Politechnika Śląska

w

Gliwicach

Laboratorium

Zintegrowane Czujniki Pomiarowe

Temat: Czujniki ultradźwiękowe

Systemy Pomiarowe

Sekcja IV

Rafał Gryc

Dariusz Chmiel

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z czujnikami ultradźwiękowymi jakimi są głowice ultradźwiękowe, oraz sposobu ich wykorzystania.

2) Przebieg ćwiczenia

Na początku ćwiczenia zidentyfikowaliśmy główne parametry głowicy:

- głowica 2LN25

• typ - jednoprzetwornikowa

• częstotliwość drgań 2MHz

• średnica głowicy 25mm

• kąt wnikania 0°

• poprawka 1,2 μs

• pole bliskie 44mm

Następnym elementem przygotowującym urządzenie do pracy jest kalibracja. Stosuje się ją w celu wprowadzenia poprawki. Na stanowisku znajdował się reflektor wzorcowy, który odbija fale dźwiękowe w ściśle określony przez normy sposób. Po sprawdzeniu czujnika okazało się, że należy wprowadzić poprawkę 2,34 mm

Mając przygotowane stanowisko pracy przystąpiliśmy do badania czujnika. Pierwszy badanym parametrem był zapas wzmocnienia.

Zapas wzmocnienia jest to wielkość różnicy wzmocnień, przy której wysokość echa odniesienia i echa szumów różnią się dwukrotnie , czyli o 6dB

ZW = W_sz - W_o

W_o - wzmocnienie defektoskopu potrzebna do uzyskania echa o wysokości 0,4 H

dla głowic normalnych echo dna wzorca W1 odległe o 25 mm , a dla głowic skośnych echo od powierzchni cylindrycznej o promieniu R=100 mm.

W_SZ - wzmocnienie defektoskopu dla którego wysokość ścieżki szumu na ekranie osiąga 0,2H. Jeżeli dla W_max szumy są niższe niż 0,2H to W_SZ = W_MAX

W_SZ = 42 dB

W_O = 25 dB

ZW = 42 - 25 = 17 dB

Następnym czynnikiem charakteryzującym czujnik jest zdolność rozdzielcza.

Zdolność rozdzielcza - miara rozróżniania wad blisko siebie leżących. Najmniejsza odległość `r' w mm wad dających echa różniące się o `n' dB. Przy czym `wklęśnięcie' poniżej najmniejszego echa wynosi 6 dB.

Mamy do dyspozycji trzy piki, oznaczające szczeliny coraz mniejsze szczeliny.

Pierwszy pik z drugim

a = 31,82 dB

b = 21,58 dB

drugi pik z trzecim

a = 39,18 dB

b = 19,08 dB

r[%] = 51%

Badanie współczynnika wzmocnienia

Tłumienie fali określa spadek ciśnienia fali na skutek procesów pochłaniania i rozpraszania. Współczynnik tłumienia α jako stosunek względnego spadku ciśnienia fali ΔP wyrażonego w dB do przebytej drogi Δl. Spadek ten odpowiada różnicy poziomów cech na ekranie defektoskopu wyrażonej w dB

ΔP = ΔW - ΔW_OWR

ΔW - różnica wzmocnień pomiędzy pierwszym i trzecim pikiem.

ΔW = 42,08 - 31,64 = 10,44 dB

Pole bliskie głowicy wynosi ( dane techniczne 44mm)

- obliczone

Unormowana odległość dna

Δl = 200 mm

dla g/N =2 y = 4,12 dB

dla g/N = 6 y = 12 dB

ΔW_OWR = 12 - 4,12 = 7,88 dB

czyli α = 0,0128 dB

Metody pomiaru czujnikiem ultradźwiękowym są dwie: metoda echa i metoda przejścia. W metodzie echa wykorzystujemy głowicę będącą jednocześnie nadajnikiem i odbiornikiem fali. Odbierane jest echo powstające na skutek odbicia od granicy dwóch różniących się opornością falową ośrodków. W metodzie przejścia wykorzystuje się dwie głowice, z których jedna pracuje jako nadajnik, a druga jako odbiornik sygnału po przejściu przez badany materiał.

3. Wnioski

Czujniki ultradźwiękowe piezoelektryczne mają bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle jak i w życiu codziennym człowieka. Możemy je wykorzystać do badania składu chemicznego substancji, wykrywania wad w materiale, pomiary grubości materiału - np. do wykrywania grubości rurociągu co pozwala określić grubość osadu jaki się w nim nagromadził - to było główne zastosowanie badanych na laboratorium czujników. Pewną wadą tych czujników była konieczność dokładnego przylegania do badanego materiału. Uzyskiwaliśmy to smarując powierzchnie wazeliną przemysłową. Badane czujniki posiadały duży zapas wzmocnienia, dobrą zdolność rozdzielczą i małe tłumienie w odniesieniu do wzorca. Za wadę można przyjąć, że głowica po zamontowaniu wymaga kalibracji, a pewnego myślenia wymaga dobranie odpowiedniej częstotliwości.

Również w medycynie czujniki ultradźwiękowe znalazły zastosowanie - mianowicie w ultrasonografi. Dziedzina gdzie czujniki piezoelektryczne są niezastąpione to sejsmologia. Za ich pomocą bada się natężenia trzęsień ziemi, a przy okazji można zbadać skład chemiczny ziemi lub np. odkryć, że prędkość kątowa jądra ziemi jest mniejsza niż płaszcza.

Jednym z najnowszych osiągnięć techniki jest czujnik wykrywający zawartość pojemnika ( głównym jego przeznaczeniem ma być wykrywanie zawartości pocisków bojowych ). Jest zbudowany z dwóch przetworników piezoelektrycznych, z których jedna jest nadajnikiem, a druga odbiornikiem. Czujnik wyszukuje maksima rezonansowe wytwarzane przez badany układ, wzbudzając go emitowanymi przez głośnik falami akustycznymi, których częstotliwość wzrasta stopniowo od 1 kHz do 15 MHz. Analizując maksima i minima widma oraz ich zmiany ze wzrostem częstotliwości wzbudzenia, komputer oblicza gęstość nieznanego materiału, zdolność do pochłaniania dźwięków o różnych częstotliwościach oraz prędkość rozchodzenia się fali akustycznej. Na podstawie tych parametrów obliczany jest skład pojemnika. Urządzenie można wykorzystać do monitorowania skażenia wody lub wykrywania bakterii w puszkach z kawą i kartonach z mlekiem.

Świat nauki - luty 1998

4

---