Что такое матрица?
Фазированный преобразователь (ФР-преобразователь, ПФР) представляет собой ультразвуковой преобразователь, содержащий ряд элементов, которые можно синхронно возбуждать для генерации звуковых волн в определенном направлении. Это позволяет сканировать несколько зон за один проход.
Что такое матрица?
Под матрицей понимается множество объектов, расположенных в определенном порядке. Простейшая конструкция ультразвуковой матрицы представляет группу из нескольких элементов, расположенных в определенном порядке для максимального покрытия сканируемой зоны и/или увеличения скорости контроля.
Использование преобразователя с фазированной решеткой (ПФР)
ПФР используются для различных видов неразрушающего контроля, в том числе:
- Контроль труб, при котором часто используют несколько преобразователей для обнаружения трещин, расслоений и измерения толщины стенок
- Контроль кованных металлических компонентов с использованием нескольких преобразователей, фокусированных на разных глубинах, для улучшенного обнаружения мелких дефектов по зонам
- Линейное расположение преобразователей на поверхности повышает способность обнаружения дефектов и отслоений в композитах, и выявления коррозии в металлах
Для данных типов контроля необходимо высокоскоростное многоканальное ультразвуковое оборудование с правильными настройками генератора, приёмника и логики стробов для обработки каждого канала, а также точная фиксация каждого преобразователя для настройки зон контроля.
Проще говоря, ФР-преобразователь — это группа отдельных элементов в одном корпусе. Несмотря на то, что элементы намного меньше обычных преобразователей, эти элементы возбуждаются как группа для формирования направленных волновых фронтов. Благодаря электронному формированию луча можно осуществлять высокоскоростной контроль нескольких зон и анализ полученных результатов, не передвигая преобразователь. Это обсуждается более подробно далее в руководстве.
Характеристики ФР-преобразователя
ФР-преобразователи имеют следующие параметры:
Тип: Большинство ФР-преобразователей являются наклонными и используются с пластиковой призмой, прямым пластиковым башмаком (призма на 0 градусов) или с линией задержки. Также доступны контактные и иммерсионные преобразователи.
Частота: Ультразвуковой контроль обычно проводится на частотах от 2 до 10 МГц, поэтому большинство ПФР будут функционировать в данном диапазоне частот. Доступны также преобразователи с более высокими или более низкими частотами. Как и в случае с традиционными преобразователями, проникающая способность улучшается с понижением частоты; с повышением частоты улучшаются разрешение и фокальная резкость.
Количество элементов: Как правило, ФР-преобразователи имеют от 16 до 128 элементов. В некоторых преобразователях количество элементов может достигать 256. Большее количество элементов увеличивает возможности фокусировки и управления, а также может увеличить площадь охвата. Однако, большее количество элементов увеличивает стоимость как преобразователя, так и инструментов. Каждый элемент возбуждается отдельно, но их импульсы формируют один фронт волны. В результате, размер этих элементов часто называют активным направлением или управляемым направлением.
Размер элементов: Чем меньше размер элемента, тем лучше способность управления лучом. Однако, для охвата большой площади потребуется больше элементов по более высокой цене.
Размерные параметры фазированной решётки обычно описываются следующим образом:
Размерные параметры фазированной решетки определяются следующим образом:
- N = общее количество элементов в матрице
- A= общая апертура в управляемом или активном направлении
- H = высота элемента или подъем; поскольку эта величина фиксированная, ее часто называют пассивной плоскостью.
- p = шаг или расстояние между центрами двух последовательных элементов
- e = ширина отдельного элемента
- g = пространство между активными элементами
Эти данные используются программным обеспечением прибора для создания нужной формы луча. Если они не загрузились в прибор при подключении преобразователя, то их необходимо будет ввести в процессе настройки.
Внутреннее строение ФР-преобразователя
ФР-преобразователи имеют самые разные формы, размеры, диапазон частот и количество элементов; но все они содержат пьезоэлектрический элемент, разделенный на несколько сегментов.
Современные ФР-преобразователи для промышленного НК обычно изготавливаются из пьезокомпозитов, которые, в свою очередь, состоят из множества маленьких тонких сегментов пьезоэлектрической керамики, встроенных в матрицу из полимера. Несмотря на то, что процесс производства композитных преобразователей сложнее, их чувствительность, по сравнению с аналогичными пьезокерамическими преобразователями, больше на 10–30 дБ . Сегментное металлическое покрытие обеспечивает электрическое разделение элементов с целью их возбуждения независимо друг от друга. Затем этот сегментированный элемент покрывается защитным слоем и вставляется в преобразователь. В конструкцию преобразователя также входит демпфирующий материал, соединители кабеля и корпус.
Типы конфигураций ПФР
Анимация выше показывает линейную матрицу с прямоугольным основанием. Это обычная конфигурация для фазированной решетки. Для лучшего управления лучом решётка может быть расположена в виде матрицы, для сферической фокусировки — в виде колец.
ФР-преобразователи могут иметь несколько различных конфигураций, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Общие конфигурации ПФР:
Преобразователь с линейной фазированной решеткой
В линейных ФР-преобразователях элементы расположены по прямой линии. Это наиболее распространенная конфигурация в УЗК ФР. Преобразователи с линейной фазированной решеткой легко изготовить, но они должны быть крупных размеров для обеспечения глубокой фокусировки.
Преобразователь с кольцевой фазированной решеткой
Кольцевые ФР-преобразователи и сегментированные кольцевые ФР-преобразователи отличаются тем, что элементы в них расположены в виде колец с общим центром. Данные ПФР могут формировать эллиптические и сферические лучи с возможностью управления на разных глубинах. Однако сложная конструкция затрудняет их изготовление.
Преобразователь с выпуклой фазированной решеткой
В выпуклых ФР-преобразователях, также называемых преобразователями с изогнутой фазированной решеткой, элементы расположены по дуге. Эти преобразователи хороши для глубинного контроля, но разрешение изображения может уменьшаться по мере увеличения глубины.
Преобразователь с прямоугольной фазированной решеткой
В преобразователях с прямоугольной фазированной решеткой элементы расположены в виде прямоугольной схемы. Хотя данная схема обеспечивает превосходные возможности управления, сложная конструкция затрудняет изготовление такого типа ПФР.
Преобразователь с вогнутой фазированной решеткой
В таких преобразователях элементы расположены в круговое кольцо, но без общего центра. Данные ПФР обеспечивают превосходную управляемость на различной глубине, особенно в изогнутых деталях. Однако сложная конструкция затрудняет изготовление данных преобразователей.