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1、第32卷第1期无损探伤Vol.32No.12008年2月NDTFebruary.2008技术讲座超声相控阵技术第三部分探头和超声声场李衍(江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡214187)摘要:本部分概述超声相控阵检测中使用的探头和阵列方面的要点。关键词:相控阵技术;探头;超声声场中图分类号:TG115.28文献标识码:A文章编号:1671-4423(2008)01-24-061换能器材料件声阻抗匹配时,传输给试件的声能量达到最大值。实际应用中,有的要求用水浸法,有的要求探头与试1.1主要问题件(铝或钢等)直接接触。焊缝检验大多要求用装在上世纪70年代后期和80年代中期,大量应用
2、斜楔上的相控阵探头进行横波或纵波检测。探头楔相控阵技术遇到的一项主要技术问题是:换能器压块与试件间的声阻抗匹配可通过机械(匹配层)或电电阵列元件(简称阵元)的制造工艺和阵元之间的声子(用KLM模式细调)方法获得。绝缘。阵元间的串扰声振幅高,以及曲面晶片的切割1.2匹配层及电缆难度大,曾一度阻碍了相控阵在工业上的应用和发匹配层的关键性要求有:使机械能传输最佳,考展。常用的压电材料及其特性如表1所示。虑对脉冲宽度的影响,考虑对压电晶片的接触保护[1,7]表1常用压电材料特性(防磨损),匹配层厚度取/4。当探头与发射器和接石英钛酸钡铌酸铅[6]参数及单位收器电阻抗匹配时,电效率最高
3、。KLM模式考虑SiO2BaTiO3PbNb2O6d33(pC/N)2.319085了电子信号传输途中的所有步骤。电缆的关键性要-3求有:使电缆长度引起的增益损失最小,选用低阻抗g3310Vm/N5712.642.5d-1533g3310N/m13323943612——理想值为50,设法消除或减小电缆反射(电缆kt0.0950.380.32速度取2/3光速),机械强度高、耐弯曲、耐压力、耐k51700225偶然跌落,所有芯线能抗水,避免内部芯线扭曲。Z15.225.920Q2500241.3阻尼材料锆钛酸铅锆钛酸铅聚氟乙烯压电晶片背面的阻尼材料能增大带宽值。其关参数及单位-4
4、-5APZT-4PZT-5APVF2键特性为:对晶片表面反射返回的高幅回波有衰减d33(pC/N)28940020效应,对脉冲持续时间(脉冲宽度)有阻尼作用。g-33310Vm/N26.126.51901.4压电复合结构-15d33g3310N/m7542106003800压电复合材料是在上世纪80年代中期,主要是kt0.510.490.1k1300170011在美国研制出来的,目的是提高生物医学中超声成Z30294像分辨率。Q500803-10换能器用压电复合材料由1-3型结构组成。它压电应变常数与压电电压常数之积(d33g33)数由一系列定向均布的压电棒插在环氧树脂中构成值
5、大,可提高发射-接收能量;机械品质因数Q值(图1)。插在聚合树脂中的压电陶瓷有一维连通性小,可增大带宽,提高轴向分辨力。当探头与被检试(即朝试件单向振动),而聚合物则有三维连通性。例第1期李衍:超声相控阵技术(第三部分探头和超声声场)25如,锆钛酸铅(PZT)与不同的聚合树脂结合,所具非球面聚焦相控阵探头和形状复杂的探头,仅需简d33g33值要比单纯的多晶体材料高得多(表2)。易的切块和充填技术;在较大温度范围内特性稳定;易于改变声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数(因这些参数相关于陶瓷材料的体积率);易与声阻抗不同的材料匹配(从水到钢);可减少多重匹配层的需求;制作费用与等效
6、的多探头系统相仿;在相控阵探头窗孔(长度)范围内,可通过陶瓷体积率的变化,调节超声灵敏度。图1按史密斯理论的1-3型复合坐标图表2PZT与聚合树脂不同组合时的d33g33值1-3型PZT与树脂矩阵组合d33g33(10-15N/m)PZT+硅胶190,400PZT+Spurs环氧46,950PZT棒+聚氨脂73,100PZT棒+REN环氧23,5001-3型压电复合材料的特性可由史密斯有效介质理论模型和有限单元模型导出(图1)。基于X(1)1-3型压电复合棒直径0.45mm向相关场量应等于Y(2)向相关常量的假设,可算出图4M和Q与PZT体积率的关系压电材料的主要特性参数:纵向
7、机电耦合系数kt、纵2工业相控阵探头概述向声速v13(图2)、纵向有效特性阻抗[Z13](图3)。2.1探头类型工业上常用相控阵探头及其声束聚焦和偏转类型见表3和图5～图9。其他专用相控阵探头类型见图10～图13。表3常用典型相控阵探头声束聚焦和类型声束形状图解偏转方向环型深度-z向球形见图5图2纵波声速与陶瓷百分比的关系一维阵列深度,斜向椭圆形见图6二维矩阵深度,固定角度椭圆形见图71.5维矩阵深度,固定小角度椭圆形见图8二维拼合环型深度,固定角度球形·椭圆形见图9图5等菲涅耳面环型相控阵
