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超声波在材料科学与工程中的应用实验方案 
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概述

超声波的主要应用领域是无损检测(NDT)。超声测试已成为分析诸如金属,塑料或复合材料等多种材料中的裂纹,空腔,气泡和不均匀性等材料缺陷的标准方法。人们也已经开发出了各种方法用于执行各种测试任务。

有了这套实验装置,老师可以进行一些最常见的超声波测试方法,例如B脉冲回波法和超声处理方法,角波束测试和超声波衍射时差法(TOFD),并将其应用于不同的材料样品。基于对超声波物理特性(例如声速,声衰减,反射,衍射,散射)的了解,在特殊的测试块上进行实验,以调整超声测试设备,例如DGS图的生成(距离增益大小图)或角波束探头的校准。此外,针对不同类型的故障对不同测试方法的性能进行测试,并进行定量测量,例如,测量铝样品中的裂纹深度。

通过使用范围内的其他材料样品和附件扩展套件,可以将实验扩展到使用剪切和表面声波或导波(兰姆波)的更特殊的测试方法。该套件的测试和测量提供了生动介绍超声测试问题的可能性,因此对于相关工程学科的培训变得相对有趣些。



实验课程覆盖

1. 脉冲回波方法(A-Scan)的基础

2. 分辨率功率的频率依赖性

3. 无损检测(NDT)

4. 液位测量

5. 角钢测试

6. 裂纹深度确定(TOFD)

7. 液体中的声衰减

8. 边界处的反射和传输

9. 检测不连续性



方案包含以下设备  

10400   超声波回波镜GS200   1套   

10152   2个超声波探头2 MHz   1套   

10154   超声波探头4 MHz   1套   

10201   测试块(透明)   1套   

10208   声阻抗样本   1套   

10218   剪切波套件   1套   

10233   角钢楔形17°   1套   

10234   角梁楔38°   1套   

10237   收发器延迟线(TOFD)   1套   

10240   角钢探头测试块   1套   

10241   裂纹深度测试块   1套   

10242   间断测试块   1套   

70200   超声波凝胶   1瓶   



实验1 脉冲回波方法(A-Scan)


实验主题

通过脉冲回波方法检查内置有瑕疵的样品。 从样品的不同侧面进行幅度扫描。 检查并分析记录在A扫描图像中的回波信号。


实验的理论和实践方面

脉冲回波方法构成了用于非侵入性医学诊断和非破坏性测试中许多成像方法的基础。 在这种方法中,电脉冲通过超声波探头转换为机械振动。 它们耦合到被检查的样本中,并作为声波通过。 干扰反射的波返回到探头,并转换回电信号。 该信号幅度的时间记录(振幅扫描)以图形方式成像为所谓的超声A扫描图像。 根据A扫描图像中的反射回波,可以确定声波的飞行时间,计算出材料中的声速以及检测到的样品中的不连续性或瑕疵的位置。



实验2   分辨率功率的频率依赖性


实验主题

基于两个较小且间隔很近的不连续点,研究了两个不同频率的超声波探头的轴向分辨率。 通过分析记录的A扫描图像,证明了波长,频率,脉冲长度和分辨率功率之间的联系。


实验的理论和实践方面

超声系统的调查方法是基于将测试区域中某个点上的信息准确分配给已记录的超声回波。 因此,超声探头的分辨能力极为重要。 分辨率能力可以描述为两点之间的最小可能距离,其回声仍然可以单独检测到。 在实验中,将使用1 MHz探头和4 MHz探头研究测试块中的两个相邻不连续点。 选择不连续性的大小,位置和间距,以便仅使用两个测试探针之一才能进行区分。 这样,可以清楚地显示出频率对超声波探头的轴向分辨率功率的影响。



实验3   无损检测(NDT)


实验主题

为了根据脉冲回波方法定位并确定不连续的大小,针对常规超声探头对超声设备进行了校准。 为此,使用时间增益控制(TGC)编译DGS图(距离增益大小),并在DGS图中为一系列不同深度的相同大小的替换反射器设置水平评估线。


实验的理论和实践方面

对于根据垂直回声耦合的脉冲回波方法进行的超声测试,使用标准的普通探头。 不连续性的定位在此通过声波的反射来实现,其中飞行时间充当对不连续性深度的度量。 相反,由于材料衰减和声场特性,尺寸的精确确定通常是有问题的。 大空间扩展的不连续性的大小可以通过扫描来确定。 通过从距离增益尺寸图中与理想的替换反射器进行比较,可以确定小的不连续点的大小。 在实验中,将使用带有定义的替换反射器(不同大小和深度的钻孔)的测试块制作此类DGS图。



实验4   液位测量


实验主题

在实验中,为任何形状的两相液体罐建立超声波液位测量。 记录填充量的校准曲线,并根据定义的填充量进行检查。 超声波限位开关已经过测试,可以最大程度地填充储罐。


实验的理论和实践方面

对于大量的工业过程,特别是工业过程的自动化,液位计例如在油库中,反应堆,收集罐等。以及不同的机械,电容,光学和电磁传感器,在许多领域,超声波传感器也用于液位测量。它们几乎可以在任何介质中使用,包括多种材料彼此叠置,形成泡沫甚至在腐蚀性极强的液体中使用,因为它可以从外部通过容器壁进行测量。在实验中,液位测量装置配置为连续测量。对于两种不同的液体(水和油),确定了可检测的最小填充量,并对每种液体进行了体积校准。借助于校准,在两种液体的两层系统上进行液位测量。此外,记录并分析用于限位开关的合适超声波信号。



实验5   角钢测试


实验主题

实验演示了使用超声角波束探头定位不连续性。 使用具有不同入射角的延迟线进行测量,并设置一条延迟线以定位铝中的不连续点。


实验的理论和实践方面

不连续性通常不平行于测试对象的表面,因此以特定的角度穿过声波是实际的甚至是必要的,即用角射束探头进行调查。 虽然用于深度测量的普通探头的校准仅需要飞行时间和声速,但对于角波束探头,则需要考虑其他几何因素,例如入射角,延迟线的长度,声音出射点以及其他 剪切波的激励-由于倾斜的声音耦合,必须考虑在内。 与实际使用标准校准块进行校准不同,在实验中,使用了简化的铝质测试块。 由于结合了正常探头使用了不同角度的光束楔形,可以研究不同入射角的超声回波。



实验6   裂纹深度确定(TOFD)


实验主题

裂纹深度的确定是在具有规定裂纹的铝制试块上进行的。有两种方法,即回波幅度方法和TOFD方法(飞行时间衍射),就其性能和检测限进行比较评估。


实验的理论和实践方面

在有关二维分离(裂纹)的部件的断裂力学评估中,需要有关缺陷几何形状的准确信息,例如裂纹深度,裂纹长度和裂纹深度位置。斜角探头可以非常灵敏地检测出表面裂纹。在此过程中,搜索在裂纹和表面之间的角度中出现的回波。根据裂纹的大小和深度,使用两种不同的方法进行实验研究和评估。在测试块上,a)根据回波幅度方法确定用于确定裂纹深度的凹槽特征线,b)使用TOFD方法(飞行时间衍射)确定裂纹深度。根据结果,可以评估两种方法在裂缝几何形状方面的适用性和敏感性。另外,可以通过使用TOFD探头记录TOFD B扫描图像来进行另一裂纹深度估计并进行分析。



实验7   液体中的声衰减


实验主题

在实验中,研究声波在不同液体中的衰减随声程的变化。对于每种液体,声衰减系数通过线性回归来确定。


实验的理论和实践方面

在气体和液体中,声音传播以纵波的形式发生。在此,声波在液体中,吸收,反射或散射的过程中会损失能量。 除此之外,声场的几何形状还会影响声的衰减。 在实验中,测量了一个由铝制成的简单可移动声反射器的反射回波的幅度。 由于在要研究的液体中移动,可以使用脉冲回波方法快速确定大量不同声音路径的振幅值。 信号幅度A的衰减在这里可以通过衰减A = A0 · e-αx的一般规律来描述。 对于两个不同的声音路径x1和x2,将得到以下线性化形式:2 · Ln(A2/A1) = α · (x1 - x2). 。 相应的液体的衰减系数α因此可以通过衰减声程图中的测量点通过线性回归来确定。



实验8   边界处的反射和传输


实验主题

在实验中,研究边界处超声波的反射和透射的影响。反射系数是针对丙烯酸,PVC和黄铜材料的不同组合确定的。


实验的理论和实践方面

如果超声波击中具有不同特征声阻抗的两种材料的边界,则会部分或几乎完全反射。 反射声能的部分取决于相应材料的特征声阻抗之间的差异大小,并由反射系数来描述。 由于空气的低密度和声速,固体-空气边界处的反射系数几乎为1。因此,在实验中,可以通过比较确定丙烯酸,PVC和黄铜材料的不同组合的反射系数 测量与空气的反射系数。 此外,可以通过比较所研究的反射回波来定性描述材料的衰减特性。



实验9   检测不连续性


实验主题

使用具有不同类型的不连续性(缺陷)的测试块,分析超声无损检测不同不连续性定位技术的适用性和性能,并讨论了针对特定测试任务的正确定位技术的选择。


实验的理论和实践方面

根据不连续的类型,有必要采用不同的定位方法和尺寸确定方法。 在实验中,使用普通探针,角波束探针和发射器-接收器探针(TR或双元素探针)研究了具有理想间断的测试块。 每个探针记录测试块的B扫描图像并进行分析。 在第二系列测试中,使用每个探针确定发现的不连续性的信噪比。 基于这些结果,评估不连续类型的单独定位方法的可检测性,并针对实际应用中的特殊测试任务讨论了它们的选择。



各项实验所需要的实验设备表格

设备

型号

实验

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