Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) относятся к средствам неразрушающего ультразвукового контроля, принципиальная схема которых основана на свойствах пьезоэлектрических элементов преобразовывать электрический сигнал в акустический и наоборот. Требования к ПЭП регламентируются ГОСТом Р 55725-2013.

Основными функциональными частями ПЭП являются:

пьезоэлемент;
электроды;
протектор;
демпфер;
призма;
акустический экран.

Пьезоэлемент является основным компонентом ПЭП, преобразующим электрическую энергию в упругую, а ультразвуковой (УЗ) сигнал в электрический. Он представляет собой пьезокерамическую пластинку, изготовленную из порошковых сегнетоэлектрических материалов – титаната бария (BaTiO3), цирконата титаната свинца (Pb(ZrxTi1−x)O3), ниобата свинца (Pb(NbO3)2) и др. Толщина пластины выбирается равной половине длины волны УЗ-колебаний.

Электроды служат для равномерного распределения электрического заряда по поверхности пьезоэлемента; они представляют собой слои серебра или никеля толщиной в тысячные доли миллиметра.

Протектор защищает пьезопластину от механических повреждений и от действия контактной жидкости. Он улучшает акустический контакт между ПЭП и поверхностью объекта контроля (ОК), а также способствует их акустическому согласованию. Изготавливают протекторы из износоустойчивых материалов толщиной, равной четверти длины волны УЗ-колебаний.

Демпфер гасит свободные колебания пьезопластины, обеспечивая тем самым получение коротких УЗ-импульсов. Эффективность демпфирования напрямую зависит от величины акустических
сопротивлений контактирующих материалов демпфера и пьезопластины. Изготавливают демпферы из искусственных смол с наполнителями из порошков тяжёлых металлов и их окислов.

Призма (у наклонных ПЭП) предназначена для создания заданного угла ввода УЗ-излучения в ОК и необходимого типа волны. Её изготавливают из материалов с малой скоростью распространения звука (полистирол, поликарбонат, оргстекло).

Акустический экран (у раздельно-совмещённых ПЭП) служит электро- и звукоизоляцией между излучающей и приёмной частями ПЭП. Изготавливается из материалов с высоким коэффициентом поглощения УЗ – пробки, пенопласта.

Конструктивно все основные типы ПЭП построены по одному принципу. В прочном экранированном корпусе размещается вибратор, состоящий из, склеенных между собой: пьезоэлектрической пластинки, демпфера и протектора. Для передачи в ОК и обратно УЗ-импульсов применяется контактная жидкость (минеральные масла, вода, водный раствор спирта, растворы антикоррозийных веществ и т.д.).

В зависимости от своего предназначения, ПЭП имеют некоторые конструктивные особенности. Прямые ПЭП применяются для возбуждения в ОК продольных волн. Наклонные ПЭП возбуждают в ОК прямые, а также поверхностные и сдвиговые волны за счёт их трансформации на границе раздела двух сред: «контактная жидкость – ОК; для ввода УЗ-колебаний под углом к поверхности ОК, в этих ПЭП применяют призму. У раздельно-совмещённых ПЭП вибратор содержит два пьезоэлемента - излучающий и приёмный, - и две призмы разделённых электроакустическим экраном.
Особое место занимают матричные преобразователи (фазированные активные решётки), содержащие в матрице от 16 до 256 элементов, в которых управление УЗ-лучом осуществляется средствами электроники. Также высокой точностью результатов отличается способ УЗ-контроля по технологии TOFD, при которой используются два (излучатель и приёмник) наклонных ПЭП.

Работа ПЭП начинается с подачи на пьезоэлемент электрического импульса УЗ-частоты от электронного блока дефектоскопа. Под действием этого импульса пьезопластинка деформируется и воспроизводит акустический УЗ-сигнал такой же частоты, который передаётся в ОК. Этот этап называется обратным пьезоэффектом.
Достигнув имеющегося в ОК дефекта, акустический луч отражается от него, возвращается на пьезопластинку и вновь её деформирует, генерируя электрический сигнал (прямой пьезоэффект), который подаётся на вход электронного блока.

Чем глубже расположен дефект в ОК, тем бо́льший путь пройдёт луч и тем больше потратит на него времени, что и отразится на развёртке дисплея дефектоскопа. Самый крайний сигнал на дисплее прибора называется донным, он определяет толщину ОК.
В течение времени, когда излучается зондирующий импульс, пьезоэлемент деформирован и не способен принимать эхо-сигналы, поэтому такой сигнал в этот момент не будет идентифицирован и затеряется на фоне шумов. Расстояние, на котором теряется возможность распознавания дефектов, является мёртвой зоной ПЭП.

Нашли ошибку в тексте? Выделите её и нажмите Ctrl + Enter, чтобы помочь нам её исправить.

Предыдущая Следующая