Устройство для визуализации упругих колебаний

 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано в машиностроении, строительстве, медицине, авиа- и судостроении и других областях науки и техники. Технический результат - повышение разрешающей способности. Сущность изобретения: для повышения разрешающей способности предлагаемого контроля и уменьшения влияния неоднородностей свойств приемного пьезовибратора, последний выполняется не монолитным, а в виде мозаики, подбираемой из идентичных элементов, которые граничат с разрядным промежутком через металловолоконный протектор и выполняются с ним как одно целое. 1 ил.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля материалов, изделий с использованием комбинации ультразвуковых колебаний и эффектов газового разряда. Может применяться в машиностроении, авиа- и судостроении, строительстве, медицине и других областях науки и техники.

Известные ультразвуковые (УЗ) методы контроля в технологии испытаний материалов и изделий являются универсальными, доступными и в то же время хорошо зарекомендовавшими себя в машиностроении и других отраслях промышленности. При осуществлении такого контроля основным элементом является УЗ преобразователь (или датчик, щуп) как в функциональном плане, так и в эксплуатационном в качестве необходимой составной части УЗ дефектоскопа. Но УЗ преобразователи могут рассматриваться и в качестве отдельно поставляемого инструмента неразрушающего УЗ контроля в связи со своей универсальностью и возможностью использования практически с любым дефектоскопом.

Известны наборы УЗ преобразователей, которые достаточно полно охватывают практически все типы преобразователей.

Однако их функциональные возможности не позволяют обеспечить визуализацию результатов контроля в реальном масштабе времени, т.е. информацию о дефектах в контролируемом объекте в виде зрительного образа непосредственно на выносном щупе дефектоскопа, сканируемого по изделию в ручном или механизированном варианте контроля, а не на экране дефектоскопа, мониторе ЭВМ и т.д.

Такие методы и устройства по сравнению с применяемыми в настоящее время откроют новые возможности технологу, позволяя ему "видеть" протекание технологического процесса на стадии формирования изделия (например, неметаллического), а также оценить результаты формообразования в готовом изделии и по результатам визуализации внутренней структуры объекта в любой точке поверхности принять решение о корректировке своих действий, о качестве продукта и др. Однако для того, чтобы не нарушать техпроцесс, такие средства контроля в то же время будут и малогабаритными, переносными, подготовленными для работы с объектом в неудовлетворительных условиях производства, в условиях ограниченного доступа и т.д.

Известны средства контроля с обработкой информации и визуализации внутреннего строения с помощью ЭВМ, позволяющие оператору наблюдать зрительный образ прямо на датчике, который держит над данной точкой объекта, не отвлекаясь на экран осциллоскопа.

Известны также устройства визуализации с использованием метода газового разряда в электрическом поле высокой напряженности, которые применимы только для контроля сплошности неметаллических (непроводящих) материалов, а в проводящих, например, углеродных композиционных и сугубо металлических, можно было контролировать только поверхностную картину (аномалию). Кроме того, верхний предел контроля неметаллических материалов с визуализацией внутренней структуры ограничивается толщинами 10-12 мм (по состоянию техники на сегодняшний день), требует наличия металлической подложки или электропроводящего электрода, а по физической сути неоднородность неметалла, как таковая, фиксируется в виде изменения электрофизических свойств, а не плотности, как в случае УЗ (или радиационных) методов контроля. В то же время УЗК применимы для испытания неметаллических, металлических или композиционных, одно- и многослойных материалов и конструкций и фактически любых (применяемых на практике) их толщин. В связи с этим представляется весьма интересным и полезным объединить эти указанные выше положительные моменты по универсальности УЗ методов контроля материалов и изделий с возможностями методов газового разряда в электрическом поле высокой напряженности по визуализации.

Все изложенное выше говорит о новизне, актуальности и необходимости возможной промышленной применимости датчиков с визуализацией внутренней структуры применяемых в изделиях материалов.

В качестве ближайшего аналога выбран метод визуализации УЗ поля пьезокеpамических элементов, содержащий корпус, размещенные в нем пьезопреобразователь с металлизированным слоем на внутренней поверхности, электрод и слой люминофора и регулируемый источник напряжения, связанный с электродом 131.

Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности контроля и уменьшение влияния неоднородности свойств приемного пьезопреобразователя.

Это достигается за счет того что электрод выполнен прозрачным, слой люминофора нанесен на его внутреннюю поверхность, электрод и металлизированный слой полупреобразователя образуют разрядный промежуток, а пьезопреобразователь выполнен прозрачным.

Одновременно выполнение приемного пьезоэлемента в виде мозаики повысит разрешающую способность контроля таким ультразвуковым датчиком.

На чертеже представлена схема устройства в разрезе.

Устройство для визуализации упругих колебаний состоит из ультразвукового излучателя 1 (или 1'), ультразвукового пьезоприемника 2, выполненного в виде мозаики идентичных элементов 3. На ультразвуковой пьезоприемник 2 нанесен металлизированный слой (протектор) 4, а далее создан разрядный промежуток за счет ограничителя разрядного зазора 5 и люминофорного покрытия 6 на прозрачном электроде 7. С другой стороны прозрачного электрода 7 имеется экран (разрядного преобразователя) 8. К разрядному электроду 7 относительно контролируемого образца подключен источник импульсного напряжения 9. Весь комплекс позиций 2-8, расположенный внутри пунктирного контура, можно в общем назвать "приемным преобразователем" или "приемным датчиком" 2', располагаемом на контролируемом объекте 10 с дефектом 11 внутри него. Указанная композиция по отношению позиции 10 является разрядным оптическим преобразователем (РОП) по контролю неметаллических композиционных материалов (КМ), где в качестве последнего выступает приемный пьезовибратор 2 (а испытываемый объект 10 как его подложка и одновременно как один из электродов РОП).

Рассмотрим эхо-импульсный (односторонний) и теневой (двухсторонний) варианты неразрушающего контроля металлической пластины 10 с дефектом 11 с использованием указанного РОП.

При эхо-импульсном контроле датчик-излучатель 1 располагается с одной стороны листа. Подаваемое от источника 9 импульсное напряжение выбирается таким образом, чтобы оно соответствовало предпробойному уровню в созданном газоразрядном промежутке РОП между протектором 4 и прозрачным электродом 7. При возбуждении УЗ излучателя 1 УЗ импульс, пройдя через слой объекта 10 и отразившись от дефекта 11, спроецирует на плоскость приемного пьезовибратора 2 поле упругих колебаний, адекватное сплошности исследуемого объекта 10 (в данном случае дефекту 11), что вызовет в свою очередь возникновение пьезо-ЭДС на соответствующих пьезоэлементах 3 пьезовибратора 2. Возникающее напряжение (в виде добавки к импульсному от источника 9, а именно к той его части, которая приходится на газоразрядный зазор между позициями 4 и 6) будет достаточным для получения разряда в разрядном промежутке в местах расположения возбуждаемых элементов 3 пьезовибратора 2. При этом, для выбора напряжения в зазоре он (зазор) делается регулируемым. Наблюдая или регистрируя разряды через экран 8, судят о распределении УЗ поля в исследуемом объеме 10, а в данном случае о конфигурации дефекта 11.

Рассмотрим также особенность визуализации при теневом методе исследования объекта 10, а именно при положении излучателя 1 в виде пунктирного варианта расположения в позиции 1'. Из чертежа видно, что в данном случае исследуемый объект 10 располагают между УЗ излучателем 1' и пьезоприемником 2 с целью обнаружения в нем дефекта 11. При передвижении соосно датчиков 1' и 2 и возбуждении излучателя 1', дополнительная пьезо-ЭДС будет возникать на всех элементах 3 пьезоприемника 2, кроме тех, на которые приходится "тень" от дефекта 11. В соответствии с этим и разряд будет виден через экран над всеми элементами 3, кроме затененных дефектом. Чем меньше выбран размер элемента 3, тем с большей точностью можно будет определить распределение УЗ поля и, соответственно, обнаружить меньшей величины дефект материала, однако этим самым ожидается уменьшение добавки (напряжения) к импульсному предпробойному напряжению в газоразрядном зазоре, поэтому для сохранения чувствительности к дефектам необходимо также вводить регулировку величины газоразрядного промежутка.

Отработка методики в динамике производится в каждом конкретном случае в зависимости от заложенных в КД требований к неразрушающему контролю объекта, а именно к обнаружению минимально допустимого дефекта.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ, содержащее корпус, размещенные в нем пьезопреобразователь с металлизированным слоем на внутренней поверхности, электрод и слой люминофора и предназначенный для подключения к электроду регулируемый источник напряжения, отличающееся тем, что электрод выполнен прозрачным, слой люминофора нанесен на его внутреннюю поверхность, электрод и металлизированный слой образуют разрядный промежуток, а пьезопреобразователь выполнен мозаичным.

РИСУНКИ

Рисунок 1