Ультразвуковой преобразователь

 

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Целью изобретения является повышение чувствительности к поверхностным дефектам электропроводных объектов за счет использования для их выявления вихревых токов. Пьезоэлемент 4 возбуждает в проекторе 2 из поляризованного пьезоматериала импульсы упругих колебаний, которые вызывают появление магнитного поля, фиксируемого по сигналу на выходе двух встречно включенных измерительных электрических обмоток 5, расположенных коаксиально протектору 2. Магнитное поле, возникающее в протекторе 2, возбуждает в электропроводном объекте 6 концентрические вихревые токи, чье магнитное поле провзаимодействовав с первичным магнитным полем несет информацию о наличии и размерах поверхностных дефектов объекта 6. Ультразвуковая дефектоскопия объекта 6 с помощью пьезоэлемента 4 выполняется традиционным образом. Выбор геометрических параметров высоты обмоток 5 и толщины протектора 2 обеспечивает максимальную величину сигнала с выхода обмоток 5. 2 ил.

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии различных объектов из электропроводных материалов.

Известен пьезопреобразователь, содержащий корпус и размещенные в нем протектор, демпфер и пьезоэлементы [1].

Недостатком известного преобразователя является недостаточно высокая чувствительность в довольно значительных по размерам мертвых зонах, примыкающих к поверхности контролируемого изделия.

Наиболее близким по технической сущности является УЗ преобразователь, содержащий корпус, размещенные в нем протектор, демпфер и пьезоэлемент, выполненный из ряда акустических соединенных плоских пьезопластин заданного поперечного размера [2].

Недостатком данного преобразователя является недостаточно высокая чувствительность к поверхностным дефектам, обусловленная наличием мертвой зоны, примыкающей к поверхности ввода ультразвуковых (УЗ) колебаний.

Целью изобретения является повышение чувствительности к поверхностным дефектам электропроводных объектов за счет использования для их выявления вихревых токов.

На фиг. 1 схематично представлен УЗ преобразователь; на фиг. 2 - осциллограммы сигналов с выхода измерительных электрических обмоток при установке преобразователя на объекте с поверхностным дефектом.

УЗ преобразователь содержит корпус 1 и размещенные в нем протектор 2, демпфер 3, пьезоэлемент 4 и две встречно включенные измерительные электрические обмотки 5. Позицией 6 на фиг. 1 обозначен контролируемый объект. Пьезоэлемент 4 выполнен из ряда акустически соединенных плоских пьезопластин заданного поперечного размера. Протектор 2 выполнен из поляризованного пьезоматериала. Обмотки 5 расположены коаксиально протектору 2, причем толщину L проектора 2 и высоту Н обмоток 5 выбирают из условий L = (0,5 - 1,5) h²/ δ, Н = (0,2 - 1,0)L где h - глубина проникновения электромагнитного поля в материале протектора 2; δ - толщина пьезоэлемента 4.

УЗ преобразователь работает следующим образом.

Пьезоэлемент 4 возбуждают, в результате чего в протекторе 2 распространяется импульс УЗ колебаний. Поскольку протектор 2 выполнен из поляризованного пьезоматериала, под действием импульса упругой деформации в нем возникает магнитное поле, которое фиксируется измерительными электрическими обмотками 5 в виде импульсов напряжения U(t). Первый по времени приема импульс U₁(t) характеризуется временем распространения импульса электромагнитного поля в протекторе 2 на глубину h от него передней грани со стороны пьезоэлемента (для материала ЦТС-19 h = 3 мм). Второй импульс U₂(t) характеризуется временем распространения импульса электромагнитного поля в протекторе 2 на глубину h отраженного от грани протектора 2 со стороны объекта 6. Интервал времени между первым и вторым импульсами определяется длительностью прохождения продольной УЗ волны по протектору 2 со временем τ₁. Магнитное поле, возникающее в протекторе 2, возбуждает в электропроводном объекте 6 концентрические вихревые токи, плотность которых максимальна на поверхности объекта 6 в контуре, диаметр которого близок поперечному размеру протектора 2. Магнитное поле вихревых токов направлено противоположно первичному магнитному полю и результирующий сигнал U₂(t) несет информацию о толщине, электрической проводимости и магнитной проницаемости объекта 6, так и наличии и размерах его поверхностных дефектов. На фиг. 2 представлен сигнал U₂ при регистрации дефекта в виде риски длиной 5 мм, шириной 0,5 мм и глубиной 0,2 мм на объекте 6 из титанового сплава ВТ-14. На бездефектном объекте 6 наблюдается противоположное соотношение сигналов U₁ U₂. Третий сигнал U₃(t) в данном случае получен от данного эхо-сигнала объекта 6. Качество объекта 6 по результатам УЗ контроля может определяться как по амплитуде данного эхо-сигнала, так и по появлению импульсов с интервалом времени τ₂ относительно первого импульса меньшим величины τ₁ + 2L_n/C_n, где C_n - скорость распространения УЗ продольных колебаний в материале объекта 6, L_n - толщина объекта 6.

Условия выбора оптимальных значений толщины L протектора 2 и высоты Н обмоток 5 определялось экспериментально по максимуму амплитуды сигналов U(t) в диапазоне частот УЗ колебаний от 1 до 10 МГц.

Так же экспериментально определено, что оптимальное соотношение диаметров протектора 2 и пьезоэлемента 4 наблюдается в пределах от 0,5 до 0,7. Представленные на фиг. 2 осциллограммы сигналов получены с выхода двух встречно включенных обмоток 5 высотой Н = 5 мм из медного провода диаметром 0,15 мм (каждая с числом витков n = 40), коаксиально расположенных вокруг протектора 2 из поляризованного материала ЦТС-19 диаметром 15 мм и высотой L = 10 мм.

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий корпус, размещенные в нем протектор, демпфер и пьезоэлемент, выполненный из ряда акустически соединенных плоских пьезопластин заданного поперечного размера, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности к поверхностным дефектам электропроводных объектов, он снабжен двумя встречно включенными измерительными электрическими обмотками, охватывающими коаксиально протектору, протектор выполнен из поляризованного пьезоматериала, а толщину L протектора и высоту H обмоток выбирают из условий L = (0,5-1,5) h² / δ ; H = (0,2-1,0)L , где h - глубина проникновения электромагнитного поля в материале протектора; δ - толщина пьезоэлемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2