超声波探伤仪、探头及试块介绍

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第二章  超声波探伤仪、探头及试块

第二节  超声波探头

一、压电效应和压电材料

超声波探伤是利用超声波探头实现电气转换的，所以，超声波探头也叫超声波换能器，其电声转换是可逆的，且转换时间极短，可以忽略不计。根据产生超声波和电声转换方式的不同，可有多种不同类型的超声波换能器，这些电声转换方式有：利用某些金属(铁磁性材料)在交变磁场中的磁致伸缩，产生和接收超声波：利用电磁感应原理产生电磁超声以及利用机械振动、热效应和静电法等都能产生和接收超声波。目前用得最多的是以利用压电效应原理制成的压电材料超声换能器。

1. 压电材料的压电效应

某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用下产生应变时引起晶体电荷不对称分配，异种电荷向正反两面集中，材料的晶体中就产生电场和极化，这种效应称为正压电效应。相反，当已极化的压电材料处于交变电场中时，由于极化作用的影响，在晶体中就会产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为逆压电效应，见图2–15所示。

图2–15  压电材料的压电效应

正、逆压电效应统称压电效应，它是一种互相可逆的物理效应，具有压电效应的材料叫压电材料，压电性是压电材料的特性。

石英是典型的压电单晶材料，沿X轴切割，并在X方向施加外力时，则在垂直于X轴的二个面上将产生等值异种电荷、晶体内即形成电场。反之，晶体二个面上加以交变电场，则在其X轴方向上就会产生伸缩变形，从而产生和接收传播方向与施力方向一致的纵波。图2–16为沿X轴切割的石英晶片。

压电陶瓷属多晶压电材料经人工烧结成型，它的压电效应机理与石英有所不同。压电陶瓷必须先进行极化处理，然后才会具有压电性。这是因为组成压电陶瓷的铁电体在末极化时铁电体内的电畴(与铁磁体中磁畴类同)各自具有一定的自发极化和本身的电场方向、分布杂乱无章，只有对这种材料施加较强的外电场，才能使电畴发生转动，并趋于与外电场方向一致，见图2–17所示。