Bài giảng đo không phá hủy

bài giảng về đo không phá hủy của đại học bách khoa hà nội, dùng trong lĩnh vực cơ khíchế tạo máy. hướng dẫn về cách kiểm tra bên trong máy móc bằng phương pháp vật lí để phát hiện các khuyết tật bên trong mà không làm ảnh hưởng đến khả năng hoạt động sau này của chúng.

ĐO KHÔNG PHÁ HỦY

GV: Th.S Lê Viết Phương

VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT

PHÒNG THÍ NGHIỆM KIỂM TRA KHÔNG PHÁ MẪU

Bài giảng:

Giới thiệu

Chương 1 Cảm biến dùng trong đo không phá hủy

Chương 2 Phương pháp siêu âm

Chương 3 Phương pháp phóng xạ

Chương 4 Phương pháp từ tính

Chương 5 Phương pháp thẩm thấu

Chương 6 Phương pháp dòng điện xoáy

Chương 7 Phương pháp quang học

Chương 8 Một số phương pháp khác (nếu đủ thời gian) Chương 9 NDT và nghề nghiệp (nếu đủ thời gian)

2

[1] Lê Văn Doanh và các tác giả, Các bộ cảm biến trong kỹ thuật

đo lường và điều khiển, NXB KH&KT 2007

[2] Phạm Ngọc Nguyên, Phạm Khắc Hùng, Giáo trình: Phương

pháp kiểm tra không phá hủy kim loại, NXB KH&KT 2009

[3] Nguyễn Đức Thắng và các tác giả, Đảm bảo chất lượng hàn,,

NXB KH&KT 2009

[4] IAEA (Internatinal Atomic Energy Agency), Ultrasonic

testing of materials at level 2, 1999

[5] IAEA, Radiographic testing, 1994

[6] Rerngsak Suntonsan, Magnetic particle testing

[7] Rerngsak Suntonsan, Liquid (Dye) penetrant testing

[8] Donald J.Hagemaier-ASNT, Fundamentals of eddy current

testing, 1990

[9] Southern inspection services, Infared thermal testing

3

- Đặt vấn đề:

- Kết luận: Các phương pháp đo không phá hủy rất quan trọng

trong công nghiệp để đánh giá và dự báo tình trạng của thiết bị máy móc

- Định nghĩa: Đo không phá hủy là sử dụng các phương pháp

vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong cấu trúc của vật liệu, sản phẩm, chi tiết máy, …hoặc/và đo các thông số vật lý của chúng mà không làm tổn hại đến khả năng hoạt động sau này của chúng

- Tất cả các phép đo không phá hủy đều có những đặc điểm chính sau:

+ Sử dụng một môi trường kiểm tra để kiểm tra sản sản phẩm

+ Sự thay đổi trong môi trường kiểm tra chứng tỏ sản phẩm được kiểm tra

Chương 1 Cảm biến dùng trong

đo không phá hủy

5

1 Các khái niệm cơ bản về cảm biến

2.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

2.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

6

4 Cảm biến đo nhiệt độ

4.3 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt

4.3.1 Đặc trưng chung

4.3.2 Các hiệu ứng nhiệt điện

4.3.3 Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo

4.3.4 Phương pháp đo tín hiệu & các loại cặp nhiệt điện

4.4 Đo nhiệt độ bằng diot và tranzitor

4.5 Đo nhiệt độ bằng cảm biến quang

• Trong thực tế, đo tốc độ thường là đo tốc độ quay của máy, nếu là cđ thẳng cũng chuyển sang đo tốc độ quay

5.1 Đo tốc độ quay của động cơ

- Sử dụng máy phát tốc

- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa

- Sử dụng máy đo góc tuyệt đối

- Xác định tốc độ góc gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện

áp stato mà không cần dùng cb tốc độ

5.1.1 Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa

9

- Xác định chiều quay: sử dụng hai led và hai tranzitor, thu được hai xung lệch nhau 90o

- Nâng cao độ phân giải: sử dụng đĩa mã hóa nhiều rãnh

10

5.2 Tốc độ kế sợi quang

• Nguyên lý: Chiếu sáng đối tượng cần đo tốc độ bằng một lưới các vân sáng Ánh sáng khuếch tán từ đối tượng tuân theo hiệu ứng Doppler (tần số của nó khác với tần số của nguồn phát, phụ thuộc vào tốc độ của vật)

5.3 Đổi hướng kế

Được gắn vào các thiết bị chuyển động (máy bay, tên lửa) để đo vận tốc góc của vật Phụ thuộc vào bản chất của hiện tượng vật lý được ứng dụng, phân ra:

- Đổi hướng kế cơ học dựa trên tính chất của con quay hồi chuyển

- Đổi hướng kế quang dùng laze và cáp quang dựa trên hiện tượng truyền sóng ánh sáng

12

Gia tốc là mối quan hệ giữa lực và khối lượng

Độ rung trong công nghiệp đặc biệt quan trọng vì

- Nguy hại sức khỏe

- Hại cho thời gian sống và hiệu suất của công trình, thiết bị

- Gây mài mòn và mỏi cho các chi tiết cơ khí

=> Đo gia tốc và độ rung giúp người quản lý có kế hoạch bảo dưỡng phòng ngừa hỏng hóc thiết bị

6.1 Gia tốc kế áp điện

- Vật rung được đặt trên phần tử áp điện Điện tích sinh ra tỷ lệ với chuyển động của vật rung

- Tùy theo bản chất của lực tác dụng mà cần cơ cấu giữ vật liệu

áp điện khác nhau Thông thường sử dụng hai loại sau”

13

• Gia tốc kế áp điện kiểu nén

• Gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong

14

• F = m.a

• Phép đo lực là yêu cầu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, xây dựng, …

• Các phương pháp đo lực chủ yếu:

- Cân bằng lực chưa biết với lực đối kháng

- Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết

- Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ

- Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này

- Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực

7.1 Cảm biến áp điện

• Dựa trên hiệu ứng áp điện: xuất hiện phân cực điện khi chúng

bị biến dạng

16

7.2 Cảm biến từ giảo

• Khi có tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học hoặc tính chất cơ học Đây là hiệu ứng từ giảo

• Khi có lực bên ngoài làm thay đổi kích thước mạng tinh thể, các hướng dễ từ hóa bị thay đổi làm thay đổi đính hướng miền

từ hóa và vách domen, làm thay đổi tính chất từ của vật liệu Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch

=> Nguyên lý: dựa vào

sự thay đổi của từ dư Br

và độ từ thẩm khi có lực

tác động

17

• Vd về sự biến dạng của đường cong

từ hóa dưới tác dụng của lực kéo đối

với permalloy 68 (Ni 68%, Fe 32%)

- Cảm biến từ thẩm biến thiên:

- Cảm biến từ dư biến thiên:

Phần tử cơ bản là một lõi sắt có từ dư

Br, thường là Ni tinh khiết

Dưới tác dụng của lực, ví dụ lực nén

d𝜎 < 0, 𝐵𝑟 tăng lên, làm xuất hiện trong

cuộn dây suất điện động cảm ứng Điện

áp đo hở mạch:

𝑉𝑚 = 𝐾 𝑑𝐵𝑟

𝑑𝑡 = 𝐾

𝑑𝐵𝑟𝑑𝜎

𝑑𝜎𝑑𝑡

18

7.3 Cảm biến lực dựa trên việc đo di chuyển

• Lực được đặt lên vật trung gian và gây ra sự thay đổi kích thước ∆l của nó Sự thay đổi kích thước có thể đo bằng một cảm biến dịch chuyển

• Tỷ lệ giữa tín hiệu ra Vm và lực tác dụng được biểu diễn:

Trong đó: Vm/∆l gọi là tỷ số truyền đạt của cảm biến

∆l/F gọi là độ mềm của vật trung gian Độ cứng càng nhỏ thì độ nhạy càng cao

• Có thể dùng nhiều loại cảm biến dịch chuyển để đo ứng lực:

- Điện thế kế điện trở

- Cảm biến cảm ứng từ trở biến thiên

- Cảm biến tụ điện

19

7.4 Cảm biến xúc giác-da nhân tạo

• Tín hiệu đầu vào là lực, áp suất – tín hiệu ra là tín hiệu điện

• Ứng dụng nhiều trong robot, bàn phím,…

• Có nhiều cách chế tạo bộ cảm biến xúc giác

Ví dụ:

20

7.5 Cảm biến ứng suất siêu âm

• Nguyên lý: Dựa trên hiện tượng vật lý là sự lan truyền âm

trong mẫu thay đổi khi ứng suất trong mẫu thay đổi

• Thiết bị sẽ gồm một đầu phát siêu âm vào vật liệu cần đo và thu sóng siêu âm ở đầu kia và chuyển thành tín hiệu điện

21

• Cảm biến thông minh = CB thông thường + vi xử lý, vi điều khiển = tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số, …

• Cấu trúc chung của một cảm biến thông minh:

22

• S1, S2, … là các cảm biến sơ cấp

• CĐCH: các bộ chuyển đổi chuẩn hóa, làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là 0÷5

V hay 0÷10 V hoặc dòng từ 0÷20 mA hay 4÷20 mA

• MUX (Multiplexer): Bộ dồn kênh, biến đổi tín hiệu song song

từ cảm biến thành nối tiếp để đưa vào A/D và µP

• A/D: bộ chuyển đổi tương tự số, biến đổi tín hiệu tương tự thành số để đưa vào µP

• µP: là bộ vi xử lý, được lập trình để tính toán các thông số đầu vào nhằm nâng cao các đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến như nâng cao độ chính xác, loại trừ sai số phi tuyến, bù mọi ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, …

23

Chương 2 Phương pháp siêu âm

24

1.1 Khỏi niệm về siờu õm

• Súng siờu õm là một dạng dao động cơ học được lan truyền trong cỏc mụi trường đàn hồi như trong khụng khớ, nước, chất lỏng và trong cỏc chất rắn với f>20kHz

• Súng siờu õm được đặc trưng bằng ba thụng số: vận tốc lan truyền c (m/s); tần số: f (Hz, kHz, MHz) và bước súng λ (m)

Kiểm tra các vật đúc và rèn Kiểm tra mối hàn

Kiểm tra độ dày Kiểm tra độ dày

của vật liệu mỏng 10Hz 20kHz 0.5MHz 1MHz 2MHz 5MHz 10MHz

25

+ Dạng đối xứng hay giãn nở

1.4 Những đặc tính của chùm tia siêu âm

• Chiều dài của trường gần: 𝑁 = 𝐷2

1.4 Những đặc tính của chùm tia siêu âm

độ cực đại Kn phụ thuộc vào hình dạng biến tử

32

1.4 Những đặc tính của chùm tia siêu âm

• Chiều dài của trường gần: 𝑁 = 𝐷2

4𝑉 lớn và độ mở của chùm tia: 𝑆𝑖𝑛 𝜃𝑛

𝐷𝑓 nhỏ sẽ cho chùm tia siêu âm đi xa

33

1.5 Sự suy giảm của chùm tia siêu âm

1.5.1 Sự tán xạ của sóng siêu âm

• Sự tán xạ do sự không đồng nhất hoàn toàn: tạp chất, lỗ rỗng, cấu trúc của gang,…Điều kiện tán xạ không xảy ra là kích thước của hạt phải nhỏ hơn bước sóng (<0.1λ)

• Hệ số suy giảm: α = K.f4.Φ3

• Với: Φ là đường kính trung bình của hạt; f là tần số; K là hằng

số đặc trưng cho vật liệu

1.5.2 Sự hấp thụ sóng âm

• Là hệ quả của việc chuyển đổi một phần năng lượng âm thành nhiệt

1.5.3 Sự suy giảm do tiếp xúc và sự thô nhám bề mặt

• Thực nghiệm cho thấy độ thô nhám bề mặt cần phải nhỏ hơn 25

µm

34

1.5 Sự suy giảm của chùm tia siêu âm

1.5.4 Sự nhiễu xạ

• Sóng siêu âm có thể đi “bao quanh” và vượt qua vật cản có kích thước cỡ bước sóng Sự giao thoa hay khúc xạ xảy ra nếu gặp những tạp chất hay rỗ khí nhỏ trong kim loại Năng lượng mất

do chạy uốn quanh kt và sự phản xạ rất nhỏ

1.5.5 Tổng hợp

35

2.1 Phương pháp truyền qua

• Phương pháp này được dùng để kiểm tra các thỏi đúc và các vật đúc lớn Phương pháp này không đưa ra kích thước và vị trí của khuyết tật

36

2.2 Phương pháp xung phản hồi

• Đây là phương pháp phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm

• Phương pháp này chịu ảnh hưởng của độ rộng xung tới độ phân giải (Xung siêu âm được tạo thành từ một số sóng do dao động của tinh thể trong vài micro giây tạo ra)

37

2.2 Phương pháp xung phản hồi

• Xét độ rộng xung trong thép của một tinh thể phát ra một xung năng lượng trong một chu kỳ 2 micro giây=> Độ rộng của xung này gần bằng 12 mm

• F cao độ rộng xung? F cao thì bước sóng ngắn, cho độ nhạy cao

2.3 Phương pháp cộng hưởng

• Điều kiện cộng hưởng: d = nλ/2 = nv/(2f)

=> độ dày d của vật kiểm tra: 𝑑 = 𝑣

39

40

2.4 Phương pháp tự động và bán tự động

• Các cách bố trí khác nhau trong quá trình kiểm tra tự động

41

3.1 Cấu tạo chung

• Biến tử sẽ dao động với biên độ cực đại tại tần số cộng hưởng, liên hệ với bề dày: 𝑓𝑟 = 2𝑑𝑣 ; với fr là tần số cộng hưởng của biến tử; d là bề dày biến tử; v là vận tốc sóng dọc trong biến tử (Với tinh thể thạch anh, f = 20MHz, d = 0.298 mm, λ/3 = 0.1mm)

• Vật liệu giảm chấn: dùng để điều khiển hai đặc tính cơ bản của đầu dò là độ phân giải và độ nhạy Phân giải cao-> tắt nhanh; độ nhạy cao-> tắt chậm Tại sao??? 42

3.2 Đầu dò thẳng

• Các loại đầu dò này truyền một chùm sóng âm, thường là sóng dọc vào vật thể kiểm tra theo góc vuông với bề mặt của vật

3.2.1 Đầu dò thẳng đơn tinh thể

• Do nối chung với bộ phát và bộ thu nên có xung phát rộng, tạo

ra vùng chết lớn, ít sử dụng trong kt khuyết tật gần bề mặt và đo

độ dày của thành mỏng

3.2.2 Đầu dò thẳng hội tụ đơn tinh thể

• Để tăng độ nhạy ở một dải đo xác định

• Sử dụng vật liệu gốm hình cong, tròn, hoặc các tấm mỏng gắn

3.2 Đầu dò thẳng

3.2.3 Đầu dò thẳng tinh thể kép

• Khi giảm bề dày hoặc kt gần bề mặt, sai số lớn: % sai số = 𝑆−𝑇

3.3 Đầu dò góc

• Dựa vào sự khúc xạ và hiện tượng biến sóng để truyền sóng siêu

âm vào vật thể kiểm tra theo các góc khác nhau

• Đầu dò có góc thay đổi dùng để kiểm tra vật liệu có bề dày đồng

3.4 Các loại đầu dò đặc biệt

3.4.1 Đầu dò dạng biến tử dãy

• Nhu cầu tăng tốc độ kiểm tra-> sử dụng một dãy các biến tử được kích hoạt tuần tự

3.4 Các loại đầu dò đặc biệt

3.4.2 Đầu dò âm điện từ

• Dựa trên nguyên lý sóng điện từ đến bề mặt vật dẫn điện sẽ gây

ra dòng điện xoáy trong bề mặt vật dẫn Kết hợp với từ trường tĩnh điện và trong vùng dòng xoáy, các ion chịu các lực dao động cưỡng bức sinh ra ở bề mặt là nguồn sóng âm cảm ứng điện từ

• Ưu điểm là siêu âm không cần tiếp xúc

3.4.3 Đầu dò siêu âm dựa trên xung laser

• Xung laser nung nóng vật liệu tạo sự giãn nở địa phương

• Việc ghi nhận sóng âm với công nghệ laser không được thực hiện trên cùng một hệ thống đã được sử dụng để kích thích tín hiệu Việc ghi nhận được thực hiện với chùm tia quang học có khả năng đo độ dịch chuyển nhỏ trên bề mặt

48

4.1 Kỹ thuật Tandem

• Mục đích để xác định vị trí các bất liên tục cùng các đặc trưng của nó VD khuyết tật có hướng vuông góc với bề mặt của tấm tại tâm của mối nối

4.2 Kỹ thuật đầu dò hội tụ

4.5 Kỹ thuật kiểm tra nhúng

• Ưu điểm là môi trường tiếp âm luôn đồng nhất, có thể tạo được sóng dọc và ngang bằng một đầu dò, chỉ cần thay đổi góc tới

• Ba kỹ thuật cơ bản dùng trong phương pháp kiểm tra nhúng là

kỹ thuật nhúng toàn bộ, kỹ thuật tạo bọt và kỹ thuật đầu dò bánh

xe

51

4.5 Kỹ thuật kiểm tra nhúng

52

5.1 Cách biểu diễn dạng quét A

• Đây là cách biểu diễn phổ biến nhất, trong đó trục hoành biểu diễn thời gian quét và trục tung cho biết biên độ xung phản hồi

• Từ vị trí và biên độ có thể đánh giá được độ sâu khuyết tật và kích thước

53

5.2 Cách biểu diễn dạng quét B

• Cho biết toàn bộ mặt cắt ngang của vật liệu kiểm tra và chỉ rõ chiều dài và độ sâu của khuyết tật trong vật liệu

• Nhược điểm là không cho độ rộng kt

• Dùng rộng rãi trong y tế, dùng trong công nghiệp ghi nhanh hình ảnh vật thể trên màn ảnh để lựa chọn phân loại để kiểm tra

kỹ hơn bằng kỹ thuật A-Scan

54

5.1 Cách biểu diễn dạng quét C

• Sử dụng để quét tự động tốc độ cao

• Phương pháp này không cho thông tin về độ sâu và hướng của khuyết tật

55

6.1 Các mẫu chuẩn kiểm tra

6.1.1 Mẫu chuẩn V1

• Đây là mẫu được sử dụng rộng rãi nhất được chế tạo từ vật liệu thép carbon ferritic trung bình đã được thường hóa của Viện hàn quốc tế

56

6.1 Các mẫu chuẩn kiểm tra

6.1.1 Mẫu chuẩn V1

• Mẫu này thường được dùng để:

1 Chuẩn thời gian quét bằng cách sử dụng bề dày 25mm, 100mm, 200mm cho đầu dò thẳng và sử dụng cung bán kính 100mm cho đầu dò góc

2 Xác định điểm ra của đầu dò sử dụng cung bk 100mm

3 Xác định góc phát đầu dò sử dụng tấm nêm thủy tinh hữu cơ

4 Kiểm tra các đặc trưng của máy siêu âm như:

• + Độ tuyến tính của thời gian quét

• + Độ tuyến tính theo chiều cao màn hình

• + Độ tuyến tính của núm điều khiển biên độ

• + Khả năng phân giải

• + Khả năng xuyên sâu

• + Độ rộng xung

• …

57

6.1 Các mẫu chuẩn kiểm tra

6.1.2 Mẫu chuẩn V2

• Đây là dạng thu nhỏ của mẫu V1, thích hợp cho việc sử dụng tại hiện trường

58

6.2 Một số chuẩn định

6.2.1 Độ phân giải của máy

59

6.2 Một số chuẩn định

6.2.2 Khả năng xuyên sâu cực đại

• Đặt đầu dò như hình, đặt bộ khuếch đại của máy ở giá trị cực đại Ghi lại số xung phản hồi và biên độ của xung phản hồi cuối cùng

60

6.2 Một số chuẩn định

6.2.3 Xác định điểm ra của đầu dò

• Dịch chuyển đầu dò đến khi nhận được xung phản hồi cực đại

6.2.4 Xác định và kiểm tra góc phát của đầu dò

61