Приемно-усилительный тракт дефектоскопа

Вопрос 3. Приемно-усилительный тракт дефектоскопа.

Предназначен для приема и детектирова­ния сигналов, поступающих на ПЭП. Обычно этот тракт содержит следующие блоки (Рис. 5.2): предварительный усилитель (ПУ), измеритель отношения амплитуд сигналов - аттенюатор (А), усилитель высокой частоты (УВЧ), де­тектор (Д), импульсный видеоусилитель (ИВУ), отсечку шумов (О).

Предварительный усилитель обеспечивает согласование усилительного тракта с приемным преобразователем. Он содержит ограничитель амплиту­ды, предохраняющий усилитель от перегрузок, связанных с воздействием зондирующего импульса (когда преобразователь включен по совмещен­ной схеме). При этом сигналы небольшой амплитуды практически не ис­кажаются. Одной из задач предварительного усилителя является усиление небольших эхо-сигналов для того, чтобы через обусловленный тепловым движением электронов обязательный «уровень шумов» поднять их до сле­дующей схемы.

Аттенюатор - это устройство, которое служит для калиброванно­го ослабления и измерения отношений амплитуд принятых сигналов.

При этом сравниваются амплитуды двух или нескольких сигналов в относительных единицах, обычно в децибелах. Аттенюатор располагается вблизи входа приемно-усилительного тракта для того, чтобы искажения амплитуд поступивших сигналов были минимальны. Отсчет аттенюатора ведется относительно некоторого нулевого уровня. Так, например, показа­ние аттенюатора 6 дБ говорит о том, что амплитуда сигнала в два раза от­личается от нулевого уровня. В дефектоскопах зарубежного производства аттенюатор проградуирован в отрицательных децибелах, то есть численная величина отсчета в децибелах пропорциональна вводимому с помощью аттенюатора коэффициенту усиления. Это означает, что максимальному сигналу соответствует минимальный отсчет в децибелах. Во многих типах приборов стран СНГ аттенюатор проградуирован в положительных децибе­лах, то есть большему сигналу соответствует большее значение численного отсчета в децибелах.

Требуемый диапазон измерения - от 0 до (60 - 110) дБ. Измерение произ­водят с шагом 1 дБ или менее (в некоторых приборах - 0,5 дБ и даже 0,1 дБ). В качестве регулировки используются переключатели барабанного или кнопоч­ного типа. В некоторых дефектоскопах существует режим автоматического из­мерения отношения амплитуд для любого импульса, имеющегося на экране.

Различают два основных типа усилителей высокой частоты: линейный и логарифмический. В усилителе с линейной характеристикой индика­ция амплитуды эхо-сигнала на экра­не должна быть максимально про­порциональна напряжению на пьезоэлементе, создаваемому принятым ультразвуковым сигналом. Однако точное соблюдение этого требования возможно лишь в ограниченном диа­пазоне (Рис. 5.3).

Рекомендуемые материалы

В логарифмическом усилителе амплитуда эхо-импульса должна быть пропорциональна логарифму напряжения на пьезоэлементе ПЭП. Поскольку амплитуды эхо-сигналов даются только в децибелах, которые являются логарифмической единицей, то логарифмический усилитель представляет собой выгодный пропорциональный «дБ-усилитель». Преимущество логарифмического усилителя в том, что он обладает динамическим диапазоном (отношением самого боль­шого к самому маленькому сигналу, который виден на дисплее с четкой сту­пенчатостью) любого размера.

Если усилитель с линейной характеристикой обладает в лучшем случае динамическим диапазоном 34 дБ, то логарифмический усилитель - 100 дБ, так как в этом типе усилителя уже нет «перевозбуждения» при воздействии слишком больших сигналов.

Усилитель может быть широкополосным, то есть обрабатывать все воз­можные частоты, например, от 1 до 10 МГц, благодаря чему не надо пере­ключать его при изменении частоты ПЭП. Однако усилитель с узкой поло­сой пропускания частот обладает большими возможностями для усиления, так как он имеет более низкий уровень собственных шумов.

Кроме того, гармонические составляющие высших порядков представ­лены в полосе частот эхо-сигналов намного сильнее, чем в передаваемой звуковой волне, а именно, когда их причиной являются мелкие дефекты, рассеивающие в основном более высокие частоты. Тогда возникают участки нежелательного шума, что затрудняет выявление более крупных дефектов. Если полосу частот в усилителе срезать, например, перед третьей гармони­кой (для 1 МГц - ниже 3 МГц), картина прояснится.

Недостатком слишком узкой полосы частот будет расширение импуль­сов и, тем самым, потеря разрешающей способности. Правильный выбор является компромиссом между противоречивыми требованиями в соответствии с практическим опытом.

Усиленные высокочастотные сигналы поступают к детектору (Д), на нагрузке которого выделяются однополярные огибающие радиоим­пульсов. Применяются следующие типы детектирования: полное (двухполупериодное), по положительной полуволне и по от­рицательной полуволне. Детектированные сигналы поступают на импульсный видео­усилитель (ИВУ) с коэффициентом усиле­ния 20 - 30 дБ, который усиливает видео­импульсы до напряжения, необходимого для срабатывания дисплея. Во многих дефектоско­пах предусмотрена возможность наблюдения радиоимпульсной формы сигналов (недетектированные сигналы).

Регулятор отсечки (О) изменяет потенциал порогового уровня отпира­ния детектора. Усилитель работает в режиме порогового усиления. Благодаря этому отсекаются все импульсы, амплитуда которых меньше вы­бранной величины. Применение некомпенсированной отсечки искажает реальное соотношение амплитуд детектированных сигналов и сужает дина­мический диапазон прибора. В связи с этим разработана система так назы­ваемой компенсированной отсечки, которая удаляет сигналы с амплиту­дой ниже порога отсечки и оставляет неизменными сигналы, превышающие по амплитуде этот порог. Подобная схема позволяет оценивать амплитуды отраженных сигналов по экрану дисплея даже при включении отсечки.

Дисплей - это устройство в виде плоского экрана, предназначенное для отображения видео- и буквенно-цифро­вой информации. Дисплей представляет собой прямоугольное поле, на котором размещено т горизонтальных строк, со­держащих по n элементов (Рис. 5.5). В дальнейшем тексте термины «дисплей» и «экран» имеют одинаковый смысл.

Каждый элемент представляет собой миниатюрный источник света - индикатор, который изменяет свое состояние в зависимости от поступаю­щего на него сигнала. По принципу действия различают жидкокристаллические (ЖКИ), электролюминесцентные (ЭЛИ) и другие индикаторы. Недостатком ЭЛИ следует считать потерю контрастности изображения под воздействием ярких источников света. В частности, такая пробле­ма возникает при работе на открытом воздухе при солнечном освещении. Недостатками ЖКИ могут быть потеря контрастности при изменении угла наблюдения (например, если смотреть на экран сбоку) и, для некоторых ти­пов ЖКИ, потеря работоспособности при отрицательных температурах.

В зависимости от видов состояний индикаторов дисплеи могут быть двухцветные (инди­катор горит - не горит) или многоцветные (индикатор горит одним из возможных цветов или не горит). Когда загораются следующие друг за другом элементы, расположенные на прямой линии, то на дисплее наблюдаются непрерывные светящиеся линии, например - линия гори­зонтальной развертки, линия строба, пересекающиеся линии, образующие таблицы и т. д. Если загораются следующие друг за другом элементы, расположенные на кривой линии, то на дис­плее видны непрерывные кривые линии, в частности - изображение импульсов, поступивших от усилителя. Если загораются совокупности элементов, расположенных рядом на некоторой площади, то на дисплее формируется изображение букв, цифр, символов, дефектограмм и т. д.

При проведении контроля эхо-импульсным методом ультразвук прохо­дит в контролируемом материале путь от поверхности ввода (ПВ) до про­тивоположной поверхности (Д), обычно называемой донной (Рис. 6.6). На каждой границе раздела (поверхность несплошности, донная поверхность и т. д.) происходят все связанные с ней явления, в том числе - отражение.

Промежуток времени t_з между запуском зондирующего импульса и нача­лом развертки называется длительностью задержки развертки. Время t_р, в течение которого отображаемая точка перемещается от начала до конца развертки, называется длительностью развертки. Время t_п между окончанием развертки и началом следующей развертки называется паузой развертки. В течение паузы на дисплее микропроцессорного дефектоскопа сохраняется состояние, которое элементы (индикаторы) получили в про­цессе развертки. Время Т_р, в течение которого происходит один полный цикл развертки, называется периодом развертки.

Длительность развертки прямо пропорциональна диапа­зону контроля и обратно про­порциональна установленной скорости звука (Рис. 5.11).

Люди также интересуются этой лекцией: 11 Социологические характеристики современной науки.

При переключении диапа­зонов контроля по расстоянию происходит дискретное измене­ние длительности развертки. В пределах одного диапазона, как правило, длительность разверт­ки можно регулировать плавно. Изменяя длительность задерж­ки развертки t и длительность развертки t_р, можно отобразить на экране дисплея желаемый участок зоны контроля в увели­ченном масштабе. Такое изобра­жение иногда называют «элект­ронной лупой» (Рис. 5.12). Начало каждого цикла раз­вертки синхронизировано (сов­падает по времени или смещено на постоянное время задержки развертки t_з) с запуском зондирующего импульса.

Если колебания в изделии не успевают затухнуть за пе­риод следования зондирующих импульсов, то на экране дисплея существу­ют эхо-импульсы как от последней посылки, так и от предыдущей. Наличие многократных переотражений ультразвукового импульса в некотором объ­еме называется реверберацией. Поскольку время прихода эхо-импульсов от предыдущей посылки не синхронизировано с рабочим ходом последней посылки, эти сигналы могут попасть в случайное место зоны контроля и будут восприняты как эхо-импульсы от дефектов. Поэтому такие эхо-сиг­налы называют импульсами помех, ложными импульсами или фантомами. На рис. 5.13 показан пример фантомов, образованных незатухшими донны­ми сигналами, попавшими в зону контроля от предыдущей посылки. Если плавно изменить частоту (период) следования зондирующих импульсов, то, как видно из рис. 6.13 импульсы помех изменят свое положение на эк­ране дефектоскопа («дефект» изменил глубину!). По этому признаку фан­томы отличают от эхо-импульсов реальных несплошностей. Очевидно, что уменьшить количество фантомов или избавиться от них полностью можно, увеличив период следования зондирующих импульсов (уменьшив частоту следования), если дефектоскоп имеет соответствующие регулировки.