灵敏度和分辨力（超声波检测技术）

超声检测灵敏度及分辨力的探讨

刘国余

（北方华锦化学工业集团有限公司检测中心，辽宁盘锦 124021） 摘 要：对超声检测灵敏度和分辨力进行定义，以及分辨力的测定方法；并探讨了超

声检测仪

和探头频率对灵敏度和分辨力的影响。

关键词：灵敏度；分辨力；超声检测；探伤仪；探头

1 灵敏度和分辨力的定义

1.1 广义的定义

1.1.1灵敏度 sensitivity

定义1：仪表、传感器等装置与系统的输出量的增量与输入量增量的比。 定义2：计量仪器的响应变化值除以相应激励变化值。

定义3：系统参数的变化对系统状态的影响程度。

1.1.2分辨力 resolution

定义1：导致标示值发生可观察到的被测量或供给量的最小变化。 定义2：仪器仪表能有意义地辨别被指示量两紧邻值的能力。

1.2 在超声检测中的定义

1.2.1灵敏度

超声检测中灵敏度是指整个检测系统（仪器与探头）发现最小缺陷的能力。发现的缺陷越小，灵敏度就越高。

1.2.2分辨力

超声检测系统的分辨力是指能够对一定大小的两个相邻反射体提供可分离指示时两者

的最小距

离。

2 超声检测灵敏度和分辨力

超声检测灵敏度与频率有关，超声检测灵敏度约为λ/2，由λ = c/f 可知，频率越高，越有利于发现更小缺陷。

超声波探伤分辨力分为近场分辨力（盲区）、远场分辨力。

近场分辨力主要取决于始脉冲占宽和仪器阻塞效应。

远场分辨力又可分为纵向分辨力、横向分辨力。

由于超声脉冲自身有一定宽度，在深度方向上分辨两个相邻信号的能力有一个最小限度（最小距离），称纵向分辨力。纵向分辨力主要取决于始脉冲占宽和探测灵敏度。 探头平移时，分辨两个相邻反射体的能力称为横向分辨力。横向分辨力取决于声速的宽度。

在工件的入射面和底面附近，可分辨的缺陷和相邻界面间的距离，称为入射面分辨力和底面分辨力，又称上表面分辨力和下表面分辨力。实际检测时，入射面分辨力和底面分辨力

与所用的检测灵敏度有关，检测灵敏度高时，界面脉冲或始波宽度会增大，使得分辨力变差。 3 超声检测分辨力的测定

3.1直探头（纵波）分辨力的测定：

3.1.1将仪器的抑制旋钮调至“0”，其他旋钮位置适当。

3.1.2将探头置于CSK－ⅠA试块上，前后移动探头，使显示屏上出现声程为85、91、100的三个反射波A、B、C。

3.1.3当A、B、C不能分开时，分辨力F1为：F1 = 20lg（a/b）dB。

3.1.4当A、B、C能分开时，分辨力F2为：F2 = 20lg（c/a）dB。

JB/T4730—2005标准中规定，直探头远场分辨力大于等于30dB。

3.2.2斜探头（横波）分辨力的测定：

3.2.1将仪器的抑制旋钮调至“0”，其他旋钮位置适当。

3.2.2将探头置于CSK－ⅠA试块上，对准Φ50㎜、Φ44㎜、Φ40㎜三个阶梯孔，使显示屏上出现三个反射波。

3.2.3移动探头并调节仪器，使Φ50㎜、Φ44㎜回波等高，其波峰为h1，波谷为h2，则其分辨力F3为：F3 = 20lg（h1/h2）dB。

JB/T4730—2005标准中规定，斜探头远场分辨力大于等于6dB。

4 超声波探伤仪和探头频率对灵敏度和分辨力的影响

4.1超声波探伤仪

超声波探伤仪主要由同步电路、扫描电路、发射电路、接受电路、显示电路和电源电路等组成。发射电路的发射强度越大，仪器灵敏度越高，但发射脉冲变宽，分辨力变差。接收

5电路影响检测灵敏度和分辨力，接受电路必须具有约10的放大能力。KV = 20lgU出/U入dB，

45一般检测仪的电压放大倍数可达10～10倍，相当于80～100dB。

4.2探头频率

超声检测频率一般在0.5～10MHz之间，选择范围大。在选择频率时应明确以下几点：

1.由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为λ/2，因此由λ = c/f 可知，提高频率，有利于发

现更小缺陷。

2.频率越高，脉冲宽度越小，分辨力也就越高，有利于区分相邻缺陷且缺陷定位精度高。

3.由θ0 = arcsin1.22λ/ D可知，频率越高，波长越短，半扩散角就越小，声束指向性也就越好，能量集中，发现小缺陷的能力也就越强，但相对的检测区域也就越小，仅能发现声束轴线附近的缺陷。

24. 由N = D/4λ可知，频率越高，近场区长度越大，对检测不利。

因此在实际检测中要综合考虑探头频率对半扩散角和近场区长度的影响，合理选择探头频率。一般是在保证检测灵敏度的前提下尽可能减少近场区长度。

参考文献：

［1］郑晖，林树青.全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材·超声检测

［2］沈建中.超声探伤灵敏度与灵敏度上限《无损检测》20xx年10月

［3］中华人民共和国行业标准《承压设备无损检测》2005-07-26

 

第二篇：第三章 超声波检测技术

第三章 超声波检测技术

1. 超声波检测原理简介

1.1原理：

利用超声波在缺陷界面的反射来进行对缺陷的定位、定量和定性。

1.2 超声波的产生和接受

产生：

逆压电效应：使用高频电压作用于压电晶片，使之产生高频的机械振动。

接受：

压电效应：将机械振动作用于压电晶片产生电荷，以电能的形式进入仪器。

探头（换能器）：

直探头

斜探头

双晶探头

聚焦探头

1.3 超声波的特征

1.3.1 频率高

f＞20KHz,检测使用范围为0.3MHz～10MHz,常用1～5MHz，可作为直线传播，可使用几何光学的理论，讨论反射、透射等实际问题。

1.3.2 波长短

如c=5900m/s，2.5MHz，λ=2.36mm。

属于毫米波，超声波传播距离长，探测厚度大，大大超过X-ray，穿透能力强。

1.3.3 具有波形转换的能力

可以使用纵波检测还可以使用于横波检测, 讨论波形的传播路径。

主要波形：

纵波（Longitudinal waves）

横波(Transverse waves or Shear waves)

1.3.4 检测灵敏度高

可检测的最小缺陷为波长的一半。

1.3.5 超声波声场的近场和指向性

近场：

声源轴线上的声压有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，

N=Rs2/λ=Ds2/(4λ)=Fs/(πλ)

指向性：

声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。

定量描述： 用θ0称，为半扩散角（或指向角），2θ0范围内的声束叫做主声束。

θ0=arcsin (1.22λ/Rs)。

1.4 超声波检测方法

1.4.1 穿透法

一收一发探头，两平行面检测，会漏检（缺陷距底面距离大于声影长度）。

1.4.2 共振法

连续波，用于测厚。δ=nλ/2,n共振次数。c=fλ, δ=c(fn-fn-1)/2

探头晶片厚度的计算

压电晶片的振动频率f即探头的工作频率，它主要取决于晶片的厚度T和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率（即基频）是其厚度的函数；可以证明，晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。 通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt，若:

T= λ/ 2 ,则：

Nt＝f ·T ＝C/2

式中：C为晶片材料中的纵波声速。

由式可知，频率越高, 晶片越薄，制作越困难，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。

1.4.3 脉冲反射法（A型为主）

向工件中发射脉冲，脉冲遇到界面产生反射，根据反射信号来确定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。

2 超声波检测通用技术

2.1 检测前的准备工作

标准的选择

仪器的选择

耦合剂的选择

探头的选择

探头种类，大小和频率

斜探头入射角、折射角和K值

探头的类型

常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。

晶片尺寸

探头圆晶片尺寸一般为φ10～φ30mm，晶片大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。

（1）由θ0=arcsin(l.22λ/D)可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。

（2）由N＝D2/(4λ)可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。

（3）晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

频率大小

超声波探伤频率在0.5～1OMHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素：

（1）由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为λ/2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。

（2）频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。

（3）由θ0=arcsin(l.22λ/D)可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指问性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。

（4）由N=D2/(4λ)可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。

（5) 由αs= C2Fd2f4可知，频率增加，衰减急剧增加。

对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.5～5.0MHz，对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.5～2.5MHz。

如果频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。

探头K值

探头的K 值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响。对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工件，βs＝40°（K＝O.84）左右时，即探伤灵敏度最高。

K值大，β大，一次波的声程大，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区探伤。当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减。便于发现深度较大处的缺陷。

在焊缝探伤中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透，还要考虑端角反射问题，应使K=O.7～1.5，因为K＜0.7或K＞1.5，端角反射率很低，容易引起漏检。

2.2 线性调节（扫描线调节）

2.2.1 概念

仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值τ与实际声程x（单程）的比例关系,即τ:x=1:n 称为扫描速度或时基扫描线比例。

如扫描速度1:2 表示仪器示波屏上水平刻度1小格表示实际声程2mm。

如扫描速度2:1 表示仪器示波屏上水平刻度2小格表示实际声程1mm。

2.2.2 纵波扫描速度的调节

纵波探伤一般按纵波声程来调节扫描速度。具体调节方法是：将纵波探头对准厚度适当的平底面或曲底面，使两次不同的底波分别对准相应的水平刻度值。

如探测厚度为100mm工件，扫描速度为1:4，现利用IIW试块调节。

将探头对准试块上厚为100mm的底面，调节仪器“深度微调”、“脉冲移位”旋钮,使底被B2、B4 分别对准水平刻度50、100，这时扫描线水平刻度值与实际声程的比例正好为l:4。

2.2.3 横波扫描速度的调节

横波探伤时，缺陷位置可由折射角β和声程x来确定，也可由缺陷的水平距离l 和深度d来确定。

横波扫描速度的调节方法有三种：声程调节法、水平调节法和深度调节法 。

（1）声程调节法

声程调节法是使示波屏上的水平刻度值τ与横波声程x成比例，即τ:x=1:n。这时仪器示波屏上直接显示横波声程。

按声程调节横波扫描速度可在IIW、CSK-IA、IIW2、半圆试块以及其它试块或工件上进行。

（2）水平调节法

水平调节法是指示波屏上水平刻度值τ与反射体的水平距离l成比例,即τ:l=1:n。

示波屏水平刻度值直接显示反射体的水平投影距离（简称水平距离），多用于薄板工件焊缝横波探伤。

按水平距离调节横波扫描速度可在CSK-ⅠA试块、半圆试块、横孔等试块上进行。

（3）深度调节法

深度调节法是使示波屏上的水平刻度值τ与反射体深度d成比例，即τ:d=1:n，这时示波屏水平刻度值直接显示深度距离。

常用于较厚工件焊缝的横波深伤。

深度调节横波扫描速度可在CSK-ⅠA试块、半圆试块和横孔试块等试块上调节。

2.3 检测灵敏度的调节和校准

探伤灵敏度是指在确定的声程范围内发现规定大小缺陷的能力，一般由产品技术要求或有关标准确定。

探伤灵敏度太高或太低都对探伤不利。灵敏度太高，示波屏上杂波多，判伤困难，灵敏度低，容易引起漏检。

灵敏度可通过调节仪器上的[增益]、[衰减器]、[发射强度]等灵敏度旋钮来实现。

调整探伤灵敏度的常用方法有试块调整法和工件底波调整法两种。

试块调整法

将规定的人工缺陷的最高反射回波达基准高，这时灵敏度就调好了。

工件底波调整法

利用工件底波调整探伤灵敏度是根据工件底面回波与规定的同深度的人工缺陷（如平底孔）回波波高差值调整探伤灵敏度。

2.4 扫查方式

（1）锯齿形扫查：探头沿锯齿形路线进行扫查。扫查时，探头要作10°～15°转动，每次前进齿距d不得超过探头晶片直径。

（2）左右扫查与前后扫查：当用锯齿形扫查发现缺陷时，可用左右扫查和前后扫查找到回波的最大值，用左右扫查来确定缺陷沿焊缝方向的长度；用前后扫查来确定缺陷的水平距离或深度。

（3）转角扫查：利用它可以推断缺陷的方向。

（4）环绕扫查：它可用于推断缺陷的形状。环绕扫查时，回波高度几乎不变，则可判断为点状缺陷。

（5）平行或斜平行扫查：为了检验焊缝或热影响区的横向缺陷，但灵敏度要适当提高。

（6）串列式扫查：在厚板焊缝探伤中，与探伤面垂直的内部未焊透、未熔合等缺陷用单一K值斜探头很难探出，可采用两种不同K值探头探伤，也可采用串列式扫查探伤。

2.5 缺陷位置的测定

超声波探伤中缺陷位置的测定是确定缺陷在工件中的位置，简称定位。一般可根据示波屏上缺陷波的水平刻度值与扫描速度来对缺陷定位。

纵波（直探头）探伤时缺陷定位

仪器按1:n调节纵波扫描速度，缺陷波前沿所对的水平刻度值为τf，则缺陷至探头的距离xf为：xf =nτf 。

例如：用纵波直探头探伤某工件，仪器按1:2调节纵波扫描速度，探伤中示波屏上水平刻度值70处出现一缺陷波，那么此缺陷至探头的距离xf为：

xf =nτf =2×70=140mm

横波探伤平面时缺陷定位

横波斜探头探伤时，波束轴线在探测面处发生折射，工件中缺陷的位置由探头的折射角和声程确定或由缺陷的水平和垂直方向的投影来确定。

由于横波扫描速度可按声程、水平、深度来调节，因此缺陷定位的方法也不一样。

例：用β=40°的探头探测T＝30mm的对接焊缝，仪器按声程1∶l调节扫描速度，探伤中在示波屏水平刻度60处出现一缺陷波，求此缺陷在焊缝中的位置。

解：由已知得一、二次波的声程为

x1=T/cosβ=30/cos40°=39.2 mm

x2=2x1=78.4 mm

39.2 mm＜xf＝60 mm＜78.4 mm

可见此缺陷是二次波发现的，因此有

lf＝xfsinβ=60×sin40°≈38.6（mm）

hf＝2T-xfcosβ＝2×30-60×cos40°≈14（mm）

答：此缺陷的水平距离为38.6mm，深度为14mm。

2.6 缺陷定量

缺陷定量包括确定缺陷的大小和数量，

缺陷的大小指缺陷的面积和长度。

常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长法三种。

当量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于声束截面的情况，测长法用于缺陷尺寸大于声束截面的情况。

2.6.1当量法

当量试块比较法

当量计算法

当量AVG曲线法 ;

2.6.2 底波高度法

底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。

当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高与底波高之比就愈大。

1．F／BF法

2．F／BG法

3．BG／BF 法

8.5.3 测长法

当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般采用测长法来确定缺陷的长度。

测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸，按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。

1）相对灵敏度测长法

相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波为相对基准、沿缺陷的长度方向移动探头，降低一定的dB值来测定缺陷的长度。

2）绝对灵敏度测长法

绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度一定的条件下，探头沿缺陷长度方向平行移动，当缺陷波高降到规定位置时（如图所示B 线），探头移动的距离，即为缺陷的指示长度。

3）端点峰值法

探头在测长扫查过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，则可以缺陷两端反射波极大值之间探头的移动长度来确定为缺陷的指示长度

2.7 缺陷的等级评定

按选用的方法标准对已经定位和定量的缺陷进行等级评定，并按验收标准作出被检对象合格与否的判定。

3.超声波检测的应用

3.1 板材

3.2 锻件

3.3 焊缝

3.4 管道

习题

1.超声波检测原理是什么？有什么特点？

2.超声波检测常用探头（换能器）有哪几种？各有什么特点？

3.超声波声场有哪些特点？对检测有何指导意义？

4.简述超声波检测的主要步骤和操作要点。

5.超声波检测的定量方法有哪几种？怎样选用？