Принципы ультразвуковой толщинометрии

Ультразвуковая толщинометрия основана на способности ультразвуковых колебаний (с частотой от 20 МГц до 1 ГГц, превышающей пределы слышимости человека) распространяться в твердых телах на большую глубину без заметного ослабления и отражаться от границы раздела двух веществ (сред).

Для возбуждения упругих колебаний в различных материалах используют разные типы преобразователей. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собой пластину, изготовленную из монокристалла кварца, или пьезокерамические – из титаната бария, цирконат-титаната свинца и др. На поверхность таких пластин наносят тонкие слои серебра, служащие электродами, и пластины приобретают пьезоэлектрические свойства.

При приложении к электродам переменного электрического напряжения пьезопластина совершает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой электрического напряжения (обратный пьезоэффект). При воздействии на пластину упругих механических колебаний на ее электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой воздействующих на нее механических колебаний (прямой пьезоэффект).

Если пьезопластинку (пьезоэлемент) приложить к поверхности контролируемого объекта (детали, конструкции), то в материале объекта будут возбуждаться и распространяться упругие волны. Для улучшения акустического контакта между пьезоэлементом и проверяемой деталью на поверхность детали наносят тонкий слой минерального масла, устраняя воздушный зазор.

При односторонней толщинометрии часто используют эхоимпульсный метод. В этом случае упругие колебания вводят в изделие с одной стороны искательной головки (содержащей пьезоэлемент). Импульсы посылают в контролируемое изделие один за другим через определенные промежутки времени. Введенный (зондовый) импульс ультразвуковых колебаний (УЗК), пройдя сквозь толщу материала, доходит до противоположной (донной) поверхности изделия, зеркально отражающей упругие волны, и, возвращаясь, частично попадает на пьезоэлемент искательной головки. На экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) возникает отраженный (донный) импульс (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема эхоимпульсного метода:

1 – контролируемое изделие; 2 – искательная головка; 3 – начальный импульс

на экране электронно-лучевой трубки; 4 – донный импульс

Время прохождения введенного (зондового) и отраженного (донного) импульсов характеризует толщину контролируемых изделий, значения которой выводятся в виде осциллограммы на экране ЭЛТ или в цифровом виде на индикаторе.

Принципы электромагнитно-акустической (ЭМА)

Толщинометрии

При больших скоростях и вибрациях контролируемого объекта, высоких и низких температурах, шероховатой и загрязненной поверхности, а также в случаях, когда по технологии контактные жидкости (минеральные масла и т. п.) применять недопустимо, используют бесконтактные методывозбуждения акустических волн.

Возбуждение ультразвуковых колебаний производится за счет взаимодействия вихревых токов, наводимых на поверхности токопроводящего материала катушкой электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей при подаче в них импульса ультразвуковой частоты с магнитным полем этого преобразователя.

Импульс ультразвуковых колебаний распространяется по нормали к поверхности излучения, достигает противоположной поверхности изделия, отражается от нее в обратном направлении и возвращается частично к ЭМА-преобразователю. Этот процесс происходит многократно. Под действием ультразвуковых колебаний (УЗК) и магнитного поля, создаваемого в металле магнитом ЭМА-преобразователя, в металле возникают вторичные вихревые токи, электромагнитное поле которых наводит в катушке ЭМА-преобразователя серию импульсов, повторяющихся с интервалом

, (9.1)

где t – время распространения ультразвуковых колебаний от одной поверхности к другой и обратно, т. е. величина интервала;

d – толщина материала контролируемого изделия;

V – скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале изделия.

Серия отраженных импульсов усиливается, обрабатывается аналоговой и микропроцессорной цифровой схемами с частотой повторения от
1 до 8 Гц, определяемой периодичностью посылок импульсов ультразвуковых колебаний.

Результат измерений (толщина) отображается на индикаторе.

Порядок выполнения работы