Основы Измерений.
Ультразвуковой неразрушающий контроль (НК) – характеризующий толщину и целостность материала, а так же другие физические свойства с помощью высокочастотных звуковых волн – широко применяется для осуществления контроля качества. Методы ультразвуковых измерений позволяют быстро получить точные значения толщин без необходимости обеспечения доступа к обеим сторонам тестового материала. В некоторых случаях достигается погрешность в ±1 микрон или ±0.0001дюйма. Ультразвук применяется для измерения большинства конструкционных материалов, включая металлы, пластик, керамику, композиты, эпоксидные смолы и стекло, а так же уровня жидкости и толщины некоторых биологических образцов. Данные технологии позволяют проводить оперативные измерения прессованного пластика и прокатанного металла, а так же отдельных слоев или покрытия многослойных материалов. Современные ручные измерительные приборы точны и легки в использовании.
Точные ультразвуковые толщиномеры работают в частоте от 500 КГц до 100 МГц и оснащены пьезоэлектрическими датчиками, которые при получении электрического импульса генерируют импульс звуковой энергии. Для промышленного использования разработано большое количество разнообразных датчиков с различными акустическими характеристиками. Обычно низкочастотные датчики используются для улучшения проникающей способности в толстых слоях, а так же материалах с высоким коэффициентом рассеивания и затухания. Тогда как высокие частоты рекомендованы для оптимизации разрешения в тонких материалах с низкими показателями рассеивания и затухания ультразвуковой волны. Ультразвуковые приборы, основанные на принципе “импульс- эхо”, определяют толщину изделия или структуры исходя из точного измерения времени, требующегося генерируемому в датчике импульсу, на прохождение через тестовый материал, отражение от внутренней поверхности и возвращение опять в датчик. В большинстве случаев этот отрезок составляет несколько микросекунд или меньше. Полученный временной интервал делится пополам для определения времени прохождения сигнала в одном направлении, а затем умножается на скорость звука в материале. В результате получается следующее равенство:
d=Vt/2, где d = толщина тестового образца, V = скорость звука в материале, t = время прохождения импульса в обоих направлениях.
Более того, на практике происходит вычитание величины задержки нуля, связанной с конкретной зафиксированной электронной и механической задержкой датчика. В обычных случаях, при использовании контактных датчиков, компенсация нуля включает время прохождения звукового импульса через поверхность датчика и слой контактной жидкости, а так же время электронной коммутации и задержки в кабеле. Компенсация нуля настраивается в процессе калибровки инструмента и необходима для повышения точности измерений.
Обобщенная структурная схема современного ультразвукового измерительного прибора с микропроцессорным управлением. Генератор, контролируемый микропроцессором, производит однонаправленный широкополосный импульс напряжения, который передается в смоченный широкополосный ультразвуковой датчик.
Генерируемый датчиком импульс передается в тестовый образец, обычно через слой контактной жидкости. Эхо сигналы, возвращающиеся от задней и передней поверхности тестового образца, принимаются датчиком, и конвертируется в электрический сигнал, который усилятся амплифером с автоматическим контролем коэффициента усиления (AGC). Логические схемы одновременно синхронизируют генератор и выбирают соответствующий эхосигнал для измерения временного интервала.
Если эхо сигналы не обнаружены в течение заданного периода измерений, прибор перейдет в режим энергосбережения, сохраняя энергию для следующего цикла измерений. Если эхо сигналы обнаружены, то временной контур будет измерен в соответствии с выбранным режимом Измерений. Затем процесс повторится несколько раз для создания Таблицы средних значений. При расчете временного интервала, микропроцессор основывается на данных скорости распространения звука в материале и компенсации нуля, записанных в Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В результате, значение толщины отображается на жидкокристаллическом дисплее (LCD) и обновляется согласно выбранной частоте. Многие современные приборы оснащены внутренним модулем памяти, способным вмещать несколько тысяч значений толщин вместе с идентификационными кодами и настроечной информацией. Сохраненные данные могут быть вызваны на дисплей прибора, а так же переданы на принтер или компьютер для дальнейшего анализа.
Выбор Датчика и Режима Измерений
Методы проведения ультразвуковых исследований толщин могут классифицироваться в соответствии с типом датчика или эхосигналом, выбранным для определения времени прохождения импульса через тестовый материал. Если проводить классификацию по типу участвующего в толщинометрии датчика, то их можно разделить на три основные группы:
Контактные датчики, датчики с линией задержки, иммерсионные датчики
Классификация методик измерений по выбору эхосигналов позволяет выявить так же три основные группы или режима:
Режим 1 – Измерения производятся между главным импульсом и первым отраженным от тестового материала сигналом. В этом режиме используются контактные датчики. Режим 1 является основным режимом работы прибора и рекомендуется для проведения большинства измерений, кроме случаев и условий, характерных для режимов 2 и 3.
Режим 2 – Измерения проводятся между интерфейсным эхосигналом, определяющим переднюю кромку тестового образца, и первым отраженным сигналом. Для данных замеров используется иммерсионный датчик или датчик с линией задержки. Режим 2 обычно используется для проведения исследований в условиях высоких температур датчиком с линией задержки; измерений вогнутых поверхностей и выпуклых радиусов; измерений в замкнутых объемах иммерсионным датчиком или датчиком с линией задержки; и для проведения оперативных исследований движущихся материалов иммерсионным датчиком.
Режим 3 – Измерения проводятся между двумя последовательными отраженными эхосигналами с использованием иммерсионного датчика или датчика с линией задержки. Данный режим применим только в случае возникновения множества хорошо различимых эхосигналов. Данное требование существенно сужает рамки использования данного режима измерений для материалов с относительно низким коэффициентом затухания и высоким акустическим сопротивлением. К ним относятся мелкозернистые металлы, стекло и керамика. В третьем режиме, за счет проникающей способности достигается высокая точность измерений и наилучшее разрешение толщин. Режим 3 используется в случаях, когда в Режимах 1 и 2 не достигается необходимая степень точности и /или разрешение.
Обобщенный вариант данных классификаций приведен на Рисунке 2, где дано схематическое представление режимов измерения, времени и датчиков, которые могут быть использованы для каждого из них.
Примечание: Существует еще один тип датчиков – раздельно-совмещенные - чаще используемый для коррозийных исследований, чем для точных измерений, которые являются предметом рассмотрения данного раздела. Как это видно из названия, подобные датчики используют пару пьезоэлектрических элементов с раздельными линиями задержки, один из которых исполняет роль генератора, а другой - приемника сигнала. Измерения толщин осуществляются в измененном Режиме 1, то есть до первого отраженного сигнала за вычетом компенсации нуля, равной времени прохождения сигнала через линии задержки. Раздельно - совмещенные датчики обычно хорошо противостоят воздействию высоких температур, а так же очень чувствительны к определению точечной коррозии и других факторов, приводящих к истончению материала. Тем не менее, из-за корректировки V-пути могут возникать ошибки в определении времени и положения нуля, что делает этот тип датчиков не самым лучшим вариантом при проведении высокоточных исследований толщин.
Для получения подробной информации о раздельно-совмещенных датчиках обратитесь к нам.
Измерения
Ультразвуковые измерения толщин с использованием контактного датчика в Режиме 1 – это один из простейших способов измерений, который может быть использован для реализации большинства прикладных задач. Для большинства материалов данный метод обеспечивает хорошее сцепление при передаче ультразвука в тестовый образец. Контактные измерения в Режиме 1 могут проводиться, если толщина материала не менее 0.12мм для пластика или 0.25мм (
*Диапазон толщин указан исходя из скорости звука около 0.5 см/мс или 0.23 дюйма/мс, а так же допуска, что затухание звука в материале не препятствует измерению максимального значения в диапазоне.
Выбор подходящего датчика основывается на требуемом диапазоне и разрешении измерений, акустических свойствах материала и геометрии детали. При выборе датчика Вам следует поэкспериментировать с тестовыми образцами, представляющими нужный диапазон толщин. В целом, для получения приемлемых результатов рекомендуется использовать датчик с большей частотой и меньшим диаметром. Датчик с небольшим диаметром легче крепится к материалу и требует меньшего слоя контактной жидкости. Более того, высокая частота датчика приводит к сокращению времени установления эхосигнала и, теоретически, к увеличению степени точности измерений. С другой стороны, из-за акустических свойств материала и особенностей его поверхности может потребоваться больший низкочастотный датчик для преодоления плохого сцепления с материалом и случаев потери сигнала, возникающих из-за рассеивания или ослабевания сигнала. Иногда достижение лучшего разрешения осуществляется за счет снижения проникающей способности. Таким образом, для покрытия требующегося диапазона толщин могут использоваться два или более датчика.
Факторы, Влияющие на Точность Измерений
Калибровка. Точность любых ультразвуковых измерений зависит от корректности калибровки прибора. Все качественные ультразвуковые измерительные приборы обеспечивают возможность быстрого проведения настройки скорости звука и компенсации нуля. Естественно, что калибровка должна осуществляться и проверяться в соответствии с процедурой, приведенной в инструкции по эксплуатации. Скорость звука всегда определяется материалом, участвующим в измерении. Параметр компенсации нуля обычно соотносится с типом датчика, длиной кабеля и выбранным режимом измерений.
Шероховатость Поверхности Тестового Материала. Максимальная точность измерений достигается при гладких и параллельных передней и задней поверхностях тестового материала. На шероховатых поверхностях при определении минимальных толщин может произойти увеличение значения из-за отражения звуковой волны в слое контактной жидкости. Неточности могут также быть вызваны различием в толщине слоя контактной жидкости под датчиком. К тому же, отраженные эхо сигналы могут быть искривлены из-за множества различных звуковых волн, принимаемых датчиком, что так же влияет на корректность измерений.
Пятно Контакта. В режиме 1 (контактные датчики) измерений, толщина слоя контактной жидкости учитывается при настройке параметра компенсации нуля. Для достижения максимальной точности измерений, методики должны быть согласованы. При этом используется контактная жидкость с достаточно низкой скоростью распространения звука, для достижения достоверности показаний и обеспечения равномерного давления датчика. Практика помогает определить среднее давление, позволяющее получать корректные показания. В общем, датчик с меньшим диаметром требует меньшей силы сцепления для выдавливания лишней контактной жидкости, чем датчик с большим диаметром.
Во всех режимах, отклонение датчика вызывает искажение эхо сигнала и является причиной неточного считывания данных.
Искривление Тестового Образца. Данный фактор требуют проведения регулировки датчика по тестируемому образцу. При замерах на неровной поверхности, необходимо помещать датчик как можно ближе к центральной линии образца и удерживать его как можно лучше. В некоторых случаях, для регулировки может быть использован подпружиненный V-блоковый кронштейн. В общей сложности, увеличение радиуса кривизны приводит к использованию датчика с меньшей контактной поверхностью и более критическому отношению к результатам исследований. Для очень маленьких радиусов требуется иммерсионный подход. В некоторых случаях, полезен просмотр формы волны с помощью функции дисплея волны для достижения оптимальной настройки. Работа оператора с дисплеем формы волны позволит ему выбрать лучший способ установки датчика. На искривленных поверхностях должно быть использовано оптимальное количество контактной жидкости. Избыток контактной жидкости между датчиком и тестовой поверхностью приводит к образованию прослойки, в которой преломляется звуковая волна, а так же создаются помехи, оказывающие влияние на результаты измерений.
Уклон или Эксцентриситет. В случае конусообразности или эксцентриситета передней и задней стенок образца по отношению друг к другу, отраженный эхо сигнал может исказиться из-за вариативности звуковых дорожек. Снижается точность измерений. В некоторых случаях, измерения невозможны.
Акустические Свойства Тестируемого Материала
Машиностроительные материалы обладают некоторыми свойствами, которые могут влиять на корректность и допустимый диапазон ультразвуковых измерений:
Рассеивание Звука. В таких металлах как нержавеющая литая сталь, чугун, стекловолокно и композиционных материалах, звуковая волна будет рассеиваться из-за отдельных кристаллов отливки или границ стыка различных материалов в случае стекловолокна и композитов. Пористая структура любого материала может привести к такому же эффекту. Чувствительность должна быть настроена таким образом, что бы подобные помехи не принимались прибором. Компенсация данных сигналов ограничена возможностью распознавания адекватных отражаемых от задней поверхности материала эхо сигналов, что значительно сужает диапазон измерений.
Затухание Звука или Абсорбция. В таких органических материалах как пластик низкой плотности и резине происходит быстрое затухание волн, применяющихся в ультразвуковых измерениях. Затухание сигналу увеличивается при повышении температуры. В этом случае величина максимальной измеряемой толщины зависит от затухания звука в материале.
Изменение Скорости Звука. Ультразвуковые измерения толщин точны только в случае корректной калибровки скорости звука. Некоторые материалы показывают значительные изменения скорости звука в материале от точки к точке. Это явление происходит из-за дефектов в некоторых литейных металлах, возникающих при измерении кристаллической решетки, вызванных охлаждениями. Стекловолокно может локализовать изменения скорости звука в зависимости от изменения слоев смолы/нитей. Многие пластмассы и каучуки показывают быстрое изменение скорости звука в зависимости от температуры. Поэтому важно, чтобы калибровка прибора и измерения производились при одинаковых температурах.
Опрокидывание Фазы или Фазовое Искажение. Фаза или полярность отраженного эха определяется соответствующим акустическим сопротивлением (плотность x скорость) граничащих материалов. Прибор допускает ситуацию, когда тестируемый материал окружен воздухом или жидкостью, которая имеет более низкий, чем металл, керамика или пластик акустический импеданс. Тем не менее, в некоторых случаях (таких как измерение стекла, пластиковой облицовки метала или медной наружной облицовки) данная зависимость сопротивлений реверсируется и происходит фазовое искажение эхо сигнала. В этих случаях, необходимо изменить полярность Определения Эха или в приборах, где данное изменение невозможно, настроить компенсацию нуля на задержку, равную половине цикла прохождения волны.
Более сложная ситуация может возникнуть с такими анизотропными и неоднородными материалами как крупномодульное металлическое литье или обычные композиты, где свойства материала являются причиной возникновения множественных звуковых эхо сигналов внутри площади излучения. В этих случаях, фазовое искажение может создавать эхо, которое нельзя отнести ни к негативному, ни к позитивному. Для достижения высокой точности исследований следует поэкспериментировать с соответствующими параметрами. Если данный эффект не исчезает, его можно скомпенсировать настройкой нуля, но в случае изменчивой формы волны высокоточное определение толщины будет невозможно.
Контактные Жидкости
В ультразвуковых исследованиях используются различные контактные жидкости. В большинстве случаев может использоваться пропиленгликоль. Для проведения сложных измерений, в которых требуется максимальная передача звукового импульса в тестовый образец, рекомендуется глицерин. Тем не менее, благодаря способности глицерина впитывать и удерживать влагу, его применение на некоторых металлах может привести к возникновению коррозионных повреждений. При нормальных температурах в качестве контактных жидкостей могут использоваться вода, различные масла, гели и силиконовые масла.
В некоторых измерениях на гладких поверхностях вместо контактной жидкости может использоваться тонкая контактная мембрана (например, тонкий слой полиуретана) между поверхностью датчики или линии задержки и тестового образца. Использование данного метода влечет изменение настроек прибора, а так же требуется плотный контакт датчика с тестовым образцом. Как это было указано ранее, для проведения высокотемпературных измерений требуются специальные контактные жидкости.
Высокотемпературные Измерения
Измерения при повышенных температурах (более 50 градусов по Цельсию или 125 по Фаренгейту) относят в специальную категорию. В первую очередь, необходимо отметить, что использование стандартных датчиков при таких высоких температурах приводит к их повреждению. Это происходит из-за изменения коэффициента термического расширения контактирующего с датчиком материала, что при повышенных температурах вызывает рассеивание. Прямые контактные датчики не должны использоваться на поверхностях, прикосновение к которым не может выдержать пальцы.
Высокотемпературные измерения проводятся в Режиме 2 или 3 с иммерсионным датчиком или датчиком с линией задержки (с соответствующей высокотемпературной линией задержки). Скорость звука в материале изменяется с температурой - обычно увеличивается при остывании и снижается при нагревании материала с резким изменением в точках замерзания и плавления. Этот эффект более выражен в пластике и резине, чем в металлах и керамике. Изменения скорости звука связаны с изменениями модуля упругости и плотности, и в зависимости от материала и диапазона температуры это отношение может быть нелинейным. Для достижения максимальной точности измерения калибровка скорости звука должна осуществляться при актуальных температурах измерений. Исследование горячих материалов прибором, откалиброванным на скорость звука при нормальных температурах, приведет к возникновению значительных ошибок в измерениях. При температурах выше 100 градусов C или 200 градусов F, рекомендованы специальные высокотемпературные контактные жидкости. Вся линия контактных жидкостей доступна в продаже.
Измерения в Оперативном Режиме
Длительные оперативные ультразвуковые измерения толщин большинства конструкционных материалов обеспечивают возможность проведения постоянного контроля качества, что особенно важно при изготовлении прессованных пластиковых, а так же металлических труб и листов. При этом передача звукового импульса в материал происходит через водяной термостат или столб жидкости, генерируемый барботером или разбрызгивателем. Измерения обычно проводятся в Режиме 2 или 3, тогда как в некоторых случаях могут использоваться скользящие контактные датчики, работающие в Режиме 1. Для проведения точных ультразвуковых измерений температура материала должна быть постоянной во избежание колебаний скорости звука. Поверхности должны быть достаточно гладкими для обеспечения передачи импульса в материал, а так же для точной регулировки положения датчика и тестового образца зачастую используются фиксаторы.
Длина Кабеля
В некоторых специализированных измерениях, например проводимых под водой, требуется использование длинного кабеля между датчиком и измерительным прибором. Большинство подобных случаев относятся к исследованиям коррозионных повреждений и поэтому не рассматриваются в данном разделе, но в некоторых измерениях толщин так же используются длинные кабели. Влияние, оказываемое длинной кабеля на точность измерений, является особенностью подобных исследований и определяется частотой, а так же требуемым значением погрешности и минимального значения длины в диапазоне. При работе при частоте в 20 МГц, отражения в кабеле начинают влиять на форму волны при длине кабеля более
Режимы Измерений: Уточнения
Режим 1: Начальный Импульс – Первый Отраженный Эхосигнал
Ультразвуковые измерения толщин, проводимые контактными датчиками, наиболее просты и могут применяться в большинстве измерений. Данный метод обеспечивает эффективную передачу сигнала в большинство конструкционных материалов. Если проведение измерений контактным датчиком в Режиме 1 допустимо и позволяет достичь необходимой точности измерений, то лучшее воспользоваться им.
Как это видно из Рисунка 3, контактные измерения могут проводиться при минимальной толщине не ниже 0.5 мм/0.020 дюйма для металлов или 0.125 мм/0.005 дюйма для пластика с погрешностью в
В этом режиме измерений, во временной отрезок между начальным импульсом и отраженным эхосигналом входит так же время распространения импульса через поверхность датчика и контактную жидкость, а также задержка в кабеле и другие смещения, благодаря которым происходит увеличение времени прохождения или изменение частотного спектра определяемого эхосигнала. Избежать подобных последствий позволяет функция компенсации нуля, которая суммирует данные интервалы и вычитает из общего времени прохождения сигнала. Обычно, калибровка компенсации нуля осуществляется при замене датчика. Подобная процедура проводится с помощью контрольных стандартов с известной толщиной и скоростью звука или, если скорость звука неизвестна, для определения параметров скорости и положения нуля могут использоваться два калибровочных стандарта разных размеров известной толщины.
При выборе подходящего датчика должны учитываться различные факторы, включая акустические свойства материала, толщину и геометрию тестового образца. Наиболее точные измерения проводятся высокочастотным датчиком с наименьшим диаметром, позволяющим достигать адекватного разрешения в определенном диапазоне толщин. Датчики малого диаметра лучше прилегают к тестовому образцу и требуют использования меньшего количества контактной жидкости. К тому же, высокочастотные датчики производят сигналы с более высоким временем нарастания, что также увеличивает точность измерения. С другой стороны, акустические свойства и состояние поверхности материала иногда определяют выбор низкочастотного датчика, способного преодолеть плохие условия передачи звуковой волны в тестовый образец, а так высокий коэффициент рассеивания и затухания.
При проведении контактных измерений толщин на выгнутых поверхностях, размер активного элемента датчика должен уменьшаться при уменьшении радиуса кривизны поверхности. Должно быть максимально снижено количество контактной жидкости, так как ее избыток приводит к отражению звуковой волны внутри самой жидкости.
Режим 2: Интерфейсное Эхо – Первый Отраженный Эхосигнал
В Режиме 2 измерения осуществляются между двумя эхосигналами, следующими за начальным импульсом. Обычно в измерения вовлечен интерфейсный эхосигнал, представляющий границу между линией задержки или столбом жидкости и внешней поверхностью тестового образца, а так же отраженный от внутренней поверхности материала эхосигнал.
При использовании 2 Режима измерений должны соблюдаться некоторые условия, проистекающие из необходимости получения двух подходящих эхосигналов – интерфейсного и отраженного. Во-первых, надо убедиться в существовании интерфейсного эхосигнала. Иногда при проведении иммерсионных измерений таких материалов как мягкий пластик или силикон возникают ситуации, когда акустический импеданс материала схож с импедансом воды. Подобные ситуации так же характерны для измерений, проводимых датчиками с линией задержки, акустическое сопротивление которых соответствует данному параметру материала (обычно, полимера). При небольшом отличии акустического импеданса материала и воды/линии задержки, возникает интерфейсный эхосигнал слишком низкой амплитудой. В случае с датчиком, подобная проблема может быть легко решена простой заменой линии задержки, тогда как в иммерсионных измерениях она может вызвать большие затруднения при выборе другой иммерсионной контактной жидкости. (При измерениях горячего прессованного пластика, обладающего схожим с водой акустическим импедансом, зачастую достаточно переместить датчик в область с более низкой температурой, так как при снижении температуры пластика увеличится его акустическое сопротивление.)
В данном режиме следует отслеживать фазу или полярность обоих эхосигналов, и соответственно настраивать полярность и задержку нуля инструмента для компенсации в случае необходимости инвертирования волны. Опрокидывание фазы обычно характерно для измерений пластика и металла, осуществляемых датчиком с линией задержки. Пластиковая линия задержки и металлическая поверхность образуют границу низкого и высокого акустического сопротивления. Но та же самая линия задержки на полимерном материале может представлять обратное соотношение импеданса – высокое - низкое. При резком отличии акустического сопротивления линии задержки и материала и возникает переворот фазы волны. При неправильной настройке прибора, когда калибровка происходит на металлическом образце, а измеряется пластик, ошибки в измерениях неизбежны. Опрокидывание фазы характерно и для иммерсионных измерений изогнутых поверхностей, где множественные взаимодействия между формой луча, а так же искривлениями внешней и внутренней поверхностей оказывают значительное влияние на форму эхосигнала. Соответственно для настройки компенсации нуля в подобных ситуациях калибровка проводится на образцах схожей формы.
Режим 3: Эхо-Эхо
В Режиме 3 происходит измерение временного интервала между двумя последовательными эхосигналами, поступающими после интерфейсного эха. Этот метод используется для исследования относительно тонких материалов, а так же, когда требуется высокая точность полученного значения толщины. Режим 3 чаще всего применяется при исследовании конструкционных материалов с акустическим импедансом более 1 x 10гр/см2 с (в эту группу входит большинство металлов, пластика и стекла). Возникающие в этих материалах отражения имеют одну полярность, относительная амплитуда эхосигналов определяется коэффициентом пропускания звуковой энергии из материала в полистирол или воду. Так как оба эти материала обладают относительно низким акустическим сопротивлением, соотношение амплитуд двух последовательных эхосигналов обычно составляет более 0.5, или -6дВ. В Таблице II представлена функциональная потеря энергии между последовательными эхосигналами, характерная для воды или пластиковых линий задержки. При использовании данного метода для материалов со значительным отличием акустического сопротивления от указанного выше диапазона, необходимо скомпенсировать разницу амплитуд последовательных эхосигналов для достижения высокой точности показаний прибора. (Это осуществляется с помощью функции задержки нуля.) Тем не менее, как видно из Таблицы II, подобные ошибки не существенны, если значение сопротивления не превышает 3 x 106/.
На производственных линиях в Режиме 3 чаще используются не иммерсионные датчики, а датчики с линией задержки. Они могут использоваться в диапазоне от 0.075 мм/0.003 дюйма до 12.5 мм/0.5 дюйма в зависимости от частоты датчика и длины линии задержки. Как и в случае измерений контактными датчиками, при уменьшении радиуса искривления должен соответственно уменьшаться радиус или размер элемента линии задержки. Но для частей с радиусом менее 3 мм/0.125 дюйма лучше использовать иммерсионные датчики, так как они обеспечивают лучшую передачу звуковой волны в тестовый образец.
При проведении точных измерений обработанных машинным способом деталей с чистотой поверхности в 3 микрона MS, измерения в Режиме 3, выполненные датчиком с линией задержки, дают более точные показания, чем контактные датчики в Режиме 1. Это связано с тем фактом, что в случае последовательных отражений эхосигналов толщина слоя контактной жидкости не включается в полученное значение толщины материала, как это происходит в измерениях контактными датчиками. Такой же принцип справедлив и для окрашенных поверхностей, где многократные эхосигналы представляют отражения в металле или другом материале с высоким коэффициентом сопротивления, а не в краске. Тем не менее, Режим 3 так же имеет свои границы применимости. Он не используется на очень искривленных или поврежденных коррозией поверхностях. Для осуществления измерения в Режиме 3 требуются, по крайней мере, два отчетливых отраженных эхосигнала, а при плохом состояния поверхности звуковая волна затухает, и второй эхосигнал просто не определяется.
При настройке иммерсионных датчиков в Режиме 3 необходимо постоянно отслеживать форму волны на дисплее. Возникающие помехи, без электронного бланкирования, делают невозможным получение точных данных. На Рисунке 4 представлены две возможные ситуации.
Рисунок 4a: Корректные Измерения
Рисунок 4b: Ошибка – Измерение Последовательных Долей Одного Эхосигнала
Рисунок 4c: Ошибка – Измерение в режиме Перевернутого Поперечного Эхосигнала
На Рисунке 4c приведен пример неправильного измерения времени между первым отраженным сигналом и перевернутым поперечным сигналом, возникающим в результате использования сфокусированного иммерсионного датчика со слишком длинным столбом жидкости между датчиком и поверхностью материала. Для получения четких отраженных эхосигналов, расстояние между сфокусированным датчиком и тестовой поверхностью должно быть меньше фокусного расстояния. При работе на фокусном или близком к этому расстоянию значении, обычно возникают промежуточные поперечные эхосигналы. (Обратите внимание, что подобные трудности связаны только с 3 Режимом измерений, так как в Режиме 2 значение имеет только первый отраженный эхосигнал.) Схожий эффект иногда возникает на поверхностях большое искривление которых вызывает отличное от обычного отражение и/или волновое преобразование луча. Определение условий возникновения четких множественных эхосигналов проводится экспериментальным путем при использовании различных комбинаций фокусных расстояний и высоты столба жидкости.
Приложение
Потеря Энергии и Соответствующей Амплитуды Эхо-Сигнал при Отражении Импульса в Режиме 3 Измерений
|
Материал |
|
E2/E1 |
A2/A1 |
E2/E1 |
A2/A1 |
E2/E1 |
A2/A1 |
|
Вольфрам |
10 |
.89 |
.94 |
.97 |
.98 |
.94 |
.97 |
|
Молибден |
6.4 |
.83 |
.91 |
.95 |
.97 |
.97 |
.95 |
|
Сталь |
4.6 |
.78 |
.88 |
.94 |
.97 |
.88 |
.94 |
|
Медь |
4.3 |
.76 |
.87 |
.93 |
.96 |
.86 |
.93 |
|
Латунь (70-30) |
3.7 |
.73 |
.85 |
.92 |
.96 |
.85 |
.92 |
|
Цирконий |
3.0 |
.67 |
.82 |
.90 |
.95 |
.81 |
.90 |
|
Титан |
2.7 |
.64 |
.80 |
.86 |
.93 |
.74 |
.86 |
|
Алюминий |
1.7 |
.50 |
.71 |
.84 |
.92 |
.71 |
.84 |
|
Плавленый Кварц |
1.5 |
.46 |
.68 |
.82 |
.91 |
.67 |
.82 |
|
|
1.0 |
.30 |
.55 |
.74 |
.86 |
.55 |
.74 |
Словарь Специальных Терминов НК
Погрешность: Соответствие измеренного и истинного значения параметра, например, толщины. Истинное значение может быть определено с помощью эталонов измерений.
Акустический Импеданс: Свойство материала, определяемое как произведение скорости звука и оптической плотности материала.
Амплитуда: В волновом движении это максимальное смещение частиц материала. В электронике – величина сигнала, включая положительный и отрицательный вольтаж.
Затухание: Потеря звуковой энергии, возникающая между двумя точками пути звуковой волны.
Отраженный Эхосигнал: Эхосигнал, отраженный от части тестового образца, противоположной стороне установки датчика. Время прохождения данного эхосигнала соотносится с толщиной образца.
Линия Задержки: Материал (обычно полимер), укрепляемый на передней части датчика для создания временной задержки между импульсом возбуждения и эхосигналом от поверхности образца.
Импульс Возбуждения: Короткий электрический импульс, передающийся на пьезоэлектрический элемент ультразвукового датчика, вызывающий вибрацию и генерацию звуковой волны.
Частота: В механике, число циклов колебаний тела за определенный промежуток времени (обычно одну секунду). В электронике - интенсивность повторения периодического сигнала (как, например, синусоидальная волна) в определенный промежуток времени.
Интерфейсное Эхо: Эхосигнал, отраженный от передней поверхности тестового образца, выявляемый при использовании иммерсионных датчиков и датчиков с линией задержки.
Фазовое Искажение: Сдвиг (или изменение алгебраического знака) положительных и отрицательных пиков волны.
Разрешение: В толщинометрии – степень, с которой могут быть дифференцированы незначительно отличающиеся толщины или временные интервалы.
Скорость Звука: Скорость распространения звуковой волны через определенный материал.
Звуковая Волна: Связанная последовательность механических колебаний в твердых, жидких и газообразных средах.
Датчик: Устройство, преобразующее один вид энергии в другой. В ультразвуковых исследованиях обычно подразумевается преобразование электрической энергии в звуковую и наоборот.
Форма Волны: Графическое отображение уровней энергии в серии волн, представленное в виде зависимости амплитуды от времени.
Компенсация Нуля: Поправочный коэффициент, представляющий разницу между измеренным интервалом и истинным временем прохождения звука в тестовом образце. Обычно в него включены задержки переключения, кабелей, а так же время прохождения звука сквозь поверхность датчика и контактную жидкость.