超声波探头晶片材料的选择
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· 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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