焊接精密度0.01mm

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你知道超声波的工作原理是怎么样的吗?

来源: | 发布日期:2022-02-22

超声波是频率高于20000Hz的机械波,由于超声波频率高、波长短,因此具有良好的方向性和穿透能力,且由于超声波能量大,方便检测,因此可以用来实现无损检测。具体工过程分为以下几个过程:

a.声源产生超声波,采用一定的方式使超声波进入试件;

b.超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用,使其传播方向或特征被改变;

c.改变后的超声波通过检测设备被接收,并可对其进行处理和分析;

d.根据接收的超声波的特征,评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。一般来说,为保证充分的声耦合,在检测时需要有耦合剂(机油或水等)填充检测探头和被检查表面之间的空隙。


电磁超声的产生机理

处于交变磁场中的金属导体,其内部将产生涡流,同时由于任何电流在磁场中收到洛伦兹力的作用,而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波,频率在超声波范围内的应力波即为超声波。于此相反,由于此效应呈现可逆性,返回声压使质点的振动在磁场作用下也会

使涡流线圈两端的电压发生变化,因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。

在上述方法中,换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体,金属表面也是换能器的一个重要组成部分,电和声的转换是靠金属表面来完成的。电磁超声只能在导电介质上产生,因此电磁超声只能在导电介质上获得应用。


电磁超声的基本结构

由上所述,电磁超声检测装置主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成,如图1所示。

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图1,电磁超声基本结构

值得一提的是,产生电磁超声的有两种效应,洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。如上图的高频线圈通以高频激励电流时就会在试件表面形成感应涡流,感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声;同样,强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场,脉冲磁场和外加磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应,磁致伸缩力的作用也会产生不同波形的电磁超声。洛伦兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种在起着主要作用,主要是由外加磁场的大小、激励电流的频率决定。


电磁超声的应用案例
在动态下监测车轮是否产生裂纹及其扩展情况是压电换能器难以解决的问题。近年来, 人们把注意力转向EMAT上来了。德、美、日、加拿大、中国等国研究人员近年来相继开 展了这方面的研究工作。其方法是将小巧的EMAT嵌入钢轨中,用来激发和接收表面波。 当车轮从EMAT上驶过的一瞬间,声表面波以3000m/s的速度在车轮表面传几周,实现车 轮踏面裂纹的动态监测。 


利用电磁超声表面波动态检测车轮表面缺陷的原理如图2所示。轨道一侧,将一对 EMAT和传感器嵌入到一段特制的测量轨道中,两个EMAT之间的距离不能为车轮周长一 半的整数倍。当前进的车轮通过传感器时,传感器给系统发射信号,经过一小段延迟之后, 系统分别激发两个EMAT,直接在车轮的踏面表面上激发出相向传播的两束表面波。所激发 出的声波束将沿着车轮踏面表面及近表面一定深度范围内沿周向自行传播,从而形成对踏面 表面及近表面的全覆盖检测。 


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图2 电磁超声表面波探伤原理


研究证明:采用低于0.5MHz的超声表面波,可以有效探出深度为1mm的踏面上和近 踏面裂纹。目前,国内外均研制出可以在火车车轮高速运行过程中探测其表面和近表面缺陷 的电磁超声表面波探伤装置。例如,中国钢铁研究总院用了一年时间,为马鞍山钢铁公司研 制出一套车轮踏面电磁超声探伤装置。这套装置采用510kHz的声脉冲频率,能探出踏面上 1mm深、20mm长的人工缺陷,信噪比达到15dB以上。

电磁超声检测具有常规超声的各种优点,检测精度高,可以实现对金属导电材料内外部 缺陷及厚度的全面检测,同时又克服了常规超声必须依赖耦合剂的缺点。但由于高频线圈与 工件间隙不能太大。线圈从工件表面每提高一个绕线波长的距离,声信号幅度就要下降 107dB和96dB。同时从目前的实例中观察到其工作所能探测出的缺陷深度不高,所以在实 际工作中如何安装工作线圈是一大难题。


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【本文标签】 超声波 熔接

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