CHệễNG 3 CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN
3.2. CÁC LOẠI ĐẦU DÒ (SENSORS)
3.2.3. Các loại đầu dò đặc biệt (special sensors)
Có những thay đổi khác nhau rất lớn về tính chất của các vấn đề kiểm tra trong côn g nghiệp. Do đó, không thể có một bộ đầu dò có mục đích chung có thể được sử dụng để giải quyết được toàn bộ những vấn đề khác nhau. Về nguyên lý, mỗi loại công việc phải cần đến một đầu dò đặc biệt để kiểm tra và giải quyết vấn đề. Có sự đa dạng lớn của các bộ phận, loại máy móc và các cấu trúc có các thiết kế khác nhau cũng như hình dạng hình học cần phải kiểm tra. Do đó cần phải có những đầu dò siêu âm đặc biệt để phục vụ cho yêu cầu kiểm tra đặc biệt. Các loại vật liệu có thể rất khác nhau về thành phần cấu tạo, kích thước hạt do đó sẽ khác nhau về độ suy giảm sóng âm trong chúng.
(a) (b) (c)
CHệễNG 3 121
Vì vậy, những đầu dò đặc biệt này cũng cần thiết để kiểm tra các loại vật liệu khác nhau. Kích thước cho phép của khuyết tật và do đó độ nhạy phát hiện khuyết tật cũng như độ phân giải có thể khác nhau đối với các loại vật liệu khác nhau cũng như các ứng dụng khác nhau. Trong một số tình huống việc áp chất tiếp âm có thể có một số vấn đề trầm trọng hoặc chất tiếp âm phải được cấp liên tục nhằm cải thiện tốc độ kiểm tra.
Kiểm tra siêu âm trong một vài trường hợp có thể phải thực hiện trong môi trường không thuận lợi như nóng và bề mặt thô nhám, môi trường rỉ mòn, vùng có mức phóng xạ cao, kiểm tra ở dưới nước cũng như khó tiếp cận được vị trí đặt kiểm tra như các động cơ và các bộ phận ráp nối phức tạp. Có thể có đòi hỏi về tốc độ kiểm tra cao như trong trường hợp kiểm tra tự động các thanh ray, đường ống, tấm lớn và các vật có hình đều nhau khác. Tất cả các trường hợp này đều đòi hỏi phải có những đầu dò đặc biệt và chuyên duùng.
Việc lựa chọn biến tử cho một ứng dụng cụ thể chủ yếu dựa vào kích thước của tinh thể, tần số và độ rộng băng tần và loại thiết bị dò khuyết tật. Các vật liệu khác nhau sẽ có các đặc tính về trở kháng điện khác nhau. Cuộn dây điều chỉnh sóng âm hoặc bộ phận phối hợp trở kháng điện có thể cần đến. Cả lượng năng lượng sóng âm truyền vào trong vật liệu cần kiểm tra và độ phân kỳ chùm tia đều phụ thuộc trực tiếp vào kích thước của biến tử. Vì thế đôi khi nên sử dụng một đầu dò lớn hơn để có được độ xuyên sâu lớn hoặc cho diện tích chùm sóng âm lớn hơn.
Độ rộng băng tần của biến tử hẹp cho khả năng truyền qua tốt và độ nhạy cao nhưng độ phân giải tương đối kém (độ nhạy là khả năng phát hiện được các khuyết tật nhỏ; độ phân giải là khả năng phân tách các xung phản hồi từ hai khuyết tật hoặc nhiều hơn nằm sát nhau). Dải băng tần của biến tử rộng cho độ phân giải lớn hơn nhưng độ nhạy và khả năng truyền qua thấp hơn so với các biến tử có dải tần số hẹp. Việc điều chỉnh tần số, dải băng tần và kích thước biến tử tất cả cần phải được lựa chọn trên cơ sở các mục tiêu kiểm tra. Thí dụ, khả năng truyền qua cao có thể rất quan trọng trong việc kiểm tra các trục dài. Trong trường hợp này sự lựa chọn tốt nhất là đường kính lớn, dải băng tần hẹp, tần số của biến tử thấp, nhưng biến tử này sẽ cho độ nhạy thấp (vì tần số thấp và kích thước lớn) và độ phân giải thấp (vì dải băng tần hẹp).
Khi độ phân giải là quan trọng, như trong việc kiểm tra những bất liên tục ở gần bề mặt thì cần sử dụng biến tử có dải băng tần rộng là chủ yếu. Khả năng xuyên sâu có thể không quan trọng, vì vậy khả năng xuyên sâu tương đối thấp nhưng có dải băng tần rộng là một chọn lựa hợp lý. Nếu cần độ nhạy cao, lựa chọn bằng cách sử dụng biến tử có kích thước nhỏ, tần số cao, và dải băng tần rộng. Nếu cần cả độ nhạy lẫn khả năng xuyên sâu thì nên sử dụng biến tử có kích thước lớn, tần số cao, khi ấy chùm sóng âm sẽ phát ra định hướng hơn (ít phân kỳ). Độ phân giải có thể được cải thiện bằng cách sử dụng chiều dài xung rất ngắn, kỹ thuật nhúng, hoặc sử dụng các đầu dò tinh thể kép tiếp xúc hoặc có nêm làm trễ.
3.2.3.2. Một số loại đầu dò đặc biệt :
Đầu dò dạng biến tử dãy:
Trong những năm gần đây, đang gia tăng nhu cầu cần phải tăng tốc độ kiểm tra siêu âm. Cách để quét kiểm tra nhanh nhất là sử dụng một dãy các biến tử được kí ch hoạt điện tử một cách tuần tự. Các biến tử như vậy 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 (multiplexer). Một bộ dồn kênh thực tế và sơ đồ dãy biến tử được biểu diễn trong hình 3.25. Trong trường hợp này, mỗi mạch từ A tới J gồm một bộ phát xung và biến tử riêng lẻ. Mỗi đầu dò thành phần được coi là một điểm hay rất nhỏ, nguồn và th ứ tự kích thích bộ tạo xung được kiểm soát qua một mạch điều khiển khác
Hình 3.25 :Bố trí của bộ dồn kênh cho biến tử dãy. Mô tả sóng dọc bị khúc xạ vuông góc.
Xung phát của các đầu dò theo các cách nối tiếp tuần tự đồng bộ có thể tạo ra sự thay đổi khác nhau trong các sơ đồ chùm quét gồm góc chùm tia và dạng hội tụ. Ví dụ chùm góc biểu diễn trong hình 3.26 là kết quả tuần tự phát đồng bộ đều nhau từ A tới J, góc nghiêng được cho bởi:
w t sin 1 C
(3.5) Ở đây : C = vận tốc đồng bộ trong vật liệu.
t = trễ đồng bộ trong mỗi đầu dò phát xung.
w = khoảng cách giữa các đường trung tâm đầu dò.
Khi thay đổi trễ t giữa các xung sẽ làm thay đổi góc , Khi khởi phát các xung ngược lại từ J qua A sẽ dẫn đến phát ra một chùm góc với hướng đối diệ n. Hơn nữa, khởi phát
Thiết bị điều khiển Tới màn hình
Bộ phát xung
Nguoàn
Mặt sóng
CHệễNG 3 123
xung từ ngoài vào trong, nghĩa là A và J xảy ra cùng một lúc, tiếp theo là B và I, C và H
…v.v. sẽ tạo ra một chùm tia siêu âm hội tụ.
Các nguồn phát sóng âm khác nhau thay đổi lớn có thể được dùng để tạo thành một biến tử dãy gồm phần tử áp điện, biến tử âm điện từ (Electromagnetic Acoustic Transducer - EMAT) và các nguồn laser những biến tử dãy. Tuy nhiên, để có những lợi ích đó thì trái lại giá thành của hệ thống lại đắt tiền.. Giá thành của hệ thống tăng lên đáng kể do mỗi mạch phải cần một hệ thống siêu âm riêng biệt do bộ dồn kênh điều khiển. Tốc độ và hiệu quả của việc kiểm tra được tăng lên khi sử dụng
Hình 3.26 : Đầu dò nhiều góc dạng biến tử dãy.
Biến tử âm điện từ (Electromagnetic Acoustic Transducers - EMAT) :
Biến tử âm điện từ dựa trên nguyên lý sóng điện từ đến bề mặt vật dẫn 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 các lực dao động cưỡng bức.
Các lực dao động này (lực lorentz) sinh ra ở bề mặt chính là các nguồn sóng âm cảm ứng điện từ. (Phần 9.1.8)
Các biến tử âm điện từ cho lợi thế đáng kể trong việc kiểm tra siêu âm không cần tiếp xúc vật lý hoặc các môi trường tiếp âm giữa đầu dò và vật thể kiểm tra. Điều này sẽ thuận tiện trong việc kiểm tra tự động các chi tiết kéo dài như các đường ống, đường ray xe lửa.v.v… nghĩa là có sự dịch chuyển tương đối giữa đầu dò và vật thể kiểm tra. Ngoài ra, khi tăng tốc độ kiểm tra cũng là thuận lợi khác của những đầu dò này vì hiệu ứng
Thieỏt bũ ủieàu khieồn
Bộ phát xung
Nguoàn
Mặt sóng
Tới màn hình
động lực sinh ra từ vận tốc cao là nhỏ nhất. Các đầu dò EMAT cũng có thể được dùng để kiểm tra những vật liệu kim loại được bao phủ lớp bảo vệ.
Biến tử siêu âm dựa vào xung laser (Laser based ultrasonic transducer) :
Sóng siêu âm có thể được kích thích trong những vật liệu khi bề mặt của nó có các xung laser tác động. Sự nung nóng của xung laser tạo ra sự giãn nở tại vùng địa phương có chùm tia laser tác động lên bề mặt. Chùm sóng siêu âm dạng này được phát với các sự giãn nở và sau đó co lại.
Ghi nhận sóng âm với công nghệ laser không được thực hiện trên cùng một hệ thống được sử dụng để kích thích tín hiệu. Nói chung, việc ghi nhận được thực hiện với chùm tia quang học có khả năng đo độ dịch chuyển nhỏ trên bề mặt.
Khả năng thực hiện kiểm tra không tiếp xúc và công suất cao là ưu điểm của phương pháp siêu âm laser
Biến tử hình cây bút vẽ (paintbrush transducer) :
Biến tử hình cây bút (hình 3.27) thường được thiết kế bằng cách khảm hoặc một dãy các tinh thể được nối tiếp với nhau. Yêu cầu quang trọng nhất của biến tử hình cây bút là cường độ của chùm tia siêu âm không có sự thay đổi lớn trên toàn bộ chiều dài của biến tử.
Hình 3.27 - Đầu dò hình cây bút vẽ.
Biến tử hình cây bút được thiết kế cho các thiết bị khảo sát, chứ c năng chính của chúng là làm giảm thời gian kiểm tra trong khi vẫn quét kiểm tra hết toàn bộ. Đây là một thuận lợi lớn vì nếu phải kiểm tra các diện tích lớn với một đầu dò nhỏ tinh thể đơn sẽ rất lâu và nhàm chán. Sau khi quét kiểm tra với các biến tử hình cây bút đã phát hiện được các bất liên tục, thì chúng sẽ thực hiện khảo sát thêm để xác định kích thước và vị trí bằng sử dụng các đầu dò chuẩn.
Các đầu dò đặc biệt đa tính năng:
CHệễNG 3 125
Một số đầu dò kiểm tra siêu âm đã mô tả rải rác ở các phần của tài liệu này cũng có thể thuộc về nhóm các đầu dò đặc biệt. Thí dụ như : các biến tử dùng hiện tượng từ giảo (phần 2.6.2) , các biến tử hội tụ (phần 3.2.1.2), đầu dò nhúng (phần 3.2.1.2), đầu dò có góc thay đổi được (phần 3.2.2), đầu dò kiểm tra tự động (phần 9.2.4), đầu dò sóng mặt (phần 3.3.4), và các loại đầu dò dùng trong kiểm tra vận hành ở nhà máy điệ n hạt nhân (phần 9.1.5) .... đều có thể được xem là các loại đầu dò được thiết kế đặc biệt để dùng trong những mục đích kiểm tra đặc biệt.