WIMiC		Rok IV	GRUPA: I
Metody Badań Laboratorium	Mikroskopia Optyczna	Nr ćwicz.: 1
Data wykonania 09.11.2011r.	Data oddania 16.11.2011r.	Zwrot do poprawy	Data oddania	Data zaliczenia

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z metodami badań defektoskopowych oraz możliwościami wykorzystania ich do wykrywania wad podczas kontroli jakości wyrobów.

1. Wstęp teoretyczny

Metoda echa wykorzystuje zjawisko odbicia fali przechodzącej przez badany materiał od granicy z drugim ośrodkiem. Na podstawie obserwacji tego odbicia można wnioskować o występowaniu nieciągłości w materiale lub powierzchni wynikającej z kształtów badanego przedmiotu.

Mierząc czas t, jaki upływa od chwili wysłania fali ultradźwiękowej w głąb badanego materiału do chwili jej powrotu po odbiciu, można, w oparciu o znajomość prędkości c jej rozchodzenie się, określić przebytą przez nią drogę. Dzięki temu możliwe staje się zlokalizowanie powierzchni odbijającej, czyli określenie położenia wady

Defektoskop jest przyrządem służącym do badania defektów struktury ciał stałych. Współpracuję z głowicami ultradźwiękowymi , jego charakterystyczną cechą jest krótkie pobudzenie głowicy , która emituje do ośrodka badanego impulsową falę ultradźwiękową , oraz odbiór i zobrazowanie impulsów z głowicy ,powstałych w wyniku fal odbitych powracających do głowicy.

Defektoskop zbudowany jest z takich części jak:

• Przetwornik za pomocą którego przetwarza się energię drgań elektrycznych na energię drgań mechanicznych i odwrotnie.

• Zasilacz jest to układ dostarczający potrzebnych napięć żarzenia i anodowych, niezbędnych do zasilania podzespołów.

• Nadajnik jest generatorem drgań elektrycznych , najczęściej w kształcie tłumionej sinusoidy.

• Generator podstawy czasu , który wytwarza napięcie wzrastające liniowo w czasie

• Generator znaczników odległości jest generatorem przebiegów elektrycznych w kształcie fali prostokątnej o określonym czasie trwania jej odcinków poziomych

• Generator impulsów synchronizujących jest to generator wytwarzający impulsy elektryczne które pozwalają synchronizować generatory i nadajnik.

• Odbiornik jest szerokopasmowym wzmacniaczem , który wzmacnia impulsy elektryczne

• Wskaźnik jest to ekran lampy oscyloskopowej ,miernik cyfrowy lub miernik wychyłowy

Praca defektoskopu polega na przetworzeniu pewnego cyklu. Okres tego cyklu wyznacza generator impulsów synchronizujących powtarzanych z częstotliwości repetycji. Każdy impuls tego generatora uruchamia generator podstawy czasu i wyzwala nadajnik. Nadajnik pobudza silnym , krótkim impulsem elektrycznym głowicę nadawczą do drgań.

1. Wykonanie ćwiczenia, obliczenia oraz zestawienie wyników

Aparatura i materiały:

• Defektoskop ultradźwiękowy DI-40

• Głowica do fal podłużnych o częstotliwości 4 MHz oraz 6 MHz

• Ośrodek sprzęgający – olej

• Suwmiarka

• Próbki: Al₂O₃ gęsty i porowaty, SiC, ZrO₂, stal, żywica polimerowa

Naszym zadaniem było zmierzenie przy użyciu defektoskopu położenia pierwszego impulsu i dalszych ech dla wzorca 5μs oraz dla próbki Al₂O₃. Pomiary zostały wykonane 3 - krotnie, ponadto obliczyliśmy różnice odległości między echami. Wyniki tych pomiarów wraz z obliczeniami znajdują się w tabeli poniżej.

Defektoskop, z którego korzystaliśmy mierzył czas przejścia fali przez materiał oraz jej powrót do głowicy, nie drogę przejścia. W związku z tym przeliczono otrzymane dane w następujący sposób:

l = (0,001 *C_L) * (0,5*t) [0,001* m/s *µs = mm/µs]

Tabela 1. Wyniki czasu przejścia fali przez materiał mierzony w µs

Próbka	Mierzony Pik	1 pomiar	2 pomiar	3 pomiar	średnia	odchylenie	różnica czasów
Wzorzec 5µs	1 impuls	10,40	10,40	10,40	10,40	0,023	-
	1 echo	20,50	20,50	20,40	20,47		10,07
	2 echo	30,40	30,40	30,70	30,50		10,03
	3 echo	40,50	40,50	40,60	40,53		10,03
	4 echo	50,50	50,60	50,80	50,63		10,10
	5 echo	60,40	60,60	60,40	60,47		9,83
	6 echo	70,50	70,60	70,30	70,47		10,00
	średnia	40,46	40,51	40,51	40,50		10,01
Al2O3	1 impuls	4,60	4,80	4,50	4,63	0,356	-
	1 echo	8,40	8,40	8,40	8,40		3,77
	2 echo	12,30	12,40	12,50	12,40		4,00
	3 echo	15,20	15,20	15,30	15,23		2,83
	4 echo	16,70	18,00	17,80	17,50		2,27
	5 echo	17,80	19,80	19,10	18,90		1,40
	6 echo	19,70	23,00	21,80	21,50		2,60
	średnia	13,53	14,51	14,20	14,08		2,81

Tabela 2. Porównanie grubości próbki Al₂O₃

Al2O3	różnica czasów [µs]	Odchylenie	Prędkość fali w Al2O3 [m/s]	Wyliczona grubość [mm]	Grubość mierzona suwmiarką [mm]
	3,77	0,881	10597	19,98	20
	4,00			21,19
	2,83			14,99
	2,27			12,03
	1,40			7,42
	2,60			13,78
średnia	2,81			14,89

Średnia wartość czasu przejścia fali przez Wzorzec 5µs wynosi 10,01µs. Jest to czas przejścia fali przez mierzony materiał a następnie powrotu fali do głowicy, więc należy podzielić go przez dwa. W ten sposób otrzymujemy wielkość równą 5,005µs, jest ona różna od wzorcowej o 0,005µs. Można zatem uznać iż dokładność pomiarowa jest wysoka.

Średnia wyliczona grubość próbki Al₂O₃ różni się od grubości mierzonej suwmiarką o 5,11mm, jednakże odchylenie standardowe tychże pomiarów wynosi aż 0,881. Jest to wartość zbyt wysoka aby można było posługiwać się średnią tych pomiarów. Wynikać to może zarówno ze struktury samego materiału (wady, defekty) jak i niedokładności eksperymentatora. Pomyślny pomiar dokonany na materiale wzorcowym dowodzi iż nie jest to wada urządzenia pomiarowego.

Kolejnym zadaniem było określenie dla wzorca W-1, za pomocą defektoskopu odległości między ścianami płasko – równoległymi oraz położenie kilku wad względem ścian wzorca. Wyniki tych pomiarów zestawione są w tabeli 3.

Rys. 1 Wzorzec W-1 z naniesionymi miejscami pomiaru odległości.

Tab.2. Wyniki pomiaru odległości ścian i wad [mm] w wzorcu W-1 przy pomocy defektoskopu.

Położenie głowicy	Czas przejścia [µs]	Długość literaturowa [mm]	Wyjaśnienie
1	8,9	25	Odbicie od równoległej ściany
2	8,9	25	Odbicie od równoległej ściany
3	17,2	23	Wada – wprasowany polimer
4a	29,2	85	Odbicie od nacięcia
4b	31,2	91	Odbicie od równoległej ściany
4c	34,2	100	Odbicie od równoległej ściany
5	31,2	91	Odbicie od równoległej ściany
6	9,3	-	Ugięcie na krzywiźnie
7a	68,0	35	Odbicie od wady
7b	11,9	200	Odbicie od równoległej ściany
8	31,0	91	Odbicie od równoległej ściany
9	34,1	100	Odbicie od równoległej ściany
10a	5,1	15	Wada – otwór
10b	15,6	45	Wada – wprasowany polimer

Dla pomiarów w położeniu 10 głowicy ultradźwiękowej obserwowaliśmy kolejno pojawiające się impulsy przy zwiększaniu wzmocnienia aparatu do 99 dB. Następnie każdy z obserwowanych impulsów wprowadzaliśmy do bramki pomiarowej i odczytywaliśmy wartość jego położenia w [mm] (tab.4)

Tab.3. wyniki pomiaru położenia impulsów na lampie oscyloskopowej dla głowicy ultradźwiękowej w położeniu 10 dla wzorca W-1.

Nr impulsu	Odczyt z lampy oscyloskopowej [cm]	Odczyt z bramki [µs]
1	4,7	15,6
2	1,5	5,5
3	6,1	20,8
4	9,2	31,5
5	3,1	10,4
6	7,5	25,9

Graficzna interpretacja impulsów:

Ostatnim zadaniem był pomiar wymiarów próbek defektoskopem i zestawienie ich z rzeczywistymi wymiarami zmierzonymi suwmiarką.

• Al₂O₃

Kierunek	A1	A2	A3	B1	B2	B3	C1	C2	C3
Czas przejścia fali [µs]	4,3	4,5	4,6	4,2	4,6	4,3	4,2	4,4	4,5
Wymiary próbki – defektoskopem [mm]	22,78	23,84	24,37	22,25	24,37	22,78	22,25	23,31	23,84
Średnia	23,67	23,14	23,14
Wymiary próbki - suwmiarką	20	20	20
Prędkość fali ultradźwiękowej	10597

• Al₂O₃ belka

Kierunek	A1	A2	A3	B1	B2	B3	C1	C2	C3
Czas przejścia fali [µs]	2,9	3,1	3,2	4,2	4,3	4,4	21,7	21,9	22,0
Wymiary próbki – defektoskopem [mm]	15,37	16,43	16,96	22,25	22,78	23,31	114,98	116,04	116,57
Średnia	16,25	22,78	115,86
Wymiary próbki - suwmiarką	19,8	12,6	99,2
Prędkość fali ultradźwiękowej	10597

• SiC

Kierunek	A1	A2	A3	B1	B2	B3	C1	C2	C3
Czas przejścia fali [µs]	5,7	5,8	5,9	8,7	8,7	8,7	8,8	9,1	9,0
Wymiary próbki – defektoskopem [mm]	31,82	32,38	32,94	48,57	48,57	48,57	49,13	50,80	50,24
Średnia	32,38	48,57	50,06
Wymiary próbki - suwmiarką	15,1	47,8	47,9
Prędkość fali ultradźwiękowej	11165

• Pleksiglas

Kierunek	A1	A2	A3	B1	B2	B3	C1	C2	C3
Czas przejścia fali [µs]	21,3	21,9	22,0	19,0	19,1	19,0	8,7	8,4	8,5
Wymiary próbki – defektoskopem [mm]	29,07	29,89	30,03	25,94	26,07	25,94	11,88	11,47	11,60
Średnia	29,67	25,98	11,65
Wymiary próbki - suwmiarką	29,3	25,7	10,7
Prędkość fali ultradźwiękowej	2730

• ZrO₂

Kierunek	A1	A2	A3	B1	B2	B3
Czas przejścia fali [µs]	6,8	6,6	6,5	5,6	5,7	5,6
Wymiary próbki – defektoskopem [mm]	20,40	19,80	19,50	16,80	17,10	16,80
Średnia	19,90	16,90
Wymiary próbki - suwmiarką	16,7	10,1
Prędkość fali ultradźwiękowej	6000

• Stal

Kierunek	d1	d2	d3	D1	D2	D3
Czas przejścia fali [µs]	8,2	8,7	8,8	8,2	8,2	8,3
Wymiary próbki – defektoskopem [mm]	24,35	25,84	26,14	24,35	24,35	24,65
Średnia	25,44	24,45
Wymiary próbki - suwmiarką	24,2	148,3
Prędkość fali ultradźwiękowej	5940

1. Wnioski

Metoda ultradźwiękowa którą badaliśmy próbki różnych materiałów jest wygodną nieniszczącą techniką.Stosowaliśmy ją w celu porównania wyników otrzymanych z pomiaru próbek suwmiarką. Wyniki przez nas uzyskane dla większości próbek są zbliżone.Różnice możemy zaobserwować w stali,której wymiary zmierzone za pomocą suwmiarki są różne,natomiast za pomocą ultradźwięków zbliżone czego powodem mógł być nasz błędny odczyt. Niewielką różnice można zaobserwować w ZrO₂ w jednym kierunku,a także w Al₂O₃ w jednym z trzech kierunków. Różnice te mogą być spowodowane napotkaniem na drodze przejścia fali zdefektowania,które utrudniło jej przejście. Możliwejest też,jak w przypadku porowatego Al₂O₃ napotkaniem na drodze fali porów odbijających falę. Różnicę w wymiarach mogło spowodować ponadto tłumienie, czyli osłabienie fali przez co fala dłużej przechodzi przez materiał a tym samym powoduje mylny odczyt wymiaru.