Пьезоэлектрический преобразователь: без него любой дефектоскоп – просто умная коробка​

Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) - устройство, преобразующее акустические сигналы в электрические и наоборот и предназначенное для прозвучивания объекта при проведении ультразвукового контроля (УЗК). Принцип работы ПЭП основан на обратном (при излучении упругих колебаний) и прямом (при приёме отражённых сигналов) пьезоэффекте. Датчики для ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) и толщинометрии (УЗТ) должны соответствовать ГОСТ Р 55725-2013 "Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования". Пьезоэлектрические преобразователи (они же - электроакустические преобразователи, или ЭАП) перемещают по поверхности объекта контроля (ОК) вручную (при ручном ультразвуковом контроле - РУЗК) либо при помощи механических (при механизированном ультразвуковом контроле - МУЗК) или автоматизированных (АУЗК) сканирующих приспособлений. Чаще всего ПЭП подключаются к ультразвуковым дефектоскопам и толщиномерам при помощи кабеля (например, через разъёмы Lemo 00, BNC, СР-50, IPEX, Microdot и другие), но встречаются толщиномеры со встроенным датчиком (например, А1207). Последний вариант предназначен разве что для экспресс-контроля, поскольку пьезоэлектрические преобразователи подвержены изнашиванию из-за неравномерного усилия прижима (особенно при РУЗК) и сканирования по грубой поверхности. Руководящие нормативные технические документы (НТД) чаще всего требуют, чтобы шероховатость поверхности ввода не превышала Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм), что на практике обеспечивается не всегда. Для ультразвукового контроля металлов и сварных соединений обычно используются прямые и наклонные совмещённые и раздельно-совмещённые пьезоэлектрические преобразователи с рабочими частотами от 1,25 до 10,0 МГц, с прямоугольными и круглыми пьезоэлементами размером до 25 мм. В зависимости от угла падения в призме, среза пьезопластины - наклонные ПЭП используются для возбуждения продольных, поперечных (сдвиговых), головных, нормальных, поверхностных волн. Прямые пьезоэлектрические преобразователи предназначаются преимущественно для продольных волн, хотя и здесь есть исключения, способные возбуждать сдвиговые волны. Выбор ПЭП определяется нормативной технической документацией (НТД) и операционной технологической картой (ОТК) на контроль.

Содержание:​

Как устроены пьезоэлектрические преобразователи
ПЭП для эхо-импульсного метода УЗК
Типы ПЭП
Маркировка ПЭП
Выбор ПЭП под конкретные задачи
Где покупать хорошие ПЭП

Конструкция и основные элементы пьезоэлектрических преобразователей​

В классическом виде датчик ПЭП представляет собой устройство из нескольких важных функциональных частей.

• Пьезоэлемент. Это ключевой компонент, который непосредственно за счёт своей деформации совершает упругие колебания под действием высокочастотных электрических (зондирующих импульсов), возбуждая тем самым ультразвуковые волны. Это и есть обратный пьезоэффект: под воздействием электрических импульсов пластина сжимается и расширяется по толщине. Когда же пьезоэлектрический преобразователь принимает эхо-сигналы (например, от донной поверхности, боковых стенок или от несплошностей) - то срабатывает прямой пьезоэффект: в результате деформации пьезопластины возникает электрический сигнал, который передаётся на электронный блок дефектоскопа или толщиномера. Пьезоэлемент представляет собой круглую, прямоугольную либо - редко - кольцеобразную пластину из пьезокерамики, которая изготавливается из порошковых материалов – цирконата титаната свинца, титаната бария, ниобата свинца и т.д. Низкочастотные ПЭП (для работы в диапазоне частот от 0,015 до 0,1 МГц) оснащаются многослойными пьезоэлементами, состоящими из нескольких склеенных между собой пластин. От толщины пьезоэлемента зависит длина волны (первое должно быть в 2 раза меньше второго), рабочая частота, лучевая разрешающая способность, величина мёртвой зоны и уровень структурных шумов (особенно при прозвучивании крупнозернистых сплавов, например, аустенитной стали). Чем больше площадь пьезопластины, тем больше её ближняя зона, тем меньше ширина диаграммы направленности (показывает распределение звукового давления в зависимости от угла между направлением луча и акустической осью пучка) - тем выше фронтальная разрешающая способность (минимальное расстояние между двумя отражателями одинакового размера, при котором они фиксируются на развёртке отдельно). При этом - с увеличением размера (диаметра у круглых пьезопластин либо длины и ширины у прямоугольных пьезопластин) увеличивается размер контактной (рабочей) поверхности ("подошвы") пьезоэлектрического преобразователя. При ультразвуковом контроле объектов цилиндрической формы малого диаметра (например, труб) это может создать трудности с обеспечением акустического контакта.
• Электроды, напаянные на поверхности пьезопластины. Чаще всего изготавливаются из никеля или серебра в виде наплавляемого электропроводящего слоя толщиной до нескольких тысячных миллиметра. Электроды нужны для того, чтобы электрический сигнал распределялся по пьезоэлементу равномерно. За подведение и снятие электрического напряжения с электродов отвечают проводники.
• Катушка. Часть резонансного контура генератора, назначение которой – обеспечение наибольшего коэффициента преобразования электрической энергии в упругую, и наоборот.
• Протектор («подошва»). Основная функция – защищать прямой ПЭП от изнашивания, дополнительная – обеспечение стабильного акустического контакта с объектом. Это подверженный механическому изнашиванию элемент. Протекторы изготавливаются из полиуретана, кварцевого стекла, сапфира, бериллия, ситалла, керамики, эпоксидной смолы или даже резины. Есть модели и с металлизированным протектором – например, прямой низкочастотный П111-0,08-М26 от НПЦ «Кропус» для теневого режима. Также встречаются сменные накладки из эластичных пластмасс и полиуретана - для сканирования по грубым поверхностям с большой шероховатостью, если нет высоких требований к соотношению сигнал/шум.
• Демпфер. Подавляет инерционные свойства пьезопластины. Выполняется из композитов, в которых есть рассеиватели (порошки тяжёлых металлов и их окислов) и связующий компонент (эпоксидная смола или компаунд). Акустические сопротивления материалов, из которых изготовлены демпфер и пьезоэлемент, должны быть взаимосогласованными. Хороший демпфер гасит свободные колебания пьезоэлемента, позволяя тем самым получать короткие импульсы без многократных отражений. Дополнительно к этому на обратной стороне демпфера делаются специальные вырезы, выдерживается тонкая воздушная прослойка между наполнителем и корпусом. Всё это способствует уменьшению мёртвой зоны при контроле.
• Призма (у наклонных пьезоэлектрических преобразователей и РС ПЭП). Обеспечивает необходимый тип волны (процесс распространения упругих колебаний в объекте) с заданным углом ввода (может достигать 90 градусов). Призмы обычно производят из оргстекла, кварцевого стекла и особых полимеров (поликарбонат, полистирол). Материал подбирается с таким расчётом, чтобы как можно быстрее подавлять повторные отражения (реверберацию). Пьезоэлектрические преобразователи - фазированные решётки часто оснащаются сменными призмами.
• Экран. Задача – изолировать излучатель от приёмника акустически и электрически. Экран должен обладать высоким коэффициентом затухания ультразвука, поэтому его изготавливают из пенопласта и пробки. Также на экран наносят электроизолирующее покрытие. Идеальный расклад – когда сигналы от излучателя будут передаваться на приёмник исключительно через объект контроля. Правда, в действительности добиться этого практически невозможно, и незначительный переход всё равно имеет место.
• Корпус. Защищает внутренние элементы пьезоэлектрического преобразователя, обеспечивает их эргономичную компоновку в единую конструкцию и обеспечивает дополнительное экранирование от электромагнитных помех. Выполняется из прочных, но лёгких сплавов – алюминия, латуни и пр. Встречаются ПЭП и в пластиковом корпусе, с дополнительной металлизацией. Часто производители наносят на корпус миллиметровые шкалы и вспомогательные риски для более точного определения стрелы, точки выхода и местоположения выявленных дефектов.
• Разъёмы. Самые распространённые – Lemo 00, BNC, у миниатюрных датчиков – Microdot, у фазированных решёток - IPEX. Они нужны для подключения к электронному блоку дефектоскопа посредством коаксиального кабеля, по которому передаются сигналы. Пьезоэлектрические преобразователи могут иметь встроенный (впаянный) либо быстросъёмный кабель. Первый вариант особенно часто практикуется в прямых РС ПЭП для толщинометрии, так как позволяет уменьшить габариты датчика и сделать его более удобным для замеров в труднодоступных местах. Сами разъёмы могут располагаться на одной из боковых граней корпуса ПЭП либо "выходить" через верхнюю часть.

Конструкция специализированных пьезоэлектрических преобразователей может иметь некоторые отличия от стандартного исполнения. Так, для толщинометрии тонкостенных изделий и объектов под покрытиями часто используются прямые совмещённые ПЭП с линией акустической задержки, например, из материала Rexolite. У высокотемпературных ПЭП для ультразвуковой толщинометрии при повышенной температуре часто предусматривается съёмная теплоотводящая оснастка, а кабель - с защитным "бронированием".

Ультразвуковая дефектоскопия эхо-методом с применением пьезоэлектрических преобразователей​

Чтобы лучше понять назначение и принцип их работы, рассмотрим простейший кейс - УЗК стыкового сварного соединения с использованием контактного наклонного совмещённого преобразователя поперечной (вертикально поляризованной) волны.

1. Дефектоскоп (электронный блок) с определённой частотой (частотой посылок) подаёт на пьезопластину датчика возбуждающие электрические сигналы, под действием которых та деформируется.
2. В результате этой деформации происходит смещение пьезоэлемента (сжатие-растяжение по толщине) - упругие колебания передаются в призму. Так в ней под определённым углом (углом призмы, или углом падения) распространяется плоская продольная волна, с некоторым расхождением лучей.
3. В точке выхода из призмы, через слой контактной жидкости в объект контроля вводится поперечная волна - за счёт преломления и трансформации продольной волны. Ось пучка при этом направлена под определённым углом (углом преломления, или углом ввода), как правило, в диапазоне между первым и вторым критическим углом. Для границы раздела оргстекло-сталь они составляют 27 градусов и 55 градусов соответственно. Из-за того, что продольная волна в призме не идеально плоская (см. п. 2) - в ОК, помимо поперечной волн, присутствует и продольная волна. Сама же поперечная волна - вертикально поляризованная, но из-за трансформации боковых лучей, плоскость которых отличается от плоскости акустической оси (волновой пучок - это "трёхмерный" пространственный объём, ширина которой увеличивается с расстоянием), в ОК присутствует также составляющая горизонтально поляризованной волны.
4. При наличии несплошности колебания отражаются от неё, возвращаются на пьезопластину и вновь деформируют её (прямой пьезоэффект), вследствие чего на электронный блок дефектоскопа поступает электрический сигнал. Его можно наблюдать на дисплее прибора. Обычно чем больше площадь и глубина залегания дефекта, тем больше амплитуда эхо-сигнала и тем правее он расположен на развёртке (тем больше времени нужно, чтобы сигнал дошёл). Разумеется, пока генерируется зондирующий импульс, пластина деформирована и потому не всегда способа принимать обратные колебания. Чем ближе дефект к поверхности, тем короче путь эхо-сигнала и тем выше вероятность, что он просто затеряется на фоне шумов. Минимальное расстояние (и время прохождения сигнала) от поверхности до несплошности, при котором обеспечивается чёткая идентификация эхо-сигнала, называется мёртвой зоной. У разных пьезоэлектрических преобразователей она разная, и чем она меньше, тем лучше, так как это позволяет выявлять дефекты ближе к поверхности. В общем случае, у прямых совмещённых ПЭП мёртвая зона достигает 5-10 мм, у раздельно-совмещённых - от 0,5 до 1 мм. У наклонных - от 1 до 5 мм. Имеющиеся в ОК дефекты - не единственный возможный отражатель. На развёртке дефектоскопа могут также наблюдаться собственные шумы (их амплитуда и длительность зависят от реверберационно-шумовой характеристики пьезоэлектрического преобразователя), сигналы-фантомы (отражения от сигналов предыдущих посылок, которые не успели затухнуть) и ложные эхо-сигналы (от боковых стенок, от валика усиления, неровностей сварного шва, провисов, подкладного кольца и пр.). Оценка эхо-сигналов в зоне контроля - сложная работа, требующая высокой квалификации дефектоскописта ультразвукового контроля.
5. Дефектоскоп измеряет время прохождения сигнала до несплошности и обратно. Умножая это значение, разделённое на «2», на заранее выбранную скорость распространения УЗ-сигналов (задаётся оператором в зависимости от материала), прибор вычитает время задержки в призме (протекторе) и тем самым определяет расстояние от поверхности до дефекта, то есть глубину его залегания.

В зависимости от траектории перемещения пьезоэлектрического преобразователя сканирование может быть продольно-поперечным либо поперечно-продольным. Первый вариант чаще используется для толстостенных ОК: ПЭП перемещают вдоль сварного шва, периодически сдвигая его на определённое расстояние. Второй способ сканирования - поперечно-продольный - состоит в перемещении датчика в продольном направлении относительно контролируемого шва, опять же с систематическим смещением на определённое расстояние в поперечном направлении. Это расстояние называется шагом сканирования. Его величина зависит от НТД и ОТК и обычно не должна превышать половину диаметра (или ширину) пьезоэлемента, либо не более 2-3 мм. Скорость сканирования при РУЗК обычно должна быть в пределах 100-150 мм/с. При МУЗК и АУЗК она выше.

Типы пьезоэлектрических преобразователей​

Под огромное количество задач ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии сегодня выпускается множество самых разных ПЭП. Попробуем разобраться хотя бы с основными их разновидностями.

• Общего назначения и специализированные. В первом случае речь идёт об универсальных датчиках для стандартных задач УЗК. Пример – наклонный совмещённый П121-2,5-45-М-002 с диапазоном контроля по стали от 0,7 до 50,0 мм, который широко применяется для контроля сварных соединений трубопроводов и сосудов. К специализированным ПЭП относятся высокотемпературные (для нагретых поверхностей до 400, 600 или даже до 1000 градусов - правда, для таких обычно требуются волноводы), миниатюрные (для стеснённых условий), низкочастотные иммерсионные и др. В авиастроении для контроля изделий из композитов и сотовых конструкций применяются ударные преобразователи (например, УДп-60). Существуют датчики для ультразвуковой дефектоскопии резьбовой части бурильных труб, вагонных осей, с переменным углом ввода, для паянных, точечных сварных соединений и т.д.
• Прямые, наклонные и комбинированные. Прямые ПЭП излучают продольные колебания по нормали к поверхности, наклонные – рассчитаны на поперечные колебания (под углом относительно поверхности объекта). Одна из разновидностей наклонных пьезоэлектрических преобразователей – хордовые датчики изогнутой формы, предназначенные для ультразвуковой дефектоскопии трубопроводов из металла и полиэтилена. Приёмный и излучающий блоки разнесены друг от друга таким образом, чтобы их акустические оси пересекались. С хордовыми ПЭП очень эффективно выявлять вертикально-ориентированные продольные несплошности в трубопроводах малой толщины (3-8 мм) и наружного диаметра (до 325 мм).
• Совмещённые и раздельно-совмещённые. Первые могут как излучать, так и принимать сигналы. В раздельно-совмещённых (РС) ПЭП за это отвечают два отдельных блока, разделённых акустическим экраном. Такое исполнение привлекательно минимальной мёртвой зоной. РС ПЭП внешне отличаются наличием двух разъёмов (по одному на каждый пьезоэлемент). Раздельно-совмещённые ПЭП могут быть как прямыми, так и наклонными (хордовыми).
• Контактные и иммерсионные. Первые – либо непосредственно соприкасаются с объектом контроля, либо находятся от него на очень незначительном расстоянии (меньше половины длины волны в контактирующей среде). Для нормальной работы иммерсионного ПЭП между его «подошвой» и поверхностью необходимо нанести слой жидкости, толщина которого превышала бы пространственную протяжённость акустического импульса (или несколько длин волны, по ГОСТ Р 55724-2013). Также в некоторых источниках выделяется категория контактно-иммерсионных преобразователей, рассчитанных на работу с так называемой локальной иммерсионной ванной. По классификации, приведённой в ГОСТ Р 55725-2013, пьезоэлектрические преобразователи по способу акустического контакта разделяются только на 2 группы - контактные и иммерсионные. Последние, согласно ГОСТ Р ИСО 5577-2009 "Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль. Словарь", сконструированы специально для работы при полном либо частичном погружении в контактную жидкость.
• Узко- и широкополосные. Первые отличаются от вторых тем, что имеют чётко выраженную резонансную частоту, при которой наблюдается максимальная амплитуда колебания пьезопластины. Узкополосные пьезоэлектрические преобразователи, как это явствует из названия, обладают узкой полосой пропускания. Речь идёт о диапазоне частот, в рамках которого колебания пьезоэлемента изменяются не более чем в 2 раза. У широкополосных датчиков, соответственно, полоса пропускания широкая, но явно выраженная резонансная частота отсутствует.
• Продольных, поперечных (сдвиговых), поверхностных (волны Релея), нормальных ультразвуковых (волны Лэмба) или головных волн. Тут всё зависит от объекта, типа, размеров, предполагаемого местонахождения и ориентации дефектов. И, конечно, от руководящей НТД на контроль. Если вкратце, то продольными называют волны, направление распространения которых совпадает с направлением колебательного движения отдельных частиц. Особенность поперечных волн в том, что колебание отдельных частиц происходит перпендикулярно их распространения. Одним из вариантов их сочетания являются поверхностные волны, которые распространяются вдоль свободной либо слабо нагруженной границы твёрдого тела и быстро затухают с глубиной. Наконец, выделяют головные (вытекающие, ползучие) волны – неоднородные продольно-проверхностные, боковые и продольно-подповерхностные волны, возникающие при падении ультразвукового пучка на границу раздела под углом, близком к первому критическому. Преимущество головных волн в том, что они нечувствительны к неровностям поверхности объекта и позволяют выявлять приповерхностные дефекты на глубине 2-8 мм (по некоторым источникам - до 15 мм). Технологии ультразвукового контроля с применением головных волн особенно популярны в атомной энергетике. В России этот феномен связан, прежде всего, с именами великих учёных Игоря Николаевича Ермолова и Николая Павловича Разыграева – ярчайших представителей ЦНИИТМАШ (московская школа УЗК). Ещё существуют специализированные ПЭП для так называемого LLT-способа, при котором преобразователь излучает продольную волну, а принимает - трансформированную поперечную.
• Фокусирующие и нефокусирующие. Первые от вторых отличаются тем, что способны сосредотачивать акустическую энергию в узкой области. Для этого в фокусирующих пьезоэлектрических преобразователях предусматривают криволинейную пьезопластину (активный концентратор) либо специальную линзу. К важным характеристикам фокусирующих датчиков относятся фокусное расстояние, глубина и ширина фокуса. Чаще всего в неразрушающем контроле для поиска дефектов применяются нефокусирующие ПЭП, у которых нет этих элементов. Фокусирующие больше подходят для тщательного измерения характеристик отражателей, определения их морфологических и иных признаков.
• Притёртые и непритёртые. В первом случае речь идёт о новых датчиках в стандартном исполнении, с ровной «подошвой». Притёртые пьезоэлектрические преобразователи отличаются тем, что проходят механическую обработку рабочей поверхности для более плотного контакта с цилиндрическим объектом (трубопроводом, сосудом). Это требуется, если наружный диаметр объекта меньше 400 мм (если он превышает ширину рабочей поверхности ПЭП менее чем в 15 раз). Контактную часть притирают по индивидуальным заказам – под конкретный диаметр.
• С круглым либо прямоугольным активным пьезоэлементом. Если оставить за скобками эргономику и удобство удержания датчика, то важна не только форма пьезоэлемента, но и его эффективная площадь. О сравнении пьезоэлектрических преобразователей с круглой и прямоугольной пьезопластиной есть сюжет на YouTube-канале "Дефектоскопист.ру".

В классической ультразвуковой дефектоскопии большинство задач решаются при помощи прямых совмещённых (с продольными волнами), наклонных совмещённых (с поперечными волнами) и раздельно-совмещённых прямых (с продольными либо поперечными волнами) пьезоэлектрических преобразователей.

Помимо ПЭП для традиционного УЗК, отдельно стоит сказать о решениях для более продвинутых технологий контроля.
1) Фазированные антенные решётки (ФАР, ФР). Суть этой технологии в том, чтобы при помощи электроники управлять формой и ультразвуковым лучом (направлением распространения максимальной энергии волнового процесса) посредством акустического блока, в котором объединены множество пьезоэлементов. Фазированную антенную решётку ещё называют матричным преобразователем. Он обычно содержит от 16 до 256 последовательно возбуждаемых элементов. Каждый из них посылает сигнал по специально заданной схеме и с управляемой задержкой (по так называемому фокальному закону), при этом из отдельных компонентов луча формируется единый фронт волны, который распространяется в заданном направлении. Приёмник, соответственно, объединяет все эти сигналы от элементов в единую «картину» (развёртку). Дефектоскопы на фазированных решётках позволяют оператору менять угол луча, фокальное расстояние и размер электронного пятна. Всего один многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь с призмой обеспечивает возможность секторного сканирования под разными углами, при этом его даже не обязательно перемещать по поверхности. Так работает функция мультиплексирования, и это очень удобно при обследовании объектов со сложной геометрией. Повышается выявляемость дефектов, точность измерения их размеров и координат. Резко увеличивается производительность УЗК. Главным недостатком фазированных решёток пока остаётся только стоимость. В остальном – это очень перспективное решение, которое уже благополучно применяется в различных отраслях, от нефтегазового сектора до атомной энергетики. Примеры фазированных ПЭП – раздельно-совмещённый 7.5DL32-32X5-REX1-P-2.5-OM-IHC-RW для коррозионного мониторинга, 16-элементная антенная решётка 2L16-1.4x20-В17 от НПЦ «Кропус» и другие.
2) Пьезоэлектрические преобразователи для технологии TOFD (Time of Flight Diffraction, что переводится как «дифракция времени пролёта»). Способ построен на том, чтобы зафиксировать время прохождения и приёма дифрагированных волн через сечение основного металла или сварного соединения. В традиционном УЗК, напомним, основное внимание уделяется изменению амплитуды сигнала, которое в TOFD не имеет значения. Там, где дефектов нет, волна сохранит своё направление и будет зафиксирована приёмником в заданный временной промежуток. На участках с несплошностями всё будет иначе. По взаимодействию волн с краями выявленной неоднородности формируется чёткое представление об её размерах и местоположении. Для контроля по технологии TOFD используются два наклонных датчика ПЭП, располагающиеся на одном уровне. Один – излучатель, второй – приёмник. По достоверности, точности и воспроизводимости результатов TOFD очень близок к радиографии. Всего за один проход (вручную или при помощи механизированного/автоматизированного сканера) удаётся выявлять дефекты любой пространственной ориентации. Отпадает потребность в дополнительном прозвучивании при помощи прямого ПЭП. Записанные в режиме TOFD сканы могут храниться в цифровом виде сколько угодно времени. Слабые стороны у данной технологии тоже имеются. Она не очень сочетается с искривлёнными поверхностями, часто нуждается в предусилителе, чувствительна к шуму от зёрен металла. Многие современные сканеры и дефектоскопы позволяют сочетать технологии TOFD, режима импульс-эхо и фазированных решёток. Примеры пьезоэлектрических преобразователей для TOFD – Sendast П113 от NDT Club, TF10C6L от НПЦ "Кропус". Стандартные углы ввода – 45, 50, 60, 70 градусов.

Наконец, нельзя не упомянуть электромагнитно-акустические (ЭМА) преобразователи, которые не нуждаются в контактной жидкости, не требуют зачистки поверхности и имеют больший рабочий ресурс. На данную технологию возлагают большие надежды в контексте развития средств неразрушающего контроля. Когда-то они были слишком громоздкими и обладали слишком малой чувствительностью по сравнению с пьезоэлектрическими. Современные ЭМАП отличаются более компактными габаритами, меньшим весом, более высокой чувствительностью.

Как расшифровывается маркировка ПЭП для УЗК​

Как правило, её наносят на шильдик, закреплённый на верхней грани корпуса. Маркировка должна быть легко читаемой, устойчивой к контактным гелям, техническим жидкостям и абразивным частицам. В стандартном виде условные обозначения датчиков в самом начале содержат литеру «П» («преобразователь»), после которой идёт такая последовательность цифр:

• «1» (контактный), «2» (иммерсионный) или «3» (контактно-иммерсионный);
• «1» (прямой), «2» (наклонный) либо «3» (комбинированный);
• «1» (совмещённый), «2» (раздельно-совмещённый) либо «3» (раздельный).

После этих цифр через тире указывается рабочая частота, затем - тоже через тире - угол ввода. Маркировка пьезоэлектрических преобразователей разных марок может отличаться. Производители могут дополнять её указанием индивидуального номера, частоты, угла ввода, размера пьезоэлемента, обозначения торговой марки и пр. Пример обозначения прямого совмещённого ПЭП марки «АМКРО» – П111-1,25-П20. Прямой раздельно-совмещённый преобразователь этого же бренда с пьезоэлементом 4x4 мм и номинальной частотой 10 МГц обозначается как DF1044 (П112-10-4x4).

Несмотря на существование «каноничной» маркировки производители часто используют индивидуальные обозначения. Так, в линейке "TWN Технолоджи" есть совмещённый наклонный преобразователь TWN-MSW-F5D6 с углом ввода 60 градусов и частотой 5 МГц.

Как не ошибиться с подбором ПЭП​

Многие параметры пьезоэлектрического преобразователя относятся к основным параметрам контроля, которые определяют его достоверность.

• Рабочая частота (МГц). Имеется в виду рабочая частота – та, при которой наблюдается максимальная амплитуда эхо-импульса от опорного отражателя. Например, от цилиндрической поверхности меры СО-3. В старом стандарте ГОСТ 14782-86 для проверки рабочей частоты пьезоэлектрических преобразователей был предусмотрен стандартный образец СО-4, но в актуальном ГОСТ Р 55724-2013 такого образца уже нет - ввиду низкой точности такого способа определения частоты. Чем выше рабочая частота ПЭП, тем меньше длина волны - тем меньше минимальный эквивалентный размер доступных для выявления отражателей. Тем меньше ширина диаграммы направленности, тем выше лучевая и фронтальная разрешающая способность, тем меньше мёртвая зона. Вместе с тем, с повышением частоты - увеличивается ближняя зона, коэффициента затухания, уровень структурных шумов при прозвучивании крупнозернистых сплавов и уровень собственных шумов ПЭП. Каждый пьезоэлектрический преобразователь имеет определённую рабочую частоту, которая указывается на его шильдике и в паспорте.
• Угол ввода (у наклонных ПЭП). Это угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей точку выхода ультразвуковых волн и центр бокового цилиндрического отверстия диаметром 6 мм в образце СО-2. Угол ввода обычно меньше угла акустической оси (центрального луча) преобразователя либо равен ему. Отклонение тем больше, чем больше глубина залегания несплошности и чем шире диаграмма направленности. Фактический угол ввода луча зависит также от скорости ультразвуковой волны в призме и в материале ОК, а также от их температуры. В соответствии с ГОСТ Р ИСО 5577-2009 "Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль. Словарь", следует различать угол преломления (угол между акустической осью преломлённого пучка и нормалью к границе раздела сред) и номинальный угол ввода (номинальное значение угла преломления конкретного ПЭП для определённого материала и температуры). Как правило, наклонные пьезоэлектрические преобразователи имеют один конкретный номинальный угол ввода, хотя существуют датчики с переменным углом ввода. Пример - П131-1,8-0-90-512 с регулируемым углом ввода в диапазоне от 0 до 90 градусов. Кроме того, по мере изнашивания призмы угол ввода ПЭП может меняться. ГОСТ Р 55724-2013 допускает отклонение фактического угла ввода от номинального значения не более чем на 2 градуса. В противном случае пьезоэлектрический преобразователь подлежит замене. Проверяется угол ввода на мерах СО-2, V1, V2, СО-3Р. Делать это нужно при той же температуре, при которой непосредственно проводится ультразвуковой контроль, чтобы избежать дополнительной погрешности из-за изменения скорости УЗК и связанного с этим отклонения угла ввода по закону Снеллиуса.
• Форма и размер пьезоэлемента. От его площади зависит ближняя зона (часть акустического поля, в которой оно изменяется немонотонно) и диаграмма направленности. Несплошности, которые находятся в пределах ближней зоны, сложнее зафиксировать, поскольку амплитуда обратного сигнала получается низкой. Сужение диаграммы направленности означает более высокую лучевую и фронтальную разрешающую способность, но сокращает прозвучиваемый объём. Что касается формы пьезоэлемента, то считается, что при одинаковой площади пьезоэлектрические преобразователи с прямоугольной пьезопластиной больше подходят для поиска несплошностей. С круглой пьезопластиной - для определения их характеристик и измерения условных размеров.
• Стрела – расстояние от передней грани ПЭП до точки выхода центрального луча, или акустической оси. Точка выхода проверяется на мерах СО-3, V1, V2, СО-3Р. Как и в случае с углом ввода, делается это при той же температуре, при которой выполняется УЗК. По мере изнашивания рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя - стрела увеличивается. ГОСТ Р 55724-2023 допускает отклонение стрелы не более чем на +/- 1 мм от метки, нанесённой на боковых гранях корпуса датчика.
• Мёртвая зона. Этим термином обозначают подповерхностную область объекта контроля со стороны установки датчика, в пределах которой не удаётся выявить дефекты определённого размера. Фактическая мёртвая зона зависит от длительности электрического импульса, демпфирования пьезоэлемента, скорости распространения волны в материале, эквивалентной площади отражателя и пр. Мёртвую зону необходимо проверять после настройки чувствительности, например, по боковым цилиндрическим отверстиям диаметром 2 мм на глубине 3 и 8 мм в мере СО-2. Хотя не все НТД это предусматривают.
• Амплитудно-частотная характеристика. Оценивается по двум параметрам – резонансной частоте и ширине пропускания, о которых мы сказали выше. Под полосой пропускания имеется в виду интервал частот, в котором амплитуда отражённого сигнала от опорного отражателя уменьшается не более чем на 6 дБ по сравнению с максимумом. Последнему, как мы отметили выше, соответствует рабочая частота. Другая трактовка ширины полосы пропускания - разница частот больше и меньше рабочей частоты пьезоэлектрического преобразователя, при которой коэффициента двойного преобразования уменьшается в 2 раза. Под коэффициентом двойного преобразования, в свою очередь, понимается отношение амплитуд электрического напряжения принятого сигнала к напряжению возбуждающего пьезопластину электрического генератора без учёта промежуточного ослабления ультразвука вследствие затухания и расхождения лучей. Коэффициент двойного преобразования зависит от свойств пьезопластины, добротности соединённого с ней электрического колебательного контура (длительность свободных колебаний пьезопластины после возбуждения), демпфирования и пр.
• Разрешающая способность. Как было отмечено выше, бывает лучевой и фронтальной. По разрешающей способности можно судить о минимальном расстоянии между двумя одинаковыми отражателями, при котором они будут регистрироваться раздельно. Другое трактование разрешающей способности - минимальный интервал времени между соседними эхо-сигналами, одновременно наблюдаемых на экране, между которыми есть провал на 6 дБ от амплитуды меньшего пика. Разрешающая способность пьезоэлектрического преобразователя сильно зависит от размера отражателей, акустических свойств материала ОК, размеров и формы пьезоэлемента и пр.
• Путь в призме. Имеется в виду время, за которое ультразвук проходит через призму в прямом (при излучении упругих колебаний) и обратном (при приёме эхо-сигналов) направлении. Этот параметр ещё называют предварительным пробегом. У пьезоэлектрических преобразователей с жёстким протектором он незначителен. Другое дело – мягкий протектор, способный вносить ощутимую задержку. Поскольку перед оператором стоит задача точно измерить толщину стенки и/или глубину залегания дефекта, то путь в призме нужно корректно задавать в настройках дефектоскопа. Калибровка задержки в призме (протекторе) пьезоэлектрического преобразователя - одна из важнейших процедур при настройке глубиномера ультразвукового дефектоскопа, а также при настройке ультразвукового толщиномера перед выполнением замеров.
• Допустимый диапазон рабочих и кратковременных (если контакт длится не более 3-5 секунд) температур. Если температура объекта не укладывается в заявленный производителем датчика ПЭП диапазон, это приведёт к искажению результатов (хотя бы потому, что повлияет на угол ввода и задержку в призме) и преждевременному разрушению контактной поверхности пьезоэлектрического преобразователя. Для толщинометрии при повышенных температурах (свыше 60 градусов Цельсия), ведущие разработчики ПЭП в России - НПЦ "Кропус" (бренд "АМКРО") и компания "Константа УЗК" - выпускают высокотемпературные датчики, способные выдерживать температуры до +350 градусов Цельсия. Правда, для работы с такими ПЭП нужны специальные, высокотемпературные контактные гели и пасты.
• Износостойкость рабочей поверхности. Фактический срок службы датчика зависит от прочности протектора, свойств контактной жидкости, температуры сканируемой поверхности и силы прижатия к ней. У некоторых прямых датчиков можно восстановить изношенную «подошву», приклеив специальную накладку, но на практике с этим заморачиваются не часто, так как проще взять новый датчик. Тем более что стоимость стандартных ПЭП не настолько высокая (средний ценовой диапазон – от 3000 до 10 000 рублей).

Где выгоднее покупать пьезоэлектрические преобразователи​

Спонсорами форума «Дефектоскопист.ру» являются ведущие в РФ разработчики и производители ПЭП, в каталоге которых можно подобрать датчики практически для любой задачи ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии.