超声波检测技术在硬度测量中的应用

　　1 前言

　　由于硬度值在工业生产中的重要性,因此人们从很早就开始研究它,对于它的检测方法和衡量方法也各式各样。八十年代以前,人们基本上是通过用机械式的压痕实验法来获得零件的表面硬度值。到了八十年代以后,国外开始对传统的测量方法进行了改造,采用先进的集机、电、光、声于一体的先进仪器,对零件的表面硬度值进行无损检测。这方面取得了很好的效果,其中超声波检测技术在工业应用方面不断的取得成就,而该技术本身也在不断的完善和发展。

　　2 超声波的产生与接受

　　超声波是指频率高于2X104HZ的声音。当然这个频率界限是粗略的,只是个概数。由于历史原因和工作特点,少数频率低于2X104HZ声波的应用,也包括在超声学的研究范围。超声在各介质中有其自身的传播规律,超声和物质的相互作用,包括在微观尺度的相互作用也是自身的特点。

　　2.1 超声波的产生

　　超声是由超声波发生器产生的。超声波发生器主要是电声型,它是将电磁能转化为机械能,其结构分为两部分:一是产生高频电流或电压的电源;另一部分是换能器,它将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。换能器有两种类型:压电式和磁致伸缩式。压电式换能器是利用压电晶体的电致伸缩效应(即逆压电效应),在压电材料切片上施加交变电压,是产生电致伸缩而产生超声波。压电材料的固有频率为:

　　式中:

　　n—谐波次数;n=1、2、3......

　　d—压电晶片厚度;

　　E—压电材料弹性模量;

　　ρ—压电材料的密度。

　　根据共振原理,当外加交变频率等于晶片的固有频率时,产生共振,此时产生的超声波最强。压电式换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。

　　磁致伸缩换能器是铁磁材料置于交变磁场中,使它产生机械振动,从而产生超声波的一种装置。它用厚度为0.1~0.4mm的镍片叠加而制成的,片间绝缘以减少电涡流损失。其结构有矩形、窗形等。铁磁材料的固有频率表达式与压电材料相同,即

　　式中,如果振动器是自由的,则n=1、2、3......如果振动器的中间部分是固定的,则n=1、3、5......。

　　常用的铁磁材料以镍为最多,因为镍的磁致伸缩效应最大,其次是铁钴钒合金(铁49%,钴49%,钒2%)和含锌、镍的铁氧体。

　　2.2 超声波的接受

　　超声波接受器一般是靠超声波发生器的逆效应进行的,压电式超声波接受器是利用正压电效应进行工作,当超声波作用到压电晶体片时,相当于施加一作用力,在晶片的相应界面上产生交变电荷,此电荷经放大器(电压或电荷放大器)转换成电压信号被记录或显示结果。