ГОСТ 23702-90 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний

2.1.1. Аппаратура

Измерения параметров совмещенных ПЭП следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.1.

1 - электронный блок УПНК; 2 - проверяемый ПЭП;
3 - акустическая нагрузка или стандартный образец; 4 - осциллограф

Черт.1

При измерении параметров раздельно-совмещенных ПЭП излучающий преобразователь подключают к генератору, а приемный - к приемнику.

Осциллограф должен иметь следующие параметры: полосу пропускания 0,0-35,0 МГц; входное сопротивление не менее 1,0 МОм; входную емкость не более 30,0 пФ; диапазон амплитуд исследуемых сигналов 0,03-300 В; погрешность измерения амплитуд и временных интервалов не более 5,0%.

Акустические нагрузки контактных ПЭП должны соответствовать черт.2 и 3 и табл.1.

Черт.2

Черт.3

Таблица 1

Параметры акустических нагрузок

Примечание. Вместо алюминиевого сплава Д16Т допускается использовать сплав Д16ТПП по ГОСТ 21488, если значения скорости и затухания звука в нем такие, как приведенные в табл.1.

Акустические нагрузки должны быть аттестованы по коэффициенту затухания в рабочем диапазоне частот с погрешностью , дБ/мм ( - высота или радиус нагрузки, мм).

Акустической нагрузкой иммерсионных ПЭП служит питьевая вода по ГОСТ 2874*, в которой на расстоянии от ПЭП находится плоский отражатель.

________________

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 51232-98.

Плоский отражатель должен представлять собой прямой цилиндр (параллелепипед) из нержавеющей стали, удовлетворяющий условиям: высота ( - длительность эхо-импульса по ГОСТ 26266, - скорость звука в стали); диаметр основания (сторона прямоугольника) не менее 60 мм; параметр шероховатости рабочей поверхности основания 0,63 мкм; допуск плоскостности 0,02 мм.

Электронный блок УПНК должен соответствовать п.1

.7.

2.1.2. Подготовка и проведение измерений

Выбирают акустическую нагрузку для контактных ПЭП в зависимости от частотного диапазона (см. табл.1) и типа ПЭП. Схема расположения ПЭП на нагрузке должна соответствовать черт.4-6, при этом каждой из указанных схем соответствуют следующие ПЭП: черт.4 - контактные, контактно-иммерсионные прямые; черт.5 - наклонные; черт.6 - иммерсионные.

Черт.4

Черт.5

Черт.6

При измерении по схеме черт.6 значения выбирают из ряда мм, где =1, 2, 3, .... Для ПЭП, у которых нормируют фокусное расстояние , значение устанавливают равным .

Подключают ПЭП к установке и, притирая его к поверхности нагрузки, добиваются устойчивого повторения максимального значения эхо-сигнала. При измерении по схеме черт.6 следует, изменяя ориентацию ПЭП относительно отражающей поверхности, добиваться максимального значения эхо-сигнала.

Измеряют с помощью осциллографа значения параметров эхо-импульса , , , максимальное значение амплитуды (размаха) эхо-импульса, максимальное значение амплитуды (размаха) электрического напряжения возбуждения ПЭП и длительность полупериодов. Отклонением от его номинального значения является разность между измеренным и номинальным значениями.

При малых значениях эхо-сигнала допускается выключать между ПЭП и осциллографом широкополосный усилитель и ограничитель амплитуд импульсов возбужде

ния.

2.1.3. Импульсный коэффициент преобразования , дБ, вычисляют по формуле

,                                                              (1)

           
где , - максимальные значения амплитуд (размаха) электрического напряжения возбуждения ПЭП и эхо-импульса, соответственно, В; - коэффициент усиления широкополосного усилителя, включаемого между ПЭП и осциллографом.

2.1.4. Для повышения точности измерения контактных ПЭП по п.2.1.3 допускается вводить поправку , исключающую влияние ослабления эхо-сигнала в нагрузке и обусловленную затуханием звука. Для этого в исходную формулу (1) следует добавить слагаемое , где - коэффициент затухания звука в материале на номинальной частоте ПЭП, дБ/мм, - путь, пройденный звуком, мм.

При измерении иммерсионных ПЭП допускается вводить поправку , исключающую влияние ослабления эхо-сигнала при переходе звука через границу вода - плоский отражатель. Для этого в формулу (1) следует добавить слагаемое , где - коэффициент отражения плоской волны при нормальном падении на границу раздела вода - плоский отражате

ль.

2.1.5. Эффективную частоту эхо-импульса , МГц, вычисляют по формуле

      ,                                                                         (2)

где - число полупериодов эхо-импульса, устанавливаемое в технических условиях на ПЭП конкретного типа; - длительность полупериодов, мкс. Отклонением от ее номинального значения является разность между значением , полученным по формуле 2, и номинальным значением.

Для увеличения точности измерения допускается определять по спектру эхо-импульса. В этом случае эффективной частотой эхо-импульса является частота, соответствующая максимуму спектра

.

2.2.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.7.

1 - генератор видеоимпульсов; 2 - широкополосный усилитель; 3 - осциллограф;
4 - проверяемый ПЭП; 5 - акустическая нагрузка; - резистор сопротивлением (50±1) Ом

Черт.7

Генератор видеоимпульсов (генератор ударного возбуждения УПНК) должен обеспечивать возбуждение ПЭП импульсом тока экспоненциальной формы и иметь следующие параметры: амплитуда импульса тока на нагрузку =1000 пФ в пределах диапазона 2-15 А; длительность фронта мкс; постоянная времени экспоненциального импульса мкс, где - номинальные значения частоты или проверяемого ПЭП, МГц.

Широкополосный усилитель должен обеспечить усиление эхо-импульса в полосе частот 0,16-30,0 МГц и иметь коэффициент усиления не менее 60 дБ; регулировку усиления 0-60 дБ с погрешностью в пределах ±0,5 дБ; входное активное сопротивление не менее 1,0 кОм; входную емкость не более 30 пФ; динамический диапазон входных сигналов не менее 0,5·10-1,0 В; уровень шумов не более 50 мкВ. Широкополосный усилитель должен быть устойчив к перегрузкам сигналов генератора видеоимпульсов.

Осциллограф и акустические нагрузки должны иметь значения параметров, указанные в п.2.1.1.

Допускается при измерении параметров специализированных ПЭП выбирать значения резистора и входного сопротивления широкополосного усилителя такими, чтобы модуль их сопротивления при параллельном соединении был равен входному сопротивлению УПНК с отклонением в пределах допуска на входное сопротивление УПН

К.

2.2.2. Подготовка и проведение измерений

Выбирают акустическую нагрузку, устанавливают на ней ПЭП и добиваются устойчивого повторения эхо-сигнала, как указано в п.2.1.2.

Измеряют с помощью осциллографа значения параметров эхо-импульса , , , , (черт.8) и максимальное значение импульса тока возбуждения.

Черт.8

Параметры импульса тока возбуждения определяют путем измерения электрического напряжения на активном сопротивлении , включенном в цепь тока возбуждения ПЭП или подключенном к генератору через широкополосный трансформатор.

2.2.3. Импульсный коэффициент преобразования , дБ, вычисляют по формуле

,                                                              (3)

где - максимальное значение эхо-импульса, В; - максимальное значение напряжения на сопротивлении , В; - сопротивление в цепи тока возбуждения ПЭП, Ом; - опорный уровень =

2.2.4. Для повышения точности определения контактных ПЭП по п.2.2.3 допускается вводить поправку , исключающую влияние ослабления эхо-сигнала в нагрузке, обусловленного затуханием звука. Для этого в исходную формулу (3) следует ввести слагаемое , определенное в п.2.1.4. Для иммерсионных ПЭП допускается вводить поправку , исключающую влияние ослабления эхо-сигнала при переходе звука через границу вода - плоский отражатель. Для этого в формулу (3) следует добавить слагаемое , определенное в п.2.1.4.

2.3.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.9 или 10.

1 - генератор радиоимпульсов; 2 - приемник; 3 - осциллограф;
4 - частотомер; 5 - проверяемый ПЭП; 6 - акустическая нагрузка

Черт.9

1 - генератор импульсов возбуждения; 2 - приемник; 3 - осциллограф;
4 - анализатор спектра; 5 - проверяемый ПЭП; 6 - акустическая нагрузка

Черт.10

Установка, показанная на черт.9, обеспечивает измерение методом, основанным на возбуждении ПЭП радиоимпульсом с прямоугольной огибающей и последующим измерением отношения амплитуд эхо-сигналов и импульсов возбуждения в разных точках рабочего диапазона частот, а установка, показанная на черт.10, - методом, основанным на возбуждении ПЭП электрическим импульсом произвольной формы и последующим измерением отношения амплитуд огибающей спектра эхо-сигнала и огибающей спектра импульса возбуждения.

Генератор радиоимпульсов должен обеспечить возбуждение ПЭП радиоимпульсами с частотой заполнения 0,16-30,0 МГц, длительностью (5-15) мкс ( - частота заполнения, МГц), амплитудой напряжения не менее 5 В и иметь подавление сигналов в паузе между радиоимпульсами не менее 70 дБ.

Приемник должен обеспечить прием эхо-импульсов в диапазоне частот 0,16-30,0 МГц, иметь чувствительность не хуже 2 мВ, входное сопротивление не менее 20 , регулировку усиления 0-60 дБ с погрешностью не более 0,5 дБ. При работе в схеме черт.10 приемник должен также обеспечить временное селектирование эхо-импульса с регулируемым интервалом пропускания 1-100 мкс. Широполосный усилитель должен быть устойчив к перегрузкам сигналов генератора видеоимпульсов.

Частотомер должен иметь следующие параметры: диапазон частот 0,16-30,0 МГц; погрешность измерения частоты не более 0,1%.

Генератор импульсов возбуждения должен иметь параметры: амплитуду напряжения импульсов возбуждения ПЭП не менее 6 и не более 600 В; длительность импульса в пределах диапазона (5-15) мкс, где - номинальное значение измеряемого ПЭП, МГц; подавление сигналов в паузе между импульсами не менее 80 дБ.

Анализатор спектра должен иметь следующие параметры: диапазон частот 0,16-30,0 МГц;

полосу пропускания, регулируемую в пределах 3-70 кГц.

Осциллограф и акустические нагрузки должны иметь параметры согласно п.2.1.1.

Сопротивление может быть включено как непосредственно в цепь тока возбуждения ПЭП, так и подключено к ней через широкополосный трансформа

тор.

2.3.2. Подготовка и проведение измерений

2.4.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.11, 12.

1 - частотомер; 2 - измеритель АЧХ; 3 - графопостроитель;
- проверяемый ПЭП; - электрическая нагрузка; 4 - акустическая нагрузка

Черт.11

          
- проверяемый ПЭП; - электрическая нагрузка

Черт.12

Измеритель АЧХ - прибор для исследования амплитудно-частотных характеристик - должен иметь следующие параметры: диапазон частот не уже 0,1-35,0 МГц; погрешность измерения относительной амплитуды - в пределах ±(0,4+0,1) дБ, где - измеренная относительная амплитуда, дБ; входное сопротивление не менее 20 ; входную емкость - не более 30 пФ.

Графопостроитель (двухкоординатный самописец) должен иметь диапазон масштабов регистрации по обоим каналам не уже 0,1-25,0 мВ/см; погрешность записи в пределах ±1%.

Электрическая нагрузка - активное или емкостное сопротивление, предназначенное для обеспечения постоянства амплитуды тока, протекающего через ПЭП, должно удовлетворять в рабочей области частот условию .

Акустическая нагрузка.

Нагрузка для контактного ПЭП должна соответствовать черт.13.

Черт.13

Материал - оргстекло, сталь 45, алюминиевый сплав Д16Т. Допуск плоскостности и параметры шероховатости рабочей поверхности должны соответствовать табл.1. Нагрузкой для иммерсионного ПЭП служит вода.

Частотомер должен иметь параметры согласно п.2.3.1.

2.4.2. Подготовка и проведение измерений

Выбирают акустическую нагрузку в зависимости от типа ПЭП. Материал нагрузки должен быть таким же, как и материал нагрузки, используемой при измерении , . Если , измерялись с использованием нагрузки из кварцевого стекла, то при определении следует использовать нагрузку из алюминиевого сплава Д16Т. При определении электрического сопротивления нагрузкой ПЭП служит воздух, акустическое сопротивление которого считают равным нулю.

Подключают ПЭП к установке, как показано на черт.11. Контактные ПЭП устанавливают на акустическую нагрузку. При этом прямой ПЭП устанавливают согласно черт.14, наклонный - черт.15.

Черт.14

Черт.15

Измерение электрического сопротивления ПЭП выполняют путем сравнения с сопротивлением опорного конденсатора или резистора. Для этого устанавливают масштабы изображения на экране измерителя АЧХ и графопостроителя, обеспечивающие наибольшую точность измерения. Проводят запись на графопостроителе кривой и меток частоты. Подключают вместо ПЭП опорные сопротивления , и проводят запись графиков зависимости от частоты. Значения выбирают такими, чтобы кривые зависимости легли в области минимума и максимума кривой . Электрическое сопротивление определяют, используя опорные значения кривых , метки частоты и масштабы изображения. Значения соответствуют максимуму (минимуму) кривой .

Значения можно также определять по кривой зависимости на экране измерителя АЧХ путем подбора , при которых обеспечивается совпадение изображения и в точках минимума и максимума , соответственно.

Сопротивления должны быть определены с погрешностью не более 2%.

Для повышения точности измерений , а также в случае, когда входное сопротивление измерителя АЧХ менее 20, допускается выполнять подключение ПЭП к измерителю АЧХ по схеме черт.12, где . В этом случае на экране измерителя АЧХ наблюдается зависимость , а частотой резонанса является частота в точке максимума граф

ика зависимости .

2.5.1. Измеряют амплитудно-частотную характеристику и электрическое сопротивление , как указано в пп. 2.3, 2.4. Если выполнить измерение по п.2.3 невозможно из-за большой длительности импульса возбуждения ПЭП на уровне эхо-сигнала, то допускается использовать акустические нагрузки, имеющие значения больше указанных в табл.1, или выполнять измерения в теневом варианте, используя для этого два дополнительных однотипных ПЭП, установленных соосно с измеряемым ПЭП на противоположной стороне акустической нагрузки. Проверяемый ПЭП следует при этом подключить к приемнику.

2.5.2. Вычисляют амплитудно-частотные характеристики , , ДБ, по формулам:

;                                         (11)

,                                      (12)

где - амплитудно-частотная характеристика, дБ;

- электрическое сопротивление ПЭП, Ом; - опорный уровень, =1 В/Па; (=1 Па/В); - параметр взаимности, равный ; - коэффициент затухания звука в материале нагрузки на частоте , мм.

При измерении в теневом варианте с использованием двух дополнительных ПЭП значения каждого вычисляют по формуле  ,

где =1, 2, 3; ; - коэффициент преобразования  -гo ПЭП, дБ; - коэффициент преобразования преобразователей с номерами и , измеренный в теневом варианте;   - амплитуда напряжения эхо-импульса -го ПЭП, дБ; - амплитуда импульса возбуждения -го ПЭП, дБ.

Значения вычисляют по формуле , где ; - площадь рабочей поверхности ПЭП, м; - плотность материала нагрузки, кг/м; - скорость звука в материале нагрузки, м/с. Значения для прямых ПЭП, нагруженных на воду, органическое стекло, алюминиевый сплав Д16Т, сталь 45, приведены на черт.16-20 для различных значений безразмерных параметров:

; ,                                                    (13)

где - частота, Гц; - радиус (или половина стороны квадрата) пьезопластины, м; - путь, пройденный акустическим сигналом в нагрузке, м.

Значения параметра взаимности для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на воду

1 - =10;

 2 - =15; 3 - =20; 4 - =25; 5 - =30; 6 - =35;
7 - =40; 8 - =50; 9 - =60; 10 - =70; 11 - =80; 12 - =90;
13 - =100; 14 - =150; 15 - =160-400; 16 - =500-1600

Черт.16

Значения параметра взаимности для ПЭП с квадратной пьезопластиной, нагруженного на воду

1 - =10;

 2 - =20; 3 - =25; 4 - =30; 5 - =35; 6 - =40;
7 - =45; 8 - =50; 9 - =60; 10 - =70; 11 - =80; 12 - =100;
13 - =150; 14 - =200-400

Черт.17

Значения параметра взаимности для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на органическое стекло

1 - =2,0; 2 - =2,5; 3 - =3,0; 4 - =3,5; 5 - =4,0; 6 - =5,0;
7 - =6,0; 8 - =7,5; 9 - =10,0; 10 - =12,5; 11 - =15,0; 12 - =20,0; 13 - =35

Черт.18

Значения параметра взаимности для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на алюминиевый сплав Д16Т

1 - =10;

 2 - =12; 3 - =14; 4 - =16; 5 - =18; 6 - =20;
7 - =25; 8 - =30; 9 - =40; 10 - =60-205

Черт.19

Значения параметра взаимности для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на сталь 45

   1 - =2,0; 2 - =5,0; 3 - =7,5; 4 - =10,0; 5 - =12,0; 6 - =14,0;
7 - =16,0; 8 - =18,0; 9 - =20,0; 10 - =22,0; 11 - =26,0; 12 - =30,0;
13 - =40,0; 14 - =60,0-120,0

Черт.20

Когда конструкция ПЭП или материал акустической нагрузки не позволяют воспользоваться для вычисления параметров взаимности черт.16-20, значения должны быть указаны в технических условиях на конкретный тип ПЭП.

2.5.3. Максимальные значения , измеренные по п.2.5.2, являются коэффициентами преобразования , a соответствующие частоты являются частотами .

Ширину полосы пропускания , МГц, вычисляют по формуле

,                                                          (14)

где , - соответственно верхняя и нижняя границы интервала частот, МГц, включающего в себя , на которых принимает значения на уровне минус 3 дБ.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики , МГц, вычисляют по формуле

,                                                    (15)

где ,  - минимальные (максимальные) значения  , , соответственно, в рабочей области частот ПЭП.

2.5.4. С целью повышения производительности измерений определение параметров , ,  может быть выполнено с помощью диэлектрических преобразователей, как указано в приложении 3, а определение ,  - методом сравнения с ПЭП того же типа, параметры которого измерены по пп.2.5.1-2.5.3.

В этих случаях допускается измерение выполнять на частоте, равной номинальному значению

.

2.6.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.1.

Электронный блок УПНК, акустические нагрузки и стандартные образцы должны соответствовать пп.1.9, 1.11 и табл.1, осциллограф - п.2.1.

2.6.2. Подготовка и проведение измерений

Измерение следует проводить с использованием трех однотипных ПЭП. Один из них подключают к генератору, а второй - к приемнику УПНК. Устанавливают прямые совмещенные ПЭП, как показано на черт.21а, раздельно-совмещенные ПЭП и наклонные ПЭП - на черт.21б. Притирая рабочие поверхности ПЭП и перемещая ПЭП один относительно другого, добиваются получения максимального значения сигнала на экране приемника. С помощью осциллографа измеряют интервал времени между импульсом возбуждения и принятым сигналом. Повторяют указанные операции, используя первый и третий, а также второй и третий ПЭП. Время распространения звука в призме определяют по формуле

                      (16)

где - время распространения звука в призме -го преобразователя, мкс; - измеренный в микросекундах интервал времени при использовании в качестве излучателя -го и приемника -го ПЭП; равны 1, 2, 3.

1 - первый ПЭП; 2 - второй ПЭП; 3 - призма первого ПЭП; 4 - призма второго ПЭП

Черт.21

2.6.3. Если выполняются условия:

• наклонные раздельно-совмещенные ПЭП имеют одинаковые номинальные геометрические размеры призм;

• наклонные ПЭП имеют номинальные значения , где - время распространения звуковых волн в акустической нагрузке, соответствующей черт.3;

• импульс возбуждения не маскирует эхо-импульс от свободной грани призмы прямых совмещенных ПЭП - измерения следует проводить следующим образом. Подключают измеряемый ПЭП к УПНК и устанавливают его на акустическую нагрузку или стандартный образец, как указано в п.2.1.2. Схема расположения наклонных ПЭП для возбуждения объемных волн должна соответствовать черт.22. Акустической нагрузкой для прямых ПЭП с призмой (акустической задержкой) и наклонных раздельно-совмещенных ПЭП служит воздух. Притирают ПЭП к нагрузке и добиваются получения максимальной амплитуды эхо-сигнала, как указано в п.2.1.2.

Черт.22

Измеряют по экрану осциллографа для раздельно-совмещенных и прямых ПЭП с призмой временной интервал в микросекундах между импульсами возбуждения и первым эхо-импульсом от рабочей поверхности призмы; для наклонных ПЭП - между импульсом возбуждения и первым и вторым эхо-импульсами. Полученное значение интервала для раздельно-совмещенных и прямых ПЭП с призмой является удвоенным временем распространения звука в призме . Время распространения звука в призме , мкс, для наклонных ПЭП определяют по формуле

                                              (17)

                
где - временной интервал между импульсом возбуждения и первым (вторым) эхо-импульсом от отражателя, мкс.

2.7.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.23.

1 - иммерсионная ванна; 2 - узел фиксации отражателя; 3 - плоский отражатель;
4 - сферический отражатель; 5 - узел фиксации ПЭП; 6 - проверяемый ПЭП;
7 - механизм перемещения по координатам , ; 8 - графопостроитель;
9 - приемник; 10 - генератор; 11 - осциллограф

Черт.23

Иммерсионная ванна, содержащая узлы фиксации ПЭП и отражателей совместно с механизмом перемещения должна обеспечить перемещение отражателя (или ПЭП) по координатам , в диапазонах от минус 30° до плюс 30° и от 0 до 250 мм соответственно, а также поворот ПЭП вокруг оси на 360°. Погрешность определения местоположения отражателя относительно ПЭП по не должна быть более 12'; по - 0,5 мм; поворота ПЭП - 30'.

Плоский отражатель должен иметь размер рабочей поверхности (диаметр или меньшую сторону прямоугольника) не менее 100 мм, толщину - не менее 20 мм, параметр шероховатости 0,63 мкм, допуск плоскостности 0,01 мм. Сферические отражатели должны быть изготовлены из нержавеющей стали по ГОСТ 7350 и иметь диаметры 2, 5, 10 мм. Расстояние от центра сферической поверхности отражателя до узла фиксации должно быть не менее 60 мм.

Приемник должен иметь чувствительность не менее 1 мВ и обеспечивать усиление эхо-сигнала на частоте измеряемого ПЭП, временное селектирование эхо-импульса от сферического отражателя, преобразование его в сигнал с амплитудой не менее 1 В для подачи на графопостроитель. Приемник должен иметь регулировку усиления от 0 до 80 дБ и дискретное ослабление сигнала на (6±0,1) дБ.

Генератор радиоимпульсов должен обеспечить возбуждение ПЭП на частоте , МГц, радиоимпульсами длительностью мкс, с частотой следования в диапазоне 400-2000 Гц и амплитудой напряжения возбуждения ПЭП не менее 5и не более 600 В.

Осциллограф и графопостроитель должны иметь параметры согласно пп.2.1.1, 2.3.1.

Установка должна обеспечивать запись углового положения отражателя по координате с погрешностью масштаба не более 1,5%. Метод проверки масштаба записи приведен в приложе

нии 4.

2.7.2. Подготовка и проведение измерений

Устанавливают в узел фиксации сферический отражатель, удовлетворяющий условиям:

=2 мм при 10,0 МГц;

=5 мм при 10,0 1,0 МГц;

=10 мм при 1,0 МГц,

где - номинальная частота максимума преобразования или эффективная частота проверяемого ПЭП, МГц.

Устанавливают расстояние от ПЭП до сферического отражателя не менее при измерении диаграммы направленности до уровня минус 6 дБ и не менее при измерениях диаграммы направленности до уровня минус 20 дБ. Здесь , , - радиус (или половина размера пьезоэлемента) проверяемого ПЭП в рабочей плоскости, мм; - скорость звука в воде, мм/мкс.

Если средства измерения не позволяют реализовать условие , следует применить плоский отражатель, установив его на расстоянии . Допуск перпендикулярности рабочей поверхности плоского отражателя к оси должен быть 0,02 мм на базе 100 мм.

Закрепляют ПЭП в узел фиксации, подключают к установке, как показано на черт.23, и ориентируют его относительно плоскости измерения, как указано в технических условиях на ПЭП конкретного типа.

Устанавливают частоту генератора радиоимпульсов, равную частоте проверяемого ПЭП. Перемещая отражатель в области , добиваются максимального значения эхо-сигнала на экране осциллографа. Регулировками генератора, приемника, графопостроителя устанавливают амплитуды сигнала и масштабы изображения и записи, обеспечивающие наибольшую точность измерений.

Включают перемещение отражателя по координате и записывают график диаграммы направленности на графопостроителе. На полученный график наносят линию, соответствующую уровню 6 дБ.

Поворачивают ПЭП вокруг оси на угол 180° и повторяют запись диаграммы направленности. Ось симметрии записанных графиков является геометрической осью преобразователя.

Если измерения проводились с плоским отражателем, то для перевода полученного графика в диаграмму направленности необходимо масштаб записи увеличить в два раза, а значения ординат по оси графопостроителя возвести в квадрат.

Если в стандартах или технических условиях на ПЭП конкретного типа не указаны пределы перемещения отражателя, измерение диаграммы направленности следует проводить до уровня не

менее минус 20 дБ.

2.7.3. Обработка результатов измерений

Ширину диаграммы направленности и угол ввода вычисляют по формулам:

; ; ,                                                    (18)

где - масштаб записи, ...°/мм; - ширина графика диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, мм; - расстояние от максимума диаграммы направленности до геометрической оси преобразователя, мм. Отклонением угла ввода от его номинального значения является разность между значением, полученным по формуле 18, и номинальным значением.

Определяют по графику диаграммы направленности область ее основного лепестка. Для этого измеряют слева (справа) от точки , соответствующей значению диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, разность между минимумами диаграммы направленности и следующими за ними влево (вправо) максимумами. Ближайшую к точке точку минимума, в которой эта разность превышает 3 дБ, принимают за левую (правую) границу основного лепестка.

Уровнем боковых лепестков является разность в децибелах между максимальными значениями диаграммы направленности в области основного лепестка и вне его соответственно. Если на границе диаграммы направленности указанных минимумов нет, следует считать, что боковые лепестки отсутствуют

.

2.8.1. Аппаратура

Намерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.24.

1 - генератор радиоимпульсов; 2 - приемник; 3 - осциллограф;
4 - проверяемый ПЭП;  5 - акустическая нагрузка;  6 - устройство ориентации

Черт.24

Акустические нагрузки должны соответствовать черт.25, 26 и табл.2. Акустические нагрузки, соответствующие табл.2, должны быть аттестованы по коэффициенту затухания в рабочем диапазоне частот с погрешностью не более , дБ/мм ( - высота или радиус нагрузки, мм).

Акустические нагрузки для измерения диаграммы направленности

    
Черт.25

 Черт.26

     
Таблица 2

Параметры акустических нагрузок

Примечание. Вместо алюминиевого сплава Д16Т допускается использовать сплав Д16ТПП по ГОСТ 21488, если значения скорости и затухания звука в нем такие, как приведенные в табл.2.

Акустические нагрузки могут содержать в качестве отражателя одно или несколько цилиндрических отверстий или пазов. Паз, служащий отражателем в нагрузке по черт.26, может иметь в качестве образующей прямую линию или дугу окружности (черт.26 - пунктирные линии).

Углы торцевых плоскостей акустических нагрузок по черт.25 должны быть выполнены закругленными, а сами эти плоскости допускается выполнять с наклоном к направлению распространения звуковой волны под углом , где - наибольший размер пьезопластины в рабочей плоскости, - наименьшее возможное расстояние от ПЭП до торцевой плоскости.

Устройство ориентации должно обеспечивать измерение расстояния от ПЭП до отражателя в направлении оси с погрешностью в пределах ±0,25 мм; в направлении, перпендикулярном к оси (по оси ) - в пределах ±0,5 мм при измерении , и автоматическое перемещение ПЭП по поверхности акустической нагрузки с вариацией акустического контакта не более 1 дБ при измерении .

Генератор радиоимпульсов, приемник и осциллограф должны иметь значения параметров, указанные в п.2.

7.1.

2.8.2. Подготовка к измерению

Выбирают акустическую нагрузку в зависимости от частотного диапазона (табл.2), типа ПЭП и измеряемого параметра. Схема расположения ПЭП на нагрузке должна соответствовать черт.27-29. При этом каждой из указанных схем соответствуют следующие ПЭП: черт.27 - прямые; черт.28, 29 - наклонные. Схема черт.28 соответствует измерению параметров диаграммы направленности ; схема 29 - . Во всех случаях должно выполняться условие , где - расстояние от ПЭП до отражателя; - протяженность ближней зоны ПЭП.

Черт.27

Черт.28

     
Черт.29

2.8.3. Выполнение измерений

2.9.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.30.

1 - иммерсионная ванна; 2 - узел фиксации отражателя; 3 - плоский отражатель; 4 - сферический отражатель;
5 - узел фиксации ПЭП; 6 - проверяемый ПЭП; 7 - механизм перемещения по координатам , ;
8 - графопостроитель; 9 - приемник; 10 - генератор радиоимпульсов; 11 - осциллограф

Черт.30

Иммерсионная ванна должна содержать узлы фиксации ПЭП и отражателя и совместно с механизмом перемещения по координатам , , обеспечить перемещение отражателя и (или) ПЭП в диапазонах не менее: по , - от 0 до 80,0 мм; по - от 0 до 250 мм. Погрешность определения местонахождения преобразователя относительно ПЭП - не более 0,25 мм.

Сферические отражатели должны иметь диаметры: 1,0; 2,0; 5,0 мм.

Генератор, приемник, осциллограф, графопостроитель должны иметь значения параметров, указанные в п.2.7.

Установка должна обеспечить запись линейного перемещения отражателя по координатам , с погрешностью не более 1,5%.

Метод проверки масштаба записи приведен в приложении

2.9.2. Подготовка и проведение измерений

Устанавливают в устройство фиксации сферический отражатель, удовлетворяющий условиям:

• 1 мм при 10,0 МГц;

• 2 мм при 10,0 МГц 1,0 МГц;

• 5 мм при 1,0 МГц.

Устанавливают ПЭП таким образом, чтобы его акустическая ось была параллельна направлению перемещения по координате . Для этого располагают ПЭП на расстоянии ( - номинальное значение фокусного расстояния) от плоского отражателя и, регулируя ориентацию ПЭП относительно отражателя и частоту генератора, добиваются наибольшего значения эхо-сигнала. Устанавливают ПЭП над сферическим отражателем и, перемещая отражатель по направлениям , , добиваются наибольшего значения эхо-сигнала. При этом показания шкал механизма перемещения по координатам , в дальнейшем принимают за координаты центра фокусного пятна. Значение , мм, является фокусным расстоянием ПЭП. Проводят запись огибающей эхо-сигналов при перемещении по координатам при п

ри и при .

2.9.3. Размеры фокальной области , , вычисляют по формуле

, =1, 2, 3,                                                        (23)

где - масштаб записи по соответствующей оси; - ширина соответствующего графика на уровне минус 6 дБ, мм.

     Примечания:

1. 1. Допускается вместо сферического отражателя использовать нитевой отражатель, представляющий собой металлическую проволоку диаметром менее 0,5 мм.

2. 2. Если у проверяемого ПЭП нормируют только фокусное расстояние, то допускается использовать при измерении только плоский отражатель.

2.10.1. Аппаратура

Измерения контактных и контактно-иммерсионных ПЭП следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.31, иммерсионных ПЭП - на черт.32. Акустический бассейн и координатный механизм должны иметь устройство фиксации ПЭП и стандартного образца и обеспечить перемещение ПЭП относительно стандартного образца (или стандартного образца относительно ПЭП) по координатам , в пределах от 25 до 400 мм; погрешность установки расстояния по координате не более ±1 мм. Электронный блок УПНК, стандартные образцы и акустические нагрузки должны соответствовать требованиям пп.1.7, 1.9 и табл.1.

1 - электронный блок УПНК; 2 - проверяемый ПЭП;
3 - стандартный образец (акустическая нагрузка)

Черт.31

1 - акустический бассейн; 2 - устройство фиксации стандартного образца;
3 - стандартный образец; 4 - проверяемый ПЭП; 5 - устройство фиксации ПЭП;
6 - координатный механизм; 7 - электронный блок УПНК

Черт.32

2.10.2. Подготовка и проведение измерений

2.11.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт. 31. Допускается проводить измерения функции шума и ее параметров акустически ненагруженных ПЭП, если это приводит к увеличению уровней и длительности шума.

Электронный блок УПНК, акустические нагрузки и стандартные образцы должны соответствовать пп.1.7, 1.9 и табл.1, осциллограф - п.2.1.

2.11.2. Подготовка и проведение измерений

2.11.3. Если из-за нелинейных явлений в УПНК во временной области, прилегающей к импульсу возбуждения, погрешность измеренной функции шума и ее параметров превышает допустимую, измерения прямых совмещенных ПЭП следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.34.

1, 3 - генераторы импульсов; 2 - осциллограф; 4, 8 - электронные блоки УПНК;
5 - проверяемый ПЭП; 6 - стандартный образец; 7 - вспомогательный ПЭП

Черт.34

Генератор импульсов должен иметь следующие параметры: диапазон амплитуд выходного напряжения на нагрузке 500 Ом не менее 1,0-20,0 В; диапазон длительностей импульсов не менее 0,4-100,0 мкс; диапазон задержки основного импульса относительно синхроимпульса не менее 0,1-10,0 мкс; диапазон частот следования импульсов не менее 10,0-20·10Гц.

Вспомогательный ПЭП - прямой совмещенный ПЭП с номинальной частотой , равной номинальной частоте проверяемого ПЭП.

Электронный блок УПНК 8 - того же типа, что и основной электронный блок УПНК 4 проверяемого ПЭП. Допускается вместо электронного блока УПНК 8 использовать только его генератор импульсов возбуждения ПЭП.

Электронный блок УПНК, акустические нагрузки и стандартные образцы должны соответствовать пп.1.7, 1.9 и табл.1, осциллограф - п.2.1. Используемые при измерениях стандартные образцы должны исключать наличие эхо-сигнала во временной области, для которой измеряют функцию шума.

2.11.4. Подготовка и проведение измерений

2.12.1. Измерения контактных ПЭП следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.1, иммерсионных - на черт.32.

Раздельно-совмещенные ПЭП допускается подключать к осциллографу через пассивный четырехполюсник с полосой пропускания не уже полосы пропускания приемника УПНК и значением модуля входного электрического сопротивления не менее 10 , где - максимальное значение в рабочей области частот.

Электронный блок УПНК, стандартные образцы должны соответствовать пп.1.7, 1.9 и табл.1, осциллограф - п.2.1. Если уровень эхо-сигнала недостаточен для непосредственного измерения осциллографом, то его необходимо предварительно усилить полосовым усилителем-ограничителем.

2.12.2. Подготовка к проведению измерений

Устанавливают контактный ПЭП на акустическую нагрузку или стандартный образец. Добиваются устойчивого повторения максимального значения эхо-сигнала для контактного ПЭП, как указано в п.2.1.2, для иммерсионного - в п.2.10.2.5. В качестве эхо-сигнала для ПЭП, работающих с толщиномерами и структуроскопами, используют отражение от дна, для ПЭП, работающих с дефектоскопами, - отражение от определенного отражателя.

2.12.3. Измеряют амплитуды (или размах) или мгновенное значение эхо-сигнала и шума в точках, указанных в технических условиях на ПЭП конкретного типа. Для измерения амплитуды (или размаха) шума в точке измерения амплитуды (или размаха) эхо-сигнала ПЭП устанавливают на акустическую нагрузку или стандартный образец, не дающие отражения в точке измерения шума. Допускается проводить измерения амплитуды (или размаха) шума акустически ненагруженных ПЭП.

Если в диапазоне контроля или измерения толщин функции шума является немонотонно убывающей, то обязательным является измерение амплитуды (или размаха) шума в экстремальных точках и амплитуды (или размаха) эхо-сигнала в области, прилегающей к этим экстремальным точкам.

2.12.4. Обработка результатов измерений

Отношение сигнал/шум , дБ, являющееся наименьшим в диапазоне контроля или измерения толщин, вычисляют по формуле

,                                                    (24)

где - амплитуда (или размах) напряжения эхо-сигнала на ПЭП или мгновенное значение эхо-импульса , В; - амплитуда (или размах) напряжения шума на ПЭП в точке измерения эхо-сигнала на ПЭП, В.

2.13.1. Аппаратура

Измерение функций влияния для контактных ПЭП следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.1, для иммерсионных - на черт.32.

Электронный блок УПНК и стандартные образцы должны соответствовать пп. 1.7, 1.9, акустический бассейн и координатный механизм - п.2.10.1.

2.13.2. Подготовка и проведение измерений

Измерение функций влияния шероховатости и кривизны на параметры ПЭП проводят следующим образом:

• определяют отношение сигнал/шум по п.2.12, а мгновенные значения эхо-импульса - по п.2.1 на стандартном образце без влияющих факторов и на стандартном образце с влияющим фактором (шероховатости или кривизны).

2.13.3. Функцию влияния на отношение сигнал/шум , дБ, определяют по формуле

,                                                        (25)

где ,  - отношение сигнал/шум на образцах с влияющим фактором и без него, дБ.

Функцию влияния на мгновенное значение эхо-импульса , дБ, определяют по формуле

,                                             (26)

где ,  - мгновенные значения эхо-импульса на образце с влияющим фактором и без него, дБ.

2.14.1. Аппаратура

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт.37.

1 - измеритель статистических параметров; 2 - электронный блок УПНК;
3 - проверяемый ПЭП; 4 - стандартный образец; 5 - привод УПНК

Черт.37

Измеритель статистических параметров должен обеспечивать измерение числа импульсов определенной амплитуды, поступающих с УПНК, и иметь следующие параметры: диапазон регистрируемых амплитуд импульсов 0,1-5,0 В; диапазон длительностей регистрируемых импульсов 0,5-50,0 мкс; максимальную интенсивность входных импульсов 10 имп/с; относительную погрешность счета импульсов ±, где - число импульсов. Указанные функции могут быть обеспечены одним или группой приборов.

Электронный блок УПНК, стандартный образец и привод должны соответствовать пп.1.7, 1.9.

2.14.2. Подготовка и проведение измерений

Подключают ПЭП к установке, как показано на черт.37, и устанавливают его на стандартный образец. Схема расположения ПЭП на стандартных образцах должна соответствовать черт.38, 39. При этом каждой из указанных схем соответствуют следующие типы ПЭП: черт.38 - контактные прямые; черт.39 - наклонные. Перемещая ПЭП по поверхности образца, добиваются получения максимального эхо-сигнала от соответствующего каждому типу ПЭП отражателя, показанного на черт.38, 39 стрелками. Перемещение ПЭП, предназначенных для ручного контроля, осуществляет оператор, для автоматизированного - привод УПНК. Для обеспечения перемещения наклонного ПЭП параллельно отражающей поверхности или грани вручную следует установить опорную линейку.

Черт.38

Черт.39

Перемещая ПЭП к краю стандартного образца, находят границу, за которой наблюдается отклонение амплитуды эхо-импульса, вызванное отражением от боковых поверхностей стандартного образца. В дальнейшем при перемещении ПЭП не допускается переходить найденные границы.

Устанавливают регулировками УПНК частоту следования импульсов и скорость перемещения ПЭП, как указано в технических условиях на ПЭП конкретного типа. Устанавливают регулировками УПНК амплитуду эхо-импульса и усиление приемника такими, при которых обеспечивается линейное усиление эхо-импульса. Подготавливают измеритель статистических параметров для измерения числа импульсов определенной амплитуды в определенный интервал времени, поступающих с УПНК.

В зависимости от типа ПЭП и его назначения допускается выполнять измерение отклонений амплитуд эхо-импульсов как при сканировании ПЭП, так и при их перестановке на рабочую поверхность стандартного образца.

При сканировании ПЭП в период установившейся скорости перемещения выполняют измерение числа импульсов возбуждения и эхо-импульсов определенной амплитуды.

При перестановке ПЭП измеряют значения амплитуд эхо-импульсов в момент окончания притирки или прижатия ПЭП к стандартному образцу. Во время притирки или прижатия ПЭП к стандартному образцу не допускается оператору наблюдать за индикацией амплитуд эхо-импульса. Число переустановок (статистических испытаний) должно быть не менее 30. Вычисляют коэффициент вариации по формуле

,                                                                             (27)

где ; ; - среднее значение амплитуды эхо-импульса; - среднеквадратическое отклонение; - число статистических испытаний (объем выборок); - значения амплитуд эхо-импульсов, полученные в результате статистических испытаний, = 1, 2, 3, . . . .

Среднеквадратическое отклонение может быть вычислено по формуле

,                                                                 (28)

где - число, пропорциональное текущей амплитуде эхо-импульса; =1, 2, 3, ..., ; - объем выборки.

Измеренное граничное значение или его зависимость от скорости перемещения ПЭП или частоты следования импульсов, или параметров стандартных образцов с различными влияющими факторами являются функцией влияния акустического контакта .

2.15.1. Аппаратура

Измерение функции влияния следует проводить в климатической камере, которая должна обеспечивать возможность проведения измерений при фиксированной температуре ПЭП, стандартных образцов и акустических нагрузок в диапазоне от минус 50 °С до плюс 50 °С.

Электронный блок УПНК, стандартные образцы и акустические нагрузки должны соответствовать пп.1.7, 1.9, 2.8.

2.15.2. Подготовка и проведение измерений

Помещают в климатическую камеру измеряемый ПЭП, стандартные образцы и акустические нагрузки, выбираемые согласно пп.2.1, 2.8, 2.12.

Измеряют параметры , и ПЭП, как указано в пп.2.1, 2.8 и 2.12 в точках температурного диапазона, указанных в технических условиях на ПЭП конкретного типа. Функцией влияния температуры является зависимость и (или) и (или) от температуры.

В случаях, специально оговоренных в технических условиях на ПЭП конкретного типа, допускается не устанавливать стандартные образцы и акустические нагрузки в климатическую камеру. В этом случае измерения проводят при температуре стандартных образцов и акустических нагрузок, равной (20±5) °С, извлекая ПЭП из климатической камеры на срок не более 3 м

ин.

2.18.1. Измерение среднего уровня звукового давления или колебательной скорости, или интенсивности ультразвука в зоне контакта ПЭП с телом оператора проводится по ГОСТ 12.1.001 и "Санитарным нормам и правилам при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый контактным путем на руки работающих" N  2282-80, утвержденным Минздравом СССР от 29.12.80.

2.1. Собирают диэлектрический преобразователь по черт.41а, когда материал акустической нагрузки - органическое стекло, и по черт.41б или черт.41в - когда сталь или алюминиевый сплав. Подключают вывод А к источнику напряжения, вывод Б - к усилителю мощности или усилителю тока. Рабочую поверхность акустической нагрузки и внутренний диэлектрический слой преобразователя на черт.41в смазывают тонким слоем масла (трансформаторного, конденсаторного, веретенного). Тщательно разглаживая, укладывают остальные слои. Не допускается в слоях наличие морщин, изломов, вмятин. Если рабочая поверхность ПЭП нетокопроводящая, то ее следует также смазать маслом и притереть к ней слой алюминиевой фольги. Допускается вместо слоев алюминиевой фольги металлизировать поверхность акустической нагрузки и использовать лавсановую пленку с односторонней металлизацией толщиной 3-5 мкм.

2.2. Определяют для каждого типа используемых диэлектрических пленок значение напряжения поляризации. С этой целью увеличивают напряжение поляризации до появления мелких электрических пробоев пленки, которые наблюдаются в виде всплесков на экране измерителя АЧХ. За напряжение поляризации принимают максимальное напряжение, при котором не появляются мелкие электрические пробои. Для дальнейшей работы заменяют диэлектрические пленки на новые.

2.3. Определяют тщательность выполнения экранировки цепей. Для этого измеряют наибольшие значения изображения кривой на экране измерителя АЧХ при включенном и выключенном напряжениях поляризации. При выключенном напряжении поляризации наибольшее значение сигнала должно уменьшиться не менее чем на 20 дБ.

2.4. Устанавливают регулировками измерителя АЧХ диапазон частот, равный рабочей области частот ПЭП. Устанавливают проверяемый ПЭП на систему слоев и обеспечивают его прижатие к акустической нагрузке с диапазоном 100-500 кПа. Регулировками источника напряжения плавно устанавливают напряжение поляризации.

2.5. График изображения кривой на экране измерителя АЧХ является амплитудно-частотной характеристикой АЧХ и АЧХ при измерении по схеме черт.40а и черт.40б соответственно. Значения , , могут быть определены по экрану измерителя АЧХ или по графику, записанному графопостроителем.