CHệễNG 4 THIẾT BỊ SIÊU ÂM VÀ NHỮNG PHỤ KIỆN
4.3. BIEÅU DIEÃN TÍN HIEÄU
4.3.1. Biên độ xung phản hồi và quá trình điều chỉnh :
Một cách thuận lợi để đo sự thay đổi khuếch đại hay suy giảm của sóng siêu âm là sử dụng thang đo decibel (dB). Một decibel bằng 1/10 bel trong đó Bel là đơn vị dựa trên cơ sở logarit thập phân. Trong vật lý, đại lượng công suất được sử dụng theo nghĩa là tốc độ làm việc. Nếu có hai giá trị công suất P1 và P2, chúng khác nhau n bel thì khi đó :
P1/P2 = 10n Hoặc n = log P1/P2 bel
Vì 1 bel = 10 decibel, phương trình trên có thể viết lại : n = 10 log (P1/P2) decibel
Công suất âm tỷ lệ với bình phương biên độ, nên khi so sánh hai biên độ A1 và A2 ta có:
n = 10 log (A1/A2)2 (4.1) Vì biên độ phản xạ của sóng siêu âm tỷ lệ với độ cao của xung phản hồi biểu diễn trên màn hình CRT, do đó phương trình 4.1 có thể được biểu diễn như sau :
n = 20 log (H1/H2) dB (4.2) trong đó: H1 là độ cao xung phản hồi tỷ lệ với biên độ sóng siêu âm A1.
H2 là độ cao xung phản hồi tỷ lệ với biên độ sóng siêu âm A2. Những ưu điểm sử dụng đơn vị decibel là :
(a) Tỷ số lớn của độ cao phản hồi có thể biểu diễn bằng con số nhỏ hơn.
1000 : 1 = 60dB.
1000000 : 1 = 120dB.
(b) Chỉ cần đổi dấu là ta có nghịch đảo của độ cao xung phản hồi.
Thớ duù : 10000 : 1 = 80dB.
1 : 10000 = -80dB.
(c) Bội số các tỷ số độ cao xung tương ứng với phép cộng đơn giản các giá trị dB.
Thí dụ : Hệ số khuếch đại 2 = + 6dB.
Hệ số khuếch đại 10 = + 20dB.
Hệ số khuếch đại 100 = + 40dB.
CHệễNG 4 148
Bảng 4.1. Liệt kê các giá trị của một vài tỷ số độ cao xung. Để tìm những tỷ số độ cao phản hồi tương ứng với giá trị dB không được liệt kê trên bảng 4.1 thì ta chọn các giá trị dB trên bảng 4.1 sao cho tổng của chúng bằng giá trị dB tương ứng với độ cao xung phản hồi cần xác định và tích số của những tỷ số độ cao xung phản hồi tương ứng với những giá trị dB đã chọn này sẽ cho biết tỷ số của độ cao xung phản hồi cần tìm.
Ví dụ : Để tìm tỷ số độ cao xung phản hồi tương ứng với 30dB hãy tìm những giá trị dB sao cho tổng của chúng bằng 30dB, đó là 16dB và 14dB. Tỷ số độ cao xung phản hồi của 16dB là 6,31 và của 14dB là 5, như thế 6,31 5 = 31,55 là tỷ số của độ cao xung phản hồi tương ứng với 30dB.
Bảng 4.1 - thống kê những giá trị dB của một vài tỷ số độ cao xung phản hồi.
Giá trị dB Tỷ số độ cao xung phản hồi Giá trị dB Tỷ số độ cao xung phản hồi
1 1,12 13 4,47
2 1,26 14 5
3 1,41 15 5,62
4 1,59 16 6,31
5 1,78 17 7,8
6 2 18 7,94
7 2,24 19 8,91
8 2,51 20 10
9 2,82 21 11,2
10 3,16 22 12,59
11 3,55 23 14,85
12 3,98 24 15,85
25 17,78
Mặt khác, xác định giá trị dB của tỷ số độ cao xung phản hồi không cho trong bảng 4.1 có thể được tính toán bằng cách phân tích tỷ số này theo các tỷ số có trong bảng 4.1 và sau đó cộng các giá trị dB tương ứng.
Ví dụ : Giá trị của tỷ số giảm độ cao xung phản hồi là 625 có thể được xác định như sau : Giảm 625 theo những hệ số có trong bảng 4.1.
625 = 1,25 5 10 10
Vì các giá trị dB tương ứng với 1,25, 5 và 10 là 2dB, 14dB và 20dB vậy giá trị dB tương ứng với tỷ số độ cao xung tiếng vọng 625 là : 2 + 14 + 20 + 20 = 56dB.
4.3.2. Các cách biểu diễn tín hiệu :
Những xung phản hồi siêu âm được chuyển thành tín hiệu điện có thể nhìn thấy được trên màn hình CRT hoặc trên các máy tự ghi khác. Có ba dạng biểu diễn tín hiệu quét đó là dạng quét A (A – Scan), dạng quét B (B – Scan) và dạng quét C (C – Scan).
4.3.2.1 Cách biểu diễn dạng quét A (A – Scan) :
Cách biểu diễn tín hiệu phổ biến nhất là cách biểu diễn dạng quét A (A– Scan), trong đó trục hoành của màn hình biểu diễn thời gian quét và độ lệch theo phương thẳng đứng cho biết biên độ xung phản hồi. Từ vị trí và biên độ của xung phản hồi trên màn hình có
thể đánh giá được độ sâu của khuyết tật trong vật liệu và kích thước của nó. Một hệ thống kiểm tra dạng quét A (A – scan) thực tế được biểu diễn trong hình 4.10.
Hình 4.10 – Cách biểu diễn dạng quét A (A – Scan).
4.3.2.2. Cách biểu diễn dạng quét B (B – Scan) :
Cách biểu diễn này cho thấy toàn bộ mặt cắt ngang của vật liệu kiểm tra và sẽ chỉ rõ chiều dài và độ sâu của khuyết tật trong vật liệu. Một hệ thống kiểm tra có biểu diễn dạng quét B (B – Scan) được biểu diễn trên hình 4.11. Hệ thống này khác với hệ thống biểu diễn dạng quét A (A – Scan) ở những điểm sau đây :
(i) Tín hiệu biểu diễn trên màn hình CRT là màn hình phủ bằng hợp chất phospho bền vững. Tính chất này của màn hình CRT cho phép ảnh ảo của tiết diện ngang được lưu một thời gian trên màn hình để quan sát mà không cần duy trì hình ảnh lâu dài.
(ii) Đầu vào CRT cho một trục biểu diễn được cung cấp do một thiết bị cơ điện, thiết bị này phát ra điện thế ứng với vị trí của biến tử tương ứng với điểm khảo s át trên bề mặt của vật thể kiểm tra. Hầu hết các cách thực hiện theo dạng quét B (B – Scan) là quét đầu dò theo đường thẳng ngang qua bề mặt vật thể kiểm tra với tốc độ không đổi. Một trục biểu diễn, thường là trục hoành, biểu diễn khoảng cách đã đi được dọc theo đường thẳng này.
(iii) Xung phản hồi thường được biểu diễn bằng những điểm sáng trên màn hình hơn là các dao động của thời gian theo dõi. Vị trí của điểm sáng dọc theo trục vuông góc với trục định vị của đầu dò, thường được đo từ trên xuống dưới màn hình và nó cho ta biết độ sâu của xung phản hồi khuyết tật bên trong vật thể.
(iv) Để bảo đảm các xung phản hồi được ghi là những điểm sáng, tín hiệu c ho cường độ xung phản hồi từ bộ khuếch đại được nối với bộ điều khiển độ sáng mờ của ống phóng cathode (CRT). Trong một số hệ thống, các độ sáng tương ứng với các giá trị khác nhau của cường độ xung phản hồi có thể biểu diễn độ tương phản đủ để đánh giá bán định lượng cường độ xung phản hồi có liên quan tới hình dạng và kích thước khuyết tật.
Ưu điểm chính của biểu diễn dạng quét B – Scan là nó biểu diễn được hình ảnh mặt cắt ngang của vật thể và những khuyết tật trong đó. Hình ảnh được giữ lại đủ lâu để đánh
CHệễNG 4 150
giá toàn bộ mẫu. Điều đó cho phép ta không cần phải chụp các ảnh hiện trên màn hình CRT để lưu giữ lâu dài.
Những hạn chế của các hệ thống B – Scan là :
(i) Vùng phía sau bề mặt phản xạ bị che khuất và vì vậy không thể nhận được hình ảnh nào từ sau bề mặt này.( không ghi nhận được chỉ thị sau bề mặt phản xạ).
Hình 4.11 : Biểu diễn dạng quét B (Chiếu cạnh).
(ii) Không ghi được hình ảnh độ rộng vết nứt theo hướng vuông góc với chùm siêu âm và hướng di chuyển của đầu dò trừ trường hợp nếu độ rộng có ảnh hưởng đến cường độ xungphản hồi và dẫn đến ảnh hưởng tới độ sáng của hình ảnh xung phản hoài.
(iii) Chùm sóng âm thường có dạng hình nón hơn là dạng hình trụ, vì vậy những khuyết tật ở gần mặt sau của vật có hình ảnh tín hiệu dài hơn những khuyết tật ở gần mặt trước.
Hệ thống biểu diễn dạng quét B (B – Scan) đã được dùng rộng rãi trong y tế, chúng cũng được sử dụng trong công nghiệp để ghi nhanh hình ảnh của các vật thể trên màn ảnh và để lựa chọn phõn loại cũng như những phần riờng của nú để kie ồm tra kỹ lưỡng hơn bằng kỹ thuật A – Scan.
4.3.2.3 Cách biểu diễn dạng quét C (C – Scan) :
Hình 4.12 : Biểu diễn dạng quét C – Scan.
Hệ thống biểu diễn dạng quét C (C – Scan) được thiết kế để tạo ra một bản ghi vĩnh cửu kết quả của phép kiểm tra khi sử dụng quét kiểm tra tự động tốc độ cao. Cách biểu diễn
dạng quét C (C – Scan) cho ta thấy một sơ đồ phác họa các khuyết tật nhưng không biết được thông tin về độ sâu hoặc hướng của khuyết tật.
Một hệ thống biểu diễn dạng quét C (C – Scan) được mô tả trong hình 4.12. Về nguyên tắc, mặc dù dùng dao động ký phosphor bền có thể sử dụng để biểu diễn dạng quét C (C – Scan) nhưng trong thực tế có nhiều cách ghi nhận khác tỏ ra tốt hơn. Một số loại máy tự ghi cơ điện để ghi nhận các số liệu trên giấy thường hay được sử dụng.
Để vận hành thiết bị ghi biểu diễn dạng quét C – Scan, máy kiểm tra siêu âm phải có một cổng điện tử thu nhận những xung phản hồi trong một khoảng thời gian xác định sau xung phát. Khoảng thời gian xác định sau xung phát được chọn tỷ lệ với khoảng cách từ đỉnh tới đáy của một lát cắt cần kiểm tra của vật. Thông thường độ sâu cổng được đặt sao cho những phản xạ mặt trước và mặt sau của vật bị loại trừ hoàn toàn trên màn hình.
Như vậy chỉ có những tín hiệu xung phản hồi từ phía bên trong vật thể đư ợc biểu diễn trên màn hình, trừ trường hợp các xung phản hồi từ những lớp mỏng tiếp giáp với hai bề mặt của vật. Như đã trình bày trước đây, nhược điểm nổi bật của cách biểu diễn dạng quét C – Scan là nó không cho ta biết thông tin về độ sâu và hướng của khuyết tật.
4.3.3. Tương quan giữa các tín hiệu kỹ thuật số (digital) và tương tự (analog) :
Khi sử dụng máy tính để lưu trữ và xử lý tín hiệu từ máy dò khuyết tật siêu âm thông thường, đầu tiên tín hiệu biến đổi tương tự (analog) phải được chuyển thành tín hiệu số.
Tín hiệu analog thay đổi liên tục theo thời gian trong khi tín hiệu số chỉ giữ những giá trị rời rạc nào đó (hình 4.13). Số hóa tín hiệu tương tự (analog) được thực hiện bằng việc lấy mẫu trong những khoảng cách đều. Nếu tốc độ lấy mẫu mẫu đủ nhanh, thì tín hiệu số hóa có thể vẫn thấy rất giống với tín hiệu ban đầu nhưng không trơn đều bằng. Nếu tín hiệu số hóa không giống như tín hiệu ban đầu thì có thể do lấy mẫu (tốc độ lấy mẫu chậm). Tín hiệu ở tốc độ lấy mẫu chậm đưa đến xuất hiện hiệu ứng được biết đến là hiệu ứng gán biệt danh. Do hiệu ứng này, tín hiệu tần số cao bị biến đổi thành tín hiệu tần số thấp do đó làm thay đổi hình dạng của nó. Để tránh hiệu ứng này, có một nguyên tắc đơn giản đó là định luật Nyguist phát biểu rằng tín hiệu phải được lấy thử ở hai lần tần số lớn nhất trong tín hiệu tương tự (analog). Sau khi lấy mẫu tín hiệu, các giá trị mẫu được chuyển thành nhị phân. Số nhị phân là biểu diễn số thập phân trong chuỗi trạng thái ”0” và “1”, Hệ thống số nhị phân chỉ là hệ thống số mà máy tính có thể hiểu được.
0 và 1 đã biết là ký hiệu đơn vị đo nhị phân (ngắn gọn là bit) và hai số này mô tả hai trạng thái khác nhau, “On” hoặc “Off”. Một nhóm ký tự số nhị phân được coi là một từ (hoặc các bit). Một từ có thể là bất kỳ số nào của bit, nhưng trong kiểm tra siêu âm các từ 8 và 12bit là phổ biến nhất. Một từ 4 bit sẽ mô tả 24 (= 16) mức các giá trị biên độ tín hiệu. Từ 8 bit và 12 bit sẽ cho 28 (= 256) và 212 (= 2048) mức khác nhau của tín hiệu điện áp.
CHệễNG 4 152
Hình 4.13 : Sự tương quan giữa những tín hiệu kỹ thuật số và những tín hiệu tương tự (analog). (a) Tín hiệu tương tự (analog); (b) Tín hiệu kỹ thuật số.
Như ví dụ : giả sử rằng một tín hiệu có điện áp đỉnh là 15 V cần được số hóa. Nếu một từ 4 bit được sử dụng thì 15volts sẽ được biểu diễn thành 16 mức, giữa mỗi mức khác nhau 1 volt, nghĩa là lên đến 15 volts với mỗi bước tăng 1 volt. Nếu 15 volts được mô tả bằng từ 8 bit thì sẽ có 256 mức điện thế khác nhau, giữa mỗi mức khác nhau 0,059 volt.
Nếu 15 volts được mô tả bằng từ 12 bit thì sẽ có 2048 mức, giữa mỗi mức khác nhau 0,0073 volt. Rõ ràng từ ví dụ này, chiều dài từ sử dụng lớn hơn sẽ cho số mức lớn hơn (phân giải tốt hơn) và tín hiệu số sẽ giống tín hiệu ban đầu nhiều hơn.