凡能将任何其他形式能量转换成超声波振动形式能量的器件均可用来发射超声波,当其具有可逆效应时又可用来接收超声波,这类元件称为超声换能器。以换能器为主要元件组装成具有一定特性的超声波发射,接收器件常称为探头。作为超声换能器,当前常采用的有压电片、电磁声器材和激光声器件,其中又以压电片的使用最为广泛。
1.压电换能器超声探头
压电换能器探头由压电片、楔块、阻尼块,接头等部分组成,有的尚有匹配线圈用来与压电片形成共振,以获得最大输出功率,典型结构如图3.5-15所示。
图3.5-15 接触型压电换能器探头典型结构示意图
1—外壳 2—环氧树脂 3—背衬材料 4—电连接 5—同轴连接器 6—压电元件 7—耐磨面板 8—塑料斜楔 9—声屏蔽
(1)压电片压电片受电信号激励可产生振动,发射声波(逆压电效应);当超声波作用于压电片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号(正压电效应)。前者为超声波的发射,后者为超声波的接收。压电片的振动频率即为探头的工件频率。为得到较高的效率,应使压电片在共振状态下工作,此时片的厚度约为1/2波长。常用压电片的材料及主要性能列于表3.5-8。
表3.5-8中的一些术语说明如下:
1)压电应变常数d33,表示当压电体处于外应力恒定的状态时,3方向(极化方向)上的应变变化(∂ξ)与3方向上所加电场强度变化(∂E)之比,这关系着晶片发射性能的好坏。
表3.5-8 超声波探头常用压电材料主要性能
①压电陶瓷数据随材料组成变化而变化,此为概略值。
2)压电电压常数g33:表示当压电体在3方向上所产生的电场强度变化(∂E)与3方向上应力变化(∂T)之比,这关系着压电体接收性能的好坏。
3)厚度振动频率常数Nt:当压电晶片的厚度等于该频率下的半波长时,压电晶片将产生共振,由此得f,ft=c/2=常数,称为该压电材料的厚度振动频率常数。
4)机电耦合系数K:压电效应是一种电能和机械能相互转化的效应,两者之间耦合的强弱用机电耦合系数K表示,其定义为
K21=电能转化的机械能/供给的电能
K22=机械能转化的电能/供给的机械能
机电耦合系数中与超声波检测有关的主要是厚向机电耦合系数Kt和径向机电耦合系数Kp;厚向机电耦合系数Kt反映晶片沿厚度方向作伸缩振动时的机电耦合效应,条件是晶片厚度t小于晶片边长或直径;径向机电耦合系数Kp反映晶片沿径向作伸缩振动时的机电耦合效应,条件是晶片直径不小于晶片厚度t的三倍。对于超声纵波检测,我们只想利用Kt、Kp的存在会使杂波增多。
5)机械品质因子Qm,压电晶片在作共振时,在一个振动周期内贮存的机械能与损耗的机械能之比称为机械品质因子,机械内耗越小Qm越大,灵敏度也越高,Qm太高时,容易使晶片产生的振动持续时间过长导致分辨力降低,在晶片背面附着阻尼块可提高分辨力。
(2)保护层压电片较脆,为使其与试件接触移动时不易损坏,对于声入射面较平滑的试件常在晶片前面粘附一层用氧化铝、蓝宝石或碳化硼制成的硬保护面板;对于粗糙的表面。则常采用厚度为零点几毫米的可更换塑料面膜。
(3)斜楔斜射声束探头前面有斜楔,压电片发出的纵波通过不同倾角的斜楔射向试件表面可产生斜射纵波,或经波型转换可在试件中相应地产生横波、瑞利波、兰姆波,斜楔一般用有机械玻璃制作。
(4)阻尼块(背衬材料)为使晶片的振动易于停止以形成窄脉冲,常在晶片背面粘附阻尼块,据此就有宽带探头(阻尼大,脉冲持续时间短,脉冲频谱宽)和窄带探头(阻尼小,脉冲持续时间长,脉冲频谱窄)之分。阻尼块亦可用来吸收晶片背面发射的声波。在斜射探头中,阻尼块可用于吸收楔内的多次反射波以降低噪声信号幅度。
由上列组元构成的几种基本接触型探头及其在宏观缺陷检测方面的应用示例列于表3.5-9。
表3.5-9 几种基本接触型超声探头的主要应用
(5)探头与超声波检测仪的连接为了较好地发挥超声波检测仪的功能,探头和仪器的频率特性必须是匹配的。此外,探头通过电缆(传输线)与仪器连接,为使信号不失真,电缆必须有一端与负载的阻抗是匹配的。而为了使传输衰减最小,仪器、电缆、探头的阻抗都应当匹配。石英等介电常数很低的高阻抗压电片制成的探头与电缆失配造成的衰减可很大,常需采用相适应的电缆,否则应该用脉冲变压器进行匹配。阻抗接近电缆阻抗的。探头可不过多考虑匹配问题,一些国产同轴电缆的参数见表3.5-10。
2.磁致伸缩换能器
铁、钴、镍之类的铁磁材料具有磁致伸缩效应或焦耳效应(Jouleeffect),即如果在用这些材料制成的杆上沿轴向施加一磁场,杆将有机械应变。应变是正还是负取决于材料的性能,例如镍为收缩(“-”)而钴为膨胀(“+”);应变的大小则与材料的物理状态及所施加磁场的强度有关,当磁场的方向反转时,应变没有相应反转,应变的方向与磁场方向无关,为了获得应变的正弦变化,需要有其值大于所加交流场的直流极化场。逆磁致伸缩效应、维拉里效应(Vmarieffect),出现在沿轴向施加一拉应力的时候,在有极化磁场的情况下会引起磁通量的相应变化,磁通量密度的变化与所加应力呈线性关系。
磁致伸缩换能器是可逆的,单一装置可用做发射器和接收器,效率相同。所受应力的幅度、声压p可用通过线圈的感应电流来测量,磁致伸缩系数(对于一给定的外磁场值,长度变化的百分数)随温度的上升而下降直至居里温度。磁致伸缩换能器有两种类型。
1)传统的间接装置,如图3.5-16所示。一般是将铁磁体做成杆状夹紧在节点处,杆上绕有两个线圈,一个在通以直流电ID时提供一极化场,另一个线圈通以所需频率、幅度为i0(小于ID)的交流电以激励正弦磁场,杆将振动送向被检试件,频率上限取决于杆的尺寸,通常激励至共振。这种类型换能器的输出和灵敏度与陶瓷压电换能器相似,但对于短试件难以获得合适的线圈绕组,最高的实用频率约为100kHz。由于结构复杂和制作费用较高,对超声波检测来说较之压电陶瓷没有什么优势,即使工作在高功率和低频率时也是如此。
表3.5-10 一些国产射频电缆的参数(www.xing528.com)
注:S—同轴射频电缆;Y—聚乙烯绝缘;V—聚乙烯护层。
图3.5-16 磁致伸缩换能器线路的基本设计
2)用线圈使超声波直接在铁磁体或其自身就是受检件的铁磁体中产生,比较适合于检测含铁的杆和线材。如图3.5-17所示,试件材料的极化可用载直流电的环绕线圈也可用强磁体来冲击,交流短脉冲以规定的时间间隔和所希望的频率通过发射线圈,它感生一脉冲纵波通过试件,此声脉冲可用一可移动的接收线圈检拾并转换成交流电脉冲,因为脉冲的持续时间较短,在试件中不会产生共振,产生兆赫级的频率是可以的。
图3.5-17 用于含铁材料兆赫级检测的磁致伸缩换能器
3.电磁声换能器(EMT)
在物理学上,任何载电流的导体在磁场中都受机械力作用(安培力)三者的方向互相垂直,可用左手定则表示(见图3.5-18a)。把通有交变电流的线圈放在导电体表面上,在交变磁场的作用下导体中将感生出涡流,如果这交变涡流又处于另一恒定磁场之中,则构成涡流回路的质点将受到安培力的作用。适当选择涡流和恒定磁场的方向就可使安培力的方向平行或垂直试件表面,从而产生超声横波或纵波,如图3.5-18b、c所示,其频率与线圈中所通交流电的频率相同。这个效应是可逆的,这就是电磁声换能器的工作原理。应该注意到,用图3.5-18b方式所产生的是水平偏振横波(SH波)而不是垂直偏振横波(SV波)。
现在电磁声换能器可以在导电试件中产生和接收兆赫级的超声纵波、横波和兰姆波;由于换能器无须与试件直接接触,可用脉冲反射法对高温(可高至900℃)下的金属棒和板进行检测,因为换能器自身没有运动部件,频率的上限仅取决于涡流线圈的设计和超声波在试件中的衰减。电磁声换能器较之压电换能器优点是无须与试件直接接触,但多方面的适应性不如后者。电磁声换能器仅限用于检测导电试件且需放置得与试件比较贴近;由于灵敏度和换能器与试件间的距离有关,常需用夹具;此外,由于其超声波转换效率低,常需使用40dB左右的前置放大器;对于远距离的检测,价格较高的激光换能器可能更为适用。
图3.5-18 电磁声换能器(EMT)的工作原理
4.激光超声波换能器
激光产生声波按激光强度和换能器与试件表面的作用分为三种情况:
1)当激光器每隔一定时间向材料的自由表面持续在时间T内发射N个脉冲时材料将得到周期性的冲击热激励,由于靠近表面材料的膨胀,并且发生的收缩被转变成机械振动,这就提供一频率为N/T的声辐射。因为材料表面是自由而不受约束的,膨胀体的相当多部分可以自由进入与材料表面相邻的空气,结果所产生的声纵波并不沿垂直材料表面的轴传播,而是如图3.5-19a所示在沿半顶角为60°的锥形中传播,横波的传播方向也在图中给出。
2)要提高在轴线上的声能,可在材料受热时约束表面凸入空气,这可在激光照射区上放玻璃条,另一种方法是将透明液体涂覆表面,这可使纵波向前传播,对于横波则有一较宽的指向性分布,如图3.5-19b所示。
3)要使轴线上的声能更强,可将一能被入射脉冲激光束烧蚀的材料放在试样表面上或用足够强度的激光束来烧蚀材料的表面,汽化给表面一脉冲力如图3.5-19c所示,这可获得最大的声能,不过此时检测已不再是无损的了。
图3.5-19 激光换能器的指向性图,空气/钢
因为激光束本身就是电磁波,因此在金属表面就会被反射,透入深度不大于标准透入深度(趋肤深度)δ,趋肤深度δ指波幅降至表面值的1/e时的深度,可表示为
式中 ω——激光束的角频率;
μ0——自由空间的磁导率(4π×10-7H/m)。
对于电导率为10MS/m,相对磁导率μr为100的钢试样,就一典型的Nd-YAG红外激光器来说,发射频率3×1014Hz时,δ为1nm量级。
激光束是非常窄的,声源的直径可以非常小(几分之一毫米),可提供一有效的点源,因而有一宽的超声束散布,可用做纵波、横波和瑞利波源。激光产生的超声波可用放在试件表面适当位置处的换能器来接收,如果允许接触应考虑采用压电的或其他方便的装置。但是,对于远距离检测,有必要采用光学接收装置,例如图3.5-20所示的迈克耳逊干涉仪,该仪器可由波长为633nm的He-Ne激光器驱动。适合于接收非常光滑表面上的低幅度纵波,对于粗糙表面的试件则可考虑采用散斑图像法。
图3.5-20 用一脉冲激光源和以单频激光器激励的迈克耳逊干涉仪进行试件超声检测的示意图
用激光器产生超声波进行检测的主要优点是非接触,快速扫查是可能的。可采用宽范围的频率,换能器无须精确取向,可检测形状复杂的试件。应用该技术可在高温和室温下测量各种材料的弹性常数和超声衰减,无缝管在高温下的在线测厚已在生产厂家得到应用。缺点包括:波幅上限比较低,除非可容许烧蚀,设备是高价的;需要高度熟练的操作人员;考虑到燃烧和眼睛损伤等潜在危险,安全预防措施是必要的。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。