操作理论
Звуковые волны окружают нас повсюду. Это механические колебания, распространяющиеся в упругих средах (воздух, вода). Чаще всего ультразвуковой контроль осуществляется в диапазоне частот от 500 кГц до 20 МГц, что намного выше предела слышимости человеческого уха; некоторые специализированные инструменты достигают более высокие и более низкие частоты. Точная частота измерения выбирается в зависимости от конкретной задачи. Принцип работы ультразвукового толщиномера заключается в измерении времени прохождения звукового импульса через образец. Поскольку звуковые волны отражаются от границы между разнородными материалами, это измерение обычно производится с одной стороны, в режиме «импульс/эхо».
Преобразователь содержит пьезоэлектрический элемент, который возбуждается коротким электрическим импульсом для генерации дискретных ультразвуковых волн. Звуковые волны посылаются в исследуемый материал и проходят через него, пока не сталкиваются с задней стенкой или другим препятствием. Отраженные волны возвращаются к датчику, преобразующему механические колебания в электрическую энергию. В сущности, толщиномеры прослушивают эхо с противоположной стороны. Обычно, промежуток времени между посланным и отраженным сигналом составляет всего несколько миллионных долей секунды. В прибор занесены данные о скорости звука в исследуемом материале, из которого он может затем рассчитать толщину, используя простую математическую связь:
T = (V) x (t/2)
Где
T = толщина участка
V = скорость звука в материале
t = измеренное время прохождения звука
В некоторых случаях смещение нуля также вычитается для учета фиксированных задержек в приборе и УЗ-пути.
Необходимо отметить, что скорость звука в исследуемом материале является важной частью этого расчета. Различные материалы передают звуковые волны по-разному. Как правило, в твердых веществах она выше, а в мягких – ниже. Кроме того, она может значительно изменяться с температурой. Таким образом, всегда необходимо калибровать ультразвуковой толщиномер по скорости звука в исследуемом материале, от чего прямо зависит точность показаний прибора. Обычно это делается с помощью стандартного образца, толщина которого точно известна. Необходимо помнить, что скорость звука зависит от температуры, поэтому для обеспечения максимальной точности эталонный образец должен иметь приблизительно ту же температуру, что объект контроля.
Более высокие частоты имеют более короткую длину волны, что улучшает возможность измерения более тонких материалов. Более низкие частоты с большей длиной волны проникают дальше и используются для контроля толстых образцов или таких материалов, как стекловолокно и литые металлы с крупнозернистой структурой, которые менее эффективно передают звуковые волны. Выбор оптимальной частоты измерения часто включает балансирование этих требований к разрешающей способности и проникновению. В ультразвуковом диапазоне частот звуковые волны имеют высокую направленность, и, хотя они свободно проходят через обычные металлы, пластмассы и керамику, они будут отражаться от границы воздуха, н-р внутренней стенки или трещины.
Звуковые волны в мегагерцевом диапазоне через воздух проходят плохо, поэтому для улучшения передачи звука между преобразователем и исследуемым образцом используется контактная жидкость. Обычно в качестве контактной жидкости используется глицерин, пропиленгликоль, вода, масло и гель. Достаточно небольшого количества жидкости, чтобы заполнить воздушный зазор между преобразователем и контролируемой поверхностью.
Ниже представлена схема работы типичного ультразвукового толщиномера. Генератор импульсов под управлением микропроцессора подает импульс напряжения на преобразователь, генерируя ультразвуковую волну. Эхо-сигналы, отраженные от поверхности объекта контроля, принимаются преобразователем и преобразуются в электрические сигналы, которые, в свою очередь, поступают на усилитель приемника и оцифровываются. Логические схемы синхронизации, также управляемые микропроцессором, синхронизируют работу генератора и выбирают соответствующие эхо-сигналы для измерения временного интервала.
При обнаружении эхо-сигналов, схема синхронизации точно измеряет временной интервал в одном из режимов, рассмотренных в разделе 3, а затем повторяет процесс несколько раз для получения усредненного показания. Затем, микропроцессор использует измеренный временной интервал вместе с запрограммированными значениями скорости звука и смещения нуля для расчета толщины. Значения толщины отображаются и обновляются на экране с заданной скоростью.
