第一篇：有關超聲波探傷的畢業設計

遼寧科技大學信息技術學院 畢業設計(論文)撰寫規范

遼寧科技大學信息技術學院教務處制

基于單片機和虛擬儀器技術的超聲探測儀的設計

目 錄

摘要.....................................................錯誤！未指定書簽。Abstract.................................................錯誤！未指定書簽。第1章 緒論...............................................................1 第2章 企業文化的內涵.....................................................9 2.1 文化和企業的定義..................................................9 2.1.1 企業組織的法律形態.............................錯誤！未定義書簽。第3章 企業文化對組織創新的影響...........................................6 3.1 組織創新的內容....................................................7 3.2 企業文化對組織創新的影響..........................................8 3.2.1 影響組織結構創新................................................9 3.2.2 影響組織流程創新...............................................10 3.2.3 組織制度創新...................................................11 第三章 結論..............................................................12 致謝.....................................................................12 參考文獻.................................................................13 附錄.....................................................................13

基于單片機和虛擬儀器技術的超聲探測儀的設計

基于單片機和虛擬儀器技術的超聲波探傷儀的設計

摘要

本文利用單片機技術和LabvIEW技術實現超聲波探傷儀的設計，本系統主要包括基于單片機的超聲波探傷儀的硬件設計和軟件設計以及基于LabVIEW的上位機的設計。本文所設計的超聲波探傷儀的下位機以單片機為控制核心，并搭載超聲波采集和發生信號電路，通過串口傳輸到上位機上，上位機以LabVIEW為軟件平臺，開發了超聲波探傷儀的上位機程序。

關鍵詞：超聲波；單片機；LabVIEW；探傷儀

基于單片機和虛擬儀器技術的超聲探測儀的設計

英文論文題目

Abstract In this paper, the use of chip technology and LabvIEW technology ultrasonic flaw detector design, the system includes LabVIEW design and software design and PC-based design of microcontroller-based ultrasonic flaw detector hardware.This article is designed ultrasonic flaw of the next crew to the microcontroller core, and equipped with an ultrasonic signal acquisition and generation circuits, serial transmission to the host computer, the PC with LabVIEW software platform developed ultrasonic flaw detector PC program.Key Words: Ultrasound,SCM, LabVIEW, flaw

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第1章 緒論

2.1 研究背景

隨著社會的發展、科技的進步以及現代檢測水平的逐步提高，各種方便于檢測的系統開始進入了工業檢測。隨著現代工業和科學技術的發展，無損檢測技術在設備和裝備的運行、產品質量的保證、提高生產率、降低成本等領域發揮著越來越大的作用，無損檢測也已經發展成為一門獨立的綜合性學科，而超聲波探傷技術在無損檢測領域內占有極其重要的地位，在很多領域均獲得非常廣泛的應用。

由于超聲波無損探傷設備在不同的應用場合，其對探頭的要求不同，對接收的回波信號的處理算法也不同，因此某一類的無損探傷設備，通常只能適應于一種或幾種應用場合。為使超聲波探傷設備具有更好的應用范圍、更高的處理算法和更快的更新周期，可采用虛擬式超聲波無損探傷設備。虛擬超聲探傷系統是利用計算機顯示器的功能來模擬傳統探傷儀的控制面板，以多種形式輸出檢測結果，利用軟件功能來實現數字信號的運算、分析和處理。利用輸入輸出(I/O)接口設備完成信號的采集、測量與調試，從而完成各種測試功能的超聲無損探傷系統。該系統是虛擬儀器技術與傳統超聲探傷系統相結合的產物。在設計虛擬數字超聲系統時，結合傳統超聲探傷系統中模擬通道的設計，因為任何一個超聲探傷系統都必須包括超聲波的發射電路、接收電路和信號調理電路才能進一步進行后續的處理工作，這些電路的設計將直接影響到整個超聲探傷系統工作的可靠性和測試精度。

2.2 研究意義

在無損檢測過程中不但要完成是否存在缺陷的判斷，而且要實現一些工藝參數的測量，進而對被檢測的材料或工件進行性能的評估。對于超聲檢測而言，其應用中的硬件電路具有很大的相似性，因而如何靈活、準確的從通過介質的超聲波中提取包含被檢測物體特征的信號成為關鍵，它對系統的數字信號處理能力和靈活性提出了很高的要求。數字化的超聲檢測儀采用了單片機或者DSP作為數據處理單元，可以實現一定的數據處理能力，但其硬件或固化的軟件的開發形式缺

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乏靈活性，不利于用戶二次開發升級。隨著科學技術的不斷進步，虛擬儀器應運而生并得到了廣泛的應用，利用虛擬技術可以充分發揮計算機的處理和分析的功能，把數據采集和發送放在單片機內進行，數據的處理和分析放在計算機內進行，分工明確同步進行，可以加快開發周期，降低設計風險和成本。

2.3 超聲波檢測技術的發展現狀

高速度，高效率是現代工業的標志，而這是建立在高質量的基礎之上的。設計和工藝人員理應了解：非均一的組織結構，隨機出現的微觀，宏觀缺陷，常?？梢杂袝r甚至是只能依靠無損檢測技術的運用方可予以發現，評價。當然，這與數十年來多方的重視和廣大從業人員的艱辛努力，使無損檢測技術在這方面已具有一定的能力有關。現在，在工業發達國家，無損檢測在產品的設計，研制，使用部門已被卓有成效的運用，1981 年美國前總統里根在給美國無損檢測學會成立 40 周年大會的賀信中就說過：“你們能夠給飛機和空間飛行器，發電廠，船舶，汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測，我們就不可能享有目前在這些領域和其他領域的領先地位?！睙o損檢測正在以迅猛之勢向縱深發展，客觀的需要畢竟是一種專業可以發展的最大動力。

我國無損檢測技術是從無到有，從低級階段逐漸發展到應用普及的現階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產，也大致按此規律發展變化。

五十年代，我國開始從國外引進超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國的 UCT-2 超聲波檢測儀，重達 24Kg，各單位積極開展試驗研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。

五十年代末六十年代初，國內科研單位進口了波蘭產超聲儀，并進行仿制生產。隨后，上海同濟大學研制出 CTS-10 型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式，儀器重約20Hg。該儀器性能穩定，波形清晰。但當時這種儀器只有個別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無損檢測技術仍處于試驗階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發展，仍使用電子管式的 UCT-2，CTS-10 型儀器。

1976 年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術列為重點攻關項目，組織全國 6 個單位協作攻關。從此，無損檢測技術開始進入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業的飛速

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發展，半導體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術的推廣普及。如羅馬尼亞 N2701 型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數碼顯示，儀器重量 10Kg。七十年代，英國 C.N.S 公司推出僅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便攜式超聲儀。

1978 年 10 月，中國建筑科學院研制出 JC-2 型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用TTL 線路，數碼顯示，儀器重量為 5Kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產的超聲波儀器，為推廣應用無損檢測技術奠定了良好的基礎。

超聲波檢測技術是我國重點發展和推廣的新技術，其具有高精度，無損，非接觸等優點。目前，已經廣泛地應用在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業領域。此外，在材料科學，醫學，生物科學等領域中也占具重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量研究，國內一些學者也做了相關研究。對超聲波測距精度主要取決于所測的超聲波傳播時間和超聲波在介質中的傳播速度，二者中以傳播時間的精度影響較大，所以大部分文獻采用降低傳播時間的不確定度來提高測距精度。目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。

超聲波檢測技術作為無損檢測技術的重要手段之一，在其發展過程中起著重要的作用，它提供了評價固體材料的微觀組織及相關力學性能、檢測其微觀和宏觀不連續性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性，超聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析，大部分檢測設備僅有A掃描形式，需要通過有經驗的無損檢測人員對信號進行人工分析才能得出正確的結論，對檢測和分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動化檢測。

八十年代后期，由于計算機技術和高速器件的不斷發展，使超聲波信號的數字化采集和分析成為可能。目前國內也相繼出現了各類數字化超聲波檢測設備，并已成為超聲波檢測的發展方向。廈門大學的某位學者研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測距中通過兩次探測求取回波包絡曲線來得到回波的起點，通過這樣處理后超聲波傳播時間的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應系統，采用特殊的發射波形來獲得好的回波包絡，同時采用對環境 6

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噪聲進行估測，設置一定的回波開平電路，且采用自動增益的控制放大器，通過這些措施來提高超聲波的探測精度。另外，也有大量的文獻研究采用數字信號處理技術和小波變換理論來提高傳輸時間的精度。這些處理方法都取得了較好的效果。

目前國內外在超聲波檢測領域都向著數字化方向發展，數字式超聲波檢測儀器的發展速度很快。國內近幾年也相繼出現了許多數字式超聲波儀器和分析系統。國際上對超聲波檢測數字化技術的研究非常重視，國外生產類似產品和研究的公司有美國的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德國的K-K公司、法國的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述這些公司生產的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統的技術水平較高，在世界上處于領先水平。

隨著檢測技術研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能。隨后具有檢測，記錄，存儲，數據處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現一派繁榮景象。其中，煤炭科學研究院研制的 2000A 型超聲分析檢測儀，是一種內帶微處理器的智能化測量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測量值，處理結果，狀態信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機打印。其數字和波形都比較清晰穩定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數據進行后處理及有關程序的開發。與國內同類產品相比，設計新穎合理，功能齊全，在儀器設計上有重大突破和創新，達到了國際先進水平。

目前，計算機市場價格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計算機可發揮它一機多用的各種功能，實際上是最大的節約。過去那種全功能的儀器設置，還不如單獨的超聲儀，計算機可充分發揮各自特點。綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產，有較大發展，有的型號已超過國外同類儀器水平。

2.4 研究內容和論文安排

本論文主要研究基于單片機和虛擬儀器技術的超聲波探傷儀的設計和應用。主要介紹超聲波探傷儀的原理、結構組成、單片機的硬件設計和軟件設計以及

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LabVIEW的上位機設計。

第一章 緒論 主要介紹了超聲波探傷儀的發展狀況，以及目前的現狀和前景。

第二章超聲波探傷儀的系統結構 主要介紹了超聲波探傷儀的原理方法、系統結構、系統實現和開發環境等

第三章 基于單片機的探傷儀的設計 主要介紹系統各組成單元方案設計(包括發射接收電路設計報警電路設計、晶振電路設計、復位電路設計等)。并詳細介紹了最終確定的各單元設計方案以及最終方案的設計原理。

第四章 基于LabVIEW的探傷儀的上位機設計 主要介紹LabVIEW的上位機的組成和各個模塊的詳細功能。

第五章 結論 對本設計進行詳細地總結。

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第2章 超聲波探傷儀的系統結構

2.1 超聲波探傷的原理和方法

超聲波在被檢材料（金屬、非金屬）中傳播時，利用材料本身或內部缺陷所示的聲學性質對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內部缺陷的方法，稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實驗方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測其內部各種缺陷（如裂紋、氣泡、夾雜物等）的大小，形狀和分布狀況以及測定材料性質。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實現自動化等優點，因此廣泛應用于機器制造、冶金、化工設備、國防建設等部門，已成為保證產品質量、確保安全的一種重要手段。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種：

一、脈沖反射法

把超聲脈沖發射到物體中再接收來自物體中的反射波，這種探傷方法稱為脈沖反射法。它是超聲探傷中最基本的方法。在脈沖反射法中，根據聲束傳播情況可分為直探法和斜探法；根據探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法和板波探傷法；根據探頭個數和作用可分為單探頭法和雙探頭法；根據聲耦合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。由于這些方法具有各自的特點，所以廣泛用來對金屬和非金屬材料及其制品進行無損檢驗。

二、穿透法

利用穿過被檢物體的超聲波的穿透率和有無聲影進行探傷檢驗的方法稱為穿透法。穿透法有連續波穿透法，脈沖穿透法和共振穿透法等。此方法的優點是適用于薄工件；由于超聲波傳播路程僅為反射法的一半，故適用于檢查衰減大的材料；探傷圖形直觀，只要定好檢查標準就可以進行作業；易實現自動探傷、檢查速度快。缺點是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探測靈敏度一般比反射法低，難以檢查較小缺陷。

三、共振法

把頻率連續改變的超聲波射入被檢材料，根據材料的共振狀況測量其厚度或檢查有無缺陷等材料性質的方法稱為共振法。共振法一般用來測量金屬板、管壁、9

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容器壁的厚度或腐蝕程度，測量聲速，檢查板中的分層和進行材質判定。

四、聲阻法

聲阻法是利用被測物件的振動特性，即被測物對探頭所呈現的機械阻抗的變化來進行檢測的一種無損檢測法。它多用于檢測物體表面的成層情況，例如用來檢查基體材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作頻率范圍一般都較低（如幾千赫茲）。用這種方法工作時，把探頭和被測件直接接觸，使被測件和探頭結合在一起構成一個共振體，探頭一方面是振動源，同時也是檢測部件，當被測件的有效厚度不同時（例如，若膜片未粘上，則有效厚度僅為膜片的厚度，若已完好的粘接上，則有效厚度包括膜片和基體材料的厚度），該共振體頻率特性就不同，從而可根據其頻率特性來判定膜片在某個小區域的粘接情況。

2.2 系統結構

虛擬超聲探傷系統的總體結構如圖3.1所示。該系統以AT89C52單片機為核心控制器件，主要由主機控制、發射電路、信號調理電路、探頭、上位機顯示等部分組成。數據采集由AT89C82單片機結合LabVIEW串口通訊函數完成,然后結LabVIEW應用軟件進行探傷系統的面板設計和部分功能的設計，對數據進行運算、分析和處理，對測試結果進行顯示。

2.3 LabVIEW開發環境

2.3.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是美國國家儀器（National Instruments，NI）公司開發的一種圖形化編程語言（通常稱為G語言），它的全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，即實驗室虛擬儀器集成環境。LabVIEW并不像一般傳統的文本編程語言，它基本上不用寫程序代碼，而是用圖標、連線構成程序框圖，類似于一個搭積木的過程。這種易于識別的LabVIEW圖形符號，使得使用者不必像學習其他語言一樣，花費過多的時間去了解編程語法等基礎知識，因而即使只有很少編程經驗的人也能很快學會LabVIEW的基本操作。

LabVIEW中術語、圖標和概念都是工程師們所熟知的，因此被工程師看作為 10

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標準的工業開發環境。它不僅具有圖形化編程方式專有的靈活性和直觀性，它還專門為測試、測量與自動化控制應用設計進行了方便的配置，因此被廣泛應用于數據采集、儀器控制、測量分析與數據顯示等等領域。

LabVIEW和虛擬儀器有著緊密的聯系，虛擬儀器技術是基于計算機的儀器及測量技術。與傳統的儀器技術不同，虛擬儀器技術是指在包含數據采集設備的通用的計算機平臺上，根據需求可以高效率的構建形形色色的測量系統。在LabVIEW中開發的程序也被稱為虛擬儀器，所有的虛擬儀器都包括了前面板和程序框圖兩部分。

LabVIEW代碼直觀，簡單易用，但在功能完整性和應用靈活性上不亞于任何一種高級語言。它同樣定義了數據類型、結構類型和模塊調用規則等一般編程語言的基本要素，使用者完全可以用它來設計專業的、功能強大的程序。LabVIEW不僅提供了遵從GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能，還內置了支持TCPIP、ActivX等軟件標準的庫函數。利用它結合NI公司的其他硬件，用戶可以很方便地建立自己的虛擬儀器。LabVIEW軟件可以廣泛應用于各種臺式、移動、工業級計算機和嵌入式系統中，以其強大的圖形化編程界面為工程師和科學家提供直觀的編程語言。虛擬儀器可以應用了多種領域，是因為他可以與多種物理控制和采集單元連接，于此同時虛擬儀器必須應用到計算機的控制，用于虛擬儀器的軟件也是虛擬儀器設計的關鍵。LabVIEW是面向設計、控制與測試的LabVIEW圖形化開發平臺，被廣泛應用于嵌入式設計與原型構造、工業監控、自動化測試測量、濾波器設計/DSP、高級控制、HMI/SCADA、數據記錄與NVH通信測試系統、原型構造、工業控制（PID）機器視覺與運動等領域。LabVIEW可以在計算機/硬件終端使用例如臺式機、工控機、移動設備和嵌入式設備。

2.3.2 LabVIEW特點

LabVIEW平臺的特點可歸結為以下幾個方面：

基于圖形化的編程方式，其編程十分簡潔方便，是真正的工程師的語言； 提供豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數；

提供傳統的程序調試手段，如單步執行、設置斷點，同時提供設置探針、顯示數據流動畫等獨具特色的調試方法；

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繼承傳統編程語言結構化和模塊化的優點，這對于建立復雜應用和代碼的可重用性來說是至關重要的；

囊括了PCI, GPIB, PXI, VXI, RS232/485, USB等各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使不懂總線標準的開發者也能驅動不同總線標準接口設備與儀器；

提供大量與外部代碼或軟件進行鏈接的機制，諸如DLL(動態鏈接庫)、DDE(共享庫)、ActiveX等；

具有強大的Internet功能，支持常用的網絡協議，方便網絡、遠程測量儀器的開發。12

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第3章 基于單片機的超聲波探傷儀的設計

3.1 AT89C52單片機

AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB的可反復檫寫的程序存儲器和256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。

單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路，和一個復位電路。本設計中選擇了內部時鐘方式和按鍵電平復位電路，來構成單片機的最小電路。EA端接+5v電源選中內部存儲器。

單片機單元電路連接圖如圖3.2所示：

圖3.2 單片機單元電路

3.1.1時鐘電路

計算機工作時，是在統一的時鐘脈沖控制下一拍一拍的進行的，這個脈沖是由單

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片機控制器中的時序電路發出的。單片機的時序就是CPU在執行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作。單片機內部電路就在惟一的時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作。要給單片機提供時序要有相關的硬件電路，即振蕩器和時鐘電路。因此選擇了內部時鐘方式。利用芯片內部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構成了穩定的自激振蕩器，其發出的脈沖直接送入內部時鐘電路如圖3.2所示，外接晶振時，C17和C16值通常選擇為30PF左右。C17，C16對頻率有微調作用。晶體的頻率范圍可在1.2～12MHZ之間選擇。在實際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩定。可靠地工作，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。

3.1.2 復位電路

由圖3.2可以看出，是按鍵電平復位電路，相當于按復位鍵后復位端通過電阻與Vcc電源接通。復位是單片機的初始化操作。單片機在啟動運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統中其他部件都處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路來實現。

3.2發射電路

超聲波的發射電路是脈沖回波法超聲探傷儀的關鍵部分，對于超聲探傷系統的性能具有很大的影響。發射電路通常有調諧式和非調諧式兩種。調諧式電路中有調諧線圈，諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定，發出的超聲脈沖頻帶較窄。非調諧式電路發射一尖峰脈沖，脈沖的頻帶較寬，可以適應不同頻帶范圍的探頭，此時發射出的超聲波頻率主要由壓電晶片的固有參數決定。本設計采用非調諧式發射電路。

發射電路在發射控制信號的作用下，產生激勵超聲波探頭的高壓脈沖信號。圖3-2為其原理圖。圖3.3中輸入端為超聲波發射的控制信號，由主機單元產生，是寬度為500 n s、重復頻率為200 Hz 的脈沖信號。經三極管Q1、Q2、Q3 驅動后送到Q4 的控制極，該設計選用雙向晶閘管BTl36-600，該晶閘管具有600 V的反向峰值電壓和4 A的額定平均電流。Q 4 漏極經R6 接高壓Vch。在常用的超聲檢測系統中，Vch電壓在數十伏至幾百伏的范圍內，為充分激發探頭的壓電性能，本設計中采用600v高壓直流電源。當Q

基于單片機和虛擬儀器技術的超聲探測儀的設計 截止時, 電容器C4在600V電源的作用下, 經R6充電到600V；當Q4導通時, C4經Q4，R7放電, 在R8上產生激勵探頭的高壓?？勺冸娮鑂8為10kΩ決定了電路的阻尼情況，可以通過改變R8的阻值來改變發射的強度。電阻大時阻尼小，發射強度大，儀器的分辨力低，適合探測厚度大，對分辨率力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時或對分辨力要求較高時予以采用。

圖3.3 發射電路

3.3信號調理電路

3.3.1 限幅單元

當檢測范圍很大時，深度缺陷或底波的反射波信號很微弱，因此在處理之前需要進行高增益放大處理。而由于探頭是收發一體的，發射信號很強，它同時作用于接收電路，而且在實現的測試過程中，有可能加進強干擾，因此為保護放大電路不致損壞，使放大電路能處于線性的動態范圍，需要在放大之前接收信號進行限幅，限幅電路如圖3.4所示。圖中電阻R9相對于發射電路中的可調電阻R8要足夠大，選取阻值50KΩ，用以消除接收電路對發射電路產生負載效應。選用具有較大正向電流的二極管(如2K61701)D2和D3構成雙向限幅電路，防止發射電路中的高壓脈沖進入到后端接收電路中，這樣限幅電路的輸出在士0.7 V左右，可以達到該電路的預期效果。

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圖3.4 超聲波限幅電路

3.3.2衰減放大電路

限幅之后，便是放大電路，為了能夠測量幅度的變化值，在回波信號進入放大器之前，先經過已校準的衰減器，以便于對信號幅度定量調節，以適應不同的信號范圍。該設計選AD(ANALOG DEVICES)公司推出的壓控增益放大器AD603進行程控增益放大電路模塊的設計。AD603具有線性分貝、低噪聲、寬頻帶、高增益精度以及增益控制靈活等特點，其高達50 MΩ的阻抗能夠保證信號充分加載到后級電路中。AD603程控增益原理圖如圖3.5所示，其管腳說明如表3-1所示。

表3-1 AD603管腳說明

AD603提供精確的、可由管腳選擇的增益，且其增益線性可變，而且在溫度和電源電壓變化時有很高的穩定性，增益變化范圍40 dB，增益控制轉換比例25 mV/dB，相應 16

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速度為40 dB，變化范圍所需時間小于1μs。如圖3.5所示，AD603內部包含一個七級R一2R梯形網絡組成0~-40dB的可變衰減器和一個固定增益放大器，此固定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網絡的方式改變，以選擇AD603不同的增益變化范圍。AD603的這種可變增益功能是其他運算放大器所不能比擬的。

圖3.5 AD603增益控制原理

超聲回波信號由VINP進入衰減器衰減后，再通過定增益放大器放大。衰減器的增益控制由控制電壓VG完成，VG是差動輸入的增益控制電壓，即GPOS與GNEG之差，范圍是-0.5～+0.5 V。定增益放大器的增益可以通過外接不同反饋網絡的方式改變，以選擇AD603不同的增益變化范圍。

(1)當 AD603 輸出端VOUT與反饋端FDBK短接時，Gain(dB)=40VG+10；此時增益范圍為-10～+30 dB，帶寬為90 MHz。

(2)當AD603輸出端VOUT與反饋端FDBK接上反饋電阻時，Gain(dB)=40VG+20；此時增益范圍為0～+40 dB，帶寬為30 MHz。

（3)當反饋端FDBK接地時，Gain(dB)=40VG+30；此時增益范圍為10～50 dB，帶寬為9 MHz。

由此可見，AD603的增益控制是相當靈活的。在實際的使用過程中，可以將多片AD603串聯來實現更大的放大和動態范圍控制。本設計使用了兩片AD603串聯使用作為自動增益放大。緩沖放大器如圖3.6所示：

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圖3.6 緩沖放大電路（兩級串聯）

如圖3.6所示，在設計中將輸出端VOUT和反饋端FDBK之間用電位器R13連接，可以靈活地選擇增益范圍。通過調節電位器R14，可以調整GPOS與GNEG間的電壓在0～0.5 V之間，如果將電位器R13的阻值調至0，則使得放大器的增益變化范圍是10～30 dB。

3.3.3緩沖檢波電路

AD810是低功耗、視頻運算放大器, 具有高速度(轉換速率為1 kV/μs)、寬頻帶(80MHz, 3dB, G=1)、失真小(微分增益誤差0.02% , 微分相位誤差0.04°)、低噪聲(輸入噪聲2.9nV/(Hz))等特點, 是超聲波緩沖放大器的理想選擇。美國TI公司的11LH033也是緩沖器, 其輸入阻抗達10? , 寬頻帶(DC～100MHz), 輸出電阻為6Ω, 轉12換速率高(1 kV/μs), 而且跟隨范圍大。

緩沖檢波電路如圖3.7所示。檢波前的緩沖由AD810構成,它是一個同相放大器, 其高輸入阻抗(100MΩ)保證了AD603 的衰減精度。檢波后的緩沖由LH033 和AD810 兩部分組成。AD810是一個同相放大器,其輸入除了接收LH033 的輸出外, 還有一個由-5V電源產生的直流偏移電壓, 其作用是調節噪聲對顯示基線的影響 18

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圖3.7 緩沖檢波電路

用AD8036 作為全波整流。AD8036 本來是一個前位放大器，具有卓越的前位性能，表現在: 精度高(3 mV), 恢復時間短(1.5 ns)，非線性范圍小，寬頻帶(DC～ 240MHz)，鉗位輸入范圍寬(±3.9 V)。AD8036 作為增益為1 的反相放大器, 輸入送到反相輸入端V?，同時也送到低電平鉗位端VL，高電平鉗位端懸空, 不起作用。它能工作到20MHz, 由于AD8036不像二極管檢波那樣從正向偏置迅速切換到反向偏置, 它的非線性失真比二極管檢波要顯著減小，尤其是高頻段。在輸入信號只有40 mV 時,AD8036仍能線性檢波。

3.3.4 A/D轉換電路

ADC0809是一種8位逐次逼近式的A/D轉換器。其由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態輸出鎖存器等組成。模擬輸入部分有8路多路開關，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇，ALE為地址鎖存信號，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉換電路，由CLK控制內部電路的工作，START為啟動命令，高電平有效，啟動ADC0809內部的A/D轉換，當轉換完成，輸出信號EOC有效，OE為輸出允許信號，高電平有效，打開輸出三態緩沖器，把轉換后的結果送到DB．AT89C52與ADC0809的連接如圖3.8所 19

電路如圖3.9所示： 3.3.5串行傳輸電路 的數字量輸出到數據總線上。

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圖 3.8 ADC0809與AT89C52的接口電路圖

為高電平，結果數據已存入鎖存器。當OE輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果路進行分頻。同時，ADC0809有3種工作方式：查詢方式、中斷方式和等待方式。不同譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器；START上升沿將逐次逼近寄存器復位；下降沿啟動A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行，直到A/D轉換完成，EOC變的工作方式采用的硬件電路也有所區別，這里采用最簡單的等待方式來實現A/D轉換。

測量儀采用了常用的RS232以及MAX232芯片來實現串行傳輸，其與單片機的接口ADC0809的時鐘由單片機提供，經由ALE取得，如果信號頻率過高，可采用分頻電工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中；此地址經

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圖3.9 串口傳輸電路

3.4 600V電源電路

此600V電源加在發射電路中的Vch端。在常用的超聲檢測系統中，VH電壓在數十伏至幾百伏的范圍內。為充分激發探頭的壓電性能，采用了600 V的高壓直流電源模塊。高電壓升壓電源電路:交流220V轉直流600V電源電路如圖3-10 所示：

圖3.10 交流220v轉600v直流電源

規格：

輸入電壓= 220V±10% 50/60Hz 輸出電壓= 0-600Vdc 0.25A 開關頻率：70-100kHz 電壓檢測電壓等級限制FAN7554數據是1.5V。

3.5 5V電源電路、3.5.1 +5V電源產生電路

此+5v電源為硬件電路圖中的各種器件提供電源電壓，如圖3-11所示，為+5v電源產生電路：

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圖3.11 5v電源產生電路

規格：

輸入電壓= 220V±10% 50/60Hz 輸出電壓= 0-5600Vdc 0.25A 開關頻率：70-100kHz 3.5.2-5V電源產生電路

此-5v電源產生的直流偏移電壓加在緩沖檢波電路中，其作用是調節噪聲對顯示基線的影響。如圖3-12所示，為-5v電源產生電路：

圖3.12-5v電源產生電路

3.6 系統的軟件設計

基于單片機的超聲波探測的軟件設計主要包括系統初始化、超聲波發出信號、超聲波采集、A/D轉換、信號處理、串口通信?；趩纹瑱C的超聲波探測儀的系統流程圖如圖所示。經過以上軟件的處理就能把基于單片機的超聲波探測儀采集到的探傷信號通過 22

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串口傳送到計算機中，利用計算機中的探傷處理軟件獲取探傷信息。

系統初始化D/A轉換超聲波發出信號超聲波采集信號

D/A轉換信號處理串口發送

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第4章 LabVIEW上位機設計

4．1程序結構

超聲波探傷系統是基于LabVIEW編寫，主要實現超聲波數據的采集、處理、分析、顯示和存儲。超聲波信號通過基于單片機的超聲波探傷系統，通過串口傳輸到計算機中。在計算機中利用LabVIEW實現超聲波探傷的檢測。在本系統中為了增加軟件的操作權限，本設計還增加了用戶登錄功能，只有相應權限的操作者使用相應的密碼才能登錄系統，對系統進行操作。整個系統主要包括系統初始化、用戶登錄、串口通信、信號顯示、信號比較、探傷顯示和信號保存，整個系統的流程如圖8所示。

系統初始化用戶登錄信號采集信號處理傷痕？傷痕分析傷痕位置和程度保存？數據保存 圖 8 流程圖

4．2程序界面

超聲波探傷系統的界面如圖9所示，可見利用LabVIEW開發的系統界面具有良好的

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人機交互界面，非常美觀。以用LabVIEW創建超聲波探傷系統沒有使用一個代碼，所有的控件都是通過拖動的形式進行創建的，這樣既能簡單方便的創建人機交互界面，又能降低難度。從圖9中可以直觀的看出界面主要分為信號顯示區、報警區、數據保存區和系統操作界面區。每一區都具有自己響應的功能，不同區的作用在下面進行詳細的介紹。

圖 9 系統界面

信號顯示區如圖10所示，主要是實現超聲波波形的顯示曲線，此外在界面還有波形的實時顯示控件，顯示實時振幅。這些數據的采集和顯示，都只是通過控件對應的面板的變量實現的，并沒有通過一句代碼，所有的數據操作都是通過連線的方式進行的。

圖 10系統顯示

探傷線束區如圖11所示，主要包括探傷位置的顯示和傷痕幅度的顯示。

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圖11系統報警

數據保存區如圖12所示，主要包括保存路徑和保存確定按鈕，在確定要保存數據時確定需要保存的路徑，點擊保存按鈕系統就會把采集到的數據自動保存在txt文檔中。

圖12 系統保存

系統操作區如圖13所示，主要包括登錄和系統退出按鈕，系統登錄時需要選擇用戶名和輸入密碼，只有兩者正確才能進入界面。

圖13 系統操作

4．5系統軟件

超聲波探傷系統的系統軟件如圖14所示，LabVIEW是圖形化的語言，他把代碼轉化為圖形化的控件函數，可以明了直觀的為編程人員提高編程環境。利用LabVIEW進行系統的編程，可以簡單直觀地在程序面板中添加系統需要的函數，這樣可以輕松地創建程序結構。超聲波探傷系統的程序后面板部分就是實現用戶界面中系統設置、信號顯示系統和系統按鍵的操作的控制。為了實現各個按鍵的控制，超聲波探傷系統的按鍵控制部 26

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分采用了事件結構。

LabVIEW的事件結構在一定程度上提高了CPU的效率，但是事件結構具有三大黃金法則，時間結構必須放在循環結構中，事件結構外的循環必須有單獨的結束操作，事件結構內不能放置循環結構。但是本系統具有數據采集功能，而數據的采集必須放置在循環結構中。為了發揮事件結構的優點和避免在事件結構中放置循環結構，本論文設計的電化學測控系統采用了基于事件結構的生產者消費者循環結構，系統的軟件框圖如圖14所示。這樣既保留了使用事件結構的優點，也能夠使用循環結構采集數據。軟件框圖

從圖中可以看出基于LabVIEW設計的超聲波探傷系統的程序框圖是圖形話的編程語言，它主要包括事件的捕捉和事件的處理。在此程序中主要是響應登陸按鈕的事件，當登陸按鈕按下時，系統就會在事件結構中捕捉到按鈕的按下。當登陸安妮按下時，登陸對話框就會彈出，此時需要在登陸對話框中選擇登陸名和密碼，若選擇的用戶名與系統設置的密碼對應起來，系統就會登陸成功，系統登陸后就會通過基于消費者生產者循環的結構發出登陸的消息，消息經過系統的判斷就會如系統的數據的采集、處理、分析、27

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操作和數據的顯示以及數據的保存。

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結論

本本文利用單片機技術和LabvIEW技術實現超聲波探傷儀的設計，本系統主要包括基于單片機的超聲波探傷儀的硬件設計和軟件設計以及基于LabVIEW的上位機的設計。本文所設計的超聲波探傷儀的下位機以單片機為控制核心，并搭載超聲波采集和發生信號電路，通過串口傳輸到上位機上，上位機以LabVIEW為軟件平臺，開發了超聲波探傷儀的上位機程序。

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致謝

本論文是在XXX老師的

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參考文獻

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[3] 謝建.超聲液位測量儀的研究.自動化儀 [J ] ,2002.23(2): 12-15。[4] 丁義元等.高精度測距雷達研究.電子測量與儀器學報2000.10。[5] 沈小豐等.電子技術實踐基礎.清華大學出版社2005.09 130-141。[6] 劉福順，湯明.無損檢測基礎.北京北京航空航天大學出版社2002 [7] 應崇福。超聲學。北京科學出版社，1990 [8] 蔣危平.超聲波探傷儀發展簡史。無損測.1997:24—25 [9] 張旭輝，馬宏偉。超聲無損檢測技術的現狀和發展趨勢?，F狀·趨勢·戰略，2002:24—26 [10] 張易知，肖嘯等.虛擬儀器的設計與實現.西安:西安電子科技大學出版社，2002

第二篇：超聲波探傷作業指導書

超聲波探傷作業指導書 適用范圍

本作業指導書適用于母材厚度不小于8mm的鐵素體類鋼全焊透熔化焊對接焊縫脈沖反射法手工超聲波檢驗。不適用于鑄鋼及奧氏體不銹鋼焊接，外徑小于159mm鋼管對接焊縫，內徑小于等于200mm的管座角焊縫及外徑小于250mm和內徑小于80％的縱向焊縫。2 引用標準

JB4730-94《壓力容器無損檢測》

GBll345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級法》 GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》 3 試驗項目及質量要求

3.1 試驗項目：內部缺陷超聲波探傷。3.2 質量要求 3.2.1 檢驗等級的分級

根據質量要求檢驗等級分A、B、C三級，檢驗的完善程度A級最低，B級一般，C級最高。檢驗工作的難度系數按A、B、C順序逐級增高，應按照工種2的材質、結構、焊接方法，使用條件及承受荷載的不同，合理的選用檢驗級別。檢驗等級應按產品的技術條件和有關規定選擇或經合同雙方協商選定。3.2.2 焊縫質量等級及缺陷分級 表3.2.2 焊縫質量等級

一級

評定等級 檢驗等級 探傷比例

II B級 100%

二級 III B級 20% 內部缺陷 超聲波探傷

3.2.3 探傷比例的計數方法

探傷比例的計數方法應按以下原則確定：①對工廠制作焊縫，應按每條焊縫計算百分比，且探傷長度不應小于200mm，當焊縫長度不足200mm時，應對整條焊縫進行探傷；②對現場安裝焊縫，應按同一類型，同一施焊條件的焊縫條數計算百分比，探傷長度應不小于200mm，并應不少于l條焊縫。3.2.4 檢驗區域的選擇

3.2.4.1 超聲波檢測應在焊縫及探傷表面經外觀檢查合格后方可進行，應劃好檢驗區域，標出檢驗區段編號。

3.2.4.2 檢驗區域的寬度應是焊縫本身再加上焊縫兩側各相當于母材厚度30％的一般區哉，這區域最小10mm，最大20m。3.2.4.3 接頭移動區應清除焊接飛濺、鐵屑、油垢及其它外部雜質。探傷區域表面應平整光滑，便于探頭的自由掃查，其表面粗糙度不應超過6.3um，必要時進行打磨。a、采用一次反射法或串列式掃查探傷時，探頭移動區應大于2.5δk，(其中，δ為板厚，k為探頭值)；b、采用直射法探傷時，探頭移動區域應大于1.5δk。

3.2.4.4 去除余高的焊接，應將余高打磨到與臨鄰近母材平齊。保留余高焊縫，如焊縫表面有咬邊，較大的隆起和凹陷等也應進行適當修磨，并做圓滑過渡以免影響檢驗結果的評定。3.2.5 檢驗頻率

檢驗頻率f一般在2-5MHZ的范圍內選擇，推薦選用2—2.5MHZ區稱頻率檢驗，特殊情況下，可選用低于2MHZ區或高于2.5MHZ的檢驗頻率，但必須保證系統靈敏度的要求。3.2.6 檢驗等級，探傷面及使用k值(折射角)見表3.2.6 表3.2.6

板厚mm 探傷面 A 單面單 側

B

C

探傷法

使用折射角或k值

直射法及一 次性反射法 直射法

70°(k2.5、k2.o)70°或60°(k2.5、k2.o、k1.5)45°或60°;45°和60°，≤25 >25—50

單面雙側或 雙面單側

45°和70°并用(k1.o或k1.5，>50—100 >100 ／

(k1.o和k1..5，k1．0和k2．O并用)

／

雙面雙側

45°和60°并用(k1．0和k1．5或k2．O)儀器、試塊、耦合劑、探頭

4.1 儀器CTS-2000筆記本式數據超聲波探傷儀 4.2 試塊 CSK-IA 試塊 CSK-ⅡA 試塊 4.3 耦合劑

應選用適當的液體或模糊狀物作耦合劑。耦合劑應具備有良好透聲性和適宜流動性，不應對材料和人體有損傷作用。同時應便于檢驗后清理。典型耦合劑為水、機油、甘油和漿糊。在試塊上調節儀器和產品檢驗應采用相同的耦合劑。4.4 探頭：斜探頭、直探頭 5 儀器的調整的校驗 5.1 基線掃描的調節

熒光屏時基線刻度可按比例調節為代表缺陷的水平距離ι，深度h或聲程S。

5.1.1 探傷面為平面時，可在對比試塊上進行時基線掃描調節，掃描比例依據工作厚度和選用的探頭角度來確定，最大檢驗范圍應調到時基線滿刻度的2／3以上。

5.1.2 探傷面曲率半徑R大于W2／4時，可在平面對比試塊上或探傷面曲率相近的曲面對比試塊上，進行時基線掃描調節。5.1.3 探傷面曲面半徑R小于等于W2／4時，探頭楔塊應磨成與工件曲面相吻合，按GBll345-89第6.2.3條在對比試塊上作時基線掃描調節。

5.2 距離一波幅(DAC)曲線的繪制

5.2.1 距離一波幅曲線由選用的儀器、探頭系統在對比試塊上實測數據繪制，曲線由判廢線、定量線、評定線組成，不同驗收級別各線靈敏度見表5.2.1 表中DAC是以上φ2mm標準反射體繪制的距離一波副曲線，即DAC基準線。評定線以上定量線以下為I區，定量線至判廢線以下的Ⅱ區，判廢線及以上區域為Ⅲ區(判廢區)距離——波幅曲線的靈敏度 表5.2.1

級別 板厚mm DAC 判廢線 定量線 評定線

DAC-4dB DAC-12dB DAC-18dB

DAC+2dB DAC-8dB DAC-14dB

DAC DAC-6dB DAC-12dB

A

B

C

8—46 >46-120 >46-120

5.2.2 探測橫向缺陷時，應將各線靈敏度均提高6dB。

5.2.3 探傷面曲率半徑R小于等于W2／4時，距離一波幅曲線的繪制應在曲線面對比試塊上進行。

5.2.4 受檢工件的表面耦合損失及材質衰減應與試塊相同，否則應進行傳輸損失修整，在1跨距聲程內最大傳輸損差在2dB以內可不進行修整。

5.2.5 距離一波幅曲線可繪制在坐標紙上，也可直接繪制在熒光屏刻板上。5.3 儀器調整的校驗

5.3.1 每次檢驗前應在對比試塊上，對時基線掃描比例和距離一波幅曲線<靈敏度>進行調整或校驗。校驗點不少于兩點。5.3.2 在檢驗過程中每4h之內檢驗工作結束后應對時基線掃描和靈敏度進行校驗，校驗可在對比試塊或其他等效試塊上進行。

5.3.3 掃描調節校驗時，如發現校驗點反射波在掃描線上偏移超過原校驗點刻度讀數的10％或滿刻度5％(兩者取較小值)，則掃描比例應重新調整，前次校驗后已經記錄的缺點，位置參數應重新測定，并予以更正。

5.3.4 靈敏度校驗時，如校驗點的反射波幅比距離一波幅曲線降低20％或2dB以上，則儀器靈敏度應重新調整，而前次校驗后，已經記錄的缺陷，應對缺陷尺寸參數重新測定并予以評定。6 初始檢驗 6.1 一般要求

6.1.1 超聲檢驗應在焊縫及探傷表面經外觀檢查合格并滿足GBll345-89第8.1.3條的要求后方可進行。

6.1.2 檢驗前，探傷人員應了解受檢工件的材質、結構、曲率、厚度、焊接方法、焊縫種類、坡口形式、焊縫余高及背面襯墊、溝槽等情況。

6.1.3 探傷靈敏度應不低于評定線靈敏度。

6.1.4 掃查速度不應大于150mm／S，相鄰兩次探頭移動間隔保證至少有探頭寬度10％的重疊。

6.1.5 對波幅超過評定線的反射波，應根據探頭位置、方向、反射波的位置及6.1.2條了解焊縫情況，判斷其是否為缺陷。判斷缺陷的部位在焊縫表面作出標記。6.2平板對接焊縫的檢驗

6.2.1 為探測縱向缺陷，斜探頭垂直于焊縫中心線放置在探傷面上，作鋸齒型掃查。探頭前后移動的范圍應保證掃查到全部焊縫截面及熱影響區。在保持垂直焊縫作前后移動的同時，還應作10°～15°左右移動。

6.2.2 為探測焊縫及熱影響區的橫向缺陷應進行平行和斜平行掃查。B級檢驗時，可在焊縫兩側邊緣使探頭與焊縫中心線成10°～20°斜平行掃查。C級檢驗時，可將探頭放在焊縫及熱影響區上作兩方向的平行掃查，焊縫母材厚度超過lOOmm時，應在焊縫的兩面作平行掃查或者采用兩種角度探頭(45°和60°或45°和70°并用)作單位兩個方向平行掃查，亦可用兩個45°探頭作串列式平行掃查。對電渣焊縫還應增加與焊縫中心線45°的斜想向掃查。

6.2.3 為確定缺陷的位置、方向、形狀、觀察缺陷動態波形或區分缺陷訊號與偽訊號，可采用前后、左右、轉角、環繞等四種探頭基本掃查方式。6.3 曲面工作對接焊縫的檢驗

6.3.1 探傷面為曲面時，按規定選用對比試塊，并采用6.2條的方法進行檢驗。C級檢驗時，受工件幾何形狀限制，橫向缺陷探測無法實施時，應在檢驗記錄中予以注明。

6.3.2 環縫檢驗時，對比試塊的曲率半徑為探傷面曲率0.9-1.5倍的對比試塊，均可采用，對比試塊的采用。探測橫向缺陷時按6.3.3條的方法進行。

6.3.3 縱縫檢驗時，對比試塊的曲率半徑與探傷面曲率半徑之差應小于10％。

6.3.3.1 根據工件的曲率和材料厚度選擇探頭角度，并考慮幾何臨界角的限制，確保聲束能掃查到整個焊縫厚度；條件允許時，聲束在曲底面的入射角度不應超過70°。

6.3.3.2 探頭接觸面修磨后，應注意探頭入射點和折射點角或K值的變化，并用曲面試塊作實際測定。

6.3.3.3 當R大于W2／4采用平面對比試塊調節儀器，檢驗中應注意到熒光屏指示的缺陷深度或水平距離與缺陷實際的徑向埋藏深度或水平距離弧長的差異，必要時應進行修正。6.4 其它結構焊縫的檢驗

盡可能采用平板焊縫檢驗中已經行之有效的各種方法。在選擇探傷面和探頭時應考慮到檢測各種類型缺陷的可能性，并使聲束盡可能垂直于該結構焊縫中的主要缺陷。7 規定檢驗 7.1 一般要求

7.1.1 規定檢驗只對初始檢驗中被標記的部位進行檢驗。

7.1.2 對所有反射波幅超過定量線的缺陷，均應確定其位置，最大反射波幅所在區域和缺陷指示長度。表7.1.2mm

檢驗等級

A

靈敏度 評定靈敏度 定量靈敏度 判廢靈敏度

7.2 最大反射波幅的測定

7.2.1 對判定的缺陷的部位，采取6.2.3條的探頭掃查方式，增加探傷面、改變探頭折射角度進行探測，測出最大反射波幅并與距離一波幅曲線作比較，確定波幅所在區域，波幅測定的允許誤差為2dB。

Φ3 Φ4 Φ6

Φ2 Φ3 Φ6

Φ2 Φ3 Φ4

B

C

7.1.3 探傷靈敏度應調節到評定靈敏度，見表7.1.2直探頭檢驗等級評定。7.2.2 最大反射波幅A與定量線SL的dB差值記為SL±——dB 7.3 位置參數的測定

7.3.1 缺陷位置以獲得缺陷最大反射波的位置來表示，根據相應的探頭位置和反射波在熒光屏上的位置來確定如下全部或部分參數。

a、縱坐標L代表缺陷沿焊縫方向的位置。以檢驗區段編號為標證基準點(即原點)建立坐標。坐標正方向距離上表示缺陷到原點的距離。

b、深度坐標h代表缺陷位置到探傷面的垂直距離(mm)，以缺陷最大反射波位置的深度值表示。

c、橫坐標q代表缺陷位置離開焊縫中心線的垂直距離，可由缺陷最大反射波位置的水平距離或簡化水平距離求得。7.3.2 缺陷的深度和水平距離(或簡化水平距離)兩數值中的一個可由缺陷最大反射波在熒光屏上的位置直接讀出，另一個數值可采用計算法、曲線法、作圖法或缺陷定位尺求出。

第三篇：超聲波探傷技術工作總結

小徑管超聲波探傷技術

開封空分集團有限公司--姜海

小徑管指管徑較?。―N100以內），管壁較?。ㄒ话銥?.5mm～8mm）的小徑管。過去對這些小徑管焊縫多采用射線檢測，但射線探傷方法有其自身的局限性；如裂紋、未熔合等,特別是當其與射線束方向夾角較大時，不易發現，容易漏檢。而超聲波探傷由于不受場地、環境限制，并且對那些面狀缺陷檢出率高、且價格低廉并可與其他工種進行交叉作業，可以大大提高效率而在管道探傷中得到了較好的應用，下面我結合自己的工作實踐，主要對小徑管探傷存在問題、探傷方法、要點及缺陷波識別等，談談自己的一些認識：

一 小徑管對接焊縫超聲波探傷存在以下問題： 1）小徑管壁薄，壁厚較薄時超聲波聲束在管壁中產生的聲程較短，易受聲壓不規則的近場區干擾，給缺陷定性，定量帶來困難。2）管壁曲率較大，管內外表面聲能損失較大，聲束傳輸路徑更復雜，經過多次發散，聚集聲壓反射異于常規，使聲能有一定量損失，降低了探傷靈敏度。3）焊縫焊波高度、焊瘤尺寸與管壁厚度為同一數量級，在較高靈敏度探傷時雜波多，這給缺陷的識別增加了難度。4）同一截面管子在壁厚上有時存在較大的公差，因而給缺陷定位帶來了一定的困難。

二

小徑管對接焊縫超聲波探傷方法及要點： 小徑管對接焊縫進行超聲波探傷時，探頭應使用高阻尼、短前沿、大K值的單晶橫波探頭；晶片尺寸一般不大于6mm×6mm，前沿距離≤5mm，偏差＜0.5mm，工作頻率為5 MHZ。探傷中要注意如下幾點：（1）探頭耦合問題：

為保證探頭與工件表面充分耦合，探頭耦合面應修磨成圓弧，使其曲率半徑與小徑管外表面盡量一致，不同管徑的小徑管焊縫探傷，應配備專用的探頭，避免混用。如果探傷前不認真修磨探頭耦合面，而是不同外徑的管子混用一個探頭，其結果不但使探傷工作受到油面波、變形表面波的干擾，更重要的是隨著探頭的磨損，使超聲場特性發生較大變化，使探傷結果變的不可信；另外，打磨準備工作也是保證探傷順利進行的重要環節，如飛濺物消除不徹底，會使探頭與管壁耦合不好，在檢查過程中出現“不起波”或“起雜波‘，必須認真去打磨探頭移動區，消除飛濺物、銹斑、油垢等，以便于探頭掃查。（2）關于探頭參數的測定及復核

準確測定探頭的重要參數，是超聲波探傷的重要基礎，如果探頭參數測量不準，就會造成缺陷定位、定性的困難，甚至造成誤判或漏判，在小徑管探傷檢驗中，由于工件尺寸小，對缺陷定位更要求準確，對探頭主要參數的 測定，準確性尤為重要，在探傷前，探傷人員必須認真測定探頭參數，在探傷過程中，對探頭主要參數和探傷靈敏度必須復核。（3）關于探傷靈敏度

在超聲波探傷中，確定探傷靈敏度是一個關鍵的步驟，它將直接影響到探傷結果，在小徑管焊縫探傷中同樣顯的極為重要。小徑管探頭由于晶 片尺寸較小，發射功率較低加上探頭前沿尺寸小，加工困難相應增大，因而，探頭在探傷靈敏度下雜波很多，但有時在探傷時為了便于觀察，往往不適當地降低了探傷靈敏度其結果必然造成漏檢，因此，做對比試塊時，須選用外徑、壁厚以及內外粗糙度與被探管子相同或基本相近的材料。（4）小徑管焊縫探傷由于探頭晶片尺寸較小，容易產生漏檢，所以一定要在焊縫兩側探傷。三

缺陷波的識別與判定： 1 缺陷反射波的識別

當采用一次波探傷時主要觀察儀器熒光屏上一次波標記點前面出現的反射波，因為波束掃過焊縫下半部，如果有反射波一般為缺陷反射（除盲區雜波外）。其次是位于一次波最大深度標記點上（焊縫根部）的反射波，當焊縫不存在錯口時，要確定反射波對應的反射點的位置，如果反射點位于焊縫中心點或探頭側則判為缺陷。當發現焊縫根部出現一定高度的反射波時、應對該處焊縫兩側的壁厚進行準確測定，儀器的掃描速度要準確調整，以準確定位，并根據探頭所在的位置對反射波進行認真分析，缺陷位置出現在一次波最大深度標記點處或以前，對應的反射體位于焊縫中心或探頭側。

當采用二次波探傷時，在一次波標記點和二次波標記點之間出現的反射波，可能為缺陷波，也可能是雜波，在這個區域之前或之后出現的反射波則為非缺陷波。缺陷波可用下述方法來判斷：

（1）如果二次波聲束在內壁上的轉折點位于焊縫區外，反射點位于焊縫中，則該反射波可判為缺陷波。（2）二次波聲束在內壁上的轉折點在焊縫區內則該反射波不能作為判傷的依據應根據位置、波形等其它情況綜合判斷。

當從焊縫兩側探傷發現反射波，若反射波出現在焊縫的同一位置，反射波高相同或不同則反射波判為缺陷波。2． 雜波的識別

小徑管對接焊縫超聲波探傷時，除了缺陷反射波外，還會有一些雜波信號，這些信號干擾了缺陷的判定，易產生誤判，因此要認真分析。（1）縫根部成形影響：

當焊縫根部成形較好時，一般在在一次波標記點附近無反射波或反射波強度很弱，當焊縫根部成形不良如存在焊瘤、表面不規則時，從焊縫兩側探傷一般均有反射信號，其位置與根部缺陷很相似，其強度隨根部成形所構成的反射條件而異，稍不注意易判為缺陷，可 用下述方法區分： a.準確地調整掃描速度以便從聲程差上比較，焊瘤反射波深度略大于一次波標記點，有必要再次強調精確測量管子壁厚。

b.用水平定位法識別:如焊瘤反射波在偏離焊縫中心線遠離探頭的一側，而根部缺陷水平位置則應在焊縫中心線上或偏離焊縫中心線靠近探頭一側。

c.通過轉動探頭觀察波形變化也可鑒別，移動探頭找到最大反射波后慢慢左右轉動探頭，觀察波形變化，缺陷波漲落大，瞬間消失，焊瘤波升降較緩慢、平穩，同時焊瘤處除產生反射波外，多數還會產生變形縱波或變形橫波，并傳到焊縫加強面產生回波信號，水平位置在一，二次波標記點中間或二次波標記點附近，可用沾油的手指拍打加強面來識別。(1)焊縫錯邊反射波：

當焊縫有錯邊出現時，聲束和錯邊方位將產生反射波，其水平定位在焊縫中心，但從另一側探傷時因無反射條件則無反射信號。(2)擴散聲束引起的加強面反射波的識別：

由于小徑管壁薄，當一次波主聲束后面的擴散聲束經底面反射到焊縫加強面時，在加強面處產生反射波，正好出現在一，二次波標記點之間，有時易誤判為焊縫中上部缺陷，可根據探頭位置和水平定位或用沾油的手指拍打加強面識別，必要時，用其它檢測手段做輔助檢查，(1)變形波：

當聲束掃查到焊縫根部時，在一定條件下將產生變形波，可根據探頭位置和水平定位進行區別，一般情況下變形波水平定位點在焊縫之外。四． 試驗驗證及結論

通過對不同管徑，不同壁厚管子經超聲波探傷和射線探傷比較，二者結果是基本吻合的，現場實際應用也證明，小徑管對接超聲波探傷不僅切實可行，而且也具有較強的可靠性。小徑管對接超聲波探傷可以克服射線探傷的缺點，但在探傷過程中一定要從焊縫兩側探傷，認真分析波形，對探頭參數、儀器一定要調準。

第四篇：超聲波探傷培訓教程

培訓教材之理論基礎------

滲透檢測適用于金屬制品及其零部件表面開口缺陷的檢測，包括熒光和著色滲透檢測。

渦流檢測適用于管材檢測，如圓形無縫鋼管及焊接鋼管、鋁及鋁合金拉薄壁管等。

磁粉、滲透和渦流統稱為表面檢測。

波長?：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質點間的距離稱為波長，波源或介質中任意一質點完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離，常用單位為米(m)；頻率f：波動過程中，任一給定點在1秒鐘內所通過的完整波的個數稱為頻率，常用單位為赫茲(Hz)；波速C：波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速，常用單位為米/秒（m/s）。

由上述定義可得：C=? f，即波長與波速成正比，與頻率成反比；當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。

次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，在同一介質中的傳播速度相同。它們的區別在主要在于頻率不同。頻率在20~20000Hz之間的能引起人們聽覺的機械波稱為聲波，頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波。次聲波、超聲波不可聞。

超聲探傷所用的頻率一般在0.5~10MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為1~5MHz。超聲波波長很短，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛用于無損探傷。

1.方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在無損探傷中使用的波長為毫米級；超聲波象光波一樣具有良好的方向性，可以定向發射，易于在被檢材料中發現缺陷。

2.能量高：由于能量（聲強）與頻率平方成正比，因此超聲波的能量遠大于一般聲波的能量。

3.能在界面上產生反射、折射和波型轉換：超聲波具有幾何聲學的上一些特點，如在介質中直線傳播，遇界面產生反射、折射和波型轉換等。

4.穿透能力強：超聲波在大多數介質中傳播時，傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強，在一些金屬材料中其穿透能力可達數米。

互相垂直的波，稱為橫波，用S或T表示。

當介質質點受到交變的剪切應力作用時，產生剪切形變，從而形成橫波；只有固體介質才能承受剪切應力，液體和氣體介質不能承受剪切應力，因此橫波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。鋼中橫波聲速一般為3230m/s。橫波一般應用于焊縫、鋼管探傷。3.表面波R 當介質表面受到交變應力作用時，產生沿介質表面傳播的波，稱為表面波，常用R表示。又稱瑞利波。

表面波在介質表面傳播時，介質表面質點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向；橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成，因此表面波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。

表面波的能量隨深度增加而迅速減弱，當傳播深度超過兩倍波長時，質點的振幅就已經很小了，因此，一般認為表面波探傷只能發現距工件表面兩倍波長深度內的缺陷。表面波一般應用于鋼管探傷。4.板波

在板厚與波長相當的薄板中傳播的波，稱為板波。根據質點的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。板波一般應用于薄板、薄壁鋼管探傷。

二．超聲波聲速測量

對探傷人員來說，用探傷儀測量聲速是最簡便的，用這種方法測聲速，可用單探頭反射法或雙探頭穿透法；可用于測縱波聲速和橫波聲速。

1.反射法測縱波聲速 聲速按下式計算：

聲速 C=2d/(T1-t)； t = 2T1 – T2 式中 d------工件厚度；

t------由探頭晶片至工件表面傳輸時間；

T1------由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間；

T2------由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間；

2.穿透法測縱波聲速 聲速按下式計算：

聲速 C=d/(T1-t)； t = 2T1 – T2 式中 d------工件厚度；

t------由探頭晶片至工件表面傳輸時間；

T1------由探頭晶片至工件底一次波傳輸時間；

T2------由探頭晶片至工件底二次波傳輸時間；

3.反射法測橫波聲速

用半圓弧測橫波聲速，按下式計算： 聲速 C=2d/(T1-t)； t = 2T1 – T2 式中 d------半圓半徑長度；

t------由探頭晶片至半圓弧探測面傳輸時間；

T1------由探頭晶片至圓弧面一次波傳輸時間；

T2------由探頭晶片至圓弧面二

次波傳輸時間；

動中任何質點都可以看作是新的波源。據此惠更斯提出了著名的惠更斯原理：介質中波動傳播到的各點都可以看作是發射子波的波源，在其后任意時刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。2.波的衍射（繞射）

波在傳播過程中遇到與波長相當的障礙物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續前進的現象，稱為波的衍射或波的繞射。如右圖，超聲波（波長為?）在介質中傳播時，AB（其尺寸為D）遇到缺陷，據惠更斯原理，缺陷邊緣可以看作是發射子波的波源，使波的傳播改變，從 而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低。

當D<>?時，反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。

波的繞射對探傷即有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產生晶料繞射順利地在介質中傳播，這對探傷有利；但同時由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢，這對探傷不利。一般超聲波探傷靈敏度約為?/2。

三． 超聲場的特征值

充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質，叫超聲場；超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被發現。描述超聲場的特征植（即物理量）主要有聲壓、聲強和聲

阻抗。1.聲壓P 超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強P1與沒有超聲波存在時的靜態壓強P0之差，稱為該點的聲壓，用P表示（P = P1-P0）。

聲壓幅值 p = ?cu = ?c(2?fA)其中 ?----介質的密度;c----波速;u----質點的振動速度； A----聲壓最大幅值； f----頻率。

超聲場中某一點的聲壓的幅值與介質的密度、波速和頻率成正比。在超聲波探傷儀上，屏幕上顯示的波高與聲壓成正比。2.聲阻抗Z 超聲場中任一點的聲壓p與該處質點振動速度u之比稱為聲阻抗，常用Z表示。

Z = p / u = ?cu / u = ?c 由上式可知，聲阻抗的大小等于介質的密度與波速的乘積。由u = P/Z可知，在

同一聲壓下，Z增加，質點的振動速度下降。因此聲阻抗Z可理解為介質對質點振動的阻礙作用。超聲波在兩種介質組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質的聲阻抗密切相關。3.聲強I 單位時間內垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用I表示。

22I = Z u/2 = P/(2Z)當超聲波傳播到介質中某處時，該處原來靜止不動的質點開始振動，因而具有動能；同時該處介質產生彈性變形，因而也具有彈性位能；聲能為兩者之和。

聲波的聲強與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠大于可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠大于可聞聲波的聲強。這是超聲波能用于探傷的重要原因。

在同一介質中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。

四． 分貝的概念與應用

1.概念

由于在生產和科學實驗中，所遇到的聲強數量級往往相差懸殊，如引起聽覺的聲-16 2– 4 強范圍為10~ 10瓦/厘米，最大值與最小值相差12個數量級。顯然采用絕對量來度量是不方便的，但如果對其比值（相對量）取對數來比較計算則可大簡化運算。分貝就是兩個同量綱的量之比取對數后的單位。

通常規定引起聽覺的最弱聲強為I1 = 10 2–16 瓦/厘米 作為聲強的標準，另一聲強I2與標準聲強I1 之比的常用對數稱為聲強級，單位是貝爾(BeL)。實際應用時貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝（dB）來作單位。（如取自然對數，則單位為奈培NP）

? = lg(I2/I1)(Bel)=10 lg(I2/I1)= 20 lg(P2/P1)(dB)在超聲波探傷中，當超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器屏幕上的波高與聲壓

成正比。這時有

? = 20 lg(P2/P1)= 20 lg(H2/H1)(dB)這時聲壓基準P1或波高基準H1可以任意選取。2.應用

分貝用于表示兩個相差很大的量之比顯得很方便，在聲學和電學中都得到廣泛的應用，特別是在超聲波探傷中應用更為廣泛。例如屏上兩波高的比較就常常用dB表示。

例如，屏上一波高為80％，另一波高為20％，則前者比后者高

? = 20 lg(H2/H1)= 20 lg(80/20)= 12（dB）

用分貝值表示回波幅度的相互關系，不僅可以簡化運算，而且在確定基準波高以后，可直接用儀器的增益值（數字機）或衰減值（模擬機）來表示缺陷波相對波高。

超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩種介質的分界面上，一部分能量反射回原介質內，稱為反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質內傳播，稱為透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規律。

一． 單一界面的反射和透射

聲能的變化與兩種介質的聲阻抗密切相關，設波從介質1（聲阻抗Z1）入射到介質2（聲阻抗Z2），有以下幾種情況： 1.Z2 > Z1

聲壓反射率小于透射率。如水/鋼界面。2.Z1> Z2

聲壓反射率大于透射率。如鋼/水界面。聲強反射率及透射率只與Z1、Z2的數值有關，與從哪種介質入射無關。3.Z1>> Z2

聲壓（聲強）幾乎全反射，透射率趨于0。如鋼/空氣界面。

4.Z1? Z2

此時幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結合面沒有任何缺陷，是不會產生界面回波的。

二． 薄層界面的反射和透射

此情況主要對探頭保護膜設計具有指導意義。

當超聲波依次從三種介質Z1、Z2、Z3(如晶片—保護膜—工件)中穿過，則當薄層厚度等于半波長的整數倍時，通過薄層的聲強透射與薄層的性質無關，即好象不存在薄層一樣；當薄層厚度等于四分之一波長的奇數倍且薄層聲阻抗為其兩側介質

1/2 聲阻抗幾何平均值（Z2 =（Z2 Z3））時，超聲波全透射

三． 波型轉換和反射、折射定律 當超聲波傾斜入射到界面時，除產生同種類型的反射和折射波外，還會產生不同類型的反射和折射波，這種現象稱為波型

轉換。

1.縱波斜入射

2.橫波入射

四． 超聲波的衰減 超聲波在介質中傳播時，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現象叫做超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴散、晶粒散射和介質吸收 1.擴散衰減

超聲波在傳播過程中，由于波束的擴散，使超聲波的能量隨距離增加面逐漸減弱的現象叫做擴散衰減。超聲波的擴散衰減僅取決于波陣面的形狀，與介質的性質無關。

2.散射衰減

超聲波在介質中傳播時，遇到聲阻抗不

同的界面產生散亂反射引起衰減的現象，稱為散射衰減。散射衰減與材質的晶粒密切相關，當材質晶粒粗大時，散射衰減嚴重，被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播到探頭，在屏上引起林狀回波（又叫草波），使信噪比下降，嚴重時噪聲會湮沒缺陷波。

3.吸收衰減

超聲波在介質中傳播時，由于介質中質點間內磨擦（即粘滯性）和熱傳導引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減 通常所說的介質衰減是指吸收衰減與散射衰減，不包括擴散衰減。

較遠處軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。1.近場區

波源附件由于波的干涉而出現一系列聲壓極大極小值的區域，稱為超聲場的近場區。近場區聲壓分布不均，是由于波源各點至軸線上某點的距離不同，存在波程差，互相迭加時存在位相差而互相干涉，使某些地方聲壓互相加強，另一些地方互相減弱，于是就出現聲壓極大極小值的點。

波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區長度，用N表示。22 N =（Ds-?）/(4?)? Ds/(4?)2.遠場區

波源軸線上至波源的距離x >N的區域稱為遠場區。遠場區軸線上的聲壓隨距離增加單調減少。當 x >3N時，聲壓與距離成反比，近似球面波的規律。因為距離x足夠大時，波源各點至軸線上某一點的波程差很小，引起的相位差也很小，這樣干涉

現象可以略去不計，所以遠場區不會出現聲壓極大極小值。

3.近場區在兩種介質中分布

實際探傷時，有時近場區分布在兩種不同的介質中，如水浸探傷，超聲波先進入水，然后再進入鋼中，當水層厚度較小時，近場區就會分布在水、鋼兩種介質中。設水層厚度為L，則鋼中剩余近場區長度N為 N = Ds/(4?)– Lc1/c2 式中 c1----介質1水中波速；

c2----介質2鋼中波速；

?----介質2鋼中波長。

在近場區內，實際聲場與理想聲場存在明顯區別，實際聲場軸線上聲壓雖也存在極大極小值，但波動幅度小，極值點的數量也明顯減少。

二． 橫波聲場

目前常用的橫波探頭，是使縱波斜入射到界面上，通過波形轉換來實現橫波探傷

的，當入射角在

超聲波探傷中常用的規則反射體有平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔和大平底面等?；夭晧汗剑紤]介質衰減因素）：

四． AVG曲線

AVG曲線是描述規則反射體的距離、回波高及當量大小之間關系的曲線；A、V、G是德文距離、增益和大小的字頭縮寫，英文縮寫為DGS。AVG曲線可用于對缺陷定量和靈敏度調整。

以橫坐標表示實際聲程，縱坐標表示規則反射體相對波高，用來描述距離、波幅、當量大小之間的關系曲線，稱為實用AVG曲線。實用AVG曲線可由以下公式得到： 不同距離的大平底回波dB差

Δ=20lgPB1/PB2=20lgX2/X1 不同距離的不同大小平底孔回波dB差

Δ=20lgPf1/Pf2=40lgDf1X2/Df2X1 同距離的大平底與平底孔回波dB差

Δ=20lgPB/Pf=20lg2λX/πDfDf 用以上公式計算繪制實用AVG曲線時，要統一靈敏度基準。

坐標代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。B型：B型顯示是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標代表探頭的掃查軌跡，縱坐標代表聲波的傳播距離，因而可直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型：C型顯示也是一種圖象顯示，屏幕的橫坐標和縱坐標都代表探頭在工件表面的位置，探頭接收信號幅度以光點輝度表示，因而當探頭在工件表面移動時，屏上顯示出被探工件內部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。

目前，探傷中廣泛使用的超聲波探傷儀都是A型顯示脈沖反射式探傷儀。

3.A型脈沖反射式模擬超聲波探傷儀的一般原理

二． 探頭

超聲波的發射和接收是通過探頭來實現的。下面介紹探頭的工作原理、主要性能及其及結構。1.壓電效應

某些晶體材料在交變拉壓應作用下，產生交變電場的效應稱為正壓電效應。反之當晶體材料在交變電場作用下，產生伸縮變形的效應稱為逆壓電效應。正、逆壓電效應統稱為壓電效應。

超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應，當高頻電脈沖激勵壓電晶片時，發生逆壓電效應，將電能轉換為聲能(機械能)，探頭發射超聲波。當探頭接收超聲波時，發生正壓電效應，將聲能轉換為電能。不難看出超聲波探頭在工作時實現了電能和聲能的相互轉換，因此常把探頭叫做換能器。

2.探頭的種類和結構

直探頭用于發射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。

斜探頭可分為縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面波斜探頭，常用的是橫波斜探頭。橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫、汽輪機葉輪等。

當斜探頭的入射角大于或等于

基本頻率-晶片材料-晶片尺寸-探頭種類-特征

三． 試塊

按一定用途設計制作的具有簡單幾何形狀人工反射體的試樣，通常稱為試塊。試塊和儀器、探頭一樣，是超聲波探傷中的重要工具。

1． 試塊的作用（1）確定探傷靈敏度

超聲波探傷靈敏度太高或太低都不好，太高雜波多，判傷困難，太低會引起漏檢。因此在超聲波探傷前，常用試塊上某一特定的人工反射體來調整探傷靈敏度。（2）測試探頭的性能

超聲波探傷儀和探頭的一些重要性能，如放大線性、水平線性、動態范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區、探頭的入射點、K值等都是利用試塊來測試的。（3）調整掃描速度

利用試塊可以調整儀器屏幕上水平刻度

值與實際聲程之間的比例關系，即掃描速度，以便對缺陷進行定位。（4）評判缺陷的大小

利用某些試塊繪出的距離-波幅-當量曲線（即實用AVG）來對缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特別是3N以內的缺陷，采用試塊比較法仍然是最有效的定量方法。此外還可利用試塊來測量材料的聲速、衰減性能等。2.試塊的分類（1）按試塊來歷分為：標準試塊和參考試塊。（2）按試塊上人工反射體分：平底孔試塊、橫孔試塊和槽形試塊 3.試塊的要求和維護

4.常用試塊簡介（儀器使用時重點講解）

IIW(CSK-IA)CS-1 CSK-IIIA

3.動態范圍

動態范圍是指儀器屏幕容納信號大小的能力。

二． 探頭的性能及其測試 1.斜探頭入射點

斜探頭的入射點是指其主聲束軸線與探測面的交點。入射點至探頭前沿的距離稱為探頭的前沿長度。測定探頭的入射點和前沿長度是為了便于對缺陷定位和測定探頭的K值。

注意試塊上R應大于鋼中近場區長度N，因為近場區同軸線上的聲壓不一定最高，測試誤差大。

2.斜探頭K值和折射角

斜探頭K值是指被探工件中橫波折射角的正切值。

注意測定斜探頭的K值或折射角也應在近場區以外進行。

3.探頭主聲束偏離和雙峰

探頭實際主聲束與其理論幾何中心軸線

的偏離程度稱為主聲束的偏離。

平行移動探頭，同一反射體產生兩個波峰的現象稱為雙峰。

探頭主聲束偏離和雙峰，將會影響對缺陷的定位和判別。4.探頭聲束特性

探頭聲束特性是指探頭發射聲束的擴散情況，常用軸線上聲壓下降6dB時探頭移動距離（即某處的聲束寬度）來表示。

三． 儀器和探頭的綜合性能及其測試 1.靈敏度

超聲波探傷中靈敏度一般是指整個探傷系統（儀器和探頭）發現最小缺陷的能力。發現缺陷愈小，靈敏度就愈高。

儀器的探頭的靈敏度常用靈敏度余量來衡量。靈敏度余量是指儀器最大輸出時（增益、發射強度最大，衰減和抑制為0），使規定反射體回波達基準高所需衰減的衰減總量。靈敏度余量大，說明儀器與探頭的靈敏度高。靈敏度余量與儀器和探頭

的綜合性能有關，因此又叫儀器與探頭的綜合靈敏度。

2.盲區與始脈沖寬度

盲區是指從探測面到能夠發現缺陷的最小距離。盲區內的缺陷一概不能發現。始脈沖寬度是指在一定的靈敏度下，屏幕上高度超過垂直幅度20％時的始脈沖延續長度。始脈沖寬度與靈敏度有關，靈敏度高，始脈沖寬度大。3.分辨力

儀器與探頭的分辨力是指在屏幕上區分相鄰兩缺陷的能力。能區分的相鄰兩缺陷的距離愈小，分辨力就愈高。4.信噪比

信噪比是指屏幕上有用的最小缺陷信號幅度與無用的噪聲雜波幅度之比。信噪比高，雜波少，對探傷有利。信噪比太低，容易引起漏檢或誤判，嚴重時甚至無法進行探傷。

發生變化時，將改變試件的共振頻率，依據試件的共振頻率特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為共振法。共振法常用于試件測厚。

二． 按波形分類

根據探傷采用的波形，可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。1.縱波法

使用直探頭發射縱波進行探傷的方法，稱為縱波法。此時波束垂直入射至試件探測面，以不變的波型和方向透入試件，所以又稱為垂直入射法，簡稱垂直法。垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用單晶探頭反射法。垂直法主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的探傷，該法對與探測面平行的缺陷檢出效果最佳。由于盲區和分辨力的限制，其中反射法只能發現試件內部離探測面一定距離以外的缺陷。

在同一介質中傳播時，縱波速度大于其

它波型的速度，穿透能力強，晶界反射或散射的敏感性較差，所以可探測工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的探傷。2.橫波法

將縱波通過楔塊、水等介質傾斜入射至試件探測面，利用波型轉換得到橫波進行探傷的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波束與探測面成銳角，所以又稱斜射法。

此方法主要用于管材、焊縫的探傷；其它試件探傷時，則作為一種有效的輔助手段，用以發現垂直法不易發現的缺陷。3.表面波法

使用表面波進行探傷的方法，稱為表面波法。這種方法主要用于表面光滑的試件。表面波波長很短，衰減很大。同時，它僅沿表面傳播，對于表面上的復層、油污、不光潔等，反應敏感，并被大量地衰減。利用此特點可通過手沾油在聲束傳播方向上進行觸摸并觀察缺陷回波高度的

變化，對缺陷定位。4.板波法

使用板波進行探傷的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的試件探傷。探傷時板波充塞于整個試件，可以發現內部和表面的缺陷。5.爬波法

三． 按探頭數目分類 1.單探頭法

使用一個探頭兼作發射和接收超聲波的探傷方法稱為單探頭法，單探頭法最常用。

2.雙探頭法

使用兩個探頭（一個發射，一個接收）進行探傷的方法稱為雙探頭法，主要用于發現單探頭難以檢出的缺陷 3.多探頭法

使用兩個以上的探頭成對地組合在一起進行探傷的方法，稱為多探頭法。

四． 按探頭接觸方式分類 1.直接接觸法

探頭與試件探測面之間，涂有很薄的耦合劑層，因此可以看作為兩者直接接觸，此法稱為直接接觸法。

此法操作方便，探傷圖形較簡單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高，是實際探傷中用得最多的方法。但對被測試件探測面的粗糙度要求較高。2.液浸法

將探頭和工件浸于液體中以液體作耦合劑進行探傷的方法，稱為液浸法。耦合劑可以是油，也可以是水。

液浸法適用于表面粗糙的試件，探頭也不易磨損，耦合穩定，探測結果重復性好，便于實現自動化探傷。

液浸法分為全浸沒式和局部浸沒式。

超聲波探傷中，超聲波的發射和接收都是通過探頭來實現的。探頭的種類很多，結構型式也不一樣。探傷前應根據被檢對象的形狀、衰減和技術要求來選擇探頭，探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇等。1.探頭型式的選擇

常用的探頭型式有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭，聚焦探頭等。一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直。

縱波直探頭波束軸線垂直于探測面，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。

橫波斜探頭主要用于探測與探測面垂直可成一定角度的缺陷，如焊縫中未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。

表面波探頭用于探測工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷，聚焦探頭用于水浸探測管材或板材。

2.探頭頻率的選擇。

超聲波探傷頻率0.5~10MHz之間，選擇范圍大。一般選擇頻率時應考慮以下因素:(1)由于波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為波長的一半，因此提高頻率，有利于發現更小的缺陷。

(2)頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區分相鄰缺陷。

(3)頻率高，波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發現缺陷并對缺陷定位。

(4)頻率高，波長短，近場區長度大，對探傷不利。

(5)頻率增加，衰減急劇增加。

由以上分析可知，頻率的高低對探傷有較大的影響，頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性好，對探傷有利；但近場區長度大，衰減大，又對探傷不利。實際探傷中要全面分析考慮各方面的因素，合理選擇頻率。一般在保證探傷靈敏度的前提下盡可

能選用較低的頻率。

對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較高的頻率，常用2.5~5MHz；對晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用0.5~2.5MHz。如果頻率過高，就會引起嚴重衰減，屏幕上出現林狀回波，信噪比下降，甚至無法探傷。3.探頭晶片尺寸的選擇

晶片尺寸對探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸進要考慮以下因素：（1）晶片尺寸增加，半擴散角減少，波束指向性變好，超聲波能量集中，對探傷有利。（2）晶片尺寸增加，近場區長度迅速增加，對探傷不利。（3）晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴散區掃查范圍大，遠距離掃查范圍相對變小，發現遠距離缺陷能力增強。

以上分析說明晶片大小對聲束指向性、近場區長度、近距離掃查范圍和遠距離缺

陷檢出能力有較大的影響。實際探傷中，探傷面積范圍大的工件時，為了提高探傷效率宜選用大晶片探頭；探傷厚度大的工件時，為了有效地發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭；探傷小型工件時，為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭；探傷表面不太平整，曲率較低較大的工件時，為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。

4.橫波斜頭K值的選擇

在橫波探傷中，探頭的K值對探傷靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點至底面反射點的距離）有較大的影響。K值大，一次波的聲程大。因此在實際探傷中，當工件厚度較小時，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區探傷；當工件厚度較大時，應選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發現深度較大處的缺陷。在焊縫探傷中，不要保證主聲束能掃查整個焊縫截面；對于單面焊根未焊透，還要考慮端角

反射問題，應使K=0.7~1.5,因為K<0.7或K>1.5，端角反射很低，容易引起漏檢。

三． 耦合

超聲耦合是指超聲波在探測面上的聲強透射率。聲強透射率高，超聲耦合好。為提高耦合效果，在探頭與工件表面之間施加的一層透聲介質稱為而耦合劑。耦合劑的作用在于排除探頭與工件表面之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，達到探傷的目的；耦合劑還有減少磨擦的作用。

影響聲耦合的主要因素有：耦合層的厚度，耦合劑的聲阻抗，工件表面粗糙度和工件表面形狀。

四． 表面耦合損耗的補償

在實際探傷中，當調節探傷靈敏度用的試塊與工件表面粗糙度、曲率半徑不同時，往往由于工件耦合損耗大而使探傷靈敏度降低，為了彌補耦合損耗，必須增大儀器的輸出來進行補償。

塊來調節，如用CSK-IA試塊?50或?1.5的孔。

三． 定量調節

定量調節一般采用AVG（直探頭）或DAC（斜探頭）。

四． 缺陷定位

超聲波探傷中測定缺陷位置簡稱缺陷定位。

1.縱波（直探頭）定位

縱波定位較簡單，如探頭波束軸線不偏離，缺陷波在屏幕上位置即是缺陷至探頭在垂直方向的距離。2.表面波定位

表面波探傷定位與縱波定位基本類似，只是缺陷位于工件表面，缺陷波在屏幕上位置是缺陷至探頭在水平方向的距離（此時要考慮探頭前沿）。3.橫波定位

橫波斜探頭探傷定位由缺陷的聲程和探

頭的折射角或缺陷的水平和垂直方向的投影來確定。

4.橫波周向探測圓柱面時缺陷定位 周向探傷時，缺陷定位與平面探傷不同。（1）外圓探傷周向探測（2）內壁周向探測

當量試塊比較法是將工件中的自然缺陷回波與試塊上的人工缺陷回波進行比較來對缺陷定量的方法。此法的優點是直觀易懂，當量概念明確，定量比較穩妥可靠。但成本高，操作也較煩瑣，很不方便。所以此法應用不多，僅在x<3N的情況下或特別重要零件的精確定量時應用。2.當量計算法 當x>3N時，規則反射體的回波聲壓變化規律基本符合理論回波聲壓公式，當量計算法就是根據探傷中測得的缺陷波高的dB值，利用各種規則反射體的理論回波聲壓公式進行計算來確定缺陷當量尺寸的定量方法。

3.當量AVG曲線法

當量AVG曲線法是利用AVG曲線來確定工件中缺陷的當量尺寸。

二． 測長法測缺陷大小

當工件中缺陷尺寸大于聲束截面時，一

般采用測長法來確定缺陷的長度。

測長法是根據缺陷波高與探頭移動距離來確定缺陷的尺寸，按規定的方法測定的缺陷長度稱為缺陷的指示長度。由于實際工件中缺陷的取向、性質、表面狀態等都會影響缺陷回波高度，因此缺陷的指示長度總是小于或等于缺陷的實際長度。根據測定缺陷長度時的基準不同將測長法分為相對靈敏度法、絕對靈敏度法和端點峰值法。

三． 底波高度法測缺陷大小

底波高度法是利用缺陷波與底波的相對波高來衡量缺陷的相對大小。當工件中存在缺陷時，由于缺陷的反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高與底波高之比就愈大。四． 缺陷測高

及其它

目前A型脈沖反射式超聲波探傷儀是根據屏幕上缺陷波的位置和高度來評價被檢工件中缺陷的位置和大小，了解影響因素，對于提高定位、定量精度是十分有益的。

一．影響缺陷定位的主要因素 1.儀器的影響

儀器的水平線性的好壞對缺陷定位有一定的影響。2.探頭的影響

探頭的聲束偏離、雙峰、斜楔磨損、指向性等影響缺陷定位。3.工件的影響

工件的表面粗糙度、材質、表面形狀、邊界影響、溫度及缺陷情況等影響缺陷定位。

4.操作人員的影響

儀器調試時零點、K值等參數存在誤差或定位方法不當影響缺陷定位

二．影響缺陷定量的主要因素 1.儀器及探頭性能的影響

儀器的垂直線性、精度及探頭頻率、型式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影響缺陷回波高度。

2.耦合與衰減的影響

耦合劑的聲阻抗和耦合層厚度對回波高有較大的影響；當探頭與調靈敏度用的試塊和被探工件表面耦合狀態不同時，而又沒有進行恰當的補償，也會使定量誤差增加，精度下降。

由于超聲波在工件中存在衰減，當衰減系數較大或距離較大時，由此引起的衰減也較大，如不考慮介質衰減補償，定量精度勢必受到影響。因此在探傷晶粒較粗大和大型工件時，應測定材質的衰減系數，并在定量計算時考慮介質衰減的影響，以便減少定量誤差。

3.工件幾何形狀和尺寸的影響

工件底面形狀不同，回波高度不一樣，凸曲面使反射波發散，回波降低，凹曲面

使反射波聚焦，回波升高；工件底面與探測面的平行度以及底面的光潔度、干凈程度也對缺陷定量有較大的影響；由于側壁干涉的原因，當探測工件側壁附近的缺陷時，會產生定量不準，誤差增加；工件尺寸的大小對定量也有一定的影響。

為減少側壁的影響，宜選用頻率高、晶片尺寸大且指向性好的探頭探測或橫波探測；必要時不可采用試塊比較法來定量。

4.缺陷的影響

不同的缺陷形狀對其回波高度有很大的影響，缺陷方位也會影響到回波高度，另外缺陷波的指向性與缺陷大小有關，而且差別較大；另外缺陷回波高度還與缺陷表面粗糙度、缺陷性質、缺陷位置等有影響。

三．缺陷性質分析

超聲波探傷還應盡可能判定缺陷的性質，不同性質的缺陷危害程度不同，例如裂紋就比氣孔、夾渣大得多。但缺陷定性

第五篇：超聲波探傷故障總結

一、為何超聲波探傷儀在操作過程中出現死機，且關機后不能再開機? 答：由于超聲波探傷儀受到劇烈震動或者誤操作或其它原因使存儲器內容出現混亂，從而導致出現死機現象，此時關機后過30秒后再開機，一般可以重新進行正常操作。在某些極端情況下可能會出現開機即死機的現象，此時用戶可將儀器初始化，即可消除此現象，但儀器內部存儲數據可能會部分或全部丟失。在此我們特別提醒用戶，要及時將需打印或傳送到計算機備份的內容打印或備份。對可能造成的數據丟失，我們表示萬分的抱歉和遺憾。

二、超聲波探傷儀開機后，屏幕顯示混亂或無法執行該怎么辦？

1．關機，等待1分鐘后再開機；

2．將儀器初始化；

3．按不能開機情況處理。

三、超聲波探傷儀關機后立即開機，為何會鳴叫報警或沒有回波？ 答： 造成這一現象的原因是由于開關機間隔時間太短，用戶應在關機后等待30秒后再開機。

四、超聲波探傷儀無回波是什么原因？

1．探頭是否接對；

2．探頭方式是否正確，如果探頭設置為雙晶，而接入的是單探頭，則不會有回波；

3．是否在儀器屏幕顯示的工作狀態下工作；

4．探頭線是否正常，探頭與探頭線接觸是否正常，用戶可用一個鑷子（金屬）以接觸探頭座的內芯，如果有雜波，則儀器良好；

5．增益、位移和聲程是否正常；

6．是否存在較高的抑制，如有應將抑制降為0；

7.無回波時的簡單處理方法：按<功能>鍵，再按“9.參數清零”，清除當前通道，接著用一根新探頭線連接直探頭，在耦合良好的薄型試塊上探測，如有回波則可能參數設置錯誤或探頭線接觸不良；若無回波，則可用一個鑷子接觸，觀察有無雜波；若仍無回波，則與友聯公司聯系。

五、超聲波探傷儀門內的回波調到多高，讀數較準確？

答：一般將回波幅度調至40％～80%，回波與DAC或AVG曲線的當量誤差最小；門內回波的波峰高度調至20％～100%時，位置讀數較準確；而回波幅度高于屏幕，或波幅太低（比如低于20％），則位置讀值及當量都可能有誤差。

六、超聲波探傷儀不能打印是怎么回事？

1．打印線是否是隨機提供的打印線；

2．打印線連接不正確或連接不良；

3．打印機未正常供紙；

4．連接打印電纜時，一定要關掉探傷儀，否則可能會損壞探傷儀；

5．打印機是否與EPSON LQ-1600K，HP LJ6L或Epson C6

1兼容；

6．打印機工作是否正常。

七、為什么超聲波探傷儀雙晶探頭無回波？

1．探頭設置是否為雙晶探頭；

2．探測范圍是否在探頭焦距范圍內；

3．靈敏度是否太低。

八、為什么超聲波探傷儀無法制作DAC曲線？

1、在制作DAC曲線中采集測試點時，未按 <-> 鍵凍結回波；

2、按<-> 鍵時，參數區提示不是“DAC”三字；

3、按<-> 鍵時，屏幕上顯示的回波幅度太低。

九、為何制作DAC曲線時，曲線形狀不夠美觀？

答：在制作DAC曲線時，一定要采集到每一點的最高反射波，用戶應反復移動探頭，使反射體的最高波出現在屏幕上。

十、為何制作DAC曲線時，10mm孔和20mm孔的回波找到了，而30mm孔的回波卻找不到？

答：在制作DAC曲線前，要先確認工件聲速、探頭的零點K值等是否正確，而且一定要將抑制調為0，否則高度低于抑制的回波將不顯示，導致找不到回波。

十一、為何制作DAC曲線時，近距離的波幅反而低？

答：探頭和試塊的耦合不良，未找到最高波；探頭近場區的影響（比如：用K1探頭測深10mm孔比測深20mm孔的回波低）。

十二、為什么超聲波探傷儀鍵盤操作失靈？

1．該鍵盤被鎖定（即在此時不應操作此鍵）；

2．未按住鍵盤中的接觸點；

3．未按屏幕提示操作鍵盤；

注：按儀器鍵盤，查看是否有聲音，有聲音則鍵盤正常。

十三、超聲波探傷儀數據文件丟失怎么辦？

存貯在儀器內的數據一般不會丟失，如果在短時間內丟失應注意：

1．是否執行了刪除操作；

2．是否經歷過激烈的撞擊；

3．是否長時間未開機且未充電。

十四、超聲波探傷儀雜波干擾強烈或回波左右移動或忽有忽無是什么原因？

1、探頭和探頭線接觸不良，此時去掉探頭線，現象應消失；

2、電源線或充電器有干擾，去掉充電器直接使用電池，現象應消失；

3、探頭或探頭線離屏幕太近，引起屏輻射。

十五、為什么超聲波探傷儀聲音報警無效?

1．聲音報警關閉；

2．波幅不在波門報警幅度范圍內。

十六、為何在參數菜單中，探頭K值與折射角的正切值并不相等? 答：由于儀器精度的原因，在計算K值與折射角時可能會出現誤差，但誤差值一般在0.5度以內，不會影響探傷精度。

十七、為何有時探傷時調聲程，屏幕凍結，死機？

答：在“聲程-1”狀態下調節聲程，應注意不可一直按住<+>或<->鍵不放，這樣儀器會因反應速度的問題而死機。應該在按<+>或<->鍵時有少許停頓時間，或直接用“聲程-2”來調節。

十八、為何有時垂直讀值準確而水平讀值不準？

答：探頭零點、K值測試不準或前沿值輸入不準：若探頭前沿為0mm，則回波的水平讀值為探頭聲束發射中心至缺陷的水平距離；若探頭前沿為實測值，則回波的水平讀值為探頭前端至缺陷的水平距離；若探頭前沿輸入為任意一數值，則水平讀值會有偏差，甚至偏差很大。