超聲波探傷儀探頭（傳感器）的分類、作用及選用原則

超聲波探傷儀探頭（傳感器）的分類、作用及選用原則

超聲波探傷儀探頭的主要作用：一是將返回來的聲波轉換成電脈衝；二是控製超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當改變探頭入射角或改變超聲波的擴散角時，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質內部或改變聲波的指向性，提高分辨率；三是實現波形轉換；四是控製工作頻率，適用於不同的工作條件。

隨著新技術的不斷出現和檢測設備的不斷更新，超聲波檢測技術作為無損檢測五大檢測技術之一，在無損檢測中占有重要的地位。在檢測過程中，除了超聲波探傷儀器，發射和接收超聲波的探頭也起著重要的作用，所以，超聲波探頭性能的好壞以及探傷過程中對超聲波探頭的選取是否得當，將直接影響到探傷結果的準確性。下文重點講述壓電型超聲波探頭的分類、作用和選用原則。

1. 超聲波探傷儀探頭的分類

超聲波探傷儀探傷時由於被測工件的形狀、材質、尺寸大小、表麵狀況、探傷目的、探傷條件的不同，因而需要使用不同形式的超聲波探頭。超聲波探頭按不同的歸納方式可以進行不同的分類，一般主要有以下幾種。

1）按波型分類：按被測工件中產生的波型可分為縱波探頭、橫波探頭、板波（蘭姆波）探頭、爬波探頭和表麵波探頭。

2）按耦合方式分類：按照探頭與被測工件表麵的耦合方式可分為直接接觸式探頭和液浸式探頭。

3）按入射聲束方向分類：按入射聲束方向可分為直探頭和斜探頭。

4）按晶片數目分類：按照探頭中壓電晶片的數目可分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭。

5）按晶片材料分類：按照探頭中壓電晶片的材料，可分為普通壓電晶片探頭和複合壓電晶片探頭。

6）按聲束形狀分類：按照超聲波聲束的集與否可分為聚焦探頭和非聚焦探頭。

7）按頻譜分類：按超聲波頻譜可分為寬頻帶和窄頻帶探頭。

8）按被測工件曲率分類：按被測工件的曲率，可分為平麵探頭和曲麵探頭。

9）特殊探頭：除一般探頭外，還有一些在特殊條件下和用於特殊目的的探頭。如機械掃描切換探頭、電子掃描陣列探頭、高溫探頭、可變角度探頭（0°到90°可調）、瓷瓶探傷扁平探頭(（縱波）及S型探頭（橫波）等。

2. 常見典型超聲波探頭的作用

1）縱波探頭：縱波探頭通常稱為直探頭，主要用於檢測與檢測麵平行的缺陷，如鍛件、鑄件、棒材、板材、軸類（如氣孔、砂眼、夾雜、折疊等缺陷）檢測等。

2）橫波斜探頭：橫波斜探頭是利用橫波檢測，是入射角在第一臨界角與第二臨界角之間且折射波為純橫波的探頭，主要用於檢測與檢測麵垂直或成一定角度的缺陷，用於焊縫（如未熔合和未焊透等缺陷）、管材、鍛件（如裂紋、夾雜等缺陷）的檢測。

3）縱波斜探頭：縱波斜探頭是入射角小於第一臨界角的探頭。目的是利用小角度的縱波進行缺陷檢驗，或在橫波衰減過大的情況下，利用縱波穿透能力強的特點進行縱波斜入射檢驗，使用時需注意試件中同時存在橫波的幹擾。

4）爬波探頭：爬波探頭是一種利用爬波檢測的換能器。爬波探頭由於一次爬波的角度在75º～83º之間，幾乎垂直於被測工件的厚度方向，與工件中垂直方向的裂紋接近成90º，因此，對於垂直性裂紋有較好的檢測靈敏度，且對表麵粗糙度不敏感，速度快、能量大、波長長探測深度較表麵波深，對工件表麵光潔度要求較表麵波鬆，適用於表麵、近表麵的裂紋檢測。超聲檢測中主要利用的能量為縱波。

5）表麵波探頭：表麵波（瑞利波）探頭是斜探頭的一個特例，當入射角增大到某一角度，使在工件中橫波的折射角為90°時，在工件中可產生表麵波，直探頭在液體中傾斜入射工件時，也能產生表麵波。由於表麵波的能量集中於表麵下2個波長之內，檢查表麵裂紋靈敏度高，主要用於表麵或近表麵缺陷進行檢驗，如薄板探傷，薄壁管、薄壁容器探傷以及檢測近表麵小缺陷等。

6）雙晶探頭：雙晶探頭在一個探頭裏麵包含兩個獨立的晶片，又稱分割式探頭、或者聯合雙探頭。兩塊壓電晶片裝在一個探頭架內，一個晶片發射超聲波信號另一個接收，可以設計指定一個晶片發射，也可設計為任意晶片發射。雙晶探頭根據入射角αL的不同，又分為縱波雙晶直探頭和橫波雙晶斜探頭。雙晶探頭具有以下優點：靈敏度高、雜波少盲區小、工件中近場區長度小、檢測範圍可調。雙晶探頭一邊發射，另一邊接收的設計尤其適合用於檢測深度非常靠近傳感器位置的缺陷，由於雙晶探頭的發射部分和接收部分都帶有延遲塊，這種設計極大的消除了近表麵盲區，對表麵缺陷的探傷十分有利。雙晶探頭在超薄件探傷和超聲波測厚中有非常重要的應用。

3. 超聲波探傷儀探頭的選用原則

超聲波探頭的類型很多，性能各異，因此需要根據超聲波探傷對象的形狀、對超聲波的衰減和技術要求，合理選用超聲波探頭是保障探傷結果正確的基礎。對超聲波探頭的選擇主要體現在：探頭型式、探頭頻率、探頭晶片尺寸和探頭角度等。

3.1 超聲波探傷儀探頭型式

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形式，盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。具體可參考上述常見典型探頭作用部分。

3.2 超聲波探傷儀探頭頻率的選擇

超聲波探傷頻率在0.5-15MHz之間，選擇範圍較大。一般選擇頻率時應考慮以下幾個因素。

1）由於超聲波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為二分之一波長。在同一材料內超聲波波速是一定的，因此提高頻率，超聲波波長變短，探傷靈敏度提高，有利於發現更小的缺陷。

2）頻率高，脈衝寬度小，分辨率高，有利於區分相鄰缺陷，分辨力提高。

3）由擴散公式可知，頻率高，超聲波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，超聲波能量集中，有利於發現缺陷並對缺陷定位，定量精度高。

4）由近場區長度公式可知，頻率高，超聲波長短，近場區長度大，對探傷不利。

5）由衰減、吸收公式可知，超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質晶粒度增加而急劇增加。

通過上麵分析可知超聲波探傷時超聲波探頭頻率的影響較大，頻率高，探傷靈敏度和分辨率高，波束指向性好，對探傷有利。但是頻率高，近場區長，介質衰減大，對探傷不利，所以在選擇超聲波探頭頻率時，應綜合考慮，分析各方麵因素，合理選取。一般說來，在探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選取頻率較低的探頭；對於晶粒較細的鍛件、軋製件和焊接件等，一般選用較高頻率的探頭，常用2.5-5.0MHz。對於晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等工件，宜選用軟低頻率的探頭，常用0.5-2.5MHz，否則若選用頻率過高，就會引起超聲波能量嚴重衰減。

3.3 超聲波探傷儀探頭晶片尺寸的選擇

超聲波探頭晶片的形狀一般為圓形和方形。探頭的晶片尺寸對超聲波探傷結果有一定影響，選擇時主要考慮以下因素

1）半擴散角：由擴散角公式可知，晶片尺寸增加，半擴散角減小，波束指向性好，超聲波能量集中，對探傷有利。

2）探傷近場區：由近場區長度公式可知，晶片尺寸增加，近場區長度增大，對探傷不利。

3）晶片尺寸大：輻射的超聲波能量強，探頭未擴散區掃查範圍大，發現遠距離缺陷能力增強。

在探傷麵積範圍大的工件時，為探傷效率，宜選用大晶片探頭；探傷厚度大的工件時，為了發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭；對小型工件，為了缺陷的定位定量精度，宜選用小晶片探頭；對表麵不太平整、曲率較大的工工件，為了減少耦合損失，宜選用小晶片探頭。

3.4 超聲波探傷儀探頭角度的選擇

在檢測中應盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直，因此角度的選擇根據檢測對象中可能存在的缺陷類型、位置和工件允許的探傷條件，利用反射、折射定律以及相關幾何知識，選擇合適角度的探頭。以在橫波檢測中，探頭的K值為例，折射角對檢測靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點至底麵反射點的距離）有較大影響。對於用有機玻璃斜探頭檢測鋼製工件，β=40°（K=0.84）左右時，聲壓往複透射率高，即檢測靈敏度高。由此可知，K值大，β值大，一次波的聲程大。因此在實際檢測中，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，避免近場區檢測。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，便於發現深度較大處的缺陷。在焊縫檢測中，還要保障主聲束能掃查整個焊縫截麵。對於單麵焊根部未焊透，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，端角反射率很低，容易引起漏檢。