Пъезоэлектрические преобразователи

ЗАБАЙКАЛЬСКАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА-
Филиал открытого акционерного
общества
« РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ »
ДОРОЖНЫЙ ЦЕНТР ОБУЧЕНИЯ
УЧЕБНО-АТТЕСТАЦИОННЫЙ ЦЕНТР
ПО НЕРАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ
ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
УАЦ НК “ ТЕХНОЛОГИЯ ”
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
на тему “ Пьезоэлектрические преобразователи ”
Специальность: Дефектоскописты вагонных, локомотивных депо.
Разработал: УАЦ НК Горлачёв А.Н.
г. Чита
2003 год
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПО СПОСОБУ
АКУСТИЧЕСКОГО
КОНТАКТА
К
О
Н
Т
А
К
Т
Н
Ы
Е
И
М
М
Е
Р
С
И
О
Н
Н
Ы
Е
К
О
Н
Т
А
К
Т
Н
О
И
М
Е
Р
С
И
О
Н
Н
Ы
Е
Ш
Е
Л
Е
В
Ы
Е
М
Е
Н
И
С
К
О
В
Ы
Е
ПО СПОСОБУ
СОЕДИНЕНИЯ
С
С
У
Х
И
М
Т
О
Ч
Е
Ч
Н
Ы
М
К
О
Н
Б
Е
З
К
О
Н
Т
А
К
Т
Н
Ы
Е
С
О
В
М
Е
Щ
Ё
Н
Н
Ы
Е
Р
А
З
Д
Е
Л
Ь
Н
А
Е
Р
А
З
Д
Е
Л
Ь
Н
О
С
О
В
М
Е
Щ
Е
Н
Н
Ы
Е
ПО НАПРАВЛЕНИЮ
АКУСТИЧЕСКОЙ
ОСИ
П
Р
Я
М
Ы
Е
Н
О
Р
М
А
Л
Ь
Н
Ы
Е
Н
А
К
Л
О
Н
Н
Ы
Е
ПО ФОРМЕ
АКУСТИЧЕСКОГО
ПОЛЯ
П
Л
О
С
К
И
Е
Ф
О
К
У
С
И
Р
У
Ю
Щ
И
Е
ПО ШИРИНЕ
ПОЛОСЫ
РАБОЧИХ
ЧАСТОТ
Ф
А
З
И
Р
О
В
А
Н
Н
Ы
Е
Р
Е
Щ
Ё
Т
К
И
У
З
К
О
П
О
Л
О
С
Н
Ы
Е
Ш
И
Р
О
К
О
П
О
Л
О
С
Н
Ы
Е
Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи
Узел прибора для НК акустическим методами преобразующий электрическую энергию в
акустическую и обратно, принцип работы которого основан на пьезоэлектрическом эффекте,
называется пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП).
1. Классификация ПЭП по признакам:
1. По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля, различают:

преобразователи продольных волн;

поперечных (сдвиговых) волн;

поверхностных или других типов волн.
2. По углу ввода УЗ колебаний в изделие различают:

прямые преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания
по нормали к поверхности объекта в точке ввода;

наклонные преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания в
направлениях, отличных от нормали к поверхности объекта контроля;
3. По схемам включения ПЭП различают:
совмещённые ПЭП - такие, у которых один и тот же пьезоэлемент работает как в
режиме излучения, так и в режиме приема;
раздельно - совмещенные (РС) ПЭП - такие, у которых в одном корпусе размещены
два пьезоэлемента: один из которых работает только в режиме излучения, а другой
только в режиме приема упругих колебаний.
4. По способу осуществления акустического контакта:

контактные ПЭП - такие, рабочая поверхность которых при работе соприкасается с
поверхностью объекта контроля или имеет расстояние до нее меньше половины
длины волны в контактной жидкости;

иммерсионные ПЭП - такие, которые работают при наличии между поверхностями
преобразователя и объекта контроля слой жидкости толщиной больше
пространственной длительности акустического импульса;
5. В зависимости от ширины рабочих частот выделяют:

Узкополосные

Широкополосные
Область применения широкополосных ПЭП:
а) грубые поверхности
б) очень тонкие изделия
Особую группу составляют фокусирующие преобразователи, обеспечивающие фокусировку
акустической энергии в определенной области пространства.
2.
Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи
Наибольшее применение в практике УЗ контроля получили:



прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны прямые ПЭП;
наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны наклонныеПЭП;
раздельно - совмещенные прямые (или наклонные) преобразователи - РС ПЭП;
Конструкция пьезоэлектрического преобразователя
1. В конструкцию типового преобразователя входят следующие основные элементы:
пъезоэлемент. Предназначен для преобразования электрических колебаний в
упругие
(обратный пьезоэлектрический эффект) или упругих колебаний в электрические
(прямой
пьезоэлектрический эффект). В настоящее время
пьезоэлементы
изготавливают
преимущественно из пъезокерамики. Пьезокерамика - это искусственный
пьезоматериал, получаемый из порошкового исходного материала. Порошкообразный
материал: цирконат, титанат свинец тщательно перемешивают и затем прессуют пластину,
определённой толщины.
Пъезопластина
ТОЛЩИНА ПЬЕЗОПЛАСТИНЫ РАВНА:
d=λ/2
λ длина волны в пьезоматериале
где,
λ = C/f
ЦТС
С в пьзоматериале = 3300 м/с
толщина пьезопластины составит:
d
при f = 2,5 Мгц
при f = 1.25 Мгц
d=λ
С/2
3
,
3
/
2
х
1
м
/
.
м
2
f
d=λ
С/2
=
=
2
5
=
1
,
3
3
,
3
/
2
х
2
м
м
/
2
f
при f = 5 Мгц
d=λ
С/2
=
=
,
5
=
0
,
7
3
,
3
/
0
/
2
f
х
2
.
3
=
=
м
5
=
м
Чем тоньше пъезопластина, тем большую нужно частоту, чтоб пластина работала в
резонансе!
Пьезоэлектрические свойства пьезокерамика получает после поляризации путем выдержки в
течение получаса в электрическом поле напряженностью в несколько сотен кВ на 1 см.
ЗАПОМНИ !
Точка Кюри для ЦТС
для титаната бария
– 290 0
– 90 0
Если пьезопластину нагреть выше температуры Кюри произойдёт располяризация !
Основными пьезоматериалами являются цирконат титаната свинца (ЦТС - 19) где 19 - марка,
титанат бария, ниобат свинца и некоторые другие.
3.
2. электроды. Предназначены для равномерного распределения по поверхности
пластины
электрического заряда, подводимого к пластине в режиме возбуждения или
возникающего на
пластине в режиме приема. Электроды представляют собой тонкие электропроводящие
слои,
нанесенные на поверхность пьезоэлемента. Обычно на пьезопластине электрод
выполняют в виде слоя серебра или никеля толщиной несколько тысячных долей
миллиметра.
Электроды ( серебро, никель ) толщиной
0,001мм
ЦТС
Толщина слоя должна быть много тоньше толщины пластины, для того, чтобы не влиять на ее
акустические свойства. Для этого на поверхность наносят по способу печатных схем
специальные суспензии серебра или никеля, которые затем обжигают при температуре около
800° С, или химически осаждают слой никеля с золотом.
3. проводники. Предназначены для подводки и снятия электрического напряжения к
пьезоэлементу. Проводники припаивают непосредственно к электродам
легкоплавкими
припоями.
Проводники – предназначены для подведения электрического
напряжения к электродам пьезопластины.
ЦТС
4.
демпфер. Служит для гашения собственных свободных колебаний пьезоэлемента, то есть для
уменьшения длительности зондирующего импульса и увеличения ширины пропускания
принимаемых частот, для предупреждения механических повреждений пластин особенно
тонких, а также увеличения направленности ПЭП.
На рисунках видно, что пъезопластина без демпфера при подаче и снятии на её
обкладки переменного напряжения ещё некоторое время продолжает колебаться,
создавая помехи в начале развёртки у зондирующего импульса, что влияет на
качество и достоверность контроля.
Пъезоэлемент с демпфером
Пъезоэлемент без демпфером
ЦТС
Y 142.8 X O N 12
►40
ЦТС
Y 142.8 X O N 12
Состав и
►40
форма
демпфера
должны
обеспечивать полное затухание и отвод
колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений. В
демпфер переходит часть звуковой энергии, излучаемой задней стороной пьезоэлемента.
Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений материалов
пьезоэлемента и демпфера.
Демпфер. ( компаунды с наполнителями
высокой плотности )
Назначение:
ЦТС
1. Для механической защиты пьезопластины.
2. гашение собственных колебаний пьезопластины
с целью уменьшение длительности зондирующего
импульса.
3. Расширение полосы пропускания рабочих частот
материал демпфера должен обладать – большим
коэффициентом затухания и акустическое
сопротивление демпфера должно быть близким к
акустическому. сопротивлению пьезопластины.
5.
В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных условий
демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками порошка
(наполнителя с высокой плотностью) для достижения требуемого акустического сопротивления.
Для уменьшения многократных отражений на демпфере со стороны, противоположной
пьезоэлементу, наносят канавки, делают скосы. Иногда в материал демпфера для увеличения
рассеяния звука вводят пузырьки воздуха.
Канавки
ЦТС
Пузырьки воздуха
ЦТС
Примечание: При сильном демпфировании пьезоэлемента уменьшается мощность излучаемого им акустического
импульса.
5- протектор. Выполняет следующие функции:
защита пьезоэлемента или призмы от износа; улучшение согласования пьезоэлемента с
контролируемым изделием; улучшение
акустического контакта при контроле контактным
способом. Для повышения износостойкости преобразователя применяют приклеенные к пьезоэлементу
протекторы толщиной О, 1 - 0,5 мм из кварца, сапфира, бериллия, стали, смол с порошковым
наполнителем (например, корундовым или бериллиевым порошком), ситалла лигнофоля и др.
Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок или насадок из эластичных
пластмасс, чаще всего из полиуретана или из резины. В этом случае между пьезоэлементом и
сменным протектором вводят контактную жидкость.
6- корпус. Предназначен для:
• защиты элементов ПЭП от механических повреждений и воздействия наружной среды;
• экранирования пьезоэлемента и проводников от электромагнитных помех;
• компоновки элементов ПЭП в форму, удобную для эксплуатации.
Корпус обычно изготавливают из металла или из пластмассы. Пластмассовый корпус
металлизируют для создания экранирующих свойств.
8 - призма. Служит для создания необходимого типа волны и требуемого угла ввода УЗ
колебаний в изделие. Обычно призму изготавливают из материала с небольшой скоростью
распространения звука (оргстекла, полистирола, поликарбоната), что позволяет при относительно
небольших углах падения получать углы ввода до 90°. Высокое затухание УЗ колебаний в
материале призмы обеспечивает быстрое гашение повторных отражений в призме. Для лучшего
гашения переотражений на гранях призмы делают рассеивающие ребра или приклеивают
материал с близким акустическим сопротивлением, но со значительно большим затуханием.
При переходе из призмы в изделие излучаемые пьезоэлементом продольные волны
трансформируются в поперечные (сдвиговые). Для того, чтобы в изделие проходили волны только
одного типа, угол падения делают либо небольшим (сдвиговая волна практически не возбуждается),
либо в интервале между первым и вторым критическими углами. Призмы с малыми углами применяют
обычно в РС ПЭП, а с большими - в наклонных, кроме того, призмы с углом р -27° используют для
возбуждения головной волны, а с углом Р = 60° - для возбуждения поверхностной волны. В
некоторых случаях для получения необходимых углов ввода применяют ПЭП с переменным
углом падения, в которых либо пьезопластина перемещается по поверхности полуцилиндра, либо она
меняет свой наклон внутри призмы.
Для соединения ПЭП с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий
экранированный кабель (микрофонный или коаксиальный) с волновым сопротивлением порядка
75 Ом.
Заливка
Рёбра (нарезка)
3
4
6
1
2
5
Схема устройства пьезоэлектрических преобразователей: А-прямой; Б-наклонный.
1-пьезоэлемент; 2-электроды; 3-проводники; 4-демпфер; 5-протектор; 6-призма; 7-корпус;
Маркировка преобразователей
0
П 1 2 1-18 -2,5-К-3Х4-001
РС ПЭП 112 – 00 – 2,5
П – преобразователь.
1 – способ ввода волны (1-контактный; 2-безконтактный).
2 – наклонный (1-прямой).
1 – совмещённый (2-раздельный).
Раздельно совмещённый
1 – контактный
1 – прямой
2 – раздельный
00 – угол ввода
2,5 – частота в МГц
0
18 - угол ввода.
2,5 – частота в МГц.
К – керамика.
3х4 – размер пьезопластины.
001 – серийный номер.
0
П 111-0 -2,5-К12
П – преобразователь.
1 – способ ввода волны (1-контактный; 2-безконтактный).
1 – 1-прямой.
1 – совмещённый (2-раздельный).
2,5 – частота в МГц.
К – керамика.
12 – диаметр пьезопластины.
7.
Структура условного обозначения типа ПЭП по ГОСТ 26266
8.