Электроакустический тракт ультразвукового дефектоскопа

ОБОРУДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

Структурная схема дефектоскопа

Принцип работы дефектоскопа удобно изучать, рассматривая его структурную схему. Основные блоки дефектоскопа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) продемонстрированы на рис.33.

Рисунок 33 – Блок схема импульсного дефектоскопа

Генератор зондирующих импульсов 7 вырабатывает импульс электрических колебаний, возбуждающий ультразвуковые колебания в преобразователе 3. Отражённые от дефекта УЗ-сигналы принимает тот же (совмещённая схема) или другой (раздельная схема) преобразователь и трансформирует их в электрические импульсы, которые поступают на вход усилителя 1. Коэффициент усиления его регулируется во времени с помощью системы 4 временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на вход электронно-лучевого индикатора 6 и автоматического сигнализатора дефектов (АСД) 2.

Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа, одновременно с запуском генератора импульсов (или с некоторой задержкой) он приводит в действие генератор развёртки 9 ЭЛТ индикатора.

В современных дефектоскопов большинство функциональных узлов реализовано в виде подпрограмм микроконтроллеров в блоке цифровой обработки (БЦО).

Электроакустический тракт ультразвукового дефектоскопа

В электроакустический тракт входят пьезопреобразователь, прилегающие к нему тонкие слои и электрические колебательные контуры генератора и приёмника дефектоскопа.

На рис. 34 показана общая схема электроакустического тракта дефектоскопа. В иммерсионных и наклонных преобразователях акустической нагрузкой является иммерсионная жидкость или призма преобразователя. Акустический контакт пьезопреобразователя со средой осуществляется не непосредственно, а через промежуточные тонкие слои: протектор и слой контактной жидкости (вода, масло и т.п.).

Рисунок 34– Схема электроакустического тракта дефектоскопа:

1 – демпфер; 2 – пьезопреобразователь; 3 – промежуточный слой; 4 – изделие

Пьезопреобразователь электрически связан с генератором и колебательным контуром. В контур входят сопротивления и индуктивность ; ёмкостью контура служит сам пьезопреобразователь. Когда ПЭП работает в режиме приёма, используется тот же контур, но генератор замыкается накоротко.

При расчёте электроакустического тракта ставится задача достижения оптимального сочетания основных характеристик: чувствительности, полосы пропускания, мёртвой зоны, разрешающей способности и стабильности акустического контакта. Задача решается путём рассмотрения прохождения волн в слоистой системе.

Чувствительность при излучении определяется как отношение максимальных амплитуд излучённого акустического сигнала и электрического сигнала , т.е. как . Чувствительность при приёме определяется как отношение максимальных амплитуд электрического сигнала на входе усилителя дефектоскопа и акустического сигнала падающей на преобразователь волны , т.е. как .

Произведение определяет общую чувствительность:

. (3.1)

Чувствительность используется при вычислении общего ослабления УЗ сигнала в электроакустическом и акустическом трактах дефектоскопа:

. (3.2)

Полоса пропускания ПЭП определяется кривой зависимости чувствительности от частоты. Приближённо её можно охарактеризовать величиной, принятой в радиотехнике:

, (3.3)

где - резонансная частота, в данном случае собственная частота ненагруженного пьезоэлемента; и - частоты (меньше и больше ), на которых чувствительность уменьшается до уровня 0.7 от максимальной.

Чем шире полоса пропускания ПЭП, тем меньшее искажение претерпевают импульсы в процессе преобразования электрических колебаний в акустические и обратно.

Для достижения максимальной разрешающей способности и минимальной мёртвой зоны стремятся формировать короткие импульсы. Если ширина полосы пропускания недостаточна, импульсы растянуться, что приведёт к ухудшению разрешающей способности и увеличению мёртвой зоны. Минимально допустимое значение , однако для повышения разрешающей способности желательно увеличение до 0.4-0.5.

Стабильность акустического контакта необходимо учитывать только при расчёте режима пьезоэлемента прямого ПЭП. В других типах ПЭП между пьезоэлементом и изделием расположена протяженная среда, поэтому улучшение или ухудшение передачи ультразвука из этой среды в изделие не отражается на колебательном режиме пьезопластины.

Для прямого ПЭП, наоборот, изделие является частью нагрузки, а толщина слоя контактной жидкости определяет степень связи с этой нагрузкой. Чтобы обеспечить стабильность акустического контакта, нужно свести к минимуму влияние толщины слоя контактной жидкости на режим колебаний пьезопластины.

На рис. 35 приведены кривые изменения чувствительности ПЭП с пьезоэлементом из цирканата титана свинца (ЦТС) в зависимости от частоты при излучении в плексиглас при наличии демпфера с акустическим сопротивлением . Потери энергии на затухание в пьезоматериале и протекторе не учитывались. За единицу на рисунке принята резонансная частота полуволновой пьезопластины, совпадающая с резонансной частотой электрического контура:

. (3.4)

Рисунок 35 – Изменение чувствительности ПЭП в зависимости от частоты

Параметром семейства кривых на рис.35 является добротность

. (3.5)

Для последовательного колебательного контура физический смысл добротности – это во сколько раз напряжение на ёмкостном элементе превышает напряжение на генераторе.

При максимальная чувствительность достигается на резонансной частоте и растёт с увеличением . При увеличении добротности более 2-4 чувствительность на резонансной частоте практически не повышается и здесь образуется минимум. Это объясняется действием вторичных пьезоэффектов: когда пьезоэлемент излучает ультразвук, он в тоже время работает как генератор электрических колебаний, включённый навстречу основному генератору. В процессе приёма звука пьезоэлемент одновременно излучает обратно часть принятой энергии. При определённой добротности эти эффекты сравниваются с первичными, и дальнейшее повышение добротности электрического контура не вызывает возрастание чувствительности. На частотах, отличающихся от резонансной, максимальная чувствительность достигается при больших значениях . Это приводит к расширению частотной полосы преобразователя, а при дальнейшем повышении - даже к появлению минимума на кривой в области и двух максимумов на частотах примерно равных 0.8 и 1.2. Добротность, при которой достигается максимальное расширение полосы частот, но боковые максимумы не образуются, соответствует оптимальным условиям работы ПЭП.