ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Узел прибора для неразрушающего контроля акустическими методами, преобразующий электрическую энергию в акустическую и обратно, принцип рабо­ты которого основан па пьезоэлектрическом эффекте, называется пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП).

Различают следующие основные виды преобразователей:

- прямые, излучающие в контро­лируемое изделие продольные волны нормально к поверхности,

- наклонные, с помощью которых в изделии возбуждаются поперечные, поверхностные, нормальные и продольные волны.

По конструкции преобразователи подразделяют на сов­мещенные, у которых один пьезоэлемент служит излучате­лем и приемником; раздельно-совмещенные (РС), имеющие два пьезоэлемента в одном общем корпусе; раздельные, пьезоэлемент у которых служит или излучателем, или приёмником.

Для основных типов ПЭП принято буквенно-цифровое обоз­начение, которое формируется следующим образом:

- первый знак - буква: П - преобразователь;

- второй знак (первая цифра): 1 – контактный; 2 - иммерсионный; 3 - кон­тактно-иммерсионный;

- третий знак - вторая цифра: 1 - прямой; 2 - наклонный;

- четвертый знак - третья цифра: 1 - совмещенный; 2 - раздельно-совме­щенный; 3 - раздельный.

Некоторые фирмы вместо указанного обозначения приме­няют аббревиатуру, отражающую тип преобразователя и фирму-изготови­теля. Далее могут быть указаны основные технические параметры - часто­та, угол ввода (в сталь), размер пьезоэлемента. Каждый современный пре­образователь имеет индивидуальный номер.

Примеры:

1 П121-2,5-40° №38: контактный наклонный совмещенный преобразователь с частотой 2,5 МГц и углом ввода 40°, индивидуальный номер 38.

2 ПНЦ 2,5-45°-8х 9Кй 1645-01: преобразователь (П) наклонный (Н) ЦНИИТМАШ (Ц) с частотой 2,5 МГц, углом ввода 45° и размером пьезоэлемента 8x9 мм, индивидуальный но­мер 1645-01.

Типовой ПЭП включает в себя следующие основные элементы: пьезоэлемент, электроды, проводники, демпфер, протектор, корпус, катушка, призма, акустический эк­ран.

Пьезоэлемент – это элемент, который предназначен для преобразования электрических колебаний в упругие (обратный пьезоэлектрический эффект) или упругих колебаний в электрические (прямой пьезоэлектрический эффект). Обычно толщина пьезоэлемента рассчитывается по формуле

d =λ/2,

где λ; - длина волны ультразвука в пьезоматериалена рабочей частоте.

 

1 - пъезоэлемент; 2 - электроды; 3 - проводники; 4 - демпфер; 5 - протектор; 6 - корпус; 7 - катушка; 8 - призма; 9 - акустический эк­ран; 10 - слой контактной жидкости; 11 - контролируемый объект

 

Рисунок 1 - Схема устройства прямого (а), наклонного (б) и

раздельно-совмещен­ного (в) ПЭП

 

В настоящее время пьезоэлементы изготавли­ваются преимущественно из пьезокерамики. Пьезокерамика - это искусст­венный пьезоматериал, получаемый из исходного порошкового материала. Пьезокерамика получает пьезоэлектрические свойства после поляризации путем выдержки в течение получаса в электрическом поле напряженнос­тью несколько сотен киловольт на 1 см. Основными пьезоматериалами яв­ляются цирконат титаната свинца (ЦТС), титанат бария, ниобат свинца и некоторые другие. Совокупность свойств каждого из этих пьезоматериалов (удельное акустическое сопротивление, коэффициент электромеханичес­кой связи, пьезоэлектрическая постоянная, механическая прочность, до­пустимая рабочая температура, технологичность и др.) определяют их об­ласть применения.

Электроды – это составляющая ПЭП, которая предназначена для равномерного распределения по поверхности пластины электрического заряда, подводимого к пластине в режиме возбуждения или возникающего на пластине в режиме приема. Электроды представляют собой тонкие электропроводящие слои, нане­сенные на поверхность пьезоэлемента. Толщина слоя должна быть много тоньше толщины пластины, чтобы не влиять на её акустические свойства. Обычно электрод выполняют в виде слоя серебра толщиной несколько ты­сячных долей миллиметра. Для этого на поверхность наносят по способу печатных схем специальные суспензии серебра, которые затем обжигают при температуре около 800 °С, или химически осаждают слой никеля с зо­лотом. Возможно также создание электродов путем напыления из паровой фазы.

Проводники. Предназначены для подведения и снятия электричес­кого напряжения с пьезоэлемента. Проводники припаивают непосредствен­но к электродам легкоплавкими припоями.

Демпфер служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемен­та с целью получения коротких импульсов, а также для предупреждения ме­ханических повреждений пластин, особенно тонких. Состав и форма демп­фера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излучен­ных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений материалов пьезоэлемента и демпфера. В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных усло­вий демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками порошка (наполнителя с высокой плотностью) для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере со стороны, противоположной иьезоэлементу, на­носят канавки, делают скосы. Иногда в материал демпфера для увеличения рассеяния звука вводят пузырьки воздуха. При демпфировании пьезоэле­мента уменьшается мощность излучаемого им акустического импульса.

Протектор выполняет следующие функции:

- защита пьезоэлемента или призмы от износа;

- улучшение согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием;

-улучшение акустического контакта при контроле контактным способом.

Для повышения износостойкости ПЭП применяют приклеенные к иье­зоэлементу протекторы толщиной 0,1 - 0,5 мм из кварца, сапфира, берил­лия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, корундовым или бериллиевым порошком), ситалла, лигнофоля и др. Протекторы также из­готавливают в виде сменных пленок или насадок из эластичных пластмасс, чаще всего из полиуретана, или из резины. В этом случае между пьезоэлементом и сменным протектором вводят контактную жидкость.

Корпус предназначен для:

- защиты элементов ПЭП от механических повреждений и воздействия наружной среды;

- экранирования пьезоэлемента и проводников от электромагнитных помех;

- компоновки элементов ПЭП в форму, удобную для эксплуатации.

Корпус обычно изготавливают из металла или из пластмассы. Пластмас­совый корпус металлизируют для создания экранирующих свойств.

Катушка (электрическое согласование). Обычно катушку резонанс­ного контура генератора размещают внутри ПЭП. Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упру­гую и обратно.

Призма. Служит для создания необходимого типа волны и требу­емого угла ввода колебаний в изделие. Обычно призму изготавливают из материала с небольшой скоростью распространения звука (оргстекла, по­листирола, поликарбоната), что позволяет при относительно небольших углах падения ($ получать углы ввода до 90°. Высокое затухание колебаний в материале призмы обеспечивает быстрое гашение повторных отражений (реверберации) в призме. Для лучшего гашения переотражений на гранях призмы делают рассеивающие ребра, приклеивают материал с близким акустическим сопротивлением, но со значительно большим затуханием.

При переходе из призмы в изделие излучаемые пьезоэлементом про­дольные волны трансформируются в сдвиговые. Для того чтобы в изде­лии формировались волны только одного типа, угол падения делают либо небольшим (сдвиговая волна практически не возбуждается), либо в ин­тервале между первым и вторым критическими углами (отсутствует про­дольная волна). Для пары оргстекло-сталь это условие выполняется при углах Р < 7° и 28° < Р < 55°. Призмы с малыми углами применяют обычно в PC ПЭП, а с большими - в наклонных. Кроме того, призмы с углом Р=27° используют для возбуждения в стали головной волны, а с углом Р = 60° - поверхностной. В некоторых случаях для получения необходимых углов ввода применяют ПЭП с переменным углом падения, в которых либо пьезопластина перемещается по поверхности полуцилиндра, либо она меняет свой наклон внутри призмы (рис. 2).

 

 

1 - плексигласовая призма; 2 - пьезоэле­мент: 3 - жидкостная ванна; 4 - плексигласовая вставка

 

Рисунок - 2 Наклонный ПЭП с переменным углом ввода с поворотом пьезоэлемента в локальной жидкостной ванне (а) и с поворотом пьезоэлемента, встроенного в плексиг­ласовую вставку ввиде усеченного конуса (б)

 

Акустический экран предназначен для акустической и электри­ческой изоляции излучающей и приемной частей PC ПЭП. Акустический экран выполняют из пробки или пенопласта. Он должен обеспечивать воз­можно большее затухание звука. Кроме того, в районе пьезоэлементов этот слой должен иметь электроизолирующую прослойку, чтобы избежать элек­трического взаимодействия между излучателем и приемником. В идеаль­ном случае звук должен доходить от излучателя к приемнику только через изделие. На практике не удается избежать небольшого прямого перехода звука между излучателем и приемником.

Для соединения ПЭП с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий экранированный кабель с волновым сопротивлением около 75 Ом.