超声波检测核心三要素：检测仪、探头与试块深度解析

日期：2025-07-26 浏览：4

超声波检测核心三要素：检测仪、探头与试块深度解析

在无损检测（NDT）领域，超声波技术以其高穿透能力、高灵敏度和结果的即时性，在保障材料与结构完整性方面扮演着不可或缺的角色。一套完整的超声检测系统，其性能的优劣、结果的可靠性，最终都归结于三个核心组成部分：超声波检测仪、探头（换能器）以及用于校准的试块。本文将深入剖析这三大要素的技术原理、关键性能参数及其在实际应用中的协同作用。

一、超声波检测仪：信号的生成与解读中心

超声波检测仪是整个系统的“大脑”，负责生成激励信号、接收并处理回波，最终以可视化的方式呈现给检测人员。根据其核心工作原理，这些设备可大致分为三类。

1. 仪器分类与基本原理

穿透法仪器：这类仪器测量的是穿透试件后的超声波能量。其结构相对简单，包含超声源、接收器和耦合剂。当声波穿过试件时，内部的宏观缺陷或微观组织变化会引起声阻抗或声衰减的改变，导致接收到的能量发生变化。尽管原理直观，但其应用受限，因为它无法定位缺陷深度，且结果易受试件几何形状和缺陷朝向的影响。

图1 穿透法示意图
共振法仪器：通过在试件中形成驻波来工作，曾用于共振法测厚。如今，这种技术已较少使用。
脉冲反射法仪器：这是目前应用最广泛的类型。它通过测量反射声波的幅度和渡越时间来获取信息。根据信息的显示方式，又衍生出三种经典的扫描模式：A扫描、B扫描和C扫描。
- A扫描 (A-Scan)：显示特定位置的回波幅度和深度信息。
- B扫描 (B-Scan)：沿一条线移动探头，生成试件的纵截面图像。
- C扫描 (C-Scan)：在整个表面进行扫查，生成试件的俯视图（平面图）。

2. A、B、C型显示：多维度洞察缺陷

要理解这三种扫描方式，我们需从其电路和成像原理入手。

A型显示（A-Scan） A型显示是脉冲反射法的基石。其基本电路（如图2）由同步电路统一调度，一方面触发发射电路产生高压电脉冲激励探头，另一方面驱动时基电路在示波管的X轴上生成线性扫描线，代表时间（即深度）。超声波在试件中传播，遇到界面（如缺陷或底面）便产生反射，回波被探头接收、放大后，在示波管的Y轴上形成一个垂直的脉冲信号。因此，A扫描图像的横坐标代表缺陷的深度，纵坐标代表缺陷的反射强度（通常与其尺寸相关）。操作者需要注意的是，接收到的波形可以是检波处理过的（波形更清晰）或未经处理的（波形更真实）。

图2 A型显示脉冲反射式超声仪的基本电路框图
B型显示（B-Scan） B型显示可以看作是无数条A扫描线的集合。如图3所示，当探头沿试件表面直线移动时，其位置信息通过机械或电子方式连接到示波管的X轴，而Y轴则依然代表深度。回波信号不再以幅度显示，而是通过亮度调制来表示——回波越强，光点越亮。利用长余辉荧光屏，随着探头的移动，屏幕上便会勾勒出试件沿扫查路径的截面轮廓，清晰地展示出缺陷的位置、取向和深度。

图3 B型显示框图
C型显示（C-Scan） C型显示则提供了缺陷的“俯瞰图”。其系统（图4）引入了“电子深度门”的概念。操作者可以设定一个时间窗口（即深度范围），只有落入这个门内的回波信号才会被接收并用于亮度调制。探头在试件表面进行二维扫查（如光栅式或螺旋式），其X-Y位置与屏幕上的光点位置一一对应。这样，扫查结束后，屏幕上便形成了一幅缺陷在选定深度范围内的平面投影图。早期的C扫描无法显示深度信息，但现代仪器已通过彩色编码来表示深度，极大地增强了其三维表征能力。

图4 C型显示系统框图

简而言之，A扫看深度和强度，B扫看截面，C扫看俯瞰图，三者结合（如图5所示）则能构建出缺陷的三维轮廓，为缺陷的性质和尺寸评估提供全面的数据支持。

图5 钛合金试件中两个夹杂物的不同超声显示方式

3. 数字式超声检测仪的演进

随着数字技术的发展，超声检测仪也经历了从模拟到数字的变革，主要有以下几种形式：

全波采样：这是目前高端数字探伤仪的主流技术。通过高速模/数转换器（ADC）和大容量存储器，将完整的射频（RF）回波信号数字化并存储下来。这种方式保留了回波的全部信息（幅值、相位等），为后续的数字信号处理（如滤波、FFT分析）和缺陷定量分析奠定了坚实基础。其关键在于采样频率，根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须至少是信号最高频率成分的两倍，才能无失真地还原波形。

图6 模/数转换采样示意图
峰值采样：这是一种成本较低的数字化方案。它在传统模拟仪器的基础上，增加峰值保持电路和ADC，只记录闸门内回波信号的峰值和对应的渡越时间。优点是速度快、成本低，能实现缺陷位置和当量的数字化存储与输出。缺点也显而易见：丢失了大量的波形细节信息，无法进行深入的信号分析。
模拟数字混合式：这类仪器试图兼顾两者的优点，保留模拟显示那种迅速、真实和细腻的视觉感受，同时具备数字处理和存储的能力。
人工智能仪：将专家系统和神经网络等AI技术引入缺陷识别，是未来的发展方向。其理想状态是，通过大量含真实缺陷的试件对仪器进行“培训”，使其学习并“记住”各类缺陷的超声响应特征。然而，目前该技术尚不完全成熟，其性能高度依赖于“培训”数据的质量和广度，且对操作人员的理论基础和工程经验提出了更高的要求，以应对现场复杂多变的情况。

二、探头：能量转换与声束控制的执行者

探头，其核心是超声换能器，是实现电能与声能相互转换的关键器件。目前，压电换能器是市场的主流，此外还有适用于特殊工况的磁致伸缩、电磁声（EMAT）和激光超声换能器。

1. 压电换能器探头：应用最广的经典之选

一个典型的接触式压电探头（图7）由压电片、阻尼块、保护层（或楔块）、外壳和接头等组成。

图7 接触型压电换能器探头典型结构示意图

压电片：探头的心脏。在外加电场作用下发生形变，产生超声波（逆压电效应）；反之，在声波作用下发生形变，产生电信号（正压电效应）。压电片的厚度决定了其共振频率，通常为半波长厚度时效率最高。常用的压电材料及其性能见表1。

表1 超声波探头常用压电材料主要性能

项目		化学符号(型号)	切割方向	波型	d33/(10-12m/V)	g33/(10-12V-m/V)	Kt	Kp	密度/(10³kg/m³)	声速/(m/s)	声特性阻抗ρc/(10⁶kg/m²·s)	Gm	最高工作温度/℃	介电常数	厚度频率常数Np/(MHz·mm)
压电单晶	石英	SiO₂	0°,X	纵	2.3	5.7	0.1	<0.01	2.65	5740	15.2	101-6	550	4.58	2.87
	石英	SiO₂	0°,Y	横	4.6	10.8	—	0.14	2.65	3850	10.2	106	550	4.6	1.93
	硫酸锂	Li₂SO₄·H₂O	0°,Y	纵	15	15.6	0.35	<0.01	2.06	5460	11.2	—	75	10.3	2.73
	碘酸锂	LiIO₃	0°,Z	纵	18.1	32	0.51	0.1	4.47	4130	18.5	<100	<256	6	2.07
	铌酸锂	LiNbO₃	35°,Y	纵	6	23	0.49	—	4.64	7400	34.3	>105	1200	30	3.66
压电陶瓷	钛酸钡	BaTiO₃	—	纵	190	1.3	0.38	0.36	5.7	5470	31.2	300	100	1700	2.6
	钛酸铅	PbTiO₃	—	纵	58	3.3	0.43	0.096	7.72	4240	32.7	1050	460	190	2.12
	锆钛酸铅	(PZT-4)	—	纵	289	2.5	0.51	0.58	7.5	4600	34.5	500	300	1300	2.0
		(PZT-5A)	—	纵	374	2.5	0.49	0.60	7.75	4350	33.7	75	340	1700	1.89
		(PZT-5H)	—	纵	593	2.0	0.50	0.65	7.5	4560	34.2	65	180	3400	2.0
		(PZT-7A)	—	纵	150	4.0	0.50	0.51	7.6	4800	36.5	600	340	425	2.1
		(PZT-8)	—	纵	225	2.5	0.48	0.51	7.6	4580	34.8	1000	280	1000	2.07
	偏铌酸铅	PbNb₂O₆	—	纵	85	3.2	0.36	0.07	6.2	3300	20.5	—	380	300	1.65
项目		化学符号(型号)	密度/(10³kg/m³)	纵波声速/(m/s)	声特性阻抗ρc/(10⁶kg/m²·s)	K31	Kt	Qm	介电常数	d31/(10-12m/V)	g31/(10-2V·m/N)	最高工作温度/℃	厚度频率常数/MHz·mm
压电薄膜	聚二氟乙烯	(PVF2)	1.8	2200	3.96	0.10	0.19	10	12	20	17.4	—	—
	聚偏二氟乙烯	(PVDF)	1.78	2260	4	0.102	0.19	—	13	20~30	33.0	80	—
	氧化锌	ZnO,0°	—	—	—	—	0.15~0.25	—	—	—	—	—	(用于0.1~2000MHz)
	氧化锌	ZnO,90°	—	—	—	—	(k15,0.12~0.18)	—	—	—	—	—	(用于0.1~3000MHz)

*注：压电陶瓷数据随材料组成变化而变化，此为概略值。*

理解表中的几个关键参数至关重要：

压电应变常数 (d₃₃)：衡量发射性能。d₃₃越大，在单位电场下产生的应变越大，发射的声波能量越强。
压电电压常数 (g₃₃)：衡量接收性能。g₃₃越大，在单位应力下产生的电场强度越高，接收灵敏度越高。
机电耦合系数 (K)：表示电能与机械能相互转换的效率。K_t（厚度方向）是纵波探头最关心的参数。
机械品质因子 (Q_m)：反映晶片振动的“阻尼”特性。Q_m高，内耗小，灵敏度高，但振动持续时间长，导致分辨力下降（窄带探头）；Q_m低，振动迅速停止，脉冲短，分辨力高（宽带探头）。

阻尼块（背衬材料）：粘贴在压电片背面，用于吸收背向辐射的声能，并快速抑制晶片的自由振动，以获得短脉冲，从而提高距离分辨力。这是制造宽带探头的关键。
保护层与斜楔：为保护脆弱的压电片，其前端通常粘有耐磨保护层。对于斜射探头，则通过一个特定角度的有机玻璃楔块，利用波型转换在试件中产生所需角度的横波或纵波。

探头与仪器的连接：为实现信号的高效传输，探头、电缆和仪器的阻抗必须匹配。阻抗失配会导致信号衰减和失真，尤其对于石英这类高阻抗晶片，匹配问题尤为重要。

表2展示了不同类型接触式探头的典型应用。

表2 几种基本接触型超声探头的主要应用

探头类型	制作类型	检测制造时引入的缺陷类型
直射声束接触型	坯料	夹杂物，显微组织在加工方向上的拉长，缩管
	锻件	夹杂物、裂纹、偏析、发纹、白点、缩管
	轧制件	分层、夹杂物、撕裂、发纹、裂纹
	铸件	熔渣、疏松、冷隔、撕裂、缩裂、夹杂物
斜射声束接触型	锻件	裂纹、发纹、折叠
	轧制件	撕裂、裂纹、杯锥状断裂
	焊接件	夹渣、缩松、未熔合、未焊透、焊瘤
	焊接件	内凹、填料金属和基体金属中的裂纹
	管材和导管	周向和纵向裂纹
双晶接触型	中厚板和薄板	厚度变化，分层探测
双晶接触型	管材和导管	厚度变化

表3 列出了一些国产射频电缆的参数，供选型时参考。

表3 一些国产射频电缆的参数

型号	波阻抗/Ω	电容/pF	衰减/ (dB/m) (45MHz)	试验电压 /kV(50Hz)	线芯结构/mm		绝缘外径 /mm	电缆外径 /mm
型号	波阻抗/Ω	电容/pF	衰减/ (dB/m) (45MHz)	试验电压 /kV(50Hz)	根数/直径	外径	绝缘外径 /mm	电缆外径 /mm
SYV-50-2-2	47.5~52.5	≤115	≤0.156	3	1/0.68	0.68	2.2±0.1	4.0±0.3
SYV-50-3	47.5~52.5	≤110	≤0.120	4	1/0.90	0.90	3.0±0.2	5.0±0.3
SYV-75-4	72~78	≤76	≤0.113	4	7/0.21	0.63	3.7±0.2	6.0±0.3
SYV-75-5-1	72~78	≤76	≤0.082	5	1/0.76	0.72	4.6±0.2	7.5±0.4

注：S—同轴射频电缆；Y—聚乙烯绝缘；V—聚氯乙烯护套

2. 磁致伸缩换能器

利用铁磁材料的磁致伸缩效应（在磁场中尺寸发生变化）和逆效应（在应力作用下磁性发生变化）来工作。这类换能器坚固耐用，但通常工作频率较低（约100kHz），结构复杂，成本高，在常规无损检测中相比压电陶瓷并无优势。其主要应用在于直接在铁磁性材料（如钢杆、线材）中激励超声波。

图8 磁致伸缩换能器线路的基本设计

图9 用于含铁材料兆赫级检测的磁致伸缩换能器

3. 电磁声换能器 (EMAT)

EMAT实现了真正的非接触式检测。其原理基于洛伦兹力：将一个通有高频交流电的线圈置于永磁体产生的恒定磁场中，并靠近导电试件表面。交变电流在线圈周围产生交变磁场，在试件表层感生出涡流。这些涡流在恒定磁场中受到洛伦兹力的作用，驱动材料质点振动，从而产生超声波。此过程可逆。EMAT的显著优点是无需耦合剂，可用于高温（高达900°C）、高速移动的工件检测。但其能量转换效率远低于压电探头，通常需要前置放大器，且仅适用于导电材料。

图10 电磁声换能器（EMAT）的工作原理

4. 激光超声波换能器

激光超声是另一种先进的非接触技术。它利用高能激光脉冲照射试件表面，通过两种主要机制产生超声波：

热弹机制：在较低的激光功率密度下，激光的快速加热导致材料表面局部热膨胀，这种瞬态的形变以声波形式传播出去。这是一种纯粹的无损方式。
烧蚀机制：在较高的功率密度下，激光将材料表面瞬间汽化，产生的等离子体膨胀对表面形成强烈的冲击力，从而激励出能量更强的超声波。但这种方式会对表面造成微小的损伤。

图11 激光换能器的指向性图，空气/钢

激光超声的接收通常也采用光学方法，如激光干涉仪（图12）。其优点在于完全非接触、可远距离操作、能检测复杂形状工件。缺点是设备昂贵，操作复杂，且能量转换效率相对较低，对安全防护要求高。

图12 用一脉冲激光源和以单频激光器激励的迈克耳逊干涉仪进行试件超声检测的示意图

三、性能测试：确保系统可靠性的关键规程

一套超声检测系统（仪器+探头）的性能直接决定了检测结果的真实性、准确性和可比性。仪器发射脉冲的频谱与探头的频率响应是否匹配，接收电路的带宽是否合适，这些都会影响最终的检测灵敏度和分辨力。因此，对系统进行定期的性能测试至关重要。美国材料试验协会（ASTM）和国际标准化组织（ISO）都发布了相应的标准，为性能评估提供了详细的指导。

ASTM E1324：主要针对超声检测仪的电性能，包括电源、脉冲发生器、接收器、时间基线和闸门报警等部分的性能指标。
ASTM E1065：专注于超声探头的特性评定，如频率响应、脉冲回波灵敏度、时间响应、电阻抗和声场特性。
ASTM E317：提供了一套不使用精密电子测量仪器，仅通过标准试块来评价整个系统工作特性的规程。

对这些性能指标的精确测量和评估，往往需要专业的设备和深厚的理论知识。这正是专业检测实验室的核心价值所在，能够为企业提供设备校准和性能验证服务，确保其质量控制体系的可靠运行。

四、试块：量化与标准化的基准

在脉冲反射法中，缺陷的深度和大小是通过回波在屏幕上的位置和幅度来判断的。为了使这种判断有据可依、可重复，就需要一个统一的“标尺”——试块。试块是具有已知声学特性和人工反射体（如平底孔、侧钻孔）的参照物，在超声检测中扮演着校准和对比的基准角色。

1. 标准试块

由国际组织（如IIW）或国家权威机构（如ASTM）颁布，具有统一的材质、形状和尺寸。

IIW试块：国际焊接学会推荐，也称荷兰试块，主要用于校准斜探头的入射点、K值（角度）和仪器的水平线性，是焊缝检测中最常用的试块之一。德国的DIN54120试块（图13）和我国的CSK-IB试块（图14）均是在其基础上发展而来。

图13 前联邦德国国家标准试块（DIN54120）

图14 我国CSK-IB试块
ASTM系列试块：美国材料试验协会推出的一系列平底孔试块（图15），主要用于纵波检测。它们分为“面积-幅度组”和“距离-幅度组”，用于制作距离-波幅校正（DAC）曲线，以补偿声程和波束扩散带来的衰减，实现对不同深度缺陷的等灵敏度检测。

图15 美国材料试验协会（ASTM）铝合金标准试块