在任何超声测量应用中,选择合适的探头是确保获得高性能的重要因素。在选择探头时必须考虑被测工件的材料、需要覆盖的厚度范围、工件的几何形状和温度。为了满足工业应用的需要,我们开发了多种具有不同声学特性的探头。通常,在测量较厚、高衰减性或高散射性材料时,要使用频率等于或低于2.25 MHz的低频探头,以优化穿透性能;而在测量较薄的、非衰减性、非散射性材料时,建议使用频率等于或高于5 MHz的高频探头,以优化分辨率。
材料:在选择测厚仪和探头时,材料类型和要测量的厚度范围是需要考虑的非常重要的因素。许多常见的工程材料,包括大多数金属、陶瓷和玻璃,都能非常有效地传输超声波,并且可以很容易地在宽泛的厚度范围内得到测量。大多数塑料吸收超声能量的速度较快,因此最大可测厚度范围更会受到限制,但是在大多数制造情况下,仍可以轻松对塑料进行测量。橡胶、玻璃纤维和许多复合材料的衰减性较强,通常需要使用具有高穿透力的测厚仪,同时配备为低频操作得到优化的脉冲发生器/接收器。
厚度:厚度范围也决定了应选择的测厚仪和探头的类型。一般来说,薄材料要使用高频测量,而厚材料或衰减性材料要使用低频测量。延迟块探头通常用于检测非常薄的材料,尽管由于来自多个界面回波的潜在干扰,延迟块(和水浸式)探头的最大可测厚度会更受限制。在某些涉及较宽的厚度范围和/或多种材料的应用中,可能需要不止一种探头类型。
几何形状:随着工件表面曲率的增加,探头与被测工件之间的耦合效率会降低,因此,随着曲率半径的增加,通常应该减小探头的尺寸。在急转圆角(特别是凹弧面)上进行测量,可能需要特殊轮廓的延迟块探头或非接触水浸式探头,以获得适当的声耦合效果。延迟块和水浸式探头也可用于刻槽、腔体和接触受限的类似区域的测量。
温度:一般的接触式探头通常可以在最高约50°C的表面上使用。在温度更高的材料上使用大多数接触式探头,会由于热膨胀效应而导致探头永久性损坏。在这种情况下,一定要使用带有耐热延迟块的探头、水浸式探头或高温双晶探头进行检测。要了解更多有关高温测量的信息,请参阅7.1小节。
一般来说,使用较高频率和较小直径的探头可以获得可靠的、具有可重复性的结果,因为这种探头可在测量厚度范围内发挥优质性能。小直径探头更容易与被测样件耦合,并允许在特定的耦合压力下使用非常薄的耦合层。此外,更高频率的探头产生的信号具有更快的上升时间,从而可提高测量准确度。另一方面,被测材料的声学特性或表面状况可能要求降低探头的频率,以克服不良耦合和/或材料内的声衰减或声散射等问题。
腐蚀应用自成一类,这种检测通常使用双晶探头完成。双晶探头通常较为坚固,能够承受高温,并且在检测点蚀或其他局部减薄情况时,具有很高的灵敏度。但是,我们一般不建议将这类探头用于精密测量应用中,因为它们生成的V形声程需要进行三角校正,这样可能会出现零位漂移和测时不精确等情况。
附录中针对用于常见材料和厚度范围的探头,提供了一些一般性建议。