温度对超声波探头灵敏度的影响研究

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1、温度对超声波探头敏捷度的影响研究 摘要：在恒温工作台上将原则试块加热,测试不同温度下,高温探头发射/接受超声波能力的变化，以研究温度对探头压电效应的影响。实验成果证明,高温使探头的压电效应削弱,探头发射和接受超声波的能力因此大幅减少甚至完全消失,从而制约了高温超声波检测技术的应用。由于常规超声检测只能在6条件下应用,而石油化工等行业，有大量承压设备在高温条件下运营，常规超声检测技术无法对其进行在线检测。 因此近年来国内某些科研机构开始尝试开发高温超声检测技术,并有某些应用实例见诸报道。温度对超声的影响表目前当温度升高时,超声波声速减小,斜探头的折 射角增大,超声波在介质中传播的衰减加大。温度的

2、另一种重要影响是对探头晶片压电效应的影响。压电效应与温度有关,温度升高时压电效应削弱,当达到某一温度即居里温度时，压电效应完全消失。在常规超声检测中，探头和工件基本没有温差,因此压电效应也是恒定不变的。但在高温超声检测中,随着探头与工件的接触时间延长,工件的热量逐渐传入探头,导致探头温度逐渐升高,压电效应逐渐削弱甚至完全消失。笔者在此通过实验对这一现象进行研究。1 实验所用的设备器材超声波检测仪采用武汉中科创新生产的s1型数字超声波检测仪。高温探头来自国外,两只型号分别为wgv(下称探头)和 w602g(下称探头)。探头频率为2 mhz,最高工作温度时必须间歇工作,每次工作时间2s。高温耦合剂

3、采用美国sono公司出产的s-no5和soo90型高温耦合剂，最高工作温度可达343和0。恒温工作台由笔者设计，国内某专业厂家制造(图1)。工作台温度可在5000内持续调节，温度误差。工作台上设计有凹槽,可将ck试块所有嵌入槽内加热。2实验措施和成果将sk-试块嵌入恒温工作台的槽内,先在常温下(0)将探头对准试块的r m圆弧面,找到最高回波,调节超声波检测仪的“自动增益”按钮,使回波在仪器上的显示高度为满屏幕的0%,记下此时仪器的增益分贝数。保持仪器的增益 不变,将恒温工作台加热到不同的温度,待试块的温度与工作台的温度一致时,在试块上涂敷耦合剂,等待几秒钟后耦合剂的温度也与工作台的温度一致,再

4、将探头对准试块的10m圆弧面,找到最高回波,记录回波在仪器上的显示波高（占满屏幕的比例)。表和表2分别为两个探头的实验数据。根据表和表的数据绘出不同温度下探头反射波高随时间变化的曲线见图和3。 成果分析.1 高温时超声波衰减的状况在高温超声波检测中,超声波在传播过程中的损失涉及在探头耦合剂-工件的界面上的耦合损失、超声波在介质内传播的衰减损失，以及由于探头压电 效应削弱导致的探头发射和接受超声波效率下降的损失。衰减损失随着温度升高而增大。耦合界面的损失则比较复杂,对于实验所用的高温耦合剂来说,在常温下耦 合剂为凝固状,耦合性能较差；随着温度升高变为液状,耦合性能变好;当温度继续升高,耦合剂中的

5、润湿性物质挥发，耦合性能又变差。压电效应随着温度升高而 削弱,当温度达到压电晶片的居里温度时,压电效应完全消失。实验成果反映了这三个因素的综合影响。分析表和表2的数据,可以看出:(1)在20时,探头、工件和耦合剂的温度相似,耦合损失、衰减损失和压电效应都不会发生变化,因此反射回波波高也是恒定的。在50时，探 头在前几秒钟时间内,波高有轻微的下降,探头1从83%下降到,相称于下降了b;探头2从82下降到%,相称于下降了10 b。当探头的温度升高到与试块温度相似时,波高保持恒定不再下降。因此在0如下时,可无需考虑温度对探头的影响。()在探头与加热过的试块刚接触的一瞬间,可以觉得试块的热量尚未传入探

6、头，因此探头发射和接受超声波的能力与常温时相似，但这一瞬间所测得的回波波高仍有较大的差别，这个差别是由耦合损失和衰减损失共同引起的。在50和100时，耦合改善减少的超声波损失不小于衰减增长的损失,因此起始波 高比常温时略微高某些。时则与常温时相称。在200以上时,由于耦合和衰减引起的损失都在增长，因此起始波高明显下降,探头1从常温时的8%下降到了6%,相称于衰减了9 d;探头2从常温时的8%下降到了2%,相称于衰减了12。（3)当试块在某一恒定温度下，衰减损失是不变的;由于在实验过程中,探头是在耦合剂的温度与试块的温度一致后再放上去的,且每次实验持续的时 间只有1 in左右,因此可以觉得耦合剂

7、的耦合特性也是基本不变的。在一定温度下,回波波高时间的变化反映了温度对探头压电效应的影响。当温度0时,温度对探头压电效应的影响非常明显。如探头1在100时,波高从刚与试块接触的85%下降到47%后才不再下降,相称于下降了5.1 db;在1时,波高从刚与试块接触的80%下降到后才不再下降,相称于下降了14. b。当温度在0以上时,探头与试块接触不到1 s时间，波高已下降到不可见。探头2在时，波高从刚与试块接触的下降到3后才不再下降,相称于下降了8. b;在0时,波高从刚与试块接触的78%下降到1后才不再下降，相称于下降了17.b。当温度在00以上时,探头与试块接触不到0 s时间，波高已下降到不可

8、见。3.2 高温给超声检测带来的不利影响高温下探头压电效应随温度升高而削弱的现象给超声检测带来的不利影响,表目前如下几种方面：(1)高温探头只能在较低的温度下持续工作，当温度较高时必须间歇工作。在超声检测中，给缺陷精拟定位和定量都是以找到缺陷的最高回波为准。但对高温超声波检测,在探头与工件短时接触的过程中,探头发射和接受超声波的能力不再是恒定的,而是随着与工件接触的时间迅速下降，这样拟定缺陷的最高回波变得几乎不也许,因而无法给缺陷精拟定位和定量。()压电效应下降使得探头发射和接受超声波的能力同步削弱,工件内的缺陷所显示的信号幅度大幅下降,某些小的缺陷将难于或无法检出。(3)由于超声波信号迅速下降,留给检测人员扫查和观测波形的时间很短,因此操作难度很大。(4)高温损害探头的性能,虽然再冷却到室温,探头发射和接受超声波的能力也不能完全恢复到本来的水平。因此高温探头使用一定次数后,性能会下降乃至报废。 结语高温下探头压电效应随温度升高而减少的现象制约了高温超声波检测技术的应用,因此必须控制探头的温度,研制一种能可靠冷却的探头也许是高温超声波检测技术此后的发展方向。