有关超声波探伤的毕业设计

第一篇：有关超声波探伤的毕业设计

辽宁科技大学信息技术学院 毕业设计(论文)撰写规范

辽宁科技大学信息技术学院教务处制

基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计

目 录

摘要.....................................................错误！未指定书签。Abstract.................................................错误！未指定书签。第1章 绪论...............................................................1 第2章 企业文化的内涵.....................................................9 2.1 文化和企业的定义..................................................9 2.1.1 企业组织的法律形态.............................错误！未定义书签。第3章 企业文化对组织创新的影响...........................................6 3.1 组织创新的内容....................................................7 3.2 企业文化对组织创新的影响..........................................8 3.2.1 影响组织结构创新................................................9 3.2.2 影响组织流程创新...............................................10 3.2.3 组织制度创新...................................................11 第三章 结论..............................................................12 致谢.....................................................................12 参考文献.................................................................13 附录.....................................................................13

基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计

基于单片机和虚拟仪器技术的超声波探伤仪的设计

摘要

本文利用单片机技术和LabvIEW技术实现超声波探伤仪的设计，本系统主要包括基于单片机的超声波探伤仪的硬件设计和软件设计以及基于LabVIEW的上位机的设计。本文所设计的超声波探伤仪的下位机以单片机为控制核心，并搭载超声波采集和发生信号电路，通过串口传输到上位机上，上位机以LabVIEW为软件平台，开发了超声波探伤仪的上位机程序。

关键词：超声波；单片机；LabVIEW；探伤仪

基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计

英文论文题目

Abstract In this paper, the use of chip technology and LabvIEW technology ultrasonic flaw detector design, the system includes LabVIEW design and software design and PC-based design of microcontroller-based ultrasonic flaw detector hardware.This article is designed ultrasonic flaw of the next crew to the microcontroller core, and equipped with an ultrasonic signal acquisition and generation circuits, serial transmission to the host computer, the PC with LabVIEW software platform developed ultrasonic flaw detector PC program.Key Words: Ultrasound,SCM, LabVIEW, flaw

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第1章 绪论

2.1 研究背景

随着社会的发展、科技的进步以及现代检测水平的逐步提高，各种方便于检测的系统开始进入了工业检测。随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。

由于超声波无损探伤设备在不同的应用场合，其对探头的要求不同，对接收的回波信号的处理算法也不同，因此某一类的无损探伤设备，通常只能适应于一种或几种应用场合。为使超声波探伤设备具有更好的应用范围、更高的处理算法和更快的更新周期，可采用虚拟式超声波无损探伤设备。虚拟超声探伤系统是利用计算机显示器的功能来模拟传统探伤仪的控制面板，以多种形式输出检测结果，利用软件功能来实现数字信号的运算、分析和处理。利用输入输出(I/O)接口设备完成信号的采集、测量与调试，从而完成各种测试功能的超声无损探伤系统。该系统是虚拟仪器技术与传统超声探伤系统相结合的产物。在设计虚拟数字超声系统时，结合传统超声探伤系统中模拟通道的设计，因为任何一个超声探伤系统都必须包括超声波的发射电路、接收电路和信号调理电路才能进一步进行后续的处理工作，这些电路的设计将直接影响到整个超声探伤系统工作的可靠性和测试精度。

2.2 研究意义

在无损检测过程中不但要完成是否存在缺陷的判断，而且要实现一些工艺参数的测量，进而对被检测的材料或工件进行性能的评估。对于超声检测而言，其应用中的硬件电路具有很大的相似性，因而如何灵活、准确的从通过介质的超声波中提取包含被检测物体特征的信号成为关键，它对系统的数字信号处理能力和灵活性提出了很高的要求。数字化的超声检测仪采用了单片机或者DSP作为数据处理单元，可以实现一定的数据处理能力，但其硬件或固化的软件的开发形式缺

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乏灵活性，不利于用户二次开发升级。随着科学技术的不断进步，虚拟仪器应运而生并得到了广泛的应用，利用虚拟技术可以充分发挥计算机的处理和分析的功能，把数据采集和发送放在单片机内进行，数据的处理和分析放在计算机内进行，分工明确同步进行，可以加快开发周期，降低设计风险和成本。

2.3 超声波检测技术的发展现状

高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。

五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。

1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速

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发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便携式超声仪。

1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。

超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。

超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。

八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境 6

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噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。

2.4 研究内容和论文安排

本论文主要研究基于单片机和虚拟仪器技术的超声波探伤仪的设计和应用。主要介绍超声波探伤仪的原理、结构组成、单片机的硬件设计和软件设计以及

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LabVIEW的上位机设计。

第一章 绪论 主要介绍了超声波探伤仪的发展状况，以及目前的现状和前景。

第二章超声波探伤仪的系统结构 主要介绍了超声波探伤仪的原理方法、系统结构、系统实现和开发环境等

第三章 基于单片机的探伤仪的设计 主要介绍系统各组成单元方案设计(包括发射接收电路设计报警电路设计、晶振电路设计、复位电路设计等)。并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。

第四章 基于LabVIEW的探伤仪的上位机设计 主要介绍LabVIEW的上位机的组成和各个模块的详细功能。

第五章 结论 对本设计进行详细地总结。

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第2章 超声波探伤仪的系统结构

2.1 超声波探伤的原理和方法

超声波在被检材料（金属、非金属）中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探测其内部各种缺陷（如裂纹、气泡、夹杂物等）的大小，形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门，已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声探伤按其方法和目的可分为如下诸种：

一、脉冲反射法

把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波，这种探伤方法称为脉冲反射法。它是超声探伤中最基本的方法。在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法；根据探头个数和作用可分为单探头法和双探头法；根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。

二、穿透法

利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法称为穿透法。穿透法有连续波穿透法，脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件；由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料；探伤图形直观，只要定好检查标准就可以进行作业；易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探测灵敏度一般比反射法低，难以检查较小缺陷。

三、共振法

把频率连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、9

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容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中的分层和进行材质判定。

四、声阻法

声阻法是利用被测物件的振动特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测的一种无损检测法。它多用于检测物体表面的成层情况，例如用来检查基体材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作频率范围一般都较低（如几千赫兹）。用这种方法工作时，把探头和被测件直接接触，使被测件和探头结合在一起构成一个共振体，探头一方面是振动源，同时也是检测部件，当被测件的有效厚度不同时（例如，若膜片未粘上，则有效厚度仅为膜片的厚度，若已完好的粘接上，则有效厚度包括膜片和基体材料的厚度），该共振体频率特性就不同，从而可根据其频率特性来判定膜片在某个小区域的粘接情况。

2.2 系统结构

虚拟超声探伤系统的总体结构如图3.1所示。该系统以AT89C52单片机为核心控制器件，主要由主机控制、发射电路、信号调理电路、探头、上位机显示等部分组成。数据采集由AT89C82单片机结合LabVIEW串口通讯函数完成,然后结LabVIEW应用软件进行探伤系统的面板设计和部分功能的设计，对数据进行运算、分析和处理，对测试结果进行显示。

2.3 LabVIEW开发环境

2.3.1 LabVIEW简介

LabVIEW是美国国家仪器（National Instruments，NI）公司开发的一种图形化编程语言（通常称为G语言），它的全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，即实验室虚拟仪器集成环境。LabVIEW并不像一般传统的文本编程语言，它基本上不用写程序代码，而是用图标、连线构成程序框图，类似于一个搭积木的过程。这种易于识别的LabVIEW图形符号，使得使用者不必像学习其他语言一样，花费过多的时间去了解编程语法等基础知识，因而即使只有很少编程经验的人也能很快学会LabVIEW的基本操作。

LabVIEW中术语、图标和概念都是工程师们所熟知的，因此被工程师看作为 10

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标准的工业开发环境。它不仅具有图形化编程方式专有的灵活性和直观性，它还专门为测试、测量与自动化控制应用设计进行了方便的配置，因此被广泛应用于数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等等领域。

LabVIEW和虚拟仪器有着紧密的联系，虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统的仪器技术不同，虚拟仪器技术是指在包含数据采集设备的通用的计算机平台上，根据需求可以高效率的构建形形色色的测量系统。在LabVIEW中开发的程序也被称为虚拟仪器，所有的虚拟仪器都包括了前面板和程序框图两部分。

LabVIEW代码直观，简单易用，但在功能完整性和应用灵活性上不亚于任何一种高级语言。它同样定义了数据类型、结构类型和模块调用规则等一般编程语言的基本要素，使用者完全可以用它来设计专业的、功能强大的程序。LabVIEW不仅提供了遵从GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCPIP、ActivX等软件标准的库函数。利用它结合NI公司的其他硬件，用户可以很方便地建立自己的虚拟仪器。LabVIEW软件可以广泛应用于各种台式、移动、工业级计算机和嵌入式系统中，以其强大的图形化编程界面为工程师和科学家提供直观的编程语言。虚拟仪器可以应用了多种领域，是因为他可以与多种物理控制和采集单元连接，于此同时虚拟仪器必须应用到计算机的控制，用于虚拟仪器的软件也是虚拟仪器设计的关键。LabVIEW是面向设计、控制与测试的LabVIEW图形化开发平台，被广泛应用于嵌入式设计与原型构造、工业监控、自动化测试测量、滤波器设计/DSP、高级控制、HMI/SCADA、数据记录与NVH通信测试系统、原型构造、工业控制（PID）机器视觉与运动等领域。LabVIEW可以在计算机/硬件终端使用例如台式机、工控机、移动设备和嵌入式设备。

2.3.2 LabVIEW特点

LabVIEW平台的特点可归结为以下几个方面：

基于图形化的编程方式，其编程十分简洁方便，是真正的工程师的语言； 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数；

提供传统的程序调试手段，如单步执行、设置断点，同时提供设置探针、显示数据流动画等独具特色的调试方法；

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继承传统编程语言结构化和模块化的优点，这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的；

囊括了PCI, GPIB, PXI, VXI, RS232/485, USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器；

提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等；

具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测量仪器的开发。12

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第3章 基于单片机的超声波探伤仪的设计

3.1 AT89C52单片机

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。EA端接+5v电源选中内部存储器。

单片机单元电路连接图如图3.2所示：

图3.2 单片机单元电路

3.1.1时钟电路

计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单

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片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作。单片机内部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。因此选择了内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图3.2所示，外接晶振时，C17和C16值通常选择为30PF左右。C17，C16对频率有微调作用。晶体的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。

3.1.2 复位电路

由图3.2可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。

3.2发射电路

超声波的发射电路是脉冲回波法超声探伤仪的关键部分，对于超声探伤系统的性能具有很大的影响。发射电路通常有调谐式和非调谐式两种。调谐式电路中有调谐线圈，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。非调谐式电路发射一尖峰脉冲，脉冲的频带较宽，可以适应不同频带范围的探头，此时发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定。本设计采用非调谐式发射电路。

发射电路在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高压脉冲信号。图3-2为其原理图。图3.3中输入端为超声波发射的控制信号，由主机单元产生，是宽度为500 n s、重复频率为200 Hz 的脉冲信号。经三极管Q1、Q2、Q3 驱动后送到Q4 的控制极，该设计选用双向晶闸管BTl36-600，该晶闸管具有600 V的反向峰值电压和4 A的额定平均电流。Q 4 漏极经R6 接高压Vch。在常用的超声检测系统中，Vch电压在数十伏至几百伏的范围内，为充分激发探头的压电性能，本设计中采用600v高压直流电源。当Q

基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计 截止时, 电容器C4在600V电源的作用下, 经R6充电到600V；当Q4导通时, C4经Q4，R7放电, 在R8上产生激励探头的高压。可变电阻R8为10kΩ决定了电路的阻尼情况，可以通过改变R8的阻值来改变发射的强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器的分辨力低，适合探测厚度大，对分辨率力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力要求较高时予以采用。

图3.3 发射电路

3.3信号调理电路

3.3.1 限幅单元

当检测范围很大时，深度缺陷或底波的反射波信号很微弱，因此在处理之前需要进行高增益放大处理。而由于探头是收发一体的，发射信号很强，它同时作用于接收电路，而且在实现的测试过程中，有可能加进强干扰，因此为保护放大电路不致损坏，使放大电路能处于线性的动态范围，需要在放大之前接收信号进行限幅，限幅电路如图3.4所示。图中电阻R9相对于发射电路中的可调电阻R8要足够大，选取阻值50KΩ，用以消除接收电路对发射电路产生负载效应。选用具有较大正向电流的二极管(如2K61701)D2和D3构成双向限幅电路，防止发射电路中的高压脉冲进入到后端接收电路中，这样限幅电路的输出在士0.7 V左右，可以达到该电路的预期效果。

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图3.4 超声波限幅电路

3.3.2衰减放大电路

限幅之后，便是放大电路，为了能够测量幅度的变化值，在回波信号进入放大器之前，先经过已校准的衰减器，以便于对信号幅度定量调节，以适应不同的信号范围。该设计选AD(ANALOG DEVICES)公司推出的压控增益放大器AD603进行程控增益放大电路模块的设计。AD603具有线性分贝、低噪声、宽频带、高增益精度以及增益控制灵活等特点，其高达50 MΩ的阻抗能够保证信号充分加载到后级电路中。AD603程控增益原理图如图3.5所示，其管脚说明如表3-1所示。

表3-1 AD603管脚说明

AD603提供精确的、可由管脚选择的增益，且其增益线性可变，而且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，增益变化范围40 dB，增益控制转换比例25 mV/dB，相应 16

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速度为40 dB，变化范围所需时间小于1μs。如图3.5所示，AD603内部包含一个七级R一2R梯形网络组成0~-40dB的可变衰减器和一个固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。AD603的这种可变增益功能是其他运算放大器所不能比拟的。

图3.5 AD603增益控制原理

超声回波信号由VINP进入衰减器衰减后，再通过定增益放大器放大。衰减器的增益控制由控制电压VG完成，VG是差动输入的增益控制电压，即GPOS与GNEG之差，范围是-0.5～+0.5 V。定增益放大器的增益可以通过外接不同反馈网络的方式改变，以选择AD603不同的增益变化范围。

(1)当 AD603 输出端VOUT与反馈端FDBK短接时，Gain(dB)=40VG+10；此时增益范围为-10～+30 dB，带宽为90 MHz。

(2)当AD603输出端VOUT与反馈端FDBK接上反馈电阻时，Gain(dB)=40VG+20；此时增益范围为0～+40 dB，带宽为30 MHz。

（3)当反馈端FDBK接地时，Gain(dB)=40VG+30；此时增益范围为10～50 dB，带宽为9 MHz。

由此可见，AD603的增益控制是相当灵活的。在实际的使用过程中，可以将多片AD603串联来实现更大的放大和动态范围控制。本设计使用了两片AD603串联使用作为自动增益放大。缓冲放大器如图3.6所示：

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图3.6 缓冲放大电路（两级串联）

如图3.6所示，在设计中将输出端VOUT和反馈端FDBK之间用电位器R13连接，可以灵活地选择增益范围。通过调节电位器R14，可以调整GPOS与GNEG间的电压在0～0.5 V之间，如果将电位器R13的阻值调至0，则使得放大器的增益变化范围是10～30 dB。

3.3.3缓冲检波电路

AD810是低功耗、视频运算放大器, 具有高速度(转换速率为1 kV/µs)、宽频带(80MHz, 3dB, G=1)、失真小(微分增益误差0.02% , 微分相位误差0.04°)、低噪声(输入噪声2.9nV/(Hz))等特点, 是超声波缓冲放大器的理想选择。美国TI公司的11LH033也是缓冲器, 其输入阻抗达10 , 宽频带(DC～100MHz), 输出电阻为6Ω, 转12换速率高(1 kV/µs), 而且跟随范围大。

缓冲检波电路如图3.7所示。检波前的缓冲由AD810构成,它是一个同相放大器, 其高输入阻抗(100MΩ)保证了AD603 的衰减精度。检波后的缓冲由LH033 和AD810 两部分组成。AD810是一个同相放大器,其输入除了接收LH033 的输出外, 还有一个由-5V电源产生的直流偏移电压, 其作用是调节噪声对显示基线的影响 18

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图3.7 缓冲检波电路

用AD8036 作为全波整流。AD8036 本来是一个前位放大器，具有卓越的前位性能，表现在: 精度高(3 mV), 恢复时间短(1.5 ns)，非线性范围小，宽频带(DC～ 240MHz)，钳位输入范围宽(±3.9 V)。AD8036 作为增益为1 的反相放大器, 输入送到反相输入端V，同时也送到低电平钳位端VL，高电平钳位端悬空, 不起作用。它能工作到20MHz, 由于AD8036不像二极管检波那样从正向偏置迅速切换到反向偏置, 它的非线性失真比二极管检波要显著减小，尤其是高频段。在输入信号只有40 mV 时,AD8036仍能线性检波。

3.3.4 A/D转换电路

ADC0809是一种8位逐次逼近式的A/D转换器。其由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制内部电路的工作，START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器，把转换后的结果送到DB．AT89C52与ADC0809的连接如图3.8所 19

电路如图3.9所示： 3.3.5串行传输电路 的数字量输出到数据总线上。

基于单片机和虚拟仪器技术的超声探测仪的设计

图 3.8 ADC0809与AT89C52的接口电路图

为高电平，结果数据已存入锁存器。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果路进行分频。同时，ADC0809有3种工作方式：查询方式、中断方式和等待方式。不同译码选通8路模拟输入之一到比较器；START上升沿将逐次逼近寄存器复位；下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变的工作方式采用的硬件电路也有所区别，这里采用最简单的等待方式来实现A/D转换。

测量仪采用了常用的RS232以及MAX232芯片来实现串行传输，其与单片机的接口ADC0809的时钟由单片机提供，经由ALE取得，如果信号频率过高，可采用分频电工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中；此地址经

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图3.9 串口传输电路

3.4 600V电源电路

此600V电源加在发射电路中的Vch端。在常用的超声检测系统中，VH电压在数十伏至几百伏的范围内。为充分激发探头的压电性能，采用了600 V的高压直流电源模块。高电压升压电源电路:交流220V转直流600V电源电路如图3-10 所示：

图3.10 交流220v转600v直流电源

规格：

输入电压= 220V±10% 50/60Hz 输出电压= 0-600Vdc 0.25A 开关频率：70-100kHz 电压检测电压等级限制FAN7554数据是1.5V。

3.5 5V电源电路、3.5.1 +5V电源产生电路

此+5v电源为硬件电路图中的各种器件提供电源电压，如图3-11所示，为+5v电源产生电路：

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图3.11 5v电源产生电路

规格：

输入电压= 220V±10% 50/60Hz 输出电压= 0-5600Vdc 0.25A 开关频率：70-100kHz 3.5.2-5V电源产生电路

此-5v电源产生的直流偏移电压加在缓冲检波电路中，其作用是调节噪声对显示基线的影响。如图3-12所示，为-5v电源产生电路：

图3.12-5v电源产生电路

3.6 系统的软件设计

基于单片机的超声波探测的软件设计主要包括系统初始化、超声波发出信号、超声波采集、A/D转换、信号处理、串口通信。基于单片机的超声波探测仪的系统流程图如图所示。经过以上软件的处理就能把基于单片机的超声波探测仪采集到的探伤信号通过 22

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串口传送到计算机中，利用计算机中的探伤处理软件获取探伤信息。

系统初始化D/A转换超声波发出信号超声波采集信号

D/A转换信号处理串口发送

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第4章 LabVIEW上位机设计

4．1程序结构

超声波探伤系统是基于LabVIEW编写，主要实现超声波数据的采集、处理、分析、显示和存储。超声波信号通过基于单片机的超声波探伤系统，通过串口传输到计算机中。在计算机中利用LabVIEW实现超声波探伤的检测。在本系统中为了增加软件的操作权限，本设计还增加了用户登录功能，只有相应权限的操作者使用相应的密码才能登录系统，对系统进行操作。整个系统主要包括系统初始化、用户登录、串口通信、信号显示、信号比较、探伤显示和信号保存，整个系统的流程如图8所示。

系统初始化用户登录信号采集信号处理伤痕？伤痕分析伤痕位置和程度保存？数据保存 图 8 流程图

4．2程序界面

超声波探伤系统的界面如图9所示，可见利用LabVIEW开发的系统界面具有良好的

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人机交互界面，非常美观。以用LabVIEW创建超声波探伤系统没有使用一个代码，所有的控件都是通过拖动的形式进行创建的，这样既能简单方便的创建人机交互界面，又能降低难度。从图9中可以直观的看出界面主要分为信号显示区、报警区、数据保存区和系统操作界面区。每一区都具有自己响应的功能，不同区的作用在下面进行详细的介绍。

图 9 系统界面

信号显示区如图10所示，主要是实现超声波波形的显示曲线，此外在界面还有波形的实时显示控件，显示实时振幅。这些数据的采集和显示，都只是通过控件对应的面板的变量实现的，并没有通过一句代码，所有的数据操作都是通过连线的方式进行的。

图 10系统显示

探伤线束区如图11所示，主要包括探伤位置的显示和伤痕幅度的显示。

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图11系统报警

数据保存区如图12所示，主要包括保存路径和保存确定按钮，在确定要保存数据时确定需要保存的路径，点击保存按钮系统就会把采集到的数据自动保存在txt文档中。

图12 系统保存

系统操作区如图13所示，主要包括登录和系统退出按钮，系统登录时需要选择用户名和输入密码，只有两者正确才能进入界面。

图13 系统操作

4．5系统软件

超声波探伤系统的系统软件如图14所示，LabVIEW是图形化的语言，他把代码转化为图形化的控件函数，可以明了直观的为编程人员提高编程环境。利用LabVIEW进行系统的编程，可以简单直观地在程序面板中添加系统需要的函数，这样可以轻松地创建程序结构。超声波探伤系统的程序后面板部分就是实现用户界面中系统设置、信号显示系统和系统按键的操作的控制。为了实现各个按键的控制，超声波探伤系统的按键控制部 26

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分采用了事件结构。

LabVIEW的事件结构在一定程度上提高了CPU的效率，但是事件结构具有三大黄金法则，时间结构必须放在循环结构中，事件结构外的循环必须有单独的结束操作，事件结构内不能放置循环结构。但是本系统具有数据采集功能，而数据的采集必须放置在循环结构中。为了发挥事件结构的优点和避免在事件结构中放置循环结构，本论文设计的电化学测控系统采用了基于事件结构的生产者消费者循环结构，系统的软件框图如图14所示。这样既保留了使用事件结构的优点，也能够使用循环结构采集数据。软件框图

从图中可以看出基于LabVIEW设计的超声波探伤系统的程序框图是图形话的编程语言，它主要包括事件的捕捉和事件的处理。在此程序中主要是响应登陆按钮的事件，当登陆按钮按下时，系统就会在事件结构中捕捉到按钮的按下。当登陆安妮按下时，登陆对话框就会弹出，此时需要在登陆对话框中选择登陆名和密码，若选择的用户名与系统设置的密码对应起来，系统就会登陆成功，系统登陆后就会通过基于消费者生产者循环的结构发出登陆的消息，消息经过系统的判断就会如系统的数据的采集、处理、分析、27

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操作和数据的显示以及数据的保存。

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结论

本本文利用单片机技术和LabvIEW技术实现超声波探伤仪的设计，本系统主要包括基于单片机的超声波探伤仪的硬件设计和软件设计以及基于LabVIEW的上位机的设计。本文所设计的超声波探伤仪的下位机以单片机为控制核心，并搭载超声波采集和发生信号电路，通过串口传输到上位机上，上位机以LabVIEW为软件平台，开发了超声波探伤仪的上位机程序。

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致谢

本论文是在XXX老师的

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参考文献

[1] 金显贺，王昌长，王忠东，等． 一种用于在线检测局部放电的数字滤波技术[J] ．清华大学学报（自然科学版），1993，33（4）：62-67．

[3] 陈汝全,林水生,夏利.实用微机与单片机控制技术[M].成都: 电子科技大学出版社, 1998。

[3] 谢建.超声液位测量仪的研究.自动化仪 [J ] ,2002.23(2): 12-15。[4] 丁义元等.高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报2000.10。[5] 沈小丰等.电子技术实践基础.清华大学出版社2005.09 130-141。[6] 刘福顺，汤明.无损检测基础.北京北京航空航天大学出版社2002 [7] 应崇福。超声学。北京科学出版社，1990 [8] 蒋危平.超声波探伤仪发展简史。无损测.1997:24—25 [9] 张旭辉，马宏伟。超声无损检测技术的现状和发展趋势。现状·趋势·战略，2002:24—26 [10] 张易知，肖啸等.虚拟仪器的设计与实现.西安:西安电子科技大学出版社，2002

第二篇：超声波探伤作业指导书

超声波探伤作业指导书 适用范围

本作业指导书适用于母材厚度不小于8mm的铁素体类钢全焊透熔化焊对接焊缝脉冲反射法手工超声波检验。不适用于铸钢及奥氏体不锈钢焊接，外径小于159mm钢管对接焊缝，内径小于等于200mm的管座角焊缝及外径小于250mm和内径小于80％的纵向焊缝。2 引用标准

JB4730-94《压力容器无损检测》

GBll345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》 GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》 3 试验项目及质量要求

3.1 试验项目：内部缺陷超声波探伤。3.2 质量要求 3.2.1 检验等级的分级

根据质量要求检验等级分A、B、C三级，检验的完善程度A级最低，B级一般，C级最高。检验工作的难度系数按A、B、C顺序逐级增高，应按照工种2的材质、结构、焊接方法，使用条件及承受荷载的不同，合理的选用检验级别。检验等级应按产品的技术条件和有关规定选择或经合同双方协商选定。3.2.2 焊缝质量等级及缺陷分级 表3.2.2 焊缝质量等级

一级

评定等级 检验等级 探伤比例

II B级 100%

二级 III B级 20% 内部缺陷 超声波探伤

3.2.3 探伤比例的计数方法

探伤比例的计数方法应按以下原则确定：①对工厂制作焊缝，应按每条焊缝计算百分比，且探伤长度不应小于200mm，当焊缝长度不足200mm时，应对整条焊缝进行探伤；②对现场安装焊缝，应按同一类型，同一施焊条件的焊缝条数计算百分比，探伤长度应不小于200mm，并应不少于l条焊缝。3.2.4 检验区域的选择

3.2.4.1 超声波检测应在焊缝及探伤表面经外观检查合格后方可进行，应划好检验区域，标出检验区段编号。

3.2.4.2 检验区域的宽度应是焊缝本身再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30％的一般区哉，这区域最小10mm，最大20m。3.2.4.3 接头移动区应清除焊接飞溅、铁屑、油垢及其它外部杂质。探伤区域表面应平整光滑，便于探头的自由扫查，其表面粗糙度不应超过6.3um，必要时进行打磨。a、采用一次反射法或串列式扫查探伤时，探头移动区应大于2.5δk，(其中，δ为板厚，k为探头值)；b、采用直射法探伤时，探头移动区域应大于1.5δk。

3.2.4.4 去除余高的焊接，应将余高打磨到与临邻近母材平齐。保留余高焊缝，如焊缝表面有咬边，较大的隆起和凹陷等也应进行适当修磨，并做圆滑过渡以免影响检验结果的评定。3.2.5 检验频率

检验频率f一般在2-5MHZ的范围内选择，推荐选用2—2.5MHZ区称频率检验，特殊情况下，可选用低于2MHZ区或高于2.5MHZ的检验频率，但必须保证系统灵敏度的要求。3.2.6 检验等级，探伤面及使用k值(折射角)见表3.2.6 表3.2.6

板厚mm 探伤面 A 单面单 侧

B

C

探伤法

使用折射角或k值

直射法及一 次性反射法 直射法

70°(k2.5、k2.o)70°或60°(k2.5、k2.o、k1.5)45°或60°;45°和60°，≤25 >25—50

单面双侧或 双面单侧

45°和70°并用(k1.o或k1.5，>50—100 >100 ／

(k1.o和k1..5，k1．0和k2．O并用)

／

双面双侧

45°和60°并用(k1．0和k1．5或k2．O)仪器、试块、耦合剂、探头

4.1 仪器CTS-2000笔记本式数据超声波探伤仪 4.2 试块 CSK-IA 试块 CSK-ⅡA 试块 4.3 耦合剂

应选用适当的液体或模糊状物作耦合剂。耦合剂应具备有良好透声性和适宜流动性，不应对材料和人体有损伤作用。同时应便于检验后清理。典型耦合剂为水、机油、甘油和浆糊。在试块上调节仪器和产品检验应采用相同的耦合剂。4.4 探头：斜探头、直探头 5 仪器的调整的校验 5.1 基线扫描的调节

荧光屏时基线刻度可按比例调节为代表缺陷的水平距离ι，深度h或声程S。

5.1.1 探伤面为平面时，可在对比试块上进行时基线扫描调节，扫描比例依据工作厚度和选用的探头角度来确定，最大检验范围应调到时基线满刻度的2／3以上。

5.1.2 探伤面曲率半径R大于W2／4时，可在平面对比试块上或探伤面曲率相近的曲面对比试块上，进行时基线扫描调节。5.1.3 探伤面曲面半径R小于等于W2／4时，探头楔块应磨成与工件曲面相吻合，按GBll345-89第6.2.3条在对比试块上作时基线扫描调节。

5.2 距离一波幅(DAC)曲线的绘制

5.2.1 距离一波幅曲线由选用的仪器、探头系统在对比试块上实测数据绘制，曲线由判废线、定量线、评定线组成，不同验收级别各线灵敏度见表5.2.1 表中DAC是以上φ2mm标准反射体绘制的距离一波副曲线，即DAC基准线。评定线以上定量线以下为I区，定量线至判废线以下的Ⅱ区，判废线及以上区域为Ⅲ区(判废区)距离——波幅曲线的灵敏度 表5.2.1

级别 板厚mm DAC 判废线 定量线 评定线

DAC-4dB DAC-12dB DAC-18dB

DAC+2dB DAC-8dB DAC-14dB

DAC DAC-6dB DAC-12dB

A

B

C

8—46 >46-120 >46-120

5.2.2 探测横向缺陷时，应将各线灵敏度均提高6dB。

5.2.3 探伤面曲率半径R小于等于W2／4时，距离一波幅曲线的绘制应在曲线面对比试块上进行。

5.2.4 受检工件的表面耦合损失及材质衰减应与试块相同，否则应进行传输损失修整，在1跨距声程内最大传输损差在2dB以内可不进行修整。

5.2.5 距离一波幅曲线可绘制在坐标纸上，也可直接绘制在荧光屏刻板上。5.3 仪器调整的校验

5.3.1 每次检验前应在对比试块上，对时基线扫描比例和距离一波幅曲线<灵敏度>进行调整或校验。校验点不少于两点。5.3.2 在检验过程中每4h之内检验工作结束后应对时基线扫描和灵敏度进行校验，校验可在对比试块或其他等效试块上进行。

5.3.3 扫描调节校验时，如发现校验点反射波在扫描线上偏移超过原校验点刻度读数的10％或满刻度5％(两者取较小值)，则扫描比例应重新调整，前次校验后已经记录的缺点，位置参数应重新测定，并予以更正。

5.3.4 灵敏度校验时，如校验点的反射波幅比距离一波幅曲线降低20％或2dB以上，则仪器灵敏度应重新调整，而前次校验后，已经记录的缺陷，应对缺陷尺寸参数重新测定并予以评定。6 初始检验 6.1 一般要求

6.1.1 超声检验应在焊缝及探伤表面经外观检查合格并满足GBll345-89第8.1.3条的要求后方可进行。

6.1.2 检验前，探伤人员应了解受检工件的材质、结构、曲率、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫、沟槽等情况。

6.1.3 探伤灵敏度应不低于评定线灵敏度。

6.1.4 扫查速度不应大于150mm／S，相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10％的重叠。

6.1.5 对波幅超过评定线的反射波，应根据探头位置、方向、反射波的位置及6.1.2条了解焊缝情况，判断其是否为缺陷。判断缺陷的部位在焊缝表面作出标记。6.2平板对接焊缝的检验

6.2.1 为探测纵向缺陷，斜探头垂直于焊缝中心线放置在探伤面上，作锯齿型扫查。探头前后移动的范围应保证扫查到全部焊缝截面及热影响区。在保持垂直焊缝作前后移动的同时，还应作10°～15°左右移动。

6.2.2 为探测焊缝及热影响区的横向缺陷应进行平行和斜平行扫查。B级检验时，可在焊缝两侧边缘使探头与焊缝中心线成10°～20°斜平行扫查。C级检验时，可将探头放在焊缝及热影响区上作两方向的平行扫查，焊缝母材厚度超过lOOmm时，应在焊缝的两面作平行扫查或者采用两种角度探头(45°和60°或45°和70°并用)作单位两个方向平行扫查，亦可用两个45°探头作串列式平行扫查。对电渣焊缝还应增加与焊缝中心线45°的斜想向扫查。

6.2.3 为确定缺陷的位置、方向、形状、观察缺陷动态波形或区分缺陷讯号与伪讯号，可采用前后、左右、转角、环绕等四种探头基本扫查方式。6.3 曲面工作对接焊缝的检验

6.3.1 探伤面为曲面时，按规定选用对比试块，并采用6.2条的方法进行检验。C级检验时，受工件几何形状限制，横向缺陷探测无法实施时，应在检验记录中予以注明。

6.3.2 环缝检验时，对比试块的曲率半径为探伤面曲率0.9-1.5倍的对比试块，均可采用，对比试块的采用。探测横向缺陷时按6.3.3条的方法进行。

6.3.3 纵缝检验时，对比试块的曲率半径与探伤面曲率半径之差应小于10％。

6.3.3.1 根据工件的曲率和材料厚度选择探头角度，并考虑几何临界角的限制，确保声束能扫查到整个焊缝厚度；条件允许时，声束在曲底面的入射角度不应超过70°。

6.3.3.2 探头接触面修磨后，应注意探头入射点和折射点角或K值的变化，并用曲面试块作实际测定。

6.3.3.3 当R大于W2／4采用平面对比试块调节仪器，检验中应注意到荧光屏指示的缺陷深度或水平距离与缺陷实际的径向埋藏深度或水平距离弧长的差异，必要时应进行修正。6.4 其它结构焊缝的检验

尽可能采用平板焊缝检验中已经行之有效的各种方法。在选择探伤面和探头时应考虑到检测各种类型缺陷的可能性，并使声束尽可能垂直于该结构焊缝中的主要缺陷。7 规定检验 7.1 一般要求

7.1.1 规定检验只对初始检验中被标记的部位进行检验。

7.1.2 对所有反射波幅超过定量线的缺陷，均应确定其位置，最大反射波幅所在区域和缺陷指示长度。表7.1.2mm

检验等级

A

灵敏度 评定灵敏度 定量灵敏度 判废灵敏度

7.2 最大反射波幅的测定

7.2.1 对判定的缺陷的部位，采取6.2.3条的探头扫查方式，增加探伤面、改变探头折射角度进行探测，测出最大反射波幅并与距离一波幅曲线作比较，确定波幅所在区域，波幅测定的允许误差为2dB。

Φ3 Φ4 Φ6

Φ2 Φ3 Φ6

Φ2 Φ3 Φ4

B

C

7.1.3 探伤灵敏度应调节到评定灵敏度，见表7.1.2直探头检验等级评定。7.2.2 最大反射波幅A与定量线SL的dB差值记为SL±——dB 7.3 位置参数的测定

7.3.1 缺陷位置以获得缺陷最大反射波的位置来表示，根据相应的探头位置和反射波在荧光屏上的位置来确定如下全部或部分参数。

a、纵坐标L代表缺陷沿焊缝方向的位置。以检验区段编号为标证基准点(即原点)建立坐标。坐标正方向距离上表示缺陷到原点的距离。

b、深度坐标h代表缺陷位置到探伤面的垂直距离(mm)，以缺陷最大反射波位置的深度值表示。

c、横坐标q代表缺陷位置离开焊缝中心线的垂直距离，可由缺陷最大反射波位置的水平距离或简化水平距离求得。7.3.2 缺陷的深度和水平距离(或简化水平距离)两数值中的一个可由缺陷最大反射波在荧光屏上的位置直接读出，另一个数值可采用计算法、曲线法、作图法或缺陷定位尺求出。

第三篇：超声波探伤技术工作总结

小径管超声波探伤技术

开封空分集团有限公司--姜海

小径管指管径较小（DN100以内），管壁较薄（一般为3.5mm～8mm）的小径管。过去对这些小径管焊缝多采用射线检测，但射线探伤方法有其自身的局限性；如裂纹、未熔合等,特别是当其与射线束方向夹角较大时，不易发现，容易漏检。而超声波探伤由于不受场地、环境限制，并且对那些面状缺陷检出率高、且价格低廉并可与其他工种进行交叉作业，可以大大提高效率而在管道探伤中得到了较好的应用，下面我结合自己的工作实践，主要对小径管探伤存在问题、探伤方法、要点及缺陷波识别等，谈谈自己的一些认识：

一 小径管对接焊缝超声波探伤存在以下问题： 1）小径管壁薄，壁厚较薄时超声波声束在管壁中产生的声程较短，易受声压不规则的近场区干扰，给缺陷定性，定量带来困难。2）管壁曲率较大，管内外表面声能损失较大，声束传输路径更复杂，经过多次发散，聚集声压反射异于常规，使声能有一定量损失，降低了探伤灵敏度。3）焊缝焊波高度、焊瘤尺寸与管壁厚度为同一数量级，在较高灵敏度探伤时杂波多，这给缺陷的识别增加了难度。4）同一截面管子在壁厚上有时存在较大的公差，因而给缺陷定位带来了一定的困难。

二

小径管对接焊缝超声波探伤方法及要点： 小径管对接焊缝进行超声波探伤时，探头应使用高阻尼、短前沿、大K值的单晶横波探头；晶片尺寸一般不大于6mm×6mm，前沿距离≤5mm，偏差＜0.5mm，工作频率为5 MHZ。探伤中要注意如下几点：（1）探头耦合问题：

为保证探头与工件表面充分耦合，探头耦合面应修磨成圆弧，使其曲率半径与小径管外表面尽量一致，不同管径的小径管焊缝探伤，应配备专用的探头，避免混用。如果探伤前不认真修磨探头耦合面，而是不同外径的管子混用一个探头，其结果不但使探伤工作受到油面波、变形表面波的干扰，更重要的是随着探头的磨损，使超声场特性发生较大变化，使探伤结果变的不可信；另外，打磨准备工作也是保证探伤顺利进行的重要环节，如飞溅物消除不彻底，会使探头与管壁耦合不好，在检查过程中出现“不起波”或“起杂波‘，必须认真去打磨探头移动区，消除飞溅物、锈斑、油垢等，以便于探头扫查。（2）关于探头参数的测定及复核

准确测定探头的重要参数，是超声波探伤的重要基础，如果探头参数测量不准，就会造成缺陷定位、定性的困难，甚至造成误判或漏判，在小径管探伤检验中，由于工件尺寸小，对缺陷定位更要求准确，对探头主要参数的 测定，准确性尤为重要，在探伤前，探伤人员必须认真测定探头参数，在探伤过程中，对探头主要参数和探伤灵敏度必须复核。（3）关于探伤灵敏度

在超声波探伤中，确定探伤灵敏度是一个关键的步骤，它将直接影响到探伤结果，在小径管焊缝探伤中同样显的极为重要。小径管探头由于晶 片尺寸较小，发射功率较低加上探头前沿尺寸小，加工困难相应增大，因而，探头在探伤灵敏度下杂波很多，但有时在探伤时为了便于观察，往往不适当地降低了探伤灵敏度其结果必然造成漏检，因此，做对比试块时，须选用外径、壁厚以及内外粗糙度与被探管子相同或基本相近的材料。（4）小径管焊缝探伤由于探头晶片尺寸较小，容易产生漏检，所以一定要在焊缝两侧探伤。三

缺陷波的识别与判定： 1 缺陷反射波的识别

当采用一次波探伤时主要观察仪器荧光屏上一次波标记点前面出现的反射波，因为波束扫过焊缝下半部，如果有反射波一般为缺陷反射（除盲区杂波外）。其次是位于一次波最大深度标记点上（焊缝根部）的反射波，当焊缝不存在错口时，要确定反射波对应的反射点的位置，如果反射点位于焊缝中心点或探头侧则判为缺陷。当发现焊缝根部出现一定高度的反射波时、应对该处焊缝两侧的壁厚进行准确测定，仪器的扫描速度要准确调整，以准确定位，并根据探头所在的位置对反射波进行认真分析，缺陷位置出现在一次波最大深度标记点处或以前，对应的反射体位于焊缝中心或探头侧。

当采用二次波探伤时，在一次波标记点和二次波标记点之间出现的反射波，可能为缺陷波，也可能是杂波，在这个区域之前或之后出现的反射波则为非缺陷波。缺陷波可用下述方法来判断：

（1）如果二次波声束在内壁上的转折点位于焊缝区外，反射点位于焊缝中，则该反射波可判为缺陷波。（2）二次波声束在内壁上的转折点在焊缝区内则该反射波不能作为判伤的依据应根据位置、波形等其它情况综合判断。

当从焊缝两侧探伤发现反射波，若反射波出现在焊缝的同一位置，反射波高相同或不同则反射波判为缺陷波。2． 杂波的识别

小径管对接焊缝超声波探伤时，除了缺陷反射波外，还会有一些杂波信号，这些信号干扰了缺陷的判定，易产生误判，因此要认真分析。（1）缝根部成形影响：

当焊缝根部成形较好时，一般在在一次波标记点附近无反射波或反射波强度很弱，当焊缝根部成形不良如存在焊瘤、表面不规则时，从焊缝两侧探伤一般均有反射信号，其位置与根部缺陷很相似，其强度随根部成形所构成的反射条件而异，稍不注意易判为缺陷，可 用下述方法区分： a.准确地调整扫描速度以便从声程差上比较，焊瘤反射波深度略大于一次波标记点，有必要再次强调精确测量管子壁厚。

b.用水平定位法识别:如焊瘤反射波在偏离焊缝中心线远离探头的一侧，而根部缺陷水平位置则应在焊缝中心线上或偏离焊缝中心线靠近探头一侧。

c.通过转动探头观察波形变化也可鉴别，移动探头找到最大反射波后慢慢左右转动探头，观察波形变化，缺陷波涨落大，瞬间消失，焊瘤波升降较缓慢、平稳，同时焊瘤处除产生反射波外，多数还会产生变形纵波或变形横波，并传到焊缝加强面产生回波信号，水平位置在一，二次波标记点中间或二次波标记点附近，可用沾油的手指拍打加强面来识别。(1)焊缝错边反射波：

当焊缝有错边出现时，声束和错边方位将产生反射波，其水平定位在焊缝中心，但从另一侧探伤时因无反射条件则无反射信号。(2)扩散声束引起的加强面反射波的识别：

由于小径管壁薄，当一次波主声束后面的扩散声束经底面反射到焊缝加强面时，在加强面处产生反射波，正好出现在一，二次波标记点之间，有时易误判为焊缝中上部缺陷，可根据探头位置和水平定位或用沾油的手指拍打加强面识别，必要时，用其它检测手段做辅助检查，(1)变形波：

当声束扫查到焊缝根部时，在一定条件下将产生变形波，可根据探头位置和水平定位进行区别，一般情况下变形波水平定位点在焊缝之外。四． 试验验证及结论

通过对不同管径，不同壁厚管子经超声波探伤和射线探伤比较，二者结果是基本吻合的，现场实际应用也证明，小径管对接超声波探伤不仅切实可行，而且也具有较强的可靠性。小径管对接超声波探伤可以克服射线探伤的缺点，但在探伤过程中一定要从焊缝两侧探伤，认真分析波形，对探头参数、仪器一定要调准。

第四篇：超声波探伤培训教程

培训教材之理论基础------

渗透检测适用于金属制品及其零部件表面开口缺陷的检测，包括荧光和着色渗透检测。

涡流检测适用于管材检测，如圆形无缝钢管及焊接钢管、铝及铝合金拉薄壁管等。

磁粉、渗透和涡流统称为表面检测。

波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长，波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，常用单位为米(m)；频率f：波动过程中，任一给定点在1秒钟内所通过的完整波的个数称为频率，常用单位为赫兹(Hz)；波速C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米/秒（m/s）。

由上述定义可得：C= f，即波长与波速成正比，与频率成反比；当频率一定时，波速愈大，波长就愈长；当波速一定时，频率愈低，波长就愈长。

次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。它们的区别在主要在于频率不同。频率在20~20000Hz之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。次声波、超声波不可闻。

超声探伤所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。超声波波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤。

1.方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。

2.能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。

3.能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。

4.穿透能力强：超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。

互相垂直的波，称为横波，用S或T表示。

当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生剪切形变，从而形成横波；只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体介质不能承受剪切应力，因此横波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。钢中横波声速一般为3230m/s。横波一般应用于焊缝、钢管探伤。3.表面波R 当介质表面受到交变应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示。又称瑞利波。

表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向；椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成，因此表面波只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。

表面波的能量随深度增加而迅速减弱，当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了，因此，一般认为表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。表面波一般应用于钢管探伤。4.板波

在板厚与波长相当的薄板中传播的波，称为板波。根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。板波一般应用于薄板、薄壁钢管探伤。

二．超声波声速测量

对探伤人员来说，用探伤仪测量声速是最简便的，用这种方法测声速，可用单探头反射法或双探头穿透法；可用于测纵波声速和横波声速。

1.反射法测纵波声速 声速按下式计算：

声速 C=2d/(T1-t)； t = 2T1 – T2 式中 d------工件厚度；

t------由探头晶片至工件表面传输时间；

T1------由探头晶片至工件底一次波传输时间；

T2------由探头晶片至工件底二次波传输时间；

2.穿透法测纵波声速 声速按下式计算：

声速 C=d/(T1-t)； t = 2T1 – T2 式中 d------工件厚度；

t------由探头晶片至工件表面传输时间；

T1------由探头晶片至工件底一次波传输时间；

T2------由探头晶片至工件底二次波传输时间；

3.反射法测横波声速

用半圆弧测横波声速，按下式计算： 声速 C=2d/(T1-t)； t = 2T1 – T2 式中 d------半圆半径长度；

t------由探头晶片至半圆弧探测面传输时间；

T1------由探头晶片至圆弧面一次波传输时间；

T2------由探头晶片至圆弧面二

次波传输时间；

动中任何质点都可以看作是新的波源。据此惠更斯提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定新的波阵面。2.波的衍射（绕射）

波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。如右图，超声波（波长为）在介质中传播时，AB（其尺寸为D）遇到缺陷，据惠更斯原理，缺陷边缘可以看作是发射子波的波源，使波的传播改变，从 而使缺陷背后的声影缩小，反射波降低。

当D<<时，波的绕射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检；当D>>时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。

波的绕射对探伤即有利又不利。由于波的绕射，使超声波产生晶料绕射顺利地在介质中传播，这对探伤有利；但同时由于波的绕射，使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检，这对探伤不利。一般超声波探伤灵敏度约为/2。

三． 超声场的特征值

充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫超声场；超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。描述超声场的特征植（即物理量）主要有声压、声强和声

阻抗。1.声压P 超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P0之差，称为该点的声压，用P表示（P = P1-P0）。

声压幅值 p = cu = c(2fA)其中 ----介质的密度;c----波速;u----质点的振动速度； A----声压最大幅值； f----频率。

超声场中某一点的声压的幅值与介质的密度、波速和频率成正比。在超声波探伤仪上，屏幕上显示的波高与声压成正比。2.声阻抗Z 超声场中任一点的声压p与该处质点振动速度u之比称为声阻抗，常用Z表示。

Z = p / u = cu / u = c 由上式可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。由u = P/Z可知，在

同一声压下，Z增加，质点的振动速度下降。因此声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。3.声强I 单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强，常用I表示。

22I = Z u/2 = P/(2Z)当超声波传播到介质中某处时，该处原来静止不动的质点开始振动，因而具有动能；同时该处介质产生弹性变形，因而也具有弹性位能；声能为两者之和。

声波的声强与频率平方成正比，而超声波的频率远大于可闻声波。因此超声波的声强也远大于可闻声波的声强。这是超声波能用于探伤的重要原因。

在同一介质中，超声波的声强与声压的平方成正比。

四． 分贝的概念与应用

1.概念

由于在生产和科学实验中，所遇到的声强数量级往往相差悬殊，如引起听觉的声-16 2– 4 强范围为10~ 10瓦/厘米，最大值与最小值相差12个数量级。显然采用绝对量来度量是不方便的，但如果对其比值（相对量）取对数来比较计算则可大简化运算。分贝就是两个同量纲的量之比取对数后的单位。

通常规定引起听觉的最弱声强为I1 = 10 2–16 瓦/厘米 作为声强的标准，另一声强I2与标准声强I1 之比的常用对数称为声强级，单位是贝尔(BeL)。实际应用时贝尔太大，故常取1/10贝尔即分贝（dB）来作单位。（如取自然对数，则单位为奈培NP）

 = lg(I2/I1)(Bel)=10 lg(I2/I1)= 20 lg(P2/P1)(dB)在超声波探伤中，当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器屏幕上的波高与声压

成正比。这时有

 = 20 lg(P2/P1)= 20 lg(H2/H1)(dB)这时声压基准P1或波高基准H1可以任意选取。2.应用

分贝用于表示两个相差很大的量之比显得很方便，在声学和电学中都得到广泛的应用，特别是在超声波探伤中应用更为广泛。例如屏上两波高的比较就常常用dB表示。

例如，屏上一波高为80％，另一波高为20％，则前者比后者高

 = 20 lg(H2/H1)= 20 lg(80/20)= 12（dB）

用分贝值表示回波幅度的相互关系，不仅可以简化运算，而且在确定基准波高以后，可直接用仪器的增益值（数字机）或衰减值（模拟机）来表示缺陷波相对波高。

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称为反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称为透射波。在界面上声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。

一． 单一界面的反射和透射

声能的变化与两种介质的声阻抗密切相关，设波从介质1（声阻抗Z1）入射到介质2（声阻抗Z2），有以下几种情况： 1.Z2 > Z1

声压反射率小于透射率。如水/钢界面。2.Z1> Z2

声压反射率大于透射率。如钢/水界面。声强反射率及透射率只与Z1、Z2的数值有关，与从哪种介质入射无关。3.Z1>> Z2

声压（声强）几乎全反射，透射率趋于0。如钢/空气界面。

4.Z1 Z2

此时几乎全透射，无反射。因此在焊缝探伤中，若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。

二． 薄层界面的反射和透射

此情况主要对探头保护膜设计具有指导意义。

当超声波依次从三种介质Z1、Z2、Z3(如晶片—保护膜—工件)中穿过，则当薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声强透射与薄层的性质无关，即好象不存在薄层一样；当薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍且薄层声阻抗为其两侧介质

1/2 声阻抗几何平均值（Z2 =（Z2 Z3））时，超声波全透射

三． 波型转换和反射、折射定律 当超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波，这种现象称为波型

转换。

1.纵波斜入射

2.横波入射

四． 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收 1.扩散衰减

超声波在传播过程中，由于波束的扩散，使超声波的能量随距离增加面逐渐减弱的现象叫做扩散衰减。超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。

2.散射衰减

超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不

同的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在屏上引起林状回波（又叫草波），使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。

3.吸收衰减

超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内磨擦（即粘滞性）和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减 通常所说的介质衰减是指吸收衰减与散射衰减，不包括扩散衰减。

较远处轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。1.近场区

波源附件由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区。近场区声压分布不均，是由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在波程差，互相迭加时存在位相差而互相干涉，使某些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱，于是就出现声压极大极小值的点。

波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。22 N =（Ds-）/(4) Ds/(4)2.远场区

波源轴线上至波源的距离x >N的区域称为远场区。远场区轴线上的声压随距离增加单调减少。当 x >3N时，声压与距离成反比，近似球面波的规律。因为距离x足够大时，波源各点至轴线上某一点的波程差很小，引起的相位差也很小，这样干涉

现象可以略去不计，所以远场区不会出现声压极大极小值。

3.近场区在两种介质中分布

实际探伤时，有时近场区分布在两种不同的介质中，如水浸探伤，超声波先进入水，然后再进入钢中，当水层厚度较小时，近场区就会分布在水、钢两种介质中。设水层厚度为L，则钢中剩余近场区长度N为 N = Ds/(4)– Lc1/c2 式中 c1----介质1水中波速；

c2----介质2钢中波速；

----介质2钢中波长。

在近场区内，实际声场与理想声场存在明显区别，实际声场轴线上声压虽也存在极大极小值，但波动幅度小，极值点的数量也明显减少。

二． 横波声场

目前常用的横波探头，是使纵波斜入射到界面上，通过波形转换来实现横波探伤

的，当入射角在

超声波探伤中常用的规则反射体有平底孔、长横孔、短横孔、球孔和大平底面等。回波声压公式（考虑介质衰减因素）：

四． AVG曲线

AVG曲线是描述规则反射体的距离、回波高及当量大小之间关系的曲线；A、V、G是德文距离、增益和大小的字头缩写，英文缩写为DGS。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。

以横坐标表示实际声程，纵坐标表示规则反射体相对波高，用来描述距离、波幅、当量大小之间的关系曲线，称为实用AVG曲线。实用AVG曲线可由以下公式得到： 不同距离的大平底回波dB差

Δ=20lgPB1/PB2=20lgX2/X1 不同距离的不同大小平底孔回波dB差

Δ=20lgPf1/Pf2=40lgDf1X2/Df2X1 同距离的大平底与平底孔回波dB差

Δ=20lgPB/Pf=20lg2λX/πDfDf 用以上公式计算绘制实用AVG曲线时，要统一灵敏度基准。

坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。B型：B型显示是一种图象显示，屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹，纵坐标代表声波的传播距离，因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型：C型显示也是一种图象显示，屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置，探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而当探头在工件表面移动时，屏上显示出被探工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。

目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪都是A型显示脉冲反射式探伤仪。

3.A型脉冲反射式模拟超声波探伤仪的一般原理

二． 探头

超声波的发射和接收是通过探头来实现的。下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构。1.压电效应

某些晶体材料在交变拉压应作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。

超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能(机械能)，探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换，因此常把探头叫做换能器。

2.探头的种类和结构

直探头用于发射和接收纵波，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。

斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头，常用的是横波斜探头。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮等。

当斜探头的入射角大于或等于

基本频率-晶片材料-晶片尺寸-探头种类-特征

三． 试块

按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样，通常称为试块。试块和仪器、探头一样，是超声波探伤中的重要工具。

1． 试块的作用（1）确定探伤灵敏度

超声波探伤灵敏度太高或太低都不好，太高杂波多，判伤困难，太低会引起漏检。因此在超声波探伤前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。（2）测试探头的性能

超声波探伤仪和探头的一些重要性能，如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的。（3）调整扫描速度

利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度

值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。（4）评判缺陷的大小

利用某些试块绘出的距离-波幅-当量曲线（即实用AVG）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是3N以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外还可利用试块来测量材料的声速、衰减性能等。2.试块的分类（1）按试块来历分为：标准试块和参考试块。（2）按试块上人工反射体分：平底孔试块、横孔试块和槽形试块 3.试块的要求和维护

4.常用试块简介（仪器使用时重点讲解）

IIW(CSK-IA)CS-1 CSK-IIIA

3.动态范围

动态范围是指仪器屏幕容纳信号大小的能力。

二． 探头的性能及其测试 1.斜探头入射点

斜探头的入射点是指其主声束轴线与探测面的交点。入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了便于对缺陷定位和测定探头的K值。

注意试块上R应大于钢中近场区长度N，因为近场区同轴线上的声压不一定最高，测试误差大。

2.斜探头K值和折射角

斜探头K值是指被探工件中横波折射角的正切值。

注意测定斜探头的K值或折射角也应在近场区以外进行。

3.探头主声束偏离和双峰

探头实际主声束与其理论几何中心轴线

的偏离程度称为主声束的偏离。

平行移动探头，同一反射体产生两个波峰的现象称为双峰。

探头主声束偏离和双峰，将会影响对缺陷的定位和判别。4.探头声束特性

探头声束特性是指探头发射声束的扩散情况，常用轴线上声压下降6dB时探头移动距离（即某处的声束宽度）来表示。

三． 仪器和探头的综合性能及其测试 1.灵敏度

超声波探伤中灵敏度一般是指整个探伤系统（仪器和探头）发现最小缺陷的能力。发现缺陷愈小，灵敏度就愈高。

仪器的探头的灵敏度常用灵敏度余量来衡量。灵敏度余量是指仪器最大输出时（增益、发射强度最大，衰减和抑制为0），使规定反射体回波达基准高所需衰减的衰减总量。灵敏度余量大，说明仪器与探头的灵敏度高。灵敏度余量与仪器和探头

的综合性能有关，因此又叫仪器与探头的综合灵敏度。

2.盲区与始脉冲宽度

盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离。盲区内的缺陷一概不能发现。始脉冲宽度是指在一定的灵敏度下，屏幕上高度超过垂直幅度20％时的始脉冲延续长度。始脉冲宽度与灵敏度有关，灵敏度高，始脉冲宽度大。3.分辨力

仪器与探头的分辨力是指在屏幕上区分相邻两缺陷的能力。能区分的相邻两缺陷的距离愈小，分辨力就愈高。4.信噪比

信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信号幅度与无用的噪声杂波幅度之比。信噪比高，杂波少，对探伤有利。信噪比太低，容易引起漏检或误判，严重时甚至无法进行探伤。

发生变化时，将改变试件的共振频率，依据试件的共振频率特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法。共振法常用于试件测厚。

二． 按波形分类

根据探伤采用的波形，可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。1.纵波法

使用直探头发射纵波进行探伤的方法，称为纵波法。此时波束垂直入射至试件探测面，以不变的波型和方向透入试件，所以又称为垂直入射法，简称垂直法。垂直法分为单晶探头反射法、双晶探头反射法和穿透法。常用单晶探头反射法。垂直法主要用于铸造、锻压、轧材及其制品的探伤，该法对与探测面平行的缺陷检出效果最佳。由于盲区和分辨力的限制，其中反射法只能发现试件内部离探测面一定距离以外的缺陷。

在同一介质中传播时，纵波速度大于其

它波型的速度，穿透能力强，晶界反射或散射的敏感性较差，所以可探测工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的探伤。2.横波法

将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至试件探测面，利用波型转换得到横波进行探伤的方法，称为横波法。由于透入试件的横波束与探测面成锐角，所以又称斜射法。

此方法主要用于管材、焊缝的探伤；其它试件探伤时，则作为一种有效的辅助手段，用以发现垂直法不易发现的缺陷。3.表面波法

使用表面波进行探伤的方法，称为表面波法。这种方法主要用于表面光滑的试件。表面波波长很短，衰减很大。同时，它仅沿表面传播，对于表面上的复层、油污、不光洁等，反应敏感，并被大量地衰减。利用此特点可通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的

变化，对缺陷定位。4.板波法

使用板波进行探伤的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的试件探伤。探伤时板波充塞于整个试件，可以发现内部和表面的缺陷。5.爬波法

三． 按探头数目分类 1.单探头法

使用一个探头兼作发射和接收超声波的探伤方法称为单探头法，单探头法最常用。

2.双探头法

使用两个探头（一个发射，一个接收）进行探伤的方法称为双探头法，主要用于发现单探头难以检出的缺陷 3.多探头法

使用两个以上的探头成对地组合在一起进行探伤的方法，称为多探头法。

四． 按探头接触方式分类 1.直接接触法

探头与试件探测面之间，涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，此法称为直接接触法。

此法操作方便，探伤图形较简单，判断容易，检出缺陷灵敏度高，是实际探伤中用得最多的方法。但对被测试件探测面的粗糙度要求较高。2.液浸法

将探头和工件浸于液体中以液体作耦合剂进行探伤的方法，称为液浸法。耦合剂可以是油，也可以是水。

液浸法适用于表面粗糙的试件，探头也不易磨损，耦合稳定，探测结果重复性好，便于实现自动化探伤。

液浸法分为全浸没式和局部浸没式。

超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的种类很多，结构型式也不一样。探伤前应根据被检对象的形状、衰减和技术要求来选择探头，探头的选择包括探头型式、频率、晶片尺寸和斜探头K值的选择等。1.探头型式的选择

常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头，聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。

纵波直探头波束轴线垂直于探测面，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。

横波斜探头主要用于探测与探测面垂直可成一定角度的缺陷，如焊缝中未焊透、夹渣、未溶合等缺陷。

表面波探头用于探测工件表面缺陷，双晶探头用于探测工件近表面缺陷，聚焦探头用于水浸探测管材或板材。

2.探头频率的选择。

超声波探伤频率0.5~10MHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素:(1)由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为波长的一半，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。

(2)频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。

(3)频率高，波长短，则半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。

(4)频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。

(5)频率增加，衰减急剧增加。

由以上分析可知，频率的高低对探伤有较大的影响，频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对探伤有利；但近场区长度大，衰减大，又对探伤不利。实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可

能选用较低的频率。

对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.5~5MHz；对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.5~2.5MHz。如果频率过高，就会引起严重衰减，屏幕上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。3.探头晶片尺寸的选择

晶片尺寸对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸进要考虑以下因素：（1）晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。（2）晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。（3）晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

以上分析说明晶片大小对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围和远距离缺

陷检出能力有较大的影响。实际探伤中，探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头；探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头；探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头；探伤表面不太平整，曲率较低较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

4.横波斜头K值的选择

在横波探伤中，探头的K值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响。K值大，一次波的声程大。因此在实际探伤中，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区探伤；当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减，便于发现深度较大处的缺陷。在焊缝探伤中，不要保证主声束能扫查整个焊缝截面；对于单面焊根未焊透，还要考虑端角

反射问题，应使K=0.7~1.5,因为K<0.7或K>1.5，端角反射很低，容易引起漏检。

三． 耦合

超声耦合是指超声波在探测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。为提高耦合效果，在探头与工件表面之间施加的一层透声介质称为而耦合剂。耦合剂的作用在于排除探头与工件表面之间的空气，使超声波能有效地传入工件，达到探伤的目的；耦合剂还有减少磨擦的作用。

影响声耦合的主要因素有：耦合层的厚度，耦合剂的声阻抗，工件表面粗糙度和工件表面形状。

四． 表面耦合损耗的补偿

在实际探伤中，当调节探伤灵敏度用的试块与工件表面粗糙度、曲率半径不同时，往往由于工件耦合损耗大而使探伤灵敏度降低，为了弥补耦合损耗，必须增大仪器的输出来进行补偿。

块来调节，如用CSK-IA试块50或1.5的孔。

三． 定量调节

定量调节一般采用AVG（直探头）或DAC（斜探头）。

四． 缺陷定位

超声波探伤中测定缺陷位置简称缺陷定位。

1.纵波（直探头）定位

纵波定位较简单，如探头波束轴线不偏离，缺陷波在屏幕上位置即是缺陷至探头在垂直方向的距离。2.表面波定位

表面波探伤定位与纵波定位基本类似，只是缺陷位于工件表面，缺陷波在屏幕上位置是缺陷至探头在水平方向的距离（此时要考虑探头前沿）。3.横波定位

横波斜探头探伤定位由缺陷的声程和探

头的折射角或缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。

4.横波周向探测圆柱面时缺陷定位 周向探伤时，缺陷定位与平面探伤不同。（1）外圆探伤周向探测（2）内壁周向探测

当量试块比较法是将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量的方法。此法的优点是直观易懂，当量概念明确，定量比较稳妥可靠。但成本高，操作也较烦琐，很不方便。所以此法应用不多，仅在x<3N的情况下或特别重要零件的精确定量时应用。2.当量计算法 当x>3N时，规则反射体的回波声压变化规律基本符合理论回波声压公式，当量计算法就是根据探伤中测得的缺陷波高的dB值，利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸的定量方法。

3.当量AVG曲线法

当量AVG曲线法是利用AVG曲线来确定工件中缺陷的当量尺寸。

二． 测长法测缺陷大小

当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一

般采用测长法来确定缺陷的长度。

测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸，按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。由于实际工件中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷回波高度，因此缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度。根据测定缺陷长度时的基准不同将测长法分为相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端点峰值法。

三． 底波高度法测缺陷大小

底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。当工件中存在缺陷时，由于缺陷的反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高与底波高之比就愈大。四． 缺陷测高

及其它

目前A型脉冲反射式超声波探伤仪是根据屏幕上缺陷波的位置和高度来评价被检工件中缺陷的位置和大小，了解影响因素，对于提高定位、定量精度是十分有益的。

一．影响缺陷定位的主要因素 1.仪器的影响

仪器的水平线性的好坏对缺陷定位有一定的影响。2.探头的影响

探头的声束偏离、双峰、斜楔磨损、指向性等影响缺陷定位。3.工件的影响

工件的表面粗糙度、材质、表面形状、边界影响、温度及缺陷情况等影响缺陷定位。

4.操作人员的影响

仪器调试时零点、K值等参数存在误差或定位方法不当影响缺陷定位

二．影响缺陷定量的主要因素 1.仪器及探头性能的影响

仪器的垂直线性、精度及探头频率、型式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响缺陷回波高度。

2.耦合与衰减的影响

耦合剂的声阻抗和耦合层厚度对回波高有较大的影响；当探头与调灵敏度用的试块和被探工件表面耦合状态不同时，而又没有进行恰当的补偿，也会使定量误差增加，精度下降。

由于超声波在工件中存在衰减，当衰减系数较大或距离较大时，由此引起的衰减也较大，如不考虑介质衰减补偿，定量精度势必受到影响。因此在探伤晶粒较粗大和大型工件时，应测定材质的衰减系数，并在定量计算时考虑介质衰减的影响，以便减少定量误差。

3.工件几何形状和尺寸的影响

工件底面形状不同，回波高度不一样，凸曲面使反射波发散，回波降低，凹曲面

使反射波聚焦，回波升高；工件底面与探测面的平行度以及底面的光洁度、干净程度也对缺陷定量有较大的影响；由于侧壁干涉的原因，当探测工件侧壁附近的缺陷时，会产生定量不准，误差增加；工件尺寸的大小对定量也有一定的影响。

为减少侧壁的影响，宜选用频率高、晶片尺寸大且指向性好的探头探测或横波探测；必要时不可采用试块比较法来定量。

4.缺陷的影响

不同的缺陷形状对其回波高度有很大的影响，缺陷方位也会影响到回波高度，另外缺陷波的指向性与缺陷大小有关，而且差别较大；另外缺陷回波高度还与缺陷表面粗糙度、缺陷性质、缺陷位置等有影响。

三．缺陷性质分析

超声波探伤还应尽可能判定缺陷的性质，不同性质的缺陷危害程度不同，例如裂纹就比气孔、夹渣大得多。但缺陷定性

第五篇：超声波探伤故障总结

一、为何超声波探伤仪在操作过程中出现死机，且关机后不能再开机? 答：由于超声波探伤仪受到剧烈震动或者误操作或其它原因使存储器内容出现混乱，从而导致出现死机现象，此时关机后过30秒后再开机，一般可以重新进行正常操作。在某些极端情况下可能会出现开机即死机的现象，此时用户可将仪器初始化，即可消除此现象，但仪器内部存储数据可能会部分或全部丢失。在此我们特别提醒用户，要及时将需打印或传送到计算机备份的内容打印或备份。对可能造成的数据丢失，我们表示万分的抱歉和遗憾。

二、超声波探伤仪开机后，屏幕显示混乱或无法执行该怎么办？

1．关机，等待1分钟后再开机；

2．将仪器初始化；

3．按不能开机情况处理。

三、超声波探伤仪关机后立即开机，为何会鸣叫报警或没有回波？ 答： 造成这一现象的原因是由于开关机间隔时间太短，用户应在关机后等待30秒后再开机。

四、超声波探伤仪无回波是什么原因？

1．探头是否接对；

2．探头方式是否正确，如果探头设置为双晶，而接入的是单探头，则不会有回波；

3．是否在仪器屏幕显示的工作状态下工作；

4．探头线是否正常，探头与探头线接触是否正常，用户可用一个镊子（金属）以接触探头座的内芯，如果有杂波，则仪器良好；

5．增益、位移和声程是否正常；

6．是否存在较高的抑制，如有应将抑制降为0；

7.无回波时的简单处理方法：按<功能>键，再按“9.参数清零”，清除当前通道，接着用一根新探头线连接直探头，在耦合良好的薄型试块上探测，如有回波则可能参数设置错误或探头线接触不良；若无回波，则可用一个镊子接触，观察有无杂波；若仍无回波，则与友联公司联系。

五、超声波探伤仪门内的回波调到多高，读数较准确？

答：一般将回波幅度调至40％～80%，回波与DAC或AVG曲线的当量误差最小；门内回波的波峰高度调至20％～100%时，位置读数较准确；而回波幅度高于屏幕，或波幅太低（比如低于20％），则位置读值及当量都可能有误差。

六、超声波探伤仪不能打印是怎么回事？

1．打印线是否是随机提供的打印线；

2．打印线连接不正确或连接不良；

3．打印机未正常供纸；

4．连接打印电缆时，一定要关掉探伤仪，否则可能会损坏探伤仪；

5．打印机是否与EPSON LQ-1600K，HP LJ6L或Epson C6

1兼容；

6．打印机工作是否正常。

七、为什么超声波探伤仪双晶探头无回波？

1．探头设置是否为双晶探头；

2．探测范围是否在探头焦距范围内；

3．灵敏度是否太低。

八、为什么超声波探伤仪无法制作DAC曲线？

1、在制作DAC曲线中采集测试点时，未按 <-> 键冻结回波；

2、按<-> 键时，参数区提示不是“DAC”三字；

3、按<-> 键时，屏幕上显示的回波幅度太低。

九、为何制作DAC曲线时，曲线形状不够美观？

答：在制作DAC曲线时，一定要采集到每一点的最高反射波，用户应反复移动探头，使反射体的最高波出现在屏幕上。

十、为何制作DAC曲线时，10mm孔和20mm孔的回波找到了，而30mm孔的回波却找不到？

答：在制作DAC曲线前，要先确认工件声速、探头的零点K值等是否正确，而且一定要将抑制调为0，否则高度低于抑制的回波将不显示，导致找不到回波。

十一、为何制作DAC曲线时，近距离的波幅反而低？

答：探头和试块的耦合不良，未找到最高波；探头近场区的影响（比如：用K1探头测深10mm孔比测深20mm孔的回波低）。

十二、为什么超声波探伤仪键盘操作失灵？

1．该键盘被锁定（即在此时不应操作此键）；

2．未按住键盘中的接触点；

3．未按屏幕提示操作键盘；

注：按仪器键盘，查看是否有声音，有声音则键盘正常。

十三、超声波探伤仪数据文件丢失怎么办？

存贮在仪器内的数据一般不会丢失，如果在短时间内丢失应注意：

1．是否执行了删除操作；

2．是否经历过激烈的撞击；

3．是否长时间未开机且未充电。

十四、超声波探伤仪杂波干扰强烈或回波左右移动或忽有忽无是什么原因？

1、探头和探头线接触不良，此时去掉探头线，现象应消失；

2、电源线或充电器有干扰，去掉充电器直接使用电池，现象应消失；

3、探头或探头线离屏幕太近，引起屏辐射。

十五、为什么超声波探伤仪声音报警无效?

1．声音报警关闭；

2．波幅不在波门报警幅度范围内。

十六、为何在参数菜单中，探头K值与折射角的正切值并不相等? 答：由于仪器精度的原因，在计算K值与折射角时可能会出现误差，但误差值一般在0.5度以内，不会影响探伤精度。

十七、为何有时探伤时调声程，屏幕冻结，死机？

答：在“声程-1”状态下调节声程，应注意不可一直按住<+>或<->键不放，这样仪器会因反应速度的问题而死机。应该在按<+>或<->键时有少许停顿时间，或直接用“声程-2”来调节。

十八、为何有时垂直读值准确而水平读值不准？

答：探头零点、K值测试不准或前沿值输入不准：若探头前沿为0mm，则回波的水平读值为探头声束发射中心至缺陷的水平距离；若探头前沿为实测值，则回波的水平读值为探头前端至缺陷的水平距离；若探头前沿输入为任意一数值，则水平读值会有偏差，甚至偏差很大。