Ультразвуковые ПЭП (Пьезоэлектрические преобразователи)

Ультразвуковые ПЭП для ультразвукового дефектоскопа

Ультразвуковые ПЭП (Пьезоэлектрические преобразователи)

Ультразвуковые ПЭП (Пьезоэлектрические преобразователи) применяются в ультразвуковом неразрушающем контроле, выступая в качестве излучателя и приемника ультразвукового импульса обрабатываемого ультразвуковым дефектоскопом. Принцип действия ПЭП основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений.

Требования к УЗ ПЭП указаны в ГОСТ Р 55725-2013 - Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования (взамен ГОСТ 26266-90) и ГОСТ Р 55808-2013 - Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний. (взамен ГОСТ 23702-90). Расширенный перечень нормативов касающихся УЗ ПЭП приведен в конце данной страницы. УЗ ПЭП можно условно классифицировать по следующим признакам:

По углу ввода колебаний ПЭП различают :

  • Прямые преобразователи вводят и (или) принимают колебания по нормали к поверхности объекта контроля в точке ввода.
  • Наклонные преобразователи вводят и (или) принимают колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля.

По способу размещения функций излучения и приема УЗ сигнала различают:

  • Совмещенные ПЭП где один и тот же пьезоэлемент, работает как в режиме излучения так и в режиме приема.
  • Раздельно-совмещенные преобразователи где в одном корпусе размещены два и более пьезоэлемента, один из которых работает только в режиме излучения, а другие в режиме приема.

По частоте колебаний

  • Высокочастотные УЗ ПЭП условно можно ограничить диапазоном 4-5 МГц, такую частоту обычно применяют при контроле мелкозернистых заготовок небольшой толщины (обычно менее 100мм) и сварных соединений толщиной менее 20мм.
  • Среднечастотные УЗ ПЭП с диапазоном частот 1,8-2,5 МГц. Преобразователи с данным диапазоном частот применяются для контроля изделий большей толщины и с большим размером частиц.
  • Низкочастотные УЗ ПЭП с диапазоном частот 0,5-1,8 МГц, используются для контроля заготовок с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания, например чугуна, бетона или пластика.

По способу акустического контакта

  • Контактные ПЭП где рабочая поверхность соприкасается с поверхностью ОК или находится от нее на расстоянии менее половины длины волны в контактной жидкости.
  • Иммерсионные которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и ОК слоя жидкости толщиной больше пространственной протяженности акустического импульса.

По типу волны возбуждаемой в объекте контроля:

  • Продольные волны - колебания которых происходит вдоль оси распространения;
  • Сдвиговые (поперечные) волны - колебания которых происходит перпендикулярно оси распространения;
  • Поверхностные волны (волны Реллея) - распространяющиеся вдоль свободной (или слабонагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной.
  • Нормальные ультразвуковые волны (волны Лэмба) – ультразвуковые волны, которые распространяются в пластинах и стержнях. Существуют симметричные и антисимметричные волны.
  • Головные волны – савокупность акустических волн возбуждаемых при падении пучка продольных волн на границу раздела 2 твердых сред под первым критически углом.

 Высокочувствительные толщиномеры, к категории которых относятся все современные толщиномеры, требуют применения датчиков очень высокого качества. И основным требованием к ним является низкий уровень собственных шумов, возникающих из-за прямого прохождения ультразвука через акустический изолятор преобразователей, размещаемый между приемной и излучающей секциями датчика.

 Однако в процессе эксплуатации акустический изолятор со стороны рабочей зоны датчиков постоянно находится в контактной жидкости, а вследствие трения о поверхность контролируемых изделий его структура нарушается – в эластичных материалах разрываются поры, а хрупкие  выкрашиваются из зазора между секциями пьезопреобразователя. В результате образуется канал прямого прохождения ультразвука от возбуждающей секции датчика к приемной, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум.

Естественно, что это ухудшение тем менее заметно, чем ниже чувствительность используемого толщиномера. Соответственно, ресурс работы датчиков одного типа оказывается тем большим, чем хуже толщиномер, в составе которого они используются.