СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 2015 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к способам исследования или анализа поверхности материалов с помощью поверхностных акустических волн, в частности к способам неразрушающего контроля путем облучения поверхности материалов длинными акустическими радиоимпульсами с линейно-частотной модуляцией.

Известен способ неразрушающего контроля [1] (Неразрушающий контроль в 5 кн. Кн.2. Практ. Пособие / И.Н Ермолов, Н.П. Алешин, А.И. Потапов; под ред. Проф. В.В. Сухорукова. - М: «Высшая школа», 1991. - 283 с: - ил.), включающий излучение зондирующего акустического импульса поверхностных акустических волн (ПАВ) с помощью преобразователя ПАВ и приема отраженных от различных дефектов импульсов ПАВ, измерения задержки и амплитуды отраженных сигналов. При наличии помех сигналы, отраженные от небольших дефектов, могут быть на их уровне и они не могут быть обнаружены, так как усреднять принятые импульсы невозможно из-за невозможности синхронизации по частоте заполнения зондирующих импульсов, что является недостатком данного метода. Устранить указанный недостаток можно в способе неразрушающего контроля [2] (Патент РФ 2231057, МПК7 G01N 29/20 от 10.02.2004), принимаемом за прототип, в котором производится не измерение амплитуд отраженных импульсов, а времени задержки. Определение времени задержки поверхностной волны производят на поверхности нового элемента, в зоне разрушения элемента и в контролируемой зоне эксплуатируемого элемента, а затем определяют критерий степени поврежденности эксплуатируемого элемента из соотношения

$$K_{п}=\frac{W_1-W_0}{W_{р}-W_0}\cdot \frac{W_{р}}{W_1}$$ ,

где K_п - критерий степени поврежденности металла в относительных единицах; W₀ - среднестатистическое время задержки ультразвуковой поверхностной волны на поверхности новых элементов, нс; W_p - среднестатистическое время задержки ультразвуковой поверхностной волны на поверхности металла в зоне разрушения элемента, нс; W₁ - время задержки ультразвуковой поверхностной волны на поверхности эксплуатируемого элемента, нс, причем замену эксплуатируемого элемента производят при условии K_п=0,7-0,9. В этом способе измеряются только задержки сигнала, а не амплитуды, что повышает помехоустойчивость этого метода. К недостаткам данного способа можно отнести наличие дополнительных образцов (нового и элемента с разрушениями), что существенно усложняет измерения или делает их невозможными при невозможности иметь дополнительные образцы. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в упрощении способа измерения дефектов. Технический результат изобретения, который дает осуществление изобретения, заключается в возможности измерения не только задержек, но и амплитуд отраженных ПАВ даже при наличии различных помех.

Это достигается за счет того, что в способе неразрушающего контроля, включающем посылку зондирующего электромагнитного сигнала на преобразователь, возбуждающий в контролируемом образце поверхностные акустические волны, при периодической подаче на преобразователь ПАВ зондирующего электромагнитного импульса, в котором частота дискретно меняется по линейному закону, производится измерение частотной зависимости комплексного коэффициента отражения S11 этого преобразователя ПАВ и последующее Фурье-преобразование полученной частотной зависимости, по которому можно определить местоположение и величину дефекта по амплитуде и задержке отраженных от него ПАВ, причем длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирается таким образом, что измерения на каждой частоте ведется некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между преобразователем и дефектом, частота заполнения электромагнитного импульса формируется с помощью цифрового синтезатора частоты.

На фиг.1 показана последовательность осуществления способа неразрушающего контроля дефектов с помощью поверхностных акустических волн в соответствии с изобретением. На фиг.2 показана частотная зависимость модуля коэффициента отражения S11, а на фиг.3 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости. На этом Фурье-преобразовании по горизонтальной оси отложено расстояние до дефекта, которое определяется по формуле: s=τV_ПАВ/2, где τ - задержка отраженных ПАВ, V_ПАВ - скорость ПАВ.

Измеритель комплексных коэффициентов передачи (ИККП) 1 периодически посылает длинный электромагнитный импульс с линейной частотной модуляцией 2 на преобразователь ПАВ 3, расположенный на исследуемой поверхности 4, на которой имеются дефекты 5, от которых могут отражаться ПАВ 6.

Способ контроля дефектов заключается в следующем. При подаче от ИККП 1 на преобразователь ПАВ 3 длинного электромагнитного импульса с линейной частотной модуляцией 2 с определенным периодом он начинает излучать ПАВ с последовательно различными частотами. Эти волны, распространяясь по поверхности, отражаются от дефектов 5 и вновь попадают на преобразователь 3. Там они преобразуются в электромагнитный сигнал и попадают в ИКПП 1, который производит измерение параметра S11. Преобразованный электромагнитный сигнал начинает интерферировать с электромагнитным сигналом, который отражается непосредственно от электрического входа (выхода) преобразователя ПАВ, что приводит к изрезанности (появлению множества максимумов и минимумов) зависимости параметра S11 от частоты (см. фиг.2), пределы изменения которой задаются полосой частот импульса с линейной частотной модуляцией. Причем расстояние между максимумом и минимумом ΔS зависит от амплитуды отраженных ПАВ (чем больше отражение ПАВ от дефекта, тем больше ΔS), а расстояние между соседними минимумами или максимумами Δf - от расстояния между дефектом, от которого отражаются ПАВ, и преобразователем ПАВ (см. фиг.2), чем больше это расстояние, тем меньше Δf. Дискретность перестройки частоты в 1 Гц позволяет определять расстояние между ближайшими максимумами или минимумами Δf c дискретностью в 1 Гц, что повышает точность измерения. Фурье-преобразование полученной частотной зависимости показано на фиг.3. Из этой фигуры видно, что наличие изрезанности на частотной зависимости приводит к появлению пиков отражения, величина и местоположение которых зависит от величины отражения ПАВ от дефектов и расстояния до них. При таком методе измерения определение значения параметра S11 в каждой частотной точке производится некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между преобразователем и дефектом. Это приводит к повышению точности измерений потому, что амплитуды отраженного сигнала измеряются на определенной частоте более 1-го раза, а также потому, что фазы сигналов помех носят случайный характер и взаимно ослабляются за время измерения. Кроме того, из-за периодичности посылки частотно-модулированных импульсов измерение в каждой частотной точке производится несколько раз и эти измерения могут также суммироваться, что также приводит к уменьшению влияния помех на результаты измерений, а следовательно, к повышению точности измерений.

Пример выполнения. В качестве ИКПП использовался прибор «Обзор-103». Зондирующий электромагнитный импульс с линейной частотной модуляцией и с дискретностью перестройки частоты в 1 Гц от этого прибора подается на клиновидный преобразователь ПАВ, который их возбуждает в алюминиевом профиле толщиной 3 мм и шириной 15 см, на котором имеются дефекты, от которых отражаются ПАВ. Измерения производятся в диапазоне частот 1,8-2,3 МГц. В этом диапазоне частот длина ПАВ будет меньше толщины алюминиевого профиля, что дает возможность распространяться ПАВ вдоль поверхности алюминиевого профиля. Измерения проводились при разных длительностях импульса с линейной частотной модуляцией: 0,55 с, 1,25 с и 24,8 с. При этом уровень шумов при наименьшем времени составил 40 дБ, а при наибольшем - более 120 дБ. На Фурье-преобразованиях частотных зависимостей параметра S11 хорошо видны отраженные ПАВ как от сквозных отверстий диаметром от 3 до 8 мм, так и от несквозных дефектов типа круглых углублений и пропилов.

Источники информации

1. Неразрушающий контроль в 5 кн. Кн.2. Практ. Пособие / И.Н Ермолов, Н.П. Алешин, А.И. Потапов; под ред. Проф. В.В. Сухорукова. - М.: «Высшая школа», 1991. - 283 с: - ил.

2. Патент РФ 2231057, МПК7 G01N 29/20 от 10.02.2004.

Использование: для неразрушающего контроля дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что посылают зондирующий электромагнитный сигнал на преобразователь, возбуждающий в контролируемом образце поверхностные акустические волны, при этом на преобразователь периодически подается зондирующий электромагнитный импульс, в котором частота дискретно меняется по линейному закону, производится измерение частотной зависимости комплексного коэффициента отражения S11 этого преобразователя ПАВ и последующее Фурье- преобразование полученной частотной зависимости, по которому можно определить местоположение и величину дефекта по амплитуде и задержке отраженных от него ПАВ, причем длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирается таким образом, что измерения на каждой частоте ведется некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между преобразователем и дефектом, частота заполнения электромагнитного импульса формируется с помощью цифрового синтезатора частоты. Технический результат: обеспечение возможности измерения не только задержек, но и амплитуд отраженных ПАВ даже при наличии различных помех. 3 ил.

Способ неразрушающего контроля дефектов с помощью поверхностных акустических волн, включающий посылку зондирующего электромагнитного сигнала на преобразователь, возбуждающий в контролируемом образце поверхностные акустические волны, отличающийся тем, что на преобразователь периодически подается зондирующий электромагнитный импульс, в котором частота дискретно меняется по линейному закону, производится измерение частотной зависимости комплексного коэффициента отражения S11 этого преобразователя ПАВ и последующее Фурье-преобразование полученной частотной зависимости, по которому можно определить местоположение и величину дефекта по амплитуде и задержке отраженных от него ПАВ, причем длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирается таким образом, что измерения на каждой частоте ведутся некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между преобразователем и дефектом, частота заполнения электромагнитного импульса формируется с помощью цифрового синтезатора частоты.