3.Конструкція п’єзоперетворювача і призначення основних його елементів.

П'єзоелектричний перетворювач (ПЕП) – пристрій, призначений для перетворення електричної (акустичної) енергії в акустичну (електричну). Принцип роботи ПЕП базується на використання п’єзоефекта.

Найбільш широкого застосування в дефектоскопії набули контактні перетворювачі. Конструкції їх наведені на рисунку:

ПП’єзопластина 1 в контактному прямому ПЕП приклеєна або притиснута з однієї сторони до демпфера 2, з другої – до протектора 3 (рис а).

П’єзопластину, демпфер і протектор, склеєних між собою, називають резонатором. Резонатор розміщений в корпусі 6. За допомогою виводів 7 п’єзопластину з’єднюють з електронним блоком дефектоскопа. Контактна рідина 4 забезпечує передачу пружних коливань УЗ частоти ПЕП до об’єкта контролю (ОК) і навпаки.

Прямі ПЕП призначені для збудження повздовжніх хвиль. В контактних нахилених ПЕП (рис б) для введення УЗ коливань під кутом до поверхні ОК застосовують призму 8. Ці коливання призначені для збудження в основному зсувних, поверхневих і нормальних хвиль.

Резонатор контактних роздільно-суміщених ПЕП (рис в) складається з двох призм 8 з приклеєними до них п’єзопластинами 1, які розділенні електроакустичним екраном 9. Він служить для уникнення прямої передачі УЗ від випромінювальної п’єзопластини, під'єднаної до генератора, до приймальної п’єзопластини, під'єднаної до підсилювача електронного блока.

П’єзопластина зазвичай має товщину, рівну половині довжини хвилі УЗ в п’єзоматеріалі на резонансній частоті. Протилежні сторони п’єзопластини покриті металічними (срібними) електродами для прикладання електричного поля. Щоб запобігти пробою по краям пластину не металізують.

Демпфер служить для послаблення коливань п’єзопластини, керування добротністю ПЕП і захисту п’єзопластини від механічних пошкоджень. Склад і форма демпфера повинні забезпечувати повне затухання і відведення коливань, що випромінюються в матеріал демпфера без багатократних відбивань.

Протектор служить для захисту п’єзопластини від механічних пошкоджень і дії імерсійної або контактної рідини, узгодження матеріалу п’єзопластини з матеріалом ОК або середовищем, покращення акустичного контакту при контролі контактним способом.

Призму виготовляють звичайно з матеріалу з невеликою швидкістю звука, що дозволяє при відносно невеликих кутах падіння отримувати кути заломлення до 90˚. Високе затухання УЗ в призмі дозволяє забезпечити послаблення хвилі, яке збільшується в результаті багатократних відбивань.

Корпус служить для забезпечення міцності конструкції, а також для екранування п’єзоелемента і його виводів від електромагнітних завад, тому корпус із пластмаси металізують.

Електричні контакти виконують пайкою легкоплавкими припоями. Для з’єднання ПЕП з електронним блоком застосовують максимально гнучкий кабель. Часто для узгодження з електронним блоком дефектоскопа всередині корпуса ПЕП поміщають трансформатор, котушку індуктивності, резистор.

4.Фізичні основи неруйнуючого контролю електромагнітними випромі-нюваннями.Характеристики електромагнітних випромінювань. Взаємодія електромаг-нітного випромінювання з речовиною.

Електромагнітне випромінювання представляє собою електричні і магнітні поля, що швидко змінюються і поширюється у вакуумі зі швидкістю . Вони виникають при прискореному русі електричних зарядів, що пізніше було підтверджено дослідами Герца. При зміні електричного поля формується змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, породжує змінне електричне поле. Електромагнітне поле, що виникло у будь-якій точці простору, росповсюджується у всіх напрямках у вигляді електромагнітних хвиль.

На рис. 1.1 зображена електромагнітна хвиля в момент часу t, де одна синусоїда показує коливання вектора напруженості E електричного поля, друга – вектора напруженості H магнітного поля. В кожній точці x зміна векторів E, H у часі відбувається також за синусоїдальним законом, тобто хвильовий процес росповсюджується у часі від точки до точки простору з деякою швидкістю v і описується рівняннями:

(1.1)

де E_z0 , H_y0 – модулі векторів E, H; v=(1/T_v) – частота; T_v – період коливань в точці x; – швидкість поширення хвилі; _r і _r – відносні діелектрична і магнітна проникності середовища. Довжина хвилі =vT зв’язана з частотою відношенням =v/v і є відстанню, що проходить хвиля за час одного періоду T_v. Поряд з частотою v часто користуються круговою частотою =2v або хвильовим числом k_x=2/ .

Величина v=v=/k_x, що характеризує швидкість поширення електромагнітної хвилі, називається фазовою швидкістю. При поширенні імпульса електромагнітної енергії, який можна представити у вигляді суперпозиції хвиль виду (1.1), вводиться поняття групової швидкості – швидкості переміщення максимуму енергії у досліджуваній групі хвиль: v=v-v/.

Рисунок 1.1– Графічне представлення монохроматичної електромагнітної хвилі.

Ця формула, отримана Релеєм, відображає залежність швидкості розповсюдження гармонічної хвилі у середовищі від довжини хвилі . Ця залежність називається дисперсією хвиль. Для деяких комбінацій середовищ і довжин хвиль v/>0 і v<v. Залежність v=f() може бути використана для контролю складу речовини.

Електромагнітну хвилю, описану виразом (1.1), називають монохроматичною (однокольоровою) – її період і початкова фаза не змінюються з часом. Якщо кілька електромагнітних хвиль мають однакову частоту коливань і постійну різницю фаз, вони вважаються когерентними (від лат. cohaerens – той що знаходиться у зв’язку).

Як видно з рис. 1.1, монохроматична хвиля характеризується поряд з довжиною хвилі  вектором і положенням площини коливань вектора напруженості електричного поля в системі координат xyz. Вектор спрямований під прямими кутами до векторів i , утворює з ними правогвинтову систему і визначає напрям переносу енергії електромагнітної хвилі. Модуль вектора  , що називається вектором Умова-Пойтинга, пропорційний квадрату амплітуди напруженості електричного поля і характеризує густину потоку енергії ( ), що переноситься за одиницю часу через одиничну площадку.

Положення електричного вектора в площині, перпендикулярній напрямку розповсюдження хвилі, характеризує її поляризацію (від грец. polos – вісь, полюс). Якщо він не виходить за межі площини (наприклад. z0x на рис. 1.1), хвиля вважається плоско- або лінійно поляризованою. Суперпозиція двох плоскополяризованих у взаємно перпендикулярних площинах хвиль, однакових по амплітуді і зсунутих по фазі на 90, створює хвилю, поляризовану по колу (циркулярно). Вектор неперервно обертається навколо напряму розповсюдження, описуючи своїм кінцем за кожний період повне коло (рис. 1.2,а). При довільних амплітудах і фазах сумарне коливання еліптично поляризовано (рис. 1.2,б).

Рисунок 1.2–Колова (а) і еліптична (б) поляризація електромагнітної хвилі.

Хвильова природа електромагнітного випромінювання підтверджена багатьма дослідами, в яких спостерігались явища інтерференції та дифракції. Явище інтерференції (від лат. inter – взаємно, між собою і ferio – вдаряю, вражаю) проявляється при накладанні хвиль з однаковими періодами і полягає в підсиленні амплітуди результуючої хвилі в одних точках простору і послаблення її в інших.

Якщо дві когерентні хвилі з амплітудами Е₀ пройшли до зустрічі в деякій точці різні шляхи х₁ і х₂, то результуюча хвиля

(1.2)

і відповідно її амплітуда і фаза рівні

, (1.3)

, (1.4)

де  – початкова різниця фаз.

Вагомим доказом на користь хвильової природи електромагнітного випромінювання служать також явища відхиленя руху променів від напрямку прямолінійного розповсюдження. Наприклад, якщо на шляху променів від точкового монохроматичного джерела світла поставити маленький непрозорий диск, то його зображення на віддаленому екрані оточено темними і світлими кільцями, що чергуються. Це явище, отримавше назву дифракції (від лат. dif­fractus – розломаний), пояснюється на основі принципа Гюйгенса – Френеля, згідно з яким результуюча хвиля являється огинаючою елементарних сферичних хвиль, збуджуваних хвильою, що приходить, в кожній точці простору, до якої вона доходить. Звідси випливає обов’язкове відхилення променів від прямолінійного розповсюдження при наявності завади і інтерференції вторинних хвиль, що породжує кільця навколо проекції диску на екрані.

Радіохвильові методи знаходять використання для виявлення у діелектричних і напівпровідникових матеріалах дефектів типу порушення суцільності, ішнородних включень, структурних неоднорідностей.

Неоднорідність будь-якого типу викликає зміну параметрів хвилі, яка пройшла через матеріал або відбилася від нього. Ці зміни дозволяють виявити дефекти розміром 1…2 при товщині матеріалу до 1 м. Радіхвильові методи використовують також для контролю товщини діелектричного шару на металічних або діелектричних покриттях. При цьому відносна похибка вимірювання становить 1…3% або 50…100 мкм на довжині хвилі 3 см і 20…30 мкм на довжині хвилі 8 мм. Межі контрольованих товщин коливаються від одиниць до сотень міліметрів.

Завдання контролю таких параметрів, як пористість, питомий електричний опір, діелектрична проникність, тангенс кута діелектричних втрат, вологість, в’язкість, амплітуда вібрацій, також вирішуються радіохвильовими методами.

Оптичний контроль. При деяких обмеженнях на клас ОК перелічені вище завдання вирішуються і за допомогою оптичних методів контролю. На відміну від радіохвильових оптичні методи дозволяють досягти значно вищої точності при контролі розмірів; засоби формування оптичних зображеня порівняно прості. Вдається проконтролювати ряд нових ОК, випробовування яких іншими методами менш ефективні (наприклад, у випадку прозорих для оптичного випромінювання матеріалів). Як уже говорилося, область оптичних випромінювань простягається від 12 нм до 1000 мкм. У практиці НК використовується головним чином обмежений діапазон довжин хвиль =0,2…14 мкм через значне поглинання випромінювання довжин хвиль <0,2 мкм і >14 мкм при їх розповсюджені у повітрі від джерела випромінювання до ОК і від ОК до приймального пристрою.

Джерелами оптичних випромінювань можуть служити розжарені тіла, газорозрядні лампи, лазер.

Способи реєстрації хвиль оптичного діапазону базуються на вимірюванні потоку електромагнітного випромінювання. Для цієї мети використовуються фотоелектричні ефекти, реалізовані у фотоелементах, фотопомножувачах, фоторезисторах тощо, фотохімічні ефекти (фотоемульсії), термоелектричні (болометри, терморезистори), фотолюмінесценція (люмінесцентні екрани).

В області довжин хвиль 0,4…0,7 мкм ефективним приймачем випромінювання являється око людини.

Криві відбивання, поглинання, розсіювання, отримані при зміні довжини хвилі зондуючого випромінювання, дозволяють судити про якість продуктів харчування, склад нафти, стан навколишнього середовища, структуру пластмас і полімерів, концентрацію частинок у розчинах. Поляризоване світло широко використовується у скляній, хімічній, харчовій промисловості для визначення внутрішніх напружень у матеріалах, контролю складу розчинів тощо.

При теплових методах контролю з використанням випромінювання джерелом інформації виступає температурний рельєф (теплове зображення) ОК. Тому не важко вказати на ряд очевидних його додатків. Помилки при виробництві радіоелектронної апаратури (встановлення недоброякісних елементів, невірні з’єднання їх між собою) призводять до зміни конфігурації температурного поля, яке формується при подачі напруги живлення. На тепловому зображенні спостерігаються локальні перегріви, які дозволяють судити про якість контактів, неоднорідність електропровідних шарів, порушенні теплового режиму електроних компонентів. Динаміка формування теплового поля під капотом відображає відповідність розміщення елементів і вузлів автомобіля прийнятої конструкції. Якщо створити в ОК тепловий потік, то температурний рельєф буде відображати його внутрішню структуру. Цей принцип покладено в основу теплової дефектоскопії, контролю неоднорідності теплофізичних параметрів.

Перераховані приклади не вичерпують всіх областей застосування оптичного і теплового контролю, але дозвляють оцінити масштаб їх використання у різноманітних областях народного господарства.

Коротка характеристика методів контролю випромінюваннями дозволяє зробити висновок про наявність функціональних елементів, властивих радіохвильовим, оптичним, тепловим і радіаційним методам. Цей висновок базується на двох положеннях; природа електромагнітного випромінювання єдина, принципи виділення корисної інформації на фоні завад однакові у всіх методах і служать основою для складання загальної схеми засобів контролю.