Характеристики пэп

Вопрос 16. Характеристики пэп

К основным характеристикам преобразователя относят: передаточные функции (коэффициент электромеханического преобразователя);   электрические   сопротивления;    временные характеристики; параметры акустического поля; общетехни­ческие.

Коэффициент преобразования определяется соотношением между взаимосвязанными акустическими и электрическими ве­личинами. Вследствие обратного пьезоэффекта при подаче на пьезопластину электрического напряжения она излучает упругие колебания с амплитудой . Коэффициент преобразова­ния (передаточная функция) при излучении . В ре­жиме приема, когда на пьезоэлемент падает акустический сигнал с амплитудой , на обкладках пьезоэлемента возникает напря­жение . Коэффициент преобразования на приеме .

Работу преобразователя в совмещенном режиме характери­зует коэффициент двойного преобразования  по напряжению

,

где — напряжение на выходе и входе.

Аналогично выражение для коэффициента преобразования по току. Выходные характеристики и  определяют в условиях холостого хода на электрических клеммах преобразователя (10 ... 20) или короткого замыкания  (10 ... 20), где  — сопротивление электрической нагрузки преобразова­теля; — электрическое сопротивление преобразователя; (10 ... 20) —численный коэффициент.

Зависимость коэффициента преобразования от частоты назы­вают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) преобразова­теля. В качестве параметров АЧХ принимают следующие вели­чины: рабочую частоту , соответствующую максимальному зна­чению коэффициента преобразования  предопределяющую достижение максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП); полосу пропускания , где  и   — частоты, при которых  уменьшается на 3 дБ (0,707) по сравнению с максимальным значением при излучении либо приеме или на 6 дБ (0,5) в режиме двойного преобразования (сов­мещенном). Чем больше полоса пропускания, тем меньше искаже­ние формы излученного и принятого акустического импульса, меньше размеры мертвой зоны, выше разрешающая способность и точность определения координат дефектов. Расширить полосу пропускания можно путем уменьшения электрической доброт­ности  или увеличения акустической добротности , однако при этом снижается чувствительность. Применяя четвертьволно­вой просветляющий слой и подбирая оптимальное демпфирова­ние, удается расширить полосу пропускания, одновременно по­вышая чувствительность, так как протектор снижает акусти­ческую добротность за счет отвода энергии ультразвука в сто­рону изделия. Высокая чувствительность в сочетании с широкой полосой пропускания достигается при .

Электрическое сопротивление преобразователя  представ­ляет собой комплексное электрическое сопротивление, измеренное на зажимах преобразователя при определенной акустической нагрузке на его рабочей поверхности.

Рекомендуемые материалы

Значение  обычно представляют графически в зависи­мости от частоты . Частоты, при которых  имеет минимум и максимум, называют соответственно частотами резонанса и антирезонанса . Значения  и его параметры используют для определения оптимальных условий согласования преобразова­теля с электронным блоком дефектоскопа.

Сопротивление электрической нагрузки  преобразователя — также комплексная величина, составляющими которой являются сопротивления емкости, индуктивности и резистора, включенные параллельно или последовательно с пьезопреобразователем и обусловливающие наилучшее его согласование с усилителем.

К временным характеристикам преобразователя относят импульсный коэффициент преобразования , представляющий собой отношение максимальной амплитуды эхо-сигнала к макси­мальной амплитуде тока зондирующего импульса, и реверберационно-шумовую характеристику (РШХ) — временную зависи­мость отношения электрического напряжения на преобразователе к амплитуде электрического напряжения эхо-импульса.

На практике вместо  наиболее целесообразно и просто измерять условный коэффициент импульсного преобразова­ния , представляющий собой отношение измеренного макси­мального эхо-сигнала в стандартном образце № 3  (СО-3) и импульса генератора, т.е. . РШХ связана с дли­тельностью  реверберационных шумов, которая отсчитывается от переднего фронта импульса генератора До точки пересе­чения реверберационного сигнала с горизонтальной линией шкалы осциллографа, расположенной на уровне максимальной ампли­туды эхо-сигнала в СО-2. РШХ в значительной мере определяет возможность выявления дефектов, расположенных вблизи по­верхности (в мертвой зоне). Она зависит прежде всего от коэффи­циента затухания волн в демпфере и задержке (призме) преобра­зователя. Кроме того, длительность  определенным образом коррелированна с временем задержки эхо-сигналов в преобразова­теле , которое представляет собой двойное время задержки сигнала от момента подачи электрического сигнала на разъем преобразователя до момента появления акустического сигнала в точке выхода. На практике  находят по формуле , где — интервалы времени соответственно между зондирующим импульсом и первым эхо-сигналом и между первым и вторым эхо-сигналами в СО-3.

Таблица 9.2

Основные характеристики преобразователей регламентиро­ваны ГОСТ 23702—85. В таблице 9.2 приведен перечень основных параметров наклонных ПЭП и средств, используемых для их измерений. Методика и средства измерения характеристик преоб­разователей изложены в ГОСТ 23702—85 и РД 50-407—83. Благодаря измерению характеристик преобразователей можно про­водить сравнительную оценку разрабатываемых ПЭП с целью определения уровня разработки.

1. В таблице знак «+» означает рекомендуемые средства измерения; «(+)»  - допустимые средства измерения.

2. При измерении некоторых параметров преобразователей с использованием одного и того же СО (например, в пределах одного предприятия) отклонения результатов измерений относительно среднего значения меньше погрешностей, приведенных в таблице. Эти отклонения равны: для  или  ; для  ; для ; для .

3. Погрешность при измерении параметров  и , указанная в таблице, получается при наличии в эхо-сигнале не менее шести полупериодов колебаний, подлежащих измерению. При меньшем числе полупериодов погрешность не регламентируется.

4. Указанная погрешность измерения  соответствует преобразователям с углом призмы, равным . Для преобразователей с углом призмы более  погрешность измерения  не превышает . Для преобразователей с углом призмы более  погрешность не регламентируется.

Каждый серийно выпускаемый ПЭП должен быть метрологи­чески аттестован с оформлением соответствующего паспорта. В паспорте на преобразователь содержатся следующие сведения: название и тип преобразователя; дата выпуска; назначение; пере­чень метрологических характеристик, которые подлежат аттеста­ции; результаты аттестации; отметка о соответствии метрологи­ческих характеристик преобразователя заданным; условия эксплуатации; подпись ответственного лица.

Кроме того, паспорт целесообразно снабжать графиками наи­более часто употребляемых характеристик: форма акустического импульса, АЧХ, АРД-диаграмма.

Основная акустическая характеристика ПЭП — диаграмма направленности. Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда сигнала уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. На практике за нижнее значение амплитуды основного лепестка, определяющее угол рас­хождения пучка лучей, принимают 0,1 (20 дБ) для поля излуче­ния или приема и 0,01 (40 дБ) для поля излучения -приема.

Шириной диаграммы направленности  считают расстояние между боковыми лучами основного лепестка, в пределах кото­рого амплитуда изменяется не более чем на 3 дБ (6 дБ для поля излучения – приема).

Кроме основного лепестка диаграмма может иметь боковые лепестки, интенсивность которых составляет приблизительно 15 ... 20 %. Помимо этого используют такие характеристики акустического поля, как протяженность ближней зоны, неравно­мерность поля на определенном расстоянии от излучателя. Для фокусирующих преобразователей важно знать фокусное расстоя­ние  (расстояние от центра излучателя до точки, где дости­гается максимальная чувствительность), протяженность и ширина фокальной области, на границе которой максимальное значение уменьшается на 3 дБ (6 дБ для поля излучения – приема).

Для наклонного преобразователя помимо ширины диаграммы направленности  важной характеристикой является угол ввода  в плоскости падения.

Акустическое поле РС-ПЭП характеризуется теми же пара­метрами, что и поле фокусирующего преобразователя, однако в первом случае диапазон изменения амплитуды сигнала в фо­кальной  плоскости более широкий.

Общетехнические характеристики определяют требования к надежности, износостойкости, стойкости к внешним воздей­ствиям. Надежность ПЭП оценивают наработкой на отказ за счет процессов старения и релаксации или средним сроком службы; износостойкость — протяженностью (площадью) проконтролиро­ванного металла, при которой истирание призмы или протектора еще не вызывает изменения угла призмы выше допустимого. Стой­кость к внешним воздействиям зависит от устойчивости к изме­нению температуры, влажности, к механическим ударам и дей­ствию электромагнитного поля. К этим характеристикам отно­сят также габаритные размеры, угол призмы, стрелу преобразо­вателя (расстояние от точки выхода акустической оси до перед­ней грани преобразователя) и др.

Вопросы для самоконтроля

1. По способу акустического контакта преобразователи делятся на: …

2. По способу соединения преобразователя с электрической частью прибора преобразователи делятся на: …

3. По форме акустического поля преобразователи делятся на: …

4. Расшифруйте буквенно-цифровой код, указанный на преобразователе

5. Перечислите основные характеристики преобразователей

6. Опишите конструкцию прямого совмещенного преобразователя

7. Опишите конструкцию наклонного совмещенного преобразователя

8. Опишите конструкцию прямого раздельно-совмещенного преобразователя

"10 Логарифмический и антилогарифмический усилитель" - тут тоже много полезного для Вас.

9. При контроле каких изделий используются менисковые преобразователи?

10. Каким требованиям должна удовлетворять призма наклонного преобразователя?

11. При контроле каких изделий целесообразно применять раздельно-совмещенный преобразователь?

12. Чем обусловлено различие высоты призм приемной и излучающей пластин РС ПЭП?

13. От каких параметров зависит минимальная и максимальная глубина прозвучивания РС ПЭП?

14. Нарисуйте схему контроля РС ПЭП типа «Дуэт» и «Тандем»