Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Методы и приборы неразрушающего контроля»

Генератор импульсов возбуждения ультразвукового

импульсного дефектоскопа

Методические указания к лабораторной работе №  25

по дисциплине “Основы проектирования приборов и систем”

Санкт - Петербург

2013

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является исследование зависимости параметров импульсов, формируемых генератором импульсов возбуждения (ГИВ) ультразвукового импульсного дефектоскопа общего назначения от параметров элементов схемы и характеристик акустических преобразователей.

1. Краткие теоретические сведения

Широкое развитие ультразвуковых методов в дефектоскопии мате­риалов и изделий, требует создания специальных электронных устройств, обеспечивающих генерацию электрических сигналов для возбуждения электроакустических излучающих преобразователей. В настоящее время в ультразвуковой технике чаще всего используется режим импульсного излучения ультразвуковых колебаний в исследуемую среду. В приборах и системах для измерения времени распространения сигналов широкое применение нашли ГИВ экспоненциальных радиоимпульсов, «огибающая» которых имеет крутой передний фронт и плавный экспоненциальный спад. В приборах для измерения затухания ультразвуковых колебаний, исследования частотных характеристик преобразователей, в прецизионных измерителях скорости распространения ультразвука и многих других устройствах широкое распространение получили ГИВ прямоугольных радиоимпульсов. Применяются также ГИВ колоколообразных радиоимпульсов. Схемы ГИВ весьма разнообразны как по принципам работы, так и по параметрам генерируемых сигналов. В ряде случаев для работы ультразвукового прибора не важна форма огибающей радиоимпульса, важно только, чтобы передний фронт был крутым. Тогда для возбуждения электроакустического преобразователя можно применять импульсы колебаний со спадающей амп­литудой, получаемые в ГИВ без обратной связи, называемыми генераторами затухающих колебаний, или ключевыми. Эти ГИВ, как правило, работают с накоплением энергии, которое может происходить как в элементах контура автогенератора, так и во внешнем накопителе, чаще всего емкостном. В большинстве случаев схемы ГИВ синхронизируются или запускаются каким-либо источником постоянной или регулируемой частоты. Иногда ГИВ синхрони­зируют с частотой питающей сети, что снижает влияние фона переменного тока на результаты измерений. Генератор синхроимпульсов (ГСИ) вырабатывает импульсы, следующие с заданной частотой синхронизации (fсл). Частота следования зондирующих импульсов выбирается с учетом размеров контролируемого изделия и скорости сканирования (рис. 1.1, 1.2). Время между двумя последовательными зондирующими импульсами называется циклом излучения – приема или периодом следования (Тсл). Тсл = 1 / fсл

При выборе частоты синхронизации (Fсл) учитываются:

• размеры контролируемого изделия;

• затухание ультразвука в материале контролируемого изделия;

• скорость сканирования;

• потребляемая энергия при питании дефектоскопа от аккумулятора.

С точки зрения увеличения скорости контроля (а, следовательно, и его производительности) частоту следования зондирующих импульсов выбирают, возможно, большей. Однако она ограничивается затуханием ультразвука и толщиной контролируемых изделий, поскольку необходимо, чтобы ультразвуковой импульс, излученный в изделие, полностью затух до поступления следующей посылки. Ориентировочно можно считать, что достаточный уровень ослабления будет в результате не менее чем n-кратного прохождения ультразвука через изделие по толщине, где n = 4.. 12.

Где: Т_min – минимальный период следования зондирующих импульсов;

С – скорость ультразвука в изделии, м/сек;

n – количество донных импульсов;

h_max – высота контролируемого изделия, мм;

τ_и – длительность импульса, мкс;

Δt - промежуток времени, гарантирующий несовпадение во времени последнего эхоимпульса одного цикла излучения приема с зондирующим импульсом последующего цикла излучения приема, мкс.

В универсальных дефектоскопах обычно реализованы два режима работы: режим внутренней синхронизации (внутр.) и режим внешней синхронизации (внешн.). При ручном контроле используется режим внутренней синхронизации. Режим внешней синхронизации используется при работе дефектоскопа в составе автоматизированных установок.

Практически частота повторения зондирующих импульсов переносных дефектоскопов выбирается в пределах 100…1000Гц. В автоматических установках эта величина достигает 8 кГц.

Для ручных дефектоскопов: Fсл = 100 ÷1000 кГц;

Для автоматизированных дефектоскопов: Fсл =2÷8 кГц;

Для мобильных средств дефектоскопии рельсов: Fсл = 4 кГц,

U СИ СИ СИ

Внутр. Fсл

Вых.

Внешн. Тсл t

Рисунок 1.1 Функциональная схема генератора синхроимпульсов и параметры импульсной последовательности на выходе ГСИ.

СИ – синхроимпульс; Тсл – период следования импульсов.

Рисунок 1.2 Функциональная схема генератора импульсов возбуждения и параметры импульсной последовательности на выходе ГИВ.

Тв – период высокочастотных колебаний; f ₀. – рабочая частота (f ₀. = 1/Тв); Тсл – период следования зондирующих импульсов; τ_и – длительность импульса на уровне 0,1 от положительного полупериода;

Uр – амплитуда зондирующего импульса (полный размах).

В ультразвуковых дефектоскопах для получения ультразвуковых колебаний в основном используются пьезоэлектрические преобразователи, обладающие значительной емкостью (500…3000 пФ), а генераторы с контуром ударного возбуждения нашли наиболее широкое применение (рис.1.3).

ГСИ Сн Сп

Рис. 1.3 Элементарная схема генератора импульсов возбуждения и временные диаграммы работы генератора. Еп – напряжение питания; Сн – накопительная емкость; Сп – емкость пъезопластины; L – индуктивность; R1, Rкл, R2 – резисторы.

При включении постоянного напряжения питания накопительная емкость Сн заряжается до некоторого напряжения, определяемого постоянной времени цепи заряда (τ_зар =R1 · Cн) и временем, прошедшим от включения до замыкания ключа. При замыкании ключа емкость Сн разряжается на колебательный контур через внутреннее сопротивление ключа R_кл в течение некоторого времени. Затем ключ вновь размыкается. Время разряда накопительной емкости τ_разр = (Сн · Сп)/(Сн+Сп) · R_кл значительно меньше времени заряда накопительной емкости τ_зар. Величина внутреннего сопротивления ключа и время замыкания определяются параметрами электронного прибора, используемого в качестве ключа. При разряде накопительной емкости в контуре возникают затухающие электрические колебания с частотой f₀.

Где: f₀ – рабочая частота, МГц;

Сп – емкость пьезоэпластины, емкость кабеля и емкость монтажа, pF;

L – согласующая индуктивность, Гн.

Скорость затухания колебаний а, следовательно, и длительность зондирующих импульсов, определяется добротностью контура и может регулироваться резистором R2. Длительность зондирующего импульса определяет разрешающую способность и мертвую зону. Длительность зондирующего импульса снизу ограничивается условием сохранения спектральных составляющих отраженного видеоимпульса. Таким образом, на частотах ниже 15 МГц длительность зондирующего импульса (τ_и) составляет 1…10 мкс и выбирается в соответствии с условием (1.3):

2H_min / c > τ_и ≥ 15/ f₀

Где: H_min – минимальная глубина дефекта, мм;

С – скорость ультразвука в изделии, м/сек;

τ_и – длительность зондирующего импульса, мкс;

f₀ – рабочая частота, МГц.

Особенности реализации генератора импульсов возбуждения:

1. Катушка индуктивности, подключаемая параллельно пъезоэлементу, встраивается в корпус ПЭП

2. Мощность излучения регулируется не путем изменения амплитуды зондирующего импульса, а путем подключения параллельно к колебательному контуру шунтирующих резисторов.

2. Задание на подготовку к работе

1. Нарисовать органы управления ГИВ дефектоскопа УД2-12 с описанием работы.

2. Перечислить основные параметры зондирующих импульсов и факторы, влияющие на характеристики импульсов.

3. Нарисовать схему и описать работу ГИВ цифрового дефектоскопа общего назначения.

3. Вопросы для самопроверки

1. Назначение ГИВ и основные параметры зондирующих импульсов.

2. Влияние амплитуды зондирующего импульса на параметры контроля.

3. Влияние длительности зондирующего импульса на параметры контроля.

4. Влияние рабочей частоты на параметры контроля.

5. Влияние частоты следования зондирующих импульсов на параметры контроля.

4. Порядок выполнения работы

4.1 Оборудование и аппаратура: осциллограф MOS-620FG; ультразвуковой тестер УЗТ-РДМ; дефектоскоп УД2-12, преобразователь: П121-2,5-50, эквивалентная нагрузка на 2,5 МГц, ограничитель амплитуды, стандартный образец СО-3Р.

При выполнении работы следует измерить основные параметры зондирующего импульса (рис. 1.2) с использованием тестера УЗТ-РДМ и осциллографа. Для исключения грубой ошибки все измерения проводятся по три раза и протоколируются в удобной для анализа данных форме.

4.2. Измерение характеристик зондирующего импульса с помощью осциллографа.

4.2.1. Измерение характеристик зондирующего импульса на эквивалентной нагрузке (ЭН).

Собрать стенд (рис. 4.1). Подключить эквивалентную нагрузку на 2,5 МГц. Измерить параметры зондирующего импульса (Uр, f₀, τ_и) при разных значениях частоты синхронизации Fсл. Данные занести в таблицу1.

Синхронизация осциллографа

Эквивалентная нагрузка

Рис. 4.1 Стенд для измерения характеристик зондирующего импульса на эквивалентной нагрузке.

Таблица 1

Fсл (Гц)	Параметры зондирующего импульса
	Uр (В)			f 0. = 1/Тв (МГц)			τи (мкс)
125
250
500
1000

4.2.2. Измерение характеристик зондирующего импульса на ПЭП.

Собрать стенд (рис. 4.2). Подключить ПЭП на 2,5 МГц. Измерить параметры зондирующего импульса (Uр, f₀, τ_и) при разных значениях частоты синхронизации Fсл. Данные занести в таблицу 2.

Синхронизация осциллографа

Рис. 4.2 Стенд для измерения характеристик зондирующего импульса с ПЭП.

Таблица 2

Fсл (Гц)	Параметры зондирующего импульса
	Uр (В)			f 0. = 1/Тв (МГц)			τи (мкс)
125
250
500
1000