长电缆在单晶探头超声检测中的影响

探头电缆是任何超声探伤或测厚系统不可或缺的组成部分，但通常情况下，除了确认电缆没有断裂、磨损或其他缺陷外，操作人员对电缆的关注并不多。大多数超声检测都是在500 KHz至20 MHz的常规频率范围内进行的，探头电缆的长度不会超过约2米或6英尺。不过，在涉及更高检测频率或更长电缆的应用中，必须注意增加电缆长度的潜在影响，并根据需要进行调整。

本应用说明讨论了在检测频率约为20 MHz及以下时，探头超长电缆的使用情况。白皮书《指定高频超声探头时的应用考虑因素》中讨论了与超高频探头（50 MHz及更高）相关的特殊电缆问题。

电缆长度增加时需要考虑的因素

有四个因素必须要考虑：电缆反射、电缆衰减、电缆延迟和电缆噪声拾取。随着电缆长度的增加，所有这些因素会变得越来越重要，特别是当电缆长度超过约20米或65英尺时。

电缆反射

在任何超声系统中，激励脉冲或“主脉冲”都是从仪器的脉冲发生器传播到探头，其速度在典型的同轴电缆中接近光速。当激励脉冲到达探头时，大部分电能被转换成声波。不过，部分电能会被反射回脉冲发生器。在电能到达脉冲发生器时，一部分能量又被反射回到探头（电缆两端反射的能量主要与电阻抗的匹配或不匹配有关）。当反射脉冲再次到达探头时，其作用相当于在原始脉冲后面出现的第二个较小的激励脉冲，两个脉冲的时间间隔等于电能在电缆中的往返传输时间。

在使用短电缆的正常检测设置中，这种反射脉冲会在初始激励脉冲之后很快到达，对探头性能没有显著影响。然而，当电能通过电缆的传输时间接近探头的谐振周期（1/频率）时，反射脉冲不仅会延长激励脉冲的长度，还会重新驱动探头。这种额外振铃限制了近表面分辨率，有时限制效果还很显著。对于延迟块探头来说，反射脉冲还会重新驱动延迟块界面回波，再次降低近表面分辨率。使用非常长的电缆时，我们会观察到第二个激励脉冲，以及重复的底面回波，两次回波的时间间隔等于电能在电缆中的传播时间。

在某些应用中，可以通过将单晶探头转换为双晶探头的方式来避免电缆反射的负面影响。由于双晶探头使用独立的发射器和接收器晶片，且双晶设置通常只观察来自被测目标的第一个回波，因此通常不会增加激励脉冲并出现回波振铃（尽管衰减、延迟和噪声拾取问题可能仍然存在）。

在某些情况下，将仪器阻尼设置为50欧姆，并在电缆的探头端耦合一个50欧姆终端器，可以减少电缆反射。然而，这样可能会对回波形状产生不良影响，而且无论如何，由于所有常见的无损检测（NDT）探头都具有复杂的电阻抗曲线，因此探头的电阻抗与脉冲发生器不可能完全匹配。

电缆衰减

长电缆中的电阻会导致信号损耗，这种损耗会随着电缆长度的增加而增加。因此，在需要准确跟踪回波波幅的缺陷检测装置中，仪器灵敏度应始终使用用于实际检测的电缆进行校准。电缆中的信号损耗通常很小，只需简单调整仪器增益即可补偿。在极端情况下，建议在电缆的探头端使用前置放大器。

电缆延迟

在使用接触式和双晶探头时，电能通过探头电缆的传输时间是总距离或厚度测量值的一部分（但在回波-回波模式下测量厚度时不是这样）。 长电缆会为测量值显著增加时间，如果不将其归零，测量就会发生错误。因此，在厚度或距离测量基于来自被测样件的第一个底面回波计时的任何设置中，应始终使用用于检测的实际电缆进行仪器零位校准。只要遵循正确的校准程序，通常很容易解决这个问题。

电缆噪声拾取

与上述三种情况相比，通过长电缆拾取环境射频噪声的情况并不常见，这种情况在兼具超长电缆、高增益和电噪声环境（例如靠近电机或焊机）的应用中可能会成为问题。在这种情况下，电缆噪声可能会掩盖需要关注的回波。可能的解决方案包括使用双屏蔽同轴电缆、在电缆的探头端使用远程前置放大器，以及使用低通接收器滤波器滤除高频噪声成分。

超声检测中的电缆效应：举例说明

以下一系列波形显示了在简单的探伤仪设置中增加电缆长度所产生的影响，该设置使用10 MHz宽带接触式探头，测量10毫米厚的钢质参考试块的厚度。电缆长度分六步从1米（约3英尺）增加到60米（200英尺）。 这些波形旨在展示长电缆效应的一般示例。具体结果会因探头频率和带宽的变化而有所不同。频率越高，影响越明显；频率越低，影响越小。