超聲波探傷儀、探頭及試塊介紹

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第二章  超聲波探傷儀、探頭及試塊

第二節(jié)  超聲波探頭

一、壓電效應(yīng)和壓電材料

超聲波探傷是利用超聲波探頭實(shí)現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)換的，所以，超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉(zhuǎn)換是可逆的，且轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，可以忽略不計(jì)。根據(jù)產(chǎn)生超聲波和電聲轉(zhuǎn)換方式的不同，可有多種不同類型的超聲波換能器，這些電聲轉(zhuǎn)換方式有：利用某些金屬(鐵磁性材料)在交變磁場(chǎng)中的磁致伸縮，產(chǎn)生和接收超聲波：利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電磁超聲以及利用機(jī)械振動(dòng)、熱效應(yīng)和靜電法等都能產(chǎn)生和接收超聲波。目前用得最多的是以利用壓電效應(yīng)原理制成的壓電材料超聲換能器。

1. 壓電材料的壓電效應(yīng)

某些單晶體和多晶體陶瓷材料在應(yīng)力(壓縮力和拉伸力)作用下產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)引起晶體電荷不對(duì)稱分配，異種電荷向正反兩面集中，材料的晶體中就產(chǎn)生電場(chǎng)和極化，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)已極化的壓電材料處于交變電場(chǎng)中時(shí)，由于極化作用的影響，在晶體中就會(huì)產(chǎn)生壓縮或拉伸的應(yīng)力和應(yīng)變，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)，見(jiàn)圖2–15所示。

圖2–15  壓電材料的壓電效應(yīng)

正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)，它是一種互相可逆的物理效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的材料叫壓電材料，壓電性是壓電材料的特性。

石英是典型的壓電單晶材料，沿X軸切割，并在X方向施加外力時(shí)，則在垂直于X軸的二個(gè)面上將產(chǎn)生等值異種電荷、晶體內(nèi)即形成電場(chǎng)。反之，晶體二個(gè)面上加以交變電場(chǎng)，則在其X軸方向上就會(huì)產(chǎn)生伸縮變形，從而產(chǎn)生和接收傳播方向與施力方向一致的縱波。圖2–16為沿X軸切割的石英晶片。

壓電陶瓷屬多晶壓電材料經(jīng)人工燒結(jié)成型，它的壓電效應(yīng)機(jī)理與石英有所不同。壓電陶瓷必須先進(jìn)行極化處理，然后才會(huì)具有壓電性。這是因?yàn)榻M成壓電陶瓷的鐵電體在末極化時(shí)鐵電體內(nèi)的電疇(與鐵磁體中磁疇類同)各自具有一定的自發(fā)極化和本身的電場(chǎng)方向、分布雜亂無(wú)章，只有對(duì)這種材料施加較強(qiáng)的外電場(chǎng)，才能使電疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并趨于與外電場(chǎng)方向一致，見(jiàn)圖2–17所示。