超声波无损检测设计

超声波无损检测设计（共8篇）

篇1：超声波无损检测设计

这学期我们学习了机械故障诊断基础，学习了无损检测的很多方法和原理，那么什么是无损检测呢？无损检测是在不影响检测对象未来使用功能或现在的运行状态前提下，采用射线、超声、红外、电磁等原理技术仪器对材料、零件、设备进行缺陷、化学、物理参数的检测技术。常见的有超声波检测焊缝中的裂纹等方法，无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。

超声波无损检测原理

当然，无损检测在实际的工业中用途如此广泛，方法也有很多。我主要来谈谈超声波无损检测的一些认识，我们首先必须对超声波的工作原理必须有一定的了解，主要是基于超声波在试件中的传播特性。a.声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；

b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；

c.改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；

d.根据接收的超声波的特征，评估试件本身及内部是否存在缺陷及缺陷的特性。超声波检测的优点：

a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；

b.穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件； c.缺陷定位较准确；

d.对面积型缺陷的检出率较高；

e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；

f.检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。超声检测的适用范围：

a.从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；

b.从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等； c.从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等； d.从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米； e.从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

超声波检测仪器设备发展

在无损检测技术发展到现在，超神波检测技术的仪器设备已经发展的非常多了，20世纪70 年代以来，超声检测的数宇化、自动化、智能化和图象化成为超声无损检测技术研究的热点，标志着超声无损检测的现代化进程。近年来，随着传感技术、电子技术、自动控俐技术、记算机技术的发展，现代无损检测技术已经进人到以计算机控制为主的信息加工时代。表现在：生产过程实时监控和产品运行过程的监督(如对轧钢的生产线的监控)。对涂有各种厚度的防腐材料和保温层的工程检测技术：能自动扫描、自动定位与跟踪检测对象的各种检测机器人：对缺陷的自动识别与记算机模拟技术的深入研究等。其中计算机模拟或仿真技术就是可以不通过制造试件(顶埋有各种人工与自然缺陷).获得各种缺陷信号。采用计算机软件方法模拟检测过程，要对检测系统的结构与缺陷参数建立准确的数学模型比较困难，所以在实际生产中应用还相当少。超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。

超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图象化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图象化超声仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krautraemer公司、美国Panametrics公司、丹麦Force Institutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。早在20年代，人们就开始探索超声成象的原理及方法，使超声成象成为最早实现的超声无损检测技术。其后，经历了一个漫长发展历程，超声成象技术是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来。在现代无损检测技术中，超声成象技术是一种令人瞩目的新技术。超声图象可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，有着非常广阔的发展前景。现代超声成象技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成象系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图象化的进程。现代超声成象技术大多有自动化和智能化的特点，因而有许多优点，如检测的一致性好，可靠性、复现性高，存储的检测结果可随时调用，并可以对历次检测的结果自动比较，以对缺陷做动态检测等。总之，超声成象技术克服了传统超声检测不直观、判伤难，无记录的缺陷，减少了检测中人为干扰，有效地提高无损检测的可靠性，是定量无损检测的重要工具。目前已经使用和正在开发的成象技术包括:超声B扫描成象，超声C扫描成象、超声D扫描成象，ALOK(德文“振幅—传播时间—位置曲线”的缩写)成象，SAFT(合成孔径聚焦)成象，P扫描成象，超声全息成象，超声CT成象等技术。超声波检测仪器设备图片

超声波检测现状及发展趋势

近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展，超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。虽然取得了很大的成就，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间存在很大差距。具体表现在以下几个方面:

1、检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员虽拥有丰富的计算机等现代技术，却缺乏切实的实践经验.这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。特别像专家系统软件，以及有自动判伤。自动评定缺陷级别功能的软件编写应该引起足够的重视。

2、专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备利用率低。我国无损检测技术经过40年的发展，虽然应用已经遍及近30个系统领域，直接从事无损检测技术方面的人员已近20万左右，但是高技术专业人员较少。目前我国的投入不比日本少，国民生产总值只有日本的三分之一左右，这主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差，影响产品进入国际市场。

3、重视对无损检测技术领域的信息技术应用。当信息技术和无损检测结合以后，人们就可以最大限度地从检测过程中获取大量信息。

总之，当前迫切需要解决的问题是涉及实际工程应用中亟待解决的问题，如检测方法的规范化，判伤的标准化，检测和验收标准的制订，操作步骤的程序化.检测技术领域的信息化。另外.应该注重对无损检测人员资格进行全国统一的培训、鉴定和考核，力争使无损检测人员的培训与国际接轨。

篇2：超声波无损检测设计

在日常的检测工作中，有一些工件由于表面粗糙、形状特殊等原因，不能用常见的直接接触法来进行超声波检测。对于这类的工件，不妨尝试使用液浸法超声波探伤。液浸探伤相对于直接接触法而言，有如下优势： 1.当改变被检工件的尺寸或者形状时，不需要特殊的探头或楔块来匹配工件；

2.可以较简单地连续调整声束入射角，这对形状复杂的结构件的异形表面或新的检测工艺的研究而言都是必须的； 3.耦合液体可以连续使用；

4.由于不需要紧密的接触，因此检测速度能够非常快；

5.直接接触法探伤会因工件的表面形状、表面状况或尺寸的变化而产生比较大的耦合损失，液浸法则不会；

6.水槽中整个浸没有助于排除表面波，因表面波不规则地增加来自外表面的较小不连续性信号；

7.水槽提供延迟块以允许非常强的界面信号在弱信号返回到仪器之前就通过放大器。这一点当检测小尺寸管子和薄板时特别能显示出优越性。

主要缺点：主要缺点

①要由有经验的人员谨慎操作,依赖于探伤人员的经验和分析判断，准确性差；

②对粗糙、形状不规则、小、薄或非均质材料难以检查；

③对所发现缺陷作十分准确的定性、定量表征仍有困难。在液浸探伤法中，水作为一种易获取的耦合剂得到了很好的应用。因此，水浸探伤法是液浸探伤中最常用的一种检测方法。

下面通过一个铝压缩机旋转轮水浸探伤实例说明不同缺陷的水浸探伤波形显示： A、伪缺陷显示

水浸探伤中，始脉冲（由换能器激发）显示在最左边，接着是工件前表面的反射显示，当换能器沿轴方向移动时，折射声速恰好穿过U形槽的角并且产生伪缺陷波显示。

B、裂纹显示

将换能器沿轴向方向向右移动，在遇到裂纹时产生反射，此时屏幕显示波形如下图；

C、焊缝裂纹显示

下图是焊缝透平旋转轮的截图。在这个转轮中，锻造不锈钢周边焊接到锻造铁素轮毂上，即使采用先进的焊接技术，也有可能会在周边的热影响区中产生裂纹。因此这些裂纹出现常常足以要求100%的检测；

D、金属查渣和偏析的显示

在热影响区中象裂纹这样的平坦金属夹渣也给出像上图类似的显示。它们最常发现在边缘和远离焊缝的区域； E、锻造迸裂的显示

锻造时存在由材料的破裂引起的不规则形状空洞、锻造迸裂是不合格的，它可能是以群体聚集且产生许多不同程序幅度显示。夹渣的反射也可能是不同幅度但更可能是广泛的散射。下图的显示来自外径表面和内径表面的反射以及常见的群集锻造迸裂反射；

F、表面倒外圆的伪缺陷显示

水浸探伤时，表面状况可能引起伪缺陷显示。避免伪缺陷显示的最好的方法是对表面进行处理以完全避免超声波反射。但事实上，探伤表面的这些凹陷肉眼难以分辨。在这种情况下，这些凹陷会产生如下图所示的伪缺陷波；

G、热处理氧化皮的显示

热处理能产生薄的细微氧化皮或转轮表布的薄皮。这在接触法超声波探伤中就能产生混淆的超声波形显示。如果将探头直接放在转轮的表面氧化皮区域上，扩大的氧化皮尺寸能更清楚地说明这一情况。下图则是在表面有氧化皮的情况下的水浸探伤波形显示。

篇3：船用超声波液位检测器设计

1 工作原理

超声波测液位的基本原理[1]是: 发射传感器在脉冲信号激励下发出超声波, 声波通过传声媒介传到被测液体表面, 在液体表面形成反射波; 通过计算得到超声波从发射到接受所传播的时间, 再根据超声波在介质中的传播速度, 可计算出液位的高度。

2 硬件电路

超声波检测系统由超声波发射与接收探头、放大滤波电路、微处理器、温度补偿电路以及CAN通信电路组成。本设计选用PIC18F26K80 单片机作为主控芯片, 该单片机具有功耗低, 开发简单, 可靠性高, 自身带有CAN通信模块以及驱动能力强等优点。

2. 1 发送模块

超声波发射电路是在探头上施加与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲, 驱动超声波换能器发出具有一定能量的超声波。发射电路采用PIC单片机发出频率为105 k Hz的脉冲, 三极管和变压器对其升压放大, 驱动超声波换能器发射出能量足够大的超声波。

2. 2 接收模块

超声波信号在传播过程中, 由于介质吸收、声束扩散等原因会发生衰减, 接收到的回波信号很弱, 而且回波信号中伴随噪声信号, 因此接收电路要对回波信号进行放大、滤波。

接收电路如图1, 当回波信号经过三极管组成的放大电路后, 信号幅值放大15 倍, 其中二极管D8 起保护作用。因回波信号中包含超声波之外的其他干扰信号, 接收的信号会带有噪音, 因此需要带通滤波器滤波, 抑制噪声放大信号, 提高信噪比。本设计采用“无限制增益多路反馈”带通滤波器对前级信号进行放大滤波, 中心频率处放大2 倍, 带通滤波器的频率带宽10. 5 k Hz, 品质因数Q = 10。运算放大器的型号选择NE5532, 此放大器具有更好的噪声性能, 信号带宽窄, 并且可以单电源供电, 满足测量需要。为进一步防止噪声信号对测量的干扰, 设计一个比较器电路, 当信号超过阈值时, 判断为有效回波。

3 软件设计

软件设计框图如图2 所示。软件设计运用模块化程序设计思想, 对不同功能的程序进行分别编程, 这样不但使整个软件的层次和结构比较清晰, 而且有利于软件的调试和修改。

本设计采用回波计数的方法进行测量, 在发射超声波的同时, 单片机开始计数。当经过回波放大后的超声波大于门限电平时, 将会产生一个低电平的中断信号, 表示已接收到有效回波信号, 与此同时单片机停止计数。通过单片机的计数得出声波的渡越时间, 在获取渡越时间时采用中值滤波以得到准确的声波渡越时间。确定声波渡越时间的同时, 通过实时温度测量确定当下的声速。最后通过测得液位的高度以及容器的截面计算出液体的存量, 其结果通过CAN通信协议传输到上位机显示。

4 误差分析

1) 声波衰减误差[4]

空气介质本身不是完全纯净, 空气中超声波传播的波动方程为:

随着测量距离h的增加, 声波的振幅衰减不断增加, 收到的回波可能十分微弱, 要捕获第一个回波信号, 必须对回波进行足够的放大。如果不能准确判断第一个回波信号, 将会对测量的精度产生影响。在接收电路中采用三极管和运算放大器两级放大电路, 有助于减少此类误差。

2) 液面波动误差[5]

由于液体声阻抗比较大, 从空气射入液体表面的超声波会发生很强烈的反射[6]。但是游艇位于水面面上, 容器内部液体不断波动, 发射的超声波不一定会按照设定的方向返回, 可能造成测量误差。因此需要在容器内部放置一个浮子, 从而减少液面波动带来的波动的影响以提高测量的精度。

5 结论

随着科技的进步, 高精度并稳定液位检测器的需求不断扩大, 基于PIC单片机的超声波液位检测器采用105 k Hz的超声波探头, 通过温度补偿和滤波分析, 实现了精度高, 可靠性强的要求, 在游艇智能航行与监控领域中获得广泛的应用。

摘要：以PIC18F26K80为核心, 采用105 k Hz超声波换能器, 设计一种游艇内部使用的液位检测器。该液位检测器能够准确检测游艇中各液体的储量, 其结果以CAN总线的方式传送到上位机, 该电路主要包括超声波收发模块、温度补偿模块以及CAN通信模块。在0.05 m1 m范围内, 精度可达到0.01 m。

关键词：超声波,PIC单片机,CAN

参考文献

[1]丁辉.计算超声学:声场分析及应用[M].北京:科学出版社, 2010.

[2]李扬.基于超声波测距的船舶液位检测系统[D].重庆:重庆大学, 2012.

[3]王占选.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电声技术, 2014, 38 (2) :35-38.

[4]王丽娜, 赵东娥.基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究[D].长春:长春理工大学, 2007.

[5]张珂, 刘钢海.提高超声波测距精度的研究[J].现代电子技术, 2007 (15) :13-14.

篇4：超声波无损检测设计

【摘要】发动机盘、环类零件超声水浸检测时，根据检测工件厚度不同需更换不同频率的探头进行检测，一般探头依靠螺紋拧紧固定安装在水浸检测系统的探头座上，这种螺纹连接方式导致同一探头更换后探头声束指向性不同，探头指向角偏转，在探头接收信号时导致信号衰减，不利于埋深较大冶金缺陷的准确检测和定量，对于零件内部冶金缺陷存在漏检的隐患。为了保证检测准确性，每次更换探头后不得不对检测系统的距离波幅曲线进行校正，降低检测效率。本项技术就是针对以上问题，设计出便于操作、通用性强、带有准确定位的超声波探头定位安装装置，保证探头更换后探头声束指向性达到一致。

【关键词】无损检测；超声波探头；水浸探伤；探头指向角

引言

随着航空发动机推重比不断提高，对航空发动机盘、环类零件内部冶金质量要求也越来越高，超声水浸检测方法是盘、环类零件内部冶金缺陷检测的关键手段之一，及时有效地检测出零件的内部缺陷，对保证发动机的使用安全具有重要意义，而超声检测探头定位安装装置是水浸检测不可缺少的辅助工具。

在零件超声水浸检测时，根据检测工件厚度不同需更换不同频率的探头进行检测，一般探头依靠螺纹拧紧固定安装在水浸检测系统的探头座上，这种螺纹连接方式导致同一探头更换后探头声束指向性不同，探头指向角偏转，在探头接收信号时导致信号衰减，不利于埋深较大冶金缺陷的准确检测和定量，对于零件内部冶金缺陷存在漏检的隐患。为了保证检测准确性，每次更换探头后不得不对检测系统的距离波幅曲线进行校正，降低检测效率。本项技术就是针对以上问题，设计出便于操作、通用性强、带有准确定位的超声波探头定位安装装置，保证探头更换后探头声束指向性达到一致。

1、方案设计

超声水浸检测探头定位安装装置，主要包括定位卡座、转接头两部分。其中，定位卡座一端通过螺纹连接超声水浸检测系统原设备探头支撑臂，另一端与转接头连接，通过哨套配合保证二者同轴度、卡爪沟槽配合保证二者周向锁紧定位，转接头另一端与检测用探头连接。

图1是探头定位安装组装结构示意图。其中：1-原设备探头支撑臂、2-定位卡座、3-转接头、4-探头。

所述定位卡座（图2）在圆周方向均布设有2个沟槽，沟槽侧内部按莫氏锥体方式加工。

所述转接头（图3）在圆周方向上均布设有2个与定位卡座沟槽匹配的卡爪，同时与定位卡座连接端加工与定位卡座匹配的莫氏锥体。

另所述转接头，应根据探头数量加工多个转接头分别与探头组装备用，保证每次更换探头后探头声束轴线一致性，进而保证检测准确性。

2、下面通过具体实施方式对本设计方案做进一步详细说明：

本装置图1中：2（定位卡座）与1（原设备探头支撑臂）永久连接；根据4（探头）数量加工多个3（转接头），分别与4（探头）组装备用，保证每次更换探头后探头声束轴线一致性；2（定位卡座）与3（转接头）连接，哨套配合保证二者同轴度、卡爪沟槽配合保证二者周向锁紧定位。

探头定位安装步骤：

⑴将2（定位卡座）一端连接超声水浸检测系统1（原设备探头支撑臂），另一端与3（转接头）连接；

⑵将2（定位卡座）与4（探头）连接；

⑶将3（转接头）与2（定位卡座）连接。

3、结语

篇5：超声波无损检测设计

关键词:桥梁混凝土;建筑结构;超声波无损检测

超声波检测是超声波无损检测技术的一种，适用于工程施中过程质量的监测及工程竣工验收和结构物使用期间质量的鉴定，常用穿透法，即一例发射超声脉冲波另一侧接收通过被测物后的超声波。准确测定声速、首波幅度和波形，通过综合分析其大小及变化，可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况，为解决工程问题提供可靠的依据。

1 钢叠台梁箱梁内混凝土缝隙检测实例

某叠合梁桥跨度50十70十60m，采用双顶板钢箱梁结构。施工中双顶板间填充混凝土不够密实，影响结构质量。用超声波检测技术探明内填混凝土与钢箱梁之间的缝隙及其位置、确定化学补灌措施(布孔位置、浆材类型、灌浆压力等)、检测补浆效果。

1.1 测试方法

根据实际情况，在该桥的跨中、支点截面等受力重要截面及分段浇筑的接缝截面共布置16个测区，对于立面测点布置，采用了加密测点、立面扫描的方法，将可能产生缝隙的内填混凝土上部四角及中部作为重点，确保超声波能够扫描到这些区域。在钢箱梁两端已封闭、测试仪器及人员无法进入的情况下，采用精度比较高的“穿透法”，在钢箱梁外侧的混凝土翼板下缘发射超声波，在混凝土桥面板上接收。每个测区由6个超声波测点构成，如图1。

当钢箱梁与混凝土之间无空隙且厚度一定时，其传播路径是最短直线，即发射→直线穿过翼板混凝土→穿过钢腹板→直线穿过内填混凝土→穿过钢顶板→直线穿过混凝土桥面板→接收，见图1。当钢箱梁与内填混凝土之间存在空隙时，超声波不能直接穿过缝隙而必须绕过缝隙传播，其可能的传播路径有两种，一是发射→直线穿过翼板混凝土→顺着钢腹板→顺着钢顶板→直线穿过混凝土桥面板→接收;二是发射→直线穿过翼板混凝土→穿过钢腹板→折线穿过内填混凝土→穿过钢顶板→直线穿过混凝土桥面板→接收。空隙的存在使超声波传播距离增大、波幅衰减幅度增大、波的相位发生变化。

比较超声波通过给定距离的时间、相位及衰减幅度的计算值和实测值，可推断出缝隙的大小、所处位置及缝隙对于工程的严重程度。

1.2 测试结果及综合评价

超声波通过无缝隙结构的波形及有缝隙畸变波形如图2所示，灌浆前后两次超声检测部分结果见表1，

灌浆前缝隙检测表明：叠合梁支点截面较跨中截面缝隙数量多且程度严重，同一截面上，最容易产生缝隙或空洞的位置为钢箱梁内腹板与顶板交汇处;灌浆重点区域及横桥面灌浆孔的最佳开孔位置，在顺桥向缝隙的连通性尚可;灌浆孔开孔间距以10m左右为宜，化学浆材宜以稠浆(早强但渗透性稍差)为主、稀浆(强度增长较慢但渗透性很好)为辅。补灌后的灌浆效果检验表明：所抽检的8个测区除N7测区外，灌浆后各测点声时均有不同程度的减小，波形基本无畸变，波幅衰减幅度亦减小，说明内填混凝土与钢箱梁的缝隙已基本不存在，内填混凝土已经密实。

2 钢管混凝土缝隙检测实例

某钢管混凝土系杆拱桥跨径112m，拱肋为哑铃形。经过多年运营，经锤击检查发现部分截面钢管与混凝土已经脱开，导致拱肋实际受力状况与设计不符，但脱开程度、缝隙大小难以确定。为探明缝隙严重程度，指导灌浆并检验灌浆效果，采用超声波法对该桥钢管混凝土拱肋缝隙进行检测。

2.1 测试方法

考虑现场实际情况，在两片拱肋的拱脚、拱顶、L/4、L/8等处共布置18个测区，每个测区的测点分别布置在上下钢管的顶面、底面及两侧面，一侧发射、一侧接收，如图3。

为确保灌浆后能够立即对不够密实的区域进行二次灌浆，灌浆后抽样检验的抽样率为100%，即在灌浆前的所有测区、测试截面上重新进行对比测试。在现场选取同期浇筑的同标号混凝土构件布设12个测点，测得混凝土平均声速Vc=4200 m/s;在现场沿拱肋脊部布设12个声速测点，测得钢材平均声速V#=5350m/s。V#/Vc=1.274<л/2，说明绕射波不会先于透射波到达，因此可以采用首波法进行缺陷判断。

2.2 测试结果及综台评价

检测结果见表2。检测表明，灌浆前钢管混凝土拱肋大部分截面钢管与混凝土基本脱开，近拱脚处相对轻微，一般截面缝隙宽度在0.5-3、0mm之间;近拱顶截面处缝隙较为严重，部分截面缝隙宽度超过30mm;最容易产生缝隙的位置为钢管顶部的1/6-1/3弧长范围，缝隙严重且连通性差，因此宜采用渗透性能较好的化学浆材进行灌浆。

3 结语

对于钢一混凝土组合结构，采用超声波测试法，通过对声时、波幅、波形等参量的综合评价，检测混凝土结构内部缺陷，具有较好的准确性。依据超声波检测结果给出的灌浆建议与实际情况符合良好，灌浆后缺陷基本不存在，达到了预期的目标。

参考文献：

篇6：超声波检测教案

答：频率高于20000Hz的机械波称为超声波。重要特性：①超声波可定向发射，在介质中沿直线传播且具有良好的指向性。②超声波的能量高。③超声波在界面上能产生反射，折射和波型转换。④超声波穿透能力强。

2、产生超声波的必要条件是什么？

答：①要有作超声振动的波源（如探头中的晶片）。②要有能传播超声振动的弹性介质

什么是波长?什么是频率? 答:相邻两波峰(或波谷)的距离称为波长,每秒钟发生的波峰数称为频率 15.超声波检测利用超声波的哪些特性？ P4 答：①超声波有良好的指向性。②超声波在异质介面上将产生反射、折射、波型转换。③超声波在固体中容易传播

超声波的传播速度 P7-8 超声波垂直入射到界面时的反射和透射 P 15 超声波倾斜入射到界面时的反射和透射 P 21

1．何谓超声波声场？超声波声场的特征量有哪些？

答：充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，称为超声波声场。描述超声波声场的物理量即特征量有声压、声强和声阻抗。声压：超声波声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P与没有超声波存在时同一点的静压强P之差，称为该点的声压。声强：单位时间内通过与超声波传播方向垂直的单位面积的声能，称为声强。常用I表示。声阻抗：介质中某一点的声压P与该质点振动速度V之比，称为声阻抗，常用Z表示，声阻抗在数值上等于介质的密度与介质中声速C的乘积。

12．什么是波型转换？波型转换的发生与哪些因素有关？

答：①超声波入射到异质界面时，除产生入射波同类型的反射和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射或折射波，这种现象称为波型转换。②波型转换只发生在倾斜入射的场合，且与界面两侧介质的状态（液、固、气态）有关。

超声波的衰减

13．什么是超声波的衰减？引起超声衰减的主要原因有哪些？

答：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。衰减的主要原因：

①扩散衰减：由于声束的扩散，随着传播距离的增加，波束截面愈来愈大，从而使单位面积上的能量逐渐减少。这种衰减叫扩散衰减。扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，与传播介质的性质无关。

②散射衰减：超声波在传播过程中，遇到由不同声阻抗介质组成的界面时，发生散射（反射、折射或波型转换），使声波原传播方向上的能量减少。这种衰减称为散射衰减。材料中晶粒粗大（和波长相比）是引起散射衰减的主要因素。

③吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内磨擦（粘滞性）和热传导等因素，使声能转换成其他能量（热量）。这种衰减称为吸收衰减，又称粘滞衰减。散射衰减，吸收衰减与介质的性质有关，因此统称为材质衰减。

21.超声波检测利用超声波的哪些特性？

答：①超声波有良好的指向性，在超声波检测中，声源的尺寸一般都大于波长数倍以上，声束能集中在特定方向上，因此可按几何光学的原理判定缺陷位置。②超声波在异质介面上将产生反射、折射、波型转换、利用这些特性，可以获得从缺陷等异质界面反射回来的反射波及不同波型，从而达到探伤的目的。③超声波检测中，由于频率较高，固体中质点的振动是难以察觉的。因为声强与频率的平方成正比，所以超声波的能量比声波的能量大得多。④超声波在固体中容易传播。在固体中超声波的散射程度取决于晶粒度与波长之比，当晶粒小于波长时，几乎没有散射。在固体中，超声波传输损失小，探测深度大。33．什么叫探伤灵敏度？常用的调节探伤灵敏度的方法有几种？

答：探伤灵敏度是指在确定的探测范围的最大声程处发现规定大小缺陷的能力。有时也称为起始灵敏度或评定灵敏度。通常以标准反射体的当量尺寸表示。实际探伤中，常常将灵敏度适当提高，后者则称为扫查灵敏度或探测灵敏度。调节探伤灵敏度常用的方法有试块调节法和工件底波调节法。试块调节法包括以试块上人工标准反射体调节和水试块底波调节两种方式。工件底波调节法包括计算法，AVG曲线法，底面回波高度法等多种方式。

34．焊缝斜角探伤中，定位参数包括哪些主要内容？

答：缺陷位置的记录应包括下列各项：①缺陷位置的纵坐标：沿焊缝方向缺陷位置到焊缝探伤原点或检验分段标记点的距离。记录时应规定出正方向。②缺陷深度：缺陷到探测面的垂直距离。③缺陷水平距离：缺陷在探测面上的投影点到探头入射点的距离，也称作探头缺陷距离。有时以简化水平距离代之，即缺陷在探测面上投影点到探头前沿的距离，亦称缺陷前沿距离。④探头焊缝距离：探头入射点到焊缝中心线的距离。⑤缺陷位置的横坐标：缺陷在探测面上投影点到焊缝中心线的距离，记录时应规定的正方向。其数值可以从③、④两参数之差求得。实际探伤中，由于焊缝结构形式不同，缺陷定位时，可依据标准或检验规程的要求，记录以上全部或部分参数。

35．何谓缺陷定量？简述缺陷定量方法有几种？

答：超声波探伤中，确定工件中缺陷的大小和数量，称为缺陷定量。缺陷的大小包括缺陷的面积和长度。缺陷的定量方法很多，常用的有当量法，底波高度法和测长法。36．什么是当量尺寸？缺陷的当量定量法有几种？

答：将工件中自然缺陷的回波与同声程的某种标准反射体的回波进行比较，两者的回波等高时，标准反射体的尺寸就是该自然缺陷的当量尺寸。当量仅表示对声波的反射能力相当，并非尺寸相等。当量法包括：①试块比较法：将缺陷回波与试块上人工缺陷回波作比较对缺陷定量的方法。②计算法：利用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宣方法。③AVG曲线法：利用通用AVG曲线或实用AVG曲线确定缺陷当量尺寸的方法。

37．什么是缺陷的指示长度？测定缺陷指示长度的方法分为哪两大类？

答：按规定的灵敏度基准。根据探头移动距离测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。测定缺陷指示长度的方法分为相对灵敏度法和绝对灵敏度法两大类。①相对灵敏度法：是以缺陷最高回波为相对基准。沿缺陷长度方向移动探头，以缺陷波辐降低一定的dB值的探头位置作为缺陷边界来测定缺陷长度的方法。②绝对灵敏度法：是沿缺陷长度方向移动探头，以缺陷波幅降到规定的测长灵敏度的探头位置作为缺陷边界来测定长度的方法。

38．什么是缺陷定量的底波高度法？常用的方法有几种？

答：底波高度法是利用缺陷波与底波之比来衡量缺陷相对大小的方法，也称作底波百分比法。底波高度法常用两种方法表示缺陷相对大小：F/B法和F/BG法：①F/B法：是在一定灵敏度条件下，以缺陷波高F与缺陷处底波高B之比来衡量缺陷的相对大小的方法。②F/BG法：是在一定灵敏度条件下，以缺陷波高F与无缺陷处底波高BG之比来衡量缺陷相对大小的方法。底波高度法只能比较缺陷的相对大小，不能给出缺陷的当量尺寸。

99.名词解释：灵敏度

答：超声探伤系统所具有的探测最小缺陷的能力 100.名词解释：吸收

答：由于部分超声能量转变为热能而引起的衰减 101.名词解释：远场

答：近场以远的声场，在远场中，声波以一定的指向角传播，而且声压随距离的增大而单调地衰减 102.名词解释：重复频率

答：单位时间（秒）内产生的发射脉冲的次数 103.名词解释：频率常数

答：晶片共振频率与其厚度的乘积 104.名词解释：声场的指向性

答：波源发出的超声波集中在一定区域内，并且以束状向前传播的现象 105.名词解释：半波高度法

答：把最大反射波高降低一半（-6dB）用以测量缺陷指示长度的方法 106.名词解释：临界角

答：超声束的某个入射角，超过此角时某种特定的折射波型就不再产生 107.名词解释：阻尼

答：用电的或机械的方法来减少探头的振动持续时间

108.名词解释：距离幅度校准（距离幅度补偿、深度补偿）

答：用电子学方法改变放大量，使位于不同深度的相同反射体能够产生同样回波幅度的方法 109.名词解释：迟到回波

答：来自同一来源的回波，因所经的路径不同或在中途发生波型变换以致延迟到达的回波 110.名词解释：界面波

答：由声阻抗不同的两种介质的交界面产生的回波

111.什么叫超声场？反映超声场特征的主要参数是什么？

答：充满超声波能量的空间叫做超声场，反映超声场特征的重要物理量有声强、声压、声阻抗、声束扩散角、近场和远场区

112.超声探伤仪最重要的性能指标是什么？

答：超声探伤仪最重要的性能指标有：①分辨力；②动态范围；③水平线性；④垂直线性；⑤灵敏度；⑥信噪比

113.超声波探伤试块的作用是什么？

答：试块的作用是：①检验仪器和探头的组合性能；②确定灵敏度；③标定探测距离；④确定缺陷位置，评价缺陷大小

114.用CSK-1A试块可测定仪器和探头的哪些组合性能指标？

答：可测定的组合性能指标包括：①水平线性；②垂直线性；③灵敏度；④分辨力；⑤盲区；⑥声程；⑦入射点；⑧折射角

115.焊缝探伤时，用某K值探头的二次波发现一缺陷，当用水平距离1:1调节仪器的扫描时，怎样确定缺陷的埋藏深度？

答：采用下式确定缺陷的埋藏深度：h=2T-(水平距离/K)，式中：h-缺陷的埋藏深度；T-工件厚度；K-斜探头折射角的正切值

6.波长λ、声速C、频率f之间的关系是

λ=c/f

16.在平板对接焊缝的超声波检测中，为什么要用斜探头在焊缝两侧的母材表面上进行？

答：在焊缝母材两侧表面进行探测便于检出焊缝中各个方向的缺陷；便于使用一次、二次声程扫查整个焊缝截面，不会漏检；有些缺陷在一侧面发现后，可在另一侧面进行验证；一般母材表面光洁度比焊缝高，易于探头移动扫查，也可省去焊缝打磨的工作量

23．超声波探伤中常用的方法有几种？

答：常用两种方法表示缺陷相对大小：F/B法和F/BG法。（F表示缺陷波高、B表示缺陷处底波高、BG表示无缺陷处底波高）。

24．超声波焊缝检验中，“一次波法”与“直射法”是否为同一概念？

答：是同一概念。“一次波法”是指在斜角探伤中，超声束不经工件底面反射而直接对准缺陷的探测方法，亦称为直射法。11．探头保护膜的作用是什么？

答：保护膜加于探头压电晶片的前面，作用是保护压电晶片和电极，防止其磨损和碰坏。

12.对探头保护膜有哪些要求（至少3条）？

答：耐磨性好，强度高，材质衰减小，透声性好，厚度合适。13．简述聚焦探头的聚焦方法？

答：聚焦方法：凹曲面晶片直接聚焦 采用声透镜片聚焦。14．简述聚焦探头聚焦形式？ 答：聚焦形式：点聚焦和线聚焦。16.什么叫AVG曲线？

篇7：超声波检测技术

由于超声波具有激发容易、检测工艺简单、操作方便、价格便宜等优点，因此在道路状态检测中，特别是高等级水泥路面路基检测中的应用有着较广泛的前景。超声波是一种频率高于人耳能听到的频率（20Hz～20KHz）的声波。实践证明，频率愈高，检测分辨率愈高，则检测精度愈高。因此实践中利用超声波检测水泥路面状态时，其上限频率为100KHz、下限频率为20KHz。

超声波是一种波，因此它在传输过程中服从波的传输规律。例如：超声波在材料中保持直线行进；在两种不同材料的界面处发生反射；传播速度服从波的传输定理：ν＝λf（ν为波速，λ为波长，f为波的频率）。资料证明，波速对于水泥路面路基检测十分有用，因此一般也称超声波检测法为波速法。

波速法是超声波检测水泥路面路基状态的最基本的方法。研究证明，波在介质材料中行进的速度愈大，则介质材料的坚硬性愈大；反之，则介质材料愈松软。而介质材料的坚硬性实质上也反映了该种材料强度的高低，因此材料强度愈高，波速应愈大；材料强度愈低，则波速应愈小。这样，知道了波速，亦即知道了材料强度。在土工试块及某些岩体中利用波速法进行无损检测有比较成熟的经验，用得也比较广泛。但水泥路面路基情况比较特殊，作为无损检测的超声波探头无法生根或埋置，从而造成检测工作的难度。因此，应该采用波速法与回弹法相组合的综合法。超声波检测原理

篇8：混凝土超声无损检测系统设计

四通道超声波混凝土无损检测电路具体设计见图1。

1 超声波发射部分

超声发射电路的实质就是激励换能器的压电晶片, 使其将电信号转换成超声波, 本系统的发射电路由脉冲整形电路模块和高压脉冲产生模块组成。

本系统同步触发脉冲是由FPGA控制产生的, 其触发频率为100 Hz、脉宽为1 us。由于触发脉冲是一个方波信号, 含有丰富的高频分量, 若这些信号进入模拟系统将影响超声回波信号的质量, 有时甚至得不到超声回波信号。为此, 在该设计中, 通过加入光耦HCPL-0630 将数字系统与模拟系统充分隔离。由于8N80MOS管需要12 V驱动, 因此需要通过TC4427 将5 V脉冲整型成12 V脉冲。经过整型的脉冲信号通过控制8N80MOS管的通断来对电容进行充放电, 从而产生高压脉冲波, 激励探头产生超声波。

2 超声波模拟接收部分

超声波接收电路实现了超声波回波信号的前期处理, 主要由前级阻抗匹配放大电路、低噪声放大电路、巴特沃斯滤波器、全波放大电路五部分构成。本系统采用单电源供电系统, 具有携带方便、易于集成化等优点。

2. 1 前级阻抗匹配放大电路模块

由于超声波传感器接收到的回波信号仅有几毫伏, 所以前级信号处理的好坏直接决定了超声波接收电路的整体性能。尽管随着当今科技的高速发展, 很多低噪声高性能集成运算放大器被研发出来, 但其噪声系数仍远大于分立元件的噪声放大系数。为了高精度地检测微弱信号, 得到放大器的最小噪声系数, 本课题选用由结型场效应管J310 构成的低噪声、高输入阻抗的前级阻抗匹配放大电路。相比于其他形式的前级电路, 场效应管阻抗匹配电路具有输入阻抗高、噪声系数小、制造工艺简单、耗能少、供电电压范围大等优势。由于其导电粒子只有多子, 因此其稳定性极好, 抗辐射能力极强。前级阻抗匹配放大电路模块如图2 所示。

图2 是J310 场效应管构成的超声波接收电路的前级阻抗匹配放大部分, 图中二极管和稳压管的作用是保护接收电路, 防止电路受高压脉冲的冲击, RA3 电阻选用1 MΩ 保证其输入阻抗大输出阻抗小, 起到电路阻抗匹配的作用。

2. 2 低噪声放大电路模块

低噪声放大器是信号处理中一个极其重要的部分, 常用于小信号处理的前级, 不仅能放大传感器微弱信号, 而且能有效地抑制噪声, 提高电路分辨率。若在信号处理前级放置低噪声、高性能运放, 就能在尽可能满足增益的同时, 又有效地抑制电路的噪声, 从而使整个电路噪声大大减小, 提高了信噪比与分辨率。由此可见低噪声前级运放的性能决定了整个信号处理电路的性能, 对于整个系统技术参数的提高, 起到了至关重要作用。低噪声放大电路模块如图3 所示。

在这里选用带宽为100 M的低噪声运放AD8072。其中, 电容CB3 的作用是为了滤除前级J310 输出的直流分量, 电容CB3 选用0. 01 μF滤去回波信号中混有的50 Hz工频干扰。本系统采用单电源供电, 由于输入AD8072 的信号含有负峰信号, 为了防止输入信号烧毁芯片, 同时提高AD8072输出的动态范围, 必须在AD8072 同向端加入2. 5 V的偏置电压。

2. 3 二阶巴特沃斯带通滤波电路模块

由于超声波在混凝土内部传播时会遇到很多次折射、反射, 产生各种频率、各种幅值的噪声, 使超声波回波信号湮没到了噪声中无法识别, 为提高信号的信噪比和方便后续A/D对全波信号有效采集, 带通滤波器是必不可少的。相对于切比雪夫滤波器通带内增益不是单调变化, 贝塞尔滤波器有一个恒定的群延迟而言, 本文选用通带范围内平坦度较大的巴特沃斯带通滤波器。本系统设计了一个二阶巴特沃斯带通滤波器, 其中心频率为200 k Hz、带宽为100 k Hz。二阶巴特沃斯带通滤波电路如图4 所示。

2. 4 全波放大电路模块

经过前几级的放大后回波信号幅值仍然达不到要求, 因此对全波信号再进行放大是十分必要的。由于普通运放的信号峰峰值只可达到其电源电压的80% , 即出现饱和失真, 为了更好地解决问题, 本设计采用轨到轨输出的、高速电压反馈型、带宽为80 M的运放芯片AD8031 作为全波信号的放大器, 使回波信号幅值达到要求。全波放大电路模块如图5 所示。

3 数据采集部分

系统以FPGA为控制核心来完成四路回波信号的采集。其外围器件有AD采集芯片TLC5510、电平转换芯片74HC245、数据存储芯片IDT7205 及USB通信芯片CY7C68013A。上位机与下位机通过USB进行数据传输, 本系统设计的四通道采集卡可以实时观测采集波形, 并将采集数据读取保存, 以便后期的数据处理。

4 实验分析

实际合成孔径并不是将四路回波信号进行简单的叠加, 而是要经过复杂的聚焦过程来对信号进行重建, 图6 为本次实验波形合成孔径的示意图。

由图知各孔径到目标点P的距离rm是变化的, 可表示为:

其中, R为固定值, rm随着dm的不同呈曲线变化, 所以P点在各个孔径检测信号中反射回波到达时刻tm不同, 可表示为:

点P就可通过下式进行聚焦:

式中: F ( dm, tm) 为第m个孔径信号中点P的回波, s ( xi, yj) 为点P的重建信号, 按照上述SAFT算法, 混凝土结构中其它点也可进行聚焦[6]。按照以上理论我们对四路回波信号进行逐点时延, 通过合成孔径算法就能对回波信号进行重建。

上图是直径为10 cm的PVC管人工伤采集结果, 图7 为去掉直流偏置的四路有伤回波信号, 由以上分析理论可知, 要得到混凝土内某一点的聚焦成像, 只需要将每个探头接收的回波信号做时延处理并求和取平均即可, 这样既可以使超声回波信号幅值加强, 又可以使噪声信号幅值减弱, 达到了增强信号信噪比和横向分辨率的目的。图8 是通过合成孔径算法得到的回波信号。通过两图对比可以知道, 由合成孔径聚焦算法处理后的回波首波幅度为600 m V左右, 而传统方法采集的回波首波幅度为400 m V左右。表1 为合成孔径算法与传统测量方法测量结果。

表1 中 ΔV = V2- V1, 由表1 中数据可知, 合成孔径算法的回波幅度V2大于传统测量方法的回波幅度V1, 并且在缺陷尺寸越大时, ΔV的值越大, 合成孔径算法优势越明显。由实验数据可知该系统的分辨率得到了较大的提高。

5 结论

从实验数据可以看出: 混凝土检测系统分辨率得到了较大提高, 缺陷部位聚焦效果明显, 基本可以满足一般实用分辨要求。所以该系统结合合成孔径算法, 采取多组探头对于混凝土检测提供了一种很好的途径, 并且该系统具有快速、分辨率高、成本低等优点。

参考文献

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[4]李志强, 周宗辉, 徐东宇, 等.基于超声波技术的混凝土无损检测[J].计量检测, 2010 (3) :72-75.

[5]廖寅, 熊必成, 李秋锋, 等.混凝土结构超声阵列探头成像算法研究[J].压电与声光, 2013, 34 (6) :932-935.