双晶探头的正确使用方法及射频方式检测表面缺陷

近日，不少客户在利用双晶探头对薄板母材探伤的过程中，打电话给我们咨询如何正确选择和使用双晶探头探伤。本文分三个部分和大家一起探讨“双晶探头的结构和工作原理”、“如何正确选择双晶探头”、“射频检波方式的表面探伤应用”。

1、双晶探头的结构和工作原理

一般来讲，一个探头壳体内装有两个晶片的探头我们称之为双晶探头，又称分割式探头。由两个纵波晶片组合成的双晶探头称为纵波双晶探头，又称双晶直探头；由两个横波晶片组成的双晶探头称为横波双晶探头，又称双晶斜探头。

这两种双晶探头中，双晶直探头的应用较为广泛，以下以双晶直探头为例重点探讨双晶直探头的结构和工作原理：

双晶直探头的两个纵波晶片一个用于发射超声，一个用于接收超声（图一）。发射压电晶片大都采用发射性能好的锆钛酸铅，接收压电晶片大都采用接收性能好的硫酸锂。区别于单晶探头而言，双晶探头的发射灵敏度和接收灵敏度都更高。双晶探头的两个晶片之间有一片吸声性强、绝缘性好的隔声层，它不仅用于克服发射声束与反射声束的相互干扰和阻塞，而且能使脉冲变窄、分辨率提高、消除发射晶片和延迟块之间的反射杂波进入接收晶片，有效减少杂波。

（图一）

由于双晶探头的发射部分和接收部分都带有延迟块，能使探伤盲区大幅减小，故双晶探头对表面缺陷的探伤十分有利。

2、如何正确选择双晶探头

a、探头频率的选择

超声的发射频率在很大程度上决定了超声波探伤的检测能力。频率高时，波长短，声束指向性好，扩散角较小，能量集中，因而发现小缺陷的能力则比较强、分辨力好、缺陷定位准确。但高频率超声在材料中衰减较大，穿透能力较差，反之亦然。

由于双晶探头适用于较薄工件的探伤，不需要较强的穿透力。因此可以采用较高频率的探头。对于锻件，板材，棒材等晶粒细小的工件，可以采用5MHz的双晶探头（若被检工件表面较粗糙，高频超声散射较大，不易射入，则容易出现林状回波）。对于晶粒粗大，超声散射严重的材料，如奥斯体不锈钢和铸造件等，频率高时，也会出现晶界引起的林状回波，致使无法探伤，对于这一类材料，建议选用1MHz~2.5MHz的低频率双晶探头。

b、晶片尺寸的选择

从以上介绍的双晶探头的工作原理来看，双晶探头探伤主要取决于双晶探头的声能集中区，跟晶片的大小没有直接的关系。双晶探头的晶片大小，只与工件探测面积的大小有关，当检测面积大时，为了提高探伤效率，宜采用晶片尺寸较大的探头，如?14mm,?20mm等。当检测面积较小，或者检测面带有一定曲率的情况下，为了减少耦合损失宜用晶片尺寸小的探头。

c、焦距的选择

双晶探头的两个晶片都有一定的倾斜角度。发射声束与接收声束必然会产生相交，形成棱形的区域，此区域即为探伤区域（图二）。

（图二）

处于棱形区的缺陷，其反射信号强，同时对于同样大小的缺陷，位于棱形区中心时，反射信号最强。因此在实际探伤过程中，要根据被检工件的厚度选取适当的焦距。焦距越小，则对薄工件的探伤越有利。一般来说，选择双晶探头的焦距小于被检工件厚度5~10mm左右。

3、射频检波方法的表面探伤应用

双晶探头的探伤方法与直探头基本相同，这里着重介绍利用双晶探头和数字超声探伤仪的射频检波方式检测表面缺陷。传统超声探伤仪的检波方式大都为正弦波检波或者全波检波，此两种检波方式在薄板探伤时，由于仪器设置声程较小，反射波的根部较宽，对于同一个部位的多个缺陷不能明显分辨。射频检波方式则可以有效解决这一问题。下图是利用射频检波方式检测CSK-IA试块上深度为15mm，直径为Ø1.5mm的横通孔的波形图：