Дипломная работа или дипломный проект На тему «Лазерная установка возбуждения упругих ультразвуковых волн»

Скачать 1.15 Mb.

Название	Дипломная работа или дипломный проект На тему «Лазерная установка возбуждения упругих ультразвуковых волн»
страница	3/10
Тип	Диплом

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Диплом

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Глава 2. Ультразвуковые дефектоскопы

2.1. Классификация ультразвуковых дефектоскопов

Ультразвуковой дефектоскоп - это электронно-акустическое устройство, предназначенное для возбуждения-приема ультразвуковых колебаний с целью обнаружения нарушений сплошности или однородности материалов и измерения их характеристик. Дефектоскоп преобразует колебания в вид, удобный для вывода на соответствующий индикатор. Он снабжен сервисными устройствами для настройки и сохранения параметров контроля и измерения параметров принятых сигналов.

Согласно ГОСТ 23049, в зависимости от области применения дефектоскопы делятся на приборы общего назначения и специализированные. В зависимости от функционального назначения дефектоскопы подразделяют на следующие группы:

1. Для обнаружения дефектов (пороговые дефектоскопы, обычно вместо экрана имеют светодиодный индикатор, показывающий факт превышения сигналом порогового уровня);

2. Для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношения амплитуд сигналов от дефектов;

3. Для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения эквивалентной площади дефектов по их отражающей способности или условных размеров дефектов;

4. Для обнаружения дефектов, распознавания их форм или ориентации, для измерения размеров дефектов или их условных размеров.

По конструктивному исполнению дефектоскопы подразделяются на стационарные, переносные и портативные.

По степени участия дефектоскописта в процессе контроля различают ручные, механизированные и автоматизированные дефектоскопы.

Условное буквенно-цифровое обозначение отечественных дефектоскопов состоит из букв УД (для дефектоскопов общего назначения) или УДС (для УЗДС), номера группы назначения и порядкового номера модели. Например: УД2-12 относится ко второй группе, а УД3-103 «Пеленг» – к третьей.
Функциональная схема дефектоскопа общего назначения.
Функциональная схема цифрового микропроцессорного дефектоскопа представлена на рис. 5.1. В дефектоскопе можно условно выделить два основных блока: блок управления и памяти и собственно дефектоскопический блок.

Рис. 2.1. Функциональная схема цифрового микропроцессорного дефектоскопа

Дефектоскоп работает следующим образом. По команде с пульта управления (ПУ) центральный процессор (ЦП) включает дефектоскоп. По сигналу центрального процессора производится самотестирование дефектоскопа, после чего он устанавливается в исходное состояние. В различных типах приборов исходное состояние обычно характеризуется одним из двух режимов:

рабочий режим, использовавшийся перед последним выключением;
начальный диалоговый режим, используя который оператор устанавливает необходимый рабочий режим.

Генератор импульсов синхронизации (ГИС) через определенные промежутки времени вырабатывает электрические импульсы, которые согласовывают во времени работу различных блоков прибора.

Генератор импульсов возбуждения (ГИВ) вырабатывает короткий электрический импульс, который через разъем Р1 подается на пьезоэлемент ПЭП1. На схеме показан ключ К в разомкнутом положении. Это означает, что ПЭП1 работает только в режиме излучения, а ПЭП2 - только в режиме приема. Вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта пьезоэлемент ПЭП1 преобразует электрический импульс в упругое колебание, которое распространяется в объекте контроля (ОК), формируя ультразвуковую волну. Колебания, отраженные от противоположной поверхности ОК или от дефектов, возвращаются к поверхности контроля. Вследствие явления прямого пьезоэлектрического эффекта пьезоэлемент ПЭП2 преобразует упругое колебание в электрический импульс, который через разъем Р2 поступает в приемно-усилительный тракт (ПУТ).

Режим работы, при котором к дефектоскопу подключены два пьезоэлемента, один из которых работает только в режиме излучения, а второй - только в режиме приема (ключ К разомкнут), называется раздельным.

Режим работы, при котором к дефектоскопу подключен один пьезоэлемент, работающий как в режиме излучения, так и в режиме приема (ключ К замкнут) называется совмещенным.

Далее сигнал усиливается и преобразуется в приемно-усилительном тракте, а затем подается на амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует аналоговый сигнал (в данном случае - электрический импульс, прошедший приемно-усилительный тракт) в цифровой код. Закодированный сигнал поступает на дисплей (Д), где формирует установленный тип развертки.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) записаны и хранятся блоки базовой настройки дефектоскопа. Пользователи дефектоскопов, как правило, не имеют доступа к этим параметрам, следовательно, не имеют возможности изменять их случайно или по собственному желанию.

В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) накапливается, обрабатывается, хранится в цифровом виде и используется текущая информация о режимах настройки и параметрах поступающих сигналов.

Микропроцессорный дефектоскоп имеет интерфейс - устройство для обмена информацией с персональным компьютером.

Рассмотрим более подробно работу отдельных блоков.
Генератор синхронизирующих импульсов
Он обеспечивает согласование во времени работы блоков дефектоскопа, реализуя импульсный режим излучения-приема колебаний. В частности, он обеспечивает одновременный (или задержанный на определенный временной интервал) запуск генератора импульсов возбуждения и формирования развертки. При ручном контроле синхронизатор работает в режиме самовозбуждения, а при использовании дефектоскопа в многоканальной аппаратуре механизированного и автоматизированного контроля может переключаться в режим внешнего запуска. Число импульсов, генерируемых синхронизатором в единицу времени (частота синхронизации), в различных модификациях дефектоскопов изменяется в пределах 25 - 8000 Гц. Эта частота определяет частоту следования зондирующих импульсов, то есть акустических импульсов, посылаемых в объект контроля,

Частотой следования зондирующих импульсов называется количество импульсов упругих колебаний, вводимых дефектоскопом в объект контроля в единицу времени.

Частота следования выбирается в зависимости от задач контроля, затухания в объекте контроля, геометрических размеров и формы объекта контроля.

В большинстве дефектоскопов общего назначения частота следования переключается автоматически с переключением диапазона контроля (увеличивается с уменьшением диапазона контроля). В некоторых приборах предусмотрена регулировка частоты следования. С точки зрения увеличения скорости контроля на автоматизированных установках (а, следовательно, и его производительности) частоту следования желательно выбирать возможно большей. При ручном контроле этот фактор не имеет значения, поскольку скорость сканирования ограничена другими причинами.
Генератор импульсов возбуждения
ГИВ вырабатывает высокочастотные электрические импульсы, возбуждающие излучающую часть ПЭП. Несущая частота импульсов (частота высокочастотных колебаний, заполняющих импульс) подстраивается индуктивностью, монтируемой либо в приборе, либо в преобразователе. Генерируются экспоненциальные затухающие или, более рациональные энергетически, колоколообразные импульсы. В некоторых дефектоскопах предусмотрена возможность регулировки мощности генерируемого импульса. Это осуществляется путем изменения его амплитуды и длительности.

Управляющий сигнал от синхронизатора поступает в генератор импульсов возбуждения несколько позднее, чем начинается развертка изображения на дисплее для того, чтобы возрастание зондирующего импульса было видно на дисплее уже несколько правее начала нулевой линии.

В современных дефектоскопах используют программируемый генератор высокочастотных импульсов и высокочастотный усилитель, позволяющие создавать импульсы различной частоты и формы (ударный, синусоидальный, меандр и др.)

Длительность возбуждаемого электрического импульса не превышает единиц микросекунд. Амплитуду импульса можно регулировать путем изменения напряжения на генераторе или изменением нагрузочного сопротивления на выходе излучателя. При этом одновременно оказывается воздействие на демпфирование подключенного колебательного контура, что, в свою очередь, вызывает изменение ширины импульса. Однако во многих случаях практического контроля этот дополнительный эффект не является недостатком: при работе с импульсами большой мощности чаще всего можно примириться и с большой длительностью импульса, так как в этих случаях речь пойдет о больших глубинах, а разрешающая способность будет иметь второстепенное значение. И, наоборот, для меньшей глубины контроля, особенно вблизи поверхности, можно использовать ослабленный, но зато более короткий импульс. Амплитуда электрического импульса может достигать 400 - 500 В на 1 мм толщины пьезоэлемента из пьезокерамики. Дальнейшее увеличение напряжения может привести к пробою и разрушению пьезопластины.

Если кабель недостаточно хорошо согласован с волновыми сопротивлениями прибора и ПЭП, то частота будет зависеть от его емкости. По этой причине кабель не может иметь произвольную длину. Для получения максимальной мощности от данного генератора возбуждения необходимо правильно согласовать и реактивное сопротивление ПЭП. Для этой цели в ПЭП встраивают катушку индуктивности.

2.2. Приемно-усилительный тракт дефектоскопа.

Предназначен для приема и детектирования сигналов, поступающих на ПЭП. Обычно этот тракт содержит следующие блоки (Рис. 2.2): предварительный усилитель (ПУ), измеритель отношения амплитуд сигналов - аттенюатор (А), усилитель высокой частоты (УВЧ), детектор (Д), импульсный видеоусилитель (ИВУ), отсечку шумов (О).

Рис. 2.2. Функциональная схема приемно-усилительного тракта

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. 2.3).

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.

Рис. 2.3. Зависимость высоты эхо-импульса от входного напряжения: а - линейное усиление; б - логарифмическое усиление; в - пороговое усиление

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).

Рис. 5.4. Форма импульсов на дисплее: высокочастотных (недетектированных, радиоимпульсов) и видео (детектированных) сигналов

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. 2.5). В дальнейшем тексте термины «дисплей» и «экран» имеют одинаковый смысл.

Рис. 2.5. Расположение индикаторов в матрице дисплея

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. 2.6). 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 2.7).

Рис. 2.6. График перемещения отображаемой точки на экране дисплея: t - время, х - положение отображаемой точки (или ее проекции) на горизонтальной оси дисплея

Рис. 5.7. Развертки для: а — различных диапазонов контроля при одинаковой скорости звука в материале; б – различной скорости звука в материале при одинаковом диапазоне контроля

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. 2.8). Начало каждого цикла развертки синхронизировано (совпадает по времени или смещено на постоянное время задержки развертки t_з) с запуском зондирующего импульса.

Рис. 2.8. Отображение на экране участка от r₁ до r₂ - «электронная лупа»: Н - несплошность

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. 2.9 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. 2.9 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.

Рис. 2.9. Возникновение импульсов помех (фантомов) вследствие реверберации: 31,32 - зондирующие импульсы первой и второй посылок; Д1, Д2 - многократные донные эхо-импульсы от первой и второй посылок; U - амплитуда импульса; Д21, Д22 - фантомы (на график условно нанесены границы экрана)

2.3. Виды разверток (сканов)

Процесс озвучивания контролируемого объема называется сканированием. Синхронно с пробегом ультразвукового импульса на экран дисплея выводится информация об озвучиваемом (сканируемом) объеме ОК. В связи с этим отображение информации, получаемой в процессе контроля, на экране по установленному закону называется разверткой или сканом. В зависимости от этого закона различают следующие виды разверток (сканов).

Развертка, на которой высота отображаемого импульса пропорциональна амплитуде принятого сигнала, а его положение на горизонтальной линии пропорционально времени прохождения ультразвуковым импульсом акустического тракта, называется разверткой типа А или А-сканом (Рис. 2.10).

Рис. 2.10. Развертка типа А при эхо-импульсном методе контроля: ПВ - поверхность ввода колебаний в ОК; Н - несплошность;

Д - донная поверхность ОК; Э - экран; ГОР - горизонтальная ось развертки; 3 - зондирующий импульс; НС - эхо-сигнал от несплошности; ДС - эхо-сигнал от донной поверхности (донный сигнал); 0 - точка на горизонтальной оси развертки, соответствующая моменту ввода колебаний в ОК.

Развертка, на которой принимаемые сигналы отображаются в некотором масштабе в виде точек на поперечном сечении ОК, перпендикулярном поверхности сканирования и параллельном направлению прозвучивания (акустической оси звукового пучка), называется разверткой типа В или В-сканом (Рис. 2.11).

Рис. 2.11. Развертка типа В при контроле прямым (а) и наклонным (б) ПЭП: 1,2,3 - несплошности и их изображение на экране; 3 - изображение зондирующего импульса; ДС – изображение донного сигнала

Различная амплитуда сигналов на развертке типа В отображается точками различной яркости или различного цвета.

Развертка, на которой в некотором масштабе отображается проекция контролируемого объема ОК на поверхность сканирования, называется разверткой типа С или С-сканом (Рис. 2.12).

Рис. 2.12. Развертка типа С: а - ОК (А - вид на поверхность сканирования); б - изображение развертки типа С на дисплее дефектоскопа

Так же, как и на развертке типа В, различная амплитуда сигналов на развертке типа С может быть отображена точками различной яркости или различного цвета.

Развертка, на которой принимаемые сигналы отображаются в некотором масштабе в виде точек на продольном сечении О К, перпендикулярном поверхности сканирования и перпендикулярном направлению прозвучивания (акустической оси звукового пучка), называется разверткой типа D или D-сканом. На рис. 2.13 это сечение показано как плоскость АВСО. Различная амплитуда сигналов на развертке типа О отображается точками различной яркости или различного цвета.

Рис. 2.13. Развертка типа D: а - ОК; б - изображение развертки типа D на дисплее дефектоскопа

При контроле сварных соединений В-разверткой обычно называют поперечное сечение сварного шва, а D-разверткой - его продольное сечение. Развертки типов В, С, D обычно применяются при механизированном или автоматизированном контроле.

При использовании развертки типа D положение х отображаемой точки на горизонтальной оси (или ее проекции на горизонтальную ось) экрана за время одного цикла изменяется от крайнего левого до крайнего правого (соответственно начало и конец развертки, рис. 5.10).

2.4. Особенности аналоговых дефектоскопов

Функциональная схема дефектоскопа прошлого поколения (не использовавшего микропроцессорную технику, например УД2-12) содержала также такие важные для дефектоскопии блоки, как блок автоматической сигнализации дефектов (АСД), блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ), блок цифрового отсчета (БЦО). В современном микропроцессорном дефектоскопе задачи этих блоков решаются в центральном процессоре (ЦП) программным путем.

Система автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначена для автоматического выделения в зоне контроля импульса, амплитуда которого вышла за установленные пределы, и для автоматической сигнализации о наличии такого импульса (звуковой, световой, записью на регистрирующем устройстве и т. д.). При ручном контроле АСД позволяет повысить надежность выявления дефектов и облегчает работу дефектоскописта.

Система АСД создает вспомогательные стробы (метки), местоположение и ширина которых определяют зону регистрации принятых сигналов (зону АСД). Положения всех сигналов, поступивших с выхода приемно-усилительного тракта, сравниваются с положением зоны АСД. Сигнализатор системы АСД срабатывает, если в зоне АСД появляется импульс, амплитуда которого превышает установленный уровень (при контроле эхо-методом) или уменьшается ниже установленного уровня (при ЗТМ), называемого порогом срабатывания АСД. При этом блок измерений выводит на экран измеряемые характеристики сигнала. Если при контроле эхо-методом в зоне АСД одновременно присутствуют несколько импульсов, превысивших установленный предел, выбор импульса для измерений производится либо «по фронту» (крайний левый импульс в зоне АСД, превысивший установленный порог), либо по «пику» (импульс в зоне АСД, имеющий максимальную амплитуду).

АСД позволяет решать несколько задач. Во-первых, выбирая нужным образом начало и длительность стробирующей метки (далее - строба), можно установить требуемую зону контроля. Например, располагая начало строба после зондирующего импульса или начального сигнала, а конец - перед донным сигналом, можно исключить эти сигналы из зоны контроля. Во-вторых, установив строб так, чтобы в него попадал только донный сигнал, можно по амплитуде этого сигнала следить за стабильностью акустического контакта, общей исправностью работы аппаратуры, а также автоматически подстраивать чувствительность. Наконец, применение стробирующего устройства позволяет повысить общую помехоустойчивость дефектоскопа, поскольку импульсные помехи любого типа могут воздействовать на индикатор лишь в пределах действия стробирующей метки.

Используя временную регулировку чувствительности (ВРЧ) решают следующие задачи:

получение одинаковых по амплитуде индикаций от одинаковых отражателей, расположенных на разных расстояниях;
обеспечение разной чувствительности в разных по расстоянию зонах ОК;
уменьшение амплитуды донного сигнала с целью оптимизации контроля зеркально-теневым методом;
снижение уровня шумов в начале развертки и достижение минимальной мертвой зоны для данного ПЭП.

При настройке ВРЧ сначала в память дефектоскопа по правилам, определенным инструкцией по эксплуатации данного типа прибора, вводят эхо-сигналы от отражателей, по которым производят настройку ВРЧ. Затем по программе, заложенной в дефектоскоп, прибор выравнивает чувствительность в интервале расстояний от самого ближнего до самого дальнего отражателя. Для облегчения настройки и большей наглядности в современных дефектоскопах кривая, показывающая закон изменения ВРЧ, может быть выведена на дисплей.

В старых модификациях дефектоскопов в качестве дисплея применялись электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), принцип действия которых состоял в управлении направленным пучком электронов. Электронно-лучевая пушка, расположенная в задней части трубки излучает пучок электронов, которые, попадая на люминофор экрана вызывают его свечение. Для управления пучком электронов в трубке предусмотрены т.н. горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины. Подавая на пластины определенную разность потенциалов возможно отклонять пучок электронов в сторону положительно заряженной пластины. При этом на горизонтальные отклоняющие пластины подавалось пилообразное напряжение от генератора развертки, а на вертикальные отклоняющие пластины – усиленный и детектированный сигнал с приемного ПЭП, прошедший приемно-усилительный тракт.

Блок измерений предназначен для измерения координат выявленных отражателей и амплитуд эхо-импульсов от этих отражателей. На плоской поверхности ввода колебаний координаты расположения отражателя вычисляются по измеренному времени t распространения колебаний от излучателя (пьезоэлемента) до отражателя и обратно при известных значениях скорости с волны, времени задержки в призме 2Тп и угла ввода  по простым тригонометрическим соотношениям.

Время задержки в призме, которое является параметром преобразователя, вводится регулировкой «Задержка нуля». Настройка дефектоскопа на соответствующие значения глубины и расстояния производится с помощью регулировки «Скорость звука».

Во всех дефектоскопах амплитуда импульса может быть охарактеризована:

эквивалентной площадью несплошности Sэ, мм2;
отношением высоты импульса к полной высоте экрана, %;
отношением высоты импульса к уровню установленного порога АСД, дБ;
отношением высоты импульса к установленному опорному уровню, дБ.

Способы возбуждения ультразвуковых колебаний
Наибольшее распространение получил способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Жак Кюри заметили, что деформация пластинки кварца вызывает появление на ее гранях электрических зарядов. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причем той же величины, но противоположного знака.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

На рис. 5.16 схематически показано строение элементарной ячейки кристалла кварца SiO2. Знаком «плюс» обозначены атомы кремния с зарядом + 4, «минус» - группы из двух атомов кислорода с зарядом - 4. Ячейка не деформирована и является электрически нейтральной. Заряд атома 1 компенсируется зарядами групп 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1.

При сжатии пластины отрицательные группы 2 и 6 выдвигаются к плоскости А, и на этой поверхности появляется избыточный отрицательный заряд. У поверхности Б по такой же причине возникнет избыточный положительный заряд. При изменении направления деформации полярность заряда поверхностей А и Б меняется на противоположную.

Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием одной или многих осей. Естественный кристалл кварца представляет собой весьма стабильный материал, как с химической, так и с физической точки зрения, и имеет высокую степень твердости. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис. 5.17). Если провести линию, параллельную граням призмы, то эта линия определит оптическую ось кристалла (ось Z). Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шестигранной призмы - ось х, поэтому имеется три оси х в каждом естественном кристалле кварца (рис. 5.18). Ось у направлена перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси х и у перпендикулярны оси z.

Пьезоэффект наблюдается лучше всего в случае, когда пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей у и перпендикулярны оси х. Такую пластинку называют х-срезом. Если пластинку, вырезанную таким способом, деформировать в направлении оси х, то на ее поверхности возникнут электрические заряды. Если пластину поместить в переменное электрическое поле, направленное вдоль оси Х то пластина будет совершать толщинные колебания (рис. 2.14)


РИС. 2.14. Пьезоэлектрический эффект: а - пластина свободна; б - пластина сжата; в - пластина растянута

РИС. 2.15 Кристалл кварца	5.16. Изготовление пластины Х-среза

РИС. 2.17. Колебания пьезоэлектрической пластинки в переменном электрическом поле: а - х-срез; б - у-срез

В некоторых случаях изготавливают пластины Y-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси Y и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис. 2.17). Пластинки Х-среза служат для возбуждения продольных, а Y-среза – поперечных волн.

Пластинки для преобразователей выполняют толщиной в половину длины волны в пьезоматериале.
Термоакустический эффект. Известно, что если нагреть поверхностный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобретут повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термомеханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, формируемые слоем с изменяющейся температурой. В этом и заключается суть термоакустического эффекта.

Нагрев может осуществляться бесконтактно (индукционный нагрев) и даже дистанционно (нагрев лучом лазера), что дает возможность для бесконтактного возбуждения акустических колебаний в объекте контроля.
Электромагнитно-акустические (ЭМА) методы возбуждения и приема ультразвуковых колебаний основаны на явлениях магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия.

Магнитострикцией называется явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называется магнитоупругостью.

РИС. 2.18. Схема простейшего ЭМА-преобразователя: 1 - магнит; 2 - катушка с переменным током; 3 - изделие

Бесконтактное возбуждение и прием ультразвуковых колебаний осуществляется за счет магнитострикционного и магнитоупругого эффектов, наблюдаемых непосредственно в контролируемом изделии. Схема ЭМА-преобразователя (ЭМАП) изображена на рис. 2.18. Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Например, под действием постоянного магнитного поля изделие намагнитится. Катушка с переменным током будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое воздействие на изделие, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его поверхности. Возникающие при этом силы будут поверхностными, поскольку магнитный полюс образуется на поверхности изделия. Прием упругих колебаний будет происходить в результате того, что поверхность изделия будет приближаться и удаляться от катушки, изменяя в ней магнитное поле, что в свою очередь приведет к возникновению электрического тока в катушке.

Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые взаимодействуют с постоянным магнитным полем и вызывают колебания «электронного газа», а это, в свою очередь, приводит к возбуждению колебаний атомов, т. е. кристаллической решетки материала. Например, вихревые токи (рис. 5.20), индуцируемые в изделии катушкой 2 с переменным током, будут направлены перпендикулярно плоскости чертежа (отмечены точками), а силы их взаимодействия с магнитным полем - параллельно поверхности изделия. В результате в изделии возбудится поперечная волна. Поскольку вихревые токи распределены в слое конечной толщины, возникающие упругие силы будут носить объемный характер, но вследствие скин-эффекта они будут концентрироваться в узком подповерхностном слое. Обратный эффект состоит в возбуждении вихревых токов в металле, колеблющемся в постоянном поле под действием упругих волн. Эти вихревые токи индуцируют переменный ток в катушке 2, которая в данном случае служит приемником.

Эффекты магнитострикции и магнитного взаимодействия позволяют возбуждать продольные ультразвуковые волны как в ферромагнитных металлах, так и в магнитодиэлектриках. При определенной взаимной ориентации поля подмагничивания и переменного поля эффект магнитострикции может обеспечить возбуждение поперечных волн. Электродинамический эффект обуславливает возбуждение волн разных типов в любых токопроводящих материалах. В ферромагнитных металлах, например в железе, наблюдаются одновременно все три эффекта, поэтому работу ЭМАП, использующих все три эффекта, рассматривают в целом. Благодаря указанным особенностям ЭМАП позволяют возбуждать в объекте контроля волны практически любых типов, в том числе и такие, которые невозможно создать ПЭП, например, поперечные волны SH-поляризации.

При использовании ЭМАП не требуется применение контактной жидкости, поэтому при таком способе легче автоматизировать процесс контроля. Недостатками способа долгое время считались большие габариты ЭМАП и меньшая чувствительность, чем при использовании ПЭП. Однако в последние годы благодаря применению метода когерентного накопления полезного сигнала ЭМА-средства контроля практически достигли чувствительности методов с использованием ПЭП. Благодаря этому и указанным ранее особенностям область применения ЭМА-метода существенно расширилась.