СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ СТАТИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля структурных несовершенств строения массивов горных пород при отработке открытых и подземных месторождений полезных ископаемых.

Известен эхо-импульсный ультразвуковой способ определения координат дефекта [1].

По этому способу возбуждают в объекте ультразвуковые импульсы с помощью пьезоэлектрических преобразователей, измеряют время t приема отраженных волн и по известной скорости v распространения волн вычисляют расстояние r до дефекта (r=v·t), а затем по углу ввода колебаний γ вычисляют координаты х, у дефекта (х=r·sinγ, γ=r·cosγ).

Недостатками известного способа определения места дефекта являются низкая точность из-за нестабильности акустического контакта и погрешностей оценки скорости, времени пробега и угла ввода колебаний, а также недостаточная информативность из-за невозможности определить место образования и развития новых дефектов.

Известен также способ контроля поверхностных дефектов (Патент РФ 1453317 от 17.07.89), в котором возбуждаются ультразвуковые колебания с помощью импульсного лазера, а прием колебаний, прошедших через контролируемый участок, осуществляется с помощью лазера непрерывного действия и оптического преобразователя.

Недостатком способа является невозможность определить координаты дефекта, а также его форму и размеры.

Технический результат предлагаемого способа - повышение информативности контроля статических дефектов в массивах горных пород.

Технический результат достигается тем, что в способе определения координат статических дефектов, включающем возбуждение акустических колебаний импульсным твердотельным лазером, на первом выходе которого установлен электрооптический модулятор света, управляемый генератором электрических импульсов, прием отраженных импульсов от дефекта лазерным интерферометром, состоящим из лазера непрерывного действия и антенны из пяти идентичных измерительных головок, измерение времени распространения акустических импульсов, вычисление координат дефекта по значениям скорости распространения колебаний и углу ввода с возбуждением световых импульсов твердотельным лазером, производится запуск генератора электрических импульсов, вырабатывающего ступенчатый электрический импульс, причем амплитуда первой ступени этого импульса соответствует максимальному пропусканию электрооптического модулятора света и имеет регулируемую длительность в пределах 10^-8-10^-4 с, а амплитуда второй ступени в 100-1000 раз меньше первой и имеет длительность 10^-3 с, тем самым на выходе электрооптического модулятора света световой импульс имеет ту же форму, длительность и соотношение между амплитудами, что и электрический, изменяя длительность возбуждающего импульса, меняется спектральный состав основного лепестка спектра в сторону увеличения амплитуды низкочастотной составляющей для смещения основной энергии спектра в низкочастотную область, тем самым изменяется проникающая способность сигнала, а для последующих расчетов координат статических дефектов принимают минимальное значение времени распространения сигнала от точек возбуждения до приема из всех длительностей для каждого канала приема.

Схема установки для реализации способа изображена на чертежах. На фиг.1 представлена схема установки для реализации способа определения места дефекта; на фиг.2 - схема изменения напряжения на выходе генератора электрических сигналов.

Блок возбуждения и приема 1 содержит импульсный твердотельный лазер 2, на первом выходе которого установлен электрооптический модулятор света 3, управляемый генератором электрических импульсов 4, а на втором выходе подключен первый фотопреобразователь 5. Электрооптический модулятор света 3 через полупрозрачное зеркало 6 оптически связан с опорным зеркалом 7, поверхностью объекта контроля 8 и поверхностью дефекта 18, а также фотоприемником - вторым фотопреобразователем 9, выход которого подключен к измерителю времени 10.

Блок приема 11 представляет собой лазерный интерферометр, включающий лазер непрерывного действия 12 и антенну из пяти идентичных измерительных головок 13, каждая из которых содержит полупрозрачное зеркало 14, подсвечиваемое через поворотные призмы 15 лазером непрерывного действия 12, фотопреобразователь 16 и измеритель времени 17, электрически связанные с выходом фотоприемника - второго фотопреобразователя 9.

В режиме определения координат статических дефектов способ осуществляется следующим образом.

Электрооптический модулятор света 3 настроен так, что при отсутствии в нем напряжения его пропускание равно нулю. С началом генерации импульсным твердотельным лазером 2 блока возбуждения и приема 1 при помощи фотоприемника - первого фотопреобразователя 5 передним фронтом импульсного твердотельного лазера 2 производится запуск генератора электрических импульсов 4, который вырабатывает ступенчатый электрический импульс, представленный на фиг.2.

Амплитуда первой ступеньки этого импульса соответствует максимальному пропусканию электрооптического модулятора света 3 и имеет регулируемую длительность в пределах 10^-8-10^-4 с, а амплитуда второй ступеньки в 100-1000 раз меньше первой и имеет длительность 10^-3 с. На выходе электрооптического модулятора света 3 световой импульс имеет ту же форму, длительность и соотношение между амплитудами, что и электрический.

При облучении световым импульсом поверхности объекта контроля 8 в последнем возбуждается акустический импульс с длительностью, равной длительности первой ступеньки светового импульса. По мере распространения импульса высокочастотные составляющие его спектра затухают из-за рассеивания на неоднородностях структуры объекта и на поверхности дефекта, а приемника достигают более низкочастотные составляющие спектра возбуждения. Изменением длительности возбуждающего импульса меняется спектральный состав основного лепестка спектра в сторону увеличения амплитуды низкочастотной составляющей. Следовательно, изменением длительности импульса основная энергия спектра смещается в низкочастотную область и изменяется проникающая возможность сигнала

Если измерять время распространения сигнала от точек возбуждения до приема при различных длительностях возбуждаемых импульсов, то время будет различным, и для последующих расчетов координат дефектов надо принимать его минимальное значение из всех длительностей для каждого канала приема.

Интенсивность второй ступеньки служит только для освещения фотоприемника - второго фотопреобразователя 9 блока возбуждения и приема 1. Одновременно с возбуждением акустического импульса при помощи фотоприемника - второго фотопреобразователя 9 производится запуск измерителя времени 10 и других измерителей временных интервалов 17 блока приема 11.

После отражения импульса объемных волн от поверхности дефекта 18 и прихода его обратно на выходе фотоприемника - второго фотопреобразователя 9, измерителя времени 10 и на других соответственно аналогичных фотопреобразователях 16 и измерителях времени 17 блока приема 11 с лазером непрерывного действия 12 поворотными призмами 15 и полупрозрачными зеркалами 14 вырабатывается электрический импульс, соответствующий времени t пробега акустического импульса от точки ввода i до точек приема j, измеряемое измерителями времени 10, 17, то есть измеряется t_i и t_j.

Первыми вступают поверхностные волны, по времени t_пj распространения которых определяют координаты (х_i, у_i, z_i) точки возбуждения и скорости V_п распространения этих волн путем решения системы (j=2, 3, 4, 5) уравнений:

r_ij=V_п·t_пj

где r_ij=[(x_i-x_j)²+(y_i-у_j)²+(z_i-z_j)²]^1/2 - расстояние между точками возбуждения (i) и приема (j);

x_j у_j z_j - координаты точек приема.

Вычисленные значения координат точки возбуждения сравнивают с их известными значениями, измеренными маркшейдерскими методами, по результатам которых судят о правильности работы системы возбуждения и приема.

Затем вычисляют координаты дефекта (x_о, у_о, z_о), времени t_o и скорости V_о пробега импульса от точки возбуждения до точки на поверхности дефекта решением системы уравнений, характеризующей расстояния r_i и r_j от поверхности дефекта до точек приема.

Расстояние r_i, r_j от поверхности дефекта 18 до точек приема j_{(xj, yj, zj)}, (j-1) можно представить в виде

r_i=v_o(t_i-t_o), r_i=[(x_c-x_i)²+(у_с-у_i)²+(z_c-z_i)²]^1/2

r_j=v_o(t_j-t_o), r_j=[(x_c-x_j)²+(у_с-у_j)²+(z_c-z_j)²]^1/2,

где v_o - скорость распространения колебаний; t_o - время пробега импульса от точки возбуждения до поверхности дефекта 18; x_о, у_о, z_o - координаты точки отражения импульса от поверхности дефекта 18; х_i, у_i, z_i - координаты точки ввода импульса; x_j, у_j, z_j - координаты точки приема отраженных импульсов.

Один из вариантов упрощения системы уравнений заключается в следующем. Возведем в квадрат выражение для r_i(j) и вычтем из первого второе, после преобразований получим систему уравнений

Система содержит пять неизвестных x_o, у_o, z_o, t_o и v₀ ². Пять уравнений составляется для данных: i=1; j=2, 3, 4, 5, 6, то есть необходимы данные от пяти точек приема j.

Если в блоке приема 11 имеется только один приемник, то переносом его последовательно в точки j=2, 3, 4, 5, 6 с известными координатами x_j, у_j, z_j, и возбуждением в точке i колебаний можно после измерения времени t_i и t_j получить тот же результат, что и с помощью антенны из пяти приемников в точках j.

Если же менять положение точки возбуждения i, то можно получать различные значения x_о, у_о, z_о то есть можно выявить пространственную конфигурацию дефекта или структурной неоднородности.

В режиме измерения координат развивающихся дефектов (в режиме пассивного приема сигналов акустической эмиссии) устройство работает следующим образом. Возбуждаемые дефектом 18 сигналы воспринимаются всеми измерительными головками 13 k (i, j), приемными устройствами блока приема 11. С выхода приемника - измерительной головки 13, принявшего сигнал первым, запускаются измерители времени 17 всех каналов, которые прерываются сигналами, принятыми этими каналами. Так измеряется разность времени вступления волн Δt_k1. В предположении о сферическом характере распространения колебаний от поверхности дефекта 18 до точек приема j расстояние до приемника - измерительной головки 13 можно записать в виде

r_k=r+v·Δt_k1

r=[(x_c-x)²+(у_с-у)²+(z_c-z)²]^1/2

где r_k=[(х_c-x_k)+(у_с-у_k)+(z_с-z_k)]^1/2

где r - расстояние от дефекта с координатами x_с, у_с, z_c до приемника, принявшего сигнал первым с координатами х, у, z,

v - скорость распространения колебаний.

Возведем в квадрат, то есть

r_k ²=r²=r²+2rv·Δt_k1+v²Δt_k1 ²

После преобразований приходим к системе

Решением системы являются координаты, расстояние от дефекта с координатами x_с, у_с, z_c до приемника r и скорость распространения колебаний v.

Способ повышает информативность и обеспечивает точность определения места структурных дефектов горных пород.

Источники информации

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, т.2, М.: Машиностроение, 1974, с.216.

2. Патент РФ 1453317 А1 от 17.07.87, G 01 N 29/04 (прототип).

Использование: для определения координат статических дефектов. Сущность: заключается в том, что с возбуждением световых импульсов твердотельным лазером производится запуск генератора электрических импульсов, вырабатывающего ступенчатый электрический импульс. Амплитуда первой ступени этого импульса соответствует максимальному пропусканию электрооптического модулятора света и имеет регулируемую длительность в пределах 10^-8-10^-4 с, а амплитуда второй ступени в 100-1000 раз меньше первой и имеет длительность 10^-3 с, тем самым на выходе электрооптического модулятора света световой импульс имеет ту же форму, длительность и соотношение между амплитудами, что и электрический. При изменении длительности возбуждающего импульса меняется спектральный состав основного лепестка спектра в сторону увеличения амплитуды низкочастотной составляющей для смещения основной энергии спектра в низкочастотную область, тем самым изменяется проникающая способность сигнала. Для последующих расчетов координат статических дефектов принимают минимальное значение времени распространения сигнала от точек возбуждения до точек приема из всех длительностей для каждого канала приема. Технический результат: повышение точности и информативности определения места дефектов структуры в массивах горных пород. 2 ил.

Способ определения координат статических дефектов, включающий возбуждение акустических колебаний импульсным твердотельным лазером, на первом выходе которого установлен электрооптический модулятор света, управляемый генератором электрических импульсов, прием отраженных импульсов от дефекта лазерным интерферометром, состоящим из лазера непрерывного действия и антенны из пяти идентичных измерительных головок, измерение времени распространения акустических импульсов, вычисление координат дефекта по значениям скорости распространения колебаний и углу ввода, отличающийся тем, что с возбуждением световых импульсов твердотельным лазером производится запуск генератора электрических импульсов, вырабатывающего ступенчатый электрический импульс, причем амплитуда первой ступени этого импульса соответствует максимальному пропусканию электрооптического модулятора света и имеет регулируемую длительность в пределах 10^-8-10^-4 с, а амплитуда второй ступени в 100-1000 раз меньше первой и имеет длительность 10^-3 с, тем самым на выходе электрооптического модулятора света световой импульс имеет ту же форму, длительность и соотношение между амплитудами, что и электрический, изменяя длительность возбуждающего импульса меняется спектральный состав основного лепестка спектра в сторону увеличения амплитуды низкочастотной составляющей для смещения основной энергии спектра в низкочастотную область, тем самым изменяется проникающая способность сигнала, а для последующих расчетов координат статических дефектов принимают минимальное значение времени распространения сигнала от точек возбуждения до приема из всех длительностей для каждого канала приема.