超聲波探傷儀、探頭及試塊介紹

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第二章  超聲波探傷儀、探頭及試塊

第二節  超聲波探頭

一、壓電效應和壓電材料

超聲波探傷是利用超聲波探頭實現電氣轉換的，所以，超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉換是可逆的，且轉換時間極短，可以忽略不計。根據產生超聲波和電聲轉換方式的不同，可有多種不同類型的超聲波換能器，這些電聲轉換方式有：利用某些金屬(鐵磁性材料)在交變磁場中的磁致伸縮，產生和接收超聲波：利用電磁感應原理產生電磁超聲以及利用機械振動、熱效應和靜電法等都能產生和接收超聲波。目前用得最多的是以利用壓電效應原理制成的壓電材料超聲換能器。

1. 壓電材料的壓電效應

某些單晶體和多晶體陶瓷材料在應力(壓縮力和拉伸力)作用下產生應變時引起晶體電荷不對稱分配，異種電荷向正反兩面集中，材料的晶體中就產生電場和極化，這種效應稱為正壓電效應。相反，當已極化的壓電材料處于交變電場中時，由于極化作用的影響，在晶體中就會產生壓縮或拉伸的應力和應變，這種效應稱為逆壓電效應，見圖2–15所示。

圖2–15  壓電材料的壓電效應

正、逆壓電效應統稱壓電效應，它是一種互相可逆的物理效應，具有壓電效應的材料叫壓電材料，壓電性是壓電材料的特性。

石英是典型的壓電單晶材料，沿X軸切割，并在X方向施加外力時，則在垂直于X軸的二個面上將產生等值異種電荷、晶體內即形成電場。反之，晶體二個面上加以交變電場，則在其X軸方向上就會產生伸縮變形，從而產生和接收傳播方向與施力方向一致的縱波。圖2–16為沿X軸切割的石英晶片。

壓電陶瓷屬多晶壓電材料經人工燒結成型，它的壓電效應機理與石英有所不同。壓電陶瓷必須先進行極化處理，然后才會具有壓電性。這是因為組成壓電陶瓷的鐵電體在末極化時鐵電體內的電疇(與鐵磁體中磁疇類同)各自具有一定的自發極化和本身的電場方向、分布雜亂無章，只有對這種材料施加較強的外電場，才能使電疇發生轉動，并趨于與外電場方向一致，見圖2–17所示。