工业检测超声探头的设计于选用 [兼容模式].pdf

工业检测超声波探头的设计
与选用

上海创辰检测设备有限公司
2010.10
目录

一、有关探头的专业技术标准
二、探头的技术参数
1、时间响应和频率响应
2、空间响应
3、灵敏度
4、等效阻抗
三、压电材料的发展
一、有关探头的专业技术标准
产生和检出超声脉冲的方法

⇓产生超声脉冲的方法：

⇒利用材料的压电效应

⇒电磁声换能器(EMAT)

⇒激光超声

⇒磁致伸缩
探头的技术标准

国内外关于ut探头的主要技术标准：
----前苏联ſoct23702
----英国BS4331-2
----日本DNIS2107/2108
----美国ASTME1062
----欧盟EN12668-2
----国内ZBY231（JB10062）
探头的主要技术指标

⇓时间响应和频率响应—波形和频谱特性

⇓空间响应—声场分布和指向性

⇓灵敏度

⇓等效电阻
二、探头的主要技术指标
之一
时间响应和频率响应
探头是怎样工作的？

+背衬

-晶片
-

工件

+
探头的基频(1)

当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产应产生相应的振动，
并向与之接触的介质中辐射超声能量。除非特性阻抗相等，一般总
有部分超声能量被压电晶片前后表面反射，在压电体内传向对面。
因为前后表面振动反相，当
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t=L/c=(λ/2)/c=(cT/2)/c=T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同
频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f/f=c/λ=c/2L
称基本谐振频率，或基频。
探头的基频(2)

前向表面位移
超声

０T/2Tt
压电体c,f
L

０T/2T3T/2t

后向超声
收缩膨胀收缩
探头的频率构成

1、探头的实际激发信号并不是交流信号，而是负
尖脉冲（或方波脉冲）。

2、从换能器发出的超声波不是单一频率的声波。
实际上，是一个包含多种频率成分的频带，此频
带与晶片材料、厚度、面积及阻尼有关。另外，
也与换能器电特性和仪器电路有关。
激发脉冲
探头的频谱
傅里叶变换

⇓傅里叶变换的实质是将一个信号分离为
无穷多多正弦/复指数信号的加成，也
就是说，把信号变成正弦信号相加的形
式。
信号的分离
信号的分离
探头带宽

2、我们把前述的频谱通称为探头频带宽
度——简称“带宽”。
3、对设计良好的探头，其带宽中心应为
所需探头频率，而低端和高端通常则定
义为波幅降低若干百分比(或dB)时的频
率。这方面有取值为30%(一3dB)的，
也有取值为50％(一6dB)的。
中心频率和带宽的表示

⇓根据高低频率fu和fl，中心频率f0由下
式计算：

f0=√fu*fl

⇓带宽由下式计算：

△f=fu-fl

⇓相对带宽的百分数=(△f/f0)*100%
探头频率的测量

1、简便方法（仅限窄带探头）：可用带
射频信号的超声波探伤测量3个周期的
时间，计算其中心频率。
2、近似方法：带FFT(快速傅立叶变换）
功能的示波器。
3、标准方法：超声频谱分析仪或带DFT(
离散傅立叶变换）功能的示波器。
影响频率和带宽的因素

探头频带的影响因素：

⇐晶片的材质、厚度、表面平行度和平整度

⇐阻尼大小

⇐保护膜材料和匹配层

⇐晶片粘接胶层

⇐仪器的发射电路和接收电路

⇐探头的电匹配电路

⇐电极的材料和厚度
下列测试条件影响测试结果

⇐耦合层厚度

⇐反射体位置

⇐反射体与声束的夹角
拓展探头带宽的方法

1、超声波探伤中，一般是通过在压电晶
片背面加置阻尼块或吸收块来缩短脉冲
持续时间的。阻尼块通常由环氧树脂加
钨粉制成。加在晶片背面的阻尼量就决
定了探头的分辨力。短脉冲探头只有
1～2个周数，而长脉冲探头可能有3～
5个周数。未阻尼的晶片，脉冲中可能
有12个以上周数。
2、选用低声阻抗的和高机械损耗的晶片。
带宽的极限

-6dB带宽的范围：
下限大于0%，具体与激发脉冲、
探头的机电损耗等有关。
上限值约120-150%
波形（脉冲周数）与带宽

脉冲周数多（宽脉冲）—窄带；
脉冲周数少（窄脉冲）—宽带。
灵敏度、分辨力与带宽

1、在晶片既定的情况下，通过增加阻
尼来拓展带宽，会以牺牲灵敏度为代
价。
2、提高带宽有利于提高轴向分辨力，
但会降低径向分辨力。
宽带探头的应用

主要在两个方面：
1、高分辨力，如tofd、精密测厚、微小
缺陷检测等
2、粗晶材料检测
TOFD探头（1）
TOFD探头特点
1、探头数量：不少于两个探头，一个
发射探头，一个接收探头；
2、波型：通常是纵波，使用横波探头
很复杂；
3、脉冲的长度：窄脉冲，脉冲长度不
大于2个周期；
4、高灵敏度；