Пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) – устройство предназначенное для преобразования электрической (акустической энергии) в акустическую (электрическую). Принцип работы преобразователя основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.

Наиболее широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии получили контактные преобразователи. Конструкции преобразователей приведены на рисунке 4.1. Пьезопластина 1 в контактном прямом совмещенном ПЭП (рис. 4.1, а) приклеена или прижата с одной стороны к дэмпферу 2, с другой к протектору.

Пьезопластину дэмпфер и протектор, склеенные между собой, называют резонатором. Резонатор размещен в корпусе 6. с помщью выводов 7 пьезопластину соеденяют с электронным блоком дефектоскопа. Контактная жидкость (смазочный материал) 4 обеспечивает передачу упругих колебаний ультразвуковой частоты преобразователя к контролируемому изделию 5 и наоборот.

Прямые преобразователи предназначены для возбуждения продольных волн. В контактных наклонных совмещенных преобразователях (рис. 4.1, б) для ввода ультразвуковых колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия применяют призму 8. эти колебания предназначены для возбуждения в основном сдвиговых, поверхностных и нормальных волн.

Резонатор контактных раздельно-совмещенных преобразователей (рис.4.1, в) состоит из двух призм 8 с приклеенными к ним пьезопластинами 1, которые разделены электроакустическим экраном 9. Он служит для предотвращения прямой передачи ультразвука от излучающей пьезопластины, подключенной к генератору, к приемной пьезопластине, подключенной к усилителю электронного блока дефектоскопа.

Рис. 4.1. Конструкции преобразователей: а – прямого; б ‒ наклонного; в ‒ раздельно-совмещенного

Датчики фазированных решеток.

Представим, что пьезоэлемент разрезан на множество идентичных элементов, ширина каждого из которых многократно меньше его длины. Каждый из этих элементов может рассматриваться как источник цилиндрической волны. Волновые фронты от множества узких пьезоэлементов будут интерферировать, создавая суммарный фронт волны. Эти волновые формы могут быть задержаны во времени и синхронизированы по фазе и амплитуде таким образом, чтобы создавать сфокусированный и управляемый ультразвуковой луч.

Главная особенность технологии ультразвуковых фазированных решеток – управляемые компьютером амплитуда и фаза импульсов возбуждения отдельных пьезоэлементов в многоэлементном преобразователе. Возбуждение пьезоэлементов может осуществляться таким образом, чтобы была возможность управлять параметрами ультразвукового луча, например углом, фокусным расстоянием, размером фокусного пятна посредством компьютерной программы. Это позволяет обнаруживать дефекты, различно ориентированные относительно акустической оси преобразователя, или в стороне от ультразвукового луча. Вид ФР-преобразователя в разрезе показан на рисунке 4.3.

При излучении генератор импульсов синхронизации посылает синхроимпульс на блок фазовых задержек. Последний генерирует импульс высокого напряжения заданной длительности и с заданной задержкой, определенной фокальным законом. На каждый элемент решетки поступает один задержанный импульс. Сумма волн, излученных, каждым элементом представляет, собой луч, распространяющийся под определенным углом и сфокусированный на определенном расстоянии. Этот луч отражается от дефекта.

При приеме сигнал принимается каждым элементом решетки, затем задерживается во времени в соответствии с заданным фокальным законом. Задержанные импульсы суммируются и формируют единый импульс, который поступает в устройства приемного тракта.

Рис. 4.2. ФР-преобразователь

 

Матрицы ФР-пьезоэлементов имеют решетки различной размерности (рис.4.3). Линейный – один ряд элементов, обычно создается разрезанием большой прямоугольной пьезокерамической пластины. Луч управляется в одной плоскости. Секторный – один ряд элементов, который выполнен криволинейным, для создания требуемой формы луча или соответствия геометрии детали, подвергаемой контролю. Луч управляется в одной плоскости. Двумерная матрица – элементы расположены в виде решетки, которая также может быть криволинейной. Луч управляется в трех измерениях.

Рис. 4.3. Размерность решеток в ФР-матрицах

Различные виды преобразователей с фазированной решеткой представлены на рисунке 4.4.

Рис. 4.4. Датчики фазированных решеток:

1, 2 – наклонный со сменной призмой; 3 – наклонный со встроенной призмой; 4 – прямой со сменной призмой

Виды изображений.

Под видом изображений понимают визуализацию объема объекта контроля с выборкой информации, соответствующей его части, слою. Часть эта может представлять собой в общем случае произвольно ориентированный искривленный слой. Чаще изображение характеризуется способами его получения и представления информации.

А-сканирование – получение информации из сигналов неподвижного преобразователя, ультразвукового дефектоскопа. Развертку сигнала на мониторе дефектоскопа называют А-разверткой (рис.4.5).

Рис. 4.5. Вид изображений типа А-скан

В-сканирование – извлечение информации из сигналов ультразвукового преобразователя при его перемещении по поверхности объекта контроля по одной прямой. При этом информация соответствует слою изделия и состоит из совокупности строк (рис.4.6). В-сканирование – развертка типа телевизионной, в которой строке соответствует определенное положение преобразователя при В-сканировании, а точнее – каждой строке на экране соответствует конкретная акустическая строка. При этом акустическая информация представляется точками различной яркости на строках. Такое изображение является томографическим.

Рис. 4.6. Вид изображений типа В-скан

С-сканирование – извлечение информации путем перемещения преобразователя по поверхности изделия так, чтобы его след на этой поверхности образовывал растр (рис.4.7). Информация представлена градациями яркости точек на этой развертке, может соответствовать (по выбору оператора), например, сумме амплитуд эхо-сигналов. Такое изображение является ортографическим. Но может быть выбрана информация, соответствующая определенному интервалу времени относительно зондирующего импульса, и тогда визуализироваться будет слой объекта контроля.

Рис. 4.7. Вид изображений типа С-скан

До сих пор предполагалось линейное сканирование. Широко распространено и имеет определенные преимущества секторное сканирование. S-скана (секторный или азимутный скан) представляет собой двумерное изображение, полученное из множества А-сканов, из одного положения преобразователя под различными углами ввода. Типичный S-скан (рис.4.8) представляется в диапазоне углов с использованием одного фокусного расстояния. Горизонтальная ось изображения соответствует горизонтальной координате на контролируемой детали, а вертикальная ось изображения соответствует глубине. S-скан является характерным для фазированных решеток, и может использоваться при контроле продольными, поперечными волнами в контактном или иммерсионном вариантах, прямым преобразователем или с призмой.

Рис. 4.8.Вид развертки типа S-скан