A型显示脉冲超声波探伤仪的工作原理
发表时间：2016-04-12 15:01:23
A型显示脉冲超声波探伤仪是目前工业超声检测领域中应用最广泛的设备，它具有结构简单、体积小、重量轻、操作简便、适用面广、价格便宜、特别适用于现场检测等诸多优点。
A型显示脉冲超声波探伤仪(模拟式)的基本工作原理可用图1-5所示的工作原理方框图说明。其整机主要由同步、发射、时基、接收放大、显示以及报警、电源七大部分组成，各部分的主要功能分述如下：
一.同步电路，又称触发电路
同步电路的作用是产生周期性的同步脉冲信号，用以同时触发超声探伤仪各部分电路协同工作，它相当于全机的指挥中心。
同步电路输出的控制脉冲应具有陡峭的前沿以保证分辨率的要求，具有一定的触发功率，此外，还必须注意同步脉冲的重复频率(单位时间内产生同步脉冲信号的次数，特别是在高速探伤的超声自动化检测系统中，这是很重要的参数之一)。目前商品化超声波探伤仪的重复频率一般在50-4000Hz范围。同步脉冲信号的重复频率决定了发射电路在单位时间内施加到超声探头上的发射电脉冲的次数，亦即决定了超声探头在单位时间内发射超声脉冲的次数。重复频率高，单位时间内触发时基电路的次数也增多，因此示波屏上单位时间内电子束对荧屏扫描的次数也增多，波形显示的亮度(辉度)也会增大(与人眼的余辉效应有关)。
应当注意的是，发射电路被触发而产生为激励探头发射超声波的电脉冲，其机理是利用电容器的充放电来实现的，当重复频率太高时，电容器充放电的时间间隔将会显著缩短，将容易产生电容器尚未充电到额定电压值时就开始放电的现象，从而导致发射功率下降-使检测灵敏度降低。
图1-5
重复频率太高时，也会使得两次超声脉冲之间的时间间隔太短，容易使第二次触发的超声脉冲与第一次触发的超声脉冲反射回波相遇而发生干扰，或者是进入了第一次触发的超声脉冲的周期内，也会形成干扰，或者说是第一次触发的脉冲波尚未充分衰减而落入第二次触发的周期内，形成干扰等等，结果会产生例如幻影波、假信号等。
举例来说，某工件厚度500毫米，材料中的超声波速度为5900米/秒，则工件上第一次底面回波返回到位于探测面上的超声探头的时间t1=2x(500mm/5.9x106mm/s)=169.5微秒，如果重复频率高于(1/169.5x10-6)=5.9KHz时，意味着第二次脉冲将会与第一次脉冲的第二次底面回波相遇并发生干扰。
事实上，由于目前商品化超声波探伤仪的重复频率一般都不超过4KHz，因此还不至于出现上述情况，而是往往会在第二次、第三次或第四次底面回波前出现干扰信号，也容易被误判为缺陷信号。上述例子是以底波为例，而位于工件探测面与底面之间的缺陷在反射时也同样有可能出现类似的干扰现象。
当被检材料透声性优良，而重复频率选择过高时，还会出现所谓“游动波”，特别在钢(例如5CrNIMo、1Cr11Ni2W2MoV、Cr17Ni2等)或铝合金锻件中容易出现。这种游动波酷似缺陷的反射回波信号，其特点是从荧光屏水平刻度的始波位置出发缓慢地(快慢不一)向底波方向移动，直至越过第一次底波之后，从始波位置起又重新出现并向底波方向游动，在不同条件下，其移动速度不同，有时极为缓慢，在探伤检测中应注意予以识别。当把重复频率降低后，这种游动波现象即会消失，因此其识别也是比较简单的。
相反，在高速自动化超声探伤中，为了保证高速扫查以提高检测效率但同时不致漏检，则要求有较高的重复频率，例如，工件厚度方向上某一深度位置存在一个缺陷，探头发出的第一次超声脉冲尚未投射到缺陷上，而探头第二次发射超声脉冲时，探头又已经越过了缺陷位置，从而造成漏检。这需要提高重复频率，亦即是缩短两次发射超声脉冲之间的时间间隔来弥补。假定探头的扫查速度为10米/秒，探头直径为20毫米，为了保证探头移动扫查过程中始终有声束覆盖探测区域以免漏检，则探头每移动20毫米应至少有一次超声脉冲发出，为此其重复频率至少应为1+(20mm/10x103mm/s)=500Hz。实际上，考虑到探测灵敏度的要求，声束覆盖区之间还必须有一定的交互覆盖，这里假定交互覆盖二分之一，也就是说重复频率应达到1KHz。
二.发射电路，又称高频脉冲电路、脉冲发生电路
在同步脉冲信号的触发下，发射电路产生大幅度的高频电脉冲输送给超声探头，激励探头发出具有相同中心频率的脉冲超声波入射到被检材料中去。发射脉冲的幅度(脉冲电压)和持续时间(脉冲宽度)的大小决定着发射功率(又称发射强度、发射能量)的大小。目前商品化超声波探伤仪的发射脉冲幅度多在400-500伏范围，有些大功率的超声波探伤仪器发射脉冲幅度能高达1000伏。在实际检测中，可以根据具体需要调整仪器的发射功率的大小。
发射功率大，其脉冲电压高，涉及到超声换能器元件的承受能力是否适合，如果电压太高，会导致压电晶体发热、加速老化甚至被击穿损坏，所以大功率超声波探伤仪使用的是专用探头而不能代以普通探头以免造成探头损坏。此外，发射功率大，其脉冲宽度也大，会影响检测时的分辨力，在要求高分辨力，特别是近表面分辨力要求高的情况下，则不宜使用过高的发射功率。当然，发射功率大，带来了检测灵敏度高、穿透距离大、穿透力强的好处，因此必须兼顾分辨力要求和被检材料的具体情况(如声衰减大小)等作综合考虑。
三.时基电路，又称时间扫描电路、扫描电路
在同步脉冲信号触发下，时基电路产生一个随时间呈线性变化的扫描锯齿波电压输送到示波管的水平偏转板上，示波管荧光屏上将出现一个电子束(光点)沿水平方向自左向右地、随时间成正比地扫描，由于人眼的余辉效应，在示波屏上将看到的是一条水平扫描线，又称为时基线或时间轴。同步脉冲信号每触发一次，电子束就扫描一次，所以重复频率越高，扫描线的亮度就越大。
通过调整时基电路内RC时间电路的电阻或电容，改变时间参数，可以改变扫描锯齿波电压的上升斜率，从而改变电子束的扫描速度，实现时基线与不同材料中不同的超声波传播时间(声速不同或传播距离不同)呈线性关系，亦即可以调节探测范围。超声探伤仪上的时基线长度应大于示波屏的宽度以满足实际检测时调整的需要，这在时基电路中是通过调整锯齿波电压的幅度来控制时基线长度的。