Акустооптический способ контроля качества объектов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике, к области неразрушающих испытаний. Цель изобретения - повышение точности и информативности измерений при контроле материалов и изделий. Информационный пучок акустических волн взаимодействует с оптическим излучением в оптически и акустически прозрачной локализованной среде, в результате чего возникает дифракционный оптический спектр. Интенсивность света в максимумах измеряется. Появление дефекта на пути информационного акустического пучка приводит к изменению его интенсивности и, следовательно, изменению акустических и оптических параметров локализованной среды взаимодействия, что вызывает изменение интенсивности света в дифракционных максимумах. Результат измерений обрабатывается по заданному алгоритму и сравнивается с уставкой. Устройство для реализации данного способа содержит связанный с ультразвуковым дефектоскопом приемно-излучающий преобразователь, имеющий акустический тракт, состоящий из пьезоэлементов, и оптический тракт, представляющий собой сканирующее устройство, в состав которого входят лазер, формирователь света заданной формы, волоконно-оптическая линейка и механизм перемещения. Работа матрицы пьезоэлементов и сканирующего устройства синхронизированы блоком управления. Приемно-излучающий преобразователь связан с периферийным блоком обработки информации. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний элементов и узлов конструкций и может найти применение для контроля качества в машиностроении, авиационной и автомобильной технике. Преимущественно данное изобретение предназначено для выявления локальных дефектов структурных неоднородностей и отклонений по толщине материалов и изделий.

Известны способы неразрушающего контроля, основанные на излучении и приеме отраженных акустических волн: например, эхо-метод, зеркальный эхо-метод, дельта-метод (см. например, в кн. Приборы неразрушающего контроля материалов и изделий. Кн. 2/под ред. В.В.Клюева. М. Маш-ие, 1986 г. с. 201). Однако эти методы позволяют зарегистрировать лишь информацию, содержащуюся в амплитуде ультразвуковой волны, и не дают информацию, которую несет ее фаза. Кроме того, невозможны высокоточные измерения из-за помех, вносимых элементами системы контроля.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу контроля является эхо-метод, при котором через контролируемый объект пропускают информационную акустическую волну и принимают отраженную от граней объекта или от имеющихся дефектов волну, а о качестве изделия судят по изменению амплитуды отраженной информационной волны (см. например, в кн. Приборы неразрушающего контроля материалов и изделий. Кн. 2/под ред. В.В.Кюева. М. Маш-ие, 1986 г. с. 228).

Устройство для осуществления данного способа содержит один приемно-излучающий преобразователь. Причем приемно-излучающий преобразователь в режиме излучения связан с генератором ультразвуковых колебаний а в режиме приема с приемно-измерительным устройством (см. например, в кн. Приборы неразрушающего контроля материалов и изделий. Кн. 2/под ред. В.В.Клюева. М, Маш-ие, 1986 г. с. 228).

Недостатками известного способа и, соответственно, устройства для его осуществления являются потеря информации о качестве объекта, содержащаяся в фазе отраженной волны, а регистрация лишь ее интенсивности. Кроме того, классическая схема не обеспечивает высокоточных измерений из-за наличия помех, вносимых излучателем или другими элементами системы, а также ввиду ограниченного диапазона акустических параметров, определяемых характеристиками используемой системы.

Указанные недостатки обусловлены несовершенством элементной базы системы контроля и квадратичностью детекторов (приемников).

Целью настоящего изобретения является повышение точности и информативности измерений.

Указанная цель достигается способом, при котором пропускают через контролируемые зоны объекта акустическую волну и определяют качество объекта по изменению параметров отраженной от него акустической волны, согласно изобретению, формируют опорное оптическое излучение в акустически и оптически прозрачной локализованной среде перпендикулярно акустической волне, регистрируют интенсивность света в нескольких дифракционных максимумах спектра, образующегося при дифракции света на отраженной от объекта акустической волне, при частотах f₁ и f₂ акустической волны сравнивают интенсивности спектра, возникающего при дифракции на падающей акустической волне, с интенсивностями светового спектра, возникающего при дифракции на отраженной от объекта акустической волне по равенству интенсивностей сравниваемых спектров определяют изменение импеданса объекта контроля, вызванного структурными неоднородностями, по неравенству изменение толщины, а частоты f₁ и f₂ выбирают из соотношения: f₂=f₁+c/2h, (1) где с скорость звука в объекте контроля, h толщина объекта контроля.

Указанная цель достигается также устройством, содержащим приемно-излучающий преобразователь, который, согласно изобретению, снабжен двумя каналами, первый из которых содержит связанные между собой блок силовых ключей, шаговый двигатель, блок питания и зубчатую передачу, а второй - связанные между собой формирователь импульса окончания перемещения, счетчик импульсов, дешифратор и электрические ключи блоком управления, связанным с приемно-излучающим преобразователем посредством первого и второго каналов, а приемно-излучающий преобразователь выполнен в виде корпуса, заполненного оптически прозрачной жидкостью пьезоэлементов, размещенной на крышке корпуса, сканирующего оптического блока, размещенного на боковых стенках корпуса и состоящего из лазера, формирователя пучка, механизма перемещения волоконно-оптической линейки, шаг которой соответствует расстоянию между дифракционными максимумами в плоскости измерения, и блока обработки информации, связанного с линейкой и состоящего из фотоприемников и электрически связанных аналогового коммутатора блока усилителей, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ.

Введение источника света приводит к дифракции света на акустической волне, являющейся результирующей двух волн: отраженной от верхней и от нижней границ объекта и распространяющейся в акустически и оптически прозрачной среде, прилегающей к внешней поверхности объекта. При изменении интенсивности света в дифракционных максимумах учитывается наряду с информацией, содержащейся в амплитуде акустической волны, информация, содержащаяся в ее фазе: где I_p интенсивность света в р-ом дифракционном максимуме, p 0,±1,±2, I_п интенсивность падающего света, J_p функция Бесселя p-ого порядка.

x координата вдоль направления распространения акустической волны, λ_а длина акустической волны, n_o показатель преломления локализованной среды взаимодействия,
p упругооптическая постоянная,
A₁, A₂ амплитуды акустических волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей объекта, определяемые параметрами объекта и сред, находящихся в соприкосновении с его верхней и нижней поверхностью, например,

где Z₁=ρ₁c₁ импеданс среды взаимодействия,
Z₂=ρ₂c₂ импеданс объекта контроля,
c₁, c₂ скорость звука в среде взаимодействия и в объекте
ρ₁,ρ₂ плотность среды взаимодействия и объекта,
δ₂ коэффициент затухания акустической волны в объекте,
ϕ разность фаз между волной, отраженной от верхней поверхности объекта, и волной, отраженной от нижней поверхности объекта,
таким образом, точность и информативность контроля повышаются.

Преобразование акустического сигнала в оптический дает возможность использовать приемное устройство, постpоенное на оптической элементной базе, что позволяет при использовании лазерного источника света получить электрический сигнал на фотоприемниках большей амплитуды, чем при использовании приемного устройства, построенного на акустической элементной базе (см. например, в кн. Ультразвуковой контроль материалов: Справ. изд. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер; Пер. с нем. М. Металлургия, 1991 г. с. 182), а также снизить помехи при приеме информационного акустического сигнала, которые весьма существенны у акустического приемного устройства и требуют сложных схем устранения (помехи в преобразователе, шумы усилителя и др.).

Устройство, приведенное на чертеже, состоит из блока управления (БУ) 1, связанного двумя каналами с приемно-излучающим преобразователем (ПИП) 2: первый канал включает блок силовых ключей (БСК) 3, шаговый двигатель (ШД) 4, питаемый от блока питания (БП) 5, зубчатую передачу (ЗП) 6; второй - формирователь импульса окончания перемещения (ФИОП) 7, счетчик импульсов (СчИ) 8, дешифратор (ДШ) 9 и электрические ключи (ЭК) 10, к которым присоединен ультразвуковой дефектоскоп (УЗД) 11. Выход первого канала соединен с оптическим сканером 12, включающим лазер 13 и формирователь пучка 14, установленным на двух направляющих на боковой поверхности ПИП и жестко соединенным скобой 15 с волоконно-оптической линейкой (ВОЛ) 16, расположенной на противоположной боковой поверхности ПИП; выходы второго канала от электронных ключей присоединены к матрице пьезопластин 17, расположенных в крышке ПИП. Днище ПИП 18 устанавливается на поверхность объекта контроля. В двух боковых стенках ПИП выполнены оптически прозрачные щели 19 и 20. ПИП связан с блоком обработки информации 21: выходные торцы ВОЛ соединены с фотоприемниками 22, которые через аналоговый коммутатор 23, блок усилителей 24 и аналого-цифровой преобразователь 25 подключены к ЭВМ 26.

Реализуется предложенный способ контроля следующим образом. БУ 1 посылает импульс, который через БСК 3, усиливающий управляющий сигнал, запускает ШД 4, питаемые БП 5. На валу ШД 4 установлено зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с зубчатой рейкой (зубчатая передача 6), которая прикреплена к нижней части оптического сканера 12, включающего лазер 13 и формирователь пучка света заданной формы 14, жестко соединенного с ВОЛ 16 и совершающего возвратно-поступательные движения вдоль боковой поверхности ПИП 2. Сигнал от БУ 1, запускающий ШД 4, одновременно формирует в ФИОП 7 импульс, соответствующий по времени окончанию одного дискретного перемещения сканера. Этот импульс поступает на СчИ 8 и увеличивает его содержание на единицу (в случае реверсивного счета может уменьшить на единицу в зависимости от направления движения сканера). Содержимое счетчика соответствует номеру пьезопреобразователя, который необходимо подключить. Содержимое счетчика из двоичной формы преобразуется в десятичную ШД 9, сигналы которого управляют ЭК 10. ЭК 10 подключает УЗД 11 к соответствующей пьезопластине 17, чей код поступает на вход ШД 9, что позволяет генерировать зондирующий и принимать прошедший через днище ПИП 18 и отраженный от объекта контроля ультразвуковой сигнал, взаимодействующий под углом 90^o со световым пучком, проходящим через щель 19 от лазера 13 в полость ПИП, заполненную оптически и акустически прозрачной жидкостью. Возникающий дифракционный спектр через щель 20 попадает на ВОЛ 16, а затем поступает в блок обработки информации 21, в котором на торцах ВОЛ измеряется ФП 22 интенсивность света. Значения интенсивности света в дифракционных максимумах последовательно подаются через АК 23 в БУ 24, а затем преобразуются АЦП 25 в цифровые сигналы, обрабатываемые в ЭВМ по следующему алгоритму. При изменении выходного дифракционного спектра и наличии сигнала на экране дефектоскопа, свидетельствующего о локальном дефекте, дифракционный спектр, возникающий на зондирующей акустической волне, по дифференциальной схеме сравнивается со спектром, возникающим на информационной, отраженной от объекта акустической волне. Значения интенсивности в соответствующих друг другу максимумах с положительным и отрицательным порядком усредняются вследствие симметричности спектра относительно направления распространения падающего света, а полученные значения сравниваются с уставками. При изменении выходного сигнала и отсутствии показаний на экране дефектоскопа о наличии локального дефекта измеряются два информационных спектра на ультразвуковых частотах f₁ и f₂, причем определяется по формуле (1). Выбор частоты в соответствии с выражением (1) обусловлен следующим. Значения интенсивности света в дифракционных максимумах выходного спектра определяются по формуле (2) амплитудами двух акустических волн, отраженных от верхней и нижней границ объекта, которые слабо зависят от частоты, и разностью фаз между ними:

где k коэффициент слабо зависящий от частоты,
f частота акустических колебаний,
h толщина объекта контроля,
c скорость звука в объекте контроля.

При изменении импеданса, но постоянной толщине объекта контроля h:


Подставляя (1) в (6), получаем:

Так как ϕ входит в выражение (2) под знаком косинуса, то
cosϕ(f₁)=cosϕ(f₂), (8)
следовательно:

При неизменном импедансе, но отклонении по толщине объекта на Δh:
ϕ(f₁)=k+(4πf₁(h+Δh))/c, (10)
ϕ(f₂)=k+(4πf₂(h+Δh))/c, (11)
Подставляя (1) в (11), получаем:

следовательно

Таким образом, равенство спектров на частотах f₁ и f₂ свидетельствует об изменении импеданса объекта контроля, вызванном структурными неоднородностями, а их неравенство об изменении его толщины. Полученный сигнал сравнивается с уставками, после чего делается вывод о качестве объекта контроля.

Пример 1. В качестве источника ультразвуковых колебаний использовался генератор ГЗ-112/1 и преобразователь с частотой 5 МГц и шириной ультразвукового пучка L 3 см. Источником монохроматического оптического излучения служил Нe-Ne лазер с длиной волны λ=0,63·10^-6 м. Для измерения интенсивности света в дифракционных максимумах использовался фотодиод ФД-256. Объектом контроля служила жидкая фаза толщиной 1 мм с идеальными акустическими параметрами: плотностью ρ=1100 кг/м³, скоростью звука с 2640 м/с, коэффициентом затухания звуковой волны δ=2·10⁴ м^-1, импеданс которого изменялся путем добавления воды. Сверху жидкая фаза покрывалась стальным листом толщиной 1 мм. В качестве подложки использовался алюминий. Взаимодействие светового пучка с ультразвуковой волной происходило в воде.

На фиг. 2 приведены кривые зависимости интенсивности света в 0-ом и 1-ом дифракционных максимумах от импеданса объекта контроля z. Причем интенсивность света представлена в нормированном виде, например: I_o/I_н, где I_н значение I_o, которое измерено при идеальных значениях акустических параметров ρ, с и d. Следовательно, любое отклонение от единицы свидетельствует о нарушении качества объекта контроля.

Пример 2. Объект и технические средства контроля те же, что и в примере 1. Однако возможны как изменения акустических параметров жидкого слоя, так и изменения толщины стального листа. Контроль производился на двух частотах: f₁=5 МГц и f₂, определяемой по формуле (1):

На фиг. 3 приведен график зависимости I_o и I₁ от импеданса жидкого слоя для двух частот. Расхождения между кривыми незначительные, они вызваны поглощением в стали, которое зависит от частоты.

На фиг. 4 представлено изменение I_o/I₁ в зависимости от толщины стального листа. Видно, что могут быть выявлены отклонения толщины порядка 0,01 мм.

Таким образом, в большинстве случаев можно различить, чем вызвано изменение интенсивности света в дифракционных максимумах: изменением импеданса объекта контроля (на двух разных ультразвуковых частотах выходные сигналы почти совпадают) или изменением его толщины (на разных ультразвуковых частотах сигналы различны).

Эффективность предполагаемого изобретения достигается за счет повышения точности и информативности измерений параметров акустической волны и, следовательно, точности заключений о качестве контролируемых материалов и изделий.

Формула изобретения

1. Акустооптический способ контроля качества объектов, заключающийся в том, что пропускают через контролируемые зоны объекта акустическую волну и определяют качество объекта по изменению параметров отраженной от него акустической волны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и информативности контроля, формируют опорное оптическое излучение в акустически и оптически прозрачной локализованной среде перпендикулярно акустической волне, регистрируют интенсивность света в нескольких дифракционных максимумах спектра, образующегося при дифракции света на отраженной от объекта акустической волне, при частотах f₁ и F₂ акустической волны сравнивают интенсивности спектра, возникающего при дифракции на падающей акустической волне, с интенсивностями светового спектра, возникающего при дифракции на отраженной от объекта акустической волне, по равенству интенсивностей сравниваемых спектров определяют изменение импеданса объекта контроля, вызванного структурными неоднородностями, по неравенству изменение толщины, а частоты f₁ и f₂ выбирают из соотношения
f₂ f₁ + с/2h,
где с скорость звука в объекте контроля;
h толщина объекта контроля.

2. Устройство для контроля качества объектов, содержащее приемно-излучающий преобразователь, отличающееся тем, что оно снабжено двумя каналами, первый из которых содержит связанные между собой блок силовых ключей, шаговый двигатель, блок питания и зубчатую передачу, а второй - связанные между собой формирователь импульса окончания перемещения, счетчик импульсов, дешифратор и электрические ключи, блоком управления, связанным с приемно-излучающим преобразователем посредством первого и второго каналов, а приемно-излучающий преобразователь выполнен в виде корпуса, заполненного оптически прозрачной жидкостью, матрицы пьезоэлементов, размещенной на крышке корпуса, сканирующего оптического блока, размещенного на боковых стенках корпуса и состоящего из лазера, формирователя пучка, механизма перемещения, волоконно-оптической линейки, шаг которой соответствует расстоянию между дифракционными максимумами в плоскости измерения, блока обработки информации, связанного с линейкой и состоящего из фотоприемников и электрически связанных аналогового коммутатора, блока усилителей, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4