Конспект лекций по дисциплине введ-направ. Конспект лекций по дисциплине Введение в направление

• Название: Конспект лекций по дисциплине Введение в направление
• Анкор: Конспект лекций по дисциплине введ-направ.docx
• Дата: 25.04.2018
• Размер: 11.02 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по дисциплине введ-направ.docx
• Тип: Конспект; #18476
• страница: 10 из 21

Ультразвуковые преобразователи и способы их установки

В области неразрушающего контроля ультразвуковыми преобразователями принято называть устройства для преобразования электрических колебаний в механические и, наоборот, механические в электрические. Преобразователи, используемые для возбуждения в среде механических колебаний, называются излучателями, а для приема этих колебаний приемниками.

Используются несколько типов преобразователей, основанных на различных физических явлениях преобразования электрических и механических колебаний, отмеченных в предыдущем разделе.
Классификация преобразователей

Преобразователи для неразрушающего контроля классифицируются по ряду признаков.

По способу преобразования электрической энергии в механическую:

- пьезоэлектрические;

- магнитострикционные;

- электродинамические;

- электро-магнито-акустические;

- термоакустические.

По виду акустического контакта с контролируемым объектом :

- контактные, которые прижимаются к поверхности изделия через специальную акустическую смазку (масло, глицерин, технический вазелин) или через эластичный материал;

- иммерсионные, когда между преобразователем и изделием имеется толстый (во много раз превышающий длину волны) слой жидкости;

- преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие сферическую поверхность, плотно соприкасающуюся с изделием на площади 1.0 - 5.0 мм²;

- бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха.

Большой интерес представляют бесконтактные преобразователи, поскольку при их применении решаются сразу несколько проблем, такие как сканирование, получение одинаковых условий ввода или приема колебаний, автоматизация контроля, однако существующие бесконтактные преобразователи в несколько сотен раз имеют меньшую чувствительность, чем контактные, поэтому они не нашли широкого применения для контроля бетона.

По способу взаимного расположения излучающего и приемного элементов и соединения их с электрической схемой прибора:

- совмещенные преобразователи, которые одновременно используются как для излучения, так и для приема ультразвука;

- раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с генератором прибора, и приемника, соединенного с усилителем;

- раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучателя и приемника, конструктивно объединенных в один элемент, но разделенных электрическим и акустическим экранами и подсоединенных соответственно к генератору и усилителю.

По направлению акустической оси:

- прямые, излучающие ультразвуковые волны нормально к поверхности изделия;

- наклонные, излучающие ультразвук под определенным углом к поверхности изделия. В некоторых наклонных преобразователях угол наклона можно изменять.

По форме акустического поля:

плоские преобразователи, излучающие плоскую ультразвуковую волну;

фокусирующие преобразователи, которые за счет соответствующей формы излучающей поверхности обеспечивают сужение (фокусирование) акустического поля в некоторой области контролируемой среды;

- широконаправленные, излучающие пучок расходящихся лучей;

- мозаичные преобразователи, состоящие из ряда отдельно управляемых элементов.

По ширине полосы рабочих частот:

- узкополосные, которые пропускают частоты меньше одной октавы;

- широкополосные, которые пропускают частоты больше одной октавы.

При контроле качества бетонных и железобетонных конструкций наибольшее применение нашли пьезоэлектрические преобразователи, поэтому их конструкции рассмотрим в первую очередь.
Пьезоэлектрические преобразователи

Для пьезоэлектрических преобразователей, используемых при неразрушающем контроле, можно выделить следующие основные характеристики: передаточные функции акустического поля, электрическое сопротивление, временные и общетехнические.

Такие характеристики свойственны не только пьезоэлектрическим, но и преобразователям других типов.

Передаточной функцией называется отношение сигнала на выходе преобразователя к сигналу на его входе при определенной электрической или акустической нагрузке. Передаточные функции различают для режимов излучения, приема, двойного преобразования.

В режиме излучения в качестве входного сигнала принимают электрическое напряжение U_и и ток J_и, протекающий через преобразователь, а в качестве выходного - механическое напряжение или давление.

Наиболее широко используются передаточные функции

;



где σ_и - нормальные напряжения или давления на рабочей поверхности преобразователя.

В режиме приема входным сигналом служит механическое напряжение или давление, а выходным - электрическое напряжение ии и ток J_и, протекающий через электрическую нагрузку

преобразователя:

; .

Для режима двойного преобразования входными сигналами являются U_и; J_и, а выходными - U_n; J_n. В общем случае при двойном преобразовании используются четыре передаточные функции:

.

Любую из указанных передаточных функций можно представить в виде:



где X_mn, Y_mn - вещественная и мнимая часть К_mn,



Это выражение называется модулем передаточной функции, а значение



является фазочастотной характеристикой передаточной функции.

Частоту f_mn при которой /K_mn/ имеет максимум в области рабочих частот, называют частотой максимума преобразования f_mn, а само значение К_mn - коэффициентом преобразования.

Отношение модуля передаточной функции к коэффициенту преобразования, как функции частоты, принято называть амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

Частотный диапазон f_mn в рабочей области частот с неравномерностью АЧХ не более 6 дб называют полосой пропускания Δf_mn, а верхняя и нижняя границы полосы пропускания соответственно обозначаются f_B и f_H

Акустическим полем преобразователя является область среды, в которой упругие колебания связаны с действием преобразователя.

Существуют понятия полей излучения, приема, излучения-приема.

Структуру поля можно представить в виде лучей, расходящихся из точки, которая является эффективным акустическим центром. Основной характеристикой акустического поля является диаграмма направленности с ближними и дальними зонами.

Электрическое сопротивление Z_nэ преобразователя представляет собой комплексное отношение электрического напряжения на преобразователе к силе тока в функции частоты, измеренное в режиме излучения при определенной акустической нагрузке.

Общетехнические характеристики определяют требования к конструкции преобразователя, его надежности, устойчивости к внешним воздействиям.

Математическое описание пьезоэффекта в общем случае достаточно сложно, так как он многосторонне связан с другими свойствами материала.

Поскольку в нашу задачу не входит изучение самих материалов, обладающих пьезоэффектом, то ограничимся только общими сведениями о пьезоэффекте.

При математическом описании пьезоэффекта в качестве независимых переменных используют либо механическое напряжение σ_ij, напряженность электрического поля Е_i и температуру, либо механическую деформацию U_ij электрическую индукцию D_i и энтропию S.

В первом случае состояние термодинамической системы удобно описать с помощью функции Гиббса, дифференциал которой равен



Во втором случае используется дифференциал внутренней энергии



Данные функции позволяют достаточно просто получить основные уравнения пьезоэффекта :

;



где S_ijkl - податливости сред;

d_ijk - пьезомодули;

ε_ijk - диэлектрические проницаемости;

ε₀ - электрическая постоянная ;

α_ij - коэффициенты теплового расширения ;

j_i- - пироконстанты.

Наибольшее распространение для пьезоэлектрических преобразователей получили сегнетоэлектрические материалы, к которым относятся ниобат лития, тантанат лития, сульфоидат сурьмы и пьезоэлектрические текстуры в виде пьезокерамики ЦТС (цирконат титонат свинца).

Пьезокерамика ЦТС выгодно отличается от других материлов более высокими пьезоэлектрическими коэффициентами и точкой Кюри.

Расчет пьезопреобразователя в режиме излучения сводится к нахождению распространения механических напряжений (деформаций) на его поверхности, обращенной к изделию при известном электрическом напряжении, приложенном к преобразователю.

В режиме приема решается обратная задача - нахождение электрического отклика преобразователя при создании на его поверхности известного распределения механических напряжений (деформаций). Расчет реального пьезопреобразователя в значительной степени зависит от его конструкции, акустической нагрузки, демпфера. В качестве акустической нагрузки может выступать объект контроля или элемент конструкции преобразователя. Демпфер служит для подавления инерционных свойств пьезоэлемента. При расчетах, как правило, принимают допущения, что акустическую нагрузку и демпфер рассматривают как полубезграничные среды, в которых ультразвуковые сигналы, излученные в них пьезоэлементом, обратно к нему не возращаются.

Система уравнений, описывающая работу пьезопреобразователя, должна содержать уравнение движения упругой среды, уравнения, связывающие механические напряжения и деформации, а также уравнения, учитывающие прямое и обратное взаимодействия электрических и акустических полей при излучении и приеме ультразвуковых сигналов.

Уравнение движения упругой среды пьезоэлемента можно получить из 2-го закона Ньютона, если приравнять силу внутренних напряжений произведению ускорения на массу единицы объема тела:

(1)

где ρ - плотность среды;

ξ_i - механическое смещение.

Если в качестве независимых переменных использовать деформацию тела и напряженность электрического поля, то получим

(2)

Продифференцировав левую и правую части уравнения (1) по координате и подставив в получившееся выражение уравнение обратного пьезоэффекта, получим.

(3)

где: С_ijkl - коэффициенты упругости;

е_ijkl - пьезоконстанты;

d _ijkl - пьезоэлектрические модули.

Уравнения (2) и (3) являются основными при исследовании процессов излучения и приема упругих колебаний пьезопреобразователями.

При подаче напряжения на электроды пьезоэлемента граница раздела акустической нагрузки с пьезообразователем приходит в движение и в обе стороны от нее распространяются волны механических напряжений (режим излучения). Через интервал времени t волна, возникающая в левой грани пьезоэлемента, достигнет правой и отразится от нее. Вследствие прямого пьезоэффекта на электродах появляются дополнительные свободные заряды, которые вызовут дополнительную электрическую индукцию. Таким образом, при появлении на электродах пьезоэлемента свободных зарядов механическое напряжение как внутри пьезоэлемента, так и в акустической нагрузке представляет собой суперпозицию волн, возникших у каждой грани пьезоэлемента и многократно отразившихся внутри его. Это свидетельствует о том, что в режиме приема пьезопреобразователи, особенно с параллельными гранями, вырабатывают электрические сигналы, не соответствующие по форме механическим волнам, прошедшим через среду к преобразователю. Такое явление относится к одному из основных недостатков пьезоэлектрических преобразователей. Способы устранения этого недостатка будут рассмотрены ниже.

Как было показано ранее, одной из важнейших характеристик пьезопреобразователей является ширина полосы их рабочих частот или полосы пропускания:-



Чем шире полоса, тем выше разрешающая способность ультразвукового прибора, меньше мертвая зона, ниже погрешность измерения скорости ультразвука.

В связи с важностью задачи создания широкополосных пьезопреобразователей этой теме посвящены работы многих исследователей, и таких научно-исследовательских институтов как ВНИИНК, НИИСК, НИИинтроскопии и др. В результате проведенных исследований к настоящему времени сформировались три группы методов создания широкополосных пьезопреобразователей:

- методы, в которых полоса пропускания при использовании обычных полуволновых пьезоэлементов расширяется за счет их механического или электрического демпфирования, применение корректирующих R,L,C - цепей, использования многослойных преобразователей с активными и пассивными слоями;

- методы, основанные на применении специальных электронных схем возбуждения полуволновых пьезоэлементов и схем включения их в режиме приема колебаний;

- методы, основанные на применении пьезоэлементов специальной формы (клиновидных, конусообразных, сферически вогнутых и т.д.), специальных составов керамики и специальной технологии обработки (частичная поляризация), использовании нерезонансно-возбуждаемых пьезоэлементов и др.

В большинстве отечественных и зарубежных дефектоскопов с целью расширения полосы пропускания и уменьшения времени резонансных колебаний применяется механическое демпфирование полуволновых, пьезоэлементов, для чего пьезоэлемент с нерабочей стороны приклеивают к массивному телу - демпферу, который изготавливается из материала с большим коэффициентом затухания ультразвуковых волн. После окончания действия возбуждающего электрического или принимаемого механического импульса свободные колебания самого пьезоэлемента должны быстро затухнуть, причем, чем ближе импеданс материалов демпфера и пьезоэлемента, тем быстрее. Механическое демпфирование имеет определенный эффект в высокочастотных преобразователях с незначительной интенсивностью ультразвука. При контроле качества бетона, когда применяются низкочастотные колебания (менее 100 кГц) большой интенсивности, механическое демпфирование малоэффективно.

Электрическое демпфирование пьезопреобразователей как средство гашения собственных колебаний и расширения полосы рабочих частот известно давно. Суть его состоит в том, что при некоторых значениях активного сопротивления, шунтирующего пьезоэлемент, происходит резкое расширение его амплитудно - частотной характеристики (АЧХ). Это позволяет во многих случаях отказаться от механического демпфирования.

Метод расширения АЧХ пьезопреобразователей, основанный на подключении к пьезоэлементу корректирующих R,L,C - цепей или изменения формы самого пьезоэлемента, позволяет в определенных пределах изменять АЧХ всего электроакустического тракта. Пьезоэлемент и присоединенный к нему электрический контур представляют собой электрическую колебательную систему, которая на резонансной частоте имеет минимум АЧХ.

Расширение АЧХ за счет корректирующих R,L,C - цепей уменьшает добротность колебательного контура, расширяет полосу пропускания частот, но одновременно и снижает чувствительность пьезоэлемента.

Заслуживают пристального внимания способы расширения АЧХ за счет изменения формы и частичной деполяризации так называемых толстых пьезоэлементов.

Работа толстого преобразователя основана на том, что акустические сигналы возникают на поверхности несущих электродов. Если такой пьезоэлемент с электродами на основаниях диска возбудить коротким электрическим импульсом длительностью t, то на его обоих основаниях возникнет акустическое давление и каждое основание будет источником ультразвуковых волн, излучаемых в двух направлениях, с лицевой стороны в момент времени t=0 и с тыльной стороны при t=h/V, и ряд импульсов, многократно отраженных от оснований пьезоэлемента в моменты t=(2,3,4...) h/V, где h - толщина пьезоэлемента, а V - скорость ультразвука в нем.С помощью толстых пьезопреобразователей можно излучать акустические импульсы нано- и пикосекундной длительности.

К существенным недостаткам толстых преобразователей необходимо отнести невозможность излучения с их помощью одиночных акустических импульсов, так как в ответ на одиночный электрический они всегда излучают пачку акустических импульсов.



Рис. 2.2.27. Монолитные пьезокерамические апериодические преобразователи :

а - с частичной деполяризацией; б - без деполяризации;

1 - конусообразная ловушка УЗК; 2,3 - электроды
Одним из эффективных способов расширения полосы пропускания и устранения отраженных сигналов является выполнение пьезоэлемента переменного сечения по толщине. В некоторой литературе такие пьезопреобразователи носят название апериодический пьезодатчиков (рис. 2.2.27).

Хотелось бы еще рассмотреть мало применяемый в настоящее время, но на наш взгляд очень перспективный метод устранения резонансных колебаний в излучающем режиме, позволяющий получать одиночный механический импульс. Он называется методом электрической компенсации свободных колебаний.

Сущность метода заключается в том, что на электроды пьезоэлемента, не демпфированного ни механически, ни электрически, подается импульс электрического напряжения в виде ступеньки с крутым фронтом и в нем возбуждаются ультразвуковые колебания. Затем через время, равное половине периода этих колебаний, на пьезоэлемент подается еще один такой же электрический импульс, возбуждающий в нем такие же ультразвуковые колебания, но сдвинутые по фазе на 180°.

Суперпозиция затухающих колебаний приводит к их взаимной компенсации, за исключением первой полуволны, возникшей в результате воздействия первого импульса.



Рис. 2.2.28. Пьезопреобразователи:

а - рездельный; б - раздельно-совмещенный;

1 - корпус; 2 - пьезоэлемент; 3 – демпфирующая заливка; 4 - защитное донышко; 5 - коаксиальные разъемы; 6 - пенополистирол; 7 - призмы
К недостаткам метода можно отнести необходимость применения специальных генераторов сдвоенных импульсов, а также подстройку генератора индивидуально для каждого пьезоэлемента. Однако, учитывая достижения современной электроники, такие недостатки-нельзя считать существенными.

Конструктивно пьезопреобразователи представляют собой металлический стакан, выполняющий роль электрического экрана, в котором помещаются один (прямой) или два (раздельно-совмещенный) пьезоэлементы (рис. 2.2.28).

Для механического демпфирования и предохранения пьезоэлементов от механических повреждений они запиваются эпоксидной смолой с наполнителем. С рабочей стороны донышко покрывается износостойким абразивным материалом с акустическим импедансом, близким к бетону. С тыльной стороны устанавливается высокочастотный коаксильный разъем СР-50, с помощью которого пьезопреобразователь подключается к прибору.

Излучатели и приемники — ультразвуковые преобразователи — могут быть пьезоэлектрическими и магнитострикционными. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из металлического корпуса 4 (рис. 2.2.29), внутри которого располагается материал 3, обладающий пьезоэлектрическим эффектом.



Рис. 2.2.29. Пьезоэлектрический преобразователь
К числу таких материалов относятся кристаллы кварца, турмалина, титаната бария и др. В последнее время наибольшее применение находит сегнетова соль. Кристалл, преобразующий электрическую энергию в механическую, и, наоборот, приклеивается или прижимается к прокладке 2 с помощью пружины 1, предназначенной для демпфирования свободных колебаний.

На рис. 2.2.30 представлен магнитострикционный преобразователь.



Рис. 2.2.30. Магнитострикционный преобразователь
Магнитостриктор 2 собирается из тонких изолированных друг от друга пластинок из никеля или другого материала, обладающего под действием магнитного поля возможностью сжиматься и растягиваться. Пакет пластинок помещается в катушку, по которой пропускается переменный электрический ток, если преобразователь используется как излучатель, или возникает переменный электрический ток, если преобразователь работает как приемник. В торце расположена металлическая мембрана 3, которая жестко прикреплена к корпусу 1.

Преобразователи, представленные на рис. 2.2.29 и 2.2.30, возбуждают продольные волны. Для получения поперечных волн используется явление трансформации продольной волны на границе раздела двух сред. На рис. 2.2.31 представлена схема прохождения ультразвука через границу двух сред.



Рис. 2.2.31. Схема прохождения волн через границу сред
На границу раздела под углом α падает продольная волна 1. На границе она трансформируется в проходящие и отраженные 2 продольные и поперечные водны, причем угол преломления β_пр продольной волны 3 больше угла β_поп преломления поперечной волны 4. Увеличивая угол α, можно достичь такого положения, что проходящая продольная волна будет распространяться только по поверхности и во второй среде будут распространяться лишь поперечные волны. Дальнейшее увеличение угла αпозволяет придти к такому положению, когда во второй среде будет распространяться поперечная волна лишь по границе раздела.

Практически описанная трансформация волн достигается применением призматического преобразователя (рис. 2.2.32), который состоит из преломляющей призмы 3 и излучателя 1. На рисунке показаны луч падающей продольной волны 2, луч проходящей поперечной волны 5 и луч отраженной волны 4.



Рис. 2.2.32. Схема призматического преобразователя
Применительно к металлическим конструкциям с помощью ультразвука осуществляется контроль дефектов в металле и контроль качества сварных швов. На рис. 2.2.33, а показаны примеры использования теневого метода. Сигнал от излучателя 1 и приемника 3 подается на экран осциллографа (рис. 2.2.33, б), причем при наличии дефектов 2 происходит снижение или полное исчезновение сигнала, воспроизводимого приемником.


Рис. 2.2.33. Схема прозвучивания изделий теневым методом
Трассы прозвучивания конструкций могут иметь произвольное направление.

На рис. 2.2.34, а приведен пример наклонного прозвучивания продольной волной, а на рис. 2.2.34, б — поверхностное прозвучивание поперечной волной.



Рис. 2.2.34. Наклонное и поверхностное прозвучивание


Рис. 2.2.35. Схема прозвучивания изделий эхо-методом с соответствующими осциллограммами
При невозможности одновременного доступа к двум соосным точкам на разных поверхностях изделия используется эхо-метод (рис. 2.2.35). В этом случае преобразователь 1 выполняет функции как излучателя, так и приемника. Этот метод позволяет как обнаружить наличие дефекта 2, так и определить толщину изделия Н и расстояния hдо места расположения дефекта. Если провести неоднократное прозвучивание поверхности, то на бездефектных участках (рис. 2.2.35, а) на экране осциллографа 3 будет регистрироваться постоянный промежуток t₁между моментом посылки сигнала и моментом его получения. В местах, где имеются дефекты (рис. 2.2.35, б), происходит существенное изменение этого времени, определяемого теперь как t₂. Для стальных конструкций скорость распространения ультразвука с является стабильной величиной, что позволяет из достаточно элементарных соображений определить неизвестную толщину металла H = 0,5ct₁. Расстояние до месторасположения дефекта теперь может быть определено как h = 0,5ct₂.

Можно также отметить существование зеркально-теневого метода, когда излучатель и приемник устанавливаются на одной и той же поверхности изделия в непосредственной близости. Такой подход позволяет при двух- и одностороннем прозвучивании использовать одну и ту же выпускаемую промышленностью аппаратуру.

В раздельно-совмещенных пьезопреобразователях между излучающим и приемным элементами устанавливаются акустический и электрический экраны, обеспечивающие полную развязку по акустическим и электрическим каналам (рис. 2.2.35,6).

При работе с пьезопреобразователями необходимо в зону контакта его рабочей поверхности с контролируемым изделием наносить акустическую смазку в качестве которой может использоваться технический вазелин, зубная паста, незатвердевшая эпоксидная смола.

На рис. 2.2.36 приведены конструкции преобразователей, разработанные автором в Самарской архитектурно-строительной академии, которые позволяют вводить ультразвук в бетон без применения смазки, через сухой контакт. Это достигается за счет концентрации энергии, вырабатываемой пьезоэлементом в зону контакта волновода с бетоном.



Рис. 2.2.36. Пьезопреобразователи с сухим контактом:

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - пружина; 4 - демпфер; 5 - пьезоэлемент; 6 - волновод
Такие датчики нашли широкое применение в автоматизированных стендах для контроля качества сборных железобетонных конструкций на заводах ЖБИ.

Были сделаны попытки разработать катучие пьезопреобразоватепи, позволяющие контролировать изделие методом сканирования без применения смазки. Идея очень заманчивая, однако, разработанные конструкции не совершенны и не нашли практического применения.

Магнитострикционные преобразователи

Магнитострикционными называют такие преобразователи, в которых для преобразования электрической энергии в механическую используется эффект магнитострикции, т.е. деформирование материала при изменении его магнитного состояния.

Для излучения и приема ультразвуковых колебаний применяют преобразователи стержневого или кольцевого типов. Сердечники стержневых магнитострикционных преобразователей представляют собой два или несколько стержней, совершающих продольные колебания вдоль оси за счет изменения их магнитного состояния. Концы стержней соединяются между собой накладкой, так что образуется замкнутый магнитопровод (рис. 2.2.37).

Рис. 2.2.37. Магнитострикционные преобразователи;

а - стержневой; б - из ферритовых материалов с постоянными магнитами
Обмотка на стержни наносится таким образом, чтобы в соседних стержнях магнитное поле было направлено противоположно. Излучение или прием ультразвука происходит со стороны накладок. Магнитное поле создается установкой постоянных магнитов или электрическим подмагничиванием.

Резонансная частота сердечников в виде стержней постоянного сечения определяется по формулам для продольных и крутильных колебаний соответственно: