CHƯƠNG 3.CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN

Hình 3.1 : Vị trí của đầu dò phát và thu trong phương pháp truyền qua Trong phương pháp này, sự hiện diện của khuyết tật trong vật thể kiểm tra được chỉ thị bởi sự giảm của biên độ tín h

CHƯƠNG 3

CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN

3.1 CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM :

Sóng siêu âm khi đến mặt phân cách giữa hai môi trường thì một phần phản xạ ngược trở vềmôi trường ban đầu và một phần sẽ truyền qua môi trường kia Phương pháp kiểm tra siêu

âm sử dụng phần năng lượng truyền qua của sóng siêu âm được gọi là Phương pháp truyềnqua Còn phương pháp sử dụng phần năng lượng phản xạ của sóng siêu âm được gọi làphương pháp xung phản hồi Một phương pháp khác cũng thường được sử dụng trong kiểmtra siêu âm vật liệu là phương pháp cộng hưởng

3.1.1 Phương pháp truyền qua :

Trong phương pháp này, sử dụng hai đầu dò siêu âm Một là đầu dò phát và một làm đầu dòthu Các đầu dò này được đặt ở hai bề mặt đối diện của vật thể kiểm tra như được mô tảtrong hình 3.1

Hình 3.1 : Vị trí của đầu dò phát và thu trong phương pháp truyền qua

Trong phương pháp này, sự hiện diện của khuyết tật trong vật thể kiểm tra được chỉ thị bởi

sự giảm của biên độ tín hiệu, trong trường hợp khuyết tật lớn thì tín hiệu có thể biến mấthoàn toàn Màn hình CRT biểu diễn nguyên lý kiểm tra của phương pháp được minh họatrên hình 3.2 (a), (b) và (c)

Phương pháp này được dùng để kiểm tra các thỏi đúc và các vật đúc lớn, đặc biệt khi có sựsuy giảm mạnh và có các khuyết tật lớn Phương pháp này không đưa ra kích thước và vị trícủa khuyết tật Ngoài ra tất nhiên cần có sự tiếp xúc tốt và sự đồng trục về vị trí hai đầu dò

Chùm sóng siêu âm

Đầu dò thu Đầu dò phát

Hình 3.2 : (a), (b) và (c) biểu diễn trên màn hình các khuyết tật có kích thước khác nhau

trong phương pháp truyền qua.

3.1.2 Phương pháp xung phản hồi :

Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm Đầu dòphát và thu được đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thịbằng sự nhận được xung phản hồi trước xung phản hồi đáy Hầu hết các đầu dò đều có thểhoạt động ở chế độ thu cũng như phát Màn hình CRT được chuẩn để biểu diễn được táchbiệt về khoảng cách giữa thời gian đến của xung phản hồi khuyết tật và xung phản hồi đáy,

do đó tọa độ của khuyết tật có thể xác định một cách chính xác Nguyên lý của phương phápxung phản hồi được minh họa ở hình 3.3 (a), (b) và (c)

Hình 3.3 : Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm.

Một vật kiểm có các bề mặt song song với nhau (hình 3.3a) không những cho ta một xungphản hồi đáy mà còn cho nhiều xung phản hồi liên tiếp cách đều nhau, tạo ra một dải đo đủ

Mẫu không có khuyết tật.

Mẫu có khuyết tật nhỏ.

Mẫu có khuyết tật lớn.

Xung phản hồi khuyết

tật

Xung phản hồi đáy

Không có xung phản hồi đáy

Mẫu không có khuyết tật.

khuyết tật nhỏ.

khuyết tật lớn.

Xung phản hồi khuyết

tật

lớn trên màn hình để quan sát (hình 3.4) Sở dĩ chúng ta nhận được một chuỗi xung phản hồi

từ đáy, bởi vì xung đầu tiên phản xạ từ đáy trở về đầu dò đặt tại mặt trước, chỉ truyền mộtphần nhỏ năng lượng của chùm sóng âm đi đến đầu dò, phần còn lại tiếp tục bị phản xạngược xuống đáy với phần năng lượng còn lại thấp hơn, và cứ tiếp tục quá trình như vậy thìtạo ra một chuỗi xung phản hồi từ đáy Độ cao của những xung phản hồi này giảm xuống,một phần do năng lượng tổn hao trong đầu dò, phần khác của sóng âm bị suy giảm trong vậtliệu do sự truyền của chùm sóng siêu âm theo luật phân tán chùm tia, nhiễu xạ.v.v…

Hình 3.4 – Chuỗi xung phản hồi trong phương pháp xung phản hồi.

Trong phương pháp xung phản hồi, có hai cách để truyền sóng siêu âm vào vật thể kiểm tralà: kỹ thuật chùm tia thẳng và kỹ thuật chùm tia xiên góc Tương tự, kỹ thuật hai đầu dòliên tiếp nhau (tandem) cũng như kỹ thuật kiểm tra nhúng đều là những dạng khác của kỹthuật xung phản hồi

Giống như tên gọi của nó, phương pháp xung phản hồi dùng những xung siêu âm ngắn thay

vì những sóng liên tục Một chuỗi sóng được tập hợp thành nhóm sóng ngắn, trước hoặc sau

nó không có sóng và nói chung thường được coi như là một xung Xung có thể có nhiềudạng : Nó có thể bắt đầu và giảm xuống nhanh chóng; Nó cũng có thể hình thành và suygiảm dần Nó có thể hình thành nhanh chóng và suy giảm theo hàm số mũ

Hình 3.5 Các xung siêu âm có những độ dài và những hình dạng khác nhau.

Xung truyền qua

Xung phản hồi thứ 1

Xung phản hồi thứ 2

Xung phản hồi thứ 3

Xung phản hồi thứ 4

Các loại sóng siêu âm được minh họa trong hình 3.5 là các loại hay thường dùng nhất Hầu hết các loại đầu dò đều gắn vào tinh thể một thiết bị giảm chấn có dạng miếng đệm.Miếng đệm giảm chấn này phải có âm trở lớn hơn âm trở của tinh thể Lý tưởng là dao độngcủa tinh thể phải chấm dứt đột ngột tách ra khỏi dao động trước đó của nó, sao cho nănglượng phản xạ chỉ còn kích thích một tinh thể “trơ’ mà thôi, và không một tinh thể nào cònđang dao động nữa (Hình 3.6 a và b).

Độ rộng xung phụ thuộc vào tần số của đầu dò và cũng là một hàm theo năng lượng xung.Nói cách khác là phải cấp một xung điện đủ lớn vào tinh thể để dao động của biến tử đạt cựcđại tại cùng một thời gian, nhưng phải lưu ý là khi bề rộng xung tăng thì độ phân giải sẽgiảm

Hình 3.6 – Sự tác động của giảm chấn trong đầu dò xung phản hồi.

Ảnh hưởng của độ rộng xung đối với khả năng phân giải sẽ được đề cập dưới đây Trướchết cần phải nhấn mạnh rằng một xung siêu âm được tạo thành từ một số sóng do dao độngcủa tinh thể trong vài micro giây tạo ra (hình 3.7)

Hình 3.7 – Trường hợp độ rộng xung lớn hơn.

Hình 3.8 – Trường hợp độ rộng xung nhỏ hơn.

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét độ rọng xung trong thép của một tinh thể phát ra một xungnăng lượng trong một chu kỳ là 2 micro giây Độ rộng của xung này gần bằng 12mm Hình3.8 cho thấy hai khuyết tật cách nhau 3mm Độ rộng của xung 12mm này không thể phân

giải được hai khuyết tật này bởi vì xung phản hồi của chúng bị chồng lên nhau Do đó độrộng của xung này sẽ không thể phân giải tốt những khuyết tật nằm gần với nhau trongkhoảng 6mm Những khuyết tật nằm cách nhau trong vòng 6mm sẽ cho một chỉ thị trênsườn sau của xung phản hồi chính trên màn hình CRT Những khuyết tật nằm cách nhaudưới giá trị này sẽ bị biến mất trong biên dạng xung phản hồi chính Hình 3.9 (a và b) biểudiễn xung từ các khuyết tật cách nhau cách nhau 3mm và 6mm.

Để xác định độ rộng của xung : nhân số sóng có trong một xung với bước sóng

Hoặc : Chiều dài xung = (vận tốc/tần số) x số sóng trong một xung

Hình 3.9 – Ảnh hưởng của độ rộng xung lên độ phân giải khuyết tật.

a) Độ phân giải thấp hơn bởi vì độ rộng xung lớn hơn.

b) Độ phân giải tốt hơn vì độ rộng xung nhỏ hơn.

Tóm lại, để có độ phân giải tốt đòi hỏi xung phải rất ngắn để phản xạ từ một khuyết tật nằmgần với một khuyết tật khác không bị mất đi trong tín hiệu đầu tiên được ghi nhận Độ phângiải tốt và kém được biểu diễn trong hình 3.10 Cần lưu ý rằng tần số sóng siêu âm càng caothì độ rộng xung càng ngắn Đồng thời tần số cao thì bước sóng sẽ ngắn nên cho độ nhạycao hơn đối với khuyết tật nhỏ Kết hợp hai điều này sẽ cho khả năng phát hiện khuyết tật

và độ phân giải tốt hơn

Hình 3.10 – Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém.

3.1.3 Phương pháp cộng hưởng :

Điều kiện cộng hưởng tồn tại khi nào bề dày của vật liệu bằng một nửa hoặc bằng bội sốbước sóng của sóng âm Điều chỉnh sự thay đổi bước sóng trong kiểm tra siêu âm bằng cáchthay đổi tần số Nếu chúng ta có một đầu dò phát có chức năng điều khiển sự thay đổi tần sốthì nó có thể được điều chỉnh đến điều kiện cộng hưởng của bản mỏng đang kiểm tra Điềukiện cộng hưởng này có thể dễ dàng nhận biết bởi sự tăng lên của biên độ xung đánh dấu

Mẫu chuẩn I.I.W Phân giải tốt Phân giải kém

Màn Hình CRT

Khuyết tật cách

thu được Biết tần số cơ bản hay tần số cộng hưởng f và vận tốc v của sóng siêu âm trongmẫu thì bề dày “t” của vật thể kiểm tra có thể tính được từ phương trình :

2f

v

t = (3.1)Nếu có khó khăn trong việc nhận biết các dạng dao động cơ bản, thì tần số cơ bản thườngđược tính từ hiệu của hai họa ba (hài) kế tiếp nhau được nhận biết bằng hai lần tăng liên tiếpnhau của biên độ xung

Do đó :

2(fn fn 1)

vt

Hình 3.11 – Các thành phần cơ bản của một thiết bị kiểm tra cộng hưởng.

3.1.4 Các phương pháp tự động và bán tự động :

Phương pháp kiểm tra siêu âm bán tự động, tự động và những hệ thống điều khiển kiểm trasiêu âm từ xa đang phát triển nhanh chóng, ngày nay nó bao trùm trên tất cả các ngành côngnghiệp với nhiều ứng dụng rất đa dạng và phong phú Những đặc điểm nổi bật của những hệthống này cũng như mục tiêu và lợi ích mà nó đạt được sẽ được trình bày trong chương này.Chi tiết của phương pháp và những ứng dụng đặc thù của nó sẽ được trình bày trong phần9.2 cũng như các phần khác nhau trong chương VI

Mục đích sử dụng phương pháp kiểm tra siêu âm tự động và điều khiển từ xa được tóm tắtdưới đây :

(i) Hạn chế được các thao tác chuyển đổi nên hạn chế được những lỗi do con ngườigây ra trong quá trình kiểm tra

(ii) Vận hành thiết bị bằng tay gặp khó khăn hoặc không thể thực hiện được

(iii) Tiết kiệm được sức người hoặc giảm được thời gian làm việc do tăng tốc độ kiểmtra

Chất tiếp âm

Bộ điều chỉnh

Cảm biến tải Máy đo

Vật thể kiểm tra

Sóng đứng Biến tử

Máy dao động biến đổi tần số

(iv) Ghi lại chính xác kết quả và mở rộng khả năng xử lý số liệu.

(v) Tự động phân tích và đánh giá kết quả nhờ hệ thống được điều khiển bằng máytính

Hệ thống tự động trong kiểm tra siêu âm trình bày trong tài liệu này là một hệ thống kiểmtra siêu âm có thể điều khiển các đầu dò bằng cơ, tự động ghi lại các kết quả kiểm tra và xử

lý số liệu kiểm tra Hệ thống này gồm một hoặc nhiều đầu dò được đặt trên vật thể kiểm tra

và được di chuyển qua vật thể kiểm tra bằng một thiết bị điều khiển theo sơ đồ quét kiểm tracho trước Những tín hiệu siêu âm được xử lý bằng một thiết bị đánh giá (là máy phát hiệnkhuyết tật siêu âm) và biểu diễn trên màn hình CRT (nếu có) Tất cả các số liệu đo đượccùng với những thông số về vị trí của đầu dò được cấp vào máy tính để xử lý và đánh giá.Thiết bị đánh giá dựa trên nhiều hoặc ít nhất một chương trình xử lý số liệu phức tạp, chúng

có thể thực hiện và cung cấp những tín hiệu khuyết tật, nhận biết được khuyết tật trong vậtthể kiểm tra hoặc cho biên bản của các kết quả kiểm tra Biên bản kiểm tra được đưa ra bằngmáy in

Hình 3.12 – Sơ đồ khối của một hệ thống kiểm tra siêu âm tự động điển hình.

Ngoài ra máy tính còn điều khiển đánh dấu và sắp xếp dữ liệu, đánh dấu các vị trí khuyết tậttrên vật được kiểm tra Các vật thể kiểm tra có những khuyết tật không chấp nhận phải bịloại bỏ Hình 3.12 biểu diễn sơ đồ khối một loại hệ thống kiểm tra siêu âm tự động Cácthành phần chi tiết của hệ thống được trình bày dưới đây :

(i) Cơ cấu vận hành của một hoặc nhiều đầu dò và điều khiển từ xa

(ii) Các đầu dò hoặc các biến tử có thể sử dụng được thích hợp với quá trình tự động.(iii) Tự động cung cấp chất tiếp âm

(iv) Điều khiển hệ số khuếch đại tự động

(v) Tự động điều chỉnh hệ số khuếch của thiết bị cho độ nhạy công việc đặc thù ( tựđộng hiệu chỉnh biên độ-khoảng cách)

(vi) Hệ thống kiểm soát hoặc tự kiểm tra

(vii) Các ứng dụng biểu diễn dạng quét B (B – Scan), dạng quét C (C – Scan), hệthống hiển thị ảnh nổi 3 chiều (chụp ảnh giao thoa âm học, phân tích tần số …v.v)

Tín hiệu báo

động Thiết bị xử lý văn bản

(máy vẽ, máy in)

Vị trí đầu dò

Đầu dò Vật thể kiểm tra

Phân loại.

Điều khiển

truyền tải Đánh dấu khiển đầu dò Thiết bị điều

Cách trình bày và báo cáo kết quả trong phép kiểm tra tự động cần phải chú ý đặc biệt.Chúng có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau Ngoài việc ghi lại dữ liệu kiểm trabằng cách ghi trực tiếp như biên độ hoặc diện tích thì trong một vài trường hợp sử dụng cảphim chụp để ghi lại

Hình 3.13 – Các cách bố trí khác nhau trong quá trình kiểm tra tự động.

Để tăng khả năng đáng giá, các thông tin kiểm tra (xung phản hồi khuyết tật, xung phản hồiđáy, xung đánh giá, số đo truyền âm và thời gian truyền) cần được chuẩn bị sẵn dưới dạng

số hóa Do đó, việc sử dụng máy in tăng lên đáng kể Hơn nữa việc lưu trữ dữ liệu trên băngđục lỗ rất ít được sử dụng Ngày nay người ta lưu trữ dữ liệu hoàn chỉnh trên các băng từ.Các phương pháp hoàn toàn tự động và bán tự động trong kiểm tra siêu âm thường thuận lợi

để kiểm tra những mẫu vật giống nhau, hình dạng không thay đổi như các vật liệu dạng tấmvới đủ mọi hình dạng và kích thước, các vật đúc có hình dạng đồng nhất, vật rèn và mốihàn, ống , thanh tròn và trụ, các bình áp lực lớn nhỏ, trục rotor …vv Hình 3.13 biểu diễncác bố trí khác nhau để kiểm tra tự động

3.2 CÁC LOẠI ĐẦU DÒ (SENSORS) :

Thuật ngữ bộ cảm biến trong kiểm tra siêu âm được sử dụng để nói về thiết bị truyền và thusóng siêu âm Chúng còn được gọi là đầu dò hay biến tử Một đầu dò siêu âm (hình 3.14)bao gồm :

(i) Một tinh thể áp điện hoặc biến tử.

(ii) Một vật liệu đỡ giảm chấn

(iii) Một bộ phận phối hợp nhằm hòa hợp trở kháng điện của biến tử áp điện với trởkháng của cáp dẫn để truyền năng lượng từ cáp nhiều nhất vào biến tử và ngược lại.(iv) Vỏ bọc, đơn giản chỉ là một giá đỡ có kích thước và cấu tạo thích hợp

Hình 3.14 : Cấu tạo một đầu dò siêu âm điển hình.

(a) Các biến tử áp điện :

Các biến tử áp điện đã được trình bày chi tiết ở mục 2.6 Một đầu dò siêu âm thường đượckích thích bởi một xung điện có độ kéo dài nhỏ hơn 10µs Một xung điện hẹp có dải các tần

số nào đó Trong số các tần số này, biến tử sẽ dao động với biên độ cực đại tại tần số là tần

số cộng hưởng của biến tử, liên hệ với bề dày của nó như sau :

t2

v

fr = (3.3)Trong đó : fr : Tần số cộng hưởng của biến tử

t : Bề dày của biến tử

v : Vận tốc sóng dọc trong biến tử

Phương trình 3.3 được dùng để xác định bề dày cần thiết của biến tử để chế tạo đầu dò làmviệc ở một tần số riêng Ví dụ để chế tạo một đầu dò có tần số 1MHz thì bề dày của tinh thểthạch anh sẽ là 2,98mm, độ dày biến tử cho đầu dò tần số 10MHz thì phải là 0,298mm trongkhi đó đầu dò có tần số 20MHz thì biến tử có độ dày sẽ là 0,14mm Với đầu dò 20MHz thì

độ nhạy khuyết tật sẽ được cải thiện rất nhiều (tại tần số này bước sóng = 0,298mm nên độnhạy phát hiện khuyết tật nằm trong khoảng λ/3 là 0,1 mm), trong trường hợp này, tinh thể

sẽ cực kỳ mỏng, rất dễ vỡ và khó cầm giữ Do đó trong thực tế phải phối hợp giữa chọn bềdày tinh thể để dễ bảo quản và độ nhạy phát hiện khuyết tật mong muốn Trong các trườnghợp cần độ nhạy cao thì đầu dò cần phải được nhúng trong một chất lỏng và hầu hết cácphép thử được hiện trong đó sẽ đảm bảo đầu dò ít bị hủy hoại nhất Đối với tinh thể thạchanh giới hạn trên của tần số cơ bản là khoảng 20MHz, trong khi hầu hết các biến tử gốm ápđiện giới hạn trên của tần số chỉ là khoảng 10 MHz

(A) Đầu nối cáp đồng trục

(B) Vỏ bọc đầu dò

(C) Bộ biến đổi (D) Vật liệu giảm chấn (E) Dây nối tinh thể áp điện (G) Tinh thể áp điện

(H) Màng bảo vệ

Các thông số quan trọng khác của tinh thể có ảnh hưởng đến chùm tia siêu âm là đườngkính D của nó (phần 2.7.3) Đường kính của tinh thể phụ thuộc vào chiều dài trường gần, độphân kỳ và độ rộng của chùm tia siêu âm tại điểm khảo sát.

Hầu hết các loại đầu dò đều có bề mặt phát xạ siêu âm dạng tròn với đường kính nằm trongkhoảng 5 đến 40mm Những đường kính lớn hơn 40mm không phù hợp cho kiểm tra dokhông thể tiếp xúc tốt với các bề mặt kiểm tra Khuyết điểm ở những đường kính nhỏ hơn,đặc biệt trong trường hợp tần số thấp là phát ra chùm sóng ngang mặt bên và sóng mặt lớnhơn Một khó khăn khác khi sử dụng các đầu dò có đường kính nhỏ là độ nhạy của chúng bịgiảm rất lớn

Khi cấp các xung điện cho tinh thể thì bề mặt của chúng phải được nối điện bằng các dâydẫn Để thực hiện được việc này, bề mặt của tinh thể được mạ một lớp bạc và có tiếp điểm

để hàn nối dây dẫn với lớp mạ bạc này Trong trường hợp vật liệu áp điện là thạch anh vàceramic thì các điện cực của nó rất bền do bạc được phun vào ở dạng lỏng (nung nóng chảy

ở nhiệt độ 500 đến 7000C) Các dây dẫn sau đó được hàn nối bằng chất hàn bạc mềm Trongtrường hợp barium titanat, dây dẫn được hàn cẩn thận lên trên sau khi phân cực Lithiumsulphate có thể được kim loại hóa bằng bốc hơi bạc lên trên bề mặt trong chân không, hoặcsơn phủ bạc dẫn điện hay hàn các lá kim loại mỏng với bề mặt sau đó hàn nối với dây dẫn Nếu mặt trước biến tử phải sử dụng để tiếp xúc trực tiếp, thì lớp mạ bạc sẽ không đủ bền đểchịu mài mòn Vấn đề này không thể tránh khỏi trong khi thực hiện đo đạc, đầu dò thườngxuyên bị dính các vảy sắc cứng và các chất bẩn như là cát…vv dẫn đến mài mòn quá mức,đặc biệt khi đầu dò trượt ngang hay dọc Khi ấy cách thích hợp nhất là sử dụng các tấm tinhthể thạch anh có độ chịu mài mòn cao hoàn toàn không được bảo vệ mà cho phép chúngđược mòn dần hoặc lớp bạc được gia cường bằng cách phủ một lớp đồng và crome cứng có

độ dày vài phần 10 millimetre lên trên nó Lớp này nên được nối đến mát của đầu dò bởi vìdây dẫn hoặc mối nối phía trước có thể gây nhiễu Các đầu dò như vậy được sử dụng kiểmtra trên các bề mặt vật liệu phi kim loại, như gốm sứ hoặc các vật thể kiểm tra có lớp phủkhông dẫn điện Khi đầu dò không được bảo vệ, có thể cần đặt những lá kim loại mỏng vàogiữa hoặc chất lỏng tiếp âm dẫn điện như nước, nếu cần thì thêm chất phụ gia vào để tăngtính dẫn điện và độ nhớt

Độ chống mài mòn mong muốn kết hợp với độ nhạy và độ phân giải cao được thực hiện nhờmột lớp phủ mỏng bảo vệ bằng nhôm oxide, sapphire, bo cacbua hoặc thạch anh gắn vào ởphía trước biến tử Tất nhiên, hậu quả là các vật liệu này có trở kháng cao, sẽ dẫn đến độnhạy kiểm tra của đầu dò sẽ thay đổi đáng kể theo mức độ tiếp âm và hơn nữa, các lớp bảo

vệ, đặc biệt trong các đầu dò tần số cao, sẽ nhạy cao với shock Những lỗi này có thể tránhđược khi sử dụng các lớp nhựa tổng hợp, thí dụ có chứa hỗn hợp bột corundum trộn sẵn.Tuy nhiên vật liệu như thế khả năng chịu mài mòn lại thấp hơn

Khi không cần đến độ phân giải cao, thường gặp trong các kiểm tra thông thường trong điềukiện bề mặt kiểm tra thô nhám, thì bề mặt tiếp xúc biến tử được bảo vệ tốt nhất là bằng mộtmiếng plastic mỏng có thể thay đổi được, có bề dày khoảng vài phần chục mm được áp chặtvào biến tử và dùng dầu hoặc mỡ để làm chất tiếp âm Các vật liệu plastic là phù hợp nhấtcho mục đích này, do khả năng chịu mài mòn và hấp thụ cao Không những các lớp mỏng

có độ hấp thụ cao ít ảnh hưởng tới độ nhạy mà còn làm giảm sự phản xạ nhiều lần trong lớpnày, mà có thể gây dãn xung

(b) Vật liệu giảm chấn (hấp thụ dao động):

Vật liệu giảm chấn trong đầu dò dùng để điều khiển hai đặc tính cơ bản của đầu dò – Độphân giải và độ nhạy.

Độ phân giải của một đầu dò là khả năng của nó phân biệt các xung phản hồi từ hai khuyếttật nằm sát bên nhau trong vật thể kiểm tra

Độ nhạy của đầu dò được định nghĩa là khả năng của đầu dò phát hiện các xung phản hồi từcác khuyết tật nhỏ

Để đầu dò có độ phân giải cao, thì dao động của biến tử đầu dò phải tắt dần càng nhanhcàng tốt để tạo ra các xung ngắn Nhưng để có đầu dò có độ nhạy cao, thì sự tắt dần nàycàng chậm càng tốt Hai yêu cầu này mâu thuẫn nhau và do đó cần phải chọn một cách dunghòa

Sự tắt dần dao động biến tử đạt cực đại khi vật liệu hấp thụ có cùng âm trở như âm trở củabiến tử Nó có thể là các vật liệu đặc và cứng như kim loại hoặc gốm sứ Sự hòa hợp về âmtrở của biến tử và vật liệu hấp thụ cho phép sóng siêu âm đi từ biến tử qua vật liệu hấp thụmột cách dễ dàng Trong trường hợp màng tinh thể mỏng thì khối giảm chấn rất cần thiếtnhằm bảo vệ tinh thể và không bị biến dạng khi chịu sức ép Các vật liệu như cao su lưu hóa

và chất dẻo đúc bằng nhiệt là thỏa mãn được các yêu cầu cho đầu dò làm việc ở những tần

số cao hơn Thường ưa dùng các lọai vật liệu composite dựa trên các chất dẻo tổng hợpđược lưu hóa hoặc cao su được trộn với những vật liệu dạng bột khác đã được hợp nhất Cao

su tự nhiên và cao su lưu hóa có bản chất hấp thụ cao hơn các chất dẻo tổng hợp

Vật liệu hấp thụ cần có độ suy giảm cao và hấp thụ lớn để tiêu hao sóng siêu âm phát ra saocho sóng không thể phản xạ từ mặt sau của vật liệu hấp thụ gây ra các tín hiệu nhiễu Để có

độ nhạy cần thiết và độ phân giải cao thì sai khác về âm trở của biến tử và vật liệu hấp thụthường vào khoảng 5/1 đối với biến tử thạch anh, và 1,1/1 đối với biến tử lithium sulphate

Có thể tăng âm trở của chúng bằng cách trộn với bột kim loại và sự hấp thu có thể tăng lênbằng cách thêm vào một lớp vật liệu nền mịn, vật liệu có sự hấp thụ lớn thường có độ bền

cơ học thấp Người ta cũng cố gắng làm tán xạ sóng bằng cách sử dụng các cấu trúc dạng lỗrỗng hay mùn cưa Nghĩa là âm nhiễu phản xạ bị triệt tiêu trong khối giảm chấn bởi các mặtnghiêng hoặc những bề mặt hình răng cưa Mặt khác, các xung phản hồi nhiễu khác nhau sẽ

bị thay thế bởi xung nhiễu cỏ nằm sau xung phát Độ suy giảm có thể điều chỉnh bằng kíchthước hạt của bột trộn và trở kháng theo các tỉ lệ giữa bột kim loại và chất dẻo

Vật liệu hấp thụ cho các đầu dò phản hồi xung thường được chế từ nhựa dạng sợi hoặc bộtkim loại trộn với các vật liệu nhựa Trong hỗn hợp, nếu hàm lượng bột kim loại cao thì độgiảm chấn sẽ đạt yêu cầu dẫn điện cao cho xung tần số cao Trong trường hợp tinh thểthạch anh, điện cực có thể không cần thiết nhưng khối giảm chấn phải được gắn cách điện.Tuy nhiên, với brium titanate có hằng số điện môi cao, cần phải có một điện cực kim loạigắn trực tiếp trên bản tinh thể

Lớp gắn giữa bản áp điện và khối giảm chấn có thể ảnh hưởng đến khả năng giảm chấn mộtcách đáng kể, ngay cả khi vật liệu có tính chất phù hợp Vì vậy, lớp này cần phải càng mỏngcàng tốt hoặc tốt hơn được loại bỏ hoàn toàn nhờ sự lưu hoá vào các bề mặt một vật liệu cao

su hoặc bằng cách áp vào nó một hỗn hợp chuyên dụng rồi sau đó được xử lý

Khối giảm chấn được gắn vào mặt sau của biến tử để chủ yếu hấp thụ dao động theo độ dàycủa bản áp điện Tuy nhiên, các dao động xuyên tâm cũng có thể hiện diện mà nó khó bịtriệt tiêu, đặc biệt trong trường hợp barium titanate Có thể giảm chúng bằng cách gắn vàocạnh bản áp điện trong một hỗn hợp giảm chấn Nên cần lựa chọn biến tử phải có hệ số liên

hệ với dao động xuyên tâm nhỏ Tất nhiên, toàn bộ bộ tạo dao động cũng có thể được cấutạo dưới dạng khảm xen kẽ các lớp trung gian của hợp chất giảm chấn.

(c) Bộ biến đổi phối hợp :

Tất cả các loại đầu dò đều có các phần tử phối hợp điện (các tụ điện và các cuộn cảm) đểcực đại điện áp của đầu dò đưa vào bộ phận khuếch đại Mặt khác bộ biến đổi phối hợp trởkháng điện của biến tử áp điện với trở kháng của dây cáp nối với máy dò khuyết tật, đểtruyền được năng lượng lớn nhất từ cáp đến biến tử và ngược lại

(d) Bề mặt bảo vệ và vỏ bọc :

Trong hình 3.14, biểu diễn những thành phần chủ yếu của một đầu dò siêu âm đặt trong một

vỏ bọc bằng kim loại có bề mặt được bảo vệ hay vỏ bao Bề mặt bảo vệ của đầu dò khôngchỉ bảo vệ biến tử nhạy khi tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của vật thể kiểm tra mà còn cảithiện quá trình tiếp âm với vật thể kiểm tra

(e) Bảo dưỡng đầu dò :

Đầu dò trong thời gian sử dụng có thể bị hư hại Người sử dụng nên biết rõ những vấn đề cóthể gây ra và ảnh hưởng đến sự hư hỏng của nó Chúng được mô tả vắn tắt ở đây

(i) Đầu dò có thể bị hủy hoại cơ học do bị rơi, giữ đầu dò quá chặt hoặc mài quá mạnhlên bề mặt vật thể kiểm tra Hậu quả là có thể làm thay đổi trường âm, giảm hoặc mất

độ nhạy

(ii) Tinh thể có thể tách rời khỏi bề mặt bảo vệ hoặc khối trễ do các chất lỏng thấm vàobên trong đầu dò hoặc do nhiệt độ của đầu dò quá cao Điều này cũng có thể ảnhhưởng đến trường âm và độ nhạy của đầu dò

(iii) Hao mòn tự nhiên của lớp bề mặt bảo vệ và khối tạo trễ thủy tinh hữu cơ có thể xảy

ra khi sử dụng các loại đầu dò tiếp xúc trực tiếp Kết quả là làm cho điểm ra và gócphát của đầu dò bị thay đổi Trong trường hợp đầu dò tinh thể kép sẽ làm thay đổitrường âm, tăng nhiễu và giảm độ nhậy

(iv) Ở đầu dò có những điện thế cực kỳ cao (xung truyền) có thể làm chất điện môi bị hưhỏng dẫn đến tinh thể bị phá hủy hoàn toàn Các đầu dò tiêu chuẩn nói chung có thểchịu đựng được các điện thế cao như vậy Những đầu dò được thiết kế đặc biệt để làmviệc ở điện thế thấp (như là đầu dò cho máy đo độ dày hiện số) có thể bị ảnh hưởngkhi nối nó với thiết bị phát điện thế cao

3.2.1 Các loại đầu dò phát chùm sóng siêu âm tới thẳng góc (đầu dò thẳng) :

Các loại đầu dò này truyền một chùm sóng âm, thường là sóng dọc, vào vật thể kiểm tratheo góc vuông với bề mặt của vật Hình 3.14 biểu diễn thiết kế của một đầu dò loại này.Tinh thể phải có bề mặt thực sự song song với bề mặt của vật thể kiểm tra để tạo ra chínhxác chùm tia tới vuông góc Điều quan trọng này thường được tính đến ngay trong bướcthiết kế khi tinh thể được đặt cố định trong vỏ đầu dò cũng như khi gắn lớp bảo vệ

Đầu dò loại tia thẳng được sử dụng cả trong tiếp xúc trực tiếp hoặc không cần tiếp xúc vớivật thể kiểm tra Trường hợp đầu được gọi là các loại đầu dò tiếp xúc còn trường hợp sauđược gọi là loại đầu dò không tiếp xúc Trong loại đầu dò thẳng tiếp xúc trực tiếp thường sửdụng một tấm chịu mài mòn để bảo vệ biến tử khỏi bị mòn Khi sử dụng tấm bảo vệ này,một lớp mỏng chất tiếp âm thường là dầu máy cần đưa vào giữa biến tử và tấm bảo vệ đểsóng siêu âm có thể truyền qua mặt phân cách này Có các đầu dò chỉ có một tinh thể biến

tử trong khi có loại khác lại có hai tinh thể biến tử được đặt trong cùng một vỏ Một số đầu

dò có các mặt plastic được gia công đặc biệt nhằm hội tụ chùm tia tới những vùng hay điểmquan tâm Các loại đầu dò thẳng khác nhau này được trình bày dưới đây :

3.2.1.1 Đầu dò thẳng đơn tinh thể:

Các đầu dò này dùng một biến tử đơn (hình 3.14) làm nhiệm vụ phát và thu sóng siêu âm.Biến tử này có điểm nối chung với bộ phát và bộ khuếch đại của máy dò khuyết tật (hình3.15) Do sự nối chung với bộ phát và bộ thu mà biến tử đầu dò đơn có một xung phát rộng,điều này tạo ra một vùng chết rộng làm cho đầu dò ít được sử dụng trong kiểm tra khuyết tậtnằm gần bề mặt và đo độ dày của các thành mỏng Các đầu dò có độ dài xung ngắn, có vùngchết hẹp , sẽ thích hợp trong kiểm tra các vật liệu mỏng

Vùng chết là vùng mà đầu dò không phát hiện được khuyết tật Vùng chết được tính là xungtruyền ở thời điểm bắt đầu của đường quét thời gian Độ sâu của nó có thể thấy trên đườngquét thời gian cơ bản đã chuẩn, bằng với lượng thời gian mà xung phát chiếm chỗ trênđường quét thời gian cơ bản Vùng chết tăng lên khi tần số giảm, do đó đối với đầu dò thẳngđơn tinh thể có tần số 5MHz sẽ cho vùng chết nhỏ hơn so với đầu dò có tần số 2,5MHz.Những đặc tính riêng của đầu dò thẳng đơn tinh thể đã được đưa ra trong phần 2.7, bao gồmtần số, đường kính tinh thể, độ dài trường gần, góc phân kỳ chùm sóng âm Nhà chế tạo đầu

dò thường cung cấp cho ta các dữ liệu về đầu dò và âm lượng của các loại đầu dò khácnhau

Hình 3.15 : Dạng làm việc của đầu dò đơn tinh thể.

3.2.1.2 Các đầu dò thẳng hội tụ đơn tinh thể :

Đôi khi các đầu dò thẳng hội tụ với thiết kế đặc biệt được sử dụng để tăng độ nhạy ở mộtdải đo xác định cho một công việc kiểm tra nào đó Để đạt mục đích này, người ta sử dụngcác loại vật liệu gốm áp điện có hình cong, tròn, hoặc các tấm mỏng có gắn nêm cong tạohiệu ứng thấu kính cách sau cùng tăng mạnh độ nhạy ngay dưới bề mặt trong trường hợpđầu dò sử dụng theo kỹ thuật nhúng (hình 3.16) nơi các nêm hội tụ như vậy không sợ bị màimòn Trong kiểm tra tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt biến tử barium titanate, hoặc thạch anhđược tạo có dạng cong thích hợp, hoặc những lá thạch anh được lắp ráp với nhau tạo thànhdạng hình trụ dùng cho các mục đích đặc biệt (kiểm tra thép cán tròn hay vật rèn) như kiểmtra lỗ từ bên trong Trong trường hợp bề mặt kiểm tra lõm và sử dụng phương pháp tiếpxúc, thì chùm sóng âm có thể bị mở rộng và độ nhạy theo chiều sâu thấp Điều này có thểcải thiện bằng cách gắn một nêm dạng thấu kính vào giữa đầu dò và bề mặt kiểm tra Nêmnày sẽ gây ra một vùng bị nhiễu loạn nhưng phải chấp nhận, ngay cả khi vật liệu hấp thụđược sử dụng để hội tụ như các bộ lọc bằng cao su lưu hóa

Đầu dò đơn tinh thể

Hình 3.16 : Kỹ thuật kiểm tra nhúng với chùm tia hội tụ (dạng sơ đồ), biểu diễn sự thay

đổi điểm hội tụ của chùm tia trong nước và trong kim loại được nhúng trong nước.

3.2.1.3 Đầu dò thẳng tinh thể kép (Đầu dò SE) :

Nhằm loại trừ các hạn chế của đầu dò thẳng đơn tinh thể khi đo các độ dày mỏng hoặc dòkhuyết tật nằm gần bề mặt, các đầu dò thẳng tinh thể kép được sử dụng Các đầu dò này cònđược biết đến dưới các tên : đầu dò tinh thể kép, đầu dò TR hay đầu dò SE Đây là loại đầu

dò được gắn hai biến tử trong cùng một vỏ Các biến tử này được cách ly âm học bằng mộtvách cách âm (hình 3.17) Một biến tử được nối với bộ phát và biến tử kia với bộ thu củamáy dò khuyết tật như hình 3.8, như vậy giảm được chiều dài xung phát

Nét đặc trưng trong cấu tạo của đầu dò kép là sự nghiêng của các biến tử và có các khối trễdài Sự nghiêng này có tác dụng hội tụ và cho độ nhạy cực đại tại một điểm nhất định trongmẫu ứng với một góc nghiêng đặc trưng, “tức là góc nghiêng mái nhà” (hình 3.19 và 3.20).Các khối trễ dài được làm từ thủy tinh hữu cơ hoặc đối với trường hợp bề mặt kiểm tra cónhiệt độ cao thì được làm bằng vật liệu gốm chịu nhiệt, cho phép chùm tia đi vào mẫu ởphần phân kỳ của nó (nghĩa là vùng trường xa) Điều này loại trừ những khó khăn khi đánhgiá khuyết tật xuất hiện ở vùng trường gần cũng như có vùng chết hẹp hơn đối với đầu dò

SE có góc mái nghiêng lớn hơn

Khoảng cách nhỏ nhất mà tại đó các xung phản hồi khuyết tật có thể phát hiện được, làvùng mà nơi bắt đầu chùm sóng âm của phần phát và phần thu chồng lên nhau Vì điều này,với các đầu do TR, chúng ta có thể xác định một vùng dạng ống có độ nhạy cực đại thườngđược cho trong tài liệu kỹ thuật của đầu dò TR Độ nhạy cao ở vùng gần bề mặt được quyếtđịnh bởi góc nghiêng hai biến tử trong đầu dò Mặt khác, khi đặt độ nhạy cao thì sẽ tạo ra

các xung nhiễu, thường được gọi là xung nhiễu truyền trực tiếp (cross talk), gây lầm lẫn

trong giải đoán ngộ nhận là xung khuyết tật

Sự phân kỳ nằm ngoài điểm hội tụ

Thấu kính âm học Điểm hội tụ trong kim loại Điểm hội tụ trong nước

Hình 3.17 – Đầu dò kép loại tiếp xúc và sự truyền sóng siêu âm của nó.

Hình 3.18 - Dạng làm việc của đầu dò kép.

Hình 3.19 : Sự truyền siêu âm với các góc nghiêng nhỏ và lớn của đầu dò kép.

Dây cáp đồng trục Tường cách âm

Tinh thể Góc nghiêng của Tinh thể