CHệễNG 4 THIẾT BỊ SIÊU ÂM VÀ NHỮNG PHỤ KIỆN
4.1. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY DÒ KHUYẾT TẬT BẰNG SIÊU ÂM
4.1.1. Chức năng của các bộ phận điện tử trong một thiết bị siêu âm điển hình
Những bộ phận chủ yếu của một máy dò khuyết tật siêu âm được mô tả trong hình 4.1.
Chức năng của những bộ phận này được trình bày dưới đây : 4.1.1.1. Ống tia âm cực (cathode ray tube - CRT) :
Ống tia âm cực CRT (hình 4.2) 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 cho 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.
Danh sách các núm điều khiển ống tia âm cực cùng tên các nhà sản xuất thường sử dụng được cho sau đây :
(i) Núm điều khiển độ sáng (Brightness) : độ sáng, độ chói, cường độ.
(ii) Núm điều chỉnh hội tụ (Focus) : hội tụ, nét
(iii) Núm hội tụ phụ (Astigmation hay Auxiliary focus) : hội tụ theo phương thẳng đứng.
Nỳm này bổ chớnh cho sự nhũe của điểm sỏng quột bằng cỏch thay đo ồi thời gian truyền của điểm sáng chùm điện tử quét khi nó bị lệch bởi điện áp tác dụng lên các bản thẳng đứng.
(iv) Núm điều chỉnh dịch ngang ( X-Shift) : dịch ngang, đặt số 0, dịch X (v) Núm điều chỉnh dịch dọc ( Y-Shift) : dịch dọc, dịch Y
Hình 4.2 – Cấu tạo của một ống tia âm cực (CRT).
4.1.1.2. Bộ tạo thời gian quét cơ bản :
Bộ tạo thời gian quét cơ bản tạo ra một điện áp răng cưa tác dụng lên các 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 4.3). 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 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 cần 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 đưới dạng dải độ sâu hoặc dải kiểm tra. Để ngăn sự quay ngược trở về của điểm sáng 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 4.4).
Ngang Dọc
CHệễNG 4 136
Đôi khi cần làm trễ xung điện kích phát khối tạo thời gian cơ bản so với xung điện làm nhiệm vụ kích phát bộ phát 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 họat, 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 đợi 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 vật đến mức chỉ thấy 25mm sau cùng của vật trên màn ảnh máy.
Hình 4.3 : (a) Điện áp răng cưa của khối thời gian cơ bản
(b) Điện áp răng cưa với các thời gian làm việc khác nhau.
Hình 4.4 : Điện áp răng cưa cho quét thời gian cơ bản với xung vuông tương ứng để điều khiển độ sáng.
Thời gian
làm việc Thời gian
làm việc ẹieọn theỏ (Voltage) ẹieọn theỏ (Voltage)
Thời gian
(a)
(b)
ẹieọn theỏ (Voltage) ẹieọn theỏ (Voltage)
Thời gian
Thời gian
4.1.1.3. 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 4.5. 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 thác. 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.
Hình 4.5 : Mạch điện thực tế của bộ phát sóng trong một máy dò khuyết tật siêu a 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 số máy khác điều khiển này là tự động. Tần số và độ rộng của xung siêu âm phụ được điều
Điện trở
ẹieọn theỏ + 500V DC
Biến tử Khối giảm chấn
Tuù ủieọn Nạp điện/Phóng điện
Khóa đóng ngắt điện SCR hoặc thyratron
Điện trở
Đầu nối phát
Bề rộng xung (Năng lượng xung)
Cuộn dây Chất tiếp âm Vật thể kiểm
tra
CHệễNG 4 138
khiển tương ứng theo độ dày và độ giảm chấn dao động của biến tử áp điện trong đầu dò.
4.1.1.4. 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 cách cũng như từ những 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 trên mức nhiễu điện. Bộ khuếch đại sẽ khuếch đại bất kỳ xung điện áp nào do đầu dò cung cấp. Hệ số khuếch đại cỡ 105. Trong phần lớn các thiết bị, bộ khuếch đại cho dải rộng dải tần số từ 1 đến 15MHz và không cần có núm điều hưởng bộ khuếch đại theo tần số của đầu dò.
Hình 4.6 : Sơ đồ thực tế của bộ thu sóng và những dạng 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 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 biê n độ xung phản hồi thường sử dụng đơn vị decibels (dB) cũng là đại lượng theo loga nên bộ khuếch đại loga có ưu điểm là cho sự tỷ lệ của bộ khuếch đại theo dB. (Xem phần 4.2.1 và 4.3.1)
Từ đầu dò
Khuếch đại taàn soá cao
Soá 1 Soá 2
Bộ suy giảm
Khuếch đại taàn soá cao
Máy dò Bộ lọc
Bộ khuếch đại hình ảnh
Đến trục thẳng đứng
của màn hình Chỉnh lưu nửa
chu kyứ (Caột bỏ tín hiệu
aâm) Chổnh lửu toàn chu kỳ
(Bieồu dieón tớn hieọu aõm
leõn truùc dửụng) T F B
T F B T
F B
T F B
T F B
T F B
T F B
Phần tách sóng trong bộ thu sẽ tách lấy tín hiệu điện áp để dễ quan sát. Trong một số thiết bị có thêm một núm điều khiển để quan sát tín hiệu thu hoặc trạng thái có tách sóng hoặc không tách sóng. Bộ suy giảm trong bộ thu được dùng để thay đổi biên độ tí n hiệu khi cần. Núm điều khiển thực hiện công việc này được gọi là “núm điều khiển độ lợi/khuếch đại” và được chuẩn theo thang Decibel (dB). Nó điều chỉnh tín hiệu từ đầu dò đưa vào bộ khuếch đại chính, để người vận hành có thể duy trì trên màn ảnh máy độ cao xung phản hồi từ mặt phản xạ nhằm đánh giá kích thước khuyết tật bằng kỹ thuật so sánh chiều cao xung. Một núm điều khiển khác có tên gọi là “núm loại nhiễu” hoặc
“núm triệt 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 4.6 trình bày sơ đồ của một bộ thu sóng thực tế .
4.1.1.5. Mạch đồng hồ/mạch định thời gian:
Mạch đồng hồ hay mạch định thời gian cấp các xung điện để kích phát bộ phát thời gian cơ bản và bộ phát sóng hoạt động tại cùng một thời điểm. Các xung này được phát lặp đi lặp lại để tạo ra vết quét trên màn hình được ổn định và sáng rõ. Tần số mà các xung này được tạo ra gọi là tần số lặp lại của xung (PRF). Trong một số máy có một núm để điều chỉnh PRF còn trong một số khác việc điều chỉnh này được thực hiện một cách tự động .
4.1.1.6. Các cổng kiểm tra và mạch kiểm soát tín hiệu :
Đánh giá bằng mắt 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 truyền 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 hiệu xuất hiện trong vùng thời gian truyền chọn trước (thường gọi là cổng kiểm tra) có biên độ vượt quá ngưỡng đã định. Thường trên màn hình thiết bị chúng hiển thị dưới dạng cổng hoặc dạng thay đổi độ sáng trên đường quét thời gian. Vị trí cũng như bề rộng của cổng kiểm tra này có thể thay đổi. Điểm bắt đầu 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, mạch kiểm soát gồm bộ khuếch đại nhận xung điện áp giống như màn hình CRT, tuy nhiên nó chỉ truyền 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 - PRF của thiết bị.
Tín hiện báo động ra từ mạch 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 đóng mở các họat động khác của thiết bị như dừng 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 đ ể đánh dấu vị trí khuyết tật trên mẫu kiểm tra.
CHệễNG 4 140