14.3. Средства ультразвукового контроля

К средствам ультразвукового (УЗ) контроля относятся следую­щие устройства: УЗ дефектоскопы; УЗ толщиномеры; пьезоэлектри­ческие преобразователи ПЭП; стандартные образцы предприятий; приспособления для стабилизации акустического контакта; устрой­ства для осуществления перемещения ПЭП по поверхности изделия (сканирующие устройства).

1. Классификация ультразвуковых дефектоскопов

УЗ дефектоскоп — это электронно-акустическое устройство, пред­назначенное для возбуждения—приема УЗ колебаний и преобразо­вания их в вид, удобный для вывода на блок индикации.

В зависимости от области применения дефектоскопы делят на приборы общего назначения (УЗДОН) и специализированные (УЗДС). По функциональному назначению дефектоскопы подраз­деляются на следующие группы:

• для обнаружения дефектов в изделиях (пороговые УЗД);

80

• для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношения амплитуд сигналов от дефектов;

• для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения эквивалентной площади дефектов по их отражающей спо­собности или условных размеров дефектов;

• для обнаружения дефектов, распознавания их форм или ориен­таций, для измерения размеров дефектов или их условных размеров.

По конструктивному исполнению дефектоскопы делятся на ста­ционарные, переносные и портативные. По степени участия дефектоскописта в процессе контроля различают ручные, механизирован­ные и автоматизированные дефектоскопы. Условное обозначение отечественных дефектоскопов состоит из букв УД (для УЗДОН) или УДС (для УЗДС), номера группы назначения, порядкового номера модели и буквы М, если дефектоскоп прошел модернизацию.

14.3.2. Принцип действия и устройство импульсных дефектоскопов

Конструктивно импульсные УЗ дефектоскопы состоят из элект­ронного блока и комплекта преобразователей. В зависимости от назначения УЗ дефектоскопы можно разделить на специализирован­ные и универсальные. Специализированные дефектоскопы, как пра­вило, предназначены для контроля однотипных деталей, а универсаль­ные могут использоваться для контроля различных деталей. Кроме того, некоторые дефектоскопы работают совместно с микропроцес­сорными устройствами, которые образуют специальный электронный блок, а другие имеют возможности для подключения к внешним вы­числительным устройствам. В связи с этим дефектоскопы различают­ся блоками индикации. Одни оборудуются электронно-лучевыми труб­ками, а другие — жидкокристаллическими дисплеями.

Принцип работы УЗ эхо-импульсного дефектоскопа можно пред­ставить в виде блочной схемы (рис. 154).

Рис. 154. Блочная схема УЗ эхо-импульсного дефектоскопа общего назначения:

И — индикатор; У — усилитель; С — синхронизатор; А — аттенюатор; ИП — ис­точник питания; БИ — блок измерений; БР — блок развертки и подсветки; ПУТ — приемно-усилительный тракт; ЭЛТ — электронно-лучевая трубка; ГСИ —генера­тор синхронизирующих импульсов; ДЧ — делитель частоты; ГИВ — генератор импульсов возбуждения; ВРЧ – временная регулировка чувствительности; АСД – блок автоматической сигнализации дефекта

81

Генератор синхронизирую­щих импульсов ГСП через определенные промежутки времени выра­батывает импульсы, которые проходят через делитель частоты ДЧ и запускают различные блоки прибора. Генератор импульсов возбуж­дения ГИВ вырабатывает короткий импульс, который через разъем Р1 подается на пьезоэлемент ПЭП1, работающий в режиме излуче­ния, ПЭП2 — только в режиме приема. Очередность работы ПЭП определяется ключом К2. Отраженный сигнал принимается преобра­зователем ПЭП2 и передается через разъем Р2 на аттенюатор А.

Режим работы, при котором к дефектоскопу подключены два ПЭП и один из них работает только в режиме излучения, а второй — толь­ко в режиме приема (ключ К2 разомкнут), называют разделительным.

Режим работы, при котором к дефектоскопу подключены два ПЭП и каждый из них работает как в режиме излучения, так и в режиме приема (ключ К2 замкнут), называют разделъно-совмещенньм.

Наиболее используемым в эхо-импульсном дефектоскопе являет­ся режим, при котором один и тот же пьезоэлемент работает как в режиме излучения, так и в режиме приема (ключ К2 замкнут). Такой режим называется совмещенным.

Аттенюатор служит для калиброванного ослабления и измере­ния отношений принятых сигналов. Далее сигнал усиливается и пре­образовывается в блоке усилителя У, а затем подается на вертикальную отклоняющую пластину электронно-лучевой трубки ЭЛТ или на другой индикатор.

Блок развертки БР вырабатывает пилообразные импульсы и пря­моугольные импульсы подсветки. Пилообразные импульсы подают­ся на горизонтально-отклоняющие пластины ЭЛТ.

Блок временный регулировки чувствительности ВРЧ позволяет скомпенсировать уменьшение эхо-сигналов с увеличением глубины, связанное с геометрическим расхождением пучка и затуханием зву­ка в материале.

Блок автоматической сигнализации дефектов АСД предназначен для установления зоны контроля и формирования сигнала для по­дачи на звуковой, световой или другой сигнализатор при наличии эхо-импульса в зоне контроля.

Блок измерений БИ предназначен для измерения координат де­фектов с выдачей информации на индикатор И. Блок питания обес­печивает напряжением все блоки дефектоскопа.

Синхронизатор обеспечивает синхронную работу блоков дефек­тоскопа по времени, реализуя импульсный режим излучения и при­ема УЗ колебаний, а также одновременный запуск генератора им­пульсов возбуждения и генератора развертки. Синхронизатор состо­ит из генератора синхронизирующих импульсов и делителя частоты.

Генератор импульсов возбуждения вырабатывает высокочастот­ные электрические импульсы, возбуждающие излучающую часть ГТЭП. Несущая часть импульсов подстраивается индуктивностью, расположенной либо в преобразователе ПЭП, либо в приборе.

82

В дефектоскопе предусмотрена возможность регулировки мощнос­ти генерируемых импульсов путем изменения их амплитуды и дли­тельности. В современных дефектоскопах импульс напряжения вы­сокой частоты получают с помощью тиристорного преобразовате­ля. Длительность возбуждаемого электрического импульса не превышает 1 мкс. Амплитуда импульса регулируется анодным на­пряжением каскада передатчика или с помощью резистора. Величи­на амплитуды электрического импульса достигает 400—500 В на 1м толщины пьезоэлемента из пьезокерамики, а при увеличении этой величины происходит пробой и разрушение пьезопластины.

Приемно-усилительный тракт предназначен для приема и детек­тирования сигналов, поступающих на ПЭП. Обычно этот тракт вклю­чает в себя предварительный усилитель и аттенюатор, радиоусили­тель и детектор, импульсный усилитель и фильтр для отсеивания шу­мов. Фильтр работает в режиме порогового усиления, благодаря чему импульсы, имеющие величину меньше выбранной, отсекаются.

Блок временной регулировки чувствительности ВРЧ предназначен для генерирования электрического сигнала определенной формы, с помощью которого изменяется во времени усиление одной или не­скольких ступеней приемно-усилительного тракта. Задачей ВРЧ яв­ляется выравнивание амплитуд эхо-сигналов от одинаковых отра­жателей, расположенных на разной глубине. В большинстве дефек­тоскопов ВРЧ применяют для выравнивания чувствительности в дальней зоне. Закон изменения сигнала ВРЧ зависит от размеров и формы отражателя. Так, для отражения от точечного дефекта он имеет вид:

К = В₁ t²е^mt

а при отражении от больших плоских дефектов:

К = В₂ t²е^mt

где К – коэффициент усиления (управляющий сигнал);

t – время распространения импульса;

m, В₁; В₂ – коэффициенты, зависящие от частоты и размеров пьезоэлемента

В наиболее совершенных приборах сигнал системы ВРЧ подби­рают кнопочным переключателем. В дефектоскопе УД2-12 управля­ющий сигнал системы ВРЧ подбирают эмпирически по трем точкам в образце с искусственным отражателем или по АРД-диаграмме.

Генератор развертки БР создает пилообразные импульсы, кото­рые подводятся к горизонтально отклоняющим пластинам ЭЛТ. Период работы генератора состоит из двух циклов — рабочего хода t_р и паузы t_п (рис. 155).

В течение рабочего хода напряжение разверт­ки повышается линейно и тем самым равномерно смещает электрон­ный луч слева направо по экрану ЭЛТ. Во время паузы напряжение произвольно возвращается к исходному значению. Так как сигнал из приемно-усилительного тракта подводится к вертикально-отклоняющим пластинам ЭЛТ, то продолжительность рабочего хода t_р должна сочетаться с диапазоном эхо-сигналов либо ступенчатого (грубо), либо непрерывно (плавно).

83

Рис. 155. Отображение на экране ЭЛТ первых трёх донных сигналов:

а - контролируемые изделия; б – изображение на экране ЭЛТ; в – график изменения напряжения на усилителе; г – график изменения напряжения развёртки

Из рисунка 155, б, в видно, что из много­кратных эхо-сигналов из образца в диапазон контроля попадают лишь первые три, а остальные приходятся на паузу и невидимы в выбранном диапазоне контроля.

Если УЗ колебания не успевают затухать за период следования зон­дирующих импульсов, то на экране ЭЛТ существуют эхо-импульсы как от последней посылки, так и от предыдущей. Поскольку время прихода эхо-импульсов от предыдущей посылки не синхронизирова­но с рабочим ходом последней посылки, эти сигналы могут попасть в зону контроля и будут приняты как эхо-импульсы от дефектов. Такие эхо-сигналы называют импульсами помех, ложными импульсами или фантомами. Для того чтобы уменьшить количество ложных эхо-им­пульсов или избавиться от них полностью необходимо увеличить пе­риод следования зондирующих импульсов в два или более раз.

Система автоматической сигнализации дефектов АСД предназ­начена для автоматической фиксации момента обнаружения дефек­та. При ручном контроле АСД позволяет повысить надежность вы­явления дефектов и облегчает работу дефектоскописта. Система АСД содержит стробирующее устройство и схему индикации выявленных дефектов. Стробирующее устройство генерирует вспомогательные строб-импульсы, местоположение и ширина которых определяют зону регистрации принятых и отраженных сигналов. Эти импульсы подаются к каскаду совпадения, на второй вход которого поступа­ют отраженные сигналы с выхода приемно-усилительного тракта. Сигнализатор системы АСД срабатывает, если в зоне контроля по­является импульс, высота которого превышает установленный уро­вень, называемый порогом срабатывания. АСД позволяет решать несколько задач. Во-первых, выбирая нужным образцом начало, и длительность стробирующего импульса можно установить требуе­мую зону контроля.

84

Например, располагая начало строба после зон­дирующего импульса или начального сигнала, а конец — перед дон­ным сигналом, можно исключить эти сигналы из зоны контроля. Во- вторых, установив строб так, чтобы в него попадал только донный сигнал, можно по его амплитуде следить за стабильностью акусти­ческого контакта, общей исправностью работы аппаратуры, а так­же автоматически подстраивать чувствительность. Наконец, приме­нение стробирующего устройства позволяет повысить помехоустойчивость дефектоскопа, поскольку импульсные помехи любого типа могут воздействовать на индикатор лишь во время действия стро­бирующего импульса, который всегда меньше общего периода зон­дирующих посылок.

Индикатор предназначен для регистрации принятых сигналов и индицирования их на электронно-лучевой трубке ЭЛТ. На экране та­кого индикатора воспроизводится в масштабе процесс распростране­ния УЗ колебаний в контролируемом изделии. На горизонтально от­клоняющиеся пластины подается пилообразное напряжение от блока развертки. Напряжение видеосигналов подается с выхода приёмно­усилительного тракта на вертикально отклоняющиеся пластины. В результате на развертке появляются импульсы, положение которых позволяет судить о расстоянии до отражающей поверхности.

Развертка, на которой положение эхо-импульсов на горизонталь­ной линии пропорционально времени прохождения УЗ импульсом пути до объекта отражения и обратно, называется разверткой типа А. В автоматизированных дефектоскопических установках иногда применяют развертки типа В, которые позволяют получить на экра­не ЭЛТ с длительным послесвечением изображение сечения изделия с находящимся в нем дефектами и развертки типа С, которые дают изображение дефекта в плане.

В качестве индикаторов дефектов могут служить звуковые и све­товые сигнализаторы и различные самописцы. Получают распрост­ранение дефектоскопы с системами, запоминающими результаты кон­троля с помощью магнитных и других носителей с возможностью последующего воспроизведения процесса контроля и его фрагментов.

Блок измерений предназначен для измерения координат выявлен­ных дефектов, а также для измерения длительности и задержки раз­вертки, временных параметров АСД и системы ВРЧ. Координаты расположения отражателя вычисляют по известным значениям вре­мени распространения УЗ колебаний до отражателя и обратно и угла ввода по соотношениям:

85

Преобразование длительности неизвестного временного интер­вала в цифровой код осуществляется путем заполнения этого интер­вала тактовыми (счетными) импульсами

высокочастотного генера­тора, которые следуют с фиксированной частотой, и счета числа этих импульсов. Во многих дефектоскопах, в которых отсутствует блок цифрового измерения, расстояние до дефекта можно считывать с экрана как отрезок между точкой на горизонтальной шкале, соот­ветствующей моменту перехода звуковым импульсом границы из­делия, и эхо-сигналом от дефекта.