Методи і засоби збудження ультразвукових імпульсів ємнісним методом

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Дисертація присвячена розробці нових теоретичних положень та засобів для збудження високочастотних ультразвукових імпульсів ємнісними перетворювачами (ЄП) з підвищеною чутливістю на основі збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад у виробах з електропровідних матеріалів. Виконано аналітичний огляд та аналіз сучасних засобів і методів контролю та діагностики безконтактними ультразвуковими методами неруйнівного контролю. Встановлено, що в значній мірі виключити недоліки традиційного контактного та безконтактного ультразвукових методів збудження високочастотних ультразвукових імпульсів в електропровідних виробах можливо за рахунок застосування нових принципів створення приладів, адаптації сучасних методів виділення корисних імпульсів з шумів і перешкод, нетрадиційних схемотехнічних рішень. Таким чином можливе збільшення чутливості і підвищення ефективності роботи і області застосування ємнісних перетворювачів і приладів на їх основі. Встановлено доцільність використання відношення амплітуди корисного сигналу до амплітуди завад як характеристику чутливості. Створена математична модель перетворювача ємнісного типу в режимі збудження ультразвукових хвиль в металах. Побудовано замкнутий розв'язок задачі електростатики для кусково-однорідного середовища, в якій напівпростір заповнений металом з кінцевими значеннями електричної провідності і магнітної проникності. Отримано вираз для розрахунку поверхневої щільності статичного електричного заряду на поверхні металевого зразка. Отримано і досліджено вираз для розрахунку поверхневої щільності сил Кулона, які формуються перетворювачем ємнісного типу з дисковим електродом. Показано, що основними впливаючими факторами, що визначають поверхневу щільність сил Кулона, і, як наслідок, чутливість перетворювача, є: поляризуюча напруга; ємність перетворювача (діелектрична проникність); розмір перетворювача; величина зазору між перетворювачем і виробом; форма перетворювача. Отримано вираз для розрахунку амплітудного множника хвилі Релея, що радіально поширюється і збуджується перетворювачем ємнісного типу з дисковим електродом. Введено поняття хвильової характеристики перетворювача ємнісного типу з дисковим електродом. Наведено результати дослідження ефективності збудження радіально поширюючихся хвиль Релея в широкому частотному діапазоні. Показано, що збудження ультразвукових імпульсів з частотному спектрі в сотні кілогерц можливо перетворювачем, у якого радіус диска не перевищує п'яти міліметрів. На основі теоретичних здобутків виконано експериментальні дослідження, з яких встановлено: при діаметрах випромінюючого електрода ємнісного перетворювача 5 ... 9,5 мм щільність зарядів плавно спадає до кромки електрода і триває за його межами; при діаметрах випромінюючих електродів 20 ... 31 мм починає проявлятися більш рівномірна область в районі центру електрода, потім відбувається збільшення щільності зарядів при наближенні до краю електрода і потім плавне зменшення щільності, в тому числі і за межами проекції електрода, але в меншій мірі, ніж при малих відносних розмірах електродів; при товщині досліджених зразків в діапазоні 5 ... 25 мм тіньовим методом осциляцій прийнятих п’єзоелектричним перетворювачем імпульсів по амплітуді поперек збуджуючого імпульсного акустичного поля не спостерігалося; характер залежності амплітуд першої і другої напівхвилі прийнятого першого тіньового імпульсу при всіх досліджених діаметрах електродів ЄП і товщині зразків практично збігаються; враховуючи розподіл амплітуди акустичного поля сформованого ємнісним перетворювачем з діаметрами близько 20 мм і більше можна припустити, що заряди на поверхні електрода ємнісного перетворювача також розподіляються нерівномірно, концентруючись ближче до його краю, тому що це характерно для одиночного відокремленого електропровідного тонкого диска; при визначенні діаграми спрямованості ємнісного перетворювача необхідно враховувати реальну випромінюючу поверхню. Виходячи з теоретичних досліджень, пояснити ефект плавного зменшення амплітуди ультразвукового імпульсу і існування її за проекцією електрода ємнісного перетворювача на поверхні електропровідного виробу можна тим, що на «індуковані» на поверхні півпростору заряди діють дві основні сили. З одного боку – сила притягнення зарядами на поверхні металу електрода ємнісного перетворювача, а з протилежного – сили відштовхування однойменних зарядів на поверхні металу зразка. Очевидно, сили відштовхування і призводять до зміщення зарядів за проекцію електрода ємнісного перетворювача на півпростір металу, зменшуючи їх щільність під проекцією. З наведених даних також випливає, що при зменшенні діаметра ємнісного перетворювача, розподіл зарядів в поверхневому шарі металу стає більш нерівномірним (в відносних розмірах). При виконанні роботи розроблено і виготовлено блок формувача послідовності імпульсів, модуль гальванічної опторозв’язки, високовольтний напівміст і підвищуючий симетричний широкосмуговий трансформатор для використання в складі вимірювальної, контрольної та діагностичної техніки на основі ЄП. Запропоновано варіант практичної реалізації одно– та двополярних генераторів потужних радіоімпульсів напруги на базі мікроконтролера, силових MOSFET транзисторів і симетричного підвищуючого широкосмугового трансформатора, який забезпечує на ємнісний перетворювач високочастотні високовольтні імпульси позитивної та негативної полярності, амплітудою до 1 кВ, частотою до 5 МГц тривалістю три періоди частоти заповнення. Експериментально доведено можливість реалізувати випромінювання ультразвукових коливань ємнісним методом на практиці, із застосуванням сучасних досягнень в області електротехніки. Показано, що співвідношення донний сигнал / завада досягає 15,5 разів. Можливе подальше підвищення амплітуди збуджуючих імпульсів шляхом підвищення поляризуючої і імпульсної напруги. Визначено «мертву» зону, що для однополярної схеми включення складає 26,55 мм, двополярної – 17,7мм. Одне з досягнень даної розробки дає можливість розроблену схему зробити портативною у вигляді макету дефектоскопу. Розроблені конструкції ємнісних перетворювачів, що забезпечує більш високу ефективність перетворення електричної енергії в акустичні в порівнянні з відомими конструкціями: – способи ємнісного збудження і прийому імпульсів високочастотних поверхневих хвиль за допомогою різних варіацій верхніх електродів перетворювача (що розміщуються над поверхнею виробу) і відстаней між ними, які повинні бути кратними довжині хвилі; – роздільно – поєднані безконтактні ультразвукові ємнісні перетворювачі для контролю імпульсами поверхневих хвиль. Їх конструкція передбачає розміщення випромінюючого і приймаючого електродів перетворювача в одному корпусі, що значно підвищить ефективність контролю і зменшить завади прийнятих імпульсів за рахунок такого конструктивного рішення; – комбіновані ємнісні перетворювачі для контролю імпульсами ультразвукових хвиль Релея фізико–механічних властивостей металовиробів. Особливості конструкції такого типу ємнісних перетворювачів дають можливість мати високу захищеність від когерентних акустичних завад, що є важливим при визначенні таких параметрів матеріалів як твердість, коефіцієнт Пуасона і т.д.; – на основі безконтактного ємнісного ультразвукового методу запропоновано способи збудження ультразвукових об’ємних хвиль під кутом до поверхні електропровідного виробу, детально описані схеми і принцип їх реалізації. Визначено, що ефективність безконтактного збудження ультразвукових імпульсів в електропровідному виробі під кутом до поверхні забезпечується за рахунок складання з однаковою фазою амплітуд ультразвукових імпульсів в заданому напрямку; – спектральний спосіб ультразвукового ємнісного виявлення дефектів на донній поверхні електропровідного виробу. За допомогою якого можна підвищити ефективність виявлення пошкоджень донної поверхні ОК аналізуючи спотворення форми огинаючої спектру прийнятого ємнісним методом пакетного ультразвукового сигналу; – ємнісні ультразвукові прямі суміщені перетворювачі з регульованою діаграмою спрямованості. Розглянуто два типа перетворювачів, з фіксованим верхнім електродом, радіус викривлення якого визначено експериментально заздалегідь і з електродом, радіус якого можна регулювати в процесі контролю. Основною особливість реалізації цих способів є забезпечення рівномірності діаграми спрямованості. – ємнісний спосіб збудження і прийому пружних хвиль. При якому верхній електрод являється як збудником УЗК і приймачем, електричні імпульси на який подаються певної форми з певною періодичністю та амплітудою, що забезпечує підвищення чутливості розробленого способу. – ультразвуковий комп’ютеризований макет дефектоскопу ємнісного типу. Прилади, які не мають пристрою сполучення з комп'ютером, часто використовуються в дуже обмеженому полі дій. В основному це портативні моделі, що використовуються в польових умовах. У стаціонарному режимі введення інформації в комп'ютер часто є необхідною функцією. Переваги комп'ютеризації фізичних засобів отримання інформації: розширення функціональних можливостей приладів; поліпшення технічних характеристик приладів, зокрема підвищення достовірності результатів контролю; підвищення продуктивності контролю; можливість використання персоналу без глибокої спеціальної підготовки; подання інформації у вигляді, зручному для оператора. Тобто, застосування комп’ютерів та мікропроцесорної техніки при розробці дефектоскопів, що використовують ємнісний перетворювачів дозволить не тільки підвищити чутливість контролю, а й швидкодію обробки прийнятої інформації.Thesis for a Doctor Degree in Engineering, specialty 05.11.13 "Devices and methods of testing and determination of composition of substances" - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". The dissertation is devoted to the development of new theoretical provisions and means for excitation of high-frequency ultrasonic pulses by capacitive transducers (CT) with increased sensitivity on the basis of increasing the ratio of useful signal amplitudes to interferences in products made of electrically conductive materials. Analytical review and analysis of modern means and methods of testing and diagnostics by non-contact ultrasonic methods of non-destructive testing are performed. It is established that general elimination of the shortcomings of traditional contact and non-contact ultrasonic methods of excitation of high frequency ultrasonic pulses in electrically conductive products is possible through the application of new principles of device construction, adaptation of modern methods of separation of useful pulses from noise and interference, unconventional circuitry solutions. This way it is possible to increase the sensitivity, efficacy and the areas of application of capacitive converters and devices based on them. The expediency of using the ratio of the amplitude of the useful signal to the amplitude of interference as a characteristic of sensitivity is established. A mathematical model of a capacitive type converter in the mode of ultrasonic waves excitation in metals is created. A closed solution of the electrostatics problem for a piecewise homogeneous medium is constructed, in which the half-space is filled with metal with finite values of electrical conductivity and magnetic permeability. An expression for calculating the surface density of static electric charge on the surface of a metal sample is obtained. An expression for calculating the surface density of Coulomb forces formed by a capacitive-type converter with a disk electrode is obtained and investigated. It is shown that the main influencing factors that determine the surface density of Coulomb forces, and, as a consequence, the sensitivity of the transducer, are: polarizing voltage; converter capacity (dielectric constant); the size of the converter; the size of the gap between the transducer and the product; the shape of the converter. An expression is obtained for calculating the amplitude multiplier of a radially propagating Rayleigh wave, which is excited by a capacitive type converter with a disk electrode. The concept of wave characteristic of a capacitive type converter with a disk electrode is introduced. The results of the excitation efficiency of radially propagating Rayleigh waves in a wide frequency range study are presented. It is shown that excitation of ultrasonic pulses with a frequency spectrum in the hundreds of kilohertz is possible by a transducer the disk radius of which does not exceed five millimeters. On the basis of theoretical research experimental researches were conducted, from which it is established that: at capacitive converter radiating electrode diameters of 5 ... 9,5 mm the density of charges drops smoothly towards the electrode edge and expands outside of it; at diameters of radiating electrodes of 20 ... 31 mm the more uniform area around the center of an electrode becomes more prominent, beyond which there is an increase in density of charges towards the electrode edge, followed by gradual decrease in density, including outside of the electrode projection, but to a lesser extent, than at small relative sizes of electrodes; at the thickness of the studied samples in the range of 5 ... 25 mm via shadow method no amplitude oscillations of the pulses received by the piezoelectric transducer across the exciting pulsed acoustic field were observed; the nature of the dependence of the amplitudes of the first and second half-waves of the received first shadow pulse at all the studied diameters of the CT electrodes and the sample thickness is almost identical; given the acoustic field amplitude distribution generated by the capacitive transducer with diameter of about 20 mm and more, it can be assumed that the charges on the capacitive transducer electrode surface are also unevenly distributed, concentrating closer to its edge; when determining the radiation pattern of the capacitive transducer, it is necessary to take into account the real radiating surface. Based on theoretical studies, the explanation of the effect of gradual decrease in the amplitude of the ultrasonic pulse and its existence beyond the projection of the capacitive transducer electrode on the conductive product surface can be that the charges "induced" on the surface of the half-space are affected by two main forces. On one hand - the force of attraction of charges on the metal surface of the capacitive transducer electrode, and on the other hand - the repulsive force of the charges of the same sign on the metal surface of the sample. Obviously, the repulsive forces also lead to a shift of the charges behind the projection of the capacitive transducer electrode on the half-space of the metal, reducing their density under the projection. From the above data it also follows that with reduction of the diameter of the capacitive transducer, the distribution of charges in the surface layer of metal becomes more uneven (in relative dimensions). During the work execution the pulse sequence shaper block, the galvanic optocoupler module, the high-voltage half-bridge and the step-up symmetric broadband transformer for use as a part of new measuring, testing and diagnostic technology based on CT are developed and built. A variant of practical implementation of uni- and bipolar generators of powerful radio voltage pulses based on a microcontroller, MOSFET power transistors and a symmetric step-up broadband transformer, which provides highfrequency high voltage pulses of positive and negative polarity at amplitude of up to 1 kV and frequency of up to 5 MHz with duration of three filling frequency periods is proposed. The possibility of realizing the emission of ultrasonic oscillations by the capacitive method in practice, with the application of modern achievements in the field of electrical engineering, has been experimentally proved. It is shown that the bottom signal / noise ratio reaches 15.5. It is possible to further increase the amplitude of the excitation pulses by increasing the polarizing and pulsed voltages. The "dead" zone was determined, which for a unipolar switching scheme is 26.55 mm, for bipolar - 17.7 mm. One of the achievements of this development makes it possible to make the developed scheme portable in the form of a flaw detector model. Designs of capacitive converters are developed, allowing for higher efficiency of conversion of electrical energy into acoustic in comparison with known designs: - methods of capacitive excitation and reception of pulses of high-frequency surface waves by means of different variations of the upper electrodes of the transducer (located above the surface of the product) and the distances between them, which must be multiples of the wavelength; - separately-connected non-contact ultrasonic capacitive transducers for testing via pulses of surface waves. Their design provides for the placement of the emitting and receiving electrodes of the transducer in one housing, which will significantly increase the efficiency of testing and reduce the interference of the received pulses due to such a design solution; - combined capacitive transducers for pulse testing of physical and mechanical properties of metal products via ultrasonic Rayleigh waves. Features of a design of this type of capacitive transducers provide high protection against coherent acoustic interference that is important at definition of such parameters of materials as hardness, Poisson's ratio, etc.; - on the basis of the non-contact capacitive ultrasonic method the methods of excitation of ultrasonic bulk waves at an angle to the surface of the electrically conductive product are offered, the schemes and the principle of their realization are described in detail. It is determined that the efficiency of non-contact excitation of ultrasonic pulses in an electrically conductive product at an angle to the surface is provided by addition of the amplitudes of ultrasonic pulses with the same phase in a given direction; - spectral method of ultrasonic capacitive detection of defects on the bottom surface of an electrically conductive product. With which it is possible to increase the efficiency of sample bottom surface damage detecting by analyzing the distortion of the shape of the packet ultrasound signal spectrum envelope received via capacitive method; - capacitive ultrasonic direct combined transducers with adjustable pattern. Two types of transducers are considered, with a fixed upper electrode, the radius of curvature of which is determined experimentally in advance, and with an electrode, the radius of which can be adjusted during the process of testing. The main feature of the implementation of these methods is to ensure the uniformity of the pattern. - capacitive method of excitation and reception of elastic waves. In which the upper electrode is both the exciter of the ultrasound and the receiver, the electrical pulses to which are fed a certain shape with a certain frequency and amplitude, which increases the sensitivity of the developed method. - ultrasonic computerized model of a capacitive flaw detector. Devices that do not have a computer connection device are often used in a very limited field of action. These are mainly portable models used in the field. In stationary mode, entering information into a computer is often a necessary feature. Advantages of computerization of physical means of obtaining information: expansion of functionality of devices; improving the technical characteristics of devices, in particular increasing the reliability of testing results; increase of testing productivity; the possibility of using staff without deep special training; presentation of information in a form convenient to the operator. That is, the use of computers and microprocessor technology in the development of flaw detectors using capacitive transducers will not only increase the sensitivity of testing, but also the speed of received information processing.