ĐỒ ÁN THIẾT KẾ: SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA PHASED ARRAY

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

Mục lục
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................4
DANH MỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................5
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................7
PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÔNG PHÁ HỦY..........................................8
1.1. Kiểm tra không phá hủy mẫu là gì?...............................................................8
1.2. Ưu điểm.............................................................................................................8
1.3. Các phương pháp được sử dụng trong NDT..................................................9
1.4. Ứng dụng của phương pháp NDT.................................................................12
PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM.................................................................13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM..........................14
1.1. Giới thiệu về phương pháp siêu âm..............................................................14
1.2. Ưu điểm của phương pháp............................................................................14
1.3. Nhược điểm của phương pháp......................................................................14
1.4. Ứng dụng.........................................................................................................14
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP...........................15
2.1. Cơ sở của phương pháp.................................................................................15
2.2. Những đặc điểm của sóng âm........................................................................15
2.3. Góc tới hạn của khúc xạ.................................................................................17
3.1. Thiết bị xung phản xạ.....................................................................................19
3.1.1. Thiết bị A-scan.............................................................................................19
3.1.2. Thiết bị B-scan.............................................................................................19
3.1.3. Thiết bị C-scan.............................................................................................20

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

1

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
3.2. Điện tử thiết bị xung phản xạ........................................................................20
3.2.1. Cung cấp nguồn............................................................................................20
3.2.3. Bộ thu/phát...................................................................................................20
3.2.2. Đầu dò...........................................................................................................21
3.2.4. Bộ phận hiển thị và định thời gian..............................................................21
3.3. Các chức năng điều khiển..............................................................................21
CHƯƠNG 4: HOẠT ĐỘNG VÀ LÝ THUYẾT CỦA ĐẦU ĐÒ........................23
4.1 Giới thiệu..........................................................................................................23
4.1.1 Hiệu ứng áp điện...........................................................................................23
4.1.2 Vật liệu đầu dò...............................................................................................23
4.1.3 Tần số.............................................................................................................24
4.1.4 Các loại đầu dò.............................................................................................25
CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM...........................26
5.1. Kiểm tra tiếp xúc............................................................................................26
5.1.1 Kỹ thuật sóng dọc..........................................................................................26
5.1.2. Kỹ thuật xung vọng.......................................................................................26
5.1.3. Kỹ thuật truyền qua......................................................................................27
5.1.4. Kỹ thuật truyền chùm tia góc.......................................................................27
5.1.5. Kỹ thuật sóng bề mặt....................................................................................27
5.2. Kiểm tra nhúng...............................................................................................28
5.2.1. Kỹ thuật nhúng tiêu chuẩn..........................................................................28
5.2.2. Kỹ thuật dò bánh xe......................................................................................28
PHẦN 3: SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA PHASED ARRAY.............................29
CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA........................29

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

2

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
1.2 So sánh siêu âm mảng điều pha với siêu âm truyền thống..........................29
2.2 Sử dụng đơn giản.............................................................................................33
2.3. Khả năng của máy..........................................................................................33
CHƯƠNG 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÁY..........................................35
3.1 Bộ phát xung....................................................................................................35
3.2 Bộ thu................................................................................................................35
3.3 Quét và hiển thị................................................................................................36
3.4 Thông số chung................................................................................................37
3.5 Các tiêu chuẩn kiểm tra được hỗ trợ/ và công nhận....................................38
4.1. Giới thiệu về ASME........................................................................................40
4.2. Quy trình của tiêu chuẩn...............................................................................40

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
NDT
ASME

Tiếng Anh
Non-destructive Testing
Armerican Society of
Mechanical Engineer

Tiếng Việt
Kiểm tra không phá hủy
Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phương pháp NDT……………………………………………………8
Hình 1.2. Thiết bị siêu âm……………………………………………..……….9
Hình 1.3. Sơ đồ bố trí chiếu chụp……………………………………………...10
Hình 1.4. Mô phỏng phương pháp chất lỏng thẩm thấu……………………….11
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

3


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
Hình 1.5 Sơ đồ bố trí phương pháp dòng điện xoáy. ………………………….12
Hình 2.1 Mô tả chung về phương pháp siêu âm………………………………..13
Hình 2.2 Sóng âm……………………………………………………………...15
Hình 2.3. Định luật snell………………………………………………………..16
Hình 2.4 Sóng dọc……………………………………………………………...17
Hình 2.5 Sóng ngang…………………………………………………………...18
Hình 2.6 Sóng bề mặt…………………………………………………………..18
Hình 2.7 Tín hiệu hiển thị trên màn hình của thiết bị A-scan……….…………19
Hình 2.8 Hiển thị B-scan của những bất liên tục………………………………20
Hình 2.9 Một số đầu dò………………………………………………………...21
Hình 2.10 Bộ phận của đầu dò…………………………………………………23
Hinh 2.11 Đầu dò dạng chổi quét sơn………………………………………….25
Hinh 2.12 Đầu dò kép………………………………………………………….25
Hinh 2.11 Đầu dò bánh xe……………………………………………………..25
Hình 2.14 Đầu dò sóng dọc …………………………………………………...26
Hình 2.15 kĩ thuật truyền qua………………………………………………….27
Hình 2.16 Các thiết bị trong kiểm tra nhúng…………………………………..28
Hình 3.1. Máy dò khuyết tật bằng siêu âm mảng điều pha – Phased Array…..29
Hình 3.2 Nhân viên đang kiểm tra mối hàn…………………………………...30
Hình 3.3 Sonatest VEO - Máy dò khuyết tật bằng siêu âm mảng điều pha Phased Array…………………………………………………………………..31

Hình 3.4 Nguyên lí hoạt động của biến tử đầu dò…………………………….32
Hình 3.5 Yêu cầu với khối chuẩn phẳng………………………………………42
Hình 3.5 Yêu cầu với khối chuẩn ống………………………………………....42
Hình 3.6 Appendix1. Độ tuyến tính dọc……………………………………….43

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

4


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam đang trong giai đoạn tiến lên công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước. Chúng ta đang xây dựng một nền công nghiệp hiện đại như một tiền đề
đưa Việt Nam trở thành một quốc gia phát triển. Một nền công nghiệp xem là
mạnh, hiện đại chỉ khi chúng ta có được các sản phẩm công nghiệp với chất
lượng tốt, kỹ thuật cao. Để có được một sản phẩm có chất lượng cao nhất, kỹ
thuật cao nhất ngoài các công đoạn thiết kế và gia công tốt thì vai trò của việc
kiểm tra chất lượng sản phẩm là một công đoạn vô cùng quan trọng.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ chúng ta đã có rất nhiều
phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm hoặc một chi tiết sản phẩm
kỹ thuật. Một trong những phương pháp đó là kiểm tra không phá hủy bằng
phương pháp siêu âm.
Phương pháp siêu âm rất hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi trong việc phát
hiện các khuyết tật bên trong chi tiết. Phương pháp này thường ứng dụng để:
kiểm tra mối hàn, mối nối bằng đinh tán, vết nứt và khuyết tật bên trong đường
ống, đo chiều dày của ống, bể chứa và vỏ tàu, kiểm tra quá trình tổn thất vật liệu
do mài mòn và ăn mòn, đo lưu lượng dòng chảy. Đặc biệt phương pháp siêu âm
mảng điều pha – phased array hiện nay là tiên tiến nhất công nghệ Phased array

(chùm tia xiên tách pha) tạo ra một chùm tia siêu âm với các thông số có thể đặt
trước tuỳ chọn: góc, khoảng hội tụ, điểm hội tụ qua các phần mềm.
Báo cáo đồ án thiết kế này bao gồm:
- PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÔNG PHÁ HỦY
- PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
- PHẦN 3: SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA PHASED ARRAY

PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÔNG PHÁ HỦY
1.1. Kiểm tra không phá hủy mẫu là gì?
- Kiểm tra không phá hủy mẫu (Non –Destructive testing – NDT) bao gồm các
phương pháp dùng để thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá, chuẩn đoán và giám sát

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

5


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
các sản phẩm, công trình công nghiệp mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử
dụng của chúng.

Hình 1.1 Phương pháp NDT
1.2. Ưu điểm
- So với lĩnh vực kiểm tra phá hủy mẫu là phá hủy mẫu cần kiểm tra làm cho
vật mẫu mất đi khả năng sử dụng ban đầu của nó, hơn nữa việc kiểm tra này sẽ
lấy kết quả của một hay một vài mẫu đại diện cho toàn bộ sản phẩm điều này
cực kì nguy hiểm bởi vật mẫu lấy ngẫu nhiên xắc xuất không thể đại diện cho
chất lượng của toàn bộ sản phẩm.
- Phát hiện được các khuyết tật từ giai đoạn nguyên liệu từ tránh đầu tư đưa vào
sản suất các nguyên liệu kém chất lượng dẫn đến tạo ra sản phẩm lỗi, kém chất

lượng phải bỏ đi làm tăng lên chi phí sản suất.
- Cải thiện quy trình sản suất bằng cách kiểm tra dây truyền sản suất trước và
sau khi cải tiến từ đó có những quyết định chính xác có cơ sở.
- Tăng cường sự an toàn bằng cách kiểm tra định kì thiết bị máy móc, cơ sở sản
xuất để phát hiện sớm các khuyết tật hỏng hóc từ đó có những thay đổi kịp thời.
- Phát hiện các sản phẩm lỗi để loại bỏ sớm giúp nâng cao uy tín với đối tác,
nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
1.3. Các phương pháp được sử dụng trong NDT
- Siêu âm kiểm tra:

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

6


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
Sử dụng chùm sóng siêu âm để rọi vào trong vật cần kiểm tra và thu lại song
phản xạ trên cơ sở phân tích các sóng phản xạ ta được xác định được các khuyết
tật, vết nứt tách tầng … của sản phẩm.

Hình 1.2. Thiết bị siêu âm
- Ưu điểm:
+Khả năng xuyên thấu cao,
+Phát hiện được các khuyết tật nhỏ, nhanh và tự động.
- Nhược điểm:
+Khó kiểm tra các vật mẫu có cấu tạo phức tạp
+Hướng của khuyết tật có khả năng ảnh hưởng đến khả năng phát hiện khuyết
tật, yêu cầu nhân viên có trình độ.

- Chụp ảnh phóng xạ:

+ Dùng tia X hay tia gamma chiếu xuyên qua vật mẫu phía sau dùng một tấm
phim thu nhận bức xạ dựa vào phân tích sự suy giảm của bức xạ mà ta có thông
tin về sản phẩm.

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

7


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

Hình 1.3. Sơ đồ bố trí chiếu chụp.
- Ưu điểm:
+ Sử dụng trên hầu hết các vật liệu.
+Kết quả có thể trực tiếp thấy và lưu trữ lại được.
+Nhạy phát hiện khuyết tật thể tích.
- Nhược điểm:
+ Phải tiếp xúc được với hai phía của sản phẩm.
+ Khó kiểm tra được vật có hình dạng phức tạp.
+ Phải đảm bảo an toàn bức xạ.

- Chất lỏng thẩm thấu:
+Để phát hiện vết nứt của mối hàn, bề mặt kim loại đặc biệt các vật liệu không
nhiễm từ như thép không rỉ người ta phun một lớp chất lỏng có khả năng thẩm
thấu cao và dễ nhìn, nếu trên bề mặt vật liệu có vết nứt chất lỏng sẽ thẩm thấu
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

8

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
vào đọng lại, sau đó phun thêm một lớp gọi là “chất hiện màu” làm cho chất đã
ngấm vào vết nứt hiện rõ lên từ đó giúp ta nhận biết được vết nứt rất nhỏ mà
bình thường mắt ta không nhận biết được.

Hình 1.4. Mô phỏng phương pháp chất lỏng thẩm thấu
- Ưu điểm:
+Nhạy với vết nứt bề mặt, thiết bị vật nhũ tương đối rẻ.
+ Quá trình thực hiện tương đối đơn giản.
- Nhược điểm:
+ Chỉ phát hiện được các khuyết tật trên bề mặt.
+ Vật liệu được kiểm tra phải không xốp, bề mặt vật liệu phải không nóng, thô,
nhám.

- Phương pháp dòng điện xoáy:

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58

9


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, đầu dò sẽ sản sinh ra dòng điện xoáy
trong vật liệu dòng điện thu được mạnh hay yếu phụ thuộc vào vật liệu có
khuyết tật hay không.

Hình 1.5 Sơ đồ bố trí phương pháp dòng điện xoáy.
- Ưu điểm:
+ Nhạy phát hiện vết nứt trên hay sát bề mặt của những vật liệu dẫn điện như
nhôm, sắt,…cho kết quả tức thì, dễ tự động hóa.

- Nhược điểm:
+ Chỉ áp dụng cho vật liệu dẫn điện, khó phát hiện được khuyết tật nằm sâu bên
trong vật liệu, đòi hòi nhân viên phải có trình độ.
1.4. Ứng dụng của phương pháp NDT
- Phương pháp NDT được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công
nghiệp như cơ khí, dầu khí, đóng tàu, hàng không, thực phẩm, …
+ Trong dầu khí NDT được sử dụng để kiểm tra chất lượng, độ an toàn, toàn ven
của ống dẫn, bồn chứa dàn khoan,…
+ Trong chế tạo máy NDT sử dụng để kiểm tra các sản phẩm đúc, nén, kéo
...đặc biệt là các mối hàn của cấu kiện.
+ Trong hàng không NDT sử dụng để bảo trì và kiểm tra mức độ an toàn của
máy bay dân sự cũng như quân sự.

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 10


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
Khoa học siêu âm có lịch sử lâu đời, từ thế kỷ 19, với các tên tuổi lớn như:
Lamb, Rayleigh, Curie, Lippman, Lebedev, Sokolov…, Phát triển liên tục cho
đến ngày nay. Việc chuyển ngành khoa học này thành các kỹ thuật kiểm tra siêu
âm hiện đại ứng dụng trong cuộc sống, có lẽ đã xuất phát từ yêu cầu thực tế lúc
bấy giờ như là: Nỗ lực phát hiện tàu ngầm trong Chiến tranh thế giới lần I, thảm
hoạ tàu Titanic va núi băng 1912,sự phát triển kỹ thuật vô tuyến điện tử và radar
những năm 30-40 thế kỷ trước. Những hệ thống dò khuyết tật siêu âm xung dội
hiện đại hoàn chỉnh đầu tiên đầu tiên đã cùng được độc lập thiết kế bởi các nhà
khoa học Anh, Đức và Hoa Kỳ vào các năm 42-47: Sproul,Trost và Gotz,
Firestone. Từ đây, các nguyên lí chủ yếu phát hiện khuyết tật bằng kỹ thuật xung
dội là giống như ngày nay, sự phát triển mạnh xảy ra chủ yếu trong lĩnh vực :
máy móc, điện tử và xử lí số liệu,…

Hình 2.1 Mô tả chung về phương pháp siêu âm.
Ngày nay độ phức tạp và chi phí cho những máy móc, thiết bị và dụng cụ đòi
hỏi quy trình sản xuất và kiểm tra để đảm bảo độ tin cậy lớn nhất. Để thực hiện
độ tin cậy như vậy, tiêu chuẩn kiểm tra đã được thiết lập và kết quả kiểm tra phải
thỏa mãn tiêu chí đã được định sẵn trong các tiêu chuẩn kỹ thuật đó.Trong số
các quy trình kiểm tra NDT sẵn có, kiểm tra siêu âm là một trong những phương
pháp được sử dụng rộng rãi nhất.phương pháp này thường được sử dụng để đo
chiều dày hoặc để kiểm tra cấu trúc bên trong của vật liệu để tìm những bất lien
tục có thể như các lỗ trống hoặc các vết nứt.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 11


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
1.1. Giới thiệu về phương pháp siêu âm
Sử dụng siêu âm để phát vào trong vật liệu và ghi nhận các phản xạ của vật liệu
trên cơ sở phân tích sóng phản xạ ta có thể phát hiện các khuyết tật bên trong
nếu có.
1.2. Ưu điểm của phương pháp
-

Có độ nhạy cho phép phát hiện khuyết tật nhỏ.
Khả năng xuyên thấu cao.
Có độ chính xác trong việc phát hiện vị trí và kích thước của khuyết tật.
Cần phát hiện một phía của vật được kiểm tra.
Cho phép kiểm tra nhanh và tự động.

1.3. Nhược điểm của phương pháp

- Hình dạng của vật kiểm tra dẫn đến gây khó khăn trong việc kiểm tra.
- Khó kiểm tra các vật liệu có cấu tạo bên trong phức tạp.
- Cần phải sử dụng chất tiếp âm.
- Đầu dò phải được tiếp xúc phù hợp với bề mặt mẫu.
- Hướng của khuyết tật có ảnh hưởng đến khả năng phát hiện khuyết tật.
- Nhân viên kiểm tra phải có nhiều kinh nghiệm.
1.4. Ứng dụng

- Kiểm tra các khuyết tật mối hàn trong các ống dẫn dầu, khí, hóa chất.
- Kiểm tra các khuyết tật mối hàn trong các nồi hơi nhiệt, bồn .
- Kiểm tra sự tách lớp bề dầy trong vật liệu: như vật liệu đúc, mối hàn chữ T
(ống, ống dạng nhánh và tấm), mối hàn đối đầu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 12


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
2.1. Cơ sở của phương pháp
- Phương pháp siêu âm sử dụng sóng âm là những dao động cơ học có khả năng
truyền qua các môi trường rắn, lỏng, khí. Sóng này truyền trong môi trường cho
trước với những vận tốc riêng, theo hướng có thể đoán trước khi tới mặt phân
cách giữa các môi trường chúng sẽ phản xạ hay truyền qua theo những nguyên
tắc khác nhau, dựa vào phân tích các sóng phản xạ ta có được các thông tin về
vật mẫu.

Hình 2.2. Sóng âm.
2.2. Những đặc điểm của sóng âm
- Tần số âm là tần số dao động của nguồn âm, trong kiểm tra đo đạc tần số âm
dao động với tần số trong khoảng từ 500 Khz đến 10Mhz. Kí hiệu là f, đơn vị

Hz.
- Vận tốc âm là vận tốc của sóng âm lan truyền trong môi trường với những vận
tốc khác nhau nó phụ thuộc vào mật độ của môi trường và độ đàn hồi của môi
trường, sóng âm không thể lan truyền trong chân không. Kí hiệu v, đơn vị m/s.
- Chu kỳ là thời gian để sóng âm đi được 1 bước sóng.
- Bước sóng là quãng đường sóng âm đi được trong 1 chu kỳ trong môi trường
mà nó truyền qua. Kí hiệu λ giữa chu kỳ và vận tốc có liên hệ.
λ = v/f (m)

(1)

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 13


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
Trong đó:
λ : bước sóng (m).
v : vận tốc âm (m/s).
f : tần số Hz.
- Góc phản xạ và khúc xạ:
+ Năng lượng âm trong tần số siêu âm có tính định hướng cao và chùm tia sử
dụng để phát hiện khuyết tật được xác định rõ ràng. Trong các trường hợp sóng
âm phản xạ ở mặt phân cách, góc tới bằng góc phản xạ. Chùm tia tới vuông góc
với bề mặt sẽ phản xạ thẳng trở lại, còn chùm tia tới bề mặt dưới một góc thì sẽ
phản xạ cũng bằng góc đó.
+ Năng lượng âm truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo
định luật khúc xạ của Snell.ta có công thức: (2)

I: là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp
tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.

r :là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của
mặt phẳng phân cách hai môi trường.
n1: là chiết suất môi trường 1.
n2: là chiết suất môi trường 2.

Hình 2.3. Định luật snell.
2.3. Góc tới hạn của khúc xạ
- Chùm âm đi qua môi trường như nước hoặc plastic khúc xạ khi đi vào môi
trường thứ hai với một góc tới. Đối với góc tới nhỏ, chùm âm khúc xạ và chuyển
đổi dạng sóng, và kết quả là kết hợp cả sóng dọc và sóng ngang. Vùng giữa góc
tới vuông góc và góc tới hạn thứ nhất không hữu ích cho kiểm tra siêu âm như
vùng sau góc tới hạn thứ nhất vì lúc đó chỉ có sóng ngang được tạo ra
- Góc tới hạn thứ nhất:
+ Khi góc tới tăng lên, góc tới hạn thứ nhất đạt tới khi góc khúc xạ chùm âm
sóng dọc đạt 90 độ, ở điểm đó chỉ có sóng ngang tồn tại trong môi trường thứ
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 14


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
hai. Khi lựa chọn đầu dò góc sóng ngang, hoặc khi điều chỉnh đầu dò nhúng ở
góc tới để tao sóng ngang thì cần xem xét hai điều kiện.
+ Thứ nhất: sóng dọc khúc xạ phải phản xạ toàn phần như vậy chùm âm thâm
nhập chỉ giới hạn là sóng ngang.
+ Thứ hai: Sóng ngang khúc xạ phải đi vào chi tiết kiểm tra theo yêu cầu của
tiêu chuẩn kiểm tra,trong kiểm tra bằng phương pháp nhúng, góc tới hạn thứ
nhất được tín đảm bảo rằng chùm âm đi vào chi tiết kiểm tra.
+ Khi góc tới tiếp tục tăng lên, góc tới hạn thứ hai đạt tới khi góc chùm âm sóng
ngang khúc xạ 90 độ, ở điểm này, các sóng ngang phản xạ và trong trường hợp
kiểm tra tiếp xúc với chi tiết kiểm tra ở trong môi trường không khí thì sẽ tạo ra
sóng bề mặt, trong kiểm tra nhúng, môi trường lỏng nhớ rằng sóng bề mặt đã

được tạo ra trong kiểm tra thí nghiệm trên chi tiết kiểm tra ngâm trong chất lỏng.
2.4. Các loại sóng âm

Hình 2.4 sóng dọc
- Sóng dọc hay còn gọi là sóng nén được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt
cùng hướng với phương truyền sóng.

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 15


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

Hình 2.5 sóng ngang
- Sóng ngang được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt có hướng vuông góc
với phương truyền sóng.
- Sóng bề mặt hay còn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động
hình ê líp và truyền qua bề mặt của vật liệu, chiều sâu chỉ khoảng một bước
sóng.

hình 2.6 sóng bề mặt
- Sóng dạng tấm hay còn gọi là sóng Lamb là một dạng dao động phức tạp
trong các tấm mỏng có chiều dày vật liệu nhỏ hơn bước sóng và dạng sóng
nàytruyền trong toàn bộ tiết diện của môi trường.
-Sóng âm có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Thông thường sóng
ngang được tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vật liệu
dưới một góc đã chọn trước.
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 16


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ DÙNG TRONG SIÊU ÂM
3.1. Thiết bị xung phản xạ
Hệ thống kiểm tra siêu âm phải kể đến một trong ba loại: A-scan. B-scan, Cscan, nó chủ yếu lien quan đến hiển thị trên màn hình của thiết bị siêu âm được
sử dụng, chúng có chung mạch điện tử cơ bản sự khác nhau chủ yếu là thông tin
ra biểu diễn trên màn hình.
Tất cả máy Scan làm việc với cùng một nguyên lí phản xạ ánh sáng hoặc truyền
dẫn. Hình ảnh được đặt úp xuống bên trong Scanner nó có bao gồm nguồn sáng
chiếu vào hình ảnh và những thiết bị cảm biến để thu nhận ánh sáng phản xạ từ
nguồn sáng tới hình ảnh. Trong tường hợp máy ảnh kỹ thuật số, nguồn sáng là
mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Khi thiết bị scan lần đầu tiên được giới thiệu,
nhiều nhà sản xuất dùng bóng đèn huỳnh quang làm nguồn sáng.
3.1.1. Thiết bị A-scan
- Là phương pháp biểu diễn tín hiệu mà nó hiển thị tín hiệu quay trở lại từ vật
liệu kiểm tra trên màn hình.
- Dựa vào thông tin về biên độ và khoảng cách ta có được thông tin khách quan
về sản phẩm.

Hình 2.7 Tín hiệu hiển thị trên màn hình của thiết bị A-scan.
3.1.2. Thiết bị B-scan
- Hiển thị hai chiều về mặt phẳng cắt ngang chi tiết kiểm tra. Thường được sử
dụng trong những ứng dụng như theo dõi ăn mòn và phát hiện tách lớp trong
kim loại và vật liệu tổng hợp. Nó hiển thị vật liệu kiểm tra mà nhìn như cắt, nó
biểu diễn, trong tiết diện, bất cứ những mặt phản xạ trong hoặc trang thái tồn tại
trên bề mặt đối diện.

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 17


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

Hình 2.8 Hiển thị B-scan của những bất liên tục
3.1.3. Thiết bị C-scan
- Hiển thị thông thường khác của dữ liệu kiểm tra siêu âm sử dụng hình chiếu
bằng được gọi là C-scan. Trong phương pháp này, đầu dò quét đều trên khắp khu
vực kiểm tra thường sử dụng thiết bị định vị cơ học tự động. Tín hiệu thu được
được chuyển qua sự thay đổi màu hoặc mật độ thang đo xám.
- Được tạo từ dữ liệu A-scan, hình chiếu bằng của chi tiết kiểm tra được tạo ra
sử dụng chỉ tiêu tín hiệu dựa trên chiều cao xung và thời gian xung để xác định
màu và mật độ thang xám ở mỗi vị trí.
- Hình dạng thu được liên quan với kích cỡ và hình dạng của bề mặt phảnxạ
trong chi tiết kiểm tra và giải đoán dễ dàng bằng trực giác.
3.2. Điện tử thiết bị xung phản xạ
- Thiết bị xung phản xạ có mạch điện tử tương tự và cung cấp các chức năng
thông thường cơ bản, tên của các mạch thay đổi từ thiết bị phải cung cấp yếu tố
cần thiết tùy thuộc vào nhà chế tạo tuy nhiên mỗi thiết bị phải cung cấp các yếu
tố cần thiết cụ thể.
3.2.1. Cung cấp nguồn
- Thường điều khiển bằng công tắc tắt/mở và cầu chì, sau khi bật nguồn một vài
thiết bị có thể bị trễ một khoảng thời gian nhất định, nguồn điện được cung cấp
từ lưới điện hoặc từ pin với các thiết bị xách tay.
3.2.3. Bộ thu/phát
- Bộ thu phát là nguồn của nhóm tín hiệu ngắn năng lượng cao của năng lượng
điện áp dụng vào đầu dò, xung trở về từ chi tiết kiểm tra được thu bởi đầu dò,
gửi tới bộ khuếch đại và gửi tới bộ hiển thị.

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 18


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

3.2.2. Đầu dò
- Đầu dò là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, đầu dò
siêu âm bao gồm đĩa áp điện mỏng, đôi khi được gọi là biến tử hoặc tinh thể và
giá đỡ của nó, đĩa đó chuyển đổi năng lượng điện sang sóng âm và đưa dao động
vào chi tiết kiểm tra, nó cũng thu nhận dao động âm phản xạ trong chi tiết kiểm
tra và chuyển đổichúng thành tín hiệu điện cho khuếch đại và hiển thị.

Hình 2.9 Một số đầu dò
3.2.4. Bộ phận hiển thị và định thời gian
- Thiết bị định giờ là nguồn của tất cả những tín hiệu nhịp độ phát xung, và đôi
khi dược gọi là bộ tạo nhịp.
3.3. Các chức năng điều khiển
- Bộ điều khiển được cung cấp các mạch khác nhau của thiết bị như cung cấp
nguồn, bộ phát/xung, bộ định thời và hiển thị.
- Điều khiển khuếch đại: điều chỉnh lượng khuếch đại tín hiệu trở về từ đầu dò
trước khi hiển thị trên màn hình.
- Điều khiển dạng đầu dò: Bộ chuyển đổi xác định nếu thiết bị sẽ điều khiển và
hiển thị hoạt động của một hay hai đầu dò, khi chuyển chế độ một đầu dò, thiết
bị sẽ phát và thu nhóm tín hiệu năng lượng điện ngắn qua cáp đồng trục vào đầu
dò đơn. Khi chuyển chế độ kép, thiết bị phát tín hiệu ở một đầu thu tín hiệu ở
một đầu.
- Điều khiển dải thô, dải tinh và trễ:
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 19


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
+ Cung cấp phương tiện tác động lên màn hình để điều chỉnh hiển thị theo trục
ngang thường biểu diễn thời gian, quãng đường, …
+ Điều khiển dải thô, tinh: Cho phép thực hiện một phần cơ bản của quá trình
chuẩn hóa.

- Thiết bị bàn phím: Cho phép điều chỉnh tất cả các chức năng cần thiết cho
chuẩn hóa thiết bị để chuẩn bị cho kiểm tra thực tế.
- Điều khiển On/Off: Cho phép hoặc dừng nguồn vào các thiết bị.
- Hiển thị Display/Status: Cho phép chuyển đổi giữa các dạng hiển thị trên màn
hình.
- Điều khiển Gian: Điều khiển khuếch đại.
- Điều khiển Reject: Loại bỏ các tín hiệu A-scan không mong muốn.
- Điều khiển Zero Ofset: Bù cho sự trễ trong truyền âm lien quan đến đầu dò,
cáp và chất tiếp âm.
- Điều khiển Range: Thiết lập dải màn hình A-scan có thể nhìn thấy.
- Điều khiển Velocity: Điều chỉnh thiết lập thiết bị để phù hợp với vận tốc âm
trong chi tiết kiểm tra.
- Điều khiển chỉnh lưu: Điều chỉnh dạng sóng hiển thị trên màn hình giữa 4 loại
gồm chỉnh lưu cả sóng, chỉnh lưu nửa (+), chỉnh lưu nửa (-), dạng sóng radio.
- Điều khiển sự chấn âm: Tối ưu hình dạng sóng cho phép đo đọ phân giải cao
và cho sự lựa chọn đầu dò cụ thể.
- Điều khiển tần số : Cho phép lựa chọn thiết lập tần số sao cho tạo ra sự biểu
diễn màn hình như mong muốn cho đầu dò cụ thể được chọn trong kiểm tra đó.
- Ngoài ra, các điều khiển khác có thể bao gồm trên thiết bị, tùy thuộc vào yêu
cầu của bên mua cho những đặc tính bổ xung, những đặc tính như vậy bao gồm:
hiệu chỉnh biên độ khoảng cách(DAC), cảnh báo được đặt ngưỡng,…

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 20


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

CHƯƠNG 4: HOẠT ĐỘNG VÀ LÝ THUYẾT CỦA ĐẦU ĐÒ
4.1 Giới thiệu
- Trong kiểm tra siêu âm, cảm biến chủ yếu của hệ thống là đầu dò. Đầu dò là sự

kết hợp của nhiều bộ phận, nó thực hiện nhiều chức năng, tất cả đều tập trung
xung quanh biến tử áp diện và hoạt động mà nó thực hiện.

Hình 2.10 Bộ phận của đầu dò
4.1.1 Hiệu ứng áp điện
- Tính áp điện piezoelectricity là tính chất của vật liệu tinh thể gồm tinh thể tự
hiên của muối thạch anh, muối rochelle và toumaline, gốm gia công.
- Khi áp lực cơ học tác dụng vào một trong những vật liệu đó, cấu trúc tinh thể
này tạo ra điện áp tỉ lệ với áp lực đó, khi điện trường tác động thì cấu rúc của nó
thay đổi hình dạng.
- Để tạo chùm siêu âm, một bộ phận của thiết bị siêu âm, được gọi là bộ phát
xung, áp dụng xung điện tần số cao qua cáp đồng trục tới tinh thể áp điện chứa
trong đầu dò.
4.1.2 Vật liệu đầu dò
- Vật liệu áp điện thường được sử dụng từ những năm 1930 đến 1980 là thạch
anh, gốm phân cực, barium và litithum sulfate, trong đó litithum sulfate là vật

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 21


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
liệu tốt nhất. Ngày nay tinh thể trong cảm biến thông thường nhất gồm barium
titance, metaniobate chì và zirconate titance chì.
- Cấu trúc, hình dạng và kích thước của phần tử gốm ngày nay có thể điều chỉnh
để thỏa mãn những yêu cầu cho mục đích xác định. Gốm được chế tạo từ
zirconate chì, titance chì biểu thị độ nhạy cao hơn và nhiệt độ hoạt động cao hơn
so với gốm cấu trúc khác.
4.1.3 Tần số
- Tần số đầu dò là yếu tố xác định sử dụng của nó, tùy thuộc vào vật liệu kích
thước,… mà sử dụng đầu dò có tần số thích hợp.

- Phần lớn kiểm tra siêu âm sử dụng tần số giữa 0,2 va 25 Mhz,với kiểm tra tiếp
xúc giới hạn 10 Mhz.
- Những tiêu chí lựa chọn đầu dò:
+ Tấn số của đầu dò càng cao, chùm âm càng thẳng, độ nhạy và độ phân giải
lớn hơn nhưng suy giảm lớn và khả năng xuống sâu kém.
+ Tần số càng thấp xuống càng sâu và ít suy giảm nhưng độ nhạy và phân giải
thấp.
+ Ở bất cứ tần số nào,đầu dò càng lớn,chùm tia càng thẳng nhưng độ nhạy ít
hơn.
+ Khi kiểm tra vật liệu đúc cấu trúc thô yêu cầu tần số không cao dưới 2,25
Mhz là đủ, với gỗ và bê tông tần số thấp hơn nữa.

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 22


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
4.1.4 Các loại đầu dò

Hinh 2.11 Đầu dò dạng chổi quét sơn.

Hình 2.12 Đầu dò kép.

Hình 2.13 Đầu dò bánh xe.
Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 23


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM
5.1. Kiểm tra tiếp xúc

Thực hiện với một trong hai kỹ thuật cơ bản: kiểm tra tiếp xúc và kiểm tra
nhúng. Trong kiểm tra tiếp xúc, đầu dò tiếp xúc trực tiếp với chi tiết kiểm tra.
Hiển thị từ đầu dò tiếp xúc thường biểu diễn xung phát ban đầu và phản xạ từ
mặt trước như trùng nhau hoặc rất gần nhau. Có 4 kỹ thuật cơ bản:
5.1.1 Kỹ thuật sóng dọc
Thực hiện bằng cách phát chùm âm vuông góc với bề mặt của chi tiết kiểm tra
để thu được xung phản xạ từ bề mặt đáy hoặc từ các bất liên tục nằm giữa hai bề
mặt.
5.1.2. Kỹ thuật xung vọng
- Có thể sử dụng đầu dò đơn hay đầu dò kép. Đầu dò đơn hoạt động cả hai chức
năng phát và thu, phát ra chùm xung sóng dọc vào chi tiết kiểm tra và thu phản
xạ từ bề mặt đáy và từ các bất liên tục nào nằm trên đường chùm âm. Đầu dò
kép hữu dụng khi kiểm tra vật liệu có bề dày mỏng, hình dạng không đều, thô
ráp, một đầu dò phát một đầu dò thu

Hình 2.14 Đầu dò sóng dọc

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 24


BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
5.1.3. Kỹ thuật truyền qua
- hai đầu dò hai bên, một đầu thu một đầu phát. Đầu phát phát tín hiệu qua vật
liệu đến đầu thu ở bên kia vật liệu, bất cứ bất liên tục nào sẽ làm suy giảm tín
hiệu đến đầu thu bên kia.

Hình 2.15 Kỹ thuật truyền qua
5.1.4. Kỹ thuật truyền chùm tia góc
Sóng âm được truyền vào chi tiết kiểm tra theo một góc xác định trước vào bề
mặt kiểm tra.

5.1.5. Kỹ thuật sóng bề mặt
Thường được sử dụng để kiểm tra vật liệu mối hàn, đường ống, dạng tấm và
cho chi tiết kiểm tra có dạng không đều mà đầu dò chùm tai thẳng không có khả
năng tiếp xúc tất cả các bề mặt.
Sử dụng sóng bề mặt chỉ lan truyền trên hoặc gần bề mặt của vật liệu rắn. để tạo
ra sóng này cần sử dụng thêm đầu dò plastic.

Lê Văn Được – 20130971 KTHN K58 25