超聲波脈沖發(fā)生接收器中的發(fā)射端參數(shù)如何設(shè)置呢？

首先我們來(lái)了解一下超聲波脈沖發(fā)生接收器的工作原理：

1. 發(fā)射階段：

• 脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻電脈沖信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電路放大后加載到超聲波探頭上。

• 探頭中的壓電晶片（如石英、PZT 陶瓷）因逆壓電效應(yīng)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波并耦合到被測(cè)介質(zhì)中。

2. 傳播與反射階段：

• 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗差異界面（如缺陷、邊界）會(huì)發(fā)生反射，形成回波信號(hào)。

3. 接收階段：

• 回波信號(hào)作用于探頭，壓電晶片通過(guò)正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，經(jīng)接收電路放大、濾波后，由信號(hào)處理模塊分析回波時(shí)間、幅度等信息，判斷缺陷位置與性質(zhì)。

二、發(fā)射參數(shù)中的——發(fā)射電壓、脈沖寬度與探頭頻率的設(shè)置匹配原理

    1. 發(fā)射電壓（激勵(lì)電壓）的設(shè)置

• 作用：決定超聲波的初始能量，影響信號(hào)強(qiáng)度與檢測(cè)靈敏度。

• 設(shè)置依據(jù)：

• 介質(zhì)衰減特性：衰減大的材料（如粗晶金屬、高阻尼材料）需提高電壓以補(bǔ)償能量損失（如檢測(cè)奧氏體不銹鋼時(shí)，電壓常設(shè)為200-400V）。

• 檢測(cè)距離與厚度：厚工件或遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)需更高電壓以確?；夭ǚ底銐颍ㄈ鐧z測(cè) 100mm 以上鋼材時(shí)，電壓可從 100V 逐步調(diào)高）。

• 探頭功率耐受度：避免超過(guò)探頭額定電壓（通常 50-500V 可調(diào)），防止壓電晶片因過(guò)激勵(lì)產(chǎn)生非線性失真或疲勞損壞。

  
  

• 匹配原則：在保證回波清晰的前提下，盡量使用最低電壓以減少噪聲干擾（過(guò)高電壓可能激發(fā)雜波或探頭振鈴效應(yīng)）。

    2. 脈沖寬度（激勵(lì)信號(hào)持續(xù)時(shí)間）的設(shè)置

• 作用：影響超聲波的能量集中度與檢測(cè)分辨率，與探頭頻率直接相關(guān)。

• 設(shè)置依據(jù)：

• 縱向分辨率需求：窄脈沖（如 0.1-1μs）對(duì)應(yīng)寬頻帶信號(hào)，可提高分辨率（能區(qū)分距離更近的缺陷，Δx ≥ c?τ/2，c 為聲速，τ 為脈沖寬度），適用于薄工件或精密檢測(cè)。

• 穿透能力需求：寬脈沖（如 1-10μs）集中能量，延長(zhǎng)超聲波傳播距離，適用于厚工件或高衰減材料（如混凝土檢測(cè)）。

• 探頭頻率匹配：脈沖寬度需與探頭中心頻率適配，通常脈沖寬度≈1/(2f)（f 為探頭頻率），例如 5MHz 探頭的最佳脈沖寬度約 0.1μs，以避免頻率混疊或能量分散。

• 實(shí)際調(diào)試：通過(guò)試測(cè)觀察回波波形，若缺陷信號(hào)與底波重疊，需減小脈沖寬度；若底波微弱，需增大脈沖寬度以增強(qiáng)能量。

  
  

    3. 探頭頻率的選擇

• 作用：決定超聲波的波長(zhǎng)（λ=c/f），直接影響分辨率與穿透能力。

• 設(shè)置依據(jù)：

• 細(xì)晶材料（如鋁、鈦合金）：可選高頻（5-10MHz），兼顧分辨率與低衰減。

• 粗晶材料（如鑄鋼、奧氏體鋼）：選低頻（1-2MHz），減少晶界散射衰減。

• 薄層檢測(cè)（如涂層、焊縫熔深）：高頻探頭（15-50MHz）配合窄脈沖，利用近場(chǎng)高分辨率特性。

• 缺陷尺寸與分辨率：檢測(cè)小缺陷（如≤λ）需高頻探頭（如 10-20MHz），利用短波長(zhǎng)提高缺陷反射效率；檢測(cè)大缺陷或粗晶材料（如晶粒尺寸≥λ/10 時(shí)產(chǎn)生散射衰減）需低頻探頭（如 0.5-2.5MHz）。

• 介質(zhì)特性：

• 檢測(cè)模式：脈沖回波法常用 2-10MHz，穿透法可更低（0.5-1MHz）以提高透射信號(hào)強(qiáng)度。

  
  

4. 參數(shù)協(xié)同匹配原則

• 高頻探頭（高分辨率）：需搭配窄脈沖（避免頻率展寬）和適當(dāng)發(fā)射電壓（補(bǔ)償高頻衰減，如檢測(cè) 10mm 以下鋁板時(shí)，5MHz 探頭 + 100V 電壓 + 0.2μs 脈沖）。

• 低頻探頭（高穿透）：可使用寬脈沖（增強(qiáng)能量）和中等電壓（避免過(guò)度激勵(lì)，如檢測(cè) 200mm 碳鋼時(shí)，2.5MHz 探頭 + 200V 電壓 + 1μs 脈沖）。

• 噪聲抑制：若背景噪聲強(qiáng)（如電磁干擾環(huán)境），可降低電壓并縮小脈沖寬度，通過(guò)提高接收增益（而非發(fā)射能量）來(lái)優(yōu)化信噪比。

三、實(shí)際應(yīng)用中的調(diào)試步驟

1. 初步設(shè)定：根據(jù)被測(cè)材料類型、厚度、缺陷預(yù)期尺寸，選擇探頭頻率（優(yōu)先滿足分辨率或穿透需求）。

2. 發(fā)射電壓調(diào)整：從低電壓開(kāi)始逐步增加，直至回波幅度達(dá)到屏幕滿幅的 60%-80%（避免飽和失真）。

3. 脈沖寬度優(yōu)化：在保證缺陷信號(hào)與相鄰回波（如底面、界面）可分辨的前提下，盡量縮短脈沖寬度（或通過(guò) “阻尼電阻” 調(diào)節(jié)探頭振蕩時(shí)間）。

4. 驗(yàn)證匹配：通過(guò)試塊測(cè)試，觀察底波次數(shù)（反映穿透能力）和缺陷信號(hào)幅度（反映檢測(cè)靈敏度），若多次底波清晰且缺陷信號(hào)顯著，說(shuō)明參數(shù)匹配合理。

總結(jié)

• 高頻 + 窄脈沖 + 適當(dāng)電壓：適用于精細(xì)檢測(cè)（小缺陷、薄工件）。

• 低頻 + 寬脈沖 + 較高電壓：適用于厚工件、高衰減材料檢測(cè)。

• 所有設(shè)置需結(jié)合探頭特性（如阻尼、帶寬）與被測(cè)對(duì)象物理特性，通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)調(diào)試實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

沈陽(yáng)宇時(shí)先鋒研發(fā)生產(chǎn)的PR20是一款由計(jì)算機(jī)控制的性能優(yōu)良的超聲波脈沖發(fā)生接收器。儀器連接計(jì)算機(jī)和示波器使用，可以幫助進(jìn)行超聲波探傷、厚度測(cè)量、超聲波換能器檢測(cè)等，在無(wú)損檢測(cè)、材料分析等領(lǐng)域有著廣泛的用途。PR20包含一個(gè)基于Windows平臺(tái)的控制程序軟件，可以選擇觸發(fā)源、發(fā)射電壓、重復(fù)頻率和脈沖寬度，也可以切換接收器的單/雙晶模式，調(diào)節(jié)阻尼和增益，滿足用戶不同的使用需求。用戶還可以在各種主流的Windows系統(tǒng)下使用開(kāi)放的SDK軟件開(kāi)發(fā)包自主開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。