Краткие теоретические сведения. Исследование основных характеристик пьезоэлектрических преобразователей

Исследование основных характеристик пьезоэлектрических преобразователей ультразвуковых

Импульсных дефектоскопов общего назначения.

Методические указания к лабораторной работе № 23

по дисциплине “Основы проектирования приборов и систем”

Санкт - Петербург

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является исследование основных характеристик (параметров) пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) ультразвуковых импульсных дефектоскопов общего назначения.

Краткие теоретические сведения

Устройство для преобразования электрической энергии в акустическую энергию и обратно, принцип работы которого основан на пьезоэлектрическом эффекте, называется пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП). Ультразвуковые колебания могут быть возбуждены или зарегистрированы в объекте, если между ПЭП и объектом обеспечен акустический контакт, обуславливающий передачу ультразвуковых колебаний из ПЭП в объект и обратно, поэтому их называют «контактными». По конструктивному исполнению различают (рис. 1.1.): прямые ПЭП, наклонные ПЭП, раздельно-совмещенные (РС ПЭП). Основными элементами ПЭП являются, пьезопластина, электроды с проводниками, демпфер, протектор, призма, акустический экран.

а) б) в)

2

4 5 6

Рисунок 1.1. Схема устройства пьезоэлектрических преобразователей.

а) – прямой ПЭП; б) – наклонный ПЭП; в) – раздельно-совмещенный ПЭП (РС ПЭП). 1– пьезопластина; 2 – электроды с проводниками; 3 – демпфер; 4 – протектор; 5 – призма; 6 - акустический экран

Пьезопластина (пьезоэлемент) преобразует электрические колебания в акустические колебания и обратно. Изготавливаются преимущественно из пьезокерамики – цирконата титаната свинца (ЦТС). Пластины из ЦТС при температуре 290^оС теряют пьезоэлектрические свойства

Электроды с проводниками предназначены для подачи и снятия электрического напряжения. Электроды нужны для равномерного распределения по поверхности пластины электрического заряда.

Демпфер служит для гашения свободных колебаний пьезопластины с целью получения коротких импульсов.

Протектор выполняет следующие функции: защита пьезопластины от повреждения; улучшения согласования пьезопластины с объектом контроля; улучшение акустического контакта при контроле контактным способом.

Призма служит для создания необходимого типа волны и требуемого угла ввода ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие.

Акустический экран используется в раздельно-совмещенных преобразователях (РС ПЭП) для акустической и электрической изоляции излучающей и приемной частей.

К основным характеристикам ПЭП (Таблица 1) относят: передаточные функции (коэффициент электромеханического преобразования); электрические сопротивления; временные характеристики; параметры акустического поля; общетехнические. Характеристики ПЭП определяют воспроизводимость результатов контроля и подлежат поверке на заводе-изготовителе. При измерении параметров ПЭП следует различать простые методы, которые использует любой дефектоскопист на рабочем месте и дорогостоящие методы, требующие специально оборудованные лаборатории.

Таблица 1

№ п/п	Наименование параметра	Определение параметра
1.	Коэффициент преобразования	Количественное выражение отношения между различными физическими величинами на выходной и входной сторонах ПЭП
2.	Отклонение точки ввода луча	Точка ввода луча – место пересечения акустической оси с поверхностью ПЭП, контактирующей с изделием.
3.	Угол ввода луча (номинальное значение)	Угол между нормалью к поверхности, на которую установлен ПЭП, и линией, соединяющей точку ввода луча с центром цилиндрического отражателя, при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхо-сигнала наибольшая.
4.	Ширина диаграммы направленности	Диаграмма направленности (ДН) – это график в полярных координатах, характеризующий угловую зависимость интенсивности излучения в дальней зоне. Ширина основного лепестка ДН на уровне 0,7 определяется углом раскрытия.
5.	Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)	Изменение модуля коэффициента преобразования от частоты
6.	Частота максимума преобразования (рабочая частота)	Частота, соответствующая максимуму амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)
7.	Полоса пропускания	Частоты, при которых АЧХ ниже максимальной на 6 дБ в режиме двойного преобразования
8.	Реверберационная шумовая характеристика (РШХ)	Зависимость амплитуды реверберационных шумов ПЭП от времени после окончания импульса генератора дефектоскопа.
9.	Длительность реверберационных шумов (РШ)	Время, в течение которого уровень электрических сигналов, возникающих на зажимах ПЭП, снижается до заданного значения
10.	Задержка в ПЭП	Время распространения ультразвука в призме или в протекторе ПЭП

Для оптимизации параметров зондирующего импульса необходимо правильно согласовать ПЭП с выходным сопротивлением генератора импульсов возбуждения (ГИВ). Нужно согласование ПЭП и с входом приемного тракта конкретного дефектоскопа. По этой причине кабель не может иметь произвольную длину. Для согласования в ПЭП встраивают катушку индуктивности. В большинстве отечественных ПЭП нет встроенной катушки индуктивности, она находится в электронном блоке дефектоскопа.