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1、超声波无损检测技术工艺第二章超声换能器§2.2压电换能器§2.2.4超声检测用压电换能器的种类,结构,设计与制作工艺的考虑因素一.超声检测技术中常用压电换能器的种类在超声检测技术中应用的压电换能器是多种多样的,但最广泛应用的是厚度振动型的压电换能器(俗称探头),它受激励而产生的超声波是纵波,然后可以利用超声波的折射特性,通过适当的方法实现波型转换,把纵波转换成其他所需要的波型用于检测.此外,根据激发超声波的工作频谱,可以把探头分为宽频带(窄脉冲)探头(可窄至一周半)和窄频带脉冲探头,前者主要用于要求具有较高分辨力的超声检测,而后者则主要用于如穿透
2、法,谐振法,声振法等的超声检测.在实际应用中,最常见的是根据探头的用途和结构特点来分类,大致上有:1.普通直探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能而制成的探头,其晶片多为圆形薄片,还可分为液浸法检测用的和直接接触法用的探头2.普通斜探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能,其晶片多为圆形,方形和矩形薄片.其上配有斜楔以改变晶片受激产生的纵波在界面上的入射角,利用超声波的折射特性产生波型转换,从而在检测介质中激发出所需要的波型.它主要用于直接接触法检测,根据所激发波型的不同,可以分为:(1)横波探头:用于对工件内部及表面缺陷的横波检测,例如检测焊缝(
3、2)瑞利波（表面波）探头:用于对具有光洁表面的工件的表面缺陷检测,例如检测叶片表面裂纹(3)板波(兰姆波)探头:用于薄板检测(4)爬波探头:用于粗糙表面工件的近表面缺陷检测(5)可变角探头:可调整纵波入射角以探索适当波型超声波的激发条件以及调整超声波在被检介质中的折射角度此外还有如纵波斜探头及各种适应不同工件需要的专用探头.3.组合双晶探头:由两块晶片分别发射和接收超声波,晶片形状有两块半圆形(分割式),两块方形或两块矩形等.探头上配有延迟块,用以小范围改变纵波入射角以调节超声波进入工件的状态,而且起到延迟阻塞时间,抑制近场干扰等作用,从而显著提
4、高检测的近表面分辨力.两块晶片之间还配置了隔声层以阻隔入射界面上产生的直通波和屏蔽感应电场的干扰(即起到电声屏蔽的作用).按照产生的波型和结构形式,可以分为:(1)组合双晶直探头:包括液浸法检测与直接接触法检测应用的探头,尤其以后者为常用.全部元件组合在一个整体之内,在工件中激励的是纵波-在被检介质中是以折射纵波进行检测的。(2)组合双晶斜探头:用于直接接触法,全部元件(包括斜楔)组合在一个整体内,主要用于在工件中激励横波或瑞利波进行检测。(3)骑马式组合双晶探头:两块晶片分别安置在一个马鞍形的座块两侧,在工件中激励纵波,同时也兼有横波与瑞利波成
5、分,可进行综合波型检测,特别适合于小直径棒材的检测4.聚焦探头:利用声透镜原理或直接烧结而成的曲面形压电晶片,使激励的超声波束能汇聚成细长(或扁长)形状,有利于声能高度集中,从而明显提高穿透性,指向性和分辨率以及信噪比。聚焦探头的种类很多,主要有:(1)接触法聚焦直探头(2)液浸法聚焦直探头(3)接触法聚焦斜探头(4)接触法组合双晶聚焦斜探头(5)接触法可变角聚焦斜探头(6)阵列聚焦探头......等等此外,根据聚焦声束的形状,又可将聚焦探头分为点聚焦,线聚焦,以及特殊的长焦柱等类型.5.其他特殊(专用)探头:随着工业生产的发展,为适应各种不同工
6、件的检测需要,还发展了许多特种探头,它们各自有其特殊的应用场合,如:(1)超声测厚探头:包括常温,中温,高温状态下使用的,接触法或液浸法使用的,不同分辨率的各种测厚探头(2)轮式超声探头:可用于自动或半自动的钢板检测等(3)检测铁路钢轨的超声探头(4)检测工件内孔的超声探头:深入工件孔内进行检测(5)从轴类、螺栓等端面进行检测的小角度纵波斜入射探头(6)用于高温条件下检测的超声探头(7)冲击波探头:产生冲击波进行检测(8)用于特殊部位的反射镜式探头:利用声反射镜改变超声束的投射方向(9)电磁超声探头(10)混凝土检测用探头(11)窄脉冲(高阻尼)
7、探头:可获得特别高的分辨力(12)与计算机配合的相控阵探头或动态聚焦阵列探头(13)可变焦距的阵列探头......等等。随着科学技术水平的不断提高,为适应工业生产应用需求的超声探头品种还将日益增多,例如国外已出现将前置放大器组合到探头内以提高检测信号的输出能量,用于长距离检测,以及适应数字化检测需要等,而且也必然还会有更多更好的专用或特殊应用的超声探头出现.图2.20普通直探头基本结构示意图二.常见的超声检测换能器1.普通直探头:普通直探头俗称平探头或平直探头，其基本结构如图2.20所示.(1)压电晶片:压电晶片的功能是发射与接收超声波,它是以厚
8、度振动模式振动,激发出纵波.在设计探头时,除了考虑选择适当的压电材料外,还要考虑到压电晶片的尺寸与下述因素有关:谐振频率:在谐振状态下可
