Импульсный ультразвуковой дефектоскоп

Структурная схема дефектоскопа общего назначения для ручного контроля (рис. 1) содержит дополнительные системы, обеспечивающие удобство эксплуатации и точность измерений. Генератор зондирующих импульсов 7 вырабатывает импульс электрического напряжения, возбуждающий ультразвуковые колебания в электроакустическом преобразователе (ЭАП) 3, который изучает их в ОК.

Рис. 1 Структурная схема импульсного дефектоскопа: I - зондирующий импульс; II - донный сигнал; III — эхосигнал от дефекта

Отраженные от дефекта ультразвуковые сигналы принимаются тем же (совмещенная схема) или другим (раздельная схема) ЭАП, трансформируются в электрические импульсы и поступают на вход усилителя 1. Коэффициент усиления его регулируется во времени с помощью системы временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 4, благодаря чему компенсируется ослабление ультразвукового импульса в ОК. Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на индикатор 6 — электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и на автоматический сигнализатор дефектов (АСД) 2.

Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа. Одновременно с запуском генератора импульсов (или с некоторой заданной задержкой) он приводит в действие генератор развертки 9 ЭЛТ. Развертка позволяет различать по времени прихода сигналы от объектов отражения ультразвука, расположенных на разном расстоянии от ЭАП, например сигналы от дефектов отличить от донного сигнала. Синхронизатор также управляет работой блоков ВРЧ и АСД.

Современные дефектоскопы снабжены устройствами для измерения амплитуды и времени прихода отраженного сигнала. Измерительное устройство 5 обрабатывает сигналы, поступившие от усилителя, с учетом времени поступления сигнала от синхронизатора и выдает цифровую информацию на ЭЛТ или на отдельное табло.

Автоматизированные ультразвуковые дефектоскопические установки отличаются тем, что содержат узлы перемещения ЭАП и регистрации результатов. Как правило, установки предназначены для контроля определенного типа объектов. В них часто используют несколько ЭАП, работающих в зависимости от задач контроля одновременно, последовательно или отдельными группами. В этом случае синхронизатор управляет работой электронного коммутатора, обеспечивающего выбранную последовательность включения отдельных электронно-акустических каналов. Каждый из этих каналов содержит перечисленные выше узлы, которые варьируют в зависимости от технических характеристик аппаратуры.

Генератор зондирующих импульсов содержит два основных элемента: колебательный контур, включающий в себя излучающий ЭАП (пьезопреобразователь), и электронную схему, обеспечивающую генерацию коротких радиоимпульсов той или иной формы. В колебательном контуре параллельно или последовательно пьезо-элементу включены индуктивность и активное сопротивление. Иногда применяют трансформаторную связь. Упрощенная схема показана на рис. 2, а. Резонансную частоту контура с помощью индуктивности L подбирают равной антирезонансной частоте пьезопластины. Сопротивление резистора R определяет добротность контура.

Чаще всего применяют схему ударного возбуждения колебаний контура. Накопительный конденсатор Сн заряжают от высокого напряжения. По команде синхронизатора открывают тиристор Т, через который этот конденсатор разряжается и возбуждает колебания в контуре.

Форма возбуждаемых таким способом электрических зондирующих импульсов показана на рис. 2, б. Фронт ударного импульса определяется быстрым процессом разряда накопительного конденсатора. Ему соответствуют высокочастотные составляющие спектра импульса, значительно превышающие рабочую частоту дефектоскопа и выходящие за пределы полосы пропускания частот ЭАП. В результате излучаемый в изделие акустический зондирующий импульс имеет форму, близкую к колоколообразной (рис. 2, в). Амплитуда первого полупериода колебаний возбуждающего импульса 300... 500 В. Однако эффективно действующая амплитуда спектральной составляющей на рабочей частоте значительно меньше (50... 100 В) ввиду несоответствия полос частот импульса и преобразователя.

Рис. 2. Ударный генератор (а); формы импульсов: б — возбуждаемого этим генератором, в — на приемнике, г — после детектирования

В настоящее время часто применяют генераторы, вырабатывающие импульсы колоколообразной формы, которая характеризуется наиболее узким спектральным составом при заданной длительности, или импульсы, содержащие один, два или более периодов колебаний постоянной амплитуды, что повышает КПД генератора.

Амплитуду электрического возбуждающего импульса ограничивает напряженность переменного электрического поля Е₀, которую может выдержать пьезопластина без пробоя или разрушения. Для ЦТС-19 эта величина составляет около 3000 В/мм. Однако линейный рост амплитуды акустического сигнала наблюдают при повышении напряженности приблизительно до 300 В/мм. Учитывая, что пьезопластину делают полуволновой, варьируя ее толщину в зависимости от частоты, предельное напряжение питания зависит от частоты: (h и - толщина и скорость звука в пластине). Считая максимальную частоту равной 10 МГц, найдем =500 В. Поскольку дефектоскоп должен надежно работать со всеми преобразователями, входящими в комплект, максимальную амплитуду ограничивают этой величиной. Низкочастотные дефектоскопы имеют генераторы с более высоким напряжением. Отмеченное обстоятельство также указывает на неэффективность ударных генераторов. Отметим, что пьезокерамика типа ПКР выдерживает без пробоя и разрушения значительно большие напряженности Е₀, чем ЦТС-19.

Приемно-усилительный тракт дефектоскопа содержит предусилитель, измеритель амплитуд сигналов, усилитель высокой частоты (УВЧ), детектор и видеоусилитель. Предусилитель обеспечивает согласование усилительного тракта с приемным преобрззопателем. Его входное сопротивление должно быть больше эквивалентного электрического сопротивления ЭАП, которое, как показывают оценки, для преобразователя из ЦТС на частоте 1... 5 МГц составляет 20 ... 40 Ом. Коэффициент усиления предусилителя — около 20 дБ.

В предусилитель входит ограничитель амплитуды, предохраняющий усилитель от перегрузок, связанных с воздействием электрического зондирующего импульса (когда ЭАП включен по совмещенной схеме). Он шунтирует сигналы, амплитуда которых превосходит определенный уровень, но практически не искажает сигналов меньшей амплитуды, соответствующих эхосигналам от дефектов и других отражателей.

Амплитуды сигналов (отношение амплитуд) измеряют с помощью калиброванного делителя напряжения — аттенюатора. Измерение состоит в сравнении амплитуд двух или нескольких сигналов в относительных единицах— децибелах. Процесс измерения сводится к ослаблению принимаемых сигналов до некоторого установленного уровня. Величина потребовавшегося ослабления равна амплитуде поступившего сигнала. Акустический зондирующий импульс принимают за О дБ, для него требуется максимальное ослабление. Амплитуды всех других сигналов выражают в отрицательных дБ, хотя знак минус не пишут, а лишь подразумевают. Аттенюатор располагают вблизи входа приемно-усилительного тракта для того, чтобы искажение амплитуд поступивших на него сигналов было минимальным. Требуемый диапазон измерения — от 0 до 100 дБ.

В последнее время применяют автоматические измерители амплитуды с цифровой индикацией. Иногда в них амплитуду пересчитывают в величину, характеризующую размер дефекта и представляют ее на цифровом табло. Поскольку пересчет выполняется по разным законам в зависимости от типа преобразователя и характеристики материала ОК, измеритель требует предварительной настройки. При перемещении преобразователя по ОК амплитуда эхосигнала от дефекта изменяется, но автоматический измеритель фиксирует максимальное значение амплитуды.

Усилитель высокой частоты имеет коэффициент усиления 60... 100 дБ. Различают узкополосные и широкополосные усилители. Более широкое применение нашли узкополосные УВЧ, обладающие высокой помехоустойчивостью и имеющие полосу пропускания не менее 0,2 (где — рабочая частота), что обеспечивает небольшое искажение сигналов в приемном тракте. Недостаток узкополосных усилителей заключается в необходимости перестройки частотного диапазона при изменении рабочей частоты прибора. В этом отношении имеют преимущество широкополосные усилители, хотя они сложнее по схеме и обладают меньшей помехоустойчивостью.

Усиленные высокочастотные сигналы поступают к детектору, на нагрузке которого выделяются огибающие радиоимпульсов. Продетектированные сигналы (рис. 4.3, г) подают на видеоусилитель с коэффициентом усиления около 20 дБ. В некоторых дефектоскопах предусмотрена возможность наблюдения на электронно-лучевом индикаторе недетектированных радиоимпульсов.

Важная характеристика усилителя — его динамический диапазон, т. е. отношение амплитуд максимального и минимального сигналов, усиливаемых без искажения. Приборы с большим динамическим диапазоном (20 дБ и более) позволяют правильно оценивать соотношение амплитуд сигналов на экране ЭЛТ даже без применения аттенюатора.

Помимо калиброванного аттенюатора импульсные дефектоскопы имеют ряд других регуляторов чувствительности. К ним относят регулятор амплитуды зондирующего импульса, некалиброванный регулятор чувствительности УВЧ, ВРЧ и отсечку. Отсечка (ограничение сигналов снизу) достигается изменением порогового уровня детектора. Благодаря этому отсекают все импульсы, амплитуда которых меньше выбранной величины. Применение отсечки искажает реальное соотношение амплитуд продетектированных сигналов и сужает динамический диапазон усилителя прибора. В связи с этим применяют систему так называемой компенсированной отсечки, которая обеспечивает восстановление амплитуды сигналов, оказавшихся выше уровня отсечки, до первоначальной величины.

Система временной регулировки чувствительности (ВРЧ) .(ее правильнее назвать временной автоматической регулировкой усиления) предназначена для генерирования регулирующего сигнала определенной формы, с помощью которого изменяется во времени усиление УВЧ. ВРЧ компенсирует ослабление импульса, обусловленное дифракционным расхождением и затуханием. Исходя из этого закон изменения усиления должен быть обратным закону убывания амплитуд отраженных сигналов от одних и тех же по размерам дефектов по мере их удаления от преобразователя. Эти законы, разные для отражателей различной формы и размеров, поэтому идеальную ВРЧ создать нельзя.

Индикатором принятых сигналов, как правило, служит электронно-лучевая трубка. Чаще всего на вертикально отклоняющие пластины подают усиленный до необходимой величины полезный сигнал, а на горизонтально отклоняющие — напряжение развертки (рис. 3). Развертку синхронизируют с частотой зондирующих посылок. Необходимую длительность развертки определяют скорость звука с в материале и максимальная толщина ОК :

Рис. 3 Типичное изображение на экране ЭЛТ дефектоскопа:

1 — зондирующий импульс, 2 — помехи преобразователя, 3 — стробирующий импульс,

4 — структурные помехи, 5 — эхосигнал от дефекта, 6 — донный сигнал

При большой толщине ОК сигналы от близкорасположенных друг от друга отражателей плохо различимы на линии развертки. С целью преодоления указанного недостатка многие дефектоскопы снабжены схемой задержки развертки («лупой времени»), с помощью которой запуск развертки осуществляют не зондирующим импульсом, а первым отраженным от поверхности ОК сигналом (при иммерсионном контроле) или сигналом, произвольно регулируемым по времени.

Рассмотренную систему развертки «время — амплитуда» называют разверткой типа А (рис. 4, б). В автоматизированных дефектоскопических установках иногда применяют развертку типа В (рис. 4, в), которая позволяет получить на экране ЭЛТ изображение сечения ОК с находящимися в нем дефектами. Для этого на вертикально отклоняющие пластины трубки подают напряжение от генератора развертки, а на горизонтально отклоняющие — от специального генератора, электромеханически связанного с устройством перемещения ЭАП вдоль поверхности ОК. Усиленные эхосигналы увеличивают яркость свечения луча.

а) б) в) г)

Рис. 4. Типы разверток дефектоскопа:

а — сканирование изделия (преобразователь указан стрелкой); б — развертка типа А; в — развертка типа В (справа — развертка типа Л); г —развертка типа С

В результате каждому положению ЭАП на ОК в процессе сканирования (рис. 4, а) соответствует определенная вертикальная линия развертки на экране ЭЛТ (на рис. 4, в показана штрихами). Она слабо светится. В моменты прихода эхосигналов яркость свечения увеличивается. При движении ЭАП по поверхности ОК линия развертки смещается. Возникает цепочка близкорасположенных ярких точек — изображение отражающей поверхности дефекта. Видны также поверхность ввода и донная поверхность. В автоматизированных установках также применяют развертку типа С, с помощью которой изображают дефекты в плане (рис. 4, г). Применяют также комбинированные развертки. Например, на рис. 4, в развертка типа В совмещена с разверткой типа А (справа). Это позволяет видеть изображение амплитуд эхосигналов для одной из линий В — развертки. В автоматизированных установках в качестве регистраторов применяют также различные записывающий устройства: плоттеры, фоторегистраторы, самописцы.

Система автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначена для автоматической фиксации момента обнаружения дефекта. Ее можно рассматривать как частный случай регистратора. Особо важное значение такие системы имеют в автоматизированных установках, в которых выявленные дефекты регистрируют в процессе непрерывного сканирования преобразователем ОК. При ручном контроле система АСД значительно облегчает работу оператора, давая звуковой или световой сигнал при появлении дефекта, что позволяет повысить надежность полученных результатов прозвучивания.

Система АСД включает генератор стробирующих импульсов, которые подают на линию развертки и схему совпадений, на другой вход которой поступают все эхосигналы с выхода приемного тракта. Стробирование (от греч. strobobos — кружение, вихрь) — выделение некоторого интервала времени. Стробирующим импульсом 3 (см. рис. 4) выбирают участок развертки, на который попадают сигналы от дефектов, подлежащих регистрации. В некоторых дефектоскопах существует система слежения стробирующим импульсом за выбранным эхосигналом даже при его перемещении по линии развертки, что обычно происходит при движении преобразователя относительно дефекта.

Установив стробирующий импульс так, чтобы в него попадал только донный сигнал, по амплитуде этого сигнала следят за стабильностью акустического контакта, общей исправностью работы аппаратуры, а также подстраивают чувствительность. Очень удобны дефектоскопы с двумя стробирующими импульсами один для слежения за сигналами от дефектов, а другой—за донным сигналом с раздельной регулировкой уровня срабатывания сигнализаторов.

Установив стробирующий импульс так, чтобы в него попадал только донный сигнал, по амплитуде этого сигнала следят за стабильностью акустического контакта, общей исправностью работы аппаратуры, а также подстраивают чувствительность. Очень удобны дефектоскопы с двумя стробирующими импульсами один для слежения за сигналами от дефектов, а другой - за донным сигналом с раздельной регулировкой уровня срабатывания сигнализаторов.

Синхронизатор представляет собой автоколебательную импульсную систему. Его обычно выполняют по схеме мультивибратора. Частоту генерируемых синхронизатором запускающих импульсов выбирают в зависимости от задач контроля в пределах 50... 8000 Гц. В некоторых дефектоскопах ее регулируют. Так как частота синхронизатора определяет период следования зондирующих посылок, то с точки зрения увеличения скорости контроля (а следовательно, его производительности) ее желательно выбирать возможно большей. Однако она ограничивается затуханием ультразвука и толщиной ОК, поскольку необходима, чтобы импульс, излученный в ОК, полностью затух до поступления следующей посылки.

Устройство для измерения расстояния до дефекта, дна ОК или другого отражателя — глубиномер — измеряет время пробега импульса до отражателя. Время пересчитывают в расстояние с учетом скорости ультразвука в ОК. Корректировку на скорость звука вводят, измеряя какое-либо известное расстояние, например толщину ОК. В большинстве дефектоскопов измерение осуществляют непосредственно по экрану ЭЛТ, снабженному шкалой. При этом предъявляют высокие требования к линейности и стабильности развертки.

Дефектоскоп с встроенной микро-ЭВМ — основной тип прибора общего назначения последних выпусков. Поступающие сигналы аналого-цифровой преобразователь переводит в цифровую форму, в которой производят дальнейшую обработку и выводят результаты на табло или дисплей в виде цифровых данных о глубине залегания и амплитуде эхосигнала от дефекта. Это повышает точность, помехоустойчивость и дает ряд дополнительных возможностей. Микро-ЭВМ может осуществлять первичную статистическую обработку результатов, сохранять информацию о режимах и результатах контроля, документировать ее, обмениваться информацией с ЭВМ более высокого уровня.

Одно из важнейших назначений микро-ЭВМ в дефектоскопе — это обеспечение сервиса, т. е. оптимальная организация взаимодействия контролера с прибором. С одной стороны, улучшаются условия труда контролера, с другой — ЭВМ постоянно проверяет правильность его действий, уменьшая тем самым влияние субъективного фактора.

В частности, настройку такого прибора выполняют в режиме диалога, когда ЭВМ задает вопросы, а оператор вводит ответ или выбирает один из предложенных вариантов ответа. Так могут задаваться данные об ОК (толщине, скорости звука) и желаемых параметрах контроля (частоте, типе волны, угле ввода). Процедура настройки может быть упрощена для наиболее часто контролируемых объектов.