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:

¾ размеры контролируемого изделия;

¾ затухание ультразвука в материале контролируемого изделия;

¾ скорость сканирования;

¾ 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      

           Fсл

Внутр.

                                                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.