Краткие теоретические сведения

Задача приемного тракта дефектоскопа усилить эхо сигналы от возможных дефектов до уровня достаточного для детектирования и дальнейшей обработки сигналов. Приемный тракт ультразвукового импульсного дефектоскопа имеет следующие особенности:

1. Эхо сигналы имеют достаточно большую амплитуду порядка мВ, а в обычных приемниках порядка мкВ.

2. Требуется защита от воздействия мощного зондирующего импульса при совмещенной схеме подключения (ПЭП).

3. Требуется измерение отношения амплитуд эхо-сигналов от дефекта и опорного отражателя.

4. Эхо сигнал является широкополосным сигналом, то есть имеет широкий частотный спектр.

Основные функциональные узлы приемного тракта ультразвукового импульсного дефектоскопа (рис. 1.1):

¾ предварительный усилитель (ПУ), ограничитель амплитуды;

¾ измеритель отношения амплитуд сигналов (аттенюатор);

¾ усилитель высокой частоты (УВЧ);

¾ система временной регулировки чувствительности (ВРЧ);

¾ детектор;

¾ видеоусилитель. 

Предварительный усилитель обеспечивает согласование приемного тракта с ПЭП.

Ограничитель амплитуды (рис. 1.2) – предохраняет усилитель от перегрузок, свя­занных с воздействием зондирующего импульса (когда ПЭП подключен по совмещенной схеме). При этом сигналы небольшой ампли­туды практически не искажаются. Работа ограничителя амплитуды основана на том, что сопротивление кремниевого диода уменьшается, когда напряжение на нем, дей­ствующее в прямом направлении, превосходит, примерно 0,6В (рис. 1.2б).

                                                                                от ГСИ

                                                     ВРЧ

От ГИВ

ПЭП                                  дБ                                              отсечка

Рисунок 1.1 Функциональная схема приемного тракта дефектоскопа.

Ограни­чительные диоды шунтируют как положительный, так и отрицательный полупериоды зондирующего импульса. Ограничитель амплитуды представляет собой два полупроводниковых диода включенных встречно - параллельно на входе приемного тракта (рис. 1.2а).

          а)                                      б)

Рисунок 1.2 Принципиальная схема ограничителя амплитуды (а) и вольтамперная характеристика кремниевого диода (б)

Аттенюатор - калиброванный делитель напряжения используется для измерения отношений амплитуд эхо сигналов на входе УВЧ. В практике дефектоскопии аттенюатор используется для настройки на заданную чувствительность контроля в децибелах (Ку, Кэ) и для определения условного коэффициента выявляемости дефекта (Кд). Определение чувствительности контроля и условного коэффициента выявляемости дефекта можно представить как:

Ку = Nх - Nо Кэ = Nх - Nо  Кд = Nд - Nо

Где:

Ку – условная чувствительность, дБ;

Кэ - эквивалентная чувствительность, дБ;

Кд – условный коэффициент выявляемости дефекта, дБ;

Nх – усиление, при котором обеспечивается заданная чувствительность контроля, дБ;

Nо - опорный уровень чувствительности. Усиление, при котором амплитуда эхо сигнала от опорного отражателя равна порогу срабатывания автоматического сигнализатора дефектов (порог АСД), дБ. Для Ку опорным отражателем является отверстие диаметром 6мм на глубине 44 мм в СО-2, СО-3Р, для Кэ любая другая модель дефекта;

Nд - усиление, при котором амплитуда эхо сигнала от дефекта равна порогу АСД , дБ.

Усилитель высокой частоты должен иметь малое время восста­новления чувствительности после воздействия зондирующего импульса (в случае включения ПЭП по совмещенной схеме). Амплитуда эхо сигналов от дефектов с малой эквивалентной площадью составляет в зависимости от мощности зондирующего им­пульса 20.,.200 мкВ. При такой амплитуде входного сигнала и при выходном сигнале, равном 40 В, необходимый коэффициент уси­ления приемного тракта составит:

Где:  Uвх - амплитуда сигнала на входе УВЧ, мкВ;

Uвых -  амплитуда сигнала на выходе УВЧ, В.

Искажения формы сигналов в процессе усиления должны быть минимальны. При этом в первую очередь необходимо обеспечить малое время нарастания и спадания напряжения сигнала на выходе при­емника (рис. 1.3). Время нарастания сигнала в усилителе обратно пропорциональ­но полосе пропускания. Поэтому полоса пропускания должна быть на­столько широкой, чтобы в усилителе не возникали значительные иска­жения формы сигнала, и в то же время достаточно узкой, чтобы уро­вень шумов не был чрезмерно велик. Величина минимально допустимой полосы зависит от формы огибающей и длительности усиливаемого сиг­нала. Известно, что эхо сигнал на входе приемника имеет колоколообразную форму. Полосу пропускания усилителя, обеспечивающую передачу колоколообразного радиоимпульса практически без искажений, определяют по формуле: 

Δf = 2/τ

Где: Δf - полоса пропускания усилителя радиоимпульса на уровне 0,7;

τ - длительность импульса на уровне 0,5.

U В 1   0,7   0,1         Рисунок 1.3 Примерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) УВЧ приемника дефектоскопа

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при неизменной амплитуде входного напряжения. Основными параметрами АЧХ являются границы диапазона час­тот на уровне 0,7 (fН и fВ) крутизна скатов АЧХ на уровнях от 0,1 до 0,7 (Δfск1, Δfск2) и средняя частота (fср).

Амплитуда входных сигналов приемного тракта дефектоскопа в зависимости от размеров и глубины расположения дефектов в изделии может изменяться от десятков мкВ до десятков мВ. В связи с этим усилитель дефектоскопа должен иметь достаточный динамический диа­пазон для неискаженного усиления как малых сигналов от дефектов, так и эхо-сигналов сравнительно большой амплитуды. Динамический диапазон УВЧ определяют по формуле:

Где: U_вх.max и U_вх.min - максимальный и минимальный уровень входных сигналов, при которых усилитель сохраняет линейность амплитудной характеристики.

Различают два основных типа усилителей высокой частоты: линейный и логарифмический. В усилителе с линейной характеристикой Uвых максимально пропорционально Uвх (рис. 1.3). Однако точное соблюдение этого требования возможно лишь в ограниченном диапазоне. В логарифмическом усилителе Uвых пропорционально логарифму Uвх. Таким образом, логарифмический усилитель представляет собой пропорциональный «дБ-усилитель». Возможна реализация двух вариантов УВЧ:

¾ Широкополосный (апериодический усилитель)

¾ Узкополосный (резонансный усилитель)

U вх	- линейное усиление   - логарифмическое усиление   - усиление пороговых значений

Рисунок 1.3 Амплитудная характеристика УВЧ разных типов.

Узкополосные УВЧ (резонансные) обеспечивают высокую помехоустойчивость, широкополосные УВЧ (апериодические) обеспечивают хорошую разрешающую способность. Резонансные усилители (узкополосные) как правило, содержат такие элементы колебательного контура как катушки индуктивности и требуют изготовления индивидуальных намоточных комплектующих, предусматривающих настройку приемного тракта при заводской сборке. В радиотехнике считается узкополосным УВЧ, если f/Δf >10..100. Недостатком слишком узкой полосы частот будет потеря разрешающей способности.

Система временной регулировки чувствительности (ВРЧ) формирует импульс, который подается на УВЧ, запирая его непосредственно после излучения зондирующего импульса и изменяя коэффициент уси­ления во времени. Форма и параметры импульса ВРЧ регулируются в зависимости от задач контроля. Система ВРЧ используется не только для подавления зондирующего импульса и реверберационных шумов с целью уменьшения мертвой зоны, но и позволяет компенсировать ослабление ультразвука в контроли­руемом изделии, обусловленное дифракционным расхождением и затуха­нием ультразвука, с целью выравнивания амплитуд эхо-сигналов от равновеликих дефектов залегающих на различных глубинах. В целях выравнивания чувствительности по глубине закон изменения усиления должен быть обратным закону уменьшения амплитуды отраженных сигналов. Обычно динамический диапазон ВРЧ (то есть степень подавления эхо-сигналов вблизи зондирующего импульса) в современных дефектоскопах достигает 40 ÷ 60 дБ.

Амплитудный детектор предназначен для выделения «огибающей» радиоимпульсов, что упрощает восприятие сигналов оператором и позволяет эффективно использовать площадь индикатора (экрана). Амплитудный детектор не усиливает сигналы, а ослабляет их (в 1,5-2 раза). В универсальных дефектоскопах амплитудный детектор предусматривает 4 режима работы:

1. Выпрямление положительных полуволн.

2. Выпрямление отрицательных полуволн.

3. Двухполупериодное выпрямление.

4. Отсутствие детектирование (радиоимпульс).

Предпочтительным является «двухполупериодное выпрямление». Наиболее информативным является режим «отсутствие детектирования», при котором возможен фазовый анализ эхо-сигналов.

Видеоусилитель предназначен для усиления детектированных сигналов до уровней достаточных для срабатывания индикаторов дефектоскопа. Детектор или ви­деоусилительснабжают регулируемой отсечкой, исключающей прохождение на выход приемного тракта  сигналов небольшой амплитуды (в том числе шумов). Особенно эффективна компенсированная отсеч­ка, при которой восстанавливается амплитуда оставшихся после отсечки сигналов. Недостатками схемы компенсированной отсечки являются:

1. Искажение формы эхо-сигнала ниже порогового уровня.

2. В процессе анализа сигнала оператор не видит момент зарождения и исчезновения эхо-сигнала, то есть огибающие амплитуд эхо-сигнала в процессе перемещения ПЭП получается существенно уже.

В связи с этим в процессе контроля, в зависимости от производственных условий, необходимо устанавливать уровень отсечки как можно ниже.

Ультразвуковые дефектоскопы можно условно разделить на два класса – аналоговые (УД2-12) и цифровые (УД2-70).

В аналоговых дефектоскопах обработка сигналов производится с помощью аналоговых устройств (усилитель высокой частоты, детектор, видеоусилитель и т.д.) и отображение сигналов осуществляется также аналоговым устройством (ЭЛТ).

Цифровые дефектоскопы содержат микропроцессор, который обрабатывает сигналы в цифровом виде и отображает их на матричном дисплее. Устройство приемного тракта сильно отличается для данных двух классов дефектоскопов. В цифровом дефектоскопе аналоговая часть приемника состоит из усилителя высокой частоты и детектора. Сигнал с выхода детектора поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует его в цифровой код и передает в микропроцессор. Дальнейшая обработка сигналов производится уже микропроцессором. Сигнал ВРЧ формируется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Цифровой код извлекается из памяти микропроцессора и преобразуется в некоторое напряжение (сигнал ВРЧ) на выходе ЦАП. Сигнал ВРЧ, как и у аналогового дефектоскопа, управляет коэффициентом усиления УВЧ. Обнаружение эхосигнала определение его координат и амплитуды, изображение на дисплее - все эти операции делает микропроцессор. В дефектоскопах, созданных в последние годы цифровому преобразованию подвергается высокочастотный сигнал. В приемнике отсутствует детектор. На экране матричного дисплея может отображаться или высокочастотный или детектированный сигнал. Алгоритм обработки сигнала содержит программу цифровой фильтрации и цифрового детектирования. Важно отметить, что в цифровом дефектоскопе невозможно определить параметры только аналоговой части приемника. Измеряемые величины неизбежно будут обрабатываться "искажаться" алгоритмом микропроцессора. Поэтому параметры приемника нужно представлять, как общие параметры аналоговой части, плюс алгоритм обработки. Существуют переходные модели дефектоскопов, которые содержат микропроцессор, но приемник дефектоскопа является полностью аналоговым и отображение сигналов осуществляется в аналоговом виде на ЭЛТ. (УДС2-32, РДМ-2, РДМ-3). Несмотря на существенные отличия приемников цифровых и аналоговых дефектоскопов, комплекс поверяемых параметров остается одним и тем же.