Пьезоэлектрический преобразователь: без него любой дефектоскоп – просто умная коробка​

Определение того, что такое пьезоэлектрический преобразователь (сокращённое обозначение – ПЭП), содержится в ГОСТ Р 55725-2013. Документ гласит, что это устройство для неразрушающего контроля, которое преобразует акустический сигнал в электрический и наоборот, используя прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Датчик предназначается для излучения упругих колебаний, которые проникают в объект, отражаются от внутренних несплошностей, фиксируются датчиком (эти же или другим) и регистрируются ультразвуковым дефектоскопом. Так из отдельных сигналов на экране прибора формируется развёртка (скан), по которой можно судить о координатах, глубине залегания и размерах дефектов.

Конструкция и основные элементы пьезоэлектрических преобразователей​

В классическом виде датчик ПЭП представляет собой устройство из нескольких важных функциональных частей.

• Пьезоэлемент. Это ключевой компонент. Отвечает за преобразование электрической энергии в упругую, и наоборот. Обычно представляет собой пластину из пьезокерамики, которая изготавливается из порошковых материалов – цирконата титаната свинца, титаната бария, ниобата свинца и т.д. Низкочастотные ПЭП оснащаются многослойными пьезоэлементами, состоящими из нескольких склеенных между собой пластин.
• Электроды, напаянные на поверхности пьезопластины. Чаще всего изготавливаются из никеля или серебра в виде наплавляемого электропроводящего слоя толщиной до нескольких тысячных миллиметра. Электроды нужны для того, чтобы электрический сигнал распределялся по пьезоэлементу равномерно. За подведение и снятие электрического напряжения с электродов отвечают проводники.
• Катушка. Часть резонансного контура генератора, назначение которой – обеспечение наибольшего коэффициента преобразования электрической энергии в упругую, и наоборот.
• Протектор («подошва»). Основная функция – защищать прямой ПЭП от изнашивания, дополнительная – обеспечение стабильного акустического контакта с объектом. Это сменный элемент. Самый распространённый материал для протекторов – керамика. Менее долговечный вариант – эпоксидная смола с ферровольфрамом. Также встречаются полиуретановые и даже резиновые протекторы. Есть модели и с металлизированным протектором – например, прямой низкочастотный П111-0,08-М26 от НПЦ «Кропус» для теневого режима. Также встречаются сменные накладки из эластичных пластмасс и полиуретана - если нет высоких требований к соотношению сигнал/шум.
• Демпфер. Подавляет инерционные свойства пьезопластины. Выполняется из композитов, в которых есть рассеиватели (порошки тяжёлых металлов и их окислов) и связующий компонент (эпоксидная смола или компаунд). Акустические сопротивления материалов, из которых изготовлены демпфер и пьезоэлемент, должны быть взаимосогласованными. Хороший демпфер гасит свободные колебания пьезоэлемента, позволяя тем самым получать короткие импульсы без многократных отражений. Дополнительно к этому на обратной стороне демпфера делаются специальные вырезы, выдерживается тонкая воздушная прослойка между наполнителем и корпусом. Всё это способствует уменьшению мёртвой зоны при контроле.
• Призма (у наклонных пьезоэлектрических преобразователей и РС ПЭП). Обеспечивает необходимый тип волны (процесс распространения упругих колебаний в объекте) с заданным углом ввода (может достигать 90 градусов). Призмы обычно производят из оргстекла и особых полимеров (поликарбонат, полистирол). Материал подбирается с таким расчётом, чтобы как можно быстрее подавлять повторные отражения (реверберацию).
• Акустический экран. Задача – изолировать излучающую часть от приёмной. Экран должен обладать высоким коэффициентом затухания ультразвука, поэтому его изготавливают из пенопласта и пробки. Также на экран наносят электроизолирующее покрытие. Идеальный расклад – когда сигналы от излучателя будут передаваться на приёмник исключительно через объект контроля. Правда, в действительности добиться этого практически невозможно, и незначительный переход всё равно имеет место.
• Корпус. Защищает внутренние элементы пьезоэлектрического преобразователя, обеспечивает их эргономичную компоновку в единую конструкцию и обеспечивает дополнительное экранирование от электромагнитных помех. Выполняется из прочных, но лёгких сплавов – алюминия, латуни и пр. Встречаются модели и в пластиковом «обличье» (с дополнительной металлизацией). Часто производители наносят на корпус миллиметровые шкалы и вспомогательные риски для более точного определения стрелы, точки выхода и местоположения выявленных дефектов.
• Разъёмы. Самые распространённые – Lemo 00, BNC, у миниатюрных датчиков – Microdot. Они нужны для подключения к электронному блоку дефектоскопа посредством коаксиального кабеля, по которому передаются сигналы.

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя​

1. Дефектоскоп (электронный блок) подаёт на пьезопластину датчика электрический сигнал, под действием которого та деформируется. Происходит так называемый обратный пьезоэффект.
2. В результате этой деформации происходит смещение пьезоэлемента, колебания которого передаются в объект контроля. Частота этого колебательного процесса зависит от толщины пьезопластины. Чем она толще, тем меньше частота.
3. Зондирующий импульс проникает в ОК. При наличии несплошности колебания отражаются от неё, возвращаются на пьезопластину и вновь деформируют её (прямой пьезоэффект), вследствие чего на электронный блок дефектоскопа поступает электрический сигнал. Его можно наблюдать на дисплее прибора. Обычно чем больше площадь (ширина раскрытия) и глубина залегания дефекта, тем больше амплитуда эхо-сигнала и тем правее он расположен на развёртке (тем больше времени нужно, чтобы сигнал дошёл). При этом самый крайний сигнал называется донным (а расстояние между ним и зондирующим импульсом – это и есть толщина объекта). Разумеется, пока генерируется зондирующий импульс, пластина деформирована и потому не всегда способа принимать обратные колебания. Чем ближе дефект к поверхности, тем короче путь эхо-сигнала и тем выше вероятность, что он просто затеряется на фоне шумов. Минимальное расстояние (и время прохождения сигнала) от поверхности до несплошности, при котором обеспечивается чёткая идентификация эхо-сигнала, называется мёртвой зоной. У разных пьезоэлектрических преобразователей она разная, и чем она меньше, тем лучше, так как это позволяет выявлять дефекты ближе к поверхности. В общем случае, у прямых совмещённых ПЭП мёртвая зона достигает 5-10 мм, у раздельно-совмещённых - от 0,5 до 1 мм. У наклонных - от 1 до 5 мм.
4. Дефектоскоп измеряет время прохождения сигнала до несплошности и обратно. Умножая это значение, разделённое на «2», на заранее выбранную скорость распространения УЗ-сигналов (задаётся оператором в зависимости от материала), прибор вычитает время задержки в призме (протекторе) и тем самым определяет расстояние от поверхности до дефекта, то есть глубину его залегания.

Важное условие для нормальной работы ПЭП – тщательная зачистка поверхности от лакокрасочных и иных покрытий, брызг металла, ржавчины и т.д. Правда, и здесь есть одно исключение, о котором вы узнаете из следующего параграфа.

Виды пьезоэлектрических преобразователей​

С развитием софта и цифровых технологий функционал современных дефектоскопов становится всё шире. Под огромное количество задач ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии было создано множество самых разных ПЭП. Попробуем разобраться хотя бы с основными их разновидностями.

• Общего назначения и специализированные. В первом случае речь идёт об универсальных датчиках для стандартных задач УЗК. Пример – наклонный совмещённый П121-2,5-45-М-002 с диапазоном контроля по стали от 0,7 до 50,0 мм, который широко применяется для контроля сварных соединений трубопроводов и сосудов. К специализированным ПЭП относятся высокотемпературные (для нагретых поверхностей до 400, 600 или даже до 1000 градусов - правда, для таких обычно требуются волноводы), миниатюрные (для стеснённых условий), низкочастотные иммерсионные и др. В авиастроении для контроля изделий из композитов и сотовых конструкций применяются ударные преобразователи (например, УДп-60). Существуют датчики для ультразвуковой дефектоскопии резьбовой части бурильных труб, вагонных осей, с переменным углом ввода, для паянных, точечных сварных соединений и т.д.
• Прямые, наклонные и комбинированные. Прямые ПЭП излучают продольные колебания по нормали к поверхности, наклонные – рассчитаны на поперечные колебания (под углом относительно поверхности объекта). Одна из разновидностей наклонных пьезоэлектрических преобразователей – хордовые датчики изогнутой формы, предназначенные для ультразвуковой дефектоскопии трубопроводов из металла и полиэтилена. Приёмный и излучающий блоки разнесены друг от друга таким образом, чтобы их акустические оси пересекались. С хордовыми ПЭП очень эффективно выявлять вертикально-ориентированные продольные несплошности в трубопроводах малой толщины (3-8 мм) и наружного диаметра (до 325 мм).
• Совмещённые и раздельно-совмещённые. Первые могут как излучать, так и принимать сигналы. В раздельно-совмещённых (РС) ПЭП за это отвечают два отдельных блока, разделённых акустическим экраном. Такое исполнение привлекательно минимальной мёртвой зоной. РС ПЭП внешне отличаются наличием двух разъёмов (по одному на каждый пьезоэлемент).
• Контактные и иммерсионные. Первые – либо непосредственно соприкасаются с объектом контроля, либо находятся от него на очень незначительном расстоянии (меньше половины длины волны в контактирующей среде). Для нормальной работы иммерсионного ПЭП между его «подошвой» и поверхностью необходимо нанести слой жидкости, толщина которого превышала бы пространственную протяжённость акустического импульса. Отдельная категория – контактно-иммерсионные преобразователи, рассчитанные на работу с так называемой локальной иммерсионной ванной.
• Узко- и широкополосные. Первые отличаются от вторых тем, что имеют чётко выраженную резонансную частоту, при которой наблюдается максимальная амплитуда колебания пьезопластины. Узкополосные пьезоэлектрические преобразователи, как это явствует из названия, обладают узкой полосой пропускания. Речь идёт о диапазоне частот, в рамках которого колебания пьезоэлемента изменяются не более чем в 2 раза. У широкополосных датчиков, соответственно, полоса пропускания широкая, но явно выраженная резонансная частота отсутствует.
• Продольных, поперечных (сдвиговых), поверхностных (волны Релея), нормальных ультразвуковых (волны Лэмба) или головных волн. Тут всё зависит от объекта, типа, размеров, предполагаемого местонахождения и ориентации дефектов. И, конечно, от руководящей документации на контроль. Если вкратце, то продольными называют волны, направление распространения которых совпадает с направлением колебательного движения отдельных частиц. Особенность поперечных волн в том, что колебание отдельных частиц происходит перпендикулярно их распространения. Одним из вариантов их сочетания являются поверхностные волны, которые распространяются вдоль свободной либо слабо нагруженной границы твёрдого тела и быстро затухают с глубиной. Наконец, выделяют головные (вытекающие, ползучие) волны – неоднородные продольно-проверхностные, боковые и продольно-подповерхностные волны, возникающие при падении ультразвукового пучка на границу раздела под углом, близком к первому критическому. Преимущество головных волн в том, что они нечувствительны к неровностям поверхности объекта и позволяют выявлять приповерхностные дефекты на глубине 2-8 мм (по некоторым источникам - до 15 мм). Технологии ультразвукового контроля с применением головных волн особенно популярны в атомной энергетике. В России этот феномен связан, прежде всего, с именами великих учёных Игоря Николаевича Ермолова и Николая Павловича Разыграева – ярчайших представителей ЦНИИТМАШ (московская школа УЗК). Ещё существуют специализированные ПЭП для так называемого LLT-способа, при котором преобразователь излучает продольную волну, а принимает - трансформированную поперечную.
• Фокусирующие и нефокусирующие. Первые от вторых отличаются тем, что способны сосредотачивать акустическую энергию в узкой области. Для этого в фокусирующих пьезоэлектрических преобразователях предусматривают криволинейную пьезопластину (активный концентратор) либо специальную линзу. К важным характеристикам фокусирующих датчиков относятся фокусное расстояние, глубина и ширина фокуса. Чаще всего в неразрушающем контроле для поиска дефектов применяются нефокусирующие ПЭП, у которых нет этих элементов. Фокусирующие больше подходят для тщательного измерения характеристик отражателей, определения их морфологических и иных признаков.
• Притёртые и непритёртые. В первом случае речь идёт о новых датчиках в стандартном исполнении, с ровной «подошвой». Притёртые датчики ПЭП отличаются тем, что проходят механическую обработку рабочей поверхности для более плотного контакта с цилиндрическим объектом (трубопроводом, сосудом). Это требуется, если наружный диаметр объекта меньше 400 мм (если он превышает ширину рабочей поверхности ПЭП менее чем в 15 раз). Контактную часть притирают по индивидуальным заказам – под конкретный диаметр.
• С круглым либо прямоугольным активным пьезоэлементом. Если оставить за скобками эргономику и удобство удержания датчика, то гораздо важнее не форма пьезоэлемента, а его эффективный диаметр. Подробнее об этом мы расскажем чуть ниже.

В классической ультразвуковой дефектоскопии большинство задач решаются при помощи прямых совмещённых (с продольными волнами), наклонных совмещённых (с поперечными волнами) и раздельно-совмещённых прямых (с продольными либо поперечными волнами) пьезоэлектрических преобразователей.

Помимо ПЭП для традиционного УЗК, отдельно стоит сказать о системах для более продвинутых технологий контроля. К таковым, конечно же, относятся:
1) фазированные антенные решётки (ФАР, ФР). Суть этой технологии в том, чтобы при помощи электроники управлять формой и ультразвуковым лучом (направлением распространения максимальной энергии волнового процесса) посредством акустического блока, в котором объединены множество пьезоэлементов. Фазированную антенную решётку ещё называют матричным преобразователем. Он обычно содержит от 16 до 256 последовательно возбуждаемых элементов. Каждый из них посылает сигнал по специально заданной схеме и с управляемой задержкой (по так называемому фокальному закону), при этом из отдельных компонентов луча формируется единый фронт волны, который распространяется в заданном направлении. Приёмник, соответственно, объединяет все эти сигналы от элементов в единую «картину» (развёртку). Дефектоскопы на фазированных решётках позволяют оператору менять угол луча, фокальное расстояние и размер электронного пятна. Всего один многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь с призмой обеспечивает возможность секторного сканирования под разными углами, при этом его даже не обязательно перемещать по поверхности. Так работает функция мультиплексирования, и это очень удобно при обследовании объектов со сложной геометрией. Повышается выявляемость дефектов, точность измерения их размеров и координат. Резко увеличивается производительность УЗК. Главным недостатком фазированных решёток пока остаётся только стоимость. В остальном – это очень перспективное решение, которое уже благополучно применяется в различных отраслях, от нефтегазового сектора до атомной энергетики. Примеры фазированных ПЭП – раздельно-совмещённый 7.5DL32-32X5-REX1-P-2.5-OM-IHC-RW для коррозионного мониторинга, 16-элементная антенная решётка 2L16-1.4x20-В17 от НПЦ «Кропус» и другие;
2) пьезоэлектрические преобразователи для технологии TOFD (Time of Flight Diffraction, что переводится как «дифракция времени пролёта»). Способ построен на том, чтобы зафиксировать время прохождения и приёма дифрагированных волн через сечение основного металла или сварного соединения. В традиционном УЗК, напомним, основное внимание уделяется изменению амплитуды сигнала, которое в TOFD не имеет значения. Там, где дефектов нет, волна сохранит своё направление и будет зафиксирована приёмником в заданный временной промежуток. На участках с несплошностями всё будет иначе. По взаимодействию волн с краями выявленной неоднородности формируется чёткое представление об её размерах и местоположении. Для контроля по технологии TOFD используются два наклонных датчика ПЭП, располагающиеся на одном уровне. Один – излучатель, второй – приёмник. По достоверности, точности и воспроизводимости результатов TOFD очень близок к радиографии. Всего за один проход (вручную или при помощи механизированного/автоматизированного сканера) удаётся выявлять дефекты любой пространственной ориентации. Отпадает потребность в дополнительном прозвучивании при помощи прямого ПЭП. Записанные в режиме TOFD сканы могут храниться в цифровом виде сколько угодно времени. Слабые стороны у данной технологии тоже имеются. Она не очень сочетается с искривлёнными поверхностями, часто нуждается в предусилителе, чувствительна к шуму от зёрен металла. Распространение технологий TOFD неизбежно, но на данный момент оно сдерживается тем, что многие из существующих методик построены на амплитудных критериях отбраковки, которые здесь никак не учитываются. Правда, для соблюдения этого требования многие современные преобразователи позволяют сочетать технологии TOFD, режима импульс-эхо и фазированных решёток. Примеры преобразователей для TOFD – Sendast П113 от NDT Club, TF10C6L от НПЦ "Кропус". Стандартные углы ввода – 45, 50, 60, 70 градусов.

Наконец, нельзя не упомянуть электромагнитно-акустические (ЭМА) преобразователи, которые не нуждаются в контактной жидкости, не требуют зачистки поверхности и имеют больший рабочий ресурс. На данную технологию возлагают большие надежды в контексте развития средств неразрушающего контроля. Когда-то они были слишком громоздкими и обладали слишком малой чувствительностью по сравнению с пьезоэлектрическими. Но сегодня всё иначе. Подробнее об этом мы лучше поговорим в отдельной статье, а пока – двигаемся дальше.

Как расшифровывается маркировка ПЭП для УЗК​

Как правило, её наносят на шильдик, закреплённый на верхней грани корпуса. Маркировка должна быть легко читаемой, устойчивой к контактным гелям, техническим жидкостям и абразивным частицам. В стандартном виде условные обозначения датчиков в самом начале содержат литеру «П» («преобразователь»), после которой идёт такая последовательность цифр:

• «1» (контактный), «2» (иммерсионный) или «3» (контактно-иммерсионный);
• «1» (прямой), «2» (наклонный) либо «3» (комбинированный);
• «1» (совмещённый), «2» (раздельно-совмещённый) либо «3» (раздельный).

После этих цифр через тире указывается рабочая частота, затем - тоже через тире - угол ввода. Маркировка пьезоэлектрических преобразователей разных марок может отличаться. Производители могут дополнять её указанием индивидуального номера, частоты, угла ввода, размера пьезоэлемента, обозначения торговой марки и пр. Пример обозначения прямого совмещённого ПЭП марки «АМКРО» – П111-1,25-П20. Прямой раздельно-совмещённый преобразователь этого же бренда с пьезоэлементом 4x4 мм и номинальной частотой 10 МГц обозначается как DF1044 (П112-10-4x4).

Несмотря на существование «каноничной» маркировки производители часто используют индивидуальные обозначения. Так, в линейке "TWN Технолоджи" есть совмещённый наклонный преобразователь TWN-MSW-F5D6 с углом ввода 60 градусов и частотой 5 МГц.

Как не ошибиться с подбором датчика ПЭП​

Всё просто: читайте технологическую карту на контроль, руководство к дефектоскопу, паспорт преобразователя и уделяйте особое внимание его техническим параметрам.

• Частота (МГц). Имеется в виду рабочая частота – та, при которой наблюдается максимальная амплитуда эхо-импульса от опорного отражателя. Проверяется при помощи образцов СО-3, К1, К2 и др. Низкочастотные датчики имеют диапазон частот от 0,5 до 1,8 МГц и рекомендованы для прозвучивания материалов, которым свойственна крупнозернистая структура и высокий коэффициент затухания. К таковым относятся чугунные сплавы, полимеры, композиты, бетон. К среднему диапазону относят частоты 1,8–2,5 МГц. Среднечастотные ПЭП – пожалуй, самые универсальные, поскольку эффективны для дефектоскопии объектов большой толщины. Наконец, существуют высокочастотные пьезоэлектрические преобразователи, диапазон которых начинается от 4–5 МГц и может превышать 10 МГц. Основная область их применения – мелкозернистые и тонкостенные (до 20 мм) материалы.
• Угол ввода (в градусах). Имеется в виду угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей точку выхода ультразвуковых волн и центр бокового цилиндрического отверстия в образце СО-2. Угол ввода обычно меньше угла акустической оси (центрального луча) либо равен ему. Отклонение тем больше, чем больше глубина залегания несплошности и чем шире диаграмма направленности. Последняя описывает угловое распределение амплитуды волны, в пределах которого можно выделить основной «лепесток» (на него приходится около 85% энергии излучения) и боковые «лепестки» (оставшиеся 15%). Пьезоэлектрические преобразователи с широкой диаграммой направленности хороши для выявления несплошностей. Определять их координаты, изучать форму и размеры эффективнее с узкой диаграммой направленности.
• Радиус пьезоэлемента. От этого зависит ближняя зона – та часть акустического поля, в которой оно изменяется немонотонно. Несплошности, которые находятся в этих пределах, сложнее зафиксировать, поскольку амплитуда обратного сигнала получается низкой. Соответственно, чем меньше диаметр пьезоэлемента и ближняя зона, тем меньше вероятность, что какой-то дефект будет пропущен.
• Стрела – расстояние от передней грани ПЭП до точки выхода центрального луча, или акустической оси.
• Мёртвая зона. Этим термином обозначают подповерхностную область объекта контроля со стороны прижима датчика, в пределах которой не удаётся выявить дефекты определённого размера. Фактическая мёртвая зона зависит от длительности электрического импульса, демпфирования пьезоэлемента, скорости распространения волны в материале, эквивалентной площади отражателя и пр. Говоря о мёртвой зоне пьезоэлектрического преобразователя, стоит упомянуть и зону влияния зондирующего импульса. Под этим подразумевается приповерхностная область, в пределах которой не удаётся достоверно измерить эквивалентный размер отражателя. Связано это с тем, что под влиянием начального импульса амплитуда эхо-сигналов искажается более чем на +2 дБ.
• Амплитудно-частотная характеристика. Оценивается по двум параметрам – резонансной частоте и ширине пропускания, о которых мы сказали выше.
• Разрешающая способность. Может быть лучевой и фронтальной. По разрешающей способности можно судить о минимальном расстоянии между двумя одинаковыми отражателями, при котором они будут регистрироваться раздельно. Другое трактование разрешающей способности - минимальный интервал времени между соседними эхо-сигналами, одновременно наблюдаемых на экране, между которыми есть провал на 6 дБ от амплитуды меньшего пика.
• Путь в призме. Имеется в виду отрезок между средней точкой пьезоэлемента и точкой выхода ультразвукового луча. Этот параметр ещё называют предварительным пробегом. У пьезоэлектрических преобразователей с жёстким протектором он незначителен. Другое дело – мягкий протектор, способный вносить ощутимую задержку. Поскольку перед оператором стоит задача точно измерить толщину стенки и/или глубину залегания дефекта, то путь в призме нужно корректно задавать в настройках дефектоскопа.
• Допустимый диапазон рабочих и кратковременных (если контакт длится не более 3 с) температур. Если температура объекта не укладывается в заявленный производителем датчика ПЭП диапазон, это приведёт к искажению результатов (хотя бы потому, что повлияет на угол ввода) и преждевременному разрушению контактной поверхности.
• Износостойкость рабочей поверхности. Фактический срок службы датчика зависит от прочности протектора, свойств контактной жидкости, температуры сканируемой поверхности и силы прижатия к ней. Конечно, при необходимости можно восстановить изношенную «подошву», приклеив специальную накладку, но на практике с этим заморачиваются не часто, так как проще взять новый датчик. Тем более что стоимость стандартных ПЭП не настолько высокая (средний ценовой диапазон – от 3000 до 7000 рублей).

Где купить пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи​

Самостоятельным производством ПЭП разных типов занимаются следующие партнёры форума «Дефектоскопист.ру».