Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) - устройства, предназначенные для преобразования электрического (акустического) сигнала в акустический (электрический), основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта и применяемые для работы в сост а ве средств неразрушающего контроля.

Конструкции основных типов ПЭП приведены на рис.4.1.

Рис. 4.1 Конструкции основных разновидностей ПЭП – a) – прямой, б) – наклонный и в) – раздельно-совмещенный.

Пьезопластина 1 в контактном прямом совмещенном пьезопреобразователе (рис.4.1а) приклеена одной стороной к демпферу 2, а другой к протектору 3.

Пьезопластину, демпфер и протектор, склеенные между собой, называют вибратором. Вибратор размещают в корпусе 6. С помощью выводов 7 пьезопластину соединяют с электронным блоком акустического прибора. Контактная жидкость (вода, раствор спирта в воде, жидкое масло, водные и иные растворы веществ, препятствующие коррозии контролируемого изделия и т.д.) обеспечивают передачу ультразвуковых импульсов в контролируемое изделие 5 и обратно. Прямые ПЭП предназначены для возбуждения продольных волн. В контактных наклонных совмещенных преобразователях (рис.4.1б) для ввода ультразвуковых колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия 5 применяют призму 8. Наклонные ПЭП предназначены для возбуждения продольных, сдвиговых (за счет трансформации волн на границе раздела «контактная жидкость – контролируемое изделие5») и поверхностных волн (также за счет трансформации волн на границе раздела «контактная жидкость – контролируемое изделие5»).

Вибратор контактных раздельно – совмещенных ПЭП (рис.4.1в) содержит две призмы 8 и две пьезопластины 1, которые разделены электроакустическим экраном 9. Одна пьезопластины работает как излучатель, а другая – как приемник. Электроакустический экран 9 служит для предотвращения прямой передачи энергии от излучающей пьезопластины к приемной.

Пьезопластину по толщине изготавливают равной половине длины волны ультразвуковых колебаний. При этом она обладает собственной резонансной частотой, равной частоте упругих колебаний. Противоположные поверхности пьезопластины покрыты электропроводными электродами (обычно серебряными) для приложения электрического поля, деформирующего пьезопластину при излучении УЗИ, и, соответственно, для съема электрических сигналов при приеме УЗИ из изделия.

Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины после прекращения действия возбуждающего электрического импульса. Без демпфера пьезопластина будет колебаться очень долго и в это время невозможно будет осуществлять прием УЗИ из изделия. В этом случае мы не сможем контролировать близлежащие к поверхности слои материала. Этот неконтролируемый слой называется «мертвой зоной». Для минимизации «мертвой зоны» материал и форму демпфера выбирают такими, чтобы обеспечивался достаточный отвод и затухание УЗИ в самом демпфере. Для наилучшего демпфирования акустическое сопротивление демпфера должно равняться акустическому сопротивлению пьезопластины. Такой процесс называется акустическим согласованием. Чаще всего демпферы изготавливают из искусственных смол (ЭДП) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью. Для уменьшения многократных отражений УЗИ демпфер выполняют в виде конуса, либо тыльную сторону демпфера изготавливают непараллельной плоскости пьезопластины. Иногда в материал демпфера встраивают дополнительные рассеиватели.

Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и воздействия контактной жидкости, для согласования по акустическому сопротивлению пьезопластины с акустическим сопротивлением поверхности контролируемого изделия, а также для улучшения акустического контакта между ПЭП и изделием. Материал протектора должен быть износостойким, с высокой скоростью звука, которая определяет его необходимую толщину. Обычно она выбирается равной 0,1…0,5 мм. Для изготовления протекторов применяют кварц, сапфир, бериллий, сталь, твердые сплавы, керамику, а также материалы на основе эпоксидных смол с порошковыми наполнителями (кварцевый песок, бериллиевый или корундовый порошки и т. д.). Для обеспечения стабильного акустического контакта протектор изготавливают из эластичного материала с большим затуханием ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению контактной жидкости, например, из пленки полиуретана. Такой протектор облегает неровности поверхности изделия и способствует уменьшению интерференционных помех в слое контактной жидкости, улучшает проходимость УЗИ от ПЭП к изделию и наоборот. Для хорошей передачи ультразвуковой энергии в контролируемое изделие протектор изготавливают толщиной равной ¼ длины ультразвуковых колебаний. Такие протекторы обладают высоким эффектом «просветления» границы пьезопластина – контактная жидкость.

Призма ПЭП необходима для обеспечения пространственного расположения пьезопластины под углом к поверхности вывода ультразвуковых импульсов. Материал призмы должен иметь малую скорость звука (оргстекло, капролон, поликарбонат, деклон, эпоксидные компаунды и т.д.) Низкая скорость ультразвука обеспечивает, согласно закону синусов, значительные углы ввода УЗИ в контролируемый материал. Высокое затухание обеспечивает минимум помех от импульсов, распространяющихся в самой призме. Для достижения этой же цели боковые поверхности призмы изготавливают рифлеными или покрывают материалами с высоким затуханием звука.

Для возбуждения продольных волн призмы раздельно – совмещенных ПЭП (для пары оргстекло – сталь) изготавливают до углов 70. Для возбуждения только сдвиговой волны (за счет трансформации) углы призмы наклонных ПЭП устанавливают в интервале 28…580. При контроле сварных швов аустенитных сталей продольными волнами углы призмы устанавливают в интервале 18…240.

Электрические контакты проводников с электродами пьезопластины выполняют пайкой легкоплавкими припоями. Это необходимо, так как нагрев пьезокерамических материалов (ЦТС и др.) приводит к потере пьезоэлектрических свойств.

Корпус ПЭП обеспечивает прочность конструкции и защиту от электромагнитных помех. Поэтому его, как правило, изготавливают из металла. Часто для согласования ПЭП по электрическому сопротивлению с входом акустического прибора в корпусе одновременно устанавливают трансформаторы, катушки индуктивности, резисторы, а иногда и предварительный усилитель.

Обычно ПЭП имеют следующие основные характеристики:

- разновидность – прямой, наклонный, раздельно – совмещенный, для толщиномера и т.д.

- частота возбуждаемых и принимаемых упругих колебаний;

- размер пьезопластины;

- угол ввода (для наклонного);

- стрела (расстояние от центра пьезопластины до точки ввода УЗИ);

- чувствительность к заданному дефекту по настроечному образцу;

- конструктивное исполнение (с криволинейной поверхностью ввода УЗИ, малогабаритные, хордовые и др.).