1. Vật liệu áp điện thiên nhiên - Thạch anh (SiO2)
-Có độ bền cao khi sử dụng. -Không tan trong nước.
-Có độ ổn định cơ và điện cao. -Có thể làm việc ở nhiệt độ cao. -Tương đối đắt tiền.
-Bộ phát năng lượng siêu âm hiệu suất thấp. -Nó chịu được hiện tượng chuyển đổi dạng sóng.
Tinh thể gốm (Vật liệu áp điện) Sóng siêu âm Xung điện áp Giãn Uhd Uhd nén
-Cần điện áp cao khi làm việc.
2. Vật liệu áp điện nhân tạo (biến tử gốm phân cực)
Biến tử gốm được chế tạo từ vật liệu đa tinh thể trong đó hiện tượng áp điện được tạo ra nhờ quá trình phân cực bên ngoài gọi là biến tử gốm phân cực.
Biến tử này gần đây đã hoàn toàn thay thế thạch anh và đang thay thế các biến tinh thể nuôi nhân tạo. Vật liệu làm biến tử có tính chất sắt điện. Biểu hiện của tính chất sắt điện là vật liệu nở ra trong cả trường âm và trường dương có thể dễ dàng chuyển thành dạng áp điện bằng cách nung nóng vật liệu sắt từ đến một nhiệt độ.
Các biến tử gốm phân cực được chế tạo dưới dạng đĩa.. chúng được tạo ra từ dạng bột trộn lẫn vào nhau sau đó được nung nóng thành rắn. Những đặc tính riêng biệt cần thiết cho một biến tử trong những ứng dụng cụ thể được điều khiển bằng cách thêm vào các hợp chất hoá học khác nhau theo tỷ lệ nào đó: Chì metaniobate, Bari chì titan, Bari chì ziriconi, titanatbazi.
Đặc điểm chung của biến tử gốm nhân tạo:
Là nguồn phát năng lượng siêu âm hiệu quả cao.
Làm việc các điện áp thấp và một số loại làm việc ở nhiệt độ cao. Đặc tính áp điện có thể giảm theo tuổi thọ.
Có độ bền thấp khi sử dụng, chịu ảnh hưởng nhiều của hiện tượng chuyển đổi dạng sóng.
+ Gốm áp điện titanatbari BaTiO3:
Vật liệu này được hình thành từ phản ứng trùng hợp sau: BaCO3 + Ti02 = BaTiO3 + CO2
Sau khi trùng hợp tinh thể được ép theo hình dáng cần thiết và nung định hình, sau đó mạ bạc lên hai bề mặt để tạo điện cực. Lúc này tấm mỏng chưa có tính chất áp điện, vì vậy cần phải tín hành phân cực trong điện trường một chiều. Để phân cực người ta đặt chi tiết trong môi trường dầu 1200C, sau đó đặt vào hai bản cực nguồn điện một chiều có điện áp từ 1 KV đến 2 KV/1mm bề dầy trong vài giờ lúc này tấm titanatbari đã có tính áp điện. Bây giờ nếu ta kích thích biến tử bằng một điện trường biến thiên theo phương đã phân cực trước thì biến tử sẽ bức xạ dao động cơ học ra môi trường.
+ Gốm áp điện Sulphatelithium:
-Có thể dễ được giảm chấn do âm trở của nó nhỏ -Không bị lão hoá
-ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng chuyển đổi dạng sóng -Rất dòn, dễ vỡ
-Bị tan trong nước
-Bị giới hạn ở nhiệt độ làm việc 750C
3. Các đặc trưng của vật liệu áp điện
Titanate Zirconate Chì Tinamate Barium Metaniobate Chì Sulphate Lithium Thạch anh Niobate lithium Vận tốc âm c (m/s) 4000 5100 3300 5450 5740 7320 Âm trở Z 106(kg/s) 30 27 20.5 11.2 15.2 34 Hệ số liên kết điện cơ (k) 0.6 0.7 0.45 0.4 0.38 0.1 0.2 Modun áp điện (g) 150591 125190 85 15 2.3 6 Hệ số biến dạng áp điện (h) 1.84.6 1.11.6 1.9 8.2 4.9 6.7 Hệ số liên kết dao động xuyên tâm kP 0.50.6 0.8 0.07 0 0.1
Bảng 2.1: Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến
+ Modul áp điện (d): Là một thước đo (tiêu chuẩn) về chất lượng của một biến tử áp điện làm nhiệm vụ phát ra sóng SA, giá trị lớn của modul áp điện phản ánh một biến tử phát ra có hiệu quả hơn. Bảng 2.1 chỉ số titantc zireconate chì có đặc tính phát tốt nhất.
+ Hằng số biến dạng áp điện (h): Là một thước đo khả năng của một biến tử làm nhiệm vụ thu sóng siêu âm các giá trị hằng số biến dạng áp điện lớn cho biết khả năng thu sóng siêu âm. Từ bảng 2.1 ta thấy rằng Sulphate lithium là vật liệu thu năng lượng siêu âm tốt nhất.
+ Hằng số liên kết điện cơ (k): chỉ ra hiệu suất của một biến tử biến đổi năng lượng điện thành dao động cơ học và ngược lại. Giá trị lớn nhất của hằng số liên kết điện cơ có nghĩa là hiệu suất làm việc của biến tử vừa phát vừa thu tốt hơn. Các giá trị của metaniobate chì, titanate zirconate chì và titanate barium ở cùng cấp. Giá trị này là quan trọng cho chế độ công tác phản hồi xung (pulse echo) khi biến tử phải làm việc vừa phát vừa thu.
+ Hằng số liên kết dao động xuyên tâm (kp): Khả năng phân giải thoả mãn yêu cầu đòi hỏi rằng hệ số liên kết đối với dao động xuyên tâm kP càng nhỏ càng tốt, kP là một thước đo của sự xuất hiện những dao động xuyên tâm làm nhiễu loạn tín hiệu. Các dao động xuyên tâm này xuất hiện là do sự chuyển đổi dạng sóng nhiễu loạn của biến tử. Từ quan điểm này sulphate lithium và metaniobate là những loại vật liệu làm biến tử tốt nhất.
+ Âm trở: Do trong kiểm tra bằng phương pháp tiếp xúc cũng như phương pháp nhúng đòi hỏi một chất lỏng liên kết có âm trở Z nhỏ nên vật liệu biến tử cần phải có âm trở cùng cấp để có thể truyền một năng lượng siêu âm tốt hơn vào vật kiểm tra. Trên phương diện này những sự lựa chọn tốt nhất là sulphate lithium hoặc metaniobate chì hoặc thạch anh vì chúng có âm trở thấp.
2.2.3. Cấu tạo của đầu dò (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Thành phần cấu tạo của đầu đò
+ Tinh thể áp điện hoặc biến tử + Một vật liệu giảm chấn + Lớp phối hợp
+ Vỏ bọc
2. Chức năng nhiệm vụ của các thành phần
a. Tinh thể áp điện hoặc biến tử:
Biến tử là thiết bị chuyển 1 dạng năng lượng này sang một dạng năng lượng khác. Biến tử siêu âm chuyển đổi năng lượng điện có tần số siêu âm thành năng lượng siêu âm có cùng tần số và ngược lại một biến tử siêu âm cũng có khả năng biến đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số tương ứng.
Biến tử phát sóng: Một dao động điện có tần số siêu âm sau khi được xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết được đưa đến biến tử phát sóng. Biến tử phát sóng sẽ biến đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền trong môi trường nhằm thực hiện một chức năng nào đó.
Biến tử thu sóng: Biến tử nhận các dao động cơ học từ môi trường bên ngoài tác động lên bề mặt biến tử. Biến tử sẽ biến đổi các dao động cơ học thành các dao động điện có tần số tương ứng. Tín hiệu điện thu được sau khi xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết sẽ cung cấp cho các thiết bị chỉ thị, đo lường, cảnh báo....Các biến tử thu sóng thường là biến tử áp điện có độ nhạy cao.
Một đầu dò siêu âm thường được kích thích bởi một xung điện có độ kéo dài nhỏ hơn 10us. Một xung điện hẹp có dải các tần số nào đó. Trong số các tần số này biến tử sẽ dao động với biên độ cực đại tần số là tần số cộng hưởng của biến tử, liên hệ với bề dày của nó như sau :
l c f
2
0 (2.3) Trong đó: f0: là tần số cộng hưởng của biến tử, tần số dao động tự nhiên l: bề dày của biến tử
c: vận tốc sóng dọc trong biến tử
Phương trình (1) được dùng để xác định bề dầy cần thiết của biến tử để chế tạo đầu dò làm việc ở một tần số riêng.
0 f l
Để chế tạo một đầu dò có tần số 1 MHz thì bề dày của tinh thể thạch anh sẽ là 2,98 mm. Để chế tạo một đầu dò có tần số 10 MHz thì độ dày biến tử cho đầu dò phải là 0,298 mm. Trong khi đó đầu dò có tần số 20MHz thì biến tử có độ dày sẽ là 0,14 mm. Với đầu dò 20 MHz thì độ nhạy khuyết tật sẽ được cải thiện rất nhiều (tại tần số này bước sóng = 0,298 mm lên độ nhạy khuyết tật nằm trong khoảng là 0,1 mm). Trong trường hợp này tinh thể sẽ rất mỏng rất dễ vỡ
và khó cầm giữ. Do đó trong thực tế cần phối hợp giữa chọn bề dày tinh thể để bảo quản và độ nhạy khuyết tật mong muốn. Trong các trường hợp cần độ nhạy cao thì đầu dò cần phải nhúng trong một chất lỏng và hầu hết các phép thử được thực hiện trong đó sẽ đảm bảo đầu dò ít bị huỷ hoại nhất. Đối với tinh thể thạch anh giới hạn trên của tần số cơ bản là khoảng 20 MHz, trong khi hầu hết các biến tử gốm áp điện giới hạn trên của tần số chỉ là 10 MHz.
Các thông số quan trọng khác của tinh thể có ảnh hưởng đến chúm tia SA là đường kính (d), đường kính của tinh thể phụ thuộc vào chiều dài trường gần, độ phân kỳ và độ rộng của chùm tia SA tại điểm khảo sát.
Hầu hết các loại đầu dò đều có bề mặt phát xạ SA dạng tròn với đường kính nằm trong khoảng 540 mm. Những đường kính lớn hơn 40 mm không phù hợp cho kiểm tra do không thể tiếp xúc đối với các bề mặt kiểm tra. Khuyết điểm ở những đường kính nhỏ hơn, đặc biệt trong trường hợp tấn số thấp là phát xạ dùng sóng ngang mặt bên là sóng mặt lớn hơn. Một khó khăn khác khi sử dụng đầu dò có đường kính nhỏ là độ nhạy của chúng bị giảm rất lớn.
Khi cấp các xung điện cho các tinh thể thì bề mặt của chúng phải được nối điện bằng các dây dẫn. Để thực hiện được điều này bề mặt của tinh thể được mạ một lớp bạc và có tiếp điểm để hàn nối dây dẫn với lớp mạ bạc này. Trong trường hợp vật liệu áp điện là thạch anh và ceramie thì các điện cực của nó rất bền do bạc được phun vào ở dạng lỏng (nung nóng chảy ở t0 500->700 0c) các dây dẫn sau đó được hàn nối (cẩn thận lên trên sau khi phân cực lithium sulphat) bằng chất hàn bạc mền. Trong trường hợp Harium Titanat dòng dẫn được hàn cẩn thận lên sau khi phân cực. Lithium sulphatce có thể được kim loại hoá bằng bốc hơi bạc trên bề mặt trong chân không hoặc sơn phủ bạc dẫn điện hay hàn các lá kim loại mỏng với bề mặt sau đó hàn nối với dây dẫn.
Nếu mặt trước biến tử phải sử dụng để tiếp xúc trực tiếp, thì lớp mạ bạc sẽ không đủ bền để chịu mài mòn. Vấn đề này không thể chánh khỏi khi thực hiện đo đạc, đầu dò thường xuyên bị dính các vảy sắc cứng và các chất bẩn như là cát… dẫn đến mài mòn quá mức, đặc biệt đầu dò khi trượt ngang, dọc. Khi ấy cách thích hơp nhất là sử dụng các tấm tinh thể thạch anh có độ chịu mài mòn cao hoàn toàn không được bảo vệ mà cho phép chống được mài dần hoặc lớp bạc được gia cường bằng cách; phủ một lớp đồng và crôm cứng có độ dầy vài phần mười mm lên trên đó. Lớp này nên được nối đến nút của đầu dò bởi vì dây dẫn
hoặc mối nối phía trước có thể gây nhiễu. Các đầu dò như vậy đựơc sử dụng kiểm tra trên các bề mặt vật liệu phi kim như gốm, sứ hoặc các vật thể kiểm tra (phủ lớp sơn cách điện) lớp phủ không dẫn điện. Khi đầu dò không được bảo vệ, cần đặt những lá kim loại mỏng vào giữa hoặc chất lỏng tiếp âm dẫn điện như nước, nếu cần thì thêm chất phụ gia vào để tăng tính dẫn điện và độ nhớt.
Độ chóng mài mòn mong muốn kết hợp với độ nhạy và độ phân giải cao được thực hiện nhờ một lớp phủ mỏng bảo vệ bằng nhôm ôxít Sapphirc, Bo Cacbua hoặc thạch anh gắn vào ở trước biến tử. Tất nhiên, hậu quả là các vật liệu này có trở kháng cao sẽ dẫn đến độ nhạy kiểm tra của đầu dò thay đổi đáng kể theo mức độ tiếp âm và hơn nữa, các lớp bảo vệ đặc biệt trong các đầu dò tần số cao, sẽ nhạy cao với các shock. Những lỗi này có thể tránh được khi sử dụng các lớp nhựa tổng hợp, ví dụ: có chứa hỗn hợp bột Corumdum trộn sẵn. Tuy nhiên như thế khả năng chịu mài mòn lại thấp hơn khi không cần đến độ phân giải cao thường gặp trong các kiểm tra thông thường trong điều kiện bí mật kiểm tra thô nhám. Thì bề mặt tiếp xúc biến tử được bảo vệ tốt nhất là bằng một miếng plastic mỏng có thể thay đổi được, có bề dầy khoảng vài phần chục mm đựơc áp chặt vào biến tử và dùng dầu hoặc mỡ để là chất tiếp âm. Các vật liệu plastic là phù hợp nhất cho mục đích này, do khả năng chịu mài mòn và hấp thụ cao không những các lớp mỏng có độ hấp thụ cao ít ảnh hưởng tới độ nhạy mà còn làm giảm sự phản xạ nhiều lần trong lớp này, mà có thể dẫn xung.
b. Vật liệu giảm chấn (hấp thụ giao động):
Vật liệu giảm chấn trong đầu dò (là khả năng của nó) dùng để điều khiển hai đặc tính cơ bản của đầu dò. Độ phân giải – và độ nhạy.
Độ phân giải của một đầu dò là khẳnng của nó phân biệt các xung phản hồi từ hai khuyết tật nằm sát bên nhau trong vật thể kiển tra.
Độ nhạy của đầu dò được định nghĩa là khả năng của đầu dò phát hiện các xung phản hồi từ các khuyết tật nhỏ.
Để đầu dò có độ phân giải cao thì dao động của biến tử đầu dò phải tắt dần càng nhanh càng tốt để tạo ra các xung ngắn. Nhưng để có đầu dò có độ nhạy cao, thì sự tắt dần càng chậm càng tốt. Hai yêu cầu này mâu thuẫn nhau và do đó cần phải chọn một cách dung hoà.
Sự tắt dần dao động biến tử đạt cực đại khi vật liệu hấp thụ có cùng âm trở như âm trở của biến tử. Nó có thể là các vật liệu đăc và cứng như kim loại gốm
sứ. Sự hoà hợp về âm trở của biến tử và vật liệu hấp thụ cho phép sóng SA đi từ biến tử qua vật liệu hấp thụ một cách dễ dàng. Trong trường hợp màng tinh thể mỏng thì khối giảm chấn rất cần thiết nhằm bảo vệ tinh thể và không bị biến dạng khi chịu sức ép. Các vật liệu như cao su lực hoá và chất dẻo đúc bằng nhiệt là thoả mãn được các yêu cầu cho đầu dò làm việc ở những tần số cao hơn. Thường dùng các vật liệu composite dựa trên các chất liệu dẻo tổng hợp như lưu hoá hoặc cao su trộn với những vật liệu dạng bột khác đã được hợp nhất cao sự tự nhiên và cao su lưu hoá có bản chất hấp thụ cao hơn các chất dẻo tổng hợp. Vật liệu hấp thụ cần có sự suy giảm cao và hấp thụ lớn để tiêu hao sóng SA phát ra sao cho sóng không thể phản xạ từ mặt sau của vật liệu hấp thụ gây ra các tín hiệu nhiễu. Để có độ nhạy cần thiết và độ phân giải cao thì sai khác về âm trở của biến tử và vật liệu hấp thụ thường vào khoảng 5/1 đố với biến tử thạch anh và 1,1/1 đối với biến tử Lithium sulphate. Có thể tăng âm trở của chúng bằng cách trộn với bột khoai và sự hấp thụ có thể tăng lên bằng cách thêm vào 1 lớp vật liệu nền vịm. Vật liệu có sự hấp thụ lớn thường có độ bền cơ học thấp. Người ta cũng cố gắng làm tán xạ sóng bằng cách sử dụng các cấu trúc dạng lỗ rỗng hay vùm củu nghĩa là âm nhiễu xạ bị triệt tiêu hay khối giảm chấm bởi các mặt nghiêng lõm những bề mặt hình răng cưa. mặt khác các xung phản hồi nhiễu khác nhau sẽ bị thay thế bởi xung nhiễu xạ nằm sau xung phát. Độ suy giảm có thể điều (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});