Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования Российской Федерации

Обнинский Государственный Технический Университет

Атомной Энергетики

Кафедра «Автоматики, контроля и диагностики»

Курсовая работа по теме:

«Принципы построения и расчёт ультразвуковых преобразователей для неразрушающих методов контроля»

Выполнил: студент гр.ТД-02

Андреев Б.С.

Проверил: Трофимов А.И.

Обнинск 2005 г.

Содержание

Принципы построения ультразвуковых преобразователей

Описание конструкции с простым с составным демпфером

Определение удельного акустического сопротивления

Расчёт коэффициентов прохождения и отражения ультразвуковой волны

Определение функции чувствительности (F)

Принципы построения измерительных ультразвуковых преобразователей

Типовая конструкция преобразователя. Пьезоэлемент, выполненный в виде тонкой пластины 4, подключен к электронному блоку 6 и акустически контактирует с контролируемой средой 1 через протектор З, защищающий пьезоэлемент от механических повреждений, и слой жидкости 2, обеспечивающий акустический контакт между протектором и контролируемой средой. С другой стороны к пьезоэлементу приклеен демпфер 5.

Рис 1. Типовая схема ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя

Рис 2. Конструкция ультразвукового преобразователя

1-протектор, 2-пьезоэлемент, 3- демпфер, 4-кабель, соединяющий электроды с выходным контактом, 5-сборный корпус.

Основным элементом преобразователя является пьезоэлемент. Геометрические размеры пьезоэлемента определяются частотой ультразвуковых колебаний, необходимой для решения конкретной задачи. Толщина пьезоэлемента выбирается равной половине длины волны в пьезоматериале на необходимой для работы частоте. Если частоты очень высокие, пьезоэлемент должен иметь такую малую толщину, при которой он потеряет механическую прочность. Поэтому изготавливают пьезоэлементы толщиной в нечетное число полуволн (при четных на излучающие плоскости будут приходиться узлы колебаний).

Прямые контактные преобразователи выпускаются для частот 25 кГц - 25 МГц. Преобразователи с частотами 25-200 кГц используются главным образом для контроля качества материалов. Преобразователи же с частотами 0,2-5 МГц применяются для выявления различных неоднородностей в объектах контроля. Для неразрушающего контроля дефектов чаще всего используется частотный диапазон 5-25 МГц.

Пьезоэлемент возбуждают электрическим сигналом в виде нескольких периодов синусоидальных колебаний частоты, равной резонансной частоте пьезоэлемента. Соответственно толщину пьезоэлемента выбирают исходя из условий резонанса. Обычно толщина пьезоэлемента, удовлетворяющая этому требованию, 1,0-0,36 мм. Такая толщина обеспечивает максимальную амплитуду излучения.

С понижением частоты затрудняется выполнение условий, при которых можно пренебречь колебаниями в поперечном направлении.

В серийных преобразователях с частотой 5МГц с круглыми пьезоэлементами отношение диаметра к толщине составляет 20, а в преобразователях, рассчитанных на частоту 0,2 МГц это отношение уменьшается до 4-5. В противном случае, для сохранения отношения 20 диаметр пьезоэлементов должен быть 150 мм, поэтому пьезоэлементы рассчитанные на низкие частоты выполняют в виде пакетов, склеенных из нескольких тонких пьезоэлементов. Иногда пакет преобразователя состоит из пластин, часть которых выполнена из пьезоматериала, а часть -- пьезопассивные.

В серийных преобразователях применяются, как правило, пьезоэлементы, имеющие круглую форму (диски). Однако при контроле вблизи границ изделия применяются прямоугольные пьезоэлементы, т.к. они имеют лучшие диаграммы направленности.

Электроды пьезоэлемента чаще всего выполняют из серебра и никеля, реже из меди, но они должны обладать прочностью и стабильностью. Электроды могут наноситься не на всю поверхность пьезоэлемента -- этим можно изменять характеристики акустического поля. Можно выполнить специальные электроды: одна часть пьезоэлемента - излучатель, другая - приемник. Демпфер располагают с тыльной стороны пьезоэлемента и приклеивают к нему.

Демпфер служит для подавления инерционных свойств пьезоэлемента. Его материал должен иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению пьезоэлемента, и большой коэффициент затухания ультразвука. Эти требования являются противоречивыми, т.к. материалы, которые имеют акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению материала пьезоэлемента, имеют низкое значение коэффициента затухания, например, металлы и их 'сплавы. Однако латунь и бронза применяются для изготовления демпфера. Чаще применяются демпферы, выполненные из компаундов:

-- компаунд из галлия, олова и никеля с вольфрамовым наполнителем;

-- компаунд из порошка вольфрама и олова с порошком желе- за;

-- наибольшее применение нашли компаунды, в которых связывающим компонентом является эпоксидная смола, а наполнители различные, например кварц, свинец, вольфрам;

-- наряду с эпоксидными смолами применяются силикон, каучук и др. материалы.

Изготавливают демпферы с переменными акустическими свойствами по его длине: акустические свойства вблизи пьезоэлемента, близкие к свойствам пьезоматериала, и с максимальным затуханием на противоположном конце от пьезоэлемента.

Протектор служит для предохранения пьезоэлемента от механических повреждений. Толщина протектора выполняется меньше половины протяженности импульса, чтобы исключить многократные отражения сигналов. Кроме того, материал протектора выбирают с высоким значением скорости звука, чтобы время пробега импульса по протектору было меньше не только длительности его, но даже длительности фронта импульса. К таким материалам относятся, например, бериллий и различные сплавы. В качестве протекторов применяются также полимерные пленки.

Если толщина протектора превышает половину пространственной протяженности импульсов, возникают многократные импульсы. Такой протектор называют линией задержки. К нему предъявляют особые требования. Введение некой задержки позволяет получить положительные эффекты: во-первых, раздвигаются во времени излучающий и приемный импульсы, во- вторых, появляется возможность улучшить ввод импульсов в изделие не оказывая влияние на пьезоэлемент.

В качестве линии задержки используют как твердые, так и жидкие среды. В случае применения жидких сред преобразователи называются иммерсионными. Линии задержки применяют и для контроля горячих изделий, имеющих высокую температуру, достигающую 1000'С.

Для решения ряда практических задач применяются наклонные преобразователи. Пьезоэлемент в них размещают на специальной линии задержки, выполненной в виде призмы. Призма чаще всего изготавливается из оргстекла или полистирола.

Рис 3. Наклонный преобразователь: 1- пьезоэлемент, 2- призма( линия задержки)

ультразвуковой преобразователь акустический волна

В зависимости от угла падения (угла наклона призмы) в объекте могут возбуждаться продольные, поперечные и поверхностные волны.

Поперечные или сдвиговые волны имеют меньшую длину волны, поэтому применяются для выявления дефектов малых размеров. Однако в последние годы разработаны наклонные преобразователи, использующие продольные волны.

Угол наклона призмы зависит от материала призмы и изделия. Для излучения сдвиговых или поверхностных волн и исключения продольных, для пары оргстекло -- сталь диапазон углов составляет 26,5-55'. Для других материалов в среднем диапазон углов 30-55'.

Для излучения продольных волн угол падения должен быть близким к нормали, не превышающим 10 .

Для излучения поверхностных волн угол падения должен быть больше 60'.

Размеры и форма призмы выбираются такими, чтобы отраженные от поверхности призмы волны не попадали на пьезоэлемент, а затухали в ее объеме, в ловушке. В некоторых преобразователях часть призмы -- ловушка изготавливается из материала с высоким уровнем затухания; иногда для гашения волн в ловушке сверлят мелкие отверстия.

Изготавливают призмы с переменным углом наклона.

Акустический контакт призмы с объектом осуществляется с помощью слоя масла или другой жидкости.

Наиболее приемлемым материалом для призмы является оргстекло, т.к. оно имеет акустические свойства, близкие к пьезокерамике, обладает высоким коэффициентом затухания и в то же время слабо ослабляет полезный сигнал на коротком участке пьезоэлемент -- изделие.

Недостатком совмещенных преобразователей является наличие шумов за счет реверберационных явлений в пьезоэлементе и в элементах конструкции. При разделении пьезоэлементов (излучателей и приемников) эти шумы устраняются. Можно применить два самостоятельных независимых преобразователя, однако лучшие характеристики имеют раздельно -- совмещенные преобразователи, в которых излучающий и приемный пьезоэлементы объединены в одном корпусе (рис. 4).

Рис 4. Раздельно-совмещённый преобразователь: 1-линия задержки, 2- пьезоэлемент, 3-акустический экран, 4- электрический экран, 5-заливочная масса(демпфер), 6-корпус

Раздельно -- совмещенные преобразователи выпускаются двух типов. прямые и наклонные. В данных преобразователях применяются линии задержки (призмы), которые создают необходимую ориентацию пьезоэлементов. При этом угол между нормалями пьезоэлементов в прямых преобразователях не превышает 10' для предотвращения возникновения сдвиговой волны; в наклонных -- от 1 до 70 в зависимости от требуемых характеристик.

При изготовлении таких преобразователей пьезоматериалы выбирают одинаковыми для излучателя и приемника.

Промышленность выпускает преобразователи различных типов для работы с дефектоскопами общего назначения. Основные характеристики их определены ГОСТ 23702-79:

-- коэффициент преобразования, -- полоса пропускания частот,

-- ширина диаграммы направленности, -- электрическое сопротивление и др.

Принята буквенно -- цифровая система обозначения преобразователей, которая отражает основные их признаки: первая буква П -- преобразователь; три цифры характеризуют тип преобразователя: первая -- характеризует способ контакта (1- контактный, 2-имерсионный, 3-контактно-имерсионный); вторая -- направление оптической оси (1-прямые, 2-наклонные); третья -- режим работы (1-совмещенный, 2-раздельный, раздельно- совмещенный); далее ставится буква «Ф» для фокусирующих преобразователей, буква «Н» для неплоских преобразователей. Отсутствие на этой позиции какой-либо буквы означает плоский преобразователь. Далее после дефиса следует группа цифр, указывающих рабочую частоту преобразователя в мегагерцах с точностью + 0.05 МГц. Затем для наклонных преобразователей после дефиса указывается угол призмы из органического стекла в градусах (если призма изготовлена из другого материала, про- водится соответствующий пересчет на органическое стекло). Для прямых преобразователей эти цифры отсутствуют.

Для преобразователей специального назначения после указанных цифр применяют условные обозначения дополнительных характеристик. Например, вид защиты преобразователя (П- --. пленка, Б- бериллий); обозначение Т300 указывает максимальную температуру 300? С объекта контроля; ММ -- миниатюрное исполнение корпуса преобразователя; М - малогабаритное исполнение корпуса; НЗ - корпус нормальный, заливное изготовление призмы и т.д. Таким образом, обозначение П121-2.5-30~-П2 несёт информацию о том, что это контактный, наклонный, совмещенный преобразователь, рабочая частота которого 2.5 + 0.05 МГц и угол наклона призмы (угол падения) 30? градусов, защитное покрытие в виде пленки.

Описание конструкции с простым с составным демпфером

Для того чтобы демпфер обладал большим затуханием и имел акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению пьезопреобразователя, применяются составные демпферы, в которых между пьезоэлектрическим преобразователем и звукопоглотителем демпфера помещена четвертьволновая прокладка. Входное акустическое сопротивление такого преобразователя можно изменять в широких пределах. Ниже показана схема такого преобразователя.

Акустическая система согласованного пьезопреобразователя:

|-четвертьволновая прокладка, ||-звукопоглотитель

1-пьезопластина, 2-защитное донышко, 3-слой смазки, 4-среда

Составные демпферы можно создавать с довольно большими входными сопротивлениями - порядка 107 Ом и выше применяя соответствующие комбинации Z| и Z||

Для оценки эффективности различных вариантов конструкций согласованных преобразователей необходимо сравнивать их по чувствительности и частотным характеристикам. При этом удобно пользоваться приведенной чувствительностью, определяя ее как

а Y0

S- площадь пьезоэлемента, R- эквивалентное сопротивление нагрузки, e11- пьезоэлектрическая постоянная материала пьезопластины.

Поскольку чувствительность согласованных преобразователей тем выше, чем больше акустическое сопротивление материала контактной смазки, в качестве последней был выбран глицерин, обладающий среди жидкостей наиболее высоким значением Zз=2,42Ч105 (скорость звука в глицерине Uз= 1,92Ч105 см/сек). Средой, в которую происходит излучение, взята сталь (Z4= 46Ч105 ).

В отсутствие защитного донышка (или при его полуволновой толщине), из-за отсутствия подходящих материалов реализовать большое выходное акустическое сопротивление в виде простого демпфера мы не можем. Но можем использовать составной демпфер четвертьволновую прокладку, например алюминиевую.

Определение удельного акустического сопротивления

Задание :

Медь с=8,9Ч103кг/м3 С = 2260м/с

Латунь с=8,1Ч103кг/м3 С = 2120м/с

Алюминий с=2,7Ч103кг/м3 С = 3080м/с

Сталь (углеродистая) с=7,8Ч103кг/м3 С = 3200м/с

Zal =8.33Ч106 кг/м2Чc

Zлат = 17.17Ч106 кг/м2Чc

Zcu = 20.11Ч106 кг/м2Чc

Zfe = 25.19Ч106 кг/м2Чc

Расчёт коэффициентов прохождения и отражения ультразвуковой волны

Коэффициент отражения:

Rп/с=0,008

Rс/воз=1

Rвод/воз= 0,999

Коэффициент прохождения:

Dп/с=0,992

Dс/воз=0

Dвод/воз= 0,001

Определение функции чувствительности (F)

F - это функция , характеризующая чувствительность и резонансные свойства всего ультразвукового преобразователя , состоящего из пьезоэлемента , демпфера , протектора . Она является основным параметром, определяющим работу ультразвукового преобразователя, определяет амплитуду сигнала и зависимость ее от частоты , то есть полосу пропускания сигнала .

Акустическими свойствами :

демпфером - Z0

протектором - Z2

пьезоэлементом - Z1 ,

контролируемым изделием - Z .

Сдвига фаз ультразвукового сигнала в пьезоэлементе:

d- толщина пьезоэлемента , l- толщина протектора

k- волновое число

когда

Эпоксидная смола

МГц

f = 0.4 -1.6Ч106 МГц

Размещено на Allbest.ru