1. Nguyên tắc kiểm tra bằng phương pháp xung phản hồi
Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm đầu dò phát và thu được đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thị bằng sự nhận được xung phản hồi trước xung phản hồi đáy, các đầu dò có thể hoạt động ở chế độ thu cũng như chế độ phát. Màn
đếm của xung phản hồi khuyết tật và xung phản hồi đáy do đó toạ độ của khuyết tật có thể được xác định một cách chính xác.
nguyên lý được thể hiện như hình vẽ sau:
(b)
(c)
Hình 2.4: Biểu diễn các khuyết tật có kích thước khác nhau trong phương pháp xung phản hồi.
Nếu chi tiết đồng nhất tức là không có khuyết tật thì tín hiệu thu được sẽ là xung mẫu phát đi và một xung phản xạ từ đáy có biên độ lớn (hình a).
Còn nếu chi tiết có khuyết tật tín hiệu thu sẽ bao gồm xung phản xạ từ các khuyết tật trước các xung phản xạ từ đáy, các xung phản xạ này có biên độ nhỏ hơn (hình b). Nếu khuyết tật lớn sẽ không có xung phản hồi đáy (hình c).
Các dạng xung siêu âm thường dùng:
Hình 2.5: Các xung siêu âm có những độ dài và những hình dạng khác nhau
Phương pháp xung phản hồi sử dụng xung siêu âm ngắn. Tập hợp thành nhóm xung ngắn ta có một chuỗi xung và thường gọi chung là xung. Xung có nhiều dạng: Xung có thể bắt đầu và giảm xuống nhanh chóng, xung có thể hình
TR
(a)
TR Khuyết tật
TR
Khuyết tật lớn
Xung truyền Xung phản hồi đáy
Xung phản hồi khuyết tật
Xung phản hồi đáy
Xung phản hồi khuyết tật
thành và suy giảm dần, xung có thể hình thành nhanh chóng và suy giảm theo hàm mũ (hình 2.5).
Xung siêu âm được tạo thành từ một số sóng dao động của tinh thể trong vài micro giây tạo ra (hình 2.6).
Đại lượng độ rộng xung phụ thuộc vào tần số đầu dò và là một hàm theo năng lượng xung. Tức là cấp một xung điện đủ lớn vào tinh thể để dao động của biến tử đạt cực đại tại cùng một thời gian. Khi độ rộng xung tăng thì độ phân giải sẽ giảm.
Hình 2.6: Độ rộng của xung
Xét độ rộng xung trong thép của một tinh thể phát ra một xung có năng lượng trong một chu kỳ là 2s. Độ rộng xung nhỏ = 12mm hình 2.5 cho thấy hai khuyết tật cách nhau 3mm. Vậy độ rộng xung 12mm sẽ không thể phân giải được 2 khuyết tật vì xung phản hồi chồng lên nhau. Do đó độ rộng của xung sẽ không thể phân giải tốt những khuyết tật nằm gần với nhau trong khoảng 6mm. Những khuyết tật nằm cách nhau trong vòng 6mm sẽ có một chỉ thị trên sườn sau của xung phản hồi chính. Hình 2.7 biểu diễn xung từ các khuyết tật cách nhau 3mm và 6mm.
Độ rộng xung được xác định là nhân số sóng có trong 1 xung với bước sóng hoặc là chiều dài xung = vận tốc/tần số)x số sóng trong một xung.
Hoặc là: Độ dài không gian xung SPL = .n
Kết luận: để có độ phân giải tốt đòi hỏi xung phải ngắn để phản xạ từ một khuyết tật nằm gần với một khuyết tật khác không bị mất đi trong tín hiệu đầu tiên được ghi nhận.
Hình 2.8: Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém
2. Sơ đồ khối thiết bị kiểm tra bằng phương pháp xung phản hồi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phương pháp phản xạ có thể thực hiện theo hai phương án như sau: + Phương án 1:
Hình 2.7: ảnh hưởng của độ rộng xung và độ phân giải khuyết tật Độ phân giải thấp hơn bởi vì độ rộng xung lớn hơn. Độ phân giải tốt hơn và độ rộng xung nhỏ hơn.
Hình 2.9a
+ Phương án 2:
Hình 2.9b
Sơ đồ khối thiết bị kiểm tra bằng phương pháp xung phản hồi
Biến tửphát
Mạch tạo xung điều khiển
Dao động và khuếch đại
- Khối chỉ thị hình ảnh âm thanh, báo hiệu - Thiết bị lưu trữ
Khuếch đại và xử lí tín hiệu Biến tử thu
Khuyết tật Mẫu kiểmtra
Mạch tạo xung điều khiển
Dao động và khuếch đại
Chuyển mạch thu phát
-Khối chỉ thị hình ảnh, âm thanh, báo hiệu… -Thiết bị lưu trữ
Khuếch đại và xử lý tín hiệu
3. Chức năng, nhiệm vụ từng khối
Dao động và khuếch đại: mạch dao động tạo ra sóng hình sine tần số ổn định đồng thời có khả năng thay đổi được cho phù hợp với các loại vật cần kiểm tra. Sau đó tín hiệu được khuếch đại lên với biên độ đủ lớn để cấp cho biến tử pháp sóng (thường là biến tử áp điện).
Mạch tạo xung điểu khiển mạch dao động cũng như các thiết bị chỉ thị hoạt động theo quy luật định trước.
Biến tử phát sóng chuyển đổi các chùm xung điện có tần số siêu âm thành các chùm xung cơ học lan truyền vào các mẫu kiểm tra.
Biến tử thu sóng chuyển đổi các chùm xung cơ học có tần số siêu âm thành các chùm xung điện có tần số cung cấp cho các mạch điện khuếch đại và xử lí tín hiệu.
Mạch khuếch đại và xử lí tín hiệu khuếch đại biên độ tín hiệu thu được từ biến tử thu và tạo các dạng xung cần thiết để cung cấp cho các thiết bị chỉ thị. Khối chỉ thị có thể là máy hiện sóng, đèn báo hiệu, tín hiệu âm thanh …
Bộ chuyển mạch thu phát có nhiệm vụ nối mạch tạo sóng siêu âm đến biến tử trong trạng thái phát sóng và nối biến tử đến mạch khuếch đại và xử lí tín hiệu trong trạng thái thu sóng.
Cả hai phương án trên đều dựa trên hiện tượng phản xạ xung khi sóng lan truyền trên giới hạn phân cách của hai môi trường.
Trong phương án 1: người ta sử dụng hai biến tử xiên góc đặt cách nhau một khoảng D xác định, khoảng cách này phụ thuộc vào góc nghiêng của biến tử và chiều sâu vật cần đo. Biến tử phát sóng vào vật kiểm tra theo góc xiên 1 và phản xạ lại biến tử thu theo góc xiên 2 = 1
Trong phương án 2: người ta sử dụng một biến tử làm cả hai nhiệm vụ thu và phát sóng. Các chức năng thu và phát sóng được phân biệt nhờ bộ chuyển mạch thu – phát tự động. Biến tử phát sóng theo phương thẳng góc vào vật kiểm tra và phản xạ ngược chiều lại biến tử thu được theo phương tương ứng.
4. Giản đồ dạng sóng phát và thu
Hình 2.10: Đồ thị phát - thu sóng siêu âm 5. Yêu cầu và khả năng thực hiện
Xung đồng hồ thông thường là các xung vuông tuần hoàn có biên độ, chu kì và độ rộng xung định trước dùng điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động theo một quy luật nhất định tùy theo kết cấu, hình dạng, kích thước vật kiểm tra. Biên độ xung đồng hồ thường từ vài volt đến vài chục volt với khả năng cho ra dòng điện từ vài mA đến vài chục mA. Nói chung chiều cao cũng như khả năng dòng ra của xung đồng hồ phụ thuộc vào các mạch điện mà có liên kết. Chu kì và độ rộng của xung đồng bộ phải phù hợp với kết cấu của vật kiểm tra cũng như bề dầy quan sát lớn nhất mà cho phép đo cần đạt tới. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu tần số lặp lại của xung đồng bộ quá thấp thì chiều sâu đạt tới lớn nhưng khó quan sát. Ngược lại khi tần số lặp lại của xung đồng hồ quá cao thì
Xung đồng bộ
Dao động siêu âm
Tín hiệu điều chế Tín hiệu thu t t t t
xung đồng bộ cỡ chừng vài chục Hz nhằm đáp ứng tính lưu ảnh của mắt người trong hệ thống hiển thị quang học như máy hiện sóng, Led…
Hình 2.11: Dạng xung đồng bộ
Để tạo ra xung đồng bộ có thể dùng các mạch dao động đa hài không trạng bền với các linh kiện được sử dụng như transistor, Opam, các cổng logic, các vi mạch tạo xung … trường hợp cần có độ chính xác cao thì dùng các mạch dao động thạch anh với tần số cao sau đó hạ thấp bằng các mạch chia tần số.
Dao động tạo tín hiệu sin thường dùng các mạch tao sóng sine thông dụng như dao động dịch pha, dao động 3 điểm điện cảm, dao động 3 điểm điện dụng, dao động thạch anh. Các mạch dao động này cần có tần số ổn định đồng thời có chức năng thay đổi tần số được cho phù hợp với kết cấu của vạt thể cần kiểm tra.
Mạch tạo xung tạo ra từng chuỗi xung hình sine với độ rộng thay đổi được từ việc kết hợp xung đồng bộ và dao động sine. Một trong các phương pháp là từ xung đồng bộ đưa qua mạch vi phân tách lấy xung dương hoặc âm để kích khởi mạch đơn ổn; Độ rộng của mạch đơn ổn được xác lập bằng thông số riêng của nó. Sau đó lấy tín hiệu từ mạch đơn ổn đóng ngắt cho mạch khuếch đại tín hiệu sine.
Hình 2.12: Sơ đồ khối tạo xung phát
Mạch khuếch đại xung phát có nhiệm vụ khuếch đại điện áp và dòng điện của tín hiệu phát đủ lớn cung cấp cho biến tử phát sóng. Ngõ ra của mạch khuếch đại công suất thường dùng biến áp nhằm tăng biên độ chuỗi xung phát và phối hợp trở kháng giữa mạch khuếch đại với biến tử phát sóng. Các mạch khuếch đại và khuếch đại công suất xung phát và các mạch khuếch đại chọn tần làm việc ở chế độ C, hoặc mạch khuếch đại đẩy kéo. Mạch khuếch đại và xử lí tín hiệu thu bao
Xung đồng hồ Mạch vi phân
Mạch đơn ổn
Dao động sine
Bộ khóa Xung phát
gồm mạch nhận dạng tín hiệu, mạch khuếch đại, mạch tách sóng, mạch sửa dạng xung…Nhằm cung cấp tín hiệu thích hợp cho bộ phận hiển thị. Căn cứ vào số lượng xung phản xạ người ta xác định được số lượng khuyết tật. Căn cứ vào khoảng cách giữa xung phản xạ người ta xác định được vị trí khuyết tật thông qua vận tốc truyền âm của môi trường. Căn cứ vào các biên độ của xung phản xạ người ta xác định được tính chất khuyết tật.
6. ứng dụng và ưu nhược điểm
Có thể đặt biến tử ở một mặt của chi tiết kiểm tra, điều này thuận tiện khi kiểm tra các vật thể có kích thước lớn mà phương pháp bóng âm không thể sử dụng được. Phương pháp xung phản xạ có độ nhạy cao hơn so với phương pháp bóng âm. Thực tế cho thấy chỉ cần 1% năng lượng phản xạ thì thiết bị cũng đã có thể phát hiện được. Phương pháp này không chỉ tìm ra được khuyết tật mà còn xác định được chính xác kích thước, số lượng, hình dáng, chiều sâu phân bố khuyết tật. Hạn chế của phương pháp là không thể dùng để kiểm tra những vật thể có kích thước mỏng và nhỏ do lúc này vật kiểm tra rơi vào vùng chết của biến tử. Các xung gốc, xung phản xạ từ khuyết tật xung phản xạ mặt đáy của mẫu kiểm tra sẽ trùng nhau. Phương pháp này dùng để kiểm tra các vật thể có kích thước lớn đo bề dầy vật thể, đo chiều sâu...