4.2. Аппаратура

На рис. 17 показана функциональная схема аппа­ратуры для контроля методом АЭ. В состав одного канала входят следующие узлы.

ПЭП 1, чувствительный элемент которого изготов­ляют из пьезокерамики (ЦТС). При работе с темпе­ратурами выше 300 ... 400°С и высоком уровне радиации используют пьезокерамику из ниобата лития, у которого точка Кюри около 1200°С. Используют

– широкополосные ПЭП ( );

– полосовые ПЭП ( );

– узкополосные ПЭП ( ).

Узкополосные ПЭП применяют после отбора на основе предварительных исследований оптимальных для контроля частот. Широкополос­ные ПЭП используют при исследованиях формы и частотного спектра сиг­налов АЭ. ПЭП рассчитывают на прием колебаний, нормальных к поверхности ОК. Диаграмма направ­ленности ПЭП, как правило, весьма широкая. ПЭП приклеивают к поверхности ОК легкорастворимым клеем.

Рис. 17. Структурная схема ап­паратуры для контроля акусто-эмиссионным методом

Предусилитель 2 расположен вблизи ПЭП, приклеенного к ОК, обеспечивая передачу сигнала к ап­паратуре (на 50 ... 200 м) без снижения отношения сигнал–шум. Предусилитель имеет небольшое усиление (до 20 дБ) и низкий уровень собст­венных шумов.

Фильтр 3 определяет полосу частот принимаемых сигна­лов. Оптимальным является условие, когда полоса пропускания приемника совпадает с шириной спектра сигналов АЭ. Поскольку спектр сигнала очень широк, полосу частот приемника помещают выше частот помех. Частоты помех в виде механи­ческих ударов не превышают 0,4 МГц, в виде тре­ния – до 1 МГц. Частоты электро­магнитных помех еще выше. Час­тоты принимаемых сигналов выше 1 МГц нежелательны, т.к. это уменьшает дальность приема сигналов АЭ.

Основной усилитель 4 имеет равномерную АЧХ в диапазоне наблюдаемых частот при коэффициенте усиления 60 ... 80 дБ. Амплитудная характеристика – линейная или (при большом динамическом диапазо­не) логарифмическая.

При конструировании усилителя принимают меры для подавле­ния помех (в основном электромагнитных): экранируют весь канал, включая ПЭП и кабель; используют дифференциальные пре­образователи и усилители и др. В последнем способе пьезопластину в ПЭП разрезают на две части, и одну половину переворачивают, меняя направление ее поляризации. Сигналы от каждой пьезопластины усиливают отдельно, затем в одном канале меняют фазу на и оба сигнала складывают. Благодаря двойному изменению фаз сигналы АЭ сохраняются, а электромагнитные помехи, прошедшие два канала усилителя, оказываются в противофазе и подавляются.

Блок обработки сигналов 5 производит счет принимаемых ка­налом сигналов за все время испытаний или за короткий интервал (0,1 с) и выполняет их анализ. Аналогичную обработку по всем каналам выполняет блок 6. В анализ сигналов входит:

– исследование их амплитудного распределения,

– сня­тие амплитудно-частотных характеристик.

При превышении определенного уровня амплитуды, активности или эффективного значения используют звуковую и световую сигнализацию.

Блок определения местоположения источника сигналов АЭ 6 ис­пользует информацию от нескольких ПЭП, располо­женных в разных местах ОК. Когда сигнал АЭ достигает бли­жайшего к источнику преобразователя, начинается отсчет времени. Затем измеряют запаздывание времени прихода того же сигнала на другие преобразователи.

Для определения положения источников АЭ на плоскости используют методы триангуляции, для чего необходимо иметь не менее трех ПЭП вокруг источника. Триангуляция (лат. Trangulum – треугольник) – метод нахождения места некоторой точки на плоскости посредством построения системы треугольников. Увеличение чис­ла ПЭП облегчает задачу локации источника.

После обработки сигналы АЭ подают на экран ЭЛТ, где представлена соответствующая поверх­ности изделия и показано распо­ложение ПЭП. Источник сигналов АЭ появ­ляется в виде светя­щейся точки, рис. 18. Иногда на экране отображают амплитудное, временное или частотное распре­деление сигналов.

Погрешность определения местоположения источника со­ставляет 3 ... 5% от макси­мального расстояния между ПЭП, но не менее толщины стенки ОК. Местоположение источника по толщине ОК обычно не опреде­ляют. Локации подлежит только место эпицентра («следа») источ­ника на поверхности.

Имитаторы сигналов АЭ используют для оценки точности лока­ции объектов и проверки работоспособности аппаратуры. Калиб­рованный по амплитуде упругий сигнал можно возбудить, бросая на поверхность ОК шарик фиксированной массы с определенной высоты. Но такому сигналу присущ низкочастотный спектр (ниже 0,15 МГц). Сигналы АЭ имитируют, цара­пая поверхность или прижимая к ней вращающуюся металличе­скую щетку. Но это не обеспечивает постоян­ную амплитуду и частотный спектр. Приме­няют электроискровой разряд, но здесь мешают элек­тромагнитные помехи.

Лучший способ градуировки ПЭП и усилительных каналов ус­тановок АЭ – применение стержневой меры. На одном конце длин­ного (около 0,5 м) металлического стержня устанавливают калиб­руемый ПЭП. На другом конце возбуждают упругий импульс с помощью лазера определенной мощности.

Простой, но менее стабильный спо­соб проверки работоспособности установок АЭ и точности опреде­ления координат источника – возбуждение сигналов излучающим ПЭП. Иногда для этого приме­няют излучающий канал эходефектоскопа. Излучатель помещают в разные точки ОК, прижимая как обыч­но, через слой масла.

Рис. 18. Карта расположения ПЭП восьмиканальной аппа­ратуры АЭ на участке свар­ного сосуда с пря­мым сварным швом и кольцевым швом штуцера: –– сварные швы;  места ПЭП. Заштрихованы зоны появления сигналов АЭ

Примерные характеристики аппаратуры АЭ: диапазон рабочих частот (20 … 2000) кГц; общий коэффициент усиления (80 ... 100) дБ; уро­вень приведенных по входу шумов – около 10 мкВ; число кана­лов от 1 до 64. Частоты (20 ... 100) кГц применяют для контроля пластиков, (200 ... 2000) кГц при конт­роле металлов.