- Là đầu dò dạng biến tử dãy: được sử dụng để quét kiểm tra nhanh nhất khi dùng một dãy các biển tử được kích hoạt một cách tuần tự. Các biến tử này bao gồm một số các tinh thể được đặt trong một sơ đồ xác định và được kích hoạt tại mỗi thời điểm bằng tay hoặc sử dụng một bộ dồn kênh.
- Đầu dò dạng biển tử âm điện từ: được dựa trên nguyên lý sóng điện từ đến bề mặt vật đẫn điện sẽ gây ra dòng điện xoáy trong bề mặt của vật dẫn điện. Với sự hiện diện của từ trường tĩnh điện và trong vùng tác dụng của dòng điện xoáy thì các ion chịu lực dao động cưỡng bức. Các lực dao động này sẽ sinh ra ở bề mặt chính là các nguồn sóng âm cảm ứng điện từ .
- Biến tử siêu âm dựa vào xung laser: Sóng siêu âm có thể kích trong những vật liệu khi bề mặt của nó có các xung laser tác động. Sự nung nóng của các xung laser tạo ra sự dãn nở tại vùng có chùm tia laser tác động lên bề mặt. Chùm sóng siêu âm dạng này được phát với các sự giãn nở và co lại.
Câu hỏi ôn tập chương 2
1.Trình bày nguyên tắc kiểm tra siêu âm theo phương pháp truyền qua, xung phản hồi, công hưởng, tự động và bán tự động. So sánh ưu nhược điểm của phương pháp.
2.Trình bày hiệu ứng áp điện và thông số đặc trưng của vật áp điện. 3.Trình đặc điểm kỹ thuật của vật liệu áp điện.
4.Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, thông số đặc trưng ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của đầu dò.
5. Kể tên, nêu nhiệm vụ và nguyên tắc thực hiện của các đầu dò siêu âm đã học. 6. Cho đầu dò có tần số 5 Mhz, đường kính d = 15mm, vận tốc âm trong môi trường c = 4080m/s.
a. Tính độ sâu trường gần, góc phân tán của chùm tia.
b. Giả thiết độ sâu lớn nhất quan tâm trong mô là z = 10cm đầu dò tạo ra một xung có n = 2.Tính hệ số lấp đầy cho đầu dò?
Chương 3: Một số thiết bị ứng dụng siêu âm 3.1. Siêu âm dò khuyết tật kim loại
3.1.1. Kỹ thuật kiểm tra khuyết tật kim loại bằng siêu âm
Trong kỹ thuật kiểm tra siêu âm người ta dùng loại tiếp xúc hoặc loại không tiếp xúc.
Kỹ thuật tiếp xúc đầu dò được đặt tiếp xúc trực tiếp với vật thể kiểm tra thông qua một lớp mỏng chất lỏng được sử dụng làm chất tiếp âm để truyền siêu âm vào vật thể kiểm tra tốt hơn. Kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp chia làm 3 nhóm: Kỹ thuật sóng dọc, sóng xiên (góc) và kỹ thuật sóng mặt.
Kỹ thuật không tiếp xúc – kỹ thuật kiểm tra nhúng sử dụng đầu dò không thấm nước được đặt ở khoảng cách nào đó đến vật thể kiểm tra và chùm tia siêu âm được truyền vào vật liệu qua nước hoặc cột nước hoặc qua một lớp không khí. Kỹ thuật không tiếp xúc chia 2 loại: kỹ thuật nhúng hoặc kỹ thuật tiếp âm bằng không khí.
1. Kỹ thuật tandem
Kỹ thuật này thực hiện phương pháp chùm tia xiên góc tiếp xúc. Yêu cầu của kỹ thuật là sử dụng 2 đầu dò, một đầu dò phát chùm tia siêu âm vào mẫu và một đầu dò thu nhận.
Nguyên lý của phương pháp được mô tả như sau:
Hình 3.1: Kỹ thuật Tandem
Trong kỹ thuật đầu dò phát sẽ ‘ném’ một chùm tia siêu âm vào trong vật liệu kiểm tra và sau một vài bước quét đầu dò thu sẽ ‘chụp’ nó lại.
Vị trí của hai đầu dò trên vật kiểm tra phụ thuộc vào bề dầy của vật và vị trí khuyết tật. Hai đầu dò được di chuyển cùng nhau trong một khoảng cách cố định và khoảng cách này được điều chỉnh sao cho nhận được biên độ tín hiệu lớn nhất. Khoảng cách giữa hai đầu dò được xác định bởi biểu thức:
t d
Bề mặt phản xạ
S = 2(l – d)tan (3.1) Trong đó: là góc của đầu dò
l là bề dầy của vật kiểm tra d là độ sâu của điểm đích
Yêu cầu trước khi kiểm tra: Bề mặt rỉ mòn hoặc đã sơn cần phải làm sạch bằng cách là mài hoặc làm sạch bằng phun cát. Bề mặt mới chỉ cần làm sạch với bàn trải sắt. Trên bề mặt nằm ngang thì tốt nhất là dùng nước, bề mặt thẳng đứng và ở trên cao nên dùng dầu mỡ làm chất tiếp âm.
ứng dụng kỹ thuật tandem:
Mục đích của kỷ thuật tendem là thường dùng để xét vị trí của bất liên tục cùng các đặc trưng của nó. Phương pháp này cũng xét được những đặc điểm, tính chất của vật liệu. Giả sử trong một mối hàn nối mà trên bề mặt có các vết nứt dạng phẳng lớn hoặc các khuyết tật liên kết có hướng vuông góc với bề mặt của tấm tại tâm của mối nối, nếu chỉ kiểm tra bằng một đầu dò đôi khi không đủ tin cậy để phát hiện các khuyết tật này. Xung siêu âm bị lệch khỏi hướng truyền tới và nó chỉ có thể được ghi nhận khi sử dụng một đầu dò số 2.
2. Kỹ thuật đầu dò hội tụ
Kỹ thuật này sử dụng các đầu dò hội tụ mà chùm tia siêu âm hội tụ được tập hợp tại một tiêu điểm được xác định trước một cách chắc chắn hoặc một vùng bên trong vật thể kiểm tra. Hiệu ứng hội tụ nhận được qua việc sử dụng những thấu kính âm học làm việc giống như thấu kính quang học hội tụ ánh sáng để cho việc truyền sóng siêu âm có hiệu quả tốt nhất.
Thấu kính âm học nên gắn chặt vào bề mặt biến tử. Các đặc tính lý tưởng cho bất kỳ vật liệu nào hoạt động như một thấu kính âm học và nó có điểm xa khúc xạ trong nước lớn, âm trở gần giống với âm trở của nước tại vùng tinh thể, có độ suy giảm thấp và dễ chế tạo. Một vài vật liệu phù hợp với nhũng tiêu chuẩn này là methuy methacrylate polysrene, keo epoxy, nhôm và magnesium.
Hình dạng của thấu kính âm học có thể là hình trụ, hình cầu. Thấu kính âm học hình trụ tạo ra chùm tia siêu âm hội tụ dạng đường, còn thấu kính âm học hình cầu thì tạo ra chùm tia siêu âm hội tụ dạng điểm.
Chùm tia siêu âm phát ra từ đầu dò hình trụ có dạng chữ nhật có một chiều dài và một chiều rộng. Như vậy đầu dò này phần lớn được sử dụng để kiểm tra các thành ống mỏng và các thành tròn. Nó đặc biệt nhạy với các vết nứt mảnh nằm trên gần bề mặt. Chùm tia siêu âm phát ra từ đầu dò hình cầu có dạng hình tròn
nhỏ. Nó có độ nhạy và độ phân giải rất cao nhưng diện tích quét và dải độ sâu kiểm tra nhỏ.
Quá trình hội tụ cũng có thể thực hiện bằng cách chế tạo ra hình dạng tinh thể biến tử. Mặt trước của tinh thể thạch anh có thể được mài thành dạng hình trụ hình cầu. Basiumtitanate có thể được chế tạo thành hình mặt cong trước khi nó bị phân cực. Một phần tử biến tử áp điện nhỏ có thể được gắn vào mặt cong của vật thể hấp thụ giảm chấn cũng cho kết quả tương tự.
Biến tử hội tụ được mô tả theo chiều dài hội tụ của chúng như ngắn trung bình, dài, rất dài. Chiều hội tụ ngắn thích hợp nhất cho vùng nằm sát mặt vật thể kiểm tra. Chiều dài hội tụ trung bình, dài và rất dài thường kiểm tra những vùng sâu hơn. Về mặt tần số, các biến tử được thiêt kế riêng cho từng ứng dụng đặc thù. Biến tử có độ dài càng lớn thì điểm hội tụ càng sâu hơn trong miền và cho độ nhạy cao.
Chiều dài điểm hội tụ của thấu kính trong nước ít có liên hệ với độ sâu hội tụ của nó trong kim loại và trong phương pháp nhúng khi thay đổi chiều cao cột nước sẽ ít gây ra sự thay đổi hội tụ trong vật thể kiểm tra. Sự khác nhau lớn về vận tốc âm giữa nước và kim loại có thể làm cho nước và sóng âm rẽ hướng theo một góc nhọn khi đi vào bề mặt kim loại ở bất cứ góc nghiêng tới nào. Do đó bề mặt kim loại đóng vai trò như một thấu kính thứ hai có tác dụng mạnh hơn nhiều so với thấu kính âm tại biến tử như biểu diễn trong hình 2.22. Hiệu ứng này làm dịch chuyển điểm hội tụ và rất sát với bề mặt trên của vật khi so với điểm hội tụ của chùm tia này trong nước. Tác động này cũng làm cho biến tử hoạt động như một đầu thu có định hướng hơn và nhạy theo khoảng cách làm cho chùm tia sắc nét do đó tăng độ nhạy với các phần tử phản xạ nhỏ trong vùng hội tụ. Vì vậy những khuyết tật có xung phản hồi rất thấp sẽ được kiểm tra chi tiết hơn so với đầu dò chuẩn.
Dải hiệu dụng của các biến tử hội tụ trải dài từ khoảng 0,25 đến 250 mm bên dưới bề mặt vật kiểm tra. Trong dải này các biến tử hội tụ có một vài ưu điểm rõ rệt so với các loại đầu dò chuẩn không hội tụ. Đó là chúng có độ nhạy cao với các khuyết tật nhỏ, khả năng phân giải cao, ít bị ảnh hưởng với các bề mặt thô nhám, ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đường bao bề mặt nước và có nền nhiễu thấp. Nhược điểm của những đầu dò hội tụ là có vùng kiểm tra nhỏ trong vật thể kiểm tra được kiểm tra đồng thời.
Kỹ thuật đầu dò hội tụ thường được dùng để cho chính xác bề dày, phát hiện sự tách lớp và các bất liên tục trong những tấm mỏng. Độ rỉ mòn bên trong đường ống các bình áp lực được thực hiện giống như nguyên lý đo bề dày thông thường, nhờ đó mà bề dày làm việc của thanh trong vật liệu bị rỉ mòn được đo. Các thành ống mỏng các thanh có đường kính nhỏ và các vật rèn cũng kiểm tra được những khuyết tật nằm bên trong khi dùng đầu dò hội tụ. Việc sử dụng đầu dò siêu âm hội tụ cũng được thực hiện kiểm tra những vật có bề mặt cong.
3. Kỹ thuật đầu dò kép
Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng 2 đầu dò một đầu dò phát siêu âm vào mẫu và đầu dò kia thu nhận các xung phản hồi từ khuyết tật và từ đáy.
Hình 3.2: Kỹ thuật xung phản hồi hai đầu dò thẳng
Nói chung hai tinh thể được đặt vào cùng một vỏ, các biến tử này được gọi là đầu dò tinh thể kép TR hoặc SE. Những tinh thể này thường được đặt nghiêng một góc nhỏ trên đỉnh và do đó toàn bộ kết quả tác động bởi chùm tia siêu hội tụ đều nhận được.
Các ứng dụng của đầu dò này:
Kiểm tra kích thước của vật: như tấm phẳng
Đo bề dày còn lại của thành như quá trình kiểm tra độ rỉ mòn, hao mòn Phát hiện, xác địnhvị trí và đánh giá những khuyết tật ở gần bề mặt
Quét kiểm tra những khuyết tật lớn như tách lớp khi sử phương pháp suy giảm giá trị một nửa (6dB).
Sóng âm đựoc phản xạ đến đầu dò thu
4. Các kỹ thuật đầu dò sóng mặt
Bản chất và những khái niệm về sự hình thành sóng mặt đã được trình bày ở chương 1. Ưu điểm chính của sóng mặt là chúng có khả năng lan truyền theo các mặt bên và phản xạ mạnh tại những nơi có sự thay đổi đột ngột về biên dạng vì vậy nó là công cụ rất hữu ích để kiểm tra các vật thể có bề mặt phức tạp. Năng lượng của chúng được tập trung trong những vùng tương đối nhỏ khoảng một bước sóng độ sâu gần bề mặt.
Ví dụ: sóng mặt truyền theo mặt trên một khối kim loại sẽ bị phản xạ từ cạch góc. Nhưng nếu cạnh góc được vê tròn thì sóng mặt tiếp tục đi xuống mặt hông của khối kim loại và lại phản xạ ở cạnh góc dưới của khối và quay trở lại điểm phát. Theo cách này sóng mặt có thể truyền hoàn toàn bao quanh khối lập phương nếu các cạnh của nó được làm tròn.
Kỹ thuật sóng mặt rất hữu hiệu trong nhiều ứng dụng đặc biệt là trong công nghiệp hàng không.
Hình 3.3 mô tả một chi tiết máy bay có hình phức tạp. Nếu dùng sóng nén hoặc sóng trượt không thể thực hiện kiểm tra được hoặc rất khó khăn thực hiện. Sự phát triển các vết nứt tiên đoán có thể chạy dọc theo cạnh ngoài của thanh tới khoảng 2/3 chiều dài cánh hoặc nằm trong vùng gốc. Đầu dò sóng mặt được đặt tại đầu mút cánh và hướng vào gốc sẽ truyền một chùm tia siêu âm dọc theo bề mặt, bám theo bán kính và phản xạ từ cạnh của gốc như đã thấy. Các vết nứt trong những vùng khả nghi sẽ cho xung phản xạ tại thời điểm sớm hơn so với gốc. Trong cánh như mô tả có những lỗ ống làm nguội có thể gây ra những vấn đề khó khăn nếu sử dụng kỹ thuật sóng trượt, tuy nhiên sóng mặt chỉ xuyên ở độ sâu khoảng vài bước sóng, nếu lựa chọn tần số thích hợp thì các ống làm nguội sẽ không ảnh hưởng tới sóng mặt.
Độ sâu lan truyền của sóng mặt có những ưu điểm trong việc kiểm tra các chi tiết có thành mỏng. Hình 3.4 mô tả một ống có sự thay đổi tiết diện. Nếu sóng mặt với tần số có bước sóng gần bằng bề dày của thành ống thì sóng mặt sẽ phủ kín bề dày thanh và cho phản hồi từ vết nứt trên bề mặt. Do vậy các khuyết tật gần bề mặt có thể được phát hiện dễ dàng bằng kỹ thuật này.
Hình 3.4: Kiểm tra các khuyết tật thành của các ống có nhiều đường kính khác nhau bằng kỹ thuật sóng mặt
Hạn chế chủ yếu của kỹ thuật sóng mặt là chúng bị suy giảm nhanh chóng nếu độ nhám bề mặt không thích hợp hoặc nếu bề mặt bị bao phủ một lớp vẩy hoặc chất lỏng (như chất tiếp âm) hoặc chịu áp lực nào đó như bị vật khác đè lên hay chính tay của nhân viên kiểm tra. Vì vậy các chất tiếp âm lỏng nếu hạn chế với điểm tiếp xúc càng xa càng tốt. Những chỉ thị giả thậm chí có thể xuất hiện do áp chất tiếp âm như mỡ không đồng đều.
5. Kỹ thuật kiểm tra nhúng
Kỹ thuật kiểm tra nhúng chủ yếu chỉ được dùng trong phòng thí nghiệm hoặc những nơi lắp đặt rộng rãi để kiểm tra bằng siêu âm tự động. Nó có ưu điểm là môi trường tiếp âm luôn đồng nhất có thể được tạo ra sóng dọc và sóng ngang do cùng một đầu dò bằng cách chỉ cần thay đổi góc tới của chùm tia. Ba kỹ thuật cơ bản dùng trong phương pháp kiểm tra nhúng là kỹ thuật nhúng toàn bộ, kỹ thuật tạo bọt và kỹ thuật đầu dò bánh xe.
Trong phương pháp nhúng toàn bộ: cả đầu dò và vật thể kiểm tra đều được nhúng vào trong bể nước. Chùm tia SA truyền qua nước trực tiếp đi vào vật thể kiểm tra, sử dụng hoặc kỹ thuật đầu dò thẳng để phát sóng dọc hình (a) hoặc kỹ thuật tia xiên góc hình (b) để phát sóng ngang.
Khi dùng kỹ thuật tia thẳng thì quãng đường đi trong nước phải luôn luôn lớn hơn khoảng cách S trong phương trình 3.2 sau:
c c l S nc (3.2) trong đó: l bề dầy mẫu.
cnc là vận tốc siêu âm trong nước. c là vận tốc siêu âm trong mẫu.
Khi vật thể kiểm tra bằng thép thì quãng đường đi trong nước phải dài hơn 1/4 bề dày của thép nếu không thì xung phản hồi đáy thứ nhất sẽ bị che lấp xung phản hồi mặt lần hai và các khuyết tật gần mặt đáy sẽ không quan sát được.
Trong kỹ thuật bọt nước: chùm tia SA truyền qua một cột nước đến vật thể kiểm tra.
Hình 3.6: Kỹ thuật bọt nước và kỹ thuật biến tử bánh xe