14.2.1. Конструкция пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) предназначены для ввода ультразвуковых колебаний в контролируемую деталь, а также для приема отраженных от границы ультразвуковых сигналов и для последующей их обработки в электронных блоках дефектоскопа.

Пьезоэлектрический преобразователь состоит из корпуса (рис. 146), в котором установлена пьезоэлектрическая пластина, наклеенная на протектор из оргстекла, питающих проводов, электроразъёма и дем­пфера.

Пьезопластина с двух сторон имеет токопроводящий слой металла (например, серебра), который служит токопроводя­щими электродами. Так как при колебаниях пластины волны рас­пространяются в обе стороны, то про­странство с обратной стороны пластины заполняется демпфирующим материа­лом, который гасит эти колебания, ис­ключая появление помех при дефектоскопирования.

Если к электродам пластины подклю­чить электрический ток, то она начнет ко­лебаться с частотой подводимого напря­жения.

73

При отключении питания от плас­тины она будет продолжать еще некоторое время колебаться и отдавать энергию этих колебаний в контактирующую с ней сре­ду.

Рис. 146. Конструкция прямого ПЭП:

1 – пьезоэлемент; 2 – протектор; 3 – контактный слой жидкости; 4 – электроды; 5 – демпфер

Но амплитуда этих колебаний будет быстро затухать, формируя при этом ко­роткий зондирующий импульс.

В зависимости от угла ввода ультра­звуковых волн ПЭП бывают:

• прямые, когда ультразвук вводят под углом 0° к вертикали, формируя только продольные волны;

• наклонные, когда ультразвуковые волны вводят под углом, за­данным конструкцией ПЭП.

В зависимости от конструктивного исполнения ПЭП могут быть:

• раздельными, когда они выполняют функцию приема и излуче­ния колебаний (рис. 147);

Рис. 147. Основные типы ультразвукового контроля:

а – прямой; б – наклонный совмещённый; в – наклонный раздельный; г – иммерсионный;

д – специализированный

74

• совмещенными, когда они выполняют функцию приема и излу­чения колебаний;

• раздельно-совмещёнными. Когда два раздельных преобразователя смонтированы в общем корпусе и разделены акустическим экраном;

• - специализированные — применяемые при контроле отдельных узлов и деталей подвижного состава (торцы осей колесных пар, зуб­чатые колеса и т.д.).

Корпус ПЭП выполняется из металла или пластмассы и служит для защиты пьезопластины от металлических повреждений. Для уко­рочения собственных колебаний пьезопластин их демпфируют. В качестве демпфирующего слоя используют текстолит, асбест, эпок­сидную смолу с вольфрамовой крошкой или другие компоненты. Толщина демпфирующего слоя выбирается довольно большой с тем, чтобы отраженная от его верхней грани ультразвуковая волна не создавала помех. Во избежание повреждений пьезопластины снизу она покрыта протектором. У наклонных преобразователей роль протектора выполняет призма. Каждый преобразователь имеет шильдик, на котором указана его характеристика. При выборе нуж­ного ПЭП необходимо знать его параметры и область применения.

Согласно ГОСТ 26266-84 все ПЭП, применяемые для ультразву­ковой дефектоскопии деталей вагонов и локомотивов, имеют следу­ющее буквенно-цифровое обозначение:

В современной ультразвуковой дефектоскопии наибольшее рас­пространение получили ПЭП следующих типов: П111-2,5-К12-0,03; П121-2,5-50-М-002; П 131-2,5-0/18-001 и др. Почти все типы рассчи­таны на различные частоты (1,25; 1,8; 2,5; 5,0; 10 МГц) и углы ввода от 0° и до 90°, в зависимости от модификации и способов примене­ния (рис. 148).

Для надежной передачи ультразвуковых волн от искателя в изде­лие между ними не должно быть промежутков, заполненных возду­хом, так как они отражают почти всю энергию падающей на них уль­тразвуковой волны, не пропуская ее обратно в изделие.

75

Рис. 148. Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи

Удаление воз­духа достигается смачиванием маслом контактирующих поверхностей искателя, протектора, призмы и изделия. В этом случае переход ульт­развука из твердого тела в жидкость сопровождается значительными потерями энергии на отражение и рассеяние. Эти потери можно по­низить, уменьшая толщину жидкости между искателем и изделием путем улучшения обработки поверхностного изделия.

Существенное влияние на прохождение ультразвука в изделие оказывает материал протектора искателя. Искатели, имеющие сталь­ной или керамический протектор, для хорошей передачи ультразву­ковой энергии в изделие требуют более точной обработки поверх­ности изделия. Искатели с протектором (из оргстекла или тонкой полимерной пленки) благодаря лучшему согласованию акустических сопротивлений сред, участвующих в соединении, позволяют осуще­ствлять передачу ультразвука через грубую поверхность. К тому же для лучшей передачи ультразвука большое значение играет величина контактной площади между преобразователем и издели­ем. Таким образом, при проведении ультразвукового контроля искатель следует устанавливать таким образом, чтобы в работе нахо­дилась вся его площадь, не допуская перекосов относительно прове­ряемой поверхности, так как при этом под протектором создается жидкостный клин, резко изменяющий направление луча.

Попадание песчинок под прибор (искатель) или других твердых частиц так­же мешает нормальной передаче ультразвука, поэтому перед смачива­нием поверхности детали ее необходимо очистить от наплывов краски, коррозии, окалины и других неровностей. Следует отметить, что очистка металла до блеска совсем необязательна. Оператор-дефектоскопист, приступая к выполнению операций по ультразвуковому конт­ролю, должен хорошо знать свойства пьезоэлектрического преобразо­вателя (ПЭП), которым он намерен работать. Знание характеристик направленности искателя (ПЭП) позволит оператору с пониманием отнестись к схеме контроля детали и хорошо ориентироваться в мно­гообразии сигналов, возникающих на экране ультразвукового дефек­тоскопа.

76

Оператору следует знать такие характеристики ПЭП, как чув­ствительность искателя, острота диаграммы направленности, мешаю­щее влияние зернистости структуры и другие параметры.