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徐海洋超声波检测技术学习笔记（十四)
第14讲：超声检测仪器与探头核心技术
本节课程深入探讨了超声检测仪器的电噪声、性能指标、技术性能、操作方法以及超声波探头的种类、工作原理与规格型号书写，是构建有效检测系统的关键知识。
核心内容解析
仪器电噪声与关键指标
基础
电噪声影响仪器核心性能，灵敏度余量是关键衡量指标。
- 电噪声来源：电子元器件发热、电路板传输线与屏蔽耦合、环境温度及布局不合理。
- 重点考量：直流供电（电池）状态下的电噪声电平信号幅度。
- 灵敏度余量：衡量仪器发现规定缺陷能力的重要指标，即衰减器的剩余读数（DB）。
- 标准附录A：规定了预热稳定性、发射脉冲、接收器性能等多项电气指标，不合格将影响时基线、动态范围等五项核心指标。
仪器技术性能与校准
应用
技术性能决定仪器能否对特定工件实施检测，校准是前提。
- 核心能力：对扫描基线进行校准、对探头技术指标进行测试。
- 校准必要性：为缺陷准确定位（如埋藏深度）提供“尺子”。
- 现实挑战：许多工件（如直缝焊管、筒形锻件）探伤缺乏标准校准试块，导致检测系统无法调整。
- 操作规律：任何检测方法都必须进行扫描基线校准、检测范围、闸门宽度、回波幅度调整。
数字仪器操作方法
操作
掌握屏幕分区与核心按键功能是快速上手不同型号仪器的关键。
- 功能区：存储不同检测方法的操作程序（如横波曲线法：扫描基线校准→探头K值前沿测试→距离波幅曲线制作）。
- 核心按键：DB键、闸门键、压缩键、回车键使用频率最高。
- 辅助功能区：显示电量、灵敏度余量、探头类型（单/双晶）等。
超声波探头原理与种类
核心器件
探头是将电能与声能相互转换的换能器，其种类繁多，选择直接影响缺陷检出。
- 工作原理：压电晶片在斜楔中倾斜入射，随入射角变化，工件中折射出不同波形（纵波、横波、表面波等）。
- 六大波形系列：零度纵波、小角度纵波、大角度纵波、爬波、横波、表面波，对应不同探头。
- 外观与曲率：平面、外圆轴向/周向曲率、内圆周向曲率、聚焦（点/线）、带棒式、轮式等，以适应不同工件耦合。
- 耦合剂：形成“薄层界面”，其厚度与均匀度影响声能传递。
探头规格型号书写规范
规范
正确书写探头规格型号是确保采购准确与检测有效的基础。
- 通用顺序：频率 + 晶片材质 + 晶片几何尺寸 + 关键参数（角度、K值、曲率半径等）。
- 纵波直探头：例：2.5PФ20 0° (2.5兆赫兹，锆钛酸铅材质，直径20mm，0度)。
- 纵波双晶直探头：增加F值（汇聚深度），例：5PΦ10F5。
- 横波斜探头：注明K值或折射角，例：2.5P13×13K2。
- 带曲率探头：需注明曲率半径与方向（轴向/周向），例：5P9×9K2.5 R54 外圆周向。
关键应用与选择原则
实践
根据工件特性与检测目标，匹配正确的探头类型至关重要。
- 纵波双晶直探头：主要用于检测厚度<45mm板材/锻件的近表面及分层缺陷。
- 小角度纵波斜探头：用于螺栓、轴类、多层包扎容器环缝。
- 大角度纵波斜探头：用于奥氏体不锈钢等粗晶材料焊缝。
- 爬波探头：用于检测表面粗糙工件的表面/近表面裂纹。
- 曲率选择：平面探头用于曲率较大工件（轴向>600mm，周向>2400mm）；否则需选用带匹配曲率的探头。
- 聚焦探头：价格昂贵，用于特定需求如裂纹自身高度测量。
核心要点：有效的超声检测依赖于性能合格的仪器、正确校准的检测系统以及与工件完美匹配的探头。检测人员必须深入理解仪器指标、掌握操作逻辑，并能够根据工件实际情况准确选择和书写探头规格，这是确保缺陷检出率与检测结果可靠性的根本。
围绕超声仪器及探头相关知识展开，涵盖仪器电噪声、灵敏度余量、性能指标要求，数字超声检测仪操作方法，以及超声波探头种类、原理、规格型号等内容，旨在提升探伤人员对仪器和探头的认识与应用能力。内容如下：
超声仪器电噪声与灵敏度余量
电噪声产生原因
电子元器件发热：仪器开机使用一段时间后，内部电子元器件产生热量，会产生一定的噪声信号。
耦合噪声：仪器内部电路板、传输线及屏蔽状态产生的耦合噪声，受环境温度和布局影响，在高温和布局不合理时会产生噪声。
灵敏度余量定义：灵敏度余量是衡量不同频率、不同晶片尺寸单晶纵波直探头发现规定深度、规定尺寸缺陷时，探伤仪衰减器的剩余读数，以剩余读数大小衡量超声波探伤仪的灵敏度。例如探伤工件确定检测灵敏度后，衰减器剩余的可调整 DB 数就是灵敏度余量。
超声检测仪性能指标要求
附录 a 指标内容：47013 标准23版的附录 a 规定了超声检测仪电器性能指标要求，包括预热后的稳定状态显示抖动、相对于电源电压变化的稳定性、有效输出阻抗、发射脉冲电压反射等多项指标。
指标不合格影响：若附录 a 要求的项目不合格，仪器的时基线幅度、时基线性幅度、线性动态范围、电噪声、电平以及增益等五项指标将无法测量，因此不同标准对超声仪器的检定项目都包含这些关键指标。
数字超声检测仪操作方法
屏幕显示内容
参数区：屏幕左侧显示声数坐标、圆弧半径、探头迁移等参数，多项参数在探伤过程中参与运算，探伤前需逐项修改。
显示区：屏幕中间方格区域，反射回波在此区域出现。
功能区：显示区下方有基线校准等提示，存储各种检测方法实施前仪器与探头调整和测试的操作程序。
辅助功能区：显示区上方有电量显示、灵敏度余量、功能窗、单双探头转换等内容，电量显示提醒电池剩余电量和可工作时间，灵敏度余量提醒衰减器可调整 DB 数，探头符号显示工作模式。
参数修改方法：参数修改或输入通过键盘中的上下左右键、回车键及其他控制键配合进行，如调衰减器需先按 DB 键。要掌握仪器使用方法，需清楚技术参数、参数区位置及修改方法。
检测方法操作程序：不同型号仪器具备不同检测方法，以横波曲线法检测为例，操作步骤包括扫描基线校准、探头 k 值与前沿测试、距离波幅曲线制作、确定检测范围和检测灵敏度。扫描基线校准是超声波探伤第一步，用于缺陷定位；探头 k 值与前沿是实测值，无法通过校准改变。
常用键位使用：不同型号仪器操作键盘键位布置不同，但 DB 键、闸门键、压缩键、回车键使用频率最高，掌握这些键位位置和功能转换方法，基本可掌握数字超声波检测仪使用方法。
超声波探头相关知识
探头作用与种类
作用：超声波探头是将电能转换成声能，再将声能转换成电能的换能器，是超声检测的关键器件。
种类：根据纵波入射角不同，可折射出零度纵波、小角度纵波、大角度纵波、爬波、横波、表面波，利用这些波形可制作六种系列超声波探头，此外还有纵波双晶直探头、各种曲率的斜探头、聚焦探头、带棒探头、轮式探头等，探头种类繁多。
探头工作原理
斜探头原理：压电晶片粘在斜楔上，超声波在斜楔内倾斜入射到被检工件，随着纵波入射角变化，工件中折射出不同波形。如纵波入射角为 0 度时，工件中只有垂直纵波；入射角在不同范围时，分别出现折射纵波和横波，且纵波和横波能量随入射角变化。
纵波双晶直探头原理：形成菱形声场，但声场长度过长时声能量弱，无法满足检测灵敏度要求，且盲区增大，因此检测厚度不宜超过 45 毫米。
探头规格型号书写
纵波单晶直探头：型号组成及排列顺序为频率、晶片材质、镜片几何尺寸、角度，如 2.5 P Ф 20 0 度，表示频率 2.5 兆赫兹，压电晶片材质为锆钛酸铅，镜片尺寸 Ф 20，角度 0 度。
纵波双晶直探头：型号为频率加镜片尺寸加镜片几何尺寸加 f 值（汇聚深度），如 5 1 Ф 10 F5，表示频率 5 兆赫兹，镜片材质为硅酸纤，镜片几何尺寸 Ф 10，汇聚深度 5 毫米。
小角度纵波斜探头：规格型号排列顺序是频率、晶片材质、镜片几何尺寸、纵波折射角，如 5 P Ф 14 Beta l 13.15 度，表示频率 5 兆赫兹，压电晶片材质为锆钛酸铅，镜片几何尺寸 Ф 14，纵波折射角度 13.15 度。
大角度纵波斜探头：用于检测奥氏体、不锈钢等粗晶材料焊缝，型号排列顺序与小角度纵波斜探头相同。
爬波斜探头：用于检测表面粗糙工件的表面与近表面裂纹缺陷，型号组成及排列顺序为频率、晶片材质、镜片几何尺寸，如 2.5 P 13×13 DB。
单面单晶平面横波斜探头：用于检测轴向曲率大于 600 毫米、周向曲率大于 2400 毫米的零件及平面零件，型号排列顺序为频率、晶片材质、晶片几何尺寸、配置，如 2.5 7 13×13 配 2。
外圆轴向曲率横波斜探头：用于焊伤直径小于 600 毫米的钢管、对接焊缝等，型号组成包括频率、镜面材质、镜面几何尺寸、垂直曲率、半径、曲率方向，如 5 P 9×9 K2.5 R54（外圆轴向曲率）。
外圆周向曲率的横波斜探头：用于检测外径小于 2400 毫米容器上的纵缝等纵向缺陷，型号排列顺序为频率、镜片尺寸、镜片材质、镜片几何尺寸、k 值、曲率半径、曲率方向，如 5 P 9×9 K2.5 R544（外圆周向曲率）。
耦合剂相关问题
耦合剂作用：超声检测时，探头与被检工件之间涂耦合剂，目的是保证探头与工件之间声能的传递效果，通过耦合剂形成的离子界面和离子包层，其反射率与透射率对超声检测灵敏度有影响。
耦合要求：薄层的厚度与均匀度直接影响声压透射率与反射率，因此要求超声探头与被检工件具有相同或相近的曲率，探伤时通过探头与工件曲率控制耦合层的厚度与均匀度。
