动时，在屏上可展示出沿探头扫查线所取的截面上，前表面、后表面及内部反射界面的位置、取向和深度。

C型显示系统（图3.5-12）中有一个电子深度门，门的前沿及宽度都是可调节的，探头在某一部位所接收到的回波被接纳到接收电路中去放大，但只有落在门范围之内的才能作为亮度调制信号加到示波管的栅极上，并在荧光屏上形成一亮点，亮点在屏上的位置与探头在试件上的位置是相对应的。通常，深度门被调到使前表面反射及背面反射刚被排除在外。这样，当探头在试件表面按一定的形式（螺旋形，平行线）移动以对整个试件表面扫查后，在屏上即可得到整个体积内缺陷或界面的顶视图。通过将深度门调成一个较窄的宽度，可以记录来自试件内平行扫描面的某一层中的回波而将来自其他部分的信号排除在显示之外。早期C型显示的缺点是只能检测出缺陷的长度和宽度而不能显示缺陷的埋藏深度，现改用彩色荧光屏显示，可以以不同颜色来表示埋藏深度、弥补了上述的不足。

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图3.5-12 C型显示系统框图

1—Y轴位置 2—电子束强度调制 3—电子深度门 4—同步电路 5—探头 6—X轴位置 7—放大电路 8—检查深度 9—发射电路

图3.5-13是在钛合金试件中两个夹杂物的A型、B型、C型显示以及将这三种显示组合所得到的三维显示图。

图3.5-13 钛合金试件中两个夹杂物的不同超声显示方式

3.数字式超声检测仪

数字式超声检测仪目前有数种形式。

（1）全波采样先把超声波形数字化以提取回波的整体信息，采用高速模/数转换和大容量的高速存储器来采集和存储回波的全部信息外，除能提供缺陷的当量、位置等信息，还可显示、冻结、存储和回放存储的回波波形，并对回波进行逐点分析，这为数字信号处理奠定了良好的基础。为得到好的分辨力和脉冲逼真度。全波采样法的关键参数是采样频率和荧光屏的像素数。采样频率应为信号频谱中最高频率成分的二倍以上方可使信号不致丢失或失真，否则将影响当量读数精度和影响信号处理，提高采样频率会大幅度提高仪器的成本，因此有必要在适当提高采样频率的同时采用合适的技术处理。如采用数字滤波这样的软件方法以满足要求。要得到好的分辨力，荧光屏像素在水平方向应是700或更大，在某些系统上可超过4000，参阅图3.5-14a。

图3.5-14 模/数转换采样示意图

（2）峰值采样以常规超声检测仪为基础，加上峰值保持电路、模/数转换器及存储器。用峰值检波器将脉冲信号的峰值采样后用数字形式表示，该数字可再经数/模转换以模拟量输出，而声的传播时间则可用计算器记录，回波显示仍由传统的超声检测仪完成。优点是可存储、显示、打印输出缺陷的当量和缺陷的位置等参数，运算速度快、成本较低；不足之处是仅仅取得闸门内的最高峰值，丢失了大量有用的信息，无法对回波进行信号处理，参阅图3.5-14b。

（3）模拟数字混合式兼顾了模拟与数字仪器的特点，保留了传统超声检测仪模拟显示迅速、真实、细腻的优点。

（4）人工智能仪

在这里，人工智能包括专家系统和神经网络。采用人工智能来取代检测人员对缺陷作出识别目前尚不成熟。

在使用这种仪器之前必须对其进行培训，由专家们搜集尽可能广泛的含有各种自然缺陷的试件进行检测，仪器记录各种缺陷的超声波响应；培训之后仪器就得到了超声波对缺陷的反应情况。这就等于把专家们的经验移植给了智能超声检测仪，在随后的使用中，即使是没有多少经验的检测人员也可像专家一样对缺陷作出识别，当然，这种设备也有一系列的局限性，如假定设备本身的学习能力是无限的、正确的，则在此前提下培训质量如何就是决定性因素。

计算机具有很强的运算和逻辑判断功能，但并没有创造性的思维能力，它仅仅是在设计人员设置的程序下进行工作；因此，一方面要求设计者有扎实的理论和工程基础知识及必要的实践经验，另一方面是将培训内容外推到现场碰到的其他情况，对操作人员的素质要求是高的。