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超声波探头晶片材料的选择

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超声波探头晶片材料的选择
★★世纪期刊网-专业期刊论文服务网站★★ 【关于我们】 世纪期刊网专业提供中文期刊及学术论文、会议论文的原文传递及下载服务。 【版权申明】 世纪期刊网提供的电子版文件版权均归属原版权所有人,世纪期刊网不承担版权问,仅供您个人参考。 【联系方式】 商务及广告服务电话 013328196150 电子邮件 support@verylib.com 【网站地址】 世纪期刊网 http://www.verylib.com 【网上购书推荐商家】 当当网 卓越网 读书人网 京东IT数码商城 ★★百万篇博硕本科论文-世纪论文网★★ 网址 http://www.verylib.com.cn 本次文章生成时间:2009-12-25 14:45:22 文章内容从第二页开始! 请将本站向您的朋友传递及介绍! · 28· 轴承技术 2006年第 1期 超声波探头晶片材料的选择 (技术中心) 张筱旭 摘 要:叙述表征超声波探头晶片材料的一些主要性能指标、选用超声波探头晶片应遵循的基 本原则,同时列举常用的一些适合制作超声波探头晶片的材料。 关键词:超声波;探头;晶片 1 引育 随着科学和工业技术的不断发展和进步, 产品质量越来越为人们所重视,人们对产品质 量的要求越来越高,相应的对各种检测手段要 求也越来越高,因此,近些年各种检测技术和检 测手段得以迅速发展。 作为常规的五大无损检测技术之一,超声 波检测技术是利用超声波在介质中的传播性 质,对材料或构件中的缺陷和异常进行检测的 技术。由于它的穿透能力很强,对材料和人体 无害,使用方便等特点,被广泛地应用于现代工 业领域和高技术产业之中,诸如材料工业、机械 工业、石油化工、水文地质和宇航、能源等领域。 改善和提高超声波探伤的灵敏度、分辨率 等有效参数,总体来说有三种途径:研制出更先 进的超声波探伤仪、设计出合适的超声波探头、 摸索出更有效的探伤工艺。但是研制先进的超 声波探伤仪不是一般企业等使用单位可以做得 到的,而改进探伤工艺只能在一定程度上解决 问题。当零部件结构复杂时就很难处理了。 因此,根据每一个零部件在结构上、材质 上、缺陷允许程度上的不同,结合超声波探伤仪 的特点,设计和制作出适合的超声波探头几乎 成了企业和科研院所解决超声波探伤难题的唯 一 出路。事实上,无数个成功的说明,这种 方法是行之有效的。 要设计和制作超声波探头就必须对探头的 核心——晶片有一定的了解,本文就针对超声 波探头晶片的选择进行一些粗浅的讨论。 2 超声波的产生 超声波是一种机械波,它可在多种介质中 传播,超声探伤仪的基本原理主要是利用超声 波的反射和透射特性,通过接收回波信号,以此 进行缺陷评定。 超声波的获得是利用某些物质特定的物理 效应来实现的。原则上,凡是能将其他形式能 量转换成超声波振动方式能量的都可以用来发 生超声波。例如:利用机械冲击和摩擦产生超 声波的机械方法;利用物体表面突然发热时由 于热膨胀产生机械应力而发生超声波的热效应 法;利用铁磁材料在交变磁场中产生交变机械 变形而产生超声波的磁致伸缩法;利用通有交 变电流的线圈靠近导体,让电磁力作用于工件 表面而产生超声波的电磁声法等。 用于无损检测的超声波一般由机电换能器 产生,它是一种可以将电能转化为机械能、反之 亦可的装置,其中最常用的是压电换能器。被 选用的材料在机械加压时会产生电荷,反过来, 加上电压后会处于受力状态,经装配制作后通 常称作换能器、发射器、晶体或者探头;它是超 声探伤设备的重要组成部分。 3 常用的超声波晶片材料 适合作超声波换能器换能材料的常用材料 有天然石英晶体(SiO )、一水硫酸锂晶体(Ⅱ. SO4·H20)、碘酸锂(Lil03)、铌酸锂(LiNb03)、 钛酸钡(BaTi0。)、锆钛酸铅(P砑)、钛酸铅(Pb. "riO3)、偏铌酸铅(PbNb204)和极化的多晶陶瓷 等等。 轴承技术 2006年第1期 ·29· 这些晶体通过纯粹的机械作用在某一方向 (通常是选择轴向方向)伸长(或缩短)时,晶体 表面会产生电荷效应而带正电荷或者负电荷, 这种现象称为正压电效应;当在这些晶体的电 极面上施加高频交变电压时,晶体就会按电压 的交变频率和大小,在厚度方向伸长或缩短,产 生机械振动而辐射出高频的声波——超声波, 晶体的这种效应称为逆压电效应。具有正、逆 压电效应的晶体称为压电体。 通常把用于制作超声波探头的沿一定方向 切割好了的压电体称为晶片,晶片是探头的关 键部分,其性能好坏直接影响到探伤能力和探 伤结果。 4 表征超声波探头晶片的主要参数 压电材料是各向异性的,表征其特性的参 数很多,最主要的性能参数有: I)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,它的定义如下: K2= x 100%(发射 一输人到晶片的总电能 划 状态) K2= ×1oo% 一输人到晶片的总机械电能 (接受状态) 探头晶片一般具有轴向和径向两个方向的 伸缩振动,因此,机电耦合系数是有方向性的, 其轴向方向用 Kt表示,径向方向用 Kp表示。 晶片的Kt越大,表示晶片在轴向方向的电声转 换效率越高,探测灵敏度也越高,但同时也会导 致分辨力下降;而晶片的Kp越大,多余的低频 谐振波越多,会使发射脉冲变宽,导致分辨力下 降,盲区增大。一般来说,Kt、Kp的选择应该视 被检零件的要求所定,不能走极端。 2)介电常数8 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。8越大,晶片的电气阻抗越 小,超声波探头的阻抗匹配越难控制。 3)机械品质因素Qm 机械品质因素定义为: Qm 机械品质因素 Qm是一个大于 I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,灵敏度会增 高。但探头分辨力却成反比地下降。脉冲变宽, 探伤盲区增大。因此,在实际应用中,大家都会 在晶片背面填充声吸收材料(阻尼块)以降低 Qm值,提高分辨力,减小探伤盲区。 4)压电模具d,,、压电压力常数g,,、和压电 应力常数e,, 探伤用压电晶片通常都用极化方向的轴向 振动,并用脚标“33”表示轴向方向。压电模量 d 也称作压电应变常数,它表示压电晶片在应 力恒定时电场强度所产生的应变变化与电场强 度之比,即: dss= (m/V) 式中: △ta为轴向方向产生的形变 AUa为外加电压 (13,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 e拈表示压电晶片应变恒定 时,电场强度所产生的应力变化与电场强度之 比。即: e33= (n/V) 式中: Afa为电场产生的应力变化 △ua为外加电压 压电应力常数e,,越大,表示用较小的电压 能产生越大的晶片振动。因此,压电模量 和 压电应力常数e,,大的压电晶片,比较适合用于 发射型探头的辐射体。 压电压力常数g"表示晶片轴向方向的接 收性能,即: g33= (V·m/N) · 30· 轴承技术 2006年第 1期 式中: p为晶片产生的电压 P为晶片接收到的声压 g,,大,接收到较小声压也可以产生较大的 电压,从而有利于提高接收灵敏度,因此,g33大 的晶片常用作接收型探头的晶体。 5 选择探头晶片材料的原则 综上所述,在采用脉冲反射法探伤时,应选 择压电晶片作为超声波探头的晶片时应遵循以 下几项原则: 1)晶片要有尽可能高的轴向方向的转换 效率。即Kt要大,径向转换效率 Kp要小,也就 是Kt/Kp要大,以利于提高探测灵敏度; 2)晶片要有尽可能短的脉冲持续时间,即 在被激励后能很快地恢复静止状态,也就是 Qm要小,以利于获得较高的分辨力和较小的 盲区; 3)晶片的声阻抗与被检材料声阻抗要尽 可能接近,以利于阻抗匹配;晶片的频谱要尽可 能接近于高斯曲线,以利于获得好的波形。 另外,制作一收一发型双晶片探头时,要注 意选择压电模量 d ,、压电压力常数 g3,大的晶 片做发射晶片,选择压电应力常数 e,,大的晶片 作为接收晶片。 迄今为止,人们使用最多、应用范围最广的 是压电体石英晶体。作为换能器,x切割的石 英不论机械性能还是化学性能都有许多优点, 能够满足大多数情况下超声波探伤的要求。 。 (上接第27页) 决于滚子、磁轭、铜电极头、空气隙各段的磁压 降。各段磁压之和与线圈中电流产生的磁势相 等。应尽量减少磁轭、铜电极头、不确定闭合磁 路所产生的磁压降损失,使滚子得到应有的磁 场强度。实际中,目前多数滚子探伤机的磁化 结构都与图2所示情况相同,由于L2的情况实 际上比较复杂,因此,如果按照限定的磁化 规范参数确定磁化电流,其最终的磁化效果差 异很大,因此对每台确定的探伤设备须先行进 行实验,按标准规定的试件显示要求,确定其纵 向磁化规范参数。最终确定磁化磁势(安匝), 并以探伤工艺卡予以规范。 设备的结构影响纵向磁化规范的制定,应 充分考虑以下因素的影响: 1)滚子探伤设备的磁轭为开路结构时,空 气隙很大,由于空气隙的磁导率非常低,磁阻很 大,磁势产生的磁压降将大部分降到空气隙,导 致滚子不能得到足够的磁场强度,这将要求探 伤设备提供更高的磁化功率。 2)电磁轭铁心材料应采用磁导率高的软 钢或电工用钢,减少不必要的磁压降损失;同时 磁轭截面应大于工件的截面,磁力线从大截面 向小截面通过时,磁力线将密集,eP/]~截面上的 磁感应强度加强。 3)铜电极头的厚度不应太厚,否则磁压降 损失过大,造成整个磁路磁通量减少。 3.2 几个典型的磁化工艺实验(详细数据见 有关) 灵敏度试块 纵向磁化磁势(安匝) 实验六4#滚子磁粉搡伤机 货车轴承滚子 4ooO 实验七5#滚柱复合磁化磁粉探伤机 客车轴承滚子 5ooO 通过对实验六、实验七的实验数据分析。灵 敏度实物试块第5、第6孔磁痕清晰显示时: 轴承滚子纵向磁化磁势大大超过标准规 范。因此对每台确定的探伤设备须先行进行实 验,按标准规定的试件显示要求。确定其纵向磁 化规范参数,最终确定磁化磁势(安匝)。
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