温度对超声波探头灵敏度的影响研究.docx

温度对超声波探头灵敏度的影响研究 摘 要:在恒温工作台上将标准试块加热,测试不同温度下,高温探头发射/接收超声波能力的变化,以研究温度对探头压电效应的影响。试验结果证明,高温使探头的压电效应减弱,探头发射和接收超声波的能力因此大幅降低甚至完全消失,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10~60℃条件下应用,而石油化工等行业,有大量承压 HYPERLINK "/z/a/index_57_1.html" \t "/t/30815/2014/1101/_blank" 设备在高温条件下运行,常规超声检测技术无法对其进行在线检测。 因此近年来国内一些科研机构开始尝试开发高温超声检测技术,并有一些应用实例见诸报道。温度对超声的影响表现在当温度升高时,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。温度的另一个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减弱,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,压电效应逐渐减弱甚至完全消失。笔者在此通过试验对这一现象进行研究。 1 试验所用的设备器材 超声波检测仪采用武汉中科创新生产的hs610型数字超声波检测仪。高温探头来自国外,两只型号分别为w45b2gv(下称探头1)和 w60b2gv(下称探头2)。探头频率为2 mhz,最高工作温度<350℃。按厂家的说明书,探头在温度250℃时可连续工作,>250℃时必须间歇工作,每次工作时间≤20 s。高温耦合剂采用美国sono公司出产的so-no650和sono950型高温耦合剂,最高工作温度可达343℃和510℃。 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50~500℃内连续调节,温度误差<3℃。工作台上设计有凹槽,可将csk-ⅰa试块全部嵌入槽内加热。 2 试验方法和结果 将csk-ⅰa试块嵌入恒温工作台的槽内,先在常温下(20℃)将探头对准试块的r100 mm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80%,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,再将探头 对准试块的r100 mm圆弧面,找到最高回波,记录回波在仪器上的显示波高(占满屏幕的百分比)。表1和表2分别为两个探头的试验数据。 根据表1和表2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2和3。 3 结果分析 3.1 高温时超声波衰减的情况 在高温超声波检测中,超声波在传播过程中的损失包括在探头-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 效应减弱导致的探头发射和接收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,对于试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 减弱,当温度达到压电晶片的居里温度时,压电效应完全消失。试验结果反映了这三个因素的综合影响。分析表1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同,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72%,相当于下降了1.2 db;探头2从82%下降到73%,相当于下降了1.0 db。当探头的温度升高到与试块温度相同时,波高保持恒定不再下降。因此在50℃以下时,可无需考虑温度对探头 的影响。 (2)在探头与加热过的试块刚接触的一瞬间,可以认为试块的热量尚未传入探头,因此探头发射和接收超声波的能力与常温时相同,但这一瞬间所测得 的回波波高仍有较大的差异,这个差异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大于衰减增加的损失,因此起始波 高比常温时略微高一些。150℃时则与常温时相当。在200℃以上时,由于耦合和衰减引起的损失都在增加,因此起始波高明显下降,探头1从常温时的80% 下降到了26%,相当于衰减了9.8 db;探头2从常温时的80%下降到了20%,相当于衰减了12 db。 (3)当试块在某一恒定温度下,衰减损失是不变的;由于在试验过程中,探头是在耦合剂的温度与试块的温度一致后再放上去的,且每次试验持续的