美國 BOSTON PIEZO OPTICS 超聲波換能器

Boston Piezo-Optics 是傳感器制造商的傳感器晶體的主要供應商。BPO 不生產完整的超聲換能器。

超聲探頭是任何超聲檢測中極其重要和關鍵的部分。為特定應用選擇合適的傳感器至關重要。包括儀器條件和設置、材料特性和耦合條件在內的因素也會影響測試結果。傳感器可以根據靈敏度或分辨率進行選擇。靈敏度被定義為傳感器檢測材料中微小缺陷的能力。分辨率是指探頭在兩個反射體垂直于波束或平行于波束靠得很近時分離它們產生的信號的能力。高阻尼探頭有助于縮短反射脈沖，使探頭能夠分辨緊密間隔的缺陷。傳感器設備制造商可以提供聚焦傳感器以提高靈敏度和分辨率，并提供大量極化陶瓷成分、單晶、聚合物和壓電復合材料來改變傳感器性能。

超聲波換能器

在人類聽覺范圍水平以上產生的聲音稱為超聲波。雖然超聲波通常從 20 KHz 開始，但大多數超聲波換能器從 200 KHz 開始。超聲波在性質上與可聽聲音相似，但波長要短得多，更適合檢測小缺陷。這些較短的波長使超聲和超聲換能器對于材料的無損檢測和測量非常有用。

超聲波換能器本身是一種能夠產生和接收超聲波振動的設備。超聲波換能器由有源元件、背襯和耐磨板組成。有源元件是將電能轉換為超聲波能的壓電或單晶材料。然后，它還將接收回超聲波能量并將其轉換為電能。電能脈沖由探傷儀等儀器產生。

背襯通常是高衰減和非常致密的材料，用于通過吸收從壓電元件背面輻射的能量來控制換能器晶體的振動。當背襯材料的聲阻抗與壓電晶體的聲阻抗相匹配時，得到的結果是具有出色分辨率的高阻尼換能器。通過改變背襯材料以改變背襯和壓電晶體之間的阻抗差異，傳感器會受到一些影響，并且信號幅度或靈敏度的分辨率可能會高得多。

耐磨板的主要目的只是保護壓電傳感器元件免受環境的影響。選擇耐磨板通常可以防止磨損和腐蝕。在水浸式探頭中，耐磨板還用作壓電探頭元件與水、楔塊或延遲塊之間的聲學變壓器。

聲場

換能器的聲場有兩個不同的區域。這些區域稱為近場，即換能器正前方的區域，而遠場則稱為“N”以外的區域，此時聲場壓力逐漸降至零。由于近場的變化，準確測量和評估缺陷可能非常困難。

近場距離是探頭頻率、晶片直徑和被測材料聲速的函數，如以下公式所示：

N = D²/4c

聲束

有幾個聲場參數在描述超聲探頭的特性時非常有用。為了確定特定探頭是否適合某種應用，可能需要了解焦距、聲束寬度和焦區。

聚焦可以提高探頭靈敏度的一個原因是，它會導致聲束直徑減小。這意味著一個小的缺陷將反射透射聲能的很大一部分。焦點處的 -6dB 脈沖回波束直徑可以用以下公式計算：

BD?_（=6dB）?= 1.028 Fc/fD

BD = 光束直徑 F = 焦距

焦點區域的起點和終點位于軸上脈沖回波信號幅度下降到焦點幅度的 -6dB 的地方。焦點區域的長度可以用以下公式計算：

Fz = NS²_F?[2/（1 + .5S_F)]

所有探頭都具有聲束擴散功能，在檢測可能接近待測材料某些幾何特征的缺陷時，考慮聲束擴散非常重要。這些特征包括側壁和角落，這可能會導致偽回波，從而可能被誤認為是缺陷或缺陷。

對于平面探頭，-6dB 脈沖回波束擴展角是明確定義的，由以下公式給出：

正弦 （α/2） = .514c/fD

從這個方程中可以看出，通過選擇頻率更高或直徑更大的探頭，或兩者兼而有之，可以減少探頭中的聲束擴散。

傳感器類型

直梁接觸式傳感器是最常見和最常用的將縱波引入材料的方法。此外，通過使用特殊元件，可以制作法向入射橫波或縱波/橫波傳感器的組合。這種類型的探頭與被測材料直接接觸，因此需要高度耐用的耐磨板。

角度聲束探頭利用折射和模式轉換的基本原理，在被測材料中產生折射的剪切波或縱波。產生所需折射波所需的入射角是根據斯涅爾定律計算的。

以下公式可用于計算在被測材料中生成所需模式和折射角 （Q2） 所需的楔形角 （Q1）。

正弦 ?₁/正弦_{? 2}?= V₁/V₂

?₁?= 楔形角

?₂?= 被測材料中折射波的角度

V₁?= 楔形材料的縱向速度

V₂?= 在所需模式下被檢測的材料的速度

雙晶探頭使用單獨的晶片來傳輸和接收超聲信號。這些元件通常以一定角度切割并安裝在延遲線上。這有助于提高近表面分辨率，橫梁設計還有助于產生一個焦點，使雙晶探頭對腐蝕和點蝕引起的不規則缺陷的回波更加敏感。

水浸式傳感器與接觸式傳感器相比具有幾個優點。首先，它們的均勻耦合減少了靈敏度的變化。其次，水浸傳感器能夠執行自動掃描，從而提高了速度。第三，水浸探頭的聚焦提高了對小缺陷的靈敏度。水浸探頭有非聚焦、球面聚焦和圓柱聚焦三種配置。非聚焦水浸探頭用于測量較厚材料的一般應用。球面聚焦的探頭將提高對微小缺陷和缺陷的靈敏度。圓柱聚焦傳感器通常用于測量管材原料。球形或圓柱形探頭的焦距范圍僅限于探頭的近場，通常最大為 0.8N。