Раздельно-совмещенные преобразователи

Вопрос 14.  Раздельно-совмещенные преобразователи

В зависимости от решаемых задач раздельно-совмещенные (PC) преобразователи могут быть прямыми и наклонными. Пря­мые ПЭП широко применяют при контроле проката, тавровых сварных соединений и стыковых соединений со снятой выпук­лостью шва, нахлесточных паяных соединений, при толщинометрии и т. д. В последние годы для контроля тонкостенных сты­ковых сварных и паяных соединений труб аустенитных сварных швов, соединений, выполненных контактной стыковой сваркой, и т. д. стали широко применять наклонные РС-ПЭП. Конструк­ции преобразователей обоих типов довольно схожи. ПЭП состоят из двух пьезоэлементов, приклеенных к призмам, разделенных между собой акустическими и электрическими экранами и зали­тых демпфирующим материалом на эпоксидной основе в корпусе. В прямых PC-преобразователях излучатель приклеен к призме, высота которой больше высоты другой призмы на (— ско­рость УЗ-волн в призме; — длительность зондирующего импульса). Различие высот призм обусловлено стремлением к уменьшению электрических помех на приемнике. Основной элемент, который защищает приемник от высокочастотных элек­трических колебаний, — электрический экран из медной фольги. Для защиты от акустических помех применяют акустический экран из пенополистирола или кожи, обернутый медной фольгой. Благодаря акустическому и электрическому разделению излуча­теля и приемника уровень реверберационных шумов в РС-ПЭП на 8 ... 12 дБ ниже, чем в рассмотренных выше совмещенных ПЭП, а мертвая зона уменьшается до 0,5 ... 1,0 мм.

Прямые РС-ПЭП вы­пускают на частоту 2,5, 5,0 и 10,0 МГц в нормальном, миниатюрном исполнении, а также широкозахватными. Следует отметить, что РС-ПЭП на частоту 2,5 и 5,0 МГц в нормальном исполнении не обеспечивают монотонной, круто возрастающей зависимости амплитуды эхо-сигнала от размера дефекта (см. кривые 1, 2 на рис.1).

Рис.9.5

Например, при увеличении от 2 до 6 мм диаметра плоскодонных отражателей, расположенных на глубине 20 мм, разность амплитуды для отмеченных РС-ПЭП составляет всего  = 4 ... 6 дБ. Это объясняется тем, что при увеличении раз­мера дефекта и постоянной ширине эффективного диаметра пучка озвучивается не весь дефект, а только его часть, что аналогично отражению от донной поверхности. Чтобы исключить этот недо­статок, необходимо размер  пьезоэлемента и длину _г задержки выбирать согласно выражениям (1)—(4). Определив расстоя­ние  по (1) или (2) и зная (как правило, оно равно мини­мально возможной глубине залегания дефекта), по формуле (3) находят , а из (4)— искомое значение .

Рис.9.6

Высоту  и ширину  призмы выбирают таким образом, чтобы ультразвуковой пучок не претерпевал ревербера­ции внутри призмы. Это условие обеспечивается при .

Рекомендуемые материалы

Известно, что РС-ПЭП обладают неравномерной чувствитель­ностью по глубине. Зона максимальной чувствительности соот­ветствует зоне пересечения основных лепестков диаграммы на­правленности пьезоэлементов. Максимальная и минимальная глубина прозвучивания зависят от угла наклона пьезоэлементов. Значение , при котором предполагаемая глубина выявляе­мых дефектов находится в области максимальной чувствитель­ности ПЭП, определяют по формуле

где ( и  — скорости продольных волн в призме и металле).

Установлено, что для системы оргстекло — сталь области оп­тимальных значений углов р лежат в интервале 4 ... 10°. При  возникают акустические помехи, источниками которых являются поверхностные волны, распространяющиеся от излуча­теля к приемнику. Чем выше направленность пучка, тем ниже интенсивность акустических помех.

На основе разработанной методики расчета созданы прямые РС-ПЭП с более благоприятными АРД-диаграммами, чем серийные (рис.1, кривые 3—5). Как следует из анализа зависимостей, для этих ПЭП характерен до­статочно высокий градиент амплитуды  при увеличении раз­мера дефекта.

Бесплатная лекция: "Определители (детерминанты)" также доступна.

При контроле проката, штамповок, отливок и т. д. расположе­ние дефектов но глубине заранее неизвестно. В этом случае для правильной оценки их размеров необходимо применять РС-ПЭП с равномерной чувствительностью по глубине. С этой целью в РС-ПЭП наиболее предпочтительно использование прямоуголь­ных пластин, наклоненных под углом . При­чем площадь излучающего пьезоэлемента должна быть в 2,5 ... 3,0 раза больше площади прием­ника, а большие стороны обоих пьезоэлементов перпендикулярны экрану (рис. 9.7, а). Вырав­нивание чувствительности объясняется тем, что основные лепестки диаграмм направленности излучателя и приемника не пересе­каются, а пересекается только основной лепесток диаграммы на­правленности одного из пьезоэлементов с первым боковым лепест­ком диаграммы направленности другого пьезоэлемента Равно­мерной чувствительности по глубине можно достичь и при исполь­зовании двух излучающих пьезоэлементов, расположенных на од­ной призме под разными углами (рис. 9.7, б).

Рис.9.7

Созданные на основе сформулированных требований РС-ПЭП обладают весьма равномерной чувствительностью по глубине. Например, РС-ПЭП, размеры излучателя которого 20х16 мм, приемника 20x5 мм, угол = 0 и f = 1,8 МГц, имеет неравно­мерность чувствительности на глубине 5 ... 200 мм, равную ±3,5 дБ, а уровень помех получается таким, что уверенно обна­руживается плоскодонное сверление диаметром 2,2 мм на всей толщине.

Пьезоматериалы для излучателя и приемника выбирают оди­наковыми (чаще всего ЦТС-19), хотя раздельные излучение и прием позволяют улучшать характеристики ПЭП путем выбора пьезоэлементов из разных материалов, наилучшим образом рабо­тающих либо на излучение, либо на прием.

Требования к материалам акустических задержек аналогичны сформулированным применительно к линиям задержки прямых и наклонных ПЭП. РС-ПЗП с кварцевыми задержками успешно используют при контроле изделий с температурой до 600 °С.