Ультразвуковой дефектоскоп

Ознакомимся с принципами работы ультразвуковой техники. Для примера, выбран упрощенный до примитива алгоритм работы аналогового дефектоскопа. Современная цифровая техника, конечно же, работает по – другому, однако принцип передачи и приема ультразвуковых колебаний остается неизменным. То есть необходимо передать короткие звуковые импульсы в контролируемый объект, чтобы измерить время прохождения звукового импульса от преобразователя до отражающей поверхности и назад.

Это возможно только тогда, когда имеется четко определенное стартовое время и конечное время. Если скорость звука в объекте контроля известна, тогда, используя простые вычисления, можно определить расстояние до отражающей поверхности и таким образом точное положение несплошности в объекте контроля, рис. 6.

Рис. 6. Принцип измерения времени и пути импульса

Звуковые отражения в слышимом диапазоне называются эхом. Таким образом, возникло и имя метода, который применяется в большинстве областей контроля материалов с помощью ультразвука – Импульсный Эхо Метод (рис. 7)

Рис. 7. Блок диаграмма импульсного эхо-метода

Измерение времени начинается с подачей электрического импульса передачи – импульса возбуждения. Это очень короткий электрический разряд, вызывающий звуковой импульс в пьезоэлементе преобразователя. Звуковой импульс проходит через материал и при отражении от несплошности или противоположной поверхности материала возвращается назад к преобразователю. Полученные колебания преобразуются в электрический импульс, останавливающий измерение времени. Расстояние до отражающей поверхности можно тогда рассчитать по следующей формуле[1]:

где - путь, звукового импульса [мм];

- скорость звука в материале [км/с];

- время прохождения импульса [c].

Если теперь время прохождения и амплитуду импульса отобразить в графическом виде, получится упрощенная модель универсального Ультразвукового Дефектоскопа. Чтобы оценить параметры визуальных эхо – сигналов на экране расположена сетка. Регулируемая шкала с горизонтальными рисками называется шкалой дисплея рис. 8.

Рис. 8. Шкала дисплея

Используя шкалу, оператор может измерить параметры отраженного сигнала на экране. Как это делается? Как уже упоминалось, электрический импульс возбуждает звуковой импульс в преобразователе. В тоже время этот импульс напряжения подается на вход усилителя, и максимальная амплитуда определяет вертикальное отклонение развертки дисплея – данный импульс называют зондирующим. С данным зондирующим импульсом, горизонтальная развертка начинается в левом нижнем углу экрана синхронно с началом звуковых колебаний в объекте контроля, и движется вдоль базовой линии вправо с постоянной скоростью, рис. 9.

Рис. 9. Отраженный сигнал на экране

Скорость импульса зависит от материала объекта контроля (скорость звука – это константа материала). Скорость развертки дисплея прибора может изменяться в широких пределах. Таким образом, скорость развертки может быть точно согласована со скоростью звука.

Часть звукового импульса, прошедшая через объект контроля и вернувшаяся к преобразователю, генерирует в кристалле (пьезопластине) небольшой электрический сигнал, который, после усиления, определяет вертикальное отклонение точки луча – эхо сигнал от донной поверхности. Отклонение происходит быстро, т.к. звуковой импульс короткий, и поэтому, может возбудить лишь короткий импульс напряжения в кристалле преобразователя.

Электронный луч возвращается быстро назад на базовую линию и продолжает идти вправо, пока большая часть импульса отражается от поверхности проходит по объекту второй раз.

Если сигнал отражается от противоположной поверхности это – донное эхо. Теперь нетрудно догадаться, как будет выглядеть экран дисплея, в случае если внутри объекта контроля есть другой отражатель, например, разрыв материала: между зондирующим импульсом и эхо – сигналом от граничной поверхности возникнет дополнительный эхо –сигнал (промежуточное эхо), вызванный частичным отражением звуковой волны от несплошности, рис. 10.

Рис. 10. Контроль объекта с несплошностью – эхо – сигнал от дефекта

Метод определения расстояния до дефекта ранее описан – теперь встает проблема обнаружения несплошности.