6.2.2. Узагальнена структурна схема луноімпульсного ультразвукового дефектоскопа
Більшість ультразвукових дефектоскопів ґрунтуються на методі відлуння, зокрема луноімпульсний метод, і працюють здебільшого в діапазоні f = 0,2…30 МГц. Ультразвукові дефектоскопи працюють з урахуванням переміщення перетворювача вручну, механізованого сканування або механізованого сканування і автоматичної опрацювання та реєстрації інформації.
Основними (інформативними) параметрами сигналу для методу віддзеркалень, які підлягають вимірюванню, є амплітуда U (дБ) і часовий інтервал τ(мкс) прийнятого сигналу відносно випромінюваного (зондувального). Додатковими інформативними параметрами можуть бути загасання звуку в акустичному тракті, фазовий зсув між випромінюваним і прийнятим сигналами, доплерівський зсув частоти і т. ін.
Для збудження імпульсів пружних коливань з частотою f і приймання їх віддзеркалень у дефектоскопії використовують здебільшого п'єзоелектричні перетворювачі, рідше електромагнітоакустичні (ЕМА-перетворювачі). Узагальнену структурну схему імпульсного ультразвукового дефектоскопа показано на рис. 6.7.
Рис. 6.7. Узагальнена структурна схема луно імпульсного ультразвукового дефектоскопа
Розглянемо складові структурної схеми луноімпульсного ультразвукового дефектоскопа.
Генератор синхронізувальних імпульсів (ГСІ) 1 забезпечує синхронізацію роботи вузлів дефектоскопа, реалізовуючи імпульсний режим випромінювання-приймання ультразвукових коливань. У випадку ручного контролю цей генератор працює в режимі самозбудження (автономному режимі) з частотою зондування F=50...8000 Гц; для використання дефектоскопа в багатоканальній апаратурі механізованого і автоматизованого контролю його перемикають у режим зовнішнього запуску.
Незалежно від режиму роботи ГСІ виробляє короткі імпульси, що надходять до генератора зондувальних імпульсів (ГЗІ), генератора розгортальних сигналів електронно-променевого індикатора (ЕПІ), схеми часової селекції автоматичного сигналізатора дефектів АСД, блоку цифрової обробки з цифрового індикатора.
Оскільки частота синхронізації F визначає період проходження зондувальних сигналів, то з огляду збільшення швидкості контролю (а, отже, і його продуктивності) її бажано вибирати, за можливості, щонайбільшою. Проте її значення обмежується загасанням звуку в ОК (періодом реверберації) і його товщиною або глибиною залягання дефекту, оскільки необхідно, щоби випромінюваний в ОК імпульс повністю загас до надходження наступного імпульсу.
Генератор зондувальних імпульсів (ГЗІ) 2 призначений для формування високочастотних електричних сигналів, що використовуються для збудження ультразвукових коливань в перетворювачі. Генератори зондувальних імпульсів будуються за схемою з контуром ударного збудження, або за схемою генератора-формувача.
Генератори ударного збудження прості за схемою і принципом дії і складають єдине ціле з п'єзоелектричним випромінювачем, що входить до складу коливального контура генератора. Проте сформований таким генератором зондувальний радіоімпульс має експоненціальну форму обвідної з неоптимальним спектральним складом, а також невисокий ККД.
У сучасних дефектоскопах частіше використовують схеми, які формують зондувальний сигнал із дзвінкоподібною обвідною, що характеризується великим ККД і найвужчим спектром за заданої тривалості імпульсу.
Випромінювальний п’єзоперетворювач (ВПр) 12 завдяки зворотному п'єзоефекту трансформує високочастотні електричні коливання напруги в механічні, які за наявності акустичного контакту вводяться в ОК. В суміщеному режимі випромінювання-приймання цей же перетворювач виконує роль приймача акустичних коливань (як показано на схемі). Оскільки п'єзоелемент входить до складу коливального контура, то резонансну частоту контура за допомогою індуктивності підбирають рівною антирезонансній частоті п′єзопластини. Опір резистора в контурі визначає його добротність.
Амплітуду електричного збуджувального імпульсу обмежує електрична міцність п′єзопластини п′єзоперетворювача, яка для ЦТС-19 становить приблизно 3000 В/мм. Проте лінійний приріст амплітуди акустичного сигналу (деформації п'єзоелемента) спостерігається для діапазону напруженості електричного, що обмежена значенням 300 В/мм. Ураховуючи, що п′єзопластину роблять півхвильової товщини, то і гранична напруга зондувального імпульсу залежить від робочої частоти. Тобто, чим вища робоча частота, тим менша амплітуда електричного зондувального імпульсу. Низькочастотні дефектоскопи мають ГЗІ з вищою напругою.
Приймальний п’єзоперетворювач (П) 13 завдяки прямому п'єзоефекту перетворює акустичні (механічні) коливання в електричні. Акустичні коливання п′єзопластини виникають за рахунок відлуння випромінювальних акустичних хвиль від меж з яким-небудь чужорідним середовищем (дефектом), що має відмінний від основного середовища акустичний імпеданс. Перетворювач 13, згідно зі схемою на рис. 6.7, використовують у режимі роздільного випромінювання-приймання. Шлях проходження акустичних хвиль від випромінювача до приймача, включаючи всі межі поділу і супутнє проходженню ослаблення хвиль, оцінюється коефіцієнтом ослаблення акустичного тракту. Відношення напруги на приймальному перетворювачі після відлуння ультразвукового імпульсу від дефекту до відповідної напруги на випромінювачі під час зондування оцінюється коефіцієнтом ослаблення електроакустичного тракту.
Приймально-підсилювальний тракт дефектоскопа призначений для підсилення і детектування сигналів, одержаних з приймального перетворювача. Джерелом сигналів, що подаються на вхід приймально-підсилювального тракту є п′єзоперетворювач. Вихідний опір перетворювача з ЦТС-19 на резонансній частоті складає десятки омів (наприклад, на частоті 1...5 МГц він становить 20...40 Ом). Тракт містить зазвичай такі елементи: обмежувач амплітуди, вимірювальний подільник напруги (вимірювальний атенюатор), підсилювач високої частоти, амплітудний детектор, відеопідсилювач.
У деяких випадках у тракт включають окремим елементом такий, функцією якого є узгодження підсилювального тракту з приймальним перетворювачем. Цю функцію виконує попередній підсилювач, який має коефіцієнт підсилення близько 20 дБ.
Двосторонній діодний обмежувач 3, який обмежує амплітуду зондувального імпульсу на вході підсилювача. Це особливо важливо для роботи в суміщеному режимі, коли вхід підсилювача замкнено на вихід ГЗІ. В цьому разі амплітуда сигналу, що надійшов на вхід підсилювача, обмежується до напруги відсікання діодного обмежувача. Таким чином, діодний обмежувач шунтує частину сигналу, амплітуда якої перевищує певний рівень, але майже не спотворює сигналів малої амплітуди, що відповідає луносигналам від дефектів та інших віддзеркалень. У випадку роботи в роздільному режимі випромінювання-приймання у схемі ультразвукового дефектоскопа діодного обмежувача може не бути.
Вимірювальний атенюатор (Ат) 4 дозволяє порівнювати рівні луносигналів від різних відбивачів. Для ультразвукового дефектоскопа вимірювальні атенюатори виготовляють зазвичай шляхом ланцюгового з'єднання ланок на калібрувальних резисторах. Загальний результат поділу напруги, що встановлюють перемиканням окремих ланок атенюатора, і дорівнює сумі децибелів, які визначають за кількістю ввімкнутих ланок (на приладі – за положенням натиснутих кнопок перемикачів). Точність атенюатора характеризують межею допустимої абсолютної похибки вимірювання відношення амплітуд сигналів на вході приймача, яка в сучасних ультразвукових дефектоскопах не перевищує 1…2 дБ.
Процес вимірювання зводиться до ослаблення прийнятих сигналів до деякого встановленого рівня. Рівень зондувального імпульсу за встановленого його розміру на екрані (наприклад, на висоті 4 см) припускають за 0 дБ – для нього знадобиться максимальне ослаблення. Амплітуди всіх інших сигналів виражають у від'ємних децибелах, хоча знак « - » не пишуть, а лише мають на увазі.
Підсилювач високої частоти (ПВЧ) 5 має коефіцієнт підсилення 60...100 дБ. Розрізняють вузькосмугові підсилювачі, що мають смугу частот пропускання до 0,2f0 (де f0 – робоча частота) і широкосмугові, в яких смуга частот пропускання значно перевищує значення 0,2f0.
Більшого застосування набули вузькосмугові ПВЧ, які вирізняються високою завадостійкістю, а також незначними спотвореннями сигналу в приймальному тракті. Недолік вузькосмугових ПВЧ полягає в необхідності перебудови діапазону частот за потреби змінювати робочу частоту перетворювачів. У цьому сенсі мають перевагу широкосмугові ПВЧ, хоча вони складніші за схемами і мають меншу завадостійкість.
До складу ПВЧ входять каскади з часовим регулюванням чутливості (ЧРЧ). Амплітуда вихідного сигналу ПВЧ становить одиниці вольтів.
Амплітудний детектор 6 слугує для виділення обвідної радіоімпульсу, що надходить з ПВЧ. Амплітудні детектори виконують зазвичай за двопівперіодною схемою випрямляння. Після детектування втрачається інформація про фазу сигналу.
Амплітуда сигналу, що надходить на детектор, складає одиниці вольтів. Таким чином, амплітудний детектор перетворює радіосигнал у відеосигнал.
Відеопідсилювач (ВП) 7 підсилює відеосигнали. Коефіцієнт підсилення ВП близько 20 дБ. Важливим параметром ВП є його динамічний діапазон, тобто відношення амплітуд максимального і мінімального сигналів, що підсилюються без спотворення. Великий динамічний діапазон (20 дБ і більше) дозволяє правильно оцінювати відношення амплітуд сигналів на екрані індикатора навіть без застосування атенюатора. Іноді для збільшення динамічного діапазону сигналів використовують логарифмічний ВП.
До складу ВП може бути включена схема регулювання відсікання, яка слугує для усунення структурних шумів, що зображуються на екрані індикатора. Досягається відсікання шумів (обмеження сигналів знизу) зміною порогового рівня детектування. Завдяки цьому вилучаються всі імпульси, амплітуди яких менші від обраного значення.
Функція відсікання спотворює реальне співвідношення амплітуд продетектованих сигналів і звужує динамічний діапазон ВП. У зв'язку з цим застосовують систему компенсаційного відсікання, яке забезпечує відновлення амплітуди сигналів, що виходять за рівень відсічення, до первинного рівня.
Електронний індикатор (ЕІ) 8 використовують для індикації на часовій осі випромінюваного і віддзеркалених сигналів шляхом y-модуляцією. Таку розгортку називають розгорткою типу А.
У більшості випущених раніше моделях ультразвукового детектора використовувалися електроннопроменеві трубки з електростатичним відхиленням променя. В нових моделях ультразвукових детекторів використовують матричні рідиннокристалічні індикатори.
Розгортку в ЕІ синхронізують з частотою F зондувальних імпульсів. Необхідну тривалість розгортки визначають швидкістю звуку в матеріалі ОК і максимальною глибиною залягання дефекту.
Для детального дослідження форми відбитих луносигналів передбачається можливість затримки розгортки з її плавним регулюванням.
Систему часового регулювання чутливості (ЧРЧ) 9 призначено для генерації регулювального сигналу певної форми, за допомогою якого змінюється в часі коефіцієнт підсилення ПВЧ. Часове регулювання чутливості компенсує ослаблення луноімпульсів, зумовлене дифракційною розбіжністю променя і загасанням звуку. Виходячи з цього закон зміни підсилення має бути зворотним закону спадання амплітуди віддзеркалених сигналів від однакових за розмірами дефектів з їх віддаленням від перетворювача. Ці закони залежать від розмірів дефектів, розмірів перетворювачів, характеристик загасання звуку в ОК, тому універсальну систему ЧРЧ створити неможливо. В кожному окремому випадку система ЧРЧ підлягає перенастроюванню.
Система ЧРЧ дозволяє також зменшити час відновлення підсилювального тракту після перевантаження його зондувальним імпульсом.
Автоматичну систему сигналізації дефектів (АСД) 10 призначено для автоматичної фіксації моменту виявлення дефекту. Її можна розглядати як окремий випадок реєстратора.
У випадку ручного контролю система АСД значно полегшує роботу оператора, виробляючи звуковий або світловий сигнал з появою дефекту, що перевищує встановлений пороговий рівень.
Система АСД включає генератор стробувальних імпульсів, які подаються на лінію розгортки ЕІ і схему збіжності імпульсів, на інший вхід якої надходять усі луносигнали з виходу ВП. У блоці АСД здійснюється амплітудно-часова селекція сигналів, що надходять на його входи.
Принцип часової селекції полягає в тому, що на виході часового селектора (каскаду збіжності) з'являються тільки ті сигнали, які збігаються за часом із спеціально сформованим селектувальним (стробувальним) імпульсом. Часове розміщення і тривалість строба відповідають очікуваному часу надходження луноімпульсу від дефекту.
Ультразвуковий детектор може містити дві схеми стробування: один строб стежить за сигналами від дефектів, що містяться у встановленій зоні глибин, а другий – наприклад, за донним сигналом для контролю стабільності акустичного контакту. В кожному стробі може встановлюватися свій рівень спрацьовування сигналізаторів.
Цифровий індикатор 11 призначено для вимірювання координат виявлених дефектів, а також для вимірювання тривалості й затримки розгортки і ін. Фактично вимірюється час поширення ультразвукового імпульсу, а потім цей часовий інтервал з урахуванням швидкості звуку в ОК переводиться у відстань і відображається на цифровому індикаторі.
Деякі ультразвукові детектори, особливо останніх моделей, містять вбудовані мікроЕОМ. Відеосигнали з виходу ВП за допомогою АЦП перетворюються в цифрову форму. Надалі виконується цифрова обробка сигналів з метою підвищення точності, завадостійкості і т.ін. Мікро-ЕОМ може виконувати первинну статистичну обробку результатів контролю, зберігаючи дані про отримані результати і режими контролю в пам'яті, обмінюватися інформацією з ЕОМ більш високого рівня тощо.