超声波探伤仪、探头及试块——(第二节超声波探头).docVIP

第二章 超声波探伤仪、探头及试块 第二节 超声波探头 一、压电效应和压电材料 超声波探伤是利用超声波探头实现电气转换的，所以，超声波探头也叫超声波换能器，其电声转换是可逆的，且转换时间极短，可以忽略不计。根据产生超声波和电声转换方式的不同，可有多种不同类型的超声波换能器，这些电声转换方式有：利用某些金属(铁磁性材料)在交变磁场中的磁致伸缩，产生和接收超声波：利用电磁感应原理产生电磁超声以及利用机械振动、热效应和静电法等都能产生和接收超声波。目前用得最多的是以利用压电效应原理制成的压电材料超声换能器。 1. 压电材料的压电效应 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用下产生应变时引起晶体电荷不对称分配，异种电荷向正反两面集中，材料的晶体中就产生电场和极化，这种效应称为正压电效应。相反，当已极化的压电材料处于交变电场中时，由于极化作用的影响，在晶体中就会产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为逆压电效应，见图2–15所示。 图2–15 压电材料的压电效应 正、逆压电效应统称压电效应，它是一种互相可逆的物理效应，具有压电效应的材料叫压电材料，压电性是压电材料的特性。 石英是典型的压电单晶材料，沿X轴切割，并在X方向施加外力时，则在垂直于X轴的二个面上将产生等值异种电荷、晶体内即形成电场。反之，晶体二个面上加以交变电场，则在其X轴方向上就会产生伸缩变形，从而产生和接收传播方向与施力方向一致的纵波。图2–16为沿X轴切割的石英晶片。 压电陶瓷属多晶压电材料经人工烧结成型，它的压电效应机理与石英有所不同。压电陶瓷必须先进行极化处理，然后才会具有压电性。这是因为组成压电陶瓷的铁电体在末极化时铁电体内的电畴(与铁磁体中磁畴类同)各自具有一定的自发极化和本身的电场方向、分布杂乱无章，只有对这种材料施加较强的外电场，才能使电畴发生转动，并趋于与外电场方向一致，见图2–17所示。 图2–16 沿X轴切割的石英晶片 图2–17 压电陶瓷材料的电畴分布 当外加极化电极除去以后，将与永久磁铁的剩磁相仿，电畴方向也基本保持不变，而且成为很强的剩余极化；这种极化的晶体在交变电场作用下会产生电致伸缩变形，同时也会把伸缩变形变为电能输出；这样，压电陶瓷也具有了压电性。只有当温度达到居里点或施以强烈打击时，压电性才会消失。 当发射脉冲的交变电场方向与极化方向平行时，压电陶瓷就产生伸缩变形，产生振动与传播方向一致的纵波。当电场方向与极化方向垂直时，压电陶瓷将产生剪切变形，产生振动与传播方向垂直的横波，见图2–18所示。 2. 压电晶片的主要性能参数 压电材料是各向异性的材料，表征其特性的参数很多，工业探伤中大多制成压电晶片，它的主要性能参数有： (1) 机电耦合系数K 机电耦合系数是表征压电晶片中机械能与电能之间相互转换效率(耦合强弱)的重要参数，它定义如下： (发射状态) (接收状态) 图2–18 电场方向与极化方向对振的影响 探头晶片一般具有厚度和径向两个方向的伸缩振动，见图2–19所示；因此，机电耦合系数是有方向性的，其厚度方向用Kt表示，其径向方向用Kp表示。晶片的Kt越大，表示晶片在厚度方向的电声转换效率越高，探测灵敏度也越高。而晶片的Kp越大，不需要的低频谐振波增多，会使发射脉冲变宽，导致分辨力下降，盲区增大。 图2–19 晶片方向和径向伸缩 (2) 介电常数? 介电常数是表征压电晶片介电性能的参数，它与晶片附上电极后的电容有关，也就是与其电气阻抗有关。探头制作中考虑到阻抗匹配对它有一定要求；?越大，晶片电气阻抗越小。为使探头有较好阻抗匹配，?不宜太大。 (3) 机械品质因素Qm。 机械品质因素定义为： Qm是一个大于1的数，它反映了压电晶片振动时克服内磨擦所消耗能量的大小；Qm越大，机械损耗越小，则灵敏度会增高，但探头分辨力却成反比地下降，脉冲变宽，盲区也增大。实际探伤用探头都用在晶片背面充填声吸收材料(阻尼块)的方法来降低Qm值，提高分辨力，减小盲区。 (4) 压电模量d33、压电压力常数g33和压电应力常数e33 探伤用压电陶瓷都用极化方向的厚度振动，并用脚标“33”表示厚度方向。压电模量d33也叫压电应变常数，它表示压电体应力恒定时电场强度所产生应变变化与电场强度之比，即 (2–5) 式中：为厚度方向形变，为外加电压 d33越大，则由单位外加电压引起的变形越大，有利于提高晶片的发射效率。压电应力常数e33表示压电体应变恒定时，电场强度所产生的应力变化与电场强度之比；e33越大，表示用较小的电压能产生较大的晶片振动；因此，d33和e33大的晶片，可用作发射型探头的辐射。压电压力常