22167

УЛЬТРАЗВУК И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 19 2. Серийные преобразователи 27 2. Специальные преобразователи и контактные среды 31 2.

Русский

2013-08-04

1.27 MB

332 чел.

      

УЛЬТРАЗВУК И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Содержание

Введение                                                                                                             2                          

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКА                                    4

          1.1. Природа   и  получение   ультразвуковых    колебаний               4

          1.2. Типы и скорость ультразвуковых волн                                         5

          1.3. Распространение ультразвука                                                        6   

          1.4  Свойства ультразвука                                                                     7

          1.5  Методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение        13

     1.6. Способы контакта преобразователя  с изделием                          17

Глава 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ                                                                      19

           2.1. Классификация преобразователей                                               19

2.2. Конструктивные особенности преобразователей                      22  

2.3. Серийные преобразователи                                                          27

2.4. Специальные преобразователи и контактные среды                 31

2.5. Электромагнитные ультразвуковые преобразователи               36   

2.6. Технология изготовления преобразователей                              39

Глава 3 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ                     42

3.1 Физические  основы и область применения пьезоэлектрических преобразователей                                                                                          42

3-2. Методы расчета поверхностных зарядов, деформаций и механических напряжений при прямом и обратном пьезоэффекте         47

3-3. Пьезоэлектрические преобразователи силы,

давления и ускорения                                                                                    49      

 Заключение                                                                                                   57    

 Контрольные вопросы                                                                                 58                                                           

 Список литературы                                                                                      59

Введение                                                                                                                                        

АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ(acoustic radiator)—устройство,  предназначенное для  преобразования  энергии того или иного вида в звук, энергию и излучения ее в упругую среду. По виду преобразования А. и. делят на электроакустические, гидромеханические, пневмоакуcтические, парогазоакустические, взрывные и ударные. В электрокустических излучателях в звуковую энергию преобразуется электрическая энергия, гидромеханических — энергия движущейся жидкости, в пневматических — энергия движущегося сжатого воздуха, в парогазоакустических — энергия захлопывания разогретого парогазового пузыря.

 Наибольшее применение в современной науке и технике (в частности, электроакустике, гидроакустике, ультразвуковой технологии, дефектоскопии, медицине) получили электроакустические излучатели. При исследованиях законов распространения звука в водной среде широко применяют взрывные А. и. Гидромеханические А и. используют в основном в ультразвуковой технологии, а пневмоакустические и парогазоакустические— для обеспечения низкочастотного излучения в жидкую среду. Основные характеристики А. и.: резонансная  частота, излучаемая мощность, электроакустический КПД и полоса пропускания частот.

Излучение звуков производится: речевым аппаратом человека, животными, различными  техн. объектами (машинами, механизмами и др.), природными явлениями (обвалами, громом)

 АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК (acoustic receiver) —устройство, обеспечивающее прием акуст. колебаний и измерение их параметров путем преобразования акуст. энергии в какую-либо другую (электрическую, механическую, тепловую). Наибольшее распространение получили электроакустические приемники различных типов. В зависимости от принципа действия и конструктивных особенностей А. п. могут быть приемниками звукового давления, колебательной скорости, ускорения, смещения, интенсивности звука и радиального давления.

 Для измерения звукового давления, колебательной скорости, ускорения и смещения используют те или иные разновидности электроакустических приемников; для измерения интенсивности звука — термические приемники, радиационного давления — радиометры.

 Основные характеристики А. п.: чувствительность к измеряемому параметру и пороговый, т. е. минимальный различаемый, сигнал.

 Электроакустические приемники различных типов находят применение в электроакустике, гидроакустике, ультразвуковой технологии, дефектоскопии, медицине и при проведении научных исследований акустическими методами. Термические приемники и радиометры применяют в ультразвуковой технике.

 Наряду со специально создаваемыми приемниками существуют естественные А. п. — органы слуха человека и животных. Для усиления деятельности органов слуха человека используют специальные акустические резонансные устройства (слуховые трубки, стетоскопы и др.).

Глава  1.  ФИЗИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

1.1. Природа   и  получение   ультразвуковых    колебаний

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это — акустические колебания. Если их частота более 20 000 Гц (20 кГц), т. е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК). В дефектоскопии наиболее часто используют диапазон частот 0,5—10 МГц     (1 МГц=106 Гц).

Упругие колебания могут быть возбуждены в твердых, жидких и газообразных средах. При этом колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих сил между ними вызывает распространение   упругой   УЗ-волны,   сопровождаемое    переносом энергии.

Для получения УЗ-колебаний применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно-акустические (ЭМА) и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель. И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная УЗ-волна), то на ее поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник.

 Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, называется фронтом волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны А, и частотой колебаний f. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту УЗ-колебаний. Длина волны связана со скоростью ее распространения соотношением

Cледует отличать скорость волны С от скорости колебания частиц v. Скорость С — физическая константа среды и зависит от ее свойств. Поэтому, применяя формулу (1.1.) в виде C=fK или f=C/A, важно помнить, что нельзя изменить скорость волны С за счет частоты f .Длину волны  в любой среде можно изменить только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний. 

1.2. Типы и скорость ультразвуковых волн

В зависимости от направления колебания частиц различают несколько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль распространения волны, то такие волны называются продольными (волнами растяжения-сжатия). В случае, если частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны, то это волны - поперечные (волны сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой и газообразной средах образуются только продольные волны. В твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны.

Скорость Ci продольных волн в среде плотностью  определяется модулем     нормальной   упругости  Е  и  коэффициентом  Пуассона  :

Скорость Ct поперечных волн в среде плотностью р определяется модулем сдвига G:

Учитывая, что  из уравнений (1.2) и (1.3) можно определить отношение скоростей поперечных и продольных волн:

Поскольку для металлов  то .  

1.3. Распространение ультразвука

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению распространения, называется интенсивностью ультразвука I. Для плоской волны при амплитуде смещения А

Произведение скорости С ультразвука на плотность  среды называется удельным акустическим сопротивлением.

1.4. Свойства ультразвука

УЗ-колебания от генератора-излучателя ИП распространяются в материале изделия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах  имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователя П ослабление УЗ-волны или с помощью преобразователя П2 (или ИП) эхо, т. е. отраженную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распространенных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Рис. 1.1. Структура ультразвукового поля излучателя:

а — акустическое  поле;   б — изменение   интенсивности  вдоль  луча;   в — диаграмма направленности.

Рассмотрим наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом (рис. 1.1, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения  зависит от соотношения длины волны и диаметра излучателя 2а:

Для малых углов . Как видно из выражения (1.5), направленность УЗ-поля тем выше (угол  меньше), чем больше произведение af.

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности             (рис. 1.1, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость  амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол  отсчитывают от полярной оси,  совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через  цилиндрическую функцию Бесселя (первого рода и первого порядка):

Анализ этого выражения показывает, что с увеличением . или af направленность поля возрастает. При >0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боковые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше формула (1.5) показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 1.1, б) , так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны  для цилиндрического излучателя

Из формулы (1.7) видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая. Коэффициент отражения R как отношение интенсивностей отраженной и падающей волн зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений  первой и второй сред:

Из формулы (1.11) видно, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред   

Коэффициент прохождения волны D=1-R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины   раскрытием  мм отражают около 90 % падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости   трещин    служат    несплошности    раскрытием   

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несплошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непровары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R= 0,35 — 0,65 в зависимости от марки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюминиевых сплавов или при контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большое раскрытие и протяженность. Причиной этого является близость акустических свойств дефекта и металла.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S>1 мм2. При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания  возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультразвука:    Причем  пропорционально либо f (стекло), либо f (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением: брп, причем бп пропорционально f, а бр пропорционально Р или р. Коэффициент рассеяния в металлах  зависит  от  соотношения средней величины зерен D и длины

УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь >(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнему пределу (>100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8 — 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристалла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзеренная анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих материалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области =(4-10)D.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Затухание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е=2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8, 68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см-1.

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличивается, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК. Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом Р к границе двух твердых сред происходит

Рис. 1.2. Отражение и преломление продольной волны на границе раздела двух твердых сред.

трансформация (расщепление) этой волны (рис. 2.6, а). Возникают две преломленные волны (продольная  и поперечная ) и две отраженные  и . Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид

При увеличении угла падения , который соответствует углу плексигласовой призмы в наклонных преобразователях, углы ввода УЗК в металл  и  также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 1.2, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча , а потом — луча . Углы , соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению  отвечает угол , а значению  угол

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих случаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразователей выбирают обычно в интервале между двумя найденными выше критическими значениями:

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт. Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления, состоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача методики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимости от акустических и геометрических параметров тракта.

1.5. Методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение

Для контроля материалов и сварных соединений применяют следующие основные методы УЗ-дефектоскопии.

Прежде всего — импульсный эхо-метод (рис. 1.3, а), основанный на отражении УЗ-колебаний от несплошности (отражателя), причем амплитуда эхо-сигнала пропорциональна площади этого отражателя. Этим методом контролируют поковки, штамповки, прокат, термообработанное литье, пластмассы, измеряют толщину металлов и оценивают структуру материалов. Эхо-метод широко используют для контроля сварных соединений. Чувствительность эхо-метода высокая: она достигает 0,5 мм2 на глубине 100 мм. К преимуществам данного метода следует также отнести возможность одностороннего доступа к зоне шва, поскольку достаточно только одного преобразователя и для излучения и для приема УЗ-сигналов. Недостатки эхо-метода — это сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение

Рис. 1.3. Схемы использования основных методов УЗ-контроля:

а — эхо-метод;  б — теневой; в — зеркально-теневой; г — эхо-зеркальный;    д — эхо-теневой.

амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (угла в между УЗ-лучом и плоскостью отражателя).

Теневой и зеркально-теневой методы, также широко распространенные, основаны на уменьшении амплитуды УЗ-колебаний вследствие наличия несплошности на их пути (рис. 1.3, б, в). Чем крупнее дефект, тем слабее прошедший к приемнику сигнал. В теневом методе (рис. 1.3,  б) УЗ-луч идет прямо от генератора к приемнику через контролируемый металл. Теневой метод применяют в основном для контроля проката малой и средней толщины, некоторых резиновых изделий (покрышек колес), для исследования упругих свойств стеклопластиков, бетона, графита и т. д. В отличие от эхо-метода теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла  ориентации дефекта. Однако имеются серьезные недостатки: необходимость двустороннего доступа и малая точность оценки координат дефектов.

Зеркально-теневой метод отличается от теневого тем, что регистрирует уменьшение УЗК, отраженных от нижней поверхности листа (рис. 1.3, в).

Зеркально-теневой метод, как видно из схемы, не требует двустороннего доступа к соединению. Этот метод широко используют для контроля железнодорожных рельсов. Он позволяет также более достоверно определять наличие корневых дефектов в стыковых швах.

Оба теневых метода используют обычно для соединений с грубообработанной поверхностью. Например, их успешно применяют для контроля стыков арматуры периодического профиля.

Эхо-зеркальный метод (рис. 1.3, г) основан на сравнении амплитуд обратно-отраженного  и зеркально-отраженного  сигналов от дефекта.

Основное преимущество эхо-зеркального метода — высокая выявляемость плоскостных дефектов и возможность оценки их формы по специальному коэффициенту. Ограничения данного метода: применение только для металла больших толщин (более 40 мм); сравнительно большой пороговый размер выявляемоcти дефектов округлой формы (диаметр не менее 3 мм).

Иногда используется эхо-теневой метод. В этом случае о наличии дефекта судят одновременно по эхо-импульсу от несплошности и по ослаблению однажды отраженного донного сигнала (рис. 1.3, д).

Эхо-теневой метод применяют при механизированном контроле сварных стыков труб. Он дает большую вероятность обнаружения дефектов и возможность оценки их характера, а также позволяет вести контроль за качеством акустического контакта при наличии сложной многоканальной аппаратуры.

В зависимости от метода УЗ-дефектоскопии и вида объекта контроля используют разные схемы соединения преобразователей. При эхо-методе широко применяют совмещенную схему ИП, когда один пьезоэлемент служит сначала излучателем зондирующего импульса, а потом приемником (рис. 1.3, а) отраженного от дефекта сигнала.    

В теневом и зеркальном методах (рис. 1.3, б, в) применяется раздельная схема соединения преобразователей: один из них служит излучателем энергии (от генератора), а другой принимает прошедший через контролируемое соединение импульс.

Наконец, для эхо-зеркального и эхо-теневого методов используют раздельно-совмещенную (PC) схему соединения двух преобразователей, когда каждый из них может поочередно быть либо излучателем, либо приемником (рис. 1.3, г, д).

Рассмотрим также другие методы акустического контроля.

Метод акустической эмиссии занимает особое место. Можно сказать, что это метод технической диагностики, а не дефектоскопии. Он основан на регистрации акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении материала или конструкции. Причиной образования упругих волн являются пластическая деформация, процессы движения дислокации кристаллов, возникновение и развитие трещин. Метод применим для ответственных высоконагруженных сварных соединений: сосудов высокого давления, трубопроводов, летательных аппаратов и других конструкций. Для регистрации акустической эмиссии требуется высокочувствительная аппаратура, работающая в широком диапазоне частот от килогерц до мегагерц.

Резонансный метод основан на определении резонансных частот, при которых в исследуемом участке изделия (по толщине листа или трубы) укладывается целое число полуволн УЗК. Исчезновение резонансов — это сигнал о наличии дефекта или изменении толщины.

Метод акустического импеданса заключается в регистрации УЗ-колебаний стержня, опирающегося на поверхность изделия. Подповерхностные дефекты изменяют акустический импеданс данного участка изделия, что отражается на амплитуде и частоте собственных колебаний стержня.

Велосиметрический метод связан с регистрацией изменения скорости УЗ-колебаний. Такое изменение имеет место в слоистых конструкциях при изменении толщины слоя или наличии расслоений.

Метод собственных колебаний основан на анализе частот или прослушивании тона акустических колебаний изделий, вибрирующих на собственной частоте. Этот метод очень прост: дефекты выявляют, например, простукивая молотком бандажи колес на железнодорожных вагонах или оценивая по звону посуды наличие в ней трещин. В данных примерах анализируют на слух звук в слышимом диапазоне, и поэтому метод правильнее назвать акустическим, а не УЗ-методом.

1.6. Способы контакта преобразователя  с изделием

УЗ-волны хорошо отражаются от тончайших воздушных зазоров, поэтому для передачи УЗ-колебаний от преобразователя к изделию промежуток между ними заполняют слоем жидкости. Существует несколько способов передачи ультразвука.

Контактный способ. Преобразователь прижимают к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (например, маслом). В некоторых случаях слой жидкости заменяют или дополняют эластичным материалом. Контактный смазочный материал должен хорошо смачивать контролируемый материал и поверхность преобразователя, создавать тонкий равномерный слой и не стекать слишком быстро с поверхности.

Выбирая контактный смазочный материал, следует помнить, что вода обладает недостаточной вязкостью и смачиваемостыо и может вызвать коррозию изделия. Поэтому в воду надо добавлять поверхностно-активные вещества, улучшающие ее смачивающую способность, и вещества, уменьшающие ее способность вызывать коррозию.

Щелевой (или менисковый) способ. Между преобразователем и изделием специальным ограничителем создается зазор (его толщина примерно равна длине волны ультразвука), в который непрерывно подают контактную жидкость Этот способ может быть использован, если поверхность контролируемого изделия расположена вертикально или имеет переменную кривизну.

Иммерсионный способ. Между преобразователем и изделием создается толстый слой жидкости путем помещения изделия в ванну с водой или образования локальной жидкостной ванны. Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению с контактным: высокую стабильность излучения и приема УЗК за счет постоянства акустической связи между преобразователем и изделием; отсутствие изнашивания преобразователей, так как при контроле между преобразователем и изделием нет трения; возможность контроля изделий с грубообработанной или защищенной покрытием поверхностью без предварительной подготовки.

Бесконтактные способы. Кроме указанных, существуют способы возбуждения и приема упругих колебаний через слой воздуха или с помощью электромагнитного поля, возбуждаемого датчиком,— бесконтактные. В этом случае специальная контактная среда не требуется.

Глава 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

2.1. Классификация преобразователей

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) является важнейшим элементом, определяющим достоверность УЗ-контроля. Этот сложный электроакустический прибор должен обеспечивать формирование УЗ-пучка в самых разных по конфигурации контролируемых элементах.

По способам ввода УЗ-колебаний ПЭП подразделяют на контактные, щелевые, иммерсионные и бесконтактные.

В контактных ПЭП толщина контактного слоя , в щелевых , а в иммерсионных , где С — скорость распространения УЗ-колебаний в контактной жидкости; — длительность зондирующего импульса.

Контактные преобразователи нашли наибольшее применение в промышленности. Их основным недостатком является нестабильность акустического контакта в процессе сканирования преобразователя.

При контроле некоторых деталей и конструкций, когда не допускается нанесение контактной жидкости перед ПЭП (например, при обнаружении поверхностных трещин), используют щелевые (менисковые) преобразователи.

Иммерсионный ввод УЗ-колебаний чаще всего используют при автоматизированном контроле изделий небольшого размера или изделий простой геометрической формы, например труб небольшого диаметра. Иногда преобразователи с иммерсионной локальной ванной применяют при контроле по грубообработанным поверхностям.

Особую группу составляют бесконтактные ПЭП, которые возбуждают упругие колебания в металле за счет взаимодействия переменного электрического и магнитного полей.

По направлению ввода упругих колебаний в исследуемый объект ПЭП бывают прямые, наклонные, комбинированные.

По конструктивному исполнению и способу подключения к электронной части дефектоскопа пьезоэлектрические преобразователи подразделяют на совмещенные, раздельно-совмещенные (PC), раздельные.

В совмещенных ПЭП пьезоэлемент выполняет роль излучателя и приемника УЗ-колебаний.

В PC-преобразователях функции излучателя и приемника разделены, а конструктивно они выполнены в одном корпусе.

В зависимости от формы рабочей поверхности или пьезоэлемента ПЭП могут быть плоскими или неплоскими. Среди неплоских широкое распространение получили фокусирующие ПЭП.

Тип ПЭП определяют сочетанием перечисленных выше признаков:

контактные прямые совмещенные;

иммерсионные прямые совмещенные;

контактно-иммерсионные прямые;

контактные прямые PC с акустической задержкой;

контактные   наклонные   совмещенные  с акустической задержкой;

контактные наклонные PC с акустической задержкой.

Рис. 2.1. Преобразователи:

а — прямой совмещенный контактный (/ — протектор; 2 — пьезопластина; 3 — демпфер; 4 — заливочная масса; 5 — корпус); б — прямой совмещенный с акустической задержкой (7 — твердая задержка; 2 — пьезопластина; 3 — демпфер); в — наклонный совмещенный с акустической задержкой (У —призма; 2 — пьезопластина; 3 — демпфер); г — наклонный раздельно-совмещенный с акустической задержкой (/ — призма; 2 — пьезопластина; 3 — демпфер).

На рис. 2.1 показаны конструкции основных типов преобразователей. Каждому типу ПЭП соответствует определенное условное обозначение, структура которого

Рис. 2.2. Структура условного обозначения ПЭП.

приведена на рис. 2.2. Например, П121-2,5-35-001 ГОСТ 26266—84, т. е. ПЭП контактный, наклонный, совмещенный, с номинальной частотой 2,5 МГц, углом ввода 35°, порядковый номер модели 001.

Примеры условного обозначения специальной дополнительной характеристики ПЭП: Т120 — максимальная температура контролируемого объекта—120 ; К.Н — керамическая защита, нормальное исполнение корпуса; К20 — керамическая защита, диаметр пьезоэлемента 20 мм; М — малогабаритное исполнение корпуса; ММ —- Миниатюрное исполнение корпуса.

Цвет маркировки условного обозначения устанавливают зависимости от номинальных значений частоты f:

f<9 МГц — серый, белый цвет;

f=1,0; 1,25 МГц — красный цвет;

f=1,5; 1,8 МГц — оранжевый цвет;

f=2,0; 2,5; 3,0 МГц —синий цвет;

f=4,0;; 5,0; 6,0 МГц —зеленый цвет;

f=8,0; 10,0; 12,5 МГц — коричневый цвет;

f=15,0 МГц — желтый цвет.

В условных обозначениях ПЭП с переменной частотой или углом ввода вместо номинальных значений этих параметров указывают граничные значения диапазона их изменений.

Для ПЭП, имеющих несколько номинальных частот, указывают все значения этих частот.

2.2. Конструктивные особенности преобразователей

Основные акустические параметры наклонных преобразователей — ширина диаграммы направленности, разрешающая способность (по оси пучка), чувствительность— определяются их конструкцией, а именно: размерами и конфигурацией, углом ввода, акустическими константами призмы и степенью демпфирования.

Преобразователь состоит из следующих основных элементов: пьезопластины, демпфера, призмы, протектора и корпуса.

Пьезопластина — является основным элементом ПЭП. Ее изготавливают из пьезоэлектрических материалов: кварца, цирконата-титаната свинца (ЦТС), титаната бария и др. Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте. На противоположных поверхностях пластины располагаются металлические (обычно серебряные) электроды для приложения электрического поля. От формы электродов зависят работающие участки пьезопластин. Во избежание пробоя по краям пластины часто оставляют неметаллизированную полоску.

Оптимальным размером пьезопластины считается такой, при котором обеспечивается максимум амплитуды отраженного сигнала при минимальном уровне ложных сигналов и акустических шумов в преобразователе.

При выборе диаметра пьезоэлемента необходимо учитывать следующее. Увеличение диаметра пьезоэлемента приводит к повышению абсолютной чувствительности преобразователя и сужению его диаграммы направленности. Более высокая направленность ПЭП повышает точность оценки координат дефектов и их условных размеров, улучшает фронтальную разрешающую способность и снижает уровень помех от различных структурных неоднородностей. Однако с увеличением размеров пьезоэлемента возрастает протяженность ближней зоны, которая характеризуется неравномерной чувствительностью по глубине и сечению УЗ-пучка, а следовательно, пониженной вероятностью обнаружения дефектов и неоднозначностью оценки их величины. Кроме того, чем больше диаметр пьезоэлемента, тем больше стрела преобразователя и площадь его контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. Излучатель, имеющий небольшие размеры, не обеспечивает достаточной мощности генерируемых колебаний и не дает нужной точности при определении координат дефектов из-за широкой диаграммы направленности.

Для каждой частоты УЗК имеется оптимальный размер излучателя. Размеры пьезопластины рекомендуется выбирать в области аf=12—15 мм*МГц, где а — радиус пьезопластины. При этом пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте.

При выборе диаметра пьезоэлемента необходимо стремиться к тому, чтобы пьезопластина и дефект находились в дальней зоне относительно друг друга. Это особо следует учитывать при контроле сварных соединений малых толщин.

Демпфер служит для гашения свободных колебаний пьезопластины, т.е. для получения коротких УЗ-импульсов, а также для предупреждения механических повреждений пьезопластин, особенно тонких. Материал демпфера и его форма должны обеспечивать достаточно сильное затухание УЗК без многократных отражений. В некоторых ПЭП (например, наклонных) демпфер часто отсутствует.

Степень демпфирования пьезоэлемента существенно влияет на форму и длительность зондирующего импульса и, следовательно, разрешающую способность преобразователя. Преобразователи со слабым демпфированием имеют невысокую разрешающую способность, но зато применяются в тех случаях, когда нужна высокая чувствительность. Сильно демпфированные преобразователи применяют там, где основную роль играет высокая разрешающая способность, например при обнаружении подповерхностных дефектов или при толщинометрии. Но чувствительность у них значительно ниже, чем у слабо демпфированных. Эти преобразователи можно рекомендовать для контроля сварных швов малых толщин.

В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных условий демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (чаще всего эпоксидных и акрильных) или компаундов с добавками порошка (наполнителя) с высокой плотностью (карбиды титана, вольфрама и свинца). Свойства демпфера, особенно его затухание, сильно зависят от связующего компонента. При изготовлении демпферов широко применяются силикон, полиуретан, каучук, сырая резина.

Для уменьшения многократных отражений на демпфере со стороны, противоположной пластине, делают скосы, наносят канавки, добавляют пузырьки воздуха,

С увеличением акустического сопротивления демпфера уменьшается чувствительность ПЭП, но повышается разрешающая способность и сокращается мертвая зона.

Призма изготовляется обычно из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон и др.), что позволяет при относительно небольших углах падения  получать углы преломления  до 90°. Размер призмы зависит главным образом от размера и формы пьезопластины.

При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом, чтобы они по возможности удовлетворяли следующим основным требованиям: обеспечивали достаточное гашение УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма — изделие, при этом незначительно ослабляли УЗК в самой призме. Кроме того, материал призмы должен обладать износостойкостью и смачиваемостью, а в ряде случаев и термостабильностью.

Для устранения шумов в наклонном преобразователе нужно выбирать стрелу преобразователя  (расстояние от точки выхода УЗК до передней грани призмы) такой, чтобы крайний луч от верхней части пьезопластины не падал на переднюю грань призмы или на двугранный угол. Если это условие не соблюдается, то луч значительной интенсивности отражается назад к пьезопластине, создавая при этом шумы в преобразователе. Максимальная стрела преобразователя, при которой шумы будут незначительными, должна быть .

В призме должны гаситься также и поперечные волны, которые возникают при отражении продольной волны от границы раздела призма — изделие. Это условие выполняется, если нижний луч поперечной волны не попадает на верхнюю часть пьезопластины.

Высокое затухание ультразвука в призме обеспечивает быстрое гашение многократных отражений. Для улучшения гашения УЗК призму делают ребристой или придают ей сложную форму. В некоторых преобразователях для гашения УЗК ставят специальные ловушки, которые изготавливают из материала, сильно поглощающего УЗ-колебания.

Преобразователи на частоту 5 МГц и выше благодаря большему затуханию УЗК в призме обладают значительно меньшим уровнем собственных шумов, чем преобразователи на частоту 1,8 и 2,5 МГц. Вследствие этого преобразователи на 5 МГц получаются малогабаритными.

Важное значение для постоянства   параметров   преобразователя имеет выбор материала призмы. Длительное воздействие воды и других жидкостей может изменить акустические характеристики призмы. Это может быть вызвано как изменением акустических свойств материала призмы, так и ее разбуханием или короблением. На рис. 2.3 показано изменение скорости ультразвука в

Рис. 2.3. Относительное изменение скорости ультразвука в образцах из полимеров при выдержке в воде:

/ — поликарбонат;   2 — деклон;   3 — капролон;   4 — оргстекло;   5 — поли-амид-12; 6 — полиамидоимид.

различных полимерных материалах в зависимости от времени их пребывания в воде и масле.

Из рис. 2.1 следует, что для преобразователей автоматизированных установок, рассчитанных на длительную непрерывную работу, в качестве материала призмы лучше всего подходят полиамидоимид и поликарбонат. Несколько худшие, но все же достаточно стабильные свойства имеет также оргстекло.

В PC-преобразователях конструкция призмы должна удовлетворять дополнительным требованиям. Например, в PC-преобразователях толщиномеров важно, чтобы время прохождения УЗК сквозь призму не зависело от температуры, поэтому се изготавливают иногда из плавленного кварца, имеющего малый коэффициент линейного расширения.

Протектор защищает пьезоэлемент от изнашивания и воздействия контактной жидкости, улучшает акустический контакт при контроле контактным способом. Для повышения износостойкости преобразователя к пьезопластине приклеивают протекторы толщиной 0,1 — 0,5 мм из кварца, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, порошком из компаунда или бериллия) и т. п. Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок из эластичных пластмасс, например из полиуретана. В этом случае между пьезопластиной и протектором вводят контактную жидкость (масло).

Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных помех (для этого корпус из пластмассы металлизируют).

Электрические контакты паяют легкоплавкими припоями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание потери поляризации.

Преобразователь с дефектоскопом соединяют максимально гибким кабелем. Применяют микрофонный или коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.

2.3. Серийные преобразователи

Преобразователи типа ИЦ (рис. 2.4). Эти преобразователи делаются разборными, пьезопластина прижимается к призме с помощью съемного разъема. Пьезопластина изготавливается из пьезокерамики ЦТС-19. Материалом для пьезопластины могут быть также кварц и титанат бария. Кварц обладает наиболее стабильными свойствами, ЦТС обеспечивает наибольшую чувствительность, но подвержен влиянию температуры.

Форма пластины может быть различной: круглая, полукруглая, квадратная, прямоугольная. Практика показала, что наиболее эффективна прямоугольная или квадратная форма, так как в этом случае УЗ-колебания в пределах ближней зоны распределены более равномерно по сечению.

Рис. 2.4.    Схема   наклонного  совмещенного  преобразователя

типа ИЦ:

1 — призма;   2 — пьезоэлемент;   3 — корпус   излучателя;   4 — изоляционное  кольцо;   5 — демпфер;    6 — контактный   штырь;    7 — изоляционная втулка; 8 — зажимная гайка.

Призмы преобразователей типа ИЦ выполняют из плексигласа, который, с одной стороны, обеспечивает достаточное гашение УЗ-волн в призме и, с другой стороны, не сильно ослабляет ультразвуковые колебания на участке от пьезоэлемента до изделия. Благодаря хорошей смачиваемости плексигласа преобразователи ИЦ обладают наибольшей стабильностью акустического контакта по сравнению с другими серийными преобразователями. Преобразователи подобного типа легко изготовить в производственных условиях.

Однако наряду с отмеченными преимуществами преобразователи ИЦ имеют некоторые недостатки: малый срок службы, изменение акустического контакта между пьезоэлементом и призмой в процессе эксплуатации, несовершенный высокочастотный разъем, относительно большую стрелу, малый температурный диапазон.

Преобразователи конструкции ИЦ, которыми комплектовались дефектоскопы УДМ-3, ДУК-66 и ДУК-66П, имеют углы наклона призмы 30, 40, 50 и 53°.

Преобразователь КГН-1 (см. рис. 2.1, в). Данный преобразователь состоит из призмы, к которой приклеен пьезоэлемент прямоугольной формы. Такое конструктивное исполнение преобразователя обеспечивает постоянный акустический контакт между пьезоэлементом и призмой и постоянную чувствительность преобразователя в процессе эксплуатации.

Для повышения степени демпфирования, а следовательно, разрешающей способности преобразователя, демпфирующая масса выполняется на основе эпоксидной смолы с вольфрамовым наполнителем и добавкой пластификатора. Оптимальное демпфирование достигается, когда частицы вольфрама распределены по высоте демпфера по экспоненте. Причем большая часть вольфрамовых включений должна прилегать к пьезопластине, так как при этом достигается сильное демпфирование пьезоэлемента, а частицы, расположенные в верхней части, обеспечивают наибольшее рассеяние УЗ-колебаний.

Поскольку с увеличением степени демпфирования наряду с положительным эффектом (сокращение мертвой зоны и увеличение разрешающей способности) происходит снижение чувствительности преобразователя, то при контроле изделий большой толщины, когда требуется высокая чувствительность, применяют демпфер с малым акустическим сопротивлением.

Призмы преобразователей КГН-1 изготавливают из капролона, который обладает высокой износостойкостью и может эксплуатироваться в широком температурном диапазоне. Преимуществом таких преобразователей являются также небольшая стрела и удобный  высокочастотный разъем.

Чувствительность преобразователей КГН-1 ниже чувствительности преобразователей ИЦ. Смачиваемость капролона значительно хуже смачиваемости плексигласа, что делает эти преобразователи чувствительными к качеству контролируемой поверхности.

Рис. 2.5.   Схема наклонного   совмещенного  преобразователя типа «Снежинка»:

1 — призма;      2 — пьезопластина; 3 — демпфер;   4 — корпус.

В комплекте преобразователей КГН-1 имеются ПЭП с углами наклона призм 30, 40, 50, 53 и 55°.

Миниатюрные преобразователи «Снежинка» (рис. 2.5). Эти преобразователи выпускаются с углами призм 30, 40 и 50° на частоту 5 МГц. Призмы преобразователей изготавливают из поликарбоната дифлок — материала с высокой теплостойкостью, морозостойкостью и низким водопоглощением. Стабильность свойств поликарбоната сохраняется в диапазоне температур от -100 до +100°С. Затухание в нем УЗ-колебаний примерно в 3—4 раза выше, чем в плексигласе, что обеспечивает уменьшение реверберационных помех. Износостойкость поликарбоната в 3 раза выше износостойкости оргстекла.

Пьезоэлементы данных преобразователей имеют прямоугольную форму.

Демпфирующий материал в преобразователях «Снежинка» аналогичен материалу в КГН-1. По чувствительности преобразователи этого типа также уступают преобразователям типа ИЦ. Данные преобразователи наиболее целесообразно применять для контроля качества сварных швов тонкостенных конструкций с обработанной поверхностью, а также в труднодоступных местах.

В современных дефектоскопах используются различные комплекты преобразователей: «Приз-3», «Приз-4», «Приз-5». Низкочастотные контактные прямые совмещенные преобразователи «Приз-3» предназначены для контроля качества неметаллических изделий, в том числе и строительных, а также для измерения их физико-механических свойств. Преобразователи комплекта «Приз-4» служат для контроля качества толстостенных изделий, листового проката и изделий с грубообработанными поверхностями. Комплект «Приз-5» предназначен для контроля качества сварных швов изделий из аустенитных сталей.

Из преобразователей, выпускающихся за рубежом, наибольшее применение нашли преобразователи фирмы «Крауткремер». Пьезоэлемент квадратной формы, изготовленный из кварца, приклеивается к призме. Для гашения шумов в преобразователе к призме в свою очередь приклеивается ловушка из звукопоглощающего материала. Отличительной особенностью данных преобразователей является высокая чувствительность, износостойкость и хорошая смачиваемость. В связи с тем что в наклонных преобразователях фирмы «Крауткремер» отсутствует демпфер, они имеют большую величину мертвой зоны и более низкую разрешающую способность по сравнению с отечественными преобразователями. Стрела этих преобразователей значительно больше стрелы отечественных преобразователей, что не позволяет производить контроль прямым лучом нижней части шва тонкостенных сварных изделий.

На преобразователях фирмы «Крауткремер» обозначаются углы ввода УЗ-колебаний по стали, которые составляют 35; 45; 60; 70 и 80°.

2.4. Специальные преобразователи и контактные среды

Если один современный дефектоскоп может быть использован для контроля практически любой дефектоскопической продукции, то вариации в геометрии и типоразмере сварных швов требуют применения различных преобразователей. Полная унификация здесь невозможна. Поэтому преобразователи разрабатываются для контроля конкретных швов.

Преобразователи для контроля швов труб. Основной трудностью при УЗ-контроле сварных стыков труб с толщиной стенки менее 10 мм является наличие ложных эхо-сигналов от обратного валика шва, мало отличающихся по времени и амплитуде от ожидаемых сигналов от дефектов. Кроме этого, из-за большой ширины валика шва, которая в 2—3 раза превосходит толщину стенки трубы, нельзя приблизить преобразователь к шву настолько, чтобы обеспечить прозвучивание центра шва акустической осью диаграммы преобразователя.

Общими требованиями к наклонным преобразователям для контроля стыковых соединений труб малых диаметров (28—64 мм) с толщиной стенки 3—7 мм являются:

большой угол призмы, обеспечивающий прозвучивание возможно большей части рабочего сечения шва;

максимальное приближение пьезопластины к рабочей (контактной) поверхности преобразователя, что позволяет уменьшить реверберационные шумы в призме;

минимальная стрела преобразователя, обеспечивающая максимальное приближение преобразователя к шву;

высокая рабочая частота.

Ранее разработанные миниатюрные наклонные преобразователи (угол призмы =55°, рабочая частота 5 МГц, стрела преобразователя 5 мм) работают по совмещенной схеме. Однако эти ПЭП обладают некоторыми недостатками: прозвучивание прямым лучом возможно только нижней части шва; поиск дефектов осуществляется в ближней зоне (зоне Френеля), где имеются осцилляции амплитуды отраженных сигналов, что существенно затрудняет оценку размеров дефектов.

Попытки перейти в дальнюю зону путем увеличения длины пути УЗК в призме или уменьшения диаметра пьезопластины не дали желаемого результата. Так, при увеличении длины призмы существенно возрастает время реверберационных шумов, а уменьшение диаметра пьезопластины приводит к снижению абсолютной чувствительности и к увеличению уровня поверхностной волны за счет расширения диаграммы направленности.

С целью   уменьшения   уровня   поверхностной   волны были созданы преобразователи с фокусирующими цилиндрическими линзами. Фокусирующая линза цилиндрической формы, выполненная из алюминиевого сплава, расположена между призмой и контролируемым изделием (рис. 2.6). Линза одновременно служит протектором и предохраняет преобразователь от изнашивания. Однако наличие линзы-протектора увеличивает стрелу преобразователя до 6—8 мм, что ухудшает выявление дефектов в стыковых швах труб с толщиной стенки менее 5 мм.

Рис.  2.6.   Схема   прозвучивания сварного   шва преобразователем   с   фокусирующей линзой.

Рис. 2.7. Схема прозвучивания сварного шва РС-преобразователем типа РСМ-2П.

Для уменьшения уровня шумов от обратного валика шва и повышения надежности обнаружения объемных дефектов созданы PC-преобразователи типа РСМ-2П, у которых акустическая ось находится в плоскости, проходящей через середину стенки трубы перпендикулярно к вертикальной оси шва (рис. 2.7).

Такая конструкция преобразователя обеспечивает прозвучивание всего сечения шва прямым лучом, при этом соотношение сигнал — шум на 12 дБ

          

Рис.   2.8.   Схема     фокусирования УЗ-лучей цилиндрической фокусирующей линзой:

/ — цилиндрическая линза из полистирола; 2 — пьезопластина; 3 — призма (оргстекло); 4 — контролируемая труба.

выше, чем у преобразователей совмещенного типа. Это позволило увеличить выявляемость дефектов округлой формы. Однако этим преобразователям также свойственны определенные недостатки. Основные из них — неравномерная чувствительность (до 18 дБ) по высоте шва и высокий уровень амплитуды от поверхностной волны. Выровнять чувствительность по высоте шва удалось, используя в преобразователях РСМ-2П цилиндрические фокусирующие линзы (рис. 2.8). При этом соотношение полезный сигнал — шум достигло 22 дБ относительно сигнала от плоскодонного отражателя диаметром 1 мм, выполненного в торце трубы.

Преобразователи для контроля по грубой поверхности. Рассмотрим некоторые конструкции специальных преобразователей, применяющихся для контроля металла и сварных швов по грубой поверхности.

Широкое применение нашли эластичные преобразователи с герметизированной иммерсионной локальной ванной, внутри которой размещен пьезоэлемент. Эти преобразователи обеспечивают высокую стабильность чувствительности, однако имеют следующие недостатки: большие габариты, относительно высокий уровень реверберационных шумов, нестабильный угол ввода ультразвука в контролируемое изделие, необходимость частой замены резинового донышка ванны вследствие проколов. Эти недостатки отсутствуют у наклонных преобразователей, на рабочую поверхность которых наклеена резина. Однако преобразователи такой конструкции недолговечны.

Преобразователь ИЦ-15Б со свободно скользящим трубчатым протектором не имеет указанных недостатков. В качестве материала протектора в нем используется маслостойкая резина, из которой изготавливается кольцо диаметром 28—30 мм, толщиной 0,8—1,2 мм. В кольце делается большое число проколов или сверлений. При перемещении преобразователя по изделию эластичный протектор вращается, облегает неровности контролируемого металла, что способствует улучшению акустического контакта. В зазор между преобразователем и протектором вводится масло.

Преобразователи с иммерсионной локальной ванной и менискового типа фактически не требуют специальной подготовки поверхности. Они закрепляются внутри кожуха с регулируемым контактным зазором. С помощью штуцеров и двух трубок внутренний объем кожуха соединен с герметичным бачком для воды. При работе в бачке создается небольшое разряжение, которое удерживает воду внутри кожуха; в результате создается стабильный акустический контакт даже на очень грубой поверхности. Такая конструкция обеспечивает ничтожный расход воды, но допускает возможность работы лишь в нижнем положении.

Разновидностью преобразователя с иммерсионной ванной является менисковый преобразователь, предназначенный для контроля сварных швов толщиной 3 — 5 мм. Ультразвук вводится в изделие через миниатюрную локальную иммерсионную ванну — мениск. В менисковых преобразователях ИЦИ-2 размер локальной ванны по сечению равен размеру пьезоэлемента и составляет всего 2,6 мм. Это обеспечивает стрелу преобразователя 3 — 4 мм. Вода в мениск подается из небольшого бачка по тонкой трубке. Поэтому расход воды достаточно мал. Стабильность акустического контакта практически не зависит от пространственного положения преобразователя, что является его важным достоинством.

Хорошие результаты по повышению стабильности чувствительности ультразвукового дефектоскопа достигнуты при использовании капиллярных эффектов. Здесь возможны различные конструктивные решения.

Во-первых, акустическую задержку (призму) можно выполнить из капиллярно-активных слоистых материалов, подобных тем, которые используются в сердечниках фломастеров.

Во-вторых, непосредственно на рабочую поверхность обычной призмы из оргстекла можно нанести слой капиллярно-пористого протектора небольшой толщины.

В-третьих, по периферии призмы можно сделать капиллярные каналы (сверлением или фрезерованием).

Во всех конструкциях капилляры служат аккумулятором контактной жидкости и обеспечивают автоматическую подпитку контактного зазора, что ускоряет восстановление сплошности контактного слоя.

2.5. Электромагнитные ультразвуковые преобразователи

Создание контактной связи ультразвуковых колебаний с объектом контроля через жидкую среду является одним из главных факторов, сдерживающих широкое применение УЗ-контроля в производстве. Поэтому в настоящее время ведутся исследования по разработке бесконтактных способов возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Наибольшие успехи достигнуты при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний в металлах с помощью электромагнитного поля. Разработаны специальные электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМА), принцип действия которых основан на превращении электромагнитных колебаний в акустические непосредственно поверхностью металла, находящегося в зоне преобразователя.

ЭМА-преобразователь работает следующим   образом (рис. 2.9). При пропускании через обмотку 1 импульса тока ультразвуковой частоты на поверхности металла 2 возникает вихревой ток 3. Взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита 5, вихревой ток создает силу (силу Лоренца), которая заставляет колебаться с ультразвуковой частотой поверхность металла  2.  Последняя   тем   самым   превращается   в    излучатель  ультразвука. Отразившиеся  от противоположной    поверхности металла 4 ультразвуковые колебания через небольшой

Рис.  2.9.   Схема ЭМА-преобразователя.

промежуток времени возвращаются к поверхности металла 2 и заставляют ее колебаться. Поскольку поверхность 2 находится в постоянном магнитном поле, ее колебания приводят к возникновению переменного тока, который трансформируется в высокочастотную обмотку /. Кроме силы Лоренца, на основе взаимодействия статического магнитного поля с динамическим магнитным полем, созданным импульсом возбуждения, возникают ультразвуковые колебания, связанные с магнитострикцией. Происходит наложение обоих процессов. При контроле ферромагнитных сталей в зависимости от способа возбуждения и конструкции датчика процесс преобразования ультразвуковых колебаний определяется либо силами Лоренца, либо магнитострикцией.

Как следует из рассмотренного выше, в ЭМА-преобразователях излучателем и приемником ультразвуковых колебаний становится сама поверхность металла, расположенная в зоне действия обмотки преобразователя. Поэтому в зазоре между ЭМА-преобразователем и поверхностью металла существует только электромагнитное поле, следовательно, жидкость для акустического контакта не нужна. ЭМА-преобразователи могут возбуждать ультразвуковые колебания как перпендикулярно к поверхности изделия, так и под заданным углом, что позволяет реализовать методики контроля, разработанные ранее для пьезопреобразователей.

В зависимости от конструкции ЭМА-преобразователей возбуждаются либо продольные, либо поперечные волны с заданным направлением плоскости поляризации. Это открывает новые возможности в практике неразрушающего контроля, так как использование линейно-поляризованных поперечных ультразвуковых волн позволяет получить дополнительную информацию о структуре, остаточных напряжениях и некоторых других характеристиках материала.

С помощью ЭМА-преобразователей возможно также бесконтактное возбуждение рассмотренных выше волн Лэмба, Рэлея и горизонтально поляризованных поперечных (SH) волн, применение которых перспективно при контроле тонких листов и тонкостенных конструкций.

ЭМА-преобразователи позволяют достаточно просто осуществить фокусировку ультразвуковых колебаний. В ряде случаев такая фокусировка получается естественным путем за счет кривизны поверхности изделия, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания. Фокусировку можно осуществить также путем смещенного по фазе управления сегментными приемно-излучающими преобразователями. К недостаткам ЭМА-преобразователей относятся их более низкий (на два-три порядка) коэффициент механической связи по сравнению с пьезопреобразователями и небольшие (1—5 мм) рабочие зазоры между ЭМА-преобразователем и поверхностью контролируемого изделия. Поэтому для получения необходимой чувствительности аппаратуры ультразвукового контроля с ЭМА-преобразователями мощность зондирующих импульсов, поступающих на ЭМА-преобразователь, должна быть существенно больше, чем при использовании пьезопреобразователей. Как показали исследования, удовлетворительная чувствительность аппаратуры с ЭМА-преобразователями при рабочих зазорах до 5 мм получается при индукции постоянного магнитного поля в зазоре  0,7—1,0 Тл.

ЭМА-преобразователи перспективны для автоматизированного ультразвукового контроля качества металлопродукции в технологическом потоке производства, в том числе и при высокой температуре.

2.6. Технология изготовления преобразователей

Часто сложные задачи по контролю различных изделий могут быть решены путем создания новых преобразователей или усовершенствования имеющихся. Существует много различных технологий изготовления преобразователей. Достаточно эффективную технологию изготовления в лабораторных условиях преобразователей различного назначения разработал В. Ю. Баранов. Излагаемые ниже краткие сведения об этой технологии помогут при проведении подобных работ.

Выбор пьезопластин для преобразователей производят из некоторого количества пьезопластин, которые предварительно шлифуют на очень мелкой наждачной бумаге, уложенной на стекле. Лист стекла при этом обеспечивает плоскую поверхность для обработки. Пьезопластины, поверхности которых после шлифования неровные, бракуют.

С помощью дефектоскопа и специального приспособления проверяют акустические характеристики оставшихся пьезопластин.

Выбрав после указанных испытаний лучшие пьезопластины, приступают к подготовке их поверхностей для припаивания контактных электродов. Для этого на предварительно обезжиренную поверхность пьезопластины наносят маленькую капельку припоя, которую затем аккуратно сглаживают скальпелем. В качестве припоя используют сплав Вуда. Флюс — солянокислый анилин, разведенный в глицерине.

Из тонкой медной фольги (толщиной примерно 0,02 мм) нарезают лепестки (электрозы) длиной около 25 мм и шириной 0,5—1,0 мм. Медную фольгу обычно берут из слюдяного пластинчатого конденсатора. Нарезанные лепестки выравнивают на гладкой стеклянной поверхности, затем обезжиривают спиртом. На кончик лепестка наносят капельку припоя, которую разглаживают скальпелем через тонкую металлическую пластинку (например, через лезвие для бритья). На медном электроде оставляют только точку припоя, а лишний припой обрезают скальпелем.

Медный электрод припаивают к пьезопластине. Для этого к пьезопластине, где нанесен припой, прикладывают электрод с припоем и место соединения прижимают паяльником. Время прижатия паяльника должно быть минимальным, чтобы не произошла деполяризация пьезопластины. Паяльник для этих целей берут маломощный. Жало паяльника должно быть заточено на угол и иметь плоскую поверхность. Перед касанием пьезопластины жалом паяльника необходимо провести по стеклянной плоской поверхности с целью выравнивания его контактирующей поверхности.

В качестве второго электрода используют тонкую диаметром 0,2 мм и длиной около 30 мм посеребренную проволоку. Припаивание второго электрода к другой поверхности пьезопластины производят в следующей последовательности. Предварительно кончик проволоки расплющивают, затем обезжиривают и на расплющенную поверхность наносят капельку припоя, которую сглаживают. Затем обезжиривают другую сторону пьезопластины, на ее поверхность наносят маленькую капельку припоя и припаивают второй электрод. Перед пайкой производят сглаживание припоя на пьезопластине.

Затем пьезопластину приклеивают к волноводу. Волновод может быть изготовлен из винипласта, полистирола и других материалов. Длина волновода обычно 15—20 мм, а диаметр равен диаметру пьезопластины. К волноводу пьезопластину приклеивают той стороной, к которой припаян плоский медный электрод. Для фиксации склеиваемых деталей применяют приспособление с ложементом по форме волновода. В качестве клея используют различные быстро полимеризующиеся материалы: эпоксидную смолу, циакрин, акрилоксид и др.

Демпфер изготавливают обычно из кожи натуральной. Для этого с помощью острозаточенного конца металлической трубки диаметром, равным диаметру пьезопластины, выбивают из куска кожи диск требуемого диаметра. На склеиваемые поверхности кожи и пьезопластины наносят клей и после небольшой выдержки демпфер приклеивают к пьезопластине.

Ко всей боковой (цилиндрической) поверхности волновода с пьезоэлементом и демпфером приклеивают кожу, которая в данном случае будет являться согласующим слоем.

После высыхания приклеенной кожи к обоим электродам припаивается кабель (экранный провод припаивается к медному электроду). Места пайки электродов и кабеля заливают пластмассой.

Собранный узел помещают в корпус (призму) преобразователя и заливают пластмассой.

Изготовленные в лабораторных условиях по данной технологии преобразователи обладают высокой чувствительностью и низкими собственными шумами (отношение сигнал — помеха составляет 30—35 дБ). Многократные испытания преобразователей в различных климатических условиях, в том числе при низких (до — 30 °С) температурах, показали высокую стабильность их акустических параметров.

Глава 3

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1 ФИЗИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.

Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла — кварца. На рис. (3-1, а) показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р1, Р2 и Р3. Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила Fх, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. (3-1, б), в деформированном состоянии сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора Рт. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. (3-1, 6). Нетрудно видеть, что деформация ячейку не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, ибо Р = Рзу. Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, поляризационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р3 и Р2 на ось X оказывается не равной вектору Р1 Так, при сжатии пьезоэлемента, как показано на рис. (3-1, в), указанная сумма превышает Р1 в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней — отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется; поперечным.

Рис 3-1.

При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие или тепловые напряжения и деформации) кристалл кварца остается электрически нейтральным, так же как и при нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла.

Наличие полярных направлений объясняет важность определенной ориентации граней пьезоэлемента относительно кристалло-физических осей кристалла X, Y и Z. Для преобразователей, использующих продольный пьезоэффект, максимальную чувствительность имеет пьезоэлемент, ориентированный относительно кристаллофизических осей так, как показано на рис. (3-1, а) (положение 1 и 3) и называемый Х-срезом.

При изменении ориентации всего на 30° (положение 2 на рис. 3-1,а) чувствительность уменьшается до нуля, а срез такого вида называется Y-срезом. Реальный пьезоэлемент может быть вырезан так, что его ребра не совпадут с кристаллофизическими осями, как это и показано на рис. (3-2). При угле φ=3° чувствительность уменьшается на 1,2%, при угле β=3° — на 0,6%.

Рис 3-2.

Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от собственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому указанная кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатитепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.

Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристаллов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлек-трические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плотности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механические напряжения, температура и т. д.) и гистерезис.

Одни и те же кристаллы в зависимости от температуры могут быть как сегнетоэлектриками, так и линейными кристаллами. Температура, при которой сегнетоэлектрическая структура кристалла преобразуется в структуру линейного кристалла или в другую сегнетоэлектрическую структуру, называется точкой Кюри. Вблизи точки Кюри аномальные свойства сегнетоэлектриков, например высокая поляризация при действии механических напряжений и температуры или очень большое изменение диэлектрической проницаемости ε  при действии температуры, проявляются особенно сильно. Типичными представителями сегнетоэлектриков являются сегнетова соль между точками Кюри от —18 до +24 °С и монокристаллический титанат бария, имеющий три точки Кюри: при—80; 0 и +120 °С. Сегнетоэлектрические монокристаллы сравнительно мало используются в измерительной технике из-за относительно низкой стабильности свойств и трудности получения  бездефектных монокристаллов.

Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой продукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздробленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлектрические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет полярный вектор пьезокерамики (направление поляризации в пьезокерамике обычно обозначают осью Z). В настоящее время сырьем для производства пьезокерамики наряду с титанатом бария с точкой Кюри +120° С служат титанат свинца РЬТi3 с точкой Кюри около +500 °С и цирконат свинца PbZrO3 с точкой Кюри примерно +230 °С. Наилучшие результаты получаются при использовании смесей этих материалов — так называемых цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), которые получили сейчас самое широкое распространение, так как, обладая такой же чувствительностью, как и ВаТiO3, они обеспечивают работу преобразователя в температурном диапазоне до 200—250 °С.

Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (рис. 3-3, а), применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

2. Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации (рис. 3-3, б).

3. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов (рис. 3-3, в), в качестве обратных преобразователей приборов уравновешивания и т. д.

4. Преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты (т. е. высокую добротность), — используются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот (рис. 3-3, г).

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту. Пьезоэлектрические генераторы могут применяться и как амплитудные преобразователи, работая в режиме изменения добротности, например, для фиксации соприкосновения колеблющегося кристалла с каким-либо телом. Пьезоэлементы, кроме того, используются в твердых схемах, заменяющих собой целый ряд электронных   устройств.

Рис. 3-3

3-2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОВЕРХНОСТНЫХ ЗАРЯДОВ, ДЕФОРМАЦИЙ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРЯМОМ И ОБРАТНОМ ПЬЕЗОЭФФЕКТЕ

В простейшем случае на пьезоэлемент, изображенный на рис. (3-4, а), действует единственная сила f1 по оси X, и на грани, перпендикулярной оси X, возникает заряд Q = d11Ft где d11коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем и выражаемый в Кл/Н.

Поверхностная плотность заряда δ рассчитывается как δ1=d11σ1 где σ1 — механическое напряжение, равное F1/S1. В общем случае на пьезоэлемент могут действовать сжимающие или растягивающие напряжения σ1 = Fx/Sx , σ2=Fy/Sy  и  σ3=Fz/Sz по трем осям X, Y и Z и, кроме того, сдвиговые напряжения σ4, σ5, σ6, вызывающие деформацию граней гу, ху и гх соответственно, т. е. вытягивание их в ромбы. Некоторые простейшие виды деформаций показаны на рис.  3-4.

Для того чтобы в случае сложной деформации рассчитать заряды, возникающие на какой-либо из граней, нужно учитывать все действующие напряжения и соответствующие пьезомодули. Пьезомодули записываются в виде матрицы, состоящей из трех строк, соответствующих граням пьезоэлемента, на которых возникают заряды плотностью δ и между которыми прикладывается поле напряженностью Е, и шести столбцов, соответствующих напряжениям σ

Рис. 3-4

или деформациям α в пьезоэлементе. Матрица пьезоэлемента содержит 18 пьезомодулей и выглядит следующим образом:

Индекс пьезомодуля dij означает, что рассматривается заряд на грани i при действии напряжения вдоль оси j. При определении знаков зарядов за положительное направление поля принимается направление поля вне пьезоэлемента, совпадающее с положительным направлением соответствующей оси. Положительными считаются деформации растяжения, отрицательными — деформации сжатия. Деформация сдвига считается положительной, если диагональ, испытывающая растяжение, проходит через первый и третий квадранты системы координат, образованной кристаллографическими осями, лежащими в плоскости сдвига для наблюдателя, смотрящего с положительного конца оси, перпендикулярной плоскости сдвига.

Если одновременно в пьезоэлементе действуют все 6 напряжений, то плотность заряда на i-й грани рассчитывается по формуле

3-3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИЛЫ, ДАВЛЕНИЯ И УСКОРЕНИЯ

Принципиальная конструкция и измерительные цепи. На рис, 3-5 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем,   имеющим  очень   высокое удельное  сопротивление.

Рис. 3-5

Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рис. (3-6, а), на котором С0 — емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); Свх — емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; R0 — сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; Rвх — входное сопротивление измерительной цепи.

Рис. 3-6

Эквивалентную схему можно упростить согласно рис. (3-6, б), где сопротивление R=R0Rвх/(R0+Rвх) и емкость С0вх.

Выходное напряжение преобразователя с подключенной к нему измерительной цепью составляет . При синусоидальной силе f=Fmsinωt мгновенное значение тока i=dQ/dt= d(dnFmsinωt)/dt. Таким образом, I=jωd11F и

Как видно из выражения (3-1), амплитуда напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты:

и

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рис. (3-7,а).

Из выражений (3-2) и (3-3) следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при высоких частотах ω>1/Rвх0) и будет равно

Как видно из последнего выражения, выходное напряжение преобразователя зависит от емкости входной цепи. Поэтому, если в характеристиках преобразователя указывается его чувствительность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость соответствующая этой чувствительности. В ряде случаев указывается чувствительность по количеству электричества Q/F и собственная емкость преобразователя С0 или напряжение холостого хода Uвых=d11F/C0 и также собственная емкость преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сторону низких частот, очевидно, следует увеличивать, постоянную времени цепи τ=Rвх+/C0). Для того чтобы получить представление о тех значениях сопротивлений и емкостей, которых практически приходится добиваться, на рис. (3-7, б) приведены кривые чувствительности пьезоэлектрического акселерометра в функции частоты для различных сочетаний R и С=С0вх.

Расширение частотного диапазона путем увеличения емкости Свх (кривая 2 на рис. 3-7) легко осуществляется включением параллельно преобразователю конденсаторов, однако, как видно из формулы (3-4), это приводит к уменьшению выходного напряжения преобразователя. Увеличение сопротивления R приводит к расширению частотного диапазона без потери чувствительности, однако трудно повысить входное сопротивление усилителя Rвх больше : чем  до 108—109 Ом.

Собственное сопротивление пьезоэлемента R0 определяется удельным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопротивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца (1018—1016 Ом), как правило, значительно выше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повышения которого до Rпов=109—1010 Ом преобразователь приходится герметизировать.

Для   увеличения   чувствительности   пьезоэлектрического   преобразователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок 2 пластин 1 (рис. 3-8). В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой S=d11n/(CBX + пС0), где n — число параллельно соединенных пластин; С0 — емкость одной пластины.

Рис. 3-7

Ограничение частотного диапазона пьезоэлектрических преобразователей в области низких частот затрудняет градуировку датчиков статическими силами, это приводит к усложнению градуировочной аппаратуры и весьма существенным погрешностям градуировки. Поэтому большой интерес представляют измерительные цепи, позволяющие измерять заряд без изменения его в течение хотя бы сотен секунд. Для этих целей применяются специальные усилители с емкостной обратной связью  которые фактически являются усилителями заряда.

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей складываются прежде всего из погрешности от изменения параметров измерительной цепи (емкости Свх), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрической постоянкой, погрешности вследствие неправильной  установки  пластин,   погрешности   из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно измерительной  оси  преобразователя, и частотной погрешности.

Рис. 3-8

В диапазоне низких частот частотная погрешность вычисляется, как следует из выражения (3-2), по формуле

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний f0≈100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7 — 10 кГц.

Конструкции пьезоэлектрических преобразователей. Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин. Наиболее широкое распространение пьезоэлектрические преобразователи получили для измерения вибрационных ускорений.

На рис. 3-9 представлена конструкция пьезоэлектрического датчика акселерометра, разработанного И. М. Козловым и Э. М. Шмаковым в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Калинина. Все элементы датчика крепятся к основанию 1 выполненному из титана. Преобразователь 2 состоит из двух включенных параллельно пьезоэлементов из кварца Х-среза. Инерционная масса 3 для уменьшения габаритов датчика изготовлена из легкообрабатываемого сплава ВНМЗ-2 с высокой плотностью 18 Мг/м3 (18 г/см3). Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи вывода из латунной фольги 4, соединенного с кабелем 6. Кабель крепится к основанию при помощи пайки. Датчик закрывается крышкой 5, навинчиваемой на основание. На основании 1 нарезана резьба для крепления датчика на объекте. Масса датчика 35 г, рабочий диапазон 1—150 м/с2.

При конструировании датчика акселерометра одним из основных вопросов является крепление пьезочувствительных пластин к основанию и инерционной массе. Сочленение пластин с основанием и инерционной массой в датчике, представленном на рис. 3-9, осуществляется посредством пайки, что позволяет прибору работать до 200° С. К кабелю, соединяющему датчик акселерометра с усилителем, предъявляются следующие требования: большое сопротивление изоляции, малая емкость между жилой и экраном, гибкость и антивибрационность. Последнее означает, что при вибрации кабель не должен наводить на вход усилителя э. д. с. возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Лучшим является кабель типа АВК-3, имеющий емкость 70—80 пФ/м.

Рис. 3-9

Рис. 3-10

Повышенную чувствительность имеют преобразователи с пьезоэлементами, работающими на изгиб, однако они имеют значительно более низкую собственную частоту и поэтому применяются только в низкочастотных датчиках. На рис. 3-10 схематически представлена конструкция такого датчика низкочастотного акселерометра. Здесь пьезоэлемент 1, называемый биморфным, составлен из двух пластин. К нему приклеен груз 2. При действии силы F пьезоэлемент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, нижняя — сжатие, и на пластинах наводятся заряды так, как это показано на рис. 3-10.

Конструкция датчика типа Д19 с изгибным пьезоэлементом, выпускаемого таганрогским заводом «Виброприбор», показана на рис. 3-11. Пьезоэлемент 1 из пьезокерамики ЦТС-19 наклеен на упругий элемент 2, представляющий собой круглую плоскую пружину с инерционной массой в виде кольца, прорезанного пазами (рис. 3-11, б). Упругий элемент закреплен в центре и при действии ускорения испытывает изгибную деформацию. Размеры пьезоэлемента и упругого элемента выбраны таким образом, чтобы пьезоэлемент испытывал при этом деформацию только одного знака. Заряде пьезоэлемента снимается при помощи гибкого проводника 3, который подпаивается к верхней обкладке пьезоэлемента и контакту 4, изолированному от корпуса фторопластовой прокладкой 5 и закрытому предохранительным колпачком 6. Датчик герметизируется резиновой прокладкой 7, зажимаемой гайкой 8. Масса датчика т = 100 г, чувствительность и частотный диапазон при входном сопротивлении усилителя 2 МОм равны S = 20 мВ/(м/с2) и f = 20 — 500 Гц, собственная емкость датчика 3400 пФ.

Пьезоэлектрические преобразователи с использованием обратного пьезозффекта. Вследствие обратного пьезоэффекта пьезоэлементы деформируются под действием электрического поля. Относительные деформации сжатия и растяжения очень малы и близки по величине к температурным деформациям, поэтому в преобразователях напряжения в перемещение используются обычно изгибные пьезоэлементы. Схематическая конструкция такого преобразователя показана на рис. (3-3, в). При действии напряжения U одна из пластин сокращается по длине, другая расширяется и в результате биморфная пластина изгибается; под действием температуры обе пластины деформируются одинаково и изгиба не происходит. Прогиб конца биморфного элемента из керамики ЦТС с размерами 40 X 40 X 1 мм при напряжении 400 В составляет 0,323 мм, такой прогиб соответствует действию на свободном конце балки нагрузки около 0,5 Н.

Рис, 3-11

                   Заключение

В ходе данной выполненной работы мы рассмотрели основные свойства  ультразвука, такие как  природа   и  получение   ультразвуковых    колебаний,               

типы и скорость ультразвуковых волн, распространение ультразвука, методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение. Также были рассмотрены основные типы преобразователей, их  классификация, основные серийные преобразователи, cпециальные преобразователи и контактные среды,  электромагнитные ультразвуковые преобразователи и технология изготовления преобразователей. Были изучены  физические  основы и область применения пьезоэлектрических преобразователей.

        Контрольные вопросы

  1.  Перечислите основные свойства  ультразвуковых волн.

2. Приведите основные   методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение.

3. Расскажите об классификации преобразователей и их конструктивные особенности.

4. Приведите примеры серийных преобразователий и специальных преобразователeй и их контактных сред.

5. Расскажите об электромагнитных ультразвуковых преобразователях

и технологии изготовления преобразователей.

6. Перечислите физические  основы и область применения пьезоэлектрических преобразователей.

Список литературы

  1.  Под ред. П. В. Новицкого ‘Электрические измерения неэлектрических величин’ Изд. 5-e, перераб. и доп. Л., “Энергия”, 1975.
  2.  Алешин Н. П., Лупачев В.Г. ‘Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. Пособие.’ —Мн.:Выш. Шк. 1987.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37239. А́вторское пра́во 96 KB
  Они приравнены к литературным произведениям и сборникам соответственно. приобретающие монопольное право на коммерческое использование произведения; если произведение создано служащим работающим по найму то исключительное право на произведение возникает у нанимателя; в случае создания произведения изобразительного искусства или фотопроизведения по договору заказа субъектом исключительного права становится заказчик. В связи с этим автор может взять на себя обязательства впредь моральные права не осуществлять Неимущественные авторские...
37240. История компьютеров. Краткий курс 57 KB
  IBM выпускает свой первый электронный компьютер IBM 701.DEC начала продавать PDP1 первый коммерческий миникомпьютер с монитором и клавиатурой.Денис Ритчи и Кеннет Томсон выпускают первую версию Unix; стараниями компании Xerox начинает свою работу лаборатория PRC при Стэнфордском университете; доктор Кодд публикует первую статью посвященную реляционной модели данных; а коллектив под руководством Алана Шугарта придумывает первый восьмидюймовый флоппидиск емкостью 80 Кбайт; появляются так называемые компьютеры 4го поколения.В недрах...
37242. Утилита 40.5 KB
  Так компьютерные утилиты можно разделить на три группы: Утилиты сервисного обслуживания компьютера утилиты расширения функциональности и информационные утилиты. Утилиты сервисного обслуживания УСО К УСО относятся все виды сервисных программ такие как утилиты по: дефрагментации проверке и исправлению структуры разделов жёсткого диска исправлению системных зависимостей тонкой настройке системы и т. Утилиты по контролю ошибок и повреждений структуры разделов и SMRTревизоры Проверяют на наличие ошибок файловую систему и устройство...
37243. Что такое мультимедиа и мультимедиа-компьютер 32.5 KB
  Мультимедиакомпьютер это компьютер снабженный аппаратными и программными средствами реализующими технологию мультимедиа. Области применения мультимедиа Обучение с использованием компьютерных технологий Специальными исследованиями установлено что из услышанного в памяти остается только четверть из увиденного треть при комбинированном воздействии зрения и слуха 50 а если вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения при помощи мультимедийных приложений 75 [46]. Технологию мультимедиа составляют две основные...
37244. Как возник Интернет 89 KB
  Поэтому многие ошибочно думают будто Всемирная паутина это и есть Internet. С ее появлением и началось триумфальное шествие Internet как средства информации и коммуникации для каждого. С этого времени в Internet начали активно выходить также обычные рядовые пользователи.
37245. Операционная система, ее назначение и функции 423.5 KB
  Вопрос 17 Организация файловой системы Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы табличный. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой. Но для дисков большого объема такой подход неэффективен а для некоторых файловых систем и просто невозможен.
37246. Операционные системы. Их назначение и функции 69.5 KB
  Windows Серверные использующиеся в серверах сетей как центральное звено а также в качестве элементов систем управления; основная черта – надежность; представители UNIX Windows NT Специализированные ОС ориентированные на решение узких классов задач с жестким набором требований высокопроизводительные вычисления управление в реальном времени;такие системы неразрывно связаны с аппаратной платформой; представители – специализированные версии UNIX системы собственной разработки; Мобильные ОС – вариант развития настольных ОС на...
37247. Внутренняя память 81.5 KB
  К ним относятся оперативная память постоянная память и энергонезависимая память. Оперативная память RM Rndom ccess Memory Память RM это массив кристаллических ячеек способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией командами и данными между процессором внешней памятью и периферийными системами.