УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для неразрушающего контроля материалов и изделий, преимущественно крупногабаритных и с большим затуханием ультразвука.

Известно устройство ультразвукового контроля, содержащее генератор зондирующих импульсов, электроакустический преобразователь, входной усилитель и устройство индикации (Теория и практика ультразвукового контроля. И.Н. Ермолов, М.: Машиностроение, 1981, с.95).

Однако такое устройство имеет низкую чувствительность контроля, определяемую максимальным значением амплитуды зондирующего сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство ультразвукового контроля материалов и изделий, реализующее сплит-способ ультразвукового контроля (см. Патент РФ 2126538, МПК⁶ G 01 N 29/04, опубл. 1999 г., БИ 5), содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, усилитель мощности, излучающий электроакустический преобразователь, приемный электроакустический преобразователь, оптимальный фильтр, накопитель, второй вход которого объединен с вторым входом управляемого полосового оптимального фильтра и соединен с вторым выходом синхронизатора и индикатора.

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность и достоверность контроля, связанная с тем, что электрическая емкость обкладок пьезоэлементов излучающего и приемного электроакустических преобразователей снижает их коэффициент передачи и полосу частот пропускания. Это приводит к искажению формы эхо-сигналов и, как следствие, нарушению оптимальности фильтрации, существенному искажению формы сигнала на выходе оптимального фильтра, уменьшению чувствительности и достоверности контроля.

Техническая задача предлагаемого устройства заключается в повышении чувствительности и достоверности контроля и эксплуатационных характеристик устройства.

Эта задача достигается тем, что известное устройство ультразвукового контроля, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов и усилитель мощности, излучающий и приемный электроакустические преобразователи, последовательно соединенные оптимальный фильтр, накопитель, второй вход которого объединен с вторым входом управляемого полосового оптимального фильтра и соединен с выходом синхронизатора и индикатора, снабжено первой и второй электрически управляемыми катушками индуктивности, один вывод первой электрически управляемой катушки индуктивности соединен с выходом усилителя мощности, мультиплексором, вход которого соединен с другим выводом первой электрически управляемой катушки индуктивности, демультиплексором, выход которого объединен с одним выводом второй электрически управляемой катушки индуктивности, другой вывод которой заземлен, при этом объединенный выход демультиплексора и второй вывод электрически управляемой катушки индуктивности соединен с входом оптимального фильтра, блоком формирования управляющих и коммутирующих сигналов, вход которого соединен с выходом синхронизатора, первый выход подключен к выводу управления первой электрически управляемой катушки индуктивности, второй выход соединен с выводом управления второй электрически управляемой катушки индуктивности, третий выход подключен к входу управления мультиплексора, четвертый выход соединен с входом управления демультиплексора, излучающий и приемный электроакустические преобразователи выполнены широкополосными в виде матрицы, состоящей из N разновысоких пьезоэлементов, причем N пьезоэлементов излучающего электроакустического преобразователя соединены с N выходами мультиплексора, а N пьезоэлементов приемного электроакустического преобразователя соединены с N входами демультиплексора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства.

Устройство ультразвукового контроля содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор зондирующих импульсов 2 и усилитель мощности 3, излучающий 4 и приемный 5 электроакустические преобразователи, последовательно соединенные управляемый оптимальный фильтр 6, накопитель 7, второй вход которого объединен с вторым входом фильтра 6 и соединен с выходом синхронизатора 1, и индикатор 8, электрически управляемую катушку индуктивности 9, один вывод которой соединен с выходом усилителя мощности 3, мультиплексор 10, вход которого соединен с другим выводом катушки 9, демультиплексор 11 и электрически управляемую катушку индуктивности 12, один вывод которой заземлен, а второй ее вывод объединен с выходом демультиплексора 11 и соединен с входом оптимального фильтра 6, блок формирования управляющих и коммутирующих сигналов 13, вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, первый выход соединен с входом управления катушки индуктивности 9, второй выход подключен к выводу управления катушки индуктивности 12, третий выход соединен с входом управления мультиплексора 10, четвертый выход подключен к входу управления демультиплексора 11, излучающий и приемный электроакустические преобразователи выполнены широкополосными в виде матрицы, состоящей из N разновысоких пьезоэлементов, причем N пьезоэлементов излучающего электроакустического преобразователя 4 соединены с N выходами мультиплексора 10, а N пьезоэлементов приемного электроакустического преобразователя 5 соединены с N входами демультиплексора 11, и контролируемое изделие 14.

Устройство работает следующим образом.

Запускаемый синхронизатором 1 генератор зондирующих импульсов 2 вырабатывает поступающий на вход усилителя мощности 3 зондирующий сигнал в виде пачки радиоимпульсов, каждый из которых отличается лишь несущей частотой, отличной от частоты других радиоимпульсов пачки. Пройдя через усилитель мощности 3, радиоимпульсы поступают на последовательный колебательный контур, состоящий из электрически управляемой катушки индуктивности 9 и конденсатора, образованного емкостью обкладок пьезоэлементов одной частотной группы излучающего электроакустического преобразователя 4. Принятые ультразвуковые эхо-импульсы квазигармоники после обратного электроакустического преобразования поступают на параллельный контур, образованный емкостью обкладок пьезоэлементов той же частотной группы, только приемного электроакустического преобразователя 5 и электрически управляемой катушки индуктивности 12.

Как при излучении, так и при приеме ультразвуковых сигналов с помощью соответственно мультиплексора 10 (демультиплексора 11) к катушке индуктивности 9 (12) подключается лишь тот пьезоэлемент или та группа пьезоэлементов электроакустического преобразователя 4 (5), резонансная частота которых соответствует частоте излучаемой (и соответственно, принимаемой) в данный момент квазигармоники.

С выхода демультиплексора 11 эхо-сигналы поступают на вход управляемого оптимального фильтра 6. Комплексная частотная характеристика фильтра 6 согласована с комплексным частотным спектром эхо-сигнала принимаемой в данный момент квазигармоники. Суммирование оптимально отфильтрованных квазигармоник реализует процесс гармонического синтеза эхо-сигнала, по виду приближающегося к виду δ-функции. Принимая во внимание, что амплитуда сигнала на выходе оптимального фильтра пропорциональна энергии входного сигнала, в результате такого процесса обработки эхо-сигнала амплитуда сигнала на выходе накопителя оказывается пропорциональной суммарной энергии радиоимпульсов.

Электроакустические преобразователи 4 (5) могут быть выполнены в виде матрицы, например композитной, каждая из которых состоит из N групп пьезопреобразователей одинаковой высоты в пределах группы и разной высоты от группы к группе, расположенных на акустически прозрачной подложке - протекторе. Количество N групп пьезоэлементов выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемую суммарную полосу электроакустического преобразования. Описание таких матриц приведено в работе (Применение пьезокерамических мозаичных преобразователей в устройствах пространственно-временной обработки сигналов, В.П. Попко и др., Дефектоскопия. 9, 1990, с.57-64).

Амплитуда акустического импульса, возбуждаемого пьезокерамическим преобразователем, в контролируемом изделии прямо пропорциональна амплитуде электрического сигнала, возбуждающего пьезопреобразователя (см. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. И.Н. Ермолова. - М. : Машиностроение, 1986 г., с. 18). В передающем тракте при соединении последовательно с пьезопреобразователем катушки индуктивности 9 образуется последовательный резонансный контур, роль конденсатора в котором выполняет электрическая емкость обкладок пьезопреобразователя 4. При настройке образованного электрического контура в резонанс с частотой излучения, в данный момент квазигармоники, напряжение на пьезоэлементе увеличивается в Q раз, где Q - добротность последовательного контура. В соответствующее количество раз увеличивается амплитуда акустического зондирующего импульса и, соответственно, амплитуда эхо-сигнала, т.е. чувствительность повышается в Q раз. При излучении следующей квазигармоники, имеющей другую несущую частоту, по цепи управления величиной индуктивности катушки 9 подается соответствующий сигнал управления, изменяющей ее величину таким образом, чтобы контур вновь оказался настроенным в резонанс. В качестве информационного параметра, по максимуму значения которого подстраивается частота настройки контура, может использоваться амплитуда сигнала на выходе оптимального фильтра 6. Экспериментальная проверка показала, что чувствительность возрастала в 6-8 раз.

Рассогласование комплексной частотной характеристики оптимального фильтра и комплексного частотного спектра сложномодулированного сигнала оказывает влияние на оптимальность фильтрации сигнала (Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М. , Сов. радио. 1973, с.78), т.е. амплитуда сигнала на выходе оптимального фильтра 6, описываемая функцией автокорреляции сигнала на его входе, прямо пропорциональна степени согласованности комплексных частотных характеристик сигнала и фильтра и, прежде всего, согласованности комплексных частотных характеристик. Наличие электрически управляемой катушки индуктивности 9 препятствует возникновению интегральной цепочки, образующейся за счет выходного сопротивления усилителя мощности 3 и емкости обкладок электроакустического преобразователя 4, приводящей к искажению фазового спектра сплит-сигнала. При настройке колебательного контура в резонанс фазовые искажения отсутствуют, что обеспечивает оптимальность фильтрации. Наличие электрической управляемой катушки индуктивности 12 в передающем тракте также обеспечивает в нем оптимальность фильтрации. Мультиплексор 10 и демультиплексор 11 позволяют подключать соответственно к выходу усилителя мощности 3 и входу управляемого оптимального фильтра 6 лишь те пьезопреобразователи, которые наиболее эффективно работают на частоте излучаемой в данный момент квазигармоники. Остальные пьезопреобразователи, оказывающие шунтирующее действие, снижающее эффективность электроакустического преобразования, отключаются.

Использование предлагаемого изобретения позволяет исключить негативное влияние электрической емкости обкладок электроакустического преобразователя и возбуждать (снимать) сигнал лишь наиболее эффективно работающей группы пьезопреобразователей одной частоты, что в конечном счете улучшит эксплуатационные характеристики устройства - чувствительность и достоверность контроля и расширит сферу применения устройства ультразвукового контроля.

Использование: в области машиностроения. Техническим результатом является повышение чувствительности и достоверность контроля. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов и усилитель мощности, излучающий и приемный электроакустические преобразователи, последовательно соединенные фильтр, накопитель, второй вход которого объединен с вторым входом фильтра и соединен с выходом синхронизатора, и индикатор, катушку индуктивности, один вывод которой соединен с выходом мощности, мультиплексор, вход которого соединен с другим выводом катушки, демультиплексор и катушку индуктивности, один вывод которой заземлен, а второй ее вывод объединен с выходом демультиплексора и соединен с входом фильтра, блок формирования управляющих и коммутирующих сигналов, излучающий и приемный электроакустические преобразователи выполнены широкополосными в виде матрицы, состоящей из N разновысоких пьезоэлементов, причем N пьезоэлементов излучающего электроакустического преобразователя соединены с N выходами мультиплексора, а N пьезоэлементов приемного преобразователя соединены с N входами демультиплексора. 1 ил.

Устройство ультразвукового контроля, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов и усилитель мощности, излучающий электроакустический преобразователь, приемный электроакустический преобразователь, последовательно соединенные оптимальный фильтр, накопитель, второй вход которого объединен с вторым входом управляемого полосового оптимального фильтра и соединен с выходом синхронизатора и индикатора, отличающееся тем, что оно снабжено первой и второй электрически управляемыми катушками индуктивности, один вывод первой электрически управляемой катушки индуктивности соединен с выходом усилителя мощности, мультиплексором, вход которого соединен с другим выводом первой электрически управляемой катушки индуктивности, демультиплексором, выход которого объединен с одним выводом второй электрически управляемой катушки индуктивности, другой вывод которой заземлен, при этом объединенный выход демультиплексора с выводом второй электрически управляемой катушки индуктивности соединен с входом оптимального фильтра, блоком формирования управляющих и коммутирующих сигналов, вход которого соединен с выходом синхронизатора, первый выход подключен к выводу управления первой электрически управляемой катушки индуктивности, второй выход соединен с выводом управления второй электрически управляемой катушки индуктивности, третий выход подключен к входу управления мультиплексора, четвертый выход соединен с входом управления демультиплексора, излучающий и приемный электроакустические преобразователи выполнены широкополосными в виде матрицы, состоящей из N разновысоких пьезоэлементов, причем N пьезоэлементов излучающего электроакустического преобразователя соединены с N выходами мультиплексора, а N пьезоэлементов приемного электроакустического преобразователя соединены с N входами демультиплексора.