Ультразвуковой дефектоскоп

Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для генерации импульсов акустических колебаний, приема отраженных сигналов, а также преобразования этих сигналов в вид, удобный для наблюдения на их экране, а также для измерения координат дефектов и сравнения амплитуд сигналов. Прибор включает электронный блок (собственно дефектоскоп), набор преобразователей для излучения и приема ультразвуковых колебаний и различные вспомогательные устройства.

Для достоверного контроля дефектоскоп должен обеспечивать:

- линейную зависимость между амплитудами эхо-сигнала на входе дефектоскопа и индикаторе;

- получение максимальной информации о дефекте, точное измерение амплитуды и временных интервалов между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от дефекта;

- большой динамический диапазон усилителя, что позволяет одновременно видеть на экране большие и малые эхо-сигналы;

- селекцию эхо-сигналов в любом заданном временном интервале и автоматическую сигнализацию (звуковую, световую) их наличия;

- выравнивание чувствительности дефектоскопа по всей зоне контроля для компенсации затухания ультразвука в металле.

Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для излучения УЗ-колебаний, приема акустических сигналов, установления размеров выявленных дефектов и определения их координат.

Контроль качества продукции производят в различных условиях: в цехе, на монтаже, при эксплуатации. Поэтому к таким характеристикам дефектоскопа, как масса, габариты, автономность питания, простота индикации дефектов, устойчивость к сотрясениям и вибрациям (ГОСТ 23049-84) предъявляются особые требования. С другой стороны, для обнаружения дефектов и правильной оценки их величины и степени допустимости для данного изделия дефектоскоп должен иметь обязательный минимум функциональных блоков, позволяющий выполнить необходимые операции.

Структурная схема дефектоскопа. Электрические схемы ультразвуковых дефектоскопов очень сложны и громоздки. Схема дефектоскопа и рекомендации по работе с ним обычно даны в заводской инструкции. Для изучения принципа работы дефектоскопа достаточно рассмотрения его структурной схемы (рис. 4.1).

Генератор зондирующих радиоимпульсов 7 вырабатывает импульс электрических колебаний, возбуждающий ультразвуковые колебания в преобразователе 3. Отраженные от дефекта УЗ-сигналы принимает тот же (совмещенная схема) или другой (раздельная схема) преобразователь и трансформирует их в электрические импульсы, которые поступают на вход усилителя 1. Коэффициент усиления его регулируется во времени с помощью системы 4 временной регулировки чувствительности (ВРЧ).

Рис. 4.1. Блок-схема импульсного дефектоскопа: 1 – усилитель; 2 – автоматический сигнализатор дефектов; 3 – преобразователь; 4 – система ВРЧ; 5 – блок измерения толщины; 6 – электронно-лучевой индикатор; 7 – генератор зондирующих импульсов; 8 – синхронизатор; 9 – генератор развертки электронно-лучевого индикатора

Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на вход электронно-лучевого индикатора 6 и автоматического сигнализатора дефектов (АСД) 2.

Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа, одновременно с запуском генератора импульсов (или с некоторой заданной задержкой) он приводит в действие генератор развертки 9 электронно-лучевого индикатора.

Развертка позволяет различать по времени прихода сигналы от объектов отражения, расположенных на разном расстоянии от преобразователя, например, сигналы от дефектов отличать от донного сигнала. Синхронизатор также управляет работой блоков ВРЧ и АСД.

Современные дефектоскопы снабжены устройствами для измерения амплитуды и времени прихода отраженного сигнала.

Как правило, дефектоскопы общего назначения снабжены дублированной системой питания: от сети и от аккумуляторной батареи. Дефектоскоп имеет выход для работы других измерительных приборов и может быть синхронизирован с внешним источником.

В последнее время разработаны микропроцессорные дефектоскопы, автоматизирующие измерительные операции и обработку информации. Вспомогательные комплектующие дефектоскопа призваны облегчить труд оператора и повысить достоверность контроля. К ним относятся магнитные держатели, обеспечивающие надежный акустический контакт с изделием, приспособления для симметричного одновременного перемещения преобразователя для контроля по схеме «тандем» и др.

Рассмотрим более подробно работу основных узлов импульсного дефектоскопа.

Генератор зондирующих импульсов.Основными элементами генератора зондирующих импульсов (ГЗИ) являются колебательный контур, включающий передающий пьезоэлемент, и электронная схема, обеспечивающая генерацию коротких импульсов той или иной формы, заполненных радиочастотными колебаниями.

Наибольшее распространение получили так называемые генераторы ударного возбуждения. Схема простейшего генератора такого типа приведена на (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема генератора зондирующих импульсов

Колебательный контур включает пьезоэлементы П, индуктивность L_в и шунтирующее сопротивление R_в. Подбором индуктивности L_в обеспечивают требуемую частоту заполнения генерируемого импульса, а регулировка R_в обеспечивает необходимую добротность контура. Накопительная емкость С_н разряжается через тиристор Т при подаче на его электрод пускового импульса V_зап.

Амплитуда генерируемого импульса зависит от напряжения, а также постоянной времени зарядной цепи, определяемой балластным сопротивлением R_н, и накопительной емкостиС_н.

Существенным недостатком генератора ударного возбуждения является несоответствие очень высокой частоты первого полупериода колебаний (собственно удара) основной частоте требуемых ультразвуковых колебаний. Это вызывает снижение коэффициента полезного действия и расширение спектра частот. Поэтому в некоторых дефектоскопах используют схемы получения зондирующих импульсов произвольной формы, например колоколообразной, которая характеризуется наиболее узким спектральным составом при заданной длительности.

Приемно-усилительный тракт. Приемно-усилительный тракт дефектоскопа содержит предусилитель, измеритель амплитуд сигналов (аттенюатор), усилитель радиочастоты, детектор и выходной усилитель.

Предусилитель обеспечивает согласование усилительного тракта с приемным преобразователем. Он содержит ограничитель амплитуды, который предохраняет усилитель от перегрузок, связанных с воздействием зондирующего импульса (когда преобразователь включен по совмещенной схеме). При этом сигналы небольшой амплитуды практически не искажаются.

Схема, показанная на рис. 4.3, основана на том, что сопротивление кремниевого диода резко уменьшается, когда напряжение на нем, действующее в прямом направлении, превосходит примерно 0,5 В. При показанном включении ограничительные элементы (диоды) шунтируют как положительный, так и отрицательный полупериоды зондирующего импульса.

Рис. 4.3. Схема подавления воздействия зондирующего импульса

Недостатком этой схемы является то, что шунтирование искажает принимаемые сигналы большой амплитуды. Такой недостаток можно исправить, вводя цепочку из нескольких последовательно включенных диодов.

Входное сопротивление предусилителя должно быть согласовано с выходным сопротивлением преобразователя с учетом подключенного к нему колебательного контура. Для достижения максимальной чувствительности их импедансы должны быть примерно равны. Оценки показывают, что при настройке контура в резонанс с пьезопластиной активное сопротивление преобразователя составляет 20–60 Ом в зависимости от частоты и акустической нагрузки. В этих условиях сопротивление на входе усилителя не должно превышать 50–100 Ом.

Амплитуды сигналов чаще всего измеряют с помощью калиброванного делителя напряжения – аттенюатора. При этом сравнивают амплитуды двух или нескольких сигналов в относительных единицах. За единицу (0 дБ) обычно принимают максимальный сигнал, соответствующий амплитуде акустического зондирующего импульса. Иногда, однако, за исходное значение принимают амплитуды других сигналов, например донного сигнала для контролируемого изделия.

Аттенюатор располагают вблизи входа приемно-усилительного тракта для того, чтобы искажение амплитуд поступивших сигналов было минимальным. Требуемый диапазон измерения 60–80 дБ. В настоящее время выпускаются автоматические измерители амплитуды с цифровым выходом.

В дефектоскопах применяют усилители радиочастоты двух типов: узкополосные и широкополосные.

Узкополосные усилители находят широкое применение. Они обладают высокой помехоустойчивостью. Полосу пропускания выбирают не менее 0,2 f_o (f_o – резонансная частота), что обеспечивает минимальные искажения принятых сигналов в приемном тракте. Коэффициент усиления узкополосных схем в современных дефектоскопах достигает 80–90 дБ. Поскольку сигнал для дальнейшей обработки должен иметь амплитуду около 1 В, минимальное значение сигнала на входе усилителя должно быть не менее 10^-4 В. Как правило, применяют дифференциальные ступени усиления, обеспечивающие широкий динамический диапазон и высокую стабильность коэффициента усиления. Недостатком узкополосных усилителей является необходимость перестройки частотного диапазона при изменении рабочей частоты прибора.

В некоторых случаях целесообразно использовать широкополосные усилители, хотя они более сложны и обладают худшей помехоустойчивостью.

Усиленные радиочастотные сигналы поступают к детектору, на нагрузке которого выделяются огибающие радиоимпульсов.

Детектированные сигналы поступают на выходной усилитель с коэффициентом усиления 20–30 дБ. В некоторых дефектоскопах предусмотрена возможность наблюдения на электронно-лучевом индикаторе недетектированных сигналов с радиочастотным заполнением.

Важной характеристикой усилителя является его динамический диапазон, т. е. отношение амплитуд максимального и минимального сигналов, усиливаемых без искажения. Приборы с большим динамическим диапазоном позволяют правильно оценить соотношение амплитуд сигналов на экране электронно-лучевого индикатора даже без применения аттенюатора.

Помимо калиброванного аттенюатора импульсные дефектоскопы имеют другие регуляторы чувствительности. К ним относят регуляторы амплитуды зондирующего импульса, ВРЧ и отсечки, а также некалиброванный регулятор чувствительности усилителя. Регулятор отсечки изменяет потенциал порогового уровня отпирания детектора. Благодаря этому отсекаются все импульсы, амплитуда которых меньше выбранного значения. Применение отсечки искажает реальное соотношение амплитуд детектированных сигналов и сужает динамический диапазон усилителя прибора. В связи с этим разработана система так называемой компенсированной отсечки, которая обеспечивает восстановление амплитуды отсеченного сигнала до первоначального значения. Очевидно, что подобная схема позволяет оценить амплитуды отраженных сигналов по экрану электронно-лучевого индикатора даже при включении отсечки.

Временная регулировка чувствительности.Система временной регулировки чувствительности (ВРЧ) предназначена для генерирования электрического сигнала определенной формы, с помощью которого изменяется во времени усиление одной или нескольких ступеней приемно-усилительного тракта. Вызвано это, как уже указывалось, необходимостью компенсировать ослабление ультразвука в контролируемом изделии, обусловленное дифракционным расхождением и затуханием. Исходя из этого закон изменения усиления должен быть обратным закону убывания амплитуд отраженных сигналов от одинаковых по размерам дефектов по мере их удаления от преобразователя.

В наиболее совершенных приборах сигнал системы ВРЧ, учитывающий дифракционное расхождение ультразвука, подбирают кнопочным переключателем. Сигнал соответствует типу используемого преобразователя (зависит от размеров преобразователя, его частоты), а также длительности начального участка, на котором управляющий сигнал сохраняется постоянным, в соответствии с длиной ближней зоны преобразователя.

Действие затухания компенсируют другим управляющим сигналом ВРЧ или поворотом линии развертки в приборах с логарифмическим усилителем.

В некоторых приборах форму управляющего сигнала систем ВРЧ подбирают эмпирически по образцам с искусственными отражателями. В этом случае предусматривают раздельную регулировку по величине начального, среднего и конечного участков регулирующего сигнала.

Регистратор.В подавляющем числе эхо-импульсных дефектоскопов принятые отраженные сигналы регистрируют электронно-лучевые индикаторы. Чаще всего на горизонтально отклоняющие пластины подается усиленный до необходимой величины полезный сигнал, а на вертикально отклоняющие – напряжение развертки. Развертка синхронизируется частотой зондирующих посылок.

Электронно-лучевой индикатор содержит электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), согласующие и видеоусилительные ступени, а также генератор развертки (обычно ждущего типа), запускаемый от синхронизатора дефектоскопа одновременно с генератором зондирующих импульсов.

Длительность развертки определяется скоростью звука в материале и толщиной контролируемых изделий :

. (4.1)

При большой толщине изделия сигналы от близкорасположенных дефектов (особенно вблизи зондирующего импульса) плохо различимы на линии развертки. С целью преодоления указанного недостатка в современных дефектоскопах весь диапазон толщин прозвучиваемых изделий разбивают на ряд поддиапазонов, один из которых и выбирают при контроле изделия соответствующих габаритов.

Кроме того, многие дефектоскопы имеют специальные схемы задержки, с помощью которых запуск развертки осуществляется не зондирующим импульсом, а, например, первым отраженным от поверхности сигналом при иммерсионном контроле. Некоторые дефектоскопы снабжены специальной системой с произвольно регулируемым временем задержки, что обеспечивает возможность более детального изучения любого выбранного участка развертки.

В отдельных дефектоскопах кроме развертки типа А, при которой сигнал от дефекта на экране отображается в виде импульса, амплитуда которого пропорциональна величине дефекта, а положение на линии развертки пропорционально расстоянию от дефекта, применяются развертки типа B и C. Развертка типа B отображает поперечное сечение объекта контроля. Эхо-сигнал индицируется простой отметкой, амплитуда сигнала не измеряется. Развертка C отображает продольное сечение объекта также с яркостной отметкой сигнала.

Во многих автоматизированных дефектоскопических установках в качестве регистраторов применяют (наряду с электронно-лучевыми индикаторами) также различные электромеханические системы – самописцы того или иного типа. Достоинством применения самописцев является возможность получения документа – дефектограммы, фиксирующей результаты контроля.

Система автоматической сигнализации дефектов. Система автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначена для автоматической фиксации момента обнаружения дефекта. Ее можно рассматривать как частный случай регистратора. Особое значение такая система имеет в автоматизированных промышленных установках, однако и при ручном контроле эта система значительно облегчает работу оператора и позволяет повысить надежность полученных результатов прозвучивания.

Система АСД содержит стробирующее устройство и схему индикации выявленных дефектов. Стробирующее устройство предназначено для генерации вспомогательных импульсов, ширина и местоположение которых определяют зону индикации принятых отраженных сигналов. Указанные вспомогательные импульсы подаются к каскаду совпадений, на второй вход которого поступают все отраженные сигналы с выхода приемно-усилительного тракта.

Изменяя ширину и положения стробирующего импульса, можно произвольно выбирать тот или иной участок развертки, в котором наблюдаются отраженные сигналы.

Стробирующее устройство, таким образом, позволяет решать несколько задач. Во-первых, располагая начало стробирующего импульса после зондирующего или начального сигнала, а конец – перед донным сигналом, можно отсечь эти сигналы от последующих схем индикации.

Во-вторых, правильно выбирая длительность и время начала стробирующего импульса, можно установить требуемую зону контроля.

В-третьих, установив стробирующий импульс 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 во время действия стробирующего импульса, которые всегда меньше общего периода зондирующих посылок.

В качестве индикаторов в системах АСД обычно применяют электрические лампы либо светодиоды, а также электромагнитные реле.

Синхронизатор.Синхронизатор представляет собой автоколебательную систему, выполненную по схеме мультивибратора или (реже) блокинг-генератора.

Частоту генерируемого синхронизатором напряжения выбирают в зависимости от задач контроля в пределах 50–8000 Гц. В некоторых дефектоскопах она регулируется.

Поскольку частота синхронизатора определяет период следования зондирующих посылок, ее желательно выбирать большей. Это обеспечивает увеличение скорости контроля, а следовательно, и его производительности.

Однако частота ограничивается затуханием ультразвука и толщиной контролируемых изделий, поскольку необходимо, чтобы ультразвуковой импульс, излученный в изделие, полностью затух до поступления следующей посылки. Ориентировочно можно считать, что достаточный уровень ослабления будет достигнут в результате не менее чем N-кратного прохождения ультразвука через изделие по толщине, где . В этом случае максимальная частота следования зондирующих импульсов .

Устройство для измерения расстояния до объекта отражения.Расстояние до дефекта, дна изделия или другого отражателя ультразвуковых импульсов определяют по времени пробега импульса. При этом скорость распространения ультразвука в материале учитывают и корректируют путем измерения какого-либо известного расстояния, например толщины контролируемого изделия.

Во многих дефектоскопах измерения осуществляют непосредственно по экрану электроннолучевого индикатора, снабженного шкалой. Расстояния также определяют путем совмещения с передним фронтом измеряемого эхо-сигнала вспомогательного импульса, вырабатываемого измерительным устройством – глубиномером. Измерительный элемент (сопротивление или емкость) этого устройства, изменение которого вызывает перемещение метки вдоль линии развертки, имеет шкалу. В случае применения наклонных преобразователей используют две шкалы, соответствующие двум координатам дефектов. В некоторых приборах шкала одна, а две координаты измеряют ступенчатым переключателем регуляторов скорости ультразвука: одному положению переключателя соответствует измерение расстояния вдоль поверхности, а другому – по глубине изделия.

В современных импульсных толщиномерах и дефектоскопах применяют системы, дающие цифровой отсчет расстояний в изделии. При этом измеряется интервал времени между зондирующим и ближайшим к нему импульсом на экране или импульсом, перед которым устанавливается электронная метка. Такую систему отсчета следует признать наиболее удобной.

Во многих автоматизированных промышленных дефектоскопических установках, содержащих большое число преобразователей, последние включают поочередно либо отдельными группами. В этом случае синхронизатор управляет работой электронного коммутатора, логические элементы на выходе которого выполняют функции отдельных электронно-акустических каналов системы в заданной последовательности. Обычно применяют коммутаторы кольцевого или регистрового типа.