Về nguyên lý, thiết bị siêu âm và các phụ tùng gồm máy dò khuyết tật siêu âm, đầu dò và cáp dẫn, mẫu chuẩn, hệ thống hiển thị và ghi nhận số liệu, các bể nhúng, bộ gá đặt đầu dò và vật thể kiểm tra.
Hình 3.9 trình bày sơ đồ khối của một hệ thống máy dò khuyết tật bằng siêu âm. Trong đó bộ tạo thời gian quét và bộ phát sóng được khởi động đồng thời nhờ bộ định thời gian (mạch đồng hồ), khởi phát truyền xung siêu âm từ đầu dò cùng thời điểm chùm tia điện tử bắt đầu di chuyển ngang ống phóng cathode. Khi sử dụng đầu dò đơn tinh thể, xung điện thế cấp từ bộ phát sóng tới đầu dò cũng đồng thời cấp vào bộ thu sóng, rồi được khuếch đại và hiển thị như chỉ thị tín hiệu “a” trên màn ảnh CRT (hình 3.9). Tín hiệu “a” đã được biết đến với các tên gọi là “xung phản hồi truyền”, “xung truyền”, “xung phát”, hoặc “xung phản xạ mặt trước”.
Điểm sáng chùm điện tử liên tục quét ngang màn ảnh CRT ứng với sóng âm từ đầu dò truyền vào vật thể kiểm tra. Khi sóng siêu âm gặp bề mặt phản xạ “b”, một phần của nó bị phản xạ ngược về đầu dò và được bộ thu sóng ghi lại và biểu diễn thành tín hiệu “b” trên màn hình CRT. Phần còn lại truyền tới mặt đáy “c” của vật và bị phản xạ trở lại tạo ra tín hiệu “c” trên màn hình CRT. Tín hiệu từ phản xạ bề mặt “b” và mặt đáy hoặc “ tường sau” “c” của vật được biết tương ứng là “ xung phản hồi khuyết tật”, “ xung phản hồi mặt sau” hoặc “ xung phản hồi đáy”.
Chú ý: Nếu vật thể kiểm tra trong hình 3.9 là thép tấm dày 25mm thì toàn bộ hoạt động trên chỉ diễn ra trong tám phần triệu giây (8s). Tần số xung lặp lại (PRF) phải đủ lớn để hình ảnh trên máy đủ cho mắt thường có thể nhận biết được. Mặt khác, với vật có bề dày 500mm, thời gian cần thiết để hoàn thành toàn bộ quá trình khoảng 160s. Nếu như dùng tần số xung lặp lại (PRF) cao trong trường hợp này, thì sự nhầm lẫn có thể xuất hiện do đầu dò sẽ phát xung siêu âm thứ hai trước khi thu được xung thứ nhất. Tùy theo bề dày của vật thể kiểm tra, trong hầu hết các máy, tần số lặp lại xung có thể thay đổi từ 50xung trong 1s (PPS) tới 1250 PPS. Trong các thiết bị hiện đại, sự thay đổi này được thực hiện tự động theo việc đặt dải đo. Nó sẽ điều chỉnh vận tốc chùm tia điện tử quét ngang qua màn hình CRT theo các dải đo khác nhau.
Trong đầu dò tinh thể kép và phát sóng ngang có một nêm làm trễ bằng thủy tinh hữu cơ đặt giữa biến tử áp điện và bề mặt của vật thể kiểm tra. Sóng âm truyền
qua nó tốn một thời gian trước khi đến vật. Để ngăn chặn điểm sáng chùm điện tử quét truyền đi một khoảng tỷ lệ với thời gian truyền trong nêm thủy tinh hữu cơ, cần phải sử dụng bộ điều khiển trễ. Bộ điều khiển trễ khống chế bộ phát thời gian quét chờ trong một giai đoạn bằng với thời gian truyền trong nêm thủy tinh hữu cơ, trước khi cho điểm sáng của chùm điện tử quét bắt đầu từ vị trí điểm 0
1. Chức năng ống tia âm cực (cathode ray tube – CRT):
Hình 3.10: Cấu tạo của một ống tia âm cực
ống tia âm cực CRT (hình 3.10) bao gồm một cuộn dây đốt nóng H để đốt nóng cathode C làm cho nó bức xạ điện tử. Các điện tử này được gia tốc với một điện áp giữa cathode C và anode A. Chùm điện tử được hội tụ bởi hình trụ hội tụ F để làm nó xuất hiện trên màn huỳnh quang S của ống tia thành một chấm. Khi các electron đi đến màn huỳnh quang S của ống tia chúng đi qua hai cặp bản làm lệch X và Y. Một điện áp tác dụng lên các bản X làm lệch tia điện tử theo phương nằm ngang trong khi điện áp tác dụng lên các bản Y làm lệch tia điện tử theo phương thẳng đứng.
Các núm điều khiển ống tia âm cực cùng tên các nhà sản xuất thường sử dụng được cho sau đây:
Núm điều khiển độ sáng (Brightness): độ sáng, độ chói, cường độ. Núm điều chỉnh hội tụ (Focus): hội tụ, nét
Núm hội tụ phụ (astigmation hay Auxilary Focus): hội tụ theo phương thẳng đứng. Núm này điều chỉnh cho sự nhòe của điểm sáng quét bằng cách thay đổi thời gian truyền của điểm sáng chùm điện tử quét khi nó bị lệch bởi điện tử áp tác dụng lên các bản thẳng đứng.
Núm điều chỉnh dịch ngang ( X –Shift ): dịch ngang, đặt số 0, dịch X Núm điều chỉnh dịch lọc ( Y- Shift): dịch dọc, dịch Y. Dọc Ngang Y X H K F A
2. Chức năng bộ tạo thời gian quét cơ bản:
Bộ tạo thời gian quét cơ bản tạo ra một điện áp răng cưa tác dụng lên bản lệch X của ống tia CRT để làm cho tia điện tử chuyển động từ trái sang phải của ống tia với một vận tốc đều. Vận tốc của tia điện tử phụ thuộc vào thời gian làm việc (tức là thời gian điện áp răng cưa tăng từ 0 đến giá trị cực đại) của điện áp răng cưa (hình 3.11). Thời gian làm việc càng ngắn thì tốc độ của tia điện tử càng lớn. Trên thực tế chúng quan hệ mật thiết với bề dày của vật thể kiểm tra. Nếu ta muốn biểu diễn toàn bộ bề dày của một mẫu trên màn hình CRT, chúng ta cần bảo đảm điểm sáng phải quét từ phải sang trái khi chùm sóng âm di chuyển tới đáy và quay về đỉnh của vật. Đối với những mẫu mỏng chúng ta có thể cho điểm sáng chùm điện tử quét nhanh hơn, ngược lại đối với mẫu dày thì chúng ta phải di chuyển chậm lại. Các máy dò khuyết tật có thể biểu diễn ngang qua màn hình CRT bất cứ vật liệu thép nào có bề dày từ 6mm đến khoảng 10m. Do đó dải điều khiển tốc độ điểm sáng chùm điện tử quét càng phải rất lớn (từ khoảng 2s đến khoảng 3500s). Núm điều khiển cho phép thay đổi thời gian làm việc của điện áp răng cưa do vậy làm thay đổi vận tốc điểm sáng quét dưới dạng dải độ sâu hoặc dải kiểm tra. Để ngăn sự quay ngược trở về của chùm điện tử quét gây ra một vết sáng trên màn hình, bộ tạo thời gian quét cơ bản đồng thời điều khiển độ sáng của điểm sáng quét bằng một xung điện thế vuông sao cho điểm sáng quét chỉ sáng trong thời gian làm việc của điện áp răng cưa (hình 3.12). Đôi khi cần làm trễ xung điện kích phát khối tạo thời gian cơ bản so với xung điện làm nhiệm vụ kích thích phát bộ sóng. Nhằm mục đích đó có một núm điều khiển, thường gọi là núm điều khiển trễ.
Ví dụ với đầu dò kép phát sóng ngang thường có nêm bằng thủy tinh hữu cơ. Khi biến tử được kích hoạt, sóng âm phải truyền qua nêm thủy tinh hữu cơ trong một thời gian nào đó trước khi đi vào vật thể kiểm tra. Nhưng chúng ta không muốn biểu diễn thời gian truyền trong nêm thủy tinh hữu cơ trên đường quét thời gian cơ bản. Để thực hiện điều này phải dùng núm điều khiển gọi là núm điều khiển trễ, để điều khiển bộ tạo thời gian cơ bản một khoảng thời gian bằng thời gian truyền âm trong nêm thủy tinh hữu cơ trước khi cho điểm sáng quét từ zero. Núm điều khiển trễ cũng cho phép khởi động thời gian cơ bản khi âm đã truyền được một khoảng 200mm qua 225mm bề dày đến mức chỉ thấy 25mm sau cùng của vật trên màn ảnh máy.
Hình 3.11b: Điện áp răng cưa với thời gian làm việc khác nhau Hình 3.11a: Điện áp răng cưa của khối thời gian cơ bản
Hình 3.12: Điện áp răng cưa cho quét thời gian cơ bản với xung vuông tương ứng để điều chỉnh độ sáng
Thời gian làm việc Thời gian làm việc V Thời gian làm việc Thời gian làm việc V t t Thời gian làm việc Thời gian làm việc V t Thời gian V t
3. Chức năng bộ phát sóng:
Bộ phát sóng còn được gọi là bộ tạo dao động, về cơ bản nó là mạch điện tử gồm có một thyratron, các tụ điện và cuộn cảm (LC) được mô tả trong hình 3.13. Mạch điện này nhận xung điều khiển từ bộ tạo thời gian cơ bản và cũng kích hoạt bộ tạo thời gian cơ bản hoạt động. Xung điều khiển được nhận trễ hơn chút ít so với thời gian bắt đầu làm việc của điện thế làm lệch sao cho sự xuất hiện của xung phát trên màn hình CRT lệch sang bên phải chút ít so với thời điểm bắt đầu của đường thời gian cơ bản.
Sự xuất hiện của xung phát được coi như điểm zero của thang thời gian trễ hoặc thang độ sâu. Xung điều khiển cấp đến thyratron để phát ra một điện áp do phóng điện đột ngột của tụ điện đã được tích điện từ khoảng vài trăm đến 1000V. Điện thế dao động này kích thích mạch vòng dao động bị giảm chấn tạo thành một xung phát.
Các hiệu chỉnh khác nhau có thể được thực hiện trên mạch cơ bản này để tạo ra các xung có biên độ, hình dạng và độ dài mong muốn. Ví dụ trong thiết bị hiện đại, thyratron được thay thế bởi những thyristor và đôi khi bằng transistor khác. Quá trình giảm chấn có thể được tăng lên bằng cách mắc thêm điện trở song song với cuộn cảm, cho phép điều chỉnh được các đặc tính của xung. Hình dạng của xung phát cũng được xác định bằng cách nối đầu dò vào thiết bị. Trong một số thiết bị các cuộn cảm không đặt bên trong thiết bị mà đặt trong đầu dò sao cho dao động xung có thể chỉ xuất hiện sau khi đầu dò được nối. Không có đầu dò thì xung này chỉ là xung điện áp ngắn.
Khóa đóng ngắt điện (SCR) Điều chỉnh độ rộng xung Điểm nối phát Tụ điện nạp/ phóng điện L R1 VR C K DC 500V R Vật kiểm tra Biến tử Khối giảm chấn Chất tiếp âm
Bộ phát sóng cấp một xung điện áp hẹp cỡ 300-1000V cho biến tử áp điện trong đầu dò. Về phần mình, biến tử áp điện biến đổi xung điện áp này thành sóng siêu âm. Trong một số máy còn có núm điều khiển tần số, biên độ của xung điện, trong khi một máy khác điều khiển này tự động. Tần số và độ rộng của xung siêu âm phụ được điều khiển tương ứng theo độ dày và độ giảm chấn dao động của biến tử áp điện trong đầu dò.
4. Chức năng bộ thu sóng
Biến tử siêu âm thu nhận các xung từ bộ phát sóng siêu âm truyền vào vật thể kiểm tra bị phản xạ ngược trở lại từ các mặt phân giới cũng như từ bất liên tục hiện diện trong vật thể kiểm tra trở về đầu dò. Sóng âm phản xạ được đầu dò thu nhận bởi và được biến đổi trở lại thành xung điện thế. Trong khi các xung điện thế cấp cho đầu dò là khoảng vài trăm volt, thì những xung quay trở về lại đầu dò lại rất yếu chỉ khoảng 1/1000 đến 1V. Những xung yếu này cần được khuếch đại trước khi đưa vào bộ hiện sóng. Để thực hiện điều này, trong bộ phát sóng sẽ có bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại, bộ tách sóng và bộ suy giảm. Bộ tiền khuếch đại để khuếch đại những tín hiệu xung phản hồi nhỏ và nâng chúng lên mức nhiễu điện. Bộ khuếch đại sẽ khuếch đại bất kì xung điện áp nào do đầu dò cung cấp. Hệ khuếch đại cỡ 105. Trong phần lớn các thiết bị, bộ khuếch đại cho dải rộng dải tần số từ 1MHZ đến 15MHz và không cần có núm điều hưởng bộ khuếch đại theo tần số của đầu dò.
Hình 3.14: Sơ đồ thực tế bộ thu sóng
Trong một số trường hợp, thiết bị dải tần hẹp nên cần thêm núm điều hưởng theo tần số đầu dò. Nói chung có hai loại thiết bị khuếch đại được phân loại theo cách khuếch đại. Loại thứ nhất là do bộ khuếch đại tuyến tính, ở đó các chỉ thị biên độ xung phản hồi trên màn hình tỷ lệ với điện áp ghi nhận của đầu dò, và loại thứ hai là bộ khuếch đại loga trong đó biên độ xung phản hồi tỷ lệ theo logarit điện áp đầu dò. Vì biên độ xung phản hồi thường sử dụng đơn vị
KĐ cao tần (1) Bộ suy giảm KĐ cao tần (2) Máy dò hình ảnh Bộ KĐ Từ đầu dò tới Đến trục thẳng đứng của màn hình Bộ lọc
decibels (dB) cũng là đại lượng theo loga nên bộ khuếch đại loga có ưu điểm là cho sự tỉ lệ của bộ khuếch đại theo dB. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phần tách sóng trong bộ thu sẽ tách lất tín hiệu điện áp để rễ quan sát trong một số thiết bị có thêm một núm điều khiển để quan sát tín hiệu thu hoặc trang tháI có tách sóng hoặc không tách sóng .Bộ suy giảm trong bộ thu được dùng để thay đổi biên độ tín hiệu khi tần. Núm điều khiển thực hiện công việc nay được gọi là “núm điều khiển độ lợi khuếch đại” và được chuẩn theo thang Decibel (dB) .Nó điều khiển tín hiệu từ đầu dò đưa vào bộ khuếch đại chính, để người vận hành có thể duy chì nên màn ảnh máy độ cao xung phản hồi từ màu phản xạ nhằm đánh giá kích thước khuyết tật bằng kĩ thuật so sánh chiều cao xung. Một núm điều khiển khác có tên gọi là “núm loại nhiễu” hoặc “núm chiệt nhiễu” được đặt trong bộ thu nhằm loại bỏ các chỉ thị nhiễu ngẫu nhiên như “tín hiệu xung cỏ” thường xuất hiện trên màn hình CRT . Hình 3.14 trình bày sơ đồ của bộ thu sóng thực tế .
5. Chức năng mạch đồng hồ/mạch định thời gian
Mạch đồng hồ hay mạch định thời gian cấp các xung điện để kích phát bộ thời gian cơ bản và bộ phát sóng hoạt động cùng một thời điểm. Các xung này được lặp di lặp lại để tao ra vết quyét trên màn hình được ổn định vaqf sáng rõ . tần số và các xung này được tạo ra gọi là tần số lặp lại của xung (PRP). Trong một số máy có một núm để điều chỉnh PRP còn trong một số khác việc điều chỉnh này được thực hiện một cách tự động .
6. Các cổng kiểm tra và mạch kiểm soát tín hiệu
Đánh giá bằng nắt các dấu hiệu trên màn hình thường bị chậm , không phù hợp cho kiểm tra nhanh và liên tục. Nên mong muốn các số liệu kiểm tra như: biên độ phản hồi, thời gian chuyển xung cần được biến đổi thành các tín hiệu điện để có thể phát hiện nhanh chóng, dễ dàng. điều này được thực hiện nhờ trợ giúp của các mạch kiểm soát sẽ biểu diễn xung phản hồi ở dạng tín hiệu báo động khi có tín hiêu xuất hiện trong vùng thời gian truyền chon trước ( thường gọi là cổng kiểm tra )có biên độ vượt quá ngưỡn đã định. Thường trên màn hình thiết bị chungd hiển thị dưới dạng cổng hoặc dạng thay đổi độ sáng trên đường quyét thời gian. vị trí như bề rộng của cổng kiểm tra này có thể thay đổi. điểm bắt đàu của cổng kiểm tra thường đặt ngay sau xung phát một chút. Có thể sử dụng một số cổng kiểm tra để kiểm soát đồng thời các vùng đo khác nhau.
Về mặt điện tử, mach kiểm soát gồm bộ khuếch đại nhận xung điện áp giống như màn hình CRT, tuy nhiên có chỉ đI phần mong muốn của xung điện áp này trong một khoảng thời gian truyền ứng với cổng kiểm tra. điện áp cổng kiểm soát được đồng bộ bởi tần số xung lặp lại – PRP của thiết bị.
Tín hiệu báo động ra từ mặt kiểm soát có thể được dùng để kích hoạt thiết bị âm thanh (còi hoặc chuông) hoặc tín hiệu nhìn thấy (đèn)…nó cũng dùng để dongd mở các hoạt động của thiết bị như dùng mẫu kiểm tra khi phát hiện khuyết tật trong một dây chuyền kiểm tra liên tục hoặc là bật mở thiết bị đánh dấu như là súng phun sơn để dánh dấu vị trí khuyết tật trên mẫu kiểm