Пьезоэлектрические преобразователи.

Существует ряд способов возбуждения ультразвуковых колебаний, в том числе механический, радиационный, лазерный, магнитный и др. В практике диагностирования в полевых условиях для получения и ввода ультразвуковых колебаний применяют специальные устройства - преобразователи, основанные на использовании электромагнитно-акустического (ЭМА) и пьезоэлектрического эффектов.

Важным преимуществом ЭМА-преобразователей является возможность контроля бесконтактным методом через слой изоляции. Вместе с тем такие преобразователи, в силу их конструктивных особенностей и низкого коэффициента преобразования, используются для прозвучивания поперечными и продольными волнами по нормали к поверхности объекта контроля и применяются в основном для толщинометрии металлоконструкций.

Наиболее распространенным является способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. Физическая сущность этого эффекта заключается в том, что при механическом растяжении или сжатии на поверхности пластин некоторых твердых материалов появляются электрические заряды противоположного знака - возникает прямой пьезоэффект (а); наоборот, при подаче на поверхность пластин переменных электрических зарядов пластина начинает сжиматься и разжиматься - имеет место обратный пьезоэффект (б). Такими свойствами обладает ряд природных и искусственных материалов: кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС) и др.

При реализации обратного пьезоэффекта механически вибрирующая пьезопластинка играет роль «молоточка», посылающего пучок упругих колебаний в контролируемый материал. Одновременно та же пластинка под действием прямого пьезоэффекта может служить преобразователем механических колебаний в электрические сигналы. Пьезопластинки являются основным элементом пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), предназначенных для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Основные преимущества ПЭП, обусловливающие их широкое применение, - высокая эффективность преобразования (высокая чувствительность) и простота конструкции. Используют три основные схемы конструктивного исполнения контактных ПЭП (см. рис.): прямые, наклонные, раздельно-совмещенные.

а - прямой;

б - наклонный;

в - раздельно-совмещенный.

На поверхности пьезопластины 1 методом осаждения или напыления наносят серебряные или медные электропроводные покрытия, одно из которых с помощью проводника 7 подключается к электрическому разъему ПЭП, а другие - к металлическому корпусу 5. Толщина пьезопластины принимается равной половине длины волны в пьезоматериале на рабочей частоте ПЭП. В прямых ПЭП пьезопластина одной стороной приклеена к демпферу 6, а другой стороной - к протектору 2. Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и должен обладать высокой износостойкостью. Демпфер в свою очередь служит для гашения свободных колебаний пьезопластины и получения коротких импульсов.

Наклонный ПЭП отличается от прямого наличием призмы 8, служащей для ввода упругих волн под углом к поверхности изделия. Угол призмы наклонного преобразователя выбирают таким, чтобы в изделие проходили волны одного типа в интервале между первым и вторым критическими углами. Призму обычно изготовляют из плексигласа, капролона или других материалов с высоким затуханием ультразвука, что обеспечивает быстрое затухание не вошедшей в изделие волны.

Раздельно-совмещенный ПЭП представляет собой сдвоенный наклонный ПЭП с малым углом призмы (обычно не более 10°). Одна половина раздельно-совмещенного ПЭП работает на излучение, а вторая на прием. Для предупреждения прямой передачи сигналов от излучателя к приемнику имеется акустический разделительный экран 9. Угол призмы 8 выбирается в диапазоне от 0...10°, что позволяет вводить в изделие волны одного типа без их трансформации. Изменяя углы призмы, их высоту и расстояние между ними, изменяют минимальную и максимальную глубину прозвучивания изделия. Раздельно-совмещенные ПЭП сложнее по конструкции, не являются универсальными (предназначены для конкретных глубин прозвучивания), но имеют значительно более низкий уровень помех.

● Используют различные способы ввода ультразвуковых колебаний от ПЭП в объект контроля: бесконтактный воздушный способ, контактный способ и иммерсионный способ.

Бесконтактный воздушный способ иногда применяют для контроля изделий из пластмассы и композитных материалов; для контроля металлов этот способ не используется из-за большой разницы волновых сопротивлений.

Иммерсионный способ предусматривает создание акустического контакта через слой жидкости. Для этого контролируемое изделие необходимо поместить в ванну с жидкостью (водой) либо применить струйный контакт через струю жидкости.

В подавляющем большинстве случаев используют контактный способ с применением контактной смазки (жидкости). Контактная смазка 4 служит для обеспечения акустического контакта и передачи ультразвуковых колебаний в объект контроля 3 и обратно. Толщина смазки должна быть меньше длины волны ультразвука в ней. Это достигается путем прижатия ПЭП к поверхности объекта контроля. Изменение толщины контактной смазки влияет на количественные результаты контроля, поэтому для повышения стабильности результатов при контактном способе контролируемую поверхность предварительно зачищают до шероховатости не хуже Rz40.

● Ультразвуковым волнам присущи общие закономерности распространения в соответствии с явлениями дифракции (огибания) и интерференции (сложения). При размерах излучателя, меньших длины волны, от него распространяются сферические волны, и излучение является ненаправленным. Если размеры излучающей пьезопластинки существенно больше размеров длины волны, то ультразвуковые волны будут распространяться в виде направленного пучка. В непосредственной близости от излучателя (в зоне Френеля) пучок волн распространяется почти без расхождения, а интенсивность колебаний вдоль пучка непостоянна, имеет скачкообразный характер и определяется явлением интерференции. Протяженность ближней (мертвой) зоны N определяется скоростью распространения колебаний С в среде, их частотой f и размером (радиусом) а излучающей пластины

.

При удалении от излучателя на расстояние пучок колебаний распространяется с расхождением под некоторым углом величина которого определяется соотношением

.

Интенсивность колебаний в этой зоне (зоне Фраунгофера) вдоль оси пучка будет монотонно убывать в соответствии с закономерностями затухания. Направленность пучка ультразвуковых колебаний улучшается с увеличением произведения a·f. Интенсивность колебаний в поперечном сечении дальней зоны непостоянна и убывает по направлению от оси пучка к его периферии. Характер изменения интенсивности в зависимости от угла между направлением луча и осью пучка определяется диаграммой направленности излучателя. Длина луча, направленного под некоторым углом к оси пучка, в пределах диаграммы направленности пропорциональна амплитуде колебаний в этом направлении. Поэтому от отражателей (дефектов), расположенных на одинаковом расстоянии от излучателя, но под разными углами к оси пучка, поступают сигналы, разные по амплитуде. Максимальная амплитуда сигнала будет при расположении отражателя на оси пучка. Типовая диаграмма направленности дискового излучателя в полярных координатах приведена на рис. За единицу принимают амплитуду A₀ на оси пучка.

При уменьшении угла расхождения увеличивается протяженность ближней зоны N. При в диаграмме направленности возникают боковые лепестки, в которых сосредоточивается до 20% энергии. В отдельных случаях боковые лепестки могут отражаться от дефектов и давать соответствующие сигналы.

Билет №14

1. Контроль напряженно-деформированного состояния объекта на основе тензометрирования.

Заключается в измерении перемещений (до 1 мм.).

Методы контроля напряженно-деформированного состояния:

- аналитические;

- экспериментальные;

- расчетно-экспериментальные.

При определении деформации используются следующие методы:

- «хрупкие» покрытия;

- «оптические» покрытия;

- сетчатые методы;

- интерферометрия;

- УЗ;

- измерительный контроль (линейки, рулетки и т.п.);

- тензорезисторный.

Розетки из тензодатчиков – система, состоящая как минимум из 3-х дачтиков.

Минимум по 3-м датчикам можно определить велечину и направление действия напряжений в конструкции.

1. измеряем перемещения;

2. рассчитываем напряжения;

3. сравниваем с допускаемыми.

Угол между датчиками может быть любой, но для удобства расчетов его обычно принимают 45°.

Типы датчиков: весы, струна (колебания струны преобразуются в электромагнитные колебания), трещина (является электрической емкостью – конденсатором, с ростом трещины вширь увеличивается эл. емкость)

1. Чувствительность методов неразрушающего контроля.

Чувствительность соответствующего метода НК оценивается наименьшими размерами выявляемых дефектов:

- для поверхностных - шириной раскрытия на поверхности детали, а также протяженностью и глубиной развития;

- для скрытых - размерами дефекта и глубиной его залегания.

Сопоставление различных методов контроля можно проводить только в тех условиях, когда возможно применение нескольких методов. Перечень рекомендуемых методов НК приводится в нормативно-технических документах по технической диагностике конкретных объектов.

1. Параметры акустической эмиссии.

После обработки принятых сигналов результаты контроля представляют в виде идентифицированных (с целью исключения ложных дефектов) и классифицированных источников АЭ. Классификацию выполняют, используя следующие основные параметры АЭ сигналов:

- суммарный счет акустической эмиссии - число зарегистрированных импульсов АЭ выше установленного уровня дискриминации (порога) за интервал времени наблюдения;

- активность акустической эмиссии - число зарегистрированных импульсов АЭ за единицу времени;

- скорость счета акустической эмиссии - отношение суммарного счета акустической эмиссии к интервалу времени наблюдения;

- энергия акустической эмиссии - энергия, выделяемая источником АЭ и переносимая волнами, возникающими в материале;

- амплитуда сигналов акустической эмиссии, длительность импульса, время нарастания события АЭ.

Суммарный счет и активность АЭ во время пластической деформации пропорциональны объему деформированного материала. Амплитуда сигналов и энергии АЭ при развитии трещины прямо пропорциональна скорости ее роста и максимальным напряжениям в данной зоне.

При классификации источников АЭ учитывают также их концентрацию, параметры нагружения контролируемого объекта и время.

Выявленные и идентифицированные источники АЭ в соответствии с правилами рекомендуется разделять на четыре класса:

- первый - пассивный источник, регистрируемый для анализа динамики его развития;

- второй - активный источник, требующий дополнительного контроля с использованием других методов;

- третий - критически активный источник, требующий контроля за развитием ситуации и принятия мер по подготовке возможного сброса нагрузки;

- четвертый - катастрофически активный источник, требующий немедленного уменьшения нагрузки до нуля либо до величины, при которой активность источника снижается до уровня второго или третьего класса.

Учитывая большое число параметров, характеризующих АЭ, отнесение источников к соответствующему классу осуществляется с помощью ряда критериев, учитывающих набор параметров. Выбор критериев осуществляется в зависимости от механических и акустико-эмиссионных свойств материалов контролируемых объектов.

Билет №15

1. Визуально-измерительный контроль сварных соединений.

Дефекты диагностируемого объекта и отклонения от заданной геометрической формы, обнаруженные при визуальном контроле, подлежат измерению с помощью различных измерительных инструментов и визуально-оптических приборов. Для измерения малых дефектов используются стандартные измерительные инструменты, применяемые в машиностроении: линейки, рулетки, штангенциркули, глубиномеры, струны, отвесы, шаблоны и др. Учитывая, что более 95 % всех дефектов металлоконструкций возникает в сварных соединениях. При этом наряду со стандартными предусматривается использование специальных инструментов, например универсального шаблона сварщика УШС-3, штангенциркуля ШЦ-1 с опорой и др. Точность измерения с помощью перечисленных инструментов в среднем составляет половину цены деления измерительной шкалы.

Визуальный контроль с применением оптических средств называют визуально-оптическим. Применение оптических средств позволяет существенно расширить пределы естественных возможностей человеческого зрения: производить измерения с более высокой точностью, обнаруживать более мелкие дефекты, осуществлять контроль в недоступных для человека местах закрытых конструкций. В зависимости от увеличения разрешающая способность при этом может достигать 1...5 мкм.