实验三超声波探伤仪探头标定实验指导书
一、 实验目的
1、熟练掌握数字探伤仪的使用方法；
2、掌握超声波探伤仪探头校准方法
3、理解探头K值、探测灵敏度的含义。
二、 预习内容
1、熟悉探伤仪使用说明书
2、了解实验设备
3、深刻理解实验内容和方法。
三、 实验内容
完成探头如下标定内容：校距离、校K值、制作距离波幅曲线、确定检测范围、确定探伤灵敏度。
四、 注意事项
探头K值应为2（探头规格2.5P 13´13 K2），由于要执行GB4730-93标准,根据此标准可知,校准用的标准试块为CSK-ⅠA,对比试块为CSK-ⅢA,当工件厚度为20mm时,则判废线为f 1´6+5dB,定量线为f 1´6-3dB,评定线为f 1´6-9dB,此三条线的f 1´6是指CSK-ⅢA试块上的人工缺陷(短横孔),三条线分别加减多少dB是以f 1´6短横孔为基准。
五、 实验条件
1、PXUT-320C超声波探伤仪
2、CSK-IA、CSK-IIIA试块
3、2.5PX13 K2探头
六、实验方法
1、校距离（或称距离校准）：
准备好CSK-ΙA型试块和2.5P 13´13K2探头,在仪器待命状态下，光标F在A扫前闪动，按↑、↓键，推滚出“校准”功能, 光标F在扫查前闪动，按¿键进入扫查，按
键，功能窗显示，按→键，使显示刻度变成1:1，按
键，功能窗显示，按←键，将100mm左、右刻度移到观察范围内。按两次
键，功能窗显示
,按→键将闸门拉宽到适当宽度，再按
键，功能窗显示
，按←、→键将闸门移动套住100mm左、右的适当范围,见图1.
图1
参考图2,移动探头,寻找R100圆弧的反射回波,按“峰值搜索”键，寻找最大反射回波，当找到最大反射回波后，坐标下方显示S=×××mm，及××%，此时，S的值应大于100，大于的数既是超声波在探头楔块中走过的距离，这个数对我们计算被检工件中的近场长度是非常重要的，××%说明当前回波高度，按¿键退出扫查功能，光标在扫查前闪动.
图2
按→键，将光标移至“校距离”前，按¿键进入校距离子功能，仪器自动进入闸门内最大回波搜索功能。移动探头，找到R100弧的反射波，按dB键，功能窗显示“dB”，按↑、↓键，将回波调至适当高度,（注：也可用自动增益键,将回波幅度自动调到满刻度的80%左、右）且回波一定要在闸门范围以内，否则需要重新调整闸门宽度及所在位置。轻微移动探头，找到最大反射波。按¿键退出“校距离”子功能。光标重新在“校距离”前闪动，表示已完成距离校准。
注：未完成距离校准前，R100弧的反射波，在大于100mm刻度的某一位置出现，完成上述操作后，其回波将自动移至100mm刻度处见图3。
图 3
按¿键进入校距离子功能，再按¿键退出，坐标下方同时显示有关参数值。其中S表示对已知R100弧的实测值，
如果「100-S」>0.1mm，说明上述校准精度不够，则需要重新校准。当得到满意的精度时，固定探头，用尺量出探头至R100弧端点的距离，并用100减去这个距离，将差值输入到探头前沿参数中。
2、K值校准：
距离校准结束后，将校准参数设置为15mm，坐标选择H（垂直深度），其他参数不变。
在“校准”功能中，按←、→键，将闪动的光标移到“扫查”子功能前，按¿键进入“扫查”子功能，按
键，功能显示窗变成，按→键将15mm刻度移到屏幕适当位置，移动探头在15mm座标附近找到15mm深的人工孔反射波，（CSK-ⅠA上的横通孔）按dB键，功能窗变成dB，按↑、↓键，将反射波幅度调至适当高度（也可用自动增益键直接调节）移动并调节闸门使其套住该反射波，闸门移动、调节过程与距离校准过程中闸门移动调节相同。按¿键退出“扫查”，光标将在“扫查”前重新闪动。
按→键将闪动的光标移到“校K值”子功能前，按¿键进入，找到最大反射波，按¿键退出校K值子功能，光标将重新闪动，表示K值校准完毕，此时，被测探头的实际K值显示在坐标轴的左下方，参数表中的探头K值同时被修改，见图4。
图 4
3、制作距离波幅曲线：
距离波幅曲线在实际探伤中，可以直接同反射波进行当量大小比较。由于同一规格型号的探头其灵敏度、K值等项指标均存有差别，所以在制作曲线时，一只探头只能对应一组曲线，也就是说，对于不同的探头，需用不同的曲线图，彼此间不能互用。为方便现场探伤，QKS-958型探伤仪可予先存入四组不同探头分别制作的曲线。
准备好CSK-ⅢA标准试块，在图四状态下，按↑键，推滚出〖波幅曲线〗功能，光标在选择“O”前闪动，按¿键进入选择子功能，光标“-”在选择后闪动，选择范围由“1-4”，如选择“1”，按“1”键，再按¿键，选择结束，光标重新在选择前闪动，按→将闪动的光标移至制作前，按¿键进入，闪动的光标“-”在制作后闪动，提示准备用几个不同深度的横孔做制作点（要求最少三个点，最多九个点）,如选用3个制作点，则按“3”键，再按¿键。仪器进入准备制作状态，第01次提示可制作第一点，按
键，功能窗显示
，按←或→键，将10mm坐标移至整刻度，把探头放在10mm深横孔一侧轻微移动，找出该孔反射回波，调节闸门使其套住该回波，按“dB”键和↑、↓键将波高调至满刻度的80%(也可用自动增益键调节波高)，按“峰值搜索”键，再轻微移动探头寻找最大反射波。确认波高无误后，按¿键，第一点测试结束，仪器自动将测试结果记录，此时第02次提示可做第2点，即用20mm深横孔做测试点。按上述操作步骤，将20mm、30mm深横孔的深度坐标移至整刻度，波高分别调至满刻度的80%进行测试，当测试结束后，仪器自动绘制出一组曲线，这组曲线就是在CSK-ⅢA试块上，利用10mm、20mm、30mm深度φ1×6三个横孔制作的，由上至下分别为判废线、定量线、评定线，三条曲线形成三个区域，“1、2、3”区，至此，曲线制作完毕，并自动存入仪器内，可长期掉电保存，见图5。
图 5
说明：
如执行的标准不同，即使用的试块不同，则选用做测试点的横孔深度不同，如使用SGB试块则第一横孔深度为5mm，做出曲线的起始点对应的深度坐标H值为5mm，其它操作过程如上述。
对“波幅曲线”功能中，选择子功能有如下解释：
（1）选择“1-4”，是对准备使用的4只探头制作的曲线进行编号，并相互对应。做完的曲线已分别存入仪器内部的曲线存储区，与其它存储方式不能混用。探伤时，使用哪一只探头则用选择子功能调出与之相对应的曲线。
（2）对使用过的探头需要重新测试或探头已报废，需要更换新的时，需重新做距离和Ｋ值校准，并要重新制作曲线。如此时，其它探头和与之对应的曲线还没有使用，而且不想将其报废，在选择曲线存储区时则要有针对性，因为任何一个存储区只记忆最后一次存入的信息，先前存入的将被取消。
（3）用准备使用的探头做完距离校准、K值校准和制作完曲线后，参数表中设置过的所有参数都将随曲线一起存储起来，使用时调出与使用的探头对应的曲线则相应的参数同时调出。
（4）利用选择子功能键调出要用的曲线，准备探伤时，由于实际探伤过程中被检工件的厚度经常变化，因此，参数表中工件厚度这项参数要随之进行修改，使之与实际被检工件厚度相同，否则，在利用焊缝判伤图形确定缺陷在焊缝中具体位置时，将出现错误。实际探伤中，有时需要用L(水平)或H(深度)做坐标，用“选择”子功能调出曲线后，也要将参数中的坐标一项做相应的设置.
4、确定检测范围：
在图五状态下，按↑键，仪器显示图6。
图 6
光标F在A扫前闪动，按¿键进入A扫，此时坐标显示H（深度），现场探伤使用深度（H）坐标较为方便，这里不做变化，观看图六坐标显示最大范围为24.2mm，实际探伤时坐标显示的最大范围应大于被检工件厚度的两倍。按
键，功能显示，按←键，坐标显示最大范围为48.4mm，按
键，功能窗显示，按←或→键，将闸门的左侧起点移至曲线的起点一齐，再按键，功能窗显示
，按→键，将闸门拉宽到H坐标40mm的位置，检测范围确定完毕。
5、确定探伤灵敏度：
在图6基础上，按dB键，功能窗显示dB，按↑键，将定量线起点升高至满屏的80%,见图七，探伤灵敏度确定完毕。
至此，探伤前的准备工作全部结束，可用仪器的当前状态到实际工件上去探伤。
图 7
七、实验报告
1、客观记录校准过程
2、对校准过程进行分析，说明其原因
3、解答思考题
八、思考题
1、为何进行探头校准？校准的主要方法是什么？
2、超声波探伤仪的使用需注意哪些问题？
3、何为K值校准？
第二篇：超声波测量实验指导书
超声波测量实验
一、 实验目的：
１．掌握超声波的传播特性。
２．理解脉冲超声波测距原理。
二、实验设备及用品：
JDUT-2超声波实验仪、示波器、专用测量铝块、直尺、超声耦合剂。
三、 实验原理：
超声波的产生与传播
能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。 一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收.
在本实验中，采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。
超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种:
纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
定位原理
利用超声波进行探测的另一个原因是超声探头发射的能量具有较强的指向性。指向性是指超声波探头发射声束扩散角的大小。扩散角越小，则指向性越好，对目标定位的准确性越高。在固体材料的尺寸测量、无损检测、超声诊断、潜艇导航等超声应用中，都利用了超声波的这一特点。
１． 超声波的传播特性
声波是由物体的机械振动所发出的波动，它在均匀弹性介质中匀速传播，其传播距离与时间成正比。当声波的频率超过20000赫时，人耳已不能感受，即为超声波。声波的频率、波长和声速间的是： ??c
f （1）
式中 ?——波长；c——波速； f——频率。
由公式可见，声波的波长与频率成反比，超声波则具有很短的波长。
超声波检测技术，就是利用超声波的高频率和短波长所决定的传播特性。即：
（1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介质中是直线传播的，可以定向控制。
（2）具有穿透性，频率越高，波长越短，穿透能力越强，因此可以探测很深（尺寸大）的零件。穿透的介质超致密，能量衰减越小，所以可用于探测金属零件的缺陷。
（3）具有界面反射性、折射性，对质量稀疏的空气将发生全反射。声波频率越高，它的传播特性越和光的传播特性接近。如超声波的反射、折射规律完全符合光的反射、折射规律。
利用超声波在零件中的匀速传播以及在传播中遇到界面时发生反射、折射等特性，即可以发现工件中的缺陷。因为缺陷处介质不再连续，缺陷与金属的界面就要发生反射等。如图1所示超声波在工件中传播，没有伤时，如图1a，声波直达工件底面，遇界面全反射回来。当工件中有垂直于声波传播方向的伤，声波遇到伤界面也反射回来，如图1b。当伤的形状和位置决定界面与声波传播方向有角度时，将按光的反射规律产生声波的反射传播。
图1 超声波在工件中的传播
３． 超声波检测仪的工作原理
超声波探伤仪首先是个超声波发生器，它利用交流电源和振荡电路，产生高频电脉冲，并可根据探伤要求调节脉冲的频率及发射能量。超声波探伤仪还具有将接受到的电脉冲依其能量的大小、时间的先后通过荧光显示屏显示出来的功能。其工作原理示于图
2。发生器使示波管产生水平扫描线（一条亮线，代表时间轴），接收放大器使接受到的脉冲信号作用于示波管的垂直偏转板，并按信号收到的时间先后将水平扫描线的相应部位拉起脉冲值。始脉冲是仪器发射出去的原始脉冲信号，伤脉冲是超声波自工件内缺陷处返回的脉冲信号，底脉冲则是超声波自工件底部返回来的脉冲信号。由于超声波在工件内是匀速传播的，因此在工件内走过的路程越长，返回的时间越晚，所以底脉冲要比伤脉冲出现的晚，它们在荧光屏上的水平距离反应了超声波在工件内走过的距离。因此有
d
I?b
b0 则 d?bb0?I （2）
式中 d——工件表面至缺陷的距离 I——沿探测方向的工件厚度
b——伤脉冲到始脉冲的扫描刻度 b0——底脉冲到始脉冲的扫描刻度
图2 探伤仪工作原理示意图
超声波在介质中传播是有能量衰减的。走过的距离越长，反射回来的能量也越小，表现在接收回来的脉冲高度要减少。如果伤较小，少量超声波自伤处反射回来，将有一个矮的伤脉冲，此时大部分能量抵达工件底面，底脉冲仍较高。如果伤面积很大，则伤脉冲就会高，相应的底脉冲就会很小。如遇到伤很大，或其界面又不垂直于超声波入射的方向（如图1c），则伤脉冲没有（反射波收不到），底脉冲也可能没有。
超声波探头是超声波探伤仪的重要附件，工程上所用的探头分为直探头和斜探头两种。探头又叫做换能器，探伤仪发射出来的是高频电脉冲，利用探头上的压电晶体（常用锆钛酸铅）将电脉冲转换成机械振动——超声波。探头又可以将由工件上接收到的超声波转换成电脉冲，输给接收放大电路，再加于示波管上。
四、实验内容：
1 声速测量
(1) 利用直探头测量试块纵波声速
(2) 利用斜探头测量试块横波声速
(3) 利用可变角探头测量试块表面波声速。
声速测量的方法很多 , 从使用的波形来分有连续波法和脉冲波法。脉冲波的方法又 有穿透法和反射法之分。在本实验中 , 采用的方法是脉冲波反射法。在实验一中已经介 绍 , 脉冲波是由不同频率成分的连续波合成 , 或者说脉冲波包含有不同成分的连续波。
而对于各向同性的介质 , 声波传播速度与频率无关。因此利用脉冲超声波测量声速不会 影响测量的准确性。
当超声波探头产生脉冲声波后 , 通过糯合剂进入介质。如果在传播的路径上遇到介 质畸变 , 如人工反射体、介质界面等 , 则部分声波会沿原来的路径反射回去 , 被探头所 接收。己知探头与人工反射体或介质界面的距离 , 通过测量声波传播的时间 , 则可测量
出介质的声速。测量方法如图3所示。声速可以按下式计算 :
C?2L
t2?t1 （3）
其中 ,L 是探头到反射体的距离。
图3 声速测量示意图
a) 测量纵波 : 把直探头置于 A 位置 , 调节示波器 , 显示
试块底面的二次回液 , 测 量回波的时间 t1 和 t2 。利用式 (3)
计算纵波声速。
b) 测量横波 : 把斜探头置于 B 位置 , 调节示波器 , 显示 R1
和 R2 圆弧边界反射回 波 , 移动探头 , 使两个回波同时达
到最大值 , 然后测量回波的时间 t1 和 t2 。利用 式 (3) 计
算横波声速。
c) 测量表面波 : 把可变角探头置于 C 位置 , 调节探头入射
角使其产生表面波 : 然 后调节示波器 , 找到 R1 和 R2 圆弧
上端边界反射表面波 , 测量回波的时间t1 和 t2，
利用式 (3) 计算表面波声速。
2 超声测长实验
(1) 利用表面波测量R2弧面的长度。
长度的测量是超声波测量的主要内容之一。一般地 , 在超声波测长中 , 被测物体首 先必须是各向同性的 , 同时物体必须有规则的反射面。如果己知物体的声速 , 通过测量时间, 则可计算物体的长度。利用反射回波进行测长时 , 测量公式如下 : L?C(t2?t1)
2 （4）
其中 ,C 是试块的声速 , t1 是第一界面反射回波的传播时间, t2 是第二界面反射回波
的传播时间。
对于规则几何形状的物体 , 如被测试块 , 其宽度方向和厚度方向的界面可以产生多 次反射回波。相邻两个回波之间的传播时间为声波在界面之间传播时间的两倍。
图4 表面波测长示意图
表面波测量也弧面的长度方法如图4所示 , 出现的两个反射回波分别对应于表 面波传播路径上两个突变点B1和 B2 。
四、 思考题：
五、
1.超声波探头与被测物体之间为何要加偶合剂？耦合剂的选择应遵从什么原则？
2.本次实验中，超声声速的测量误差主要是哪些因素引起的，应采取哪些措施来减小误差？
五、附录 C JDUT-2 型超声波实验仪操作说明
1 仪器连接
图5 仪器连接示意图
如图5所示 , 当采用单探头工作方式时 , 利用三通线把发射接收 接头连接起来
,
JDUT-2 型超声波实验仪只能够调节放大电路的衰减数值。衰减的单 位是分贝,用dB表示 , 定义如下 : 分贝值 =201gA (dB) 其中 A 是放大倍数。衰减器读数与放大器的放大倍数成对数关系。 超声仪衰减器动态范围是 96dB, 从 OdB 到 95dB: 调节步长为1dB 和10dB 两档。 3 示波器使用 利用通用型、频率在 20 兆以上的示波器可以完成本实验的所有内 容。有 关示波器的使用方法请参阅有关示波器的使用说明书。 4 注意事项 ( 1 ) 超声仪的发射接口向外发射 400V 的高压脉冲 , 因此它只能与接收接口 或探头相连 , 而不能够与超声仪的射频、检波、触发,或者示波器的 CHI 、 CH2, TRG 相连 : 否则会损坏仪器 ! (2) 超声仪的输出信号被限幅在 5V 左右 , 因此示波器在测量过 程中,一般 要求被测信号幅度不超过 2V 。 ( 3) 利用 CSK-IB 钢试块时 , 可以用水或则机油作为耦合剂 : 利用 CSK-IC 铝试块时 , 必须用机油作为耦合剂。实验完成后 , 必须擦干净 试块上残余的耦合剂, 否则会损坏试块。