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1、题 目：复杂断面重轨在线无损检测系统设计利用虚拟仪器实现超声波探伤3内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文
2、）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文
3、版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献
4、8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提
5、供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它复杂断面重轨在线无损检测系统设计利用虚拟仪器实现超声波探伤摘 要目前国内生产的超声波探伤仪主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。这类仪器硬件电路设计复杂，硬件成本高，设计周期长，而且仪器的功能和性能受到硬件的约束，如探伤仪难以直接判断缺陷的性质，升级需要从硬件着手等。针对这些缺点，本设计采用虚拟仪器技术设计了一台虚拟超声波探伤仪。这种仪器是指由计算机、虚拟仪器软件、通用接口硬件组成的测试系统。它从根本上克服了传统仪器的上述缺点，利用了计算机的资源，实现了仪
6、器的高度智能化。设计分成两部分。一部分是硬件设计，其作用是传统超声波探伤仪发射超声波，对重轨进行测量后，PCI-6221数据采集卡接收缺陷回波信号，并发送给计算机。另一部分是软件设计，该部分包括用户界面设计和缺陷信号的处理与显示等。关键词：虚拟仪器；超声波探伤；数据采集The Design of Online Nondestructive Testing System of Complex Cross-section Heavy RailUsing Virtual Instrument to Achieve Ultrasonic Flaw DetectionAbstractThe curren
7、t domestic production of ultrasonic flaw detector takes the main microprocessor as the core and a large-scale integrated circuit chips as the external intelligence apparatus. Such equipment has a complex circuit design for hardware, high cost of hardware, long design cycles, the equipment functional
8、ity and performance are bound by the hardware at the same time, such as it is very difficult to determine the defect for detectors, hardware is needed for upgrade, and so proceed.For these shortcomings, the design of a virtual instrument technology designed a virtual ultrasonic flaw detector. The eq
9、uipment includes computer, the software of virtual instrument and common interface hardware. It fundamentally overcomes the above-mentioned shortcomings of the traditional apparatus, uses the computer resources, realizes highly intelligent of the apparatus.The design is divided into two parts. One p
10、art is the design of hardware, and its role is the traditional ultrasonic flaw detector launching ultrasonic, after measuring heavy rail, PCI-6221 data acquisition card receives defective signal, and sends it to the computer. The other part is the software design, which part includes the user interf
11、ace design and the processing of defects signal and display, and so on.Key words: virtual instruments; ultrasonic testing; data collection46内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1课题研究的目的意义11.2超声探伤的优点及国内外现状11.3基于虚拟仪器技术的超声波探伤仪31.4重轨的形状及探伤原理41.5本章小结6第二章 虚拟超声波探伤仪的总体结构8第三章 虚拟超声波探伤仪概述113.1超声波概述113
12、.1.1超声波的基本概念113.1.2超声波的分类123.1.3超声波在平面异质界面上的效应133.2超声波探伤的设备组成5173.2.1超声波探伤仪173.2.2探头的种类和结构193.2.3标准试块193.3本章小结20第四章 虚拟超声波探伤仪的硬件部分214.1硬件基本结构214.2超声波发射电路4214.2.1调谐式发射电路224.2.2非调谐式发射电路234.3 PCI-6221数据采集卡234. 4数据采集卡与计算机的通信244.5本章小结25第五章 虚拟超声波探伤仪的软件部分265.1 LabVIEW简介265.1.1虚拟仪器的组成275.1.2虚拟仪器的基本工作原理295.2虚
13、拟超声探伤仪软件界面的设计295.2.1滤波315.2.2缺陷显示315.2.3保存数据355.2.4读取数据365.3本章小结36第六章 调试及总结376.1调试376.1.1找出语法错误386.1.2慢速跟踪386.1.3断点与单步执行396.1.4设置探针396.2总结及展望396.2.1总结396.2.2展望41参考文献42附录A 虚拟超声波探伤仪射频显示程序框图45附录B 虚拟超声波探伤仪视频显示程序框图46致谢47 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引言1.1课题研究的目的意义无损检测以不损坏被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部
14、件、结构件进行有效的检验和测试，以评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。无损检测技术在现代工业的各个方面都有着广泛的应用，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段，体现在新材料和新技术的研究中，也体现在保证机器零件、最终产品的可靠性和安全性上。世界各国对无损检测技术的研究都非常重视。例如美国为了保持它在世界上科学技术的领先地位，早在1979年的政府工作报告中提出要成立的六大技术中心中，无损检测技术便是其中之一，日本制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，也把无损检测放在十分重要的位置。另外，无损检测技术所能带来的经济效益也是明显的，目
15、前我国的生产投入不比日本少，而国民生产总值只有日本的三分之一左右，这种现象主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。再者，无损检测的经济效益还表现在产品的竞争能力上，在无损检测技术支持下提高产品质量和可靠性，是保证产品进入国际市场的决定性因素之一l。因此，研究新型、可靠、低成本、高性能的无损检测仪器关系着我国生产力的全面提高，意义长远重大。1.2超声探伤的优点及国内外现状目前常用的无损检测方法有五种：射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤和超声波探伤，其中超声波探伤是应用最广的一种。超声波是一种弹性波，具有指向性好、传播性好、同种介质中传
16、播速度几乎不变的特点，具有测量材质种类多、探伤深度大、灵敏度高、操作方便、快速、正确、经济、对人体无害等优点。超声波在无损检测中的应用在40年代就开始了，发展到现在已经成为一项非常成熟的探伤手段，对于发展宇航、能源、材料等高科技产业尤为重要。另外，它在材料工业、机械制造、石油化工、水文地质、煤炭矿山等领域中早已获得了广泛的应用。因此超声技术成为学术界、工程界公认的未来产业之一，近些年来，这项高新技术随着物理、机械、电子、材料学的长足进步及许多边缘和交叉工业领域的需求，而得到迅猛的发展。国际上对超声波探伤仪的研制在经历模拟仪器、数字仪器后，已经从智能化仪器转向虚拟仪器，而且发展到了很高的水平，已
17、经实现了逼真再现物体内部三维缺陷的功能，整个缺陷的形状特点可在屏幕上完全清楚地看到l。近几年来我国超声波探伤事业也取得了巨大的进步和发展。相关的理论方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果，许多不同用途的微机控制自动超声检测系统己经应用于实际生产。超声检测的标准化、智能化、图像化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。但是我国超声探伤仪就整体水平而言，与发达国家之间存在很大的差距。目前国内生产的超声探伤仪大都是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。相对而言，这类仪器需要大量的硬件设计，上市速度慢，成本高，由于硬件的容量与速度的不足，使得一些功
18、能不能很好的应用，从设计到操作都不是很灵活。就国内这种智能化探伤仪而言，普遍存在以下缺点：(1) 自动化程度不够高，仪器使用前的调节需人工操作，导致受人为因素干扰太大。(2) 在采用横波斜探头探伤时，探头的标定不够简化，折射角和探头前沿都需要人工测量，如汕头超声仪器厂，武汉科声公司等的仪器都存在这些问题。 (3) 由于国内硬件水平低，使得这些依靠硬件电路实现的仪器价格非常高。 所以开发高智能化、低成本的超声探伤仪器对于我国超声探伤领域显得非常现实与迫切。1.3基于虚拟仪器技术的超声波探伤仪虚拟仪器是继数字化仪器和智能化仪器之后的新一代仪器，是面向21世纪最具潜力的仪器，在缩短产品的开发时间、提
19、高产品品质、降低生产成本几个方面都体现了无比的优越性。虚拟仪器是由仪器硬件，计算机以及虚拟仪器软件组合在一起构成的。它是既有普通仪器功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。在虚拟仪器中硬件不再是系统的主体，而只是信号的输入输出通道，将测量所得模拟信号转化为数字信号，然后传输给计算机。信号资料的分析、计算、统计和结果显示等繁杂的工作都交由系统的软件处理，利用计算机处理器强大的运算能力，可以很快得到结果。与智能化仪器相比而言，虚拟仪器有突出的优点，它的软件可随时更改，使之具有新的功能。这就避免了传统仪器那种一旦成型、功能就固化、不易再更改的缺陷。由于减少了对硬件的使用，使得仪器测量误差较小，
20、价格相对较低；同时根据需要可对软件进行修改以满足新的需求，这种检测技术伴随着计算机的发展而发展，更新快；开发和维护费用低；接口友好，操作简便，用户不用不断的调整仪器旋钮；可方便地与计算机网络和其它外设相连接2。就金属探伤方面来说，国内还没有厂家生产真正意义上的虚拟仪器。一些厂家采用计算机显示探伤波形，但实际上数据处理还是采用硬件实现。例如武汉中科创新技术公司的多用途多通道超声波探伤系统，其硬件电路复杂、体积庞大，没有体现出虚拟仪器充分利用计算机资源，节约硬件成本，降低硬件开发难度的优点。本设计就国内已有超声探伤仪的不足，有针对性地设计一台可以克服以上缺点的虚拟超声探伤仪，用以填补国内在这方面研
21、究的空白。1.4重轨的形状及探伤原理重轨的形状比较复杂，呈工字形，由轨头、轨腰、轨底等几种不同的几何形状组成，接头处还有螺栓孔等等，如下图1.1所示。重轨的探测面没有选择的余地，探头只能分布在轨头顶面。根据重轨中伤损的分布及形状和取向，需要有垂直入射的探头，以及要有不同角度倾斜入射的探头才能尽量扩大检查区域，把探伤死角减到最小3。图1.1 重轨示意图图1.2探测区域图根据重轨的几何形状、可能产生伤损的部位及超声波的传播规律，可把重轨划分为三个探伤区域，如图1.2所示。对于区常发生核伤（轨头横向疲劳裂纹），由于区轨头厚度较小，宜用折射角=70的探头。原理图如图1.3所示。图1.3区探测示意图对于
22、沿轨腰宽度，由轨头顶面到轨底的区，高度达到176mm（P60重轨），宜采用折射角=37的探头。图1.4为=37探头在不同位置对各种倾斜裂纹的探测原理。图1.4 区用370探头探测示意图图1.5 区用0探头探测示意图对于区水平裂纹、纵向垂直裂纹，可采用0探头检查，如图1.5所示。对于区，由于其结构复杂，既有倾斜裂纹，又有纵向裂纹，可以选用其它无损检测方法，如涡流无损检测等。为了同时检查轨头内、外测至少需要两只70探头，为了能检查到螺栓孔四个象限的些裂纹。必须有向前和向后发射的两只37探头，加上0直探头，共五只探头。根据缺陷取向对回波高度的影响，超声波垂直入射缺陷表面时反射回波最强，缺陷最容易被探
23、测检出。这五个探头对于重轨全长探伤是至关重要的，是必不可少的，但还不够充分，有部分缺陷，如小角度的螺栓孔裂纹（与螺栓孔水平对称线成15左右）。要解决这类缺陷的检查最好用折射角在1518的小角度纵波探头。对位于重轨头中部的横向疲劳裂纹，折射角70探头与前进方向偏角越大（一般1420），显然越不利于探测，即使是位于轨头内、外侧的核伤，往往也有一点的倾斜角，由一个方向发射超声波的折射角70探头并不一定很合适，需要定期调换探头方向，减少漏检。对于轨底横向缺陷，用折射角37探头搜查时灵敏度很高，但较难分辨是裂纹还是锈蚀反射，需要用双探头串列法鉴别3。本次设计，由于设计者自身水平和时间等因素，我们只选择一
24、个界面，如图1.2所示的区。1.5本章小结无损检测是在不损害被探测对象使用性能的条件下探测物体内部缺陷的技术，对于降低产品成本、提高安全可靠性、改进制造工艺都非常重要。超声波是应用最广的无损检测方法，它具有被测范围广、检测深度大、灵敏度高、操作方便、快速、正确、经济、对人体无害等优点。因此，超声探伤仪的研制非常重要。目前国内超声探伤仪产品主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路的智能化仪器。由于硬件的束缚，这种探伤仪有成本高、智能化程度低、设计复杂，功能固化等缺点。本课题设计了一台虚拟超声探伤仪，系统由PCI-6221数据采集卡，虚拟仪器软件，计算机三部分组成。采集卡将超声波缺陷信号
25、通过模数转换后并发送给计算机，计算机接收数据后利用LabVIEW软件进行一系列的处理最后显示结果。第二章 虚拟超声波探伤仪的总体结构本课题目的在于设计一台虚拟超声波探伤仪。对此我们有两种方案可以选择：第一种是完全采用LabVIEW软件实现超声波探伤仪的全部功能，如超声波信号发生器、缺陷显示等。第二种是部分采用传统超声波探伤仪的功能，如超声波发生电路。对于回波信号则采用软件处理。对比这两种方案，第一种完全利用软件实现，难度比较大，况且就超声波信号发生器而言，本身就是一个设计题目，故为了节省时间，则选择采用第二种方案。在这种方案中，硬件部分用传统超声波探伤仪的发射电路产生高压电脉冲，加到探头里的压
26、电晶片上，使晶片产生超声波，对重轨进行探伤后，利用PCI-6221数据采集卡进行采集缺陷回波信号，然后输送到计算机内，这时怎样处理回波信号就成了关键问题，对此我们有两种方案来处理回波信号。一种是根据全波采样数字式超声波检测仪的工作原理，提取回波整体信息然后再进行其他处理。另一种是根据峰值采样数字式超声波检测仪的工作原理，先进行峰值保持，再进行A/D转换，然后送入计算机进行其他相应处理。由于我们使用的是PCI-6221数据采集卡，采集卡内部本身就具有A/D转换等多种信号处理功能，所以，对于先进行峰值保持这一环节，我们需加峰值保持器，多增加了外部设备，这与我们的硬件尽量少的方针不相符，因此，我们采
27、用第一种方案即提取回波整体信息，然后再进行相应的处理。则系统总体结构框图如图2.1所示。图2.1 虚拟超声波探伤系统总体结构图工作原理阐述如下：首先传统超声波探伤仪的发射电路产生高压电脉冲，加到探头里的压电晶片上，使晶片产生超声波，对重轨进行探伤后，其次由LabVIEW控制面板的采集键控制数据采集操作，当按下采集按钮后， PCI-6221数据采集卡进行数据采集，并进行相应的A/D转换后输入到计算机，然后由LabVIEW软件实现数据的显示、存储等操作。虚拟超声波探伤仪基本结构分两部分：一部分是硬件部分，一部分是软件部分。硬件部分包括声波发射电路、探头、PCI-6221数据采集卡、PCI总线插槽，
28、其余仪器功能通过计算机依靠LabVIEW实现，做到最大程度节约硬件、降低成本。软件部分界面操作方便，可以直观显示超声波缺陷回波信号，存储波形、读取波形等。实际设计分三部分：数据采集电路、接口电路、数据处理及结果显示。其中数据采集电路和接口电路是硬件部分，数据处理及结果显示是软件部分。数据采集由PCI-6221数据采集卡完成，负责接收回波信号、A/D转换、数据传输等工作；信号处理及结果显示的任务由计算机通过LabVIEW来完成，具体工作包括超声波缺陷回波信号显示、缺陷的直观显示、波形存储与读取等。数据采集卡和计算机的通信通过PCI总线插槽来实现。本课题主要做了如下几个方面的研究工作：第一章首先介
29、绍无损检测的概念及超声检测技术的发展概况及今后的发展方向，接着介绍了虚拟仪器技术的概念和构成，然后阐述了课题背景及意义，最后给出论文的主要研究内容并介绍了重轨检测的原理以及方法。第二章简要介绍了虚拟超声波探伤仪的总体设计方案，大致阐述了设计的思路，为今后设计指明了方向。第三章简要介绍了超声波的概念、分类以及其在异质界面上的效应，最后简单介绍了构成超声波探伤的一些设备，如超声波探伤仪、探头和标准试块等。第四章详细叙述了虚拟超声波探伤仪硬件设计，阐述了硬件部分要实现超声波的发射、缺陷回波信号的接收、数据传输以及整个电路工作的协调控制等功能。第五章详细叙述了虚拟超声波探伤仪的软件设计，利用计算机强大
30、的图形图像处理功能，利用LabVIEW强大的软件功能实现了超声波缺陷回波信号的显示与存储读取等操作。第六章介绍了程序调试时一些出现的问题及处理方法，同时，总结了本设计的优缺点，最后，引入计算机的网络功能，对探伤仪的远程监控提出了要求。第三章 虚拟超声波探伤仪概述虚拟超声波探伤仪是超声波探伤技术和计算机技术相结合的产物。在超声波探伤系统中，主要运用了超声波在介质中的一些传播原理，因此本章首先简要介绍一下有关超声波的基本知识。3.1超声波概述3.1.1超声波的基本概念振动和波动是物质运动的基本形式之一，物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振动物体在任意时刻的位移情
31、况可以由它的振动方程描述：。振动的传播过程，称为波动。产生机械波必须要有两个条件：(1) 要有作机械振动的波源。(2) 要有能传播机械波的弹性介质。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们的区别主要是频率上的不同。人们把频率在2020000Hz之间能引起听觉的机械波称为声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000 Hz的机械波则称为超声波。次声波和超声波人耳都听不到。超声波探伤所用的超声波频率一般在0.510 MHz之间，对钢等一些金属材料的检验常用的声波频率在15MHz。超声波的波长很短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能够广泛应用于无损探伤：(1) 超声
32、波的方向性好超声波的频率很高，波长很短。在无损探伤中使用的超声波波长为毫米数量级。超声波可以像光束一样具有良好的方向性，可以定向发射。(2) 超声波能量高超声波探伤时的频率远高于声波，而能量(声强)是与频率的平方成正比。因此，超声波的能量远大于声波的能量。(3) 超声波能在界面上产生反射、折射和波型转换在超声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇到界面会产生反射、折射和波型转换等。(4) 超声波穿透能力强超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其它的探伤手段所无法比拟
33、的。3.1.2超声波的分类3.1.2.1根据质点的振动方向分类根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向，可以把超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。(1) 纵波介质中质点的振动方向与传播方向相同的波，称为纵波。当介质质点受到往复压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。此时介质质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。(2) 横波介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，用S或T表示。当介质受到交变的剪切力作用时，产生切变形变，从而形成横波。只有固体介质才能承受剪切应力，液体和气体都不能承受剪应力。因此横波只能在固体介质中传播，而不能在液体和气体介质中传播。(
34、3) 表面波当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以看作为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。因此表面波只能在固体介质中传播，而不能在液体和气体介质中传播。表面波只能在固体表面传播，而且表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱，当传播深度超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小。因此，一般认为表面波探伤只能发现距离工件表面两倍波长深度内的缺陷。3.1.2.2根据振动的持续时间分类根据振动的持续时间长短又可以把超声波分为连续波和脉冲波。(1)
35、波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。(2) 波源振动持续时间短(通常是毫微秒数量级)，间歇辐射的波称为脉冲波。目前在超声探伤中得到广泛应用的是脉冲波。3.1.2.3根据波的形状分类波的形状(波形)是根据波阵面的形状来区分的。根据波阵面的不同，可以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波，这里就不作详细介绍了。3.1.3超声波在平面异质界面上的效应所谓异质界面，是只有两种声阻抗不同的介质所构成的界面，如气体/液体界面、气体/固体界面、液体/固体界面以及固体(Z1)/固体(Z2)界面等。波的传播总会受到界面的干扰。超声波属于机械波，只能在弹性介质中传播。因此，当它遇到真空界面时，就只能以某
36、种形式返回。这种现象若发生在光滑界面上时，则称为反射；若发生在粗糙界面上时，称为散射。如果一种介质与另一种介质紧贴着，声波就能透过界面继续向前传播，这种现象称为透射。当声波通过两种介质的界面时，一部分将被界面反射回第一介质。称为反射波；另一部分将通过界面进入第二介质，称为透射波。并且，声波透过界面时将发生折射和波型转换，其方向和强度也要发生变化，其变化的大小决定于两种介质的声阻抗值和原波的入射方向。下面我们应用几何光学原理，讨论超声波在平面异质界面上的反射波和折射波的传播方向。当超声波从一种介质传播到另一种介质时，其入射方向相对于异质界面而言，可以是垂直入射，也可以是倾斜入射。当垂直入射时，只
37、有反射和透射；当倾斜入射时，除反射外，透射波要发生折射现象，同时伴随着有波型转换。所谓波型转换，就是在第二介质中传播的波型己不同于入射波的波型。如图3.1所示，有一束平面纵波L以声速c，入射到由阻抗为和的两种介质所构成的平面界面上的O点。O点称为入射点。L称为入射波。入射波L的主声束轴线与界面法线的夹角称为入射角。 图3.1 超声波在平面异质界面的折射和反射根据几何光学原理，声束L入射到平面界面上时，有一部分反射回第一介质，即和，分别称为反射纵波和反射横波。因为仍在第一介质中传播，声速仍为。与法线的夹角称为纵波反射角。与法线的夹角称为横波反射角。而另一部分声波将通过界面，进入的第二介质，并发生
38、波型转换。这时，由于入射角的大小不同，在第二介质中传播的波，可能是纵波、横波或表面波，或兼而有之。在图中，透过界面后就是纵波和横波。这时，称为折射纵波，称为折射横波。称为纵波折射角，称为横波折射角。如果入射波是横波，同样可以按照上述方法分析。下面分别对反射和折射情况进行分析。并从工程应用的角度出发，重点分析折射问题。3.1.3.1反射设纵波L以入射角倾斜入射到由阻抗为和构成的平面界面上时，将产生反射纵波。与此同时，由于波形转换，又产生反射横波。根据几何光学反射定律，有 ，所以， （3-1）又 ，所以， （3-2）横波入射用同样的方法分析，在特殊情况下，当入射角为零，即垂直入射时，将产生一个与入
39、射方向相反的反射波，纵波反射角也等于零，这是最简单的情况。脉冲反射法就是利用了超声波的反射作用来探测缺陷的。3.1.3.2折射当入射波以某一入射角入射到第二介质为固体的异质平面界面上时，将发生波型转换。透射波将分离为折射纵波或折射横波。这两种折射波的传播方向是不同的，且都不同于入射波的方向。如图3.1所示。根据几何光学的折射定律。折射波的折射角可按下式确定 （3-3） （3-4） （3-5）折射纵波在第二介质中的声速折射横波在第二介质中的声速(1) 第一临界角当纵波入射时，且在时，则由式(3-4)可知：，随着的增大而增大。当=90时，纵波入射角称为第一临界角，以表示。当纵波入射角时，第二介质中
40、只有折射横波存在。这种情况构成纵波全反射。第一临界角可以按下式确定： （3-6）(2) 第二临界角当入射波为纵波，第二介质为固体，且时，则，也随着的增大而增大。当=90时，纵波入射角称为第二临界角，以表示，且 （3-7）通常在超声检测中，临界角的主要应用是在第二介质为固体，而第一介质为固体或液体的情况下。这种情况下，可利用入射角在第一临界角和第二临界角之间的范围，在固体中产生一定角度范围内的纯横波，对试件进行检测。如：采用水浸法，使纵波以适当角度倾斜入射至水和钢的界面，在钢中产生折射横波。(3) 第三临界角第三临界角是在固体介质与另一种介质的界面上，用横波作为入射波时产生的。这种情况下，固体介
41、质1中同时存在反射横波和反射纵波，其中横波反射角等于入射角，而纵波反射角大于入射角。当入射角增到到某一数值，将使纵波反射角为90。如此，定义第三临界角为横波入射时，使纵波反射角达到90时的横波入射角，用表示。对于钢来说，=33.2，因此，横波斜入射至钢与其它介质的界面上的入射角大于 33.2时，则不再产生反射纵波。这对于横波斜入射检测是十分有利的，因为横波检测声束路径上常常要在试件的上下底面间经过一次或多次反射。3.2超声波探伤的设备组成5超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤系统的重要组成设备，下面简要介绍一下这些设备的原理以及构造。3.2.1超声波探伤仪超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它
42、的作用是产生电振荡加至换能器探头上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目的、探测场合、探测速度等方面的不同要求，因而有不同的超声波探伤仪，常用的有以下几种： 一、按超声波的连续性分类(1) 脉冲波探伤仪：这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续而且频率不变的超声波，根据超声波的连续时间及幅度判定工件中缺陷的位置和大小。本设计采用脉冲波探伤仪。(2) 连续波探伤仪：这种仪器通过探头向工件发射连续而且频率不变(或在小范围内周期性变化)的超声波，根据
43、透过工件的超声波强度变化来判断工件中有无缺陷及缺陷大小。(3) 调频波探伤仪：这种仪器探头发出的是连续的频率不断变化的超声波，根据发射波与反射波的频差变化情况判断工件有无缺陷。现在大多已被脉冲探伤仪所取代。二、按缺陷显示方式分类(1) A型显示探伤仪：A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表波的传播时间(或距离)。纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。如图3.2(a)所示。本设计采用A型显示。(2) B型显示探伤仪：B型显示是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描代表探头的扫描轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间(或距
44、离)，因而可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。如图3.2(b)所示。(3) C型显示探伤仪：C型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的纵、横坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点灰度表示，或者以不同的颜色表示。因而当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工件内部缺陷的平面图像，但是不能显示缺陷的深度。如图3.2(c)所示。(a) A型显示 (b) B型显示 (c) C型显示图3.2 缺陷显示方式3.2.2探头的种类和结构探头是实现电信号与声信号相互转换的器件，是超声波探伤仪的重要组成部分。目前所用到的探头，绝大多数是利用压电效应原理制作的。探
45、头中的核心元件是压电晶片，它的作用是发射和接收脉冲超声波。压电晶片是探头的关键元件，其性能好坏直接关系到探头的质量，因而各种探头的压电晶片都是经过精心制作而成的。超声波探伤中，由于被探工件的形状和材质、探伤的目的、探伤的条件不同，因而使用各种不同形式的探头。在超声波探伤中常用的探头包括直探头、斜探头、表面波探头、双晶探头等。波束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。直探头用来发射和接收纵波，一般用于手工操作接触法探伤。直探头既适宜于单探头反射法，也适宜于双探头穿透法。使波束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头，依入射角度的不同，可以在工件中产生纵波、横波和表面波，也可以在薄板中产生板波。通常的斜探头指横波斜探头，它的标称方式常用横波在钢中的折射角的正切值(也称为K值)来标称。超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头实现的。探头的类型很多，性能各不相同，需要根据检验的对象合理的选择探头。比如在探测锻件时，一般选用直探头在锻压面上探测；而在检查焊缝时，因为存在焊缝加强面以及危险缺陷大多垂直于或大致垂直于探测面，一般选用斜探头探伤。本设计选择的重轨探伤区域如图1.2的区，因此我们选择接触式纵波斜探头和接触式纵波直探头探伤。3.2.3标准试块所谓标准试块，就是指它的材质、