Преобразователи УЗК

В ультразвуковом контроле пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) применяются совместно с УЗ-дефектоскопами и толщиномерами в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний.

Пьезоэлектрические преобразователи — устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие электрическую энергию в механическую и наоборот [Википедия].

Структура/схематическое изображение пьезоэлектрических преобразователей (прямых, наклонных, раздельно-совмещённых)

Схематическое изображение и структура пьезоэлектрических преобразователей на примере наиболее распространённых датчиков: прямых (слева), наклонных (в центре) и раздельно-совмещённых (справа).
1 - пьезопластина; 2 - демпфер; 3 - протектор; 4 - контактная жидкость; 5 - объект контроля; 6 - корпус; 7 - вывод; 8 - призма; 9 - электроакустический экран

Различают следующие типы преобразователей:

По углу ввода колебаний:

  • прямые ПЭП − вводят и/или принимают колебания поверхности объекта в точке входа, используются для обнаружения внутренних дефектов (расслоения, волосовины, поры, трещины и др.) и поиска локальных утонений в металлоконструкциях и стенках изделий.
  • наклонные преобразователи − вводят и/или принимают колебания в направлениях, отличных от нормали к поверхности объекта контроля, используются для контроля качества сварных и паяных соединений, элементов металлических конструкций, трубопроводов, а также для обнаружения дефектов различной ориентации − трещин, неметаллических включений, пор, непроваров, рисок, царапин и т.п.
  • комбинированные датчики – такие устройства включают в себя пьезоэлектрические элементы обоих типов: как наклонные, так и прямые. Как правило, такие ПЭПы используются для решения крайне специфических задач, например, для контроля осей колёсных пар вагонов без снятия внутренних колец подшипников.
  • ПЭП с переменным углом ввода – специфичные преобразователи, у которых пьезоэлементы расположены в мобильном отсеке, двигающимся вдоль дугообразной оси (см. рисунок). Слабо распространены в силу специфичности решаемых задач.

Ультразвуковой преобразователь ПЭП с переменным углом ввода

Преобразователь с переменным углом ввода (схема кликабельна)

По способу излучения и приема ультразвукового сигнала:

  • совмещенные преобразователи − содержат один пьезоэлемент, который работает как в режиме излучения, так и в режиме приема. Имеют одну зону контакта с контролируемым объектом.
  • раздельно-совмещенные ПЭП − содержат внутри одного корпуса два пьезоэлемента, один из которых излучает сигнал, а второй – принимает. Имеют две зоны контакта с контролируемым объектом − соответственно, излучающую и приемную.
  • раздельные датчики – также обладают двумя пьезоэлементами и двумя зонами контакта с объектом контроля, однако каждый пьезоэлектрический элемент находится в отдельном корпусе (не упоминается в рекомендуемом приложении к ГОСТ Р 55725—2013).

По типу контакта акустические преобразователи делятся на пять категорий:

  • контактные датчики (I) – ПЭП, которые взаимодействуют с объектом контроля через прослойку контактной жидкости, толщина которой не превышает половины длины волны. Наиболее распространены и используются в большинстве случаев. Обладают наибольшей чувствительностью, однако требовательны к контактной жидкости, а также поверхности объекта контроля – она должна быть максимально гладкой.
  • щелевые/менисковые ПЭП (II) – преобразователи, которые взаимодействуют с объектом контроля через слой контактной жидкости, толщина которого равна длине волны. Как правило, используются для проверки вертикальной поверхности объекта контроля или если поверхность объекта имеет переменную кривизну.
  • иммерсионные преобразователи (III) – устройства, которые взаимодействуют с объектом через значительный слой контактной жидкости, толщина которого кратно превосходит длину волны. В таких случаях объект контроля либо целиком помещают в иммерсионную ванну (III-А), либо к этому объекту применяют локальную ванну (III-Б). Также возможно осуществление ультразвукового контроля иммерсионным ПЭПом при отсутствии ванны, но под струёй воды (III-В). При данном методе чувствительность инструмента контроля значительно снижается, однако стабильность сигнала выше, что важно при, например, теневом методе контроля. Также при таком способе контроля преобразователь изнашивается медленнее в силу отсутствия непосредственного контакта объекта и устройства.
  • контактно-иммерсионные ПЭП (IV) – преобразователи, которые снабжаются локальной иммерсионной ванной и передают акустический сигнал опосредованно, через мембрану, расположенную на поверхности объекта контроля внутри ванны.
  • бесконтактные датчики – группа приборов, у которых излучатели волн работают по принципам, отличным от пьезоэлектрического эффекта. К таким относятся электромагнитные (ЭМАП) и оптические (лазерные) преобразователи. ЭМАП представляет собой плоскую индуктивную катушку, на которую регулярно подаётся импульс высокочастотного тока – воздействие на объект контроля происходит посредством силы Ло́ренца, что возбуждает в металле необходимые ультразвуковые колебания (пример датчика). Оптические же преобразователи воздействуют на объект с помощью предельно коротких (доли микросекунды), но мощных лазерных импульсов (20-30 МВт/см2). Такой импульс нагревает небольшой участок объекта контроля и вызывает его тепловое расширение, чем возбуждает упругие волны различных типов. Бесконтактные преобразователи менее всех прочих подвержены износу, невосприимчивы к шероховатости поверхности и максимально подходят для автоматизированного контроля. Однако, ЭМАП имеют низкий коэффициент преобразования, и они непригодны для контроля изделий из диэлектриков. В то же время лазерные преобразователи своими импульсами повреждают поверхность исследуемого изделия. Кроме того, отличительной особенностью всех бесконтактных преобразователей является сложность и дороговизна аппаратуры.

Ультразвуковые преобразователи ПЭП по типу контакта с объектом контроля

Основные типы ПЭП (кликабельно)

По форме акустического поля пьезоэлектрические преобразователи делятся на:

  • фокусирующие – излучаемые прибором акустические волны сужаются в определённой области пространства. Концентрация акустического поля происходит либо с помощью криволинейной пьезопластины (она же "активный концентратор"), либо с помощью линзы.
  • нефокусирущие – такие датчики УЗК снабжены обыкновенными пьезопластинами и не имеют линз.

По форме поверхности ПЭП:

  • притёртые – преобразователи, протекторы которых были буквально притёрты под изделие определённой кривизны. Такие ПЭП используются для контроля труб различных диаметров. Что примечательно, для каждого типоразмера преобразователь притирается по-разному;
  • непритёртые – устройство с плоской контактной поверхностью. Такие используются для контроля плоских изделий либо объектов с малой кривизной поверхности.

Наименования пьезоэлектрических преобразователей регламентируется рекомендуемым приложением к руководящему документу ГОСТ Р 55725—2013 (аналогичный регламент содержится в предшественнике данного стандарта – в ГОСТ 26266-90). Согласно ему, датчикам УЗК необходимо давать наименования в соответствии с шаблоном, представленным ниже,

П-X1X2X3X4-X5-X6-X7-X8

где:

  • X1 – тип контакта. 1 – контактный, 2– иммерсионный, 3 – контактно-иммерсионный, 4 – бесконтактный.
  • X2 – угол ввода колебаний. 1 – прямой, 2 – наклонный, 3 – комбинированный.
  • X3 – способ излучения/приёма сигнала. 1 – совмещённый, 2 – раздельно-совмещённый, 3 – раздельный.
  • X4 – форма акустического поля. Ф – фокусирующий. Если ПЭП нефокусирующий, знак не ставится (!).
  • X5 – номинальная частота устройства.
  • X6 – угол ввода (для наклонных ПЭП).
  • X7,X8 – дополнительные характеристики преобразователя (опционально).

Таким образом, акустический контактный прямой совмещённый нефокусирующий преобразователь, работающий на частоте 2,5 МГц должен именоваться как П111-2,5.

После рабочей частоты производители часто указывают дополнительные параметры, несмотря на рекомендательный характер подобных обозначений. Так, ПЭП, аналогичный по своим характеристикам примеру выше, с размером пьезоэлемента равным 20 миллиметрам может обозначаться как П111-2,5-К20.

Мощность ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя визуально можно оценить при помощи маркировки: каждый преобразователь окрашен в характерный цвет, который зависит от рабочей частоты устройства. В соответствии с ГОСТ 26266-90, прибор, работающий на сверхнизкой (если говорить про ПЭП – менее 0,9 МГц) рабочей частоте, отмечается белым (или серым) цветом. Устройства с рабочей частотой менее 1,25 МГц – красным цветом; менее 1,8 МГц – оранжевым.

Синим/фиолетовым цветами маркируют датчики УЗК, работающие на частоте до 3 МГц, а зелёным – до 6 МГц. Высокочастотные преобразователи (до 14,5 МГц) обозначают коричневым цветом, а сверхвысокочастотные – жёлтым.

Низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи (рабочая частота менее 1,8 МГц), как правило, применяются при контроле изделий/сварных соединений с большой толщиной, с крупнозернистой структурой или высоким коэффициентом затухания (к примеру чугунных отливок).

Среднечастотные ПЭП используются для объектов контроля меньшей толщины и с более мелкозернистой структурой.

К датчикам же УЗК с рабочей частотой выше 5 МГц прибегают для проверки изделий/сварных соединений с мелкозернистой структурой и объектов малой толщины (соединений толщиной менее 20 мм).

На практике большинство изготовляемых на данный момент устройств работает на следующих частотах: 1,25 МГц; 1,8 МГц; 2,5 МГц; 5 МГц и 10 МГц. В целом государственный стандарт регулирует ПЭП с рабочими частотами, расположенными в диапазоне от 0,16 до 30 МГц.

Частота (МГц) Цвет маркировки Цвет маркировки (альтернативный)
x≤0,9    
0,9<x≤1,25  
1,25<х≤1,8  
1,8<х≤3,0    
3,0<х≤6,0  
6,0<х≤14,5  
14,5≤х  

Цветовая маркировка преобразователей распространена повсеместно, однако регламент расцветки ПЭПов не упоминается в ГОСТ Р 55725—2013, который вступил в силу взамен ГОСТ 26266-90, потому сейчас цветовое обозначение может не всегда соблюдаться.

Общий принцип обозначения пьезоэлектрических преобразователей регламентирован и приводится в рекомендуемом приложении А стандарта ГОСТ Р 55725—2013 (а также в обязательном приложении №2 стандарта ГОСТ 26266-90).

Также одной из важных характеристик датчика УЗК является размер пьезоэлемента. Размер пьезоэлемента выбирается в соответствии с задачей, что ставится перед устройством: крупные пьезоэлементы имеют бо́льшую площадь охвата, однако они менее восприимчивы к небольшим дефектам и в целом менее пригодны для контроля изделий малых размеров. Небольшие пьезоэлементы, напротив, более восприимчивы к малым отражателям; благодаря своим габаритам преобразователи с такими элементами можно применять для контроля в стеснённом пространстве. Также такими ПЭП можно проверять изделия со множеством изгибов. Меж тем, площадь охвата таких устройств заметно меньше.

Выбор ультразвукового преобразователя зависит от материала, формы, толщины, температуры и других параметров контролируемого объекта.

В компании «Рентгенсервис» Вы можете купить преобразователи для УЗК любых типов.