УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕР ИЛИ ГЛУБИНОМЕР ДЕФЕКТОСКОПА Российский патент 1997 года по МПК G01N29/10 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения толщины изделий в процессе их изготовления или эксплуатации, а также для измерения глубины залегания скрытых дефектов в этих изделиях.

Известен ультразвуковой толщиномер, содержащий генератор переменной частоты, подключенный к излучающему пьезоэлементу, и приемный пьезоэлемент, соединенный с измерительным блоком [1] Излучающий пьезоэлемент возбуждает в изделии моду поперечных колебаний, а с помощью измерительного блока определяют минимальную частоту резонанса и по ней толщину контролируемого изделия.

Известны также толщиномеры и дефектоскопы с раздельно-совмещенными пьезопреобразователями, в которых выходной сигнал пропорционален времени задержки между излученным импульсом и отраженным от границы раздела сигналом. Например в патенте Франции [2] описан прибор с двухэлементным раздельно-совмещенным преобразователем.

К недостаткам этих приборов следует отнести низкую помехозащищенность и недостаточную чувствительность при контроле изделий с шероховатыми поверхностями.

Наиболее близким к предложенному является ультразвуковой прибор, содержащий генератор зондирующих импульсов, соединенный с выводами излучающего пьезоэлемента раздельно-совмещенного преобразователя, выводы приемного пьезоэлемента которого соединены со входом усилителя, выход усилителя подключен ко входу порогового блока, выход которого соединен с первым входом измерителя временных интервалов, второй вход которого подключен к выходу элемента задержки, вход которого соединен с выходом генератора зондирующих импульсов [3] Помимо излучающего и приемного элементов в состав раздельно-совмещенного преобразователя входят экран, призмы и протектор, размещенные в общем корпусе.

Основным недостатком этого прибора является низкая помехоустойчивость и, связанная с этим, недостаточная достоверность контроля. Так, при установке преобразователя на гладкую плоскую поверхность изделия, значительная часть энергии акустической волны распространяется от излучающего к приемному элементу по поверхности изделия. Для исключения ложного срабатывания измерителя временных интервалов приходится увеличивать уровень срабатывания порогового блока, что приводит к снижению чувствительности прибора. Если же преобразователь установлен на шероховатую или цилиндрическую поверхность, то вместе с Рэлеевской волной снижается и полезный эхо-сигнал, что требует достаточно трудоемкой перенастройкой порогового блока, что, однако, не позволяет исключить возможность ложного срабатывания. Таким образом, известный прибор характеризуется противоречием между чувствительностью и помехозащищенностью и требует перенастройки при контроле изделий с различным качеством обработки поверхности.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является устранение указанного противоречия, то есть одновременное повышение чувствительности и помехозащищенности, достоверности измерительной информации. Снижение влияния качества поверхности контролируемого изделия на результаты измерений за счет автоматического выбора оптимального уровня срабатывания порогового блока в процессе измерения.

Указанный результат достигается тем, что ультразвуковой толщиномер или глубиномер дефектоскопа, содержащий последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, элемент задержки и измеритель временных интервалов, последовательно соединенные усилитель и пороговый блок, выход которого подключен ко второму входу измерителя временных интервалов, и раздельно-совмещенный пьезопреобразователь, излучающий пьезоэлемент которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а приемный пьезоэлемент - ко входу усилителя, снабжен последовательно соединенными ключевым элементом и пиковым детектором, выход которого подключен к управляющему входу порогового блока, и формирователем стробирующих импульсов, включенным между выходом элемента задержки и управляющим входом ключевого элемента, а информационный вход последнего подключен ко входу или выходу усилителя.

При этом раздельно-совмещенный пьезопреобразователь выполнен с экраном, а длительность выходного импульса формирователя стробирующих импульсов лежит в диапазоне:

где t длительность выходного импульса формирователя стробирующих импульсов;
l толщина экрана;
c_min минимальная скорость звука в материалах контролируемых изделий;
f рабочая частота пьезопреобразователя.

Кроме того, пороговый блок может быть выполнен в виде двух эмиттерно-связанных транзисторных каскадов, делителя напряжения и конденсатора, причем первый вход делителя напряжения соединен со входом первого транзисторного каскада, являющегося входом порогового блока, выход делителя напряжения соединен с первым выводом конденсатора и входом второго транзисторного каскада, выход которого образует выход порогового блока, а второй вход делителя напряжения и второй вывод конденсатора соединены с общей шиной.

Целесообразно также пиковый детектор выполнить в виде генератора тока на транзисторе, коллекторный вывод которого подключен к первому выводу конденсатора, а базовый вывод является входом пикового детектора.

На фиг. 1, 2 показаны функциональная и часть электрической схемы прибора.

Прибор содержит (фиг. 1) генератор 1 зондирующих импульсов, подключенный к раздельно-совмещенному пьезопреобразователю 2, в состав которого входят излучающий пьезоэлемент 3, приемный пьезоэлемент 4 и электроакустический экран 5. К генератору 1 подключен также элемент 6 задержки. Приемный пьезоэлемент 4 пьезопреобразователя 2 подключен ко входу усилителя 7. Прибор содержит также последовательно соединенные формирователь 8 стробирующих импульсов, ключевой элемент 9 и пиковый детектор 10, подключенный к управляющему входу порогового блока 11. Выходы порогового блока 11 и элемента 6 задержки соединены со входами измерителя 12 временных интервалов.

Блоки 10 и 11 могут, в частности, представлять собой простую транзисторную схему (фиг. 2), где пороговый блок 11 образован двумя эмиттерно-связанными транзисторными каскадами на транзисторах 13, 14 и резисторах 15, 16, 17 и делителем напряжения, выполненным на резисторах 18, 19. Транзистор 20 и резистор 21 представляют собой генератор тока и вместе с конденсатором 22 образуют пиковый детектор 10. Разумеется тип транзисторов и их подключение к цепям питания могут быть иными. Возможно также использование полевых транзисторов. Роль порогового блока 11 может естественно, выполнять компаратор, например, в интегральном исполнении, на один вход которого подается принятый сигнал с выхода усилителя 7, а на другой вход сигнал с детектора 10, либо непосредственно, либо через регулируемый блок смещения уровня.

В качестве формирователя 8 может выступать одновибратор. Ключевым элементом 9 может служить стробируемый усилитель, в зависимости от коэффициента усиления которого его вход может быть подключен либо к выходу усилителя 7, либо к его входу.

Прибор работает следующим образом. Генератор 1 формирует зондирующие импульсы. Эхо-сигнал вместе с сигналом, проходящим по поверхности, поступает на вход усилителя 7 и ключевого элемента 9. Настройка элемента задержки 6 осуществляется по эталонному изделию известной толщины. В результате настройки величина задержки выходного сигнала элемента 6 получается равной удвоенному времени прохождения ультразвукового сигнала по протектору преобразователя 2 и слою контактной смазки. Задержанным сигналом от элемента 6 запускается измеритель 12 временных интервалов и формирователь 8 стробирующих импульсов. Длительность стробирующего импульса, вырабатываемого формирователем 8, определяется вышеприведенным соотношением.

Как показали проведенные расчеты и испытания, в течение этого интервала времени по информационному каналу распространяется импульс помехи от поверхностной волны в изделии. Эта помеха проходит от пьезоэлемента 3 к пьезоэлементу 4 преобразователя 2 и ее путь по поверхности контролируемого изделия равен толщине l акустического экрана 5 преобразователя 2. Полезный эхо-импульс при минимальной измеряемой толщине изделия появляется позже. Элемент 9, на управляющий вход которого поступает выходной импульс формирователя 8, пропускает импульс помехи на вход детектора 10, который формирует постоянное или квазипостоянное напряжение, пропорциональное амплитуде импульса помехи. Это напряжение изменяет порог срабатывания порогового блока 11 так, что при гладкой плоской поверхности изделия этот порог устанавливается максимальным, при котором не происходит срабатывания измерителя 12 от помех, а при увеличении кривизны или шероховатости поверхности этот порог уменьшается, оставаясь, однако, несколько выше помех. В результате происходит автоматический выбор порога срабатывания, оптимального для каждого конкретного случая измерения толщины или глубины залегания дефекта при дефектоскопии. В момент срабатывания блока 11 заканчивается измерение интервала времени, пропорционального контролируемой величине.

Рассмотрим работу устройства, изображенного на фиг.2. В исходном состоянии транзистор 13 открыт, а транзистор 14 закрыт выходными напряжением делителя на резисторах 18, 19. Отрицательный входной импульс эхо-сигнала закрывает транзистор 13. При этом транзистор 14 отпирается и на выходе блока 11 возникает перепад напряжения, прекращающий счет в измерителе 12. Момент отпирания транзистора 14 определяется напряжением на конденсаторе 22, предварительно разряженном до определенного уровня через транзистор 20 и резистор 21, импульсом помехи. Поскольку от амплитуды этого импульса зависит ток коллектора транзистора 20, происходит автоматический выбор оптимального порога срабатывания блока 11.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой прибор надежно защищен от возможных помех и ложных срабатываний, обладает высокой чувствительностью и достоверностью измерений.

Использование: измерение толщины изделий, глубины залегания дефектов. Сущность изобретения: прибор содержит последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, элемент и измеритель временных интервалов, последовательно соединенные усилитель и пороговый блок, выход которого подключен ко второму входу измерителя временных интервалов и раздельно-совмещенный пьезопреобразователь, излучающий пьезоэлемент которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а приемный пьезоэлемент - ко входу усилителя. Прибор снабжен также последовательно соединенными ключевым элементом и пиковым детектором, выход которого подключен к управляющему входу порогового блока, и формирователем стробирующих импульсов, включенным между выходом элемента задержки и управляющим входом ключевого элемента, а информационный вход последнего подключен ко входу или выходу усилителя. Это позволяет регулировать напряжение срабатывания порогового блока в зависимости от уровня помехи поверхностной волны в изделии. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой толщиномер или глубиномер дефектоскопа, содержащий последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, элемент задержки и измеритель временных интервалов, последовательно соединенные усилитель и пороговый блок, выход которого подключен к второму входу измерителя временных интервалов, и раздельно-совмещенный пьезопреобразователь, излучающий пьезоэлемент которого подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, а приемный пьезоэлемент к входу усилителя, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными ключевым элементом и пиковым детектором, выход которого подключен к управляющему входу порогового блока, и формирователем стробирующих импульсов, включенным между выходом элемента задержки и управляющим входом ключевого элемента, а информационный вход последнего подключен к входу или выходу усилителя. 2. Толщиномер или глубиномер по п.1, отличающийся тем, что раздельно-совмещенный пьезопреобразователь выполнен с экраном, а длительность выходного импульса формирователя стробирующих импульсов лежит в диапазоне

где t длительность выходного импульса формирователя стробирующих импульсов;
l толщина экрана;
c_min минимальная скорость звука в материалах контролируемых изделий;
f рабочая частота пьезопреобразователя. 3.Толщиномер или глубиномер по п.1, отличающийся тем, что пороговый блок выполнен в виде двух эмиттерно-связанных транзисторных каскадов делителя напряжения и конденсатора, причем первый вход делителя напряжения соединен с входом первого транзисторного каскада, являющегося входом порогового блока, выход делителя напряжения соединен с первым выводом конденсатора и входом второго транзисторного каскада, выход которого образует выход порогового блока, а второй вход делителя напряжения и второй вывод конденсатора соединены с общей шиной. 4. Толщиномер или глубиномер по п.3, отличающийся тем, что пиковый детектор выполнен в виде генератора тока на транзисторе, коллекторный вывод которого подключен к первому выводу конденсатора, а базовый вывод является входом пикового детектора.