Ручной УЗК. Продукции
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Эхо-импульсный толщиномер. Ультразвуковой толщиномер предназначен для измерения толщины стенок деталей, доступных только с одной стороны. Для этого в толщиномере производится автоматическое измерение времени пробега между противоположными поверхностями стенки детали, которое прямо пропорционально толщине стенки и обратно пропорционально скорости звука в материале контролируемого изделия. При этом предпола- гается, что материал является однородным и скорость звука в нем известна. Измеренное значение времени пробега умножается на половину скорости звука (т. к. волна проходит расстояние, равное двойной толщине) и индицируется:  где t - время пробега. Для измерения толщины стенок используются два способа, различающихся по области применения, со своими специальными приборами и преобразователями. В первом способе используются высокодемпфирозанные (широкополосные) преобразователи для получения очень короткого акустического импульса. Время пробега в этом способе определяется по двум или более отражениям от противоположной стенки детали (донной поверхности). Минимальное измеряемое значение толщины изделия определяется частотой зондирующего импульса и будет тем меньше, чем выше частота. Недостаток способа заключается в том, что измерение возможно в случае, когда имеется серия эхо-импульсов от задней стенки изделия, поэтому к состоянию поверхности контролируемого изделия предъявляются очень высокие требования. Измерять толщину стенки с грубыми поверхностями (например, прокорродированными) описанным способом нельзя, т.к. на неровностях поверхности, коррозион- ных язвах и др. происходит сильное рассеяние звука, которое не позволяет получить многократные отражения. Во втором способе для измерения толщины используется только первый отраженный импульс. Этот способ не обеспечивает точности первого, но он обеспечивает измерения при плохом качестве поверхности. Толщиномеры, реализующие второй способ, выпускаются серийно ПО "Интроскоп" (Молдова), НПФ "Ультракон-Сервис" (Украина) и др. и широко применяются на промышленных предприятиях. Поэтому ниже будем рассматривать именно этот тип аппаратуры. Функциональная схема эхо-импульсного ультразвукового толщиномера представлена на рис. 3. Синхронизатор, генератор импульсов возбуждения, искатель и усилитель, входящие в состав толщиномера, выполняют функции, аналогичные одноименным узлам эхо-импульсного дефекто- скопа.  Рис. 3 Синхронизатор Генератор импульсов возбуждения Искатель Приемное устройство Измерительная схема 36 6. Индикатор Измерительная схема содержит измерительный триггер, схему регулируемой задержки синхроимпульса, генератор счетных импульсов и схему совпадания. Измерительный триггер служит для формирования им- пульса, длительность которого равна времени пробега акустического импульса между противоположными поверх- ностями стенки детали. Начало этого импульса устанавливается оператором при калибровке толщиномера, а конец опреде- ляется моментом прихода первого эхо-сигнала. Для этого на один вход триггера подается синхронизирующий импульс с регулируемой задержкой относительно импульса возбуждения ("установка нуля отсчета"), а на второй - сигналы с выхода усилителя. Импульс с выхода измерительного триггера поступает на схему совпадения, на второй вход которой поступают счетные импульсы с высокочастотного генератора. Частота генератора устанавливается оператором в соответствии со скоростью звука в материале контролируемой детали ("установка скорости"). Таким образом, на схеме совпадения происходит перемножение времени и скорости, поэтому количество импульсов на выходе схемы совпадения будет соответствовать толщине стенки. Количество импульсов подсчитывается счетчиком и отражается на цифровом индикаторе. Таким образом, основное влияние на погрешность измерения оказываетточность установки начала отсчета и скорости звука. Кроме того, на погрешность измерений оказываюТвлияние изменения амплитуды эхо-сигнала, которые происходят из- за условий акустического контакта, непараллельное™ по-' верхностей и их шероховатости, затухания звука в материале изделия. Это вызвано тем, что крутизна переднего фронта эхо-сигнала, по которому происходит опрокидывание измерительного триггера, соизмерима с измеряемыми интервалами при малых толщинах (2-5 мм). Например, при частоте ультразвуковых колебаний 5 МГц и скорости звука в стали около б мм/мкс, длина волны составляет 1,2 мм. Таким образом, при длительности переднего фронта, которая составляет четверть длины волны (0,3 мм), погрешность в указанном диапазоне толщин может достигать 10 %. Поэтому на практике минимальная измеряемая толщина ограничивается значением около 0,5 мм. 37 Еще одной характерной причиной погрешности, которая вызывается изменением амплитуды эхо-сигнала, является дискретное изменение показаний толщиномера из-за так называемой "потери волны". Под этим термином понимают переход момента переключения измерительного триггера с первой полуволны на последующую, которая обычно имеет амплитуду больше, чем первая полуволна. Если изменение амплитуды эхо-сигнала без потери волны может привести к погрешности не более четверти волны, то большие изменения амплитуды могут дать в результате погрешности в одну и более длин волн (для приведенного выше примера это составит 1,2 мм и более). Из сказанного выше видно, что погрешность измерений можно уменьшить за счет увеличения амплитуд эхо-сигналов. Для этого необходимо повышать амплитуду импульсов возбуждения, увеличивать коэффициент усиления, снижать порог срабатывания измерительного триггера, но указанные меры имеют предел, который определяется уровнем собственных помех преобразователей. Кроме того, можно увеличить крутизну переднего фронта эхо-сигнала за счет повышения частоты колебаний, однако эта мера приводит к увеличению затухания звука и, как следствие, к уменьшению диапазона измерений. За счет правильного выбора параметров аппаратуры можно проводить измерения толщины в диапазоне от 0,5 мм до 1 м с достаточно высокой точностью. Пьезоэлектрические преобразователи. Ранее при рассмотрении поведения акустических волн при различных условиях говорилось, что эти волны возникают в материале изделия под действием контактирующего с ним излучателя, который создает волны определенного типа и частоты. Предполагалось, что отраженные волны регистрируют- ся приемником, также контактирующим с изделием и позво- ляющим измерять звуковое давление волны. Оба эти эле- мента - излучатель и приемник - в ультразвуковом контроле называются преобразователями. На практике почти во всех случаях используются преобразователи, принцип действия 38 которых основан на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрическим называется вещество, на поверхности которого при деформации под действием внешнего механического давления возникают электрические заряды. Этот эффект был открыт в 1880г. братьями Кюри. В 1881г. был подтвержден обратный пьезоэффект, заключающийся в том, что пьезоэлектрическое вещество (пьезоэлектрик), расположенное между двумя электродами, изменяет свою форму под действием приложенного электрического напряжения. Первый эффект называется прямым, а второй - обратным. В ультразвуковом контроле прямой эффект используется для измерения механических давлений, деформаций и колебаний, а обратный — для их возбуждения. Исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойствами элементарной ячейки структуры материала, из которой путем ее (ячейки) многократного повторения можно получить макроскопический кристалл. В природе имеется сравнительно большое число пьезоматериалов, однако лишь некоторые из них пригодны для практического применения. Рассмотрим пьезоэффект на примере титаната бария (ВаТЮз)- наиболее часто применяемой пьезоэлектрической керамики (рис. 4). Элементарная ячейка этого вещества при  Ва2+ О о2- Рис 4 Элементарная ячейка кристалла __ ^|4+ титаната бария (схема) 39 температуре, превышающей так называемую точку Кюри (температура превращения Т_), является кубической и не имеет заряда. Если температура вещества ниже точки Кюри, то элементарная ячейка сжимается по направлению к одной из кромок; В результате изменяется расстояние между положи- тельными и отрицательными ионами, из которых состоит ячейка. Смещение ионов от первоначального положения невелико, однако оно приводит к образованию пары зарядов противоположного знака, так называемого дипольного момента (диполь). Диполи соседних элементарных ячеек микрокристал- ла упорядочиваются в одинаковом направлении, образуя области с зарядами противоположного знака - домены. В поликристаллической структуре домены распределены хаотически, поэтому скопление отдельных микрокристаллов с доменами в структуре вещества не дает никакого пьезоэффекта. Пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек можно использовать только после проведения поляризации керамики, при которой она помещается в сильное электрическое поле. Под действием поля большинство доменов ориентируются параллельно друг другу, в результате чего вещество приобретает ярко выраженные пьезо- электрические свойства. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже точки Кюри, чтобы облегчить процесс взаимной ориентации (упорядочивания) доменов. После охлаждения до нормальной температуры это упорядоченное состояние доменов остается стабильным Если снова нагреть керамику, то ее пьезоэлектрические свойства ухудшаются, и тем больше, чем ближе температура подходит к точке Кюри. Это обусловлено тем, что ориентация отдельных доменов под влиянием тепла снова становится неупорядоченной. При температурах, превышающих точку Кюри, поляризация становится невозможной и керамика теряет пьезосвойства т. к. элементарные ячейки приобретают кубическую форму и уже не имеют постоянного дипольного момента. Механическое сжатие или растяжение, которое действует на пластину из пьезокерамики параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом ионы внутри ячеек смещаются, и происходит 40 образование противоположных зарядов, как описывалось выше. Так как в поляризованной керамике все домены сориентированы одинаково, то на ее поверхности образуется заряд. Если нанести на противоположные поверхности пьезокера- мической пластины металлические электроды, то получается конденсатор, у которого диэлектриком служит керамика. Вследствие образования заряда на поверхности при сжатии пластины, конденсатор заряжается до некоторого напряжения. При растяжении пластины в направлении поляризации (по толщине) знак заряда меняется на противоположный, следовательно, меняется и знак напряжения на пластине (полярность электродов меняется). Таким образом, при падении на пьезопластину звуковой волны с переменным состоянием (сжатие-растяжение) на электродах появляется переменное напряжение, которое имеет ту же частоту , что и падающая звуковая волна. Амплитуда напряжения пропор- циональна звуковому давлению волны. Так как электроды выполняют очень тонкими (обычно путем вжигания), то они существенного влияния на описываемые процессы не оказывают. Таким образом, из приведенного выше видно, что в приемнике звука используется прямой пьезоэффект. Для излучения звука используется обратный пьезоэффект. Для этого к пластине по оси поляризации (по толщине) прикладывается переменное напряжение, которое вызывает (вследствие обратного пьезоэффекта) соответствующее изменение толщины пластины. Если в контакте с пластиной находится вещество, которое препятствует этому изменению, то пластина передаст на него усилие, пропорциональное приложенному электрическому напряжению. В случае приложения переменного давления в веществе возбуждается переменное давление, таким образом, пластина излучает в вещество, с которым она контактирует, продольную волну. Форма волны будет зависеть от частоты приложенного напряжения, размеров пьезопластины, а также от акустических свойств контактирующего с пластиной вещества. Строго говоря, пьезопластина не является идеальным излучателем, т. к. она испытывает деформации не только по оси поляризации, но и по другим направлениям. Поэтому пластина наряду с продольной волной излучает и поперечные волны, если она наклеена на твердое тело. Однако амплитуда |