超聲波探傷
一、實驗目的
1.通過實驗瞭解超聲波探傷的基本原理；
2.掌握超聲波探傷儀器的各個旋鈕的名稱、功能和使用方法。
3.瞭解超聲檢測儀的使用規範 。
二、實驗裝置和器材
1.超聲檢測儀
2.直探頭和斜探頭
3.耦合劑：甘油
4.試塊和試件
三、實驗內容
超聲波探傷是利用探頭髮射超聲波掃描試件內部，在熒光屏上可得到工件兩介面（表面及底面）的反射波，如工件內部有缺陷，則缺陷將產生缺陷反射回波並顯示在兩介面波之間。缺陷波峰距兩介面波之間的距離即缺陷至兩介面之間的距離，缺陷大小及性質可按相關標準確定。
1、超聲波探傷原理
（1）超聲波的傳播特性
聲波是由物體的機械振動所發出的波動，它在均勻彈性介質中勻速傳播，其傳播距離與時間成正比。當聲波的頻率超過20000赫時，人耳已不能感受，即為超聲波。聲波的頻率、波長和聲速間的關係是： c （1） f
式中 λ——波長；c——波速；f——頻率。
由公式可見，聲波的波長與頻率成反比，超聲波則具有很短的波長。
超聲波探傷技術，就是利用超聲波的高頻率和短波長所決定的傳播特性。即：
1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介質中是直線傳播的，可以定向控制。
2）具有穿透性，頻率越高，波長越短，穿透能力越強，因此可以探測很深（尺寸大）的零件。穿透的介質超緻密，能量衰減越小，所以可用於探測金屬零件的缺陷。
3）具有介面反射性、折射性，對質量稀疏的空氣將發生全反射。聲波頻率越高，它的傳播特性越和光的傳播特性接近。如超聲波的反射、折射規律完全符合光的反射、折射規律。利用超聲波在零件中的勻速傳播以及在傳播中遇到介面時發生反射、折射等特性，即可以發現工件中的缺陷。因為缺陷處介質不再連續，缺陷與金屬的介面就要發生反射等。如圖1所示超聲波在工件中傳播，沒有傷時，如圖1a，聲波直達工件底面，遇介面全反射回來。
當工件中有垂直於聲波傳播方向的傷，聲波遇到傷介面也反射回來，如圖1b。當傷的形狀和位置決定介面與聲波傳播方向有角度時，將按光的反射規律產生聲波的反射傳播。
圖1 超聲波在工件中的傳播
2、超聲波探傷儀的工作原理
超聲波探傷儀首先是個超聲波發生器，它利用交流電源和振盪電路，產生高頻電脈衝，並可根據探傷要求調節脈衝的頻率及發射能量。超聲波探傷儀還具有將接受到的電脈衝依其能量的大小、時間的先後通過熒光顯示屏顯示出來的功能。其工作原理示於圖2。發生器使示波管產生水平掃描線（一條亮線，代表時間軸），接收放大器使接受到的脈衝訊號作用於示波管的垂直偏轉板，並按訊號收到的時間先後將水平掃描線的相應部位拉起脈衝值。始脈衝是儀器發射出去的原始脈衝訊號，傷脈衝是超聲波自工件內缺陷處返回的脈衝訊號，底脈衝則是超聲波自工件底部返回來的脈衝訊號。由於超聲波在工件內是勻速傳播的，因此在工件內走過的路程越長，返回的時間越晚，所以底脈衝要比傷脈衝出現的晚，它們在熒光屏上的水平距離反應了超聲波在工件內走過的距離。因此有:
db Iba
則 d
式中:d——工件表面至缺陷的距離。
I——沿探測方向的工件厚度。
b——傷脈衝到始脈衝的掃描刻度。
超聲波在介質中傳播是有能量衰減的。走過的距離越長，反射回來的能量也越小，表現在接收回來的脈衝高度要減少。如果傷較小，少量超聲波自傷處反射回來，將有一個矮的傷脈衝，此時大部分能量抵達工件底面，底脈衝仍較高。如果傷面積很大，則傷脈衝就會高，相應的底脈衝就會很小。如遇到傷很大，或其介面又不垂直於超聲波入射的方向（如圖1c），則傷脈衝沒有（反射波收不到），底脈衝也可能沒有。 bI （2） ba
ba——底脈衝到始脈衝的掃描刻度。
圖2 探傷儀工作原理示意圖
超聲波探頭是超聲波探傷儀的重要附件，工程上所用的探頭分為直探頭和斜探頭兩種。探頭又叫做換能器，探傷儀發射出來的是高頻電脈衝，利用探頭上的壓電晶體（常用鋯鈦酸鉛）將電脈衝轉換成機械振動——超聲波。探頭又可以將由工件上接收到的超聲波轉換成電脈衝，輸給接收放大電路，再加於示波管上。
3、各旋鈕功能
電源開關——用以接通電源。
電源指示燈——用以表示電源接通。
延遲掃描
把同步脈衝訊號延遲一段時間再觸發時間掃描電路的工作狀態，使時間掃描滯後於發射脈衝一段時間，延遲量可用延遲調節旋鈕調整。
輝度
調節示波管電子束的發射強度，控制示波屏上時基線與波形的顯示亮度。
聚焦
用於調節示波管電子束的聚焦程度，使示波屏上的時基
垂直調節
使時基線在示波屏上作上下移動以達到適合觀察的位置。
水平調節
使時基線在示波屏上左右移動達到適合的位置。
增益
包括步進分檔式的定量增益旋鈕（以分貝為計量單位）和連續可調的非定量增益旋鈕（多用作增益微調）。
衰減器
包括粗調（多以6、10或12dB步進分檔）和細調（0.5、1或2dB步進分檔）。調節接收放大電路的放大倍數，利用衰減器定量控制接收訊號的幅度大小。
發射強度
調節發射電脈衝的幅度（發射電壓）和持續時間（脈衝寬度），從而控制超聲波的輻射功率。 重複頻率
調節同步電路單位時間內產生同步脈衝的次數，從而控制單位時間內發射超聲脈衝的次數。 抑制
用於抑制雜波、電噪聲及材料本底噪聲等產生的不必要的干擾訊號，以提高信噪比和使波形顯示清晰，但也同時降低了檢測靈敏度。
深度補償
用於抑制近區靈敏度，相對地提高遠區靈敏度，以提高分辨力和減小有效探測盲區。 深度調節熒光屏掃描線所代表的`探測範圍分為粗調與細調，前者為分檔型，後者為連續調整型。相鄰分檔範圍可以相互覆蓋。 延遲用於調節同步脈衝觸發訊號在時基電路中延遲量的大小。
標記
利用標記旋鈕調節其在時基線上的位置，用作探測距離或某個回波位置的標誌點。 閘門起位調節報警閘門（矩形波）前沿（即監視起點）在顯示屏時基線上的位置（稱為閘門起始位置）。 閘門寬度調節報警閘門（矩形波）的寬度。
報警靈敏度
調節驅動報警裝置的電平閾值 。
報警
探傷儀上用於接通報警電路的開關。
報警輸出
把報警訊號輸送給外部報警裝置
工作頻率
根據超聲波探頭的工作頻率選定
標尺
控制示波管屏面刻度板照明
探頭選擇
探頭工作模式選擇的轉換開關
四、實驗步驟
1.實驗指導
1）指導教師講解超聲檢測儀使用注意事項。
2）指導教師藉助實驗裝置講解超聲檢測儀的工作原理和各旋鈕的功能。
2.學生練習
（1）將超聲檢測儀、探頭、電源線等正確連線，組成超聲檢測系統。
（2）依次開啟總電源、超聲檢測儀電源，觀察、記錄儀器顯示屏上的顯示情況。
（3）將直探頭置於塗有耦合劑甘油的CSⅠ型試塊上，並對準試塊下面的中心孔。（斜探頭可選用CSK-ⅠA試塊，對準R100的圓弧面）。
（4）調節超聲檢測儀的衰減器、深度旋鈕，觀察、記錄顯示屏上回撥的高度、水平位置的變化，並分析其原因。
（5）在儀器和探頭不作調整的情況下，將試塊換成同類型不同高度的試塊（斜探頭可換做探測CSK-ⅠA試塊上Φ50孔），再次觀察、記錄顯示屏上回波的變化，並分析其原因。
五、注意事項
1、探頭的保護
探頭表面為丙烯樹脂，對粗糙表面的重劃很敏感，因此在使用中應輕按。測粗糙表面時,儘量減少探頭在工作表面的划動。
2、實驗過程中，防止摔壞儀器、探頭和試塊。並注意自身安全。
