美国 BOSTON PIEZO OPTICS 超声波换能器
Boston Piezo-Optics 是传感器制造商的传感器晶体的主要供应商。BPO 不生产完整的超声换能器。
超声探头是任何超声检测中极其重要和关键的部分。为特定应用选择合适的传感器至关重要。包括仪器条件和设置、材料特性和耦合条件在内的因素也会影响测试结果。传感器可以根据灵敏度或分辨率进行选择。灵敏度被定义为传感器检测材料中微小缺陷的能力。分辨率是指探头在两个反射体垂直于波束或平行于波束靠得很近时分离它们产生的信号的能力。高阻尼探头有助于缩短反射脉冲，使探头能够分辨紧密间隔的缺陷。传感器设备制造商可以提供聚焦传感器以提高灵敏度和分辨率，并提供大量极化陶瓷成分、单晶、聚合物和压电复合材料来改变传感器性能。
超声波换能器
在人类听觉范围水平以上产生的声音称为超声波。虽然超声波通常从 20 KHz 开始，但大多数超声波换能器从 200 KHz 开始。超声波在性质上与可听声音相似，但波长要短得多，更适合检测小缺陷。这些较短的波长使超声和超声换能器对于材料的无损检测和测量非常有用。
超声波换能器本身是一种能够产生和接收超声波振动的设备。超声波换能器由有源元件、背衬和耐磨板组成。有源元件是将电能转换为超声波能的压电或单晶材料。然后，它还将接收回超声波能量并将其转换为电能。电能脉冲由探伤仪等仪器产生。
背衬通常是高衰减和非常致密的材料，用于通过吸收从压电元件背面辐射的能量来控制换能器晶体的振动。当背衬材料的声阻抗与压电晶体的声阻抗相匹配时，得到的结果是具有出色分辨率的高阻尼换能器。通过改变背衬材料以改变背衬和压电晶体之间的阻抗差异，传感器会受到一些影响，并且信号幅度或灵敏度的分辨率可能会高得多。
耐磨板的主要目的只是保护压电传感器元件免受环境的影响。选择耐磨板通常可以防止磨损和腐蚀。在水浸式探头中，耐磨板还用作压电探头元件与水、楔块或延迟块之间的声学变压器。
声场
换能器的声场有两个不同的区域。这些区域称为近场，即换能器正前方的区域，而远场则称为“N”以外的区域，此时声场压力逐渐降至零。由于近场的变化，准确测量和评估缺陷可能非常困难。
近场距离是探头频率、晶片直径和被测材料声速的函数，如以下公式所示：
N = D2/4c
声束
有几个声场参数在描述超声探头的特性时非常有用。为了确定特定探头是否适合某种应用，可能需要了解焦距、声束宽度和焦区。
聚焦可以提高探头灵敏度的一个原因是，它会导致声束直径减小。这意味着一个小的缺陷将反射透射声能的很大一部分。焦点处的 -6dB 脉冲回波束直径可以用以下公式计算：
BD （=6dB） = 1.028 Fc/fD
BD = 光束直径 F = 焦距
焦点区域的起点和终点位于轴上脉冲回波信号幅度下降到焦点幅度的 -6dB 的地方。焦点区域的长度可以用以下公式计算：
Fz = NS2F [2/（1 + .5SF)]
所有探头都具有声束扩散功能，在检测可能接近待测材料某些几何特征的缺陷时，考虑声束扩散非常重要。这些特征包括侧壁和角落，这可能会导致伪回波，从而可能被误认为是缺陷或缺陷。
对于平面探头，-6dB 脉冲回波束扩展角是明确定义的，由以下公式给出：
正弦 （α/2） = .514c/fD
从这个方程中可以看出，通过选择频率更高或直径更大的探头，或两者兼而有之，可以减少探头中的声束扩散。
传感器类型
直梁接触式传感器是最常见和最常用的将纵波引入材料的方法。此外，通过使用特殊元件，可以制作法向入射横波或纵波/横波传感器的组合。这种类型的探头与被测材料直接接触，因此需要高度耐用的耐磨板。
角度声束探头利用折射和模式转换的基本原理，在被测材料中产生折射的剪切波或纵波。产生所需折射波所需的入射角是根据斯涅尔定律计算的。
以下公式可用于计算在被测材料中生成所需模式和折射角 （Q2） 所需的楔形角 （Q1）。
正弦 Ø1/正弦Ø 2 = V1/V2
Ø1 = 楔形角
Ø2 = 被测材料中折射波的角度
V1 = 楔形材料的纵向速度
V2 = 在所需模式下被检测的材料的速度
双晶探头使用单独的晶片来传输和接收超声信号。这些元件通常以一定角度切割并安装在延迟线上。这有助于提高近表面分辨率，横梁设计还有助于产生一个焦点，使双晶探头对腐蚀和点蚀引起的不规则缺陷的回波更加敏感。
水浸式传感器与接触式传感器相比具有几个优点。首先，它们的均匀耦合减少了灵敏度的变化。其次，水浸传感器能够执行自动扫描，从而提高了速度。第三，水浸探头的聚焦提高了对小缺陷的灵敏度。水浸探头有非聚焦、球面聚焦和圆柱聚焦三种配置。非聚焦水浸探头用于测量较厚材料的一般应用。球面聚焦的探头将提高对微小缺陷和缺陷的灵敏度。圆柱聚焦传感器通常用于测量管材原料。球形或圆柱形探头的焦距范围仅限于探头的近场，通常最大为 0.8N。
