книги / Применения ультразвука

ние. Возникающий электронный луч фокусируется с помощью фокусирующего цилиндра F, появляясь на флюоресцентном экране S в виде точки. При движении электронов в направлении к экрану S электронно-лучевой трубки они проходят две пары отклоняющих пластинхиу. Напряжение, подаваемоена пластины х, отклоняет электронныйлучв горизонтальномнаправлении, в то время как напряжение, подаваемое на у, вызывает вертикальное отклонение.

CRТ оснащена ручками управления яркостью, фокусировкой, астигматизмом, горизонтальным и вертикальным смещением. Управление яркостью позволяет контролировать яркость или блеск, или глубину красок. Управление фокусировкой помога­ ет настраивать резкость изображения. Аналогично управление астигматизмом предназначено для контроля астигматизма и дополнительного фокуса. Ручки управления горизонтальным

(х) и вертикальным (у) смещением используются для контроля начальной настройки, горизонтального и вертикального смеще­ ния. Все вышеперечисленные регулировки важны для получения яркой и четкой картины на экране CRT.

Генератор временной развертки подает пилообразное напря­ жение на х-пластины, чтобы равномерно перемещать пятно, об­ разованное лучом, слева направо по экрану CRT. Скорость точки зависит от оперативного времени (то есть времени, за которое пи­ лообразное напряжение возрастает от нуля до своего максималь­ ного значения) (рис. 7.21).

(в) Временная развертка

Рис. 7.21. Пилообразное напряжение

Чем короче оперативное время, тем выше скорость пятна. Оперативное время пилообразного напряжения тоже контролиру­ ется, следовательно, скорость пятна можно подобрать, исходя из диапазона толщин или условий тестирования. Чтобы пятно, обра-

зованное электронным лучом, не создавало следа на экране при обратном ходе, генератор временной развертки одновременно контролируетяркость с помощьюнапряжения прямоугольного сиг­ нала. Этодает ответ на вопрос, почему пятно остается ярким только

втечение оперативного времени пилообразного напряжения, как показано на рис. 7.22. Порою необходимо увеличить запаздывание импульсов, которые запускают вдействие передатчик. С этой целью

всхему вводится регулировка, которая в данном случае называется регулировкой запаздывания.

Рис. 7.22. График «пилообразное напряжение — время»

Передатчик подает кратковременный импульс электричес­ кого напряжения порядка 300-1000 В на пьезоэлектрический преобразователь зонда. Пьезоэлектрический преобразователь, в свою очередь, преобразует импульс в ультразвуковую волну. Вне­ которых инструментах встроен элемент контроля, позволяющий регулировать частоту и амплитуду импульса электрического на­ пряжения, в то время как в других устройствах эти настройки осу­ ществляются автоматически. Электрическое напряжение и шири­ на импульса подбираются в соответствии с толщиной и степенью демпфирования пьезоэлектрического преобразующего элемента в зондирующем устройстве.

Принимающий модуль состоит из усилителя, выпрямителя и аттенюатора. Усилитель усиливает любой импульс напряжения, поступающий от зонда. При этом происходит усиление порядка 105. В большинстве случаев используются широкополосные уси­ лители, поддерживающие диапазон частот от 1 до 15 МГц и ос­ нащенные регулировкой, которая позволяет настраиваться на частоту зонда. Выпрямитель в принимающем модуле выпрямля­ ет сигнал напряжения для обеспечения простоты наблюдения. В некоторых инструментах предусмотрен элемент контроля, поз­ воляющий наблюдать за принятым сигналом в выпрямленном

(содержит только положительные значения напряжения сигна­ ла) или невыпрямленном (содержит как положительные, так и отрицательные значения) состоянии. Затухание в принимающем модуле используется для изменения амплитуды сигнала при не­ обходимости. В данном случае контроль называется регулировкой усиления и калибруется вдецибелах (дБ).

Синхронизирующая схема или синхронизатор генерирует электрические импульсы, которые одновременно запускают ге­ нератор временной развертки и передатчик. Эти импульсы воз­ никают периодически, стабилизируя изображение и делая его ярким. Частота их генерации называется частотой повторения (следования) импульсов (PRF). В принимающем модуле существует фильтрация или подавляющий контроль, который позволяет из­ бавляться от проявлений случайных шумов, известных как поме­ хи, на экране CRT\

(II) Принцип действия импульсного эхо-дефектоскопа Одновременный запуск генератора временной развертки и

преобразователя инициирует в зонде ультразвуковой импульс в тот момент, когда пятно электронного луча начинает движение по экрану электронно-лучевой трубки. Когда используется зонд с одним кристаллом, импульс электрического напряжения, подава­ емый передатчиком на зонд, также подается на принимающий мо­ дуль, усиливается и выводится на экран, как показано на рис. 7.19, где буквой аобозначен эхо-сигнал переданного импульса (началь­ ный, главный импульс).

Пятно электронного луча продолжает двигаться по экрану CRT по мере движения ультразвука от зонда через образец. Когда ультразвук достигает отражающей поверхности b, часть его от­ ражается и через зонд и принимающий модуль показания b ре­ гистрируются на экране CRT. Другая часть, которая достигает дальней поверхности с тестируемого образца, тоже отражается и проецируется на экране CRT как с. Изображения, соответствую­ щие эхо-сигналу от отражающей поверхности b и эхо-сигналу с от дальней поверхности или задней стенки, называются эхо-сиг­ налом от дефекта и эхо-сигналом от задней поверхности или дон­ ным эхо-сигналом соответственно.

Если в роли образца выступает стальная пластина толщиной 25 мм, вышеописанная операция займет около 8 миллионных до­ лей секунды ( 8 микросекунд). Следовательно, частота повторения

Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания

импульса PRF должна быть достаточно высокой, чтобы сделать картину яркой и видимой человеческому глазу. С другой стороны, для образца толщиной 500 мм время всей операции составляет около 160 микросекунд. Если в данном случае используется вы­ сокая частота повторения, возникнет путаница, потому что зонд будет посылать второй ультразвуковой импульс до того, как будет принят первый импульс. В большинстве инструментов в зави­ симости от толщины тестируемого образца PRF может варьиро­ ваться от 50 до 1250 импульсов в секунду (PPS). В современных инструментах это осуществляется автоматически посредством на­ стройки контроля диапазона тестирования.

Враздельно-совмещенных и поперечно-волновых зондах пье­ зоэлектрические преобразующие элементы оснащены люцитовыми блоками задержки. Ультразвуковые волны некоторое время движутся в блоке задержки, прежде чем попадут в тестируемый образец. Контроль запаздывания используется для того, чтобы остановить пятно электронного луча, которое проходит расстоя­ ние, пропорциональное времени прохождения в люцитовом бло­ ке задержки. Кроме того, блок заставляет генератор временной развертки подождать в течение некоторого времени, пока ультра­ звук проходит через люцит, и только после этого пятно начинает свой путь из нулевого положения.

7.6.2. Различные в и д ы сканеров

Ультразвуковые эхо-сигналы с помощью электронных средств преобразуются в визуальное представление на экране CRT или в других записывающих устройствах. Существуют три основных способа представления, которые называются ^-сканирование, ^-сканирование, С-сканирование. Различные методы сканирова­ ния рассмотрены ниже.

(I) ^-сканирование

Наиболее распространенным способом представления яв­ ляется Л-сканирование. В этом способе горизонтальная линия на экране служит для обозначения времени работы системы, а вертикальное отклонение показывает амплитуду эхо-сиг­ нала. По местоположению и амплитуде эхо-сигнала на экране можно определить глубину дефекта в материале и оценить раз­ мер дефекта. Типичная система /4-сканирования показана на рис. 7.23.

Рис. 7.23. Блок-схема получения изображения с помощью ^-сканирования

(II) 5-сканирование

5-сканирование дает вид тестируемого образца в разрезе, показывает ширину и глубину залегания дефекта в тестируе­ мом материале. На экран выводятся отражения от передней и задней поверхностей материала и от дефекта. Типичная система 5-сканирования показана на рис. 7.24. Ее отличия от системы /(-сканирования заключаются в следующем:

1) Изображение генерируется на экране CRT, покрытом лю­ минофором с длительным послесвечением. Данное свойство эк­ рана CRT позволяет просматривать воображаемое поперечное сечение как целое, что дает возможность не прибегать к непре­ рывному формированию изображений.

2) Поступление данных на CRTдля одной из осей координат обеспечивается электромеханическим устройством, которое ге­ нерирует электрическое напряжение, пропорциональное место­ положению преобразователя относительно контрольной точки на поверхности тестируемого образца. Большинство 5-скани- руемых изображений генерируются следующим образом: зонд сканирует поверхность тестируемого изделия по прямой линии, двигаясь с постоянной скоростью. Одна из осей экрана, как пра-

вило, горизонтальная, представляет расстояние, пройденное по этой линии.

3)Эхо-сигналы обозначаются яркими точками на экране, а не отклонениями временной линии. Положение яркого пятна вдоль оси, ортогональной оси местоположения зонда, как правило, из­ меряется сверху вниз и показывает глубину, с которой приходит эхо-сигнал в тестируемом образце.

4)Чтобы эхо-сигналы записывались как яркие точки, интен­ сивность эхо-сигнала с выхода усилителя связана с контролем яркости CRT. В некоторых системах яркость, связанная с различ­ ными значениями интенсивности эхо-сигналов, может оказаться достаточно контрастной, что позволяет получить полуколичественную оценку этой интенсивности, которую можно соотнести с размером и формой дефектов.

Рис. 7.24. Блок-схема получения изображения с помощью В-скаиирования

Главным достоинством Æ-сканирования является возмож­ ность получать на экране поперечный разрез тестируемого образ­ ца и дефектов в нем. Поскольку изображение сохраняется в тече­ ние времени, достаточного для того, чтобы полностью оценить образец, можно не фотографировать картину на экране CRTдля получения постоянной записи.

Недостатки ^-сканирования заключаются в следующем:

1)Области за отражающей поверхностью находятся в тени, поэтому получить их изображение не представляется возмож­ ным.

2)Ширина дефекта в направлении, перпендикулярном уль­ тразвуковому лучу и направлению движения зонда, не регистри­ руется, кроме тех случаев, когда она влияет на эхо-сигнал, уси­ ливая или ослабляя его интенсивность, и тем самым изменяет яркость изображения.

3)Вследствие ограниченности ширины луча и эффекта ди­ вергенции дефекты вблизи задней поверхности образца кажутся больше, чем дефекты вблизи передней поверхности.

4)Системы ^-сканирования более распространены в медици­ не, хотя их можно использовать в промышленности для быстрого просмотра образцов и отбора конкретных деталей.

(III)С-сканирование

С-сканирующее оборудование обеспечивает постоянную за­ пись результатов тестирования в высокоскоростном автомати­ ческом режиме. Картина С-сканирования показывает дефекты в горизонтальной проекции, но не дает информации о глубине или ориентации. Система С-сканирования показана на рис. 7.25. Хотя для С-сканирования в принципе можно использовать ос­ циллоскоп с длительным послесвечением, на практике предпоч­ тение отдается регистрации картины с помощью других средств. Как правило, применяется какое-нибудь электромеханическое записывающее устройство, которое осуществляет постоянную запись.

Для проведения С-сканирования ультразвуковой тестиру­ ющий модуль должен быть оснащен электронным селектором, который помогает принимать эхо-сигналы через заданный про­ межуток времени после исходного передаваемого импульса. Промежуток времени выбирается пропорционально расстоя­ нию от верха до низа в обследуемом срезе тестируемого образца, а продолжительность размыкания селектора пропорциональна толщине обследуемого среза. Как правило, селектор глубины на­ строен таким образом, что отражения от передней и задней по­ верхностей едва видны на экране. Недостаток С-сканирования заключается в том, что оно не дает информации о глубине и на­ правлении дефектов.

Рис, 7.25, Блок-схема устройства для С-сканирования

7.7. Калибровка системы тестирования

Калибровка дефектоскопа выполняется с целью избежать неяс­ ностей во время тестирования. Чтобы произвести калибровку де­ фектоскопа, требуются контрольные блоки и стандартные преоб­ разователи. Для тестирования применяются блоки, содержащие зазубрины, щели или просверленные отверстия, которые исполь­ зуются для того, чтобы:

1 ) определять рабочие характеристики дефектоскопа и зондов;

2) определять воспроизводимые условия тестирования;

3)сравнивать амплитуду или местоположение эхо-сигнала от дефекта в тестируемом образце с характеристиками эхо-сигнала от искусственного дефекта в контрольном блоке.

Блоки, используемые для первых двух целей, называются ка­ либровочными, в то время как блоки, применяемые для третьей цели, называются контрольными. Один и тот же тестовый блок

женный Международной организацией по стандартам (ISO). Блок, называемый IIW или VI, изображен на рис. 7.26. Обычно этот блок используется для (а) калибровки временной развертки, (Ь) опреде­ ления точки выхода луча, (с) определения угла зондирования и (d) проверки рабочих характеристик (линейность временной разверт­ ки, разрешение, мертвая зона и т.д.) ультразвуковогодефектоскопа.

(а) Калибровка временнойразвертки

Тестовые блоки калибруются с помощью прямых или наклон­ ных зондов.

Применение прямых зондов

В режиме временной развертки при калибровке диапазона, не превышающего 250 мм, прямой зонд помещается в положение С, как показано на рис. 7.27. В результате получают множественные эхо-сигналы, которые распределяются по соответствующим де­ лениям шкалы CRT с помощью контроля запаздывания и тонкой регулировки диапазона тестирования материалов.

Рис. 7.27. Калибровка временной развертки —250 мм

Изображение на экране CRT для 100-миллиметровой калиб­ ровки (положение В) показано на рис. 7.28. Точки, где эхо-сиг­ налы поднимаются над базовой линией, были распределены по соответствующим делениям временной развертки, чтобы пред­ ставить ее калибровку.