Широкополосный ультразвуковой неразрушающий контроль: настроечные конденсаторы N4700

Широкополосный ультразвуковой неразрушающий контроль: настроечные конденсаторы N4700

Резюме

Полоса пропускания определяет разрешающую способность ультразвуковой системы, и три механизма определяют эту полосу: подложка, согласующие слои и электрическое оконечное напряжение. Первые два являются акустическими и определяются при изготовлении зонда. Третий — электрический и обычно зависит от случайности. В этой статье приводятся уравнения для разрешения, добротности (Q) и согласующего слоя, пять причин, по которым полевые зонды остаются узкополосными, а также значения настройки, которые позволяют увеличить относительную полосу пропускания зонда с 18% до 46% для диапазона 5 МГц.

1. Введение

В ультразвуковом неразрушающем контроле полоса пропускания зонда определяет разрешающую способность системы. Узкополосный зонд издает многократные циклы сигнала и регистрирует грубые детали, поскольку его импульс достаточно длинный.

Широкополосный зонд генерирует короткий импульс и разделяет близко расположенные отражатели. Усиление проявляется в повышении осевого разрешения, улучшении характеристик приповерхностного слоя и более точном определении размеров трещины.

Три механизма расширяют полосу пропускания. Подложка поглощает акустическую энергию, согласующие слои пропускают более широкий спектр сигнала в деталь, а электрическое оконечное напряжение контролирует способ возбуждения керамики импульсным генератором. Первые два механизма расположены внутри зонда, а третий — на плате.

В этой статье приводятся уравнения разрешения и добротности (Q), соотношение согласующего слоя, пять причин, по которым полевые зонды остаются узкополосными, а также значения настройки, позволяющие достичь относительной полосы пропускания в 46%.

2. Основной механизм

2.1 Осевое разрешение и полоса пропускания

Осевое разрешение импульсно-эховой системы зависит от эффективной ширины импульса, которая обратно пропорциональна полосе пропускания.

Δz = c · τ_p / 2 = c / (2 · BW)

где Δz — осевое разрешение в мм, c — скорость звука в детали в м/с, τ_p — ширина импульса в мкс, а BW — полоса пропускания в МГц. В стали при скорости 5900 м/с и полосе пропускания 4 МГц разрешение составляет 0.74 мм.

Увеличение полосы пропускания вдвое, с 2 МГц до 4 МГц, снижает разрешение вдвое, с 1.5 мм до 0.74 мм. Это изменение определяет разницу между обнаружением трещины и определением ее размера, поэтому каждый шаг расширения полосы пропускания влияет на значение полосы пропускания.

2.2 Коэффициент добротности (Q-фактор), затухание и относительная ширина полосы пропускания

Нагруженный коэффициент качества определяет как ширину полосы пропускания, так и длительность затухания колебаний.

Q = f0 / BW

где Q — коэффициент добротности при нагрузке, f0 — центральная частота в МГц, а BW — полоса пропускания в МГц. Недемпфированный пьезоэлектрический зонд работает при Q = 10–20 и издает длительные циклы колебаний. Демпфированный широкополосный зонд нацелен на Q = 2–3 и обменивает амплитуду на короткий импульс.

Относительная ширина полосы пропускания позволяет выразить эту цифру в процентах.

BW% = (f_high − f_low) / f_center

где f_high и f_low — границы полосы пропускания на уровне −6 дБ в МГц, а f_center — центральная частота в МГц. Пробник с добротностью AQ = 2 обеспечивает примерно 50% относительной полосы пропускания, а пробник с добротностью Q = 5 — только 20%.

Демпфирование обеспечивают три источника: материал подложки, согласующие слои и электрическое оконечное напряжение. Ненастроенный выходной каскад с высоким эквивалентным внутриполосным сопротивлением может вызывать колебания зонда, который уже был демпфирован его подложкой, что снова сужает полосу пропускания на электрическом порту.

2.3 Согласующие слои и градация импеданса

Между керамикой и нагрузкой расположен согласующий слой длиной в четверть волны. Его импеданс равен геометрическому среднему этих двух импедансов.

Z_ML = √(Z1 · Z2)

где Z_ML — импеданс согласующего слоя в МРэйл, Z1 — импеданс керамики в МРэйл, а Z2 — импеданс нагрузки в МРэйл. Для работы в режиме погружения Z1 составляет около 30 МРэйл, а Z2 — 1.5 МРэйл, поэтому для слоя требуется 6.7 МРэйл и толщина λ/4 на центральной частоте.

Ошибка толщины в 10% приводит к снижению уровня сигнала на 3–5 дБ в полосе пропускания. В этом случае электрическая схема настройки должна компенсировать остаточное несоответствие, поэтому компоненты настройки должны быть стабильными.

2.4 Электрическое широкополосное расширение путем настройки

Зажатая емкость C0 резонирует с настроечным индуктором на рабочей частоте.

L_tune = 1 / (ω0² · C0)

где L_tune — индуктивность настройки в нГн, ω0 — рабочая угловая частота в рад/с, а C0 — емкость в нФ. Для пробника емкостью 2 нФ на частоте 5 МГц используется индуктор с индуктивностью 506 нГн.

При правильном применении цепь выравнивает электрический отклик в полосе пропускания, подавляет затухание после фронта и позволяет генератору импульсов выдавать один широкополосный импульс. ЭПР и ТКН настроечного конденсатора должны быть пренебрежимо малыми, иначе компонент определяет добротность цепи и достигаемую полосу пропускания.

Рис. 1 — Ненастроенная цепь с добротностью Q, равной 10, обеспечивает узкую полосу пропускания около 5 МГц, в то время как настроенная цепь с добротностью Q от 2 до 3 выравнивает отклик зонда.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Узкая полоса пропускания, ограничивающая определение размеров трещин.

Контактный зонд AQ = 10 на частоте 5 МГц обеспечивает 10% относительной полосы пропускания, что составляет 0.5 МГц, и осевое разрешение 5.9 мм в стали. Два отражателя, расположенные на расстоянии 2 мм друг от друга, сливаются в одно эхо, а показания глубины имеют погрешность ±2 мм. Этот разрыв определяет, будет ли зонд принят в эксплуатацию или его остановят.

Проблема 2: Длительное затухание сигнала, создающее ложные эхо-сигналы.

Незатухающий зонд издает 10-20 циклов после каждого импульса. Хвост проявляется в виде затухающей последовательности эхо-сигналов, перекрывающихся с реальными сигналами от тонких срезов. Первые несколько сотен наносекунд A-сканирования непригодны для использования, так как они скрывают приповерхностные дефекты.

Проблемный момент 3: Ошибки толщины согласующего слоя, вызывающие пульсации в полосе пропускания.

Допуск на производство ±10% для слоя λ/4 приводит к сдвигу и пульсации полосы пропускания на 3–5 дБ. Два зонда с одинаковым номером детали отличаются на 2–3 дБ на рабочей частоте, поэтому оператору приходится перекалибровывать усиление, и критерий допустимой амплитуды теряет свою актуальность.

Проблема 4: Нерешенный вопрос о компромиссе в вопросе поддержки.

Толстая подложка расширяет полосу пропускания и поглощает от 30% до 50% акустической энергии, что приводит к снижению чувствительности на 6-10 дБ. Разработчик, выбирающий чувствительность, в итоге получает узкополосный излучатель, а разработчик, выбирающий ширину полосы пропускания, получает слабые эхо-сигналы. Без количественной таблицы компромиссов каждый зонд представляет собой компромисс, сделанный вслепую.

Проблема № 5: Потеря настройки и дрейф, искажающие полосу пропускания.

Конденсатор настройки класса II может потерять от 20% до 30% своей емкости в период между холодным запуском и установленным состоянием, а также добавляет эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) к цепи. В результате достигаемая полоса пропускания оказывается уже, чем предполагалось, и ширина полосы пропускания изменяется на несколько сотен килогерц на частоте 5 МГц в течение одного рабочего дня.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Спроектировать согласующие слои в виде лестницы импедансов.

Вычислите толщину каждого слоя по формуле Z_ML = √(Z1 · Z2) и установите ее равной λ/4 на центральной частоте. Используйте двухслойную градиентную градацию для работы с воздушным зазором или высокой контрастностью, поскольку каждый дополнительный слой обеспечивает увеличение пропускания в полосе пропускания на 5–8 дБ. При производстве соблюдайте погрешность толщины ±3% и проверяйте каждый слой с помощью измерения пропускания.

Стратегия 2: Решить вопрос с финансированием с помощью стола.

Сначала сформулируйте требования к затуханию колебаний и мертвой зоне, затем определите минимальное затухание на подложке, которое им соответствует. Выберите импеданс и затухание на подложке для целевого значения добротности Q от 2 до 3, примите потери чувствительности как данность и компенсируйте их с помощью управляющего напряжения и настройки с низкими потерями. Сохраните таблицу в файле проекта, чтобы каждый вариант зонда был измеренным вариантом.

Стратегия 3: Настройка с использованием малопотерных, стабильных компонентов.

Выберите настроечные конденсаторы с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) менее 10 мОм, температурным коэффициентом теплового расширения (TCC) ±30 ppm/°C и допуском ±2%, чтобы добротность цепи соответствовала проектной. Диэлектрик класса I N4700 Обеспечивает плоскую кривую C(V) и C(T), что поддерживает полосу пропускания в диапазоне рабочих температур. Перед выпуском проверьте настроенную характеристику на сетевом анализаторе при −30 °C и при +85 °C.

Стратегия 4: Привод зонда с помощью затухающего импульса.

Используйте генератор импульсов с низкой эквивалентной последовательностью звукового давления (ESL), чтобы возбуждение представляло собой один широкополосный импульс, спектр которого охватывает полосу пропускания. HVR-BSP толстопленочный резистор Устанавливает демпфирование на электрическом порту, что обеспечивает короткое затухание колебаний как на зонде, так и в акустическом блоке.

Защитите выход импульсного генератора с помощью быстровосстанавливающийся диод Рассчитан на обратноходовой преобразователь пробника. Заряд восстановления диода добавляет небольшой ток после фронта импульса, поэтому время восстановления должно быть менее 100 нс, чтобы широкополосный импульс оставался чистым.

Стратегия 5: Охарактеризовать каждый зонд и передать полученные данные обратно.

Измеряйте импеданс, полосу пропускания и чувствительность на каждом производственном щупе и сохраняйте значения для каждой партии настроечных компонентов. Полученные в полевых условиях данные затем используются для ужесточения допуска согласующего слоя и выбора конденсаторов в последующих партиях. Щуп, полоса пропускания которого проверена на стенде, обеспечивает сохранение этой полосы пропускания в цеху.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для настройки широкополосного преобразователя.

Широкополосный зонд сохраняет свою полосу пропускания только тогда, когда настроечная цепь сохраняет свое значение. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I N4700 для напряжений от 1 кВ до 150 кВ на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане. Перекрестная ссылка по отношению к номерам деталей Vishay, Murata и TDK.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR менее 10 мОм на частоте 100 кГц с tanδ ≤ 0.1%, поэтому добротность сети определяется конструкцией, а достигнутая полоса пропускания соответствует смоделированной.
• TCC ±30 ppm/°C и линейность C(V) лучше 99%, поэтому точка настройки сохраняется от холодного запуска до жаркого дня.
• Допуск по емкости составляет ±2%, по запросу может быть увеличен до ±1%, что позволяет удерживать разброс показаний между зондами в пределах заданной полосы пропускания.
• Электростатическая индуктивность (ESL) ниже 20 нГн при собственном резонансе выше 100 МГц, поэтому настроечные и развязывающие конденсаторы остаются емкостными в диапазоне 1–20 МГц.
• Плотность энергии составляет 0.45 Дж/см³, а длительность импульса превышает 10⁶ импульсов при частичном разряде ≤ 5 пКл, поэтому сеть находится внутри корпуса зонда на протяжении всего срока службы прибора.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ в радиально-проводящих, дисковых и Дверная ручка HVCT8G тела, плюс резисторы выборки HVRGHP для измерения тока управления в том же узле.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты для настройки с парными допусками — в течение 6–10 недель. Каждая партия сопровождается записью данных о емкости на рабочей частоте и отчетом о частичном разряде при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Отправьте центральную частоту, ограниченную емкость, целевую относительную полосу пропускания, управляющее напряжение и схему подключения. HVC вернет план настройки с параметрами L_tune, добротность сети и полосу пропускания. пленочный конденсатор сравнение при той же полосе пропускания и комплект для оценки из двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая полоса пропускания необходима для пробника с частотой 5 МГц?

Этого достаточно, чтобы отделить мельчайшие детали, которые необходимо измерить. Зонд AQ = 2 обеспечивает примерно 50% относительной полосы пропускания и разрешает 0.74 мм в стали. Зонд AQ = 10 обеспечивает 10% и разрешает 5.9 мм, объединяя два отражателя, расположенных на расстоянии 2 мм друг от друга, в одно эхо.

В2: Почему мой датчик издает 10 циклов сигнала?

Потому что нагруженная добротность слишком высока. Подложка, согласующие слои и электрическая оконечность обеспечивают демпфирование, и обычно именно электрический путь остается ненастроенным. Добавьте низкопотерный настроечный индуктор и конденсатор класса I, затем подайте на зонд демпфированный импульс.

В3: Какова должна быть емкость настроечного конденсатора?

Установите значение L_tune = 1 / (ω0² · C0) с учетом измеренного значения C0. Пробник на 2 нФ при частоте 5 МГц выдает 506 нГн. Выберите компонент класса I с допуском ±2% и ESR менее 10 мОм, поскольку ESR и TCC определяют достигаемую полосу пропускания.

Вопрос 4: Можно ли расширить диапазон только с помощью электрической настройки?

Нет. Электрическая настройка выравнивает частотную характеристику и сокращает время затухания колебаний, и она не может добавить акустическую энергию, уже поглощенную подложкой. Сначала спроектируйте согласующие слои и подложку, а затем используйте схему настройки для восстановления остаточного несоответствия.

В5: Насколько плотным должен быть стыковочный слой?

Погрешность по толщине составляет ±3%. Ошибка в ±10% приводит к сдвигу и пульсации полосы пропускания на 3–5 дБ, а два зонда с одинаковым номером детали отличаются по чувствительности на 2–3 дБ на рабочей частоте. Такой разброс выходит за рамки любых критериев допустимой амплитуды.

В6: Как доказать стабильность полосы пропускания в процессе эксплуатации?

Перед выпуском проверьте настроенную АЧХ на сетевом анализаторе при −30 °C и +85 °C, затем измерьте импеданс и полосу пропускания на каждом изготовленном зонде. Сохраните значения для каждой партии настройки, чтобы в следующей конструкции использовался измеренный разброс, а не оценка.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Цян-Тао Лай, Цзюнь-Фа Мао и Му-Шуй Чжан, Компенсационная схема многослойного керамического конденсатора с блокировкой постоянного тока для высокоскоростных приложений.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, no. 5, pp. 742-751, 2011. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2011.2116016
8. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com