Устройство для ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях Российский патент 2023 года по МПК G01N29/14 

Устройство относится к техническим средствам неразрушающего контроля материалов изделий по сигналам акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для контроля качества и диагностики образования и развития микродефектов, типа микротрещин в деталях машин и элементах конструкций различных механизмов и трубопроводов различных размеров условиях их эксплуатации.

Современные конструкционные материалы склонны, как правило, к хрупкому разрушению, т.е. к разрушению путем распространения дефектов типа микротрещин и дислокаций. Если в данном изделии своевременно обнаружить микродефект, определить место расположения, размеры и скорость его развития, то можно заранее предотвратить разрушение детали или конструкции. Это особенно важно для таких ответственных промышленных объектов, как атомные реакторы, нефте- и газопроводы, сосуды высокого давления. Большая роль в решении проблемы диагностики деталей машин и конструкционных материалов отводится неразрушающим методам испытаний и контроля изделий, составной частью которых является метод акустической эмиссии (АЭ) [1]. В его основу положены зависимости между характеристиками образовавшихся или распространяющихся дефектов и параметрами излучаемых ими акустических волн. Основным достоинством метода АЭ, делающего его особенно ценными, является тот факт, что образование сигналов АЭ сопровождает только развивающиеся, т.е. наиболее опасные микродефекты. В работе [2] показано, что процессу образования и развития микротрещин соответствует диапазон част в интервале от 170 кГц до 0,35 МГц.

Таким образом задача диагностики дефектной структуры различных деталей и конструкций состоит в регистрации и определении частотной зависимости числа сигналов и их амплитуды в заданном диапазоне частот. Решение данной задачи усложняется влиянием сигналов технических шумов низкой частоты уровень которых на два и более порядков превосходит уровень сигналов рабочего диапазона частот, вследствие использования в акустической аппаратуре широкополосные датчики и усилители сигналов.

Известно «Устройство для неразрушающего контроля методом акустической эмиссии» (Пат. RU 2011196, G 01 N 29/14, опубл. 15.04.1994), содержащее последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель и усилитель, три канала, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных дискриминатора, формирователя и интенсиметра, первый делитель, первый вход которого связан с выходом интенсиметра первого канала, второй делитель, входы которого подключены к выходам интенсиметров второго и третьего каналов, третий делитель и первый регистратор подключенный к выходам первого и второго делителей, а также оно снабжено четвертым и пятым делителями, сумматором и вторым регистратором, подключеным к выходам третьего, четвертого и пятого делителей, выход второго делителя соединен с первыми входами сумматора, третьего и пятого делителей, выход интенсиметра третьего канала связан с третьим входом первого регистратора и с вторыми входами сумматора, четвертого и пятого делителей, а выход сумматора подключен к второму входу первого делителя, соединенного выходами с вторыми входами третьего и четвертого делителей.

Недостатком указанных решений является низкая достоверность контроля, обусловленная методом амплитудного анализа сигналов акустической эмиссии, точность которого не ниже 5%, сложностью обработки результатов измерений, а также большими габаритами акустической установки, которые ограничивают области ее применения, и предназначены в основном для диагностики только объектов больших размеров и не применимы для регистрации сигналов акустической эмиссии в деталях машин и конструкций малых размеров.

Известно также «Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий» (Пат. RU 2105301, G 01N 29/14 от 20.02.1998), содержащее измерительные каналы из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, пикового детектора и компаратора, последовательно соединенные генератор, счетчик и блок памяти, а также коммутатор каналов, элемент памяти, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а второй вход с выходом коммутатора каналов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к вторым входам компараторов, и регистратор, который снабжен вторым блоком памяти, вход которого связан с выходом счетчика, коммутатором, первый вход которого соединен с выходом первого блока памяти, второй вход с выходом второго блока памяти, а выход с входом цифроаналогового преобразователя, блоком управления, вход которого соединен с выходом коммутатора каналов, а первый выход с управляющим входом коммутатора каналов, элементом задержки, вход которого соединен с вторым выходом блока управления и с управляющим входом коммутатора, а выход с входами сброса пиковых детекторов каналов, а также таймером, вход которого объединен с входами блоков памяти, выход подключен к третьему входу элемента памяти, а выход элемента памяти подключен к входу регистратора.

Недостатком указанных решений является низкая достоверность контроля, обусловленная методом амплитудного анализа сигналов акустической эмиссии, относительная погрешность которого составляет выше 5%, а также большим числом электронных блоков, что усложняет работу с устройством и сложностью обработки результатов измерений.

Из известных, наиболее близким по технической сущности является «Акустико-эмиссионный дефектоскоп» (Патент РФ № 2078338, МПК G01N29/14. Акустико-эмиссионный дефектоскоп // Шип В.В. (RU); Бигус Г.А. (RU); Дементьев А.Н. (RU); Чабуркин В.Ф. (RU) – Опубл. 27.04.1997), содержащий соединенные акустико-эмиссионный преобразователь, анализатор спектра, коммутатор, усилитель, логарифмический усилитель, вход которого подключен к выходу усилителя, сумматор, блок автоматической регулировки усиления, каскад сравнения, накопитель, последовательно соединенные генератор напряжения, вход которого подключен к выходу коммутатора, квадратор и регулируемый усилитель, вход которого подключен к выходу блока автоматической регулировки усиления, а выход к входу сумматора, масштабный блок, включенный между выходами коммутатора усилителя, а также с входом усилителя, и нормализатором, выход которого подключен к входу каскада сравнения и соединенного вторым входом с выходом коммутатора дополнительно снабжен широкополосным блоком перестраиваемых фильтров, включенным между анализатором спектра и акустико-эмиссионным преобразователем блоком установки постоянных амплитуд спектральных составляющих шумовых акустических сигналов, включенным между анализатором спектра и коммутатором, последовательно соединенными генератором импульсов, счетчиком, выход которого соединен с первым входом схемы И, регистром управления широкополосным блоком перестраиваемых фильтров, первый выход регистра управления соединен с блоком индикации вида дефекта, второй выход каскада сравнения соединен со вторым входом схемы И, второй вход регистра управления соединен со вторым выходом генератора импульсов, а третий вход регистра управления соединен с выходом коммутатора, соединенным также со вторым входом генератора импульсов.

Недостатками известного устройства являются – невысокая точность и сложность обработки спектров сигналов акустической эмиссии, которая осуществляется посредством выделения максимума спектральной плотности анализируемого сигнала АЭ и по частоте, соответствующей этому максимуму, в соответствии с ранее установленной зависимостью определяют тип дефекта, то есть в основе измерений лежит метод амплитудного анализа, относительная погрешность которого составляет более 5%, а также незащищенностью канала обработки сигналов акустической эмиссии от низкочастотных шумов большой амплитуды, обусловленных работой различных механизмов и технических устройств, которые перегружают входные цепи приемного усилительного тракта и снижают достоверность полученных результатов измерений.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение помехозащищенности усилительного тракта от промышленных шумов и повышение уровня отношения - сигнал – шум посредством разделения частотного спектра сигналов акустической эмиссии на три отдельные составляющие в заданном интервале частот, соответствующие определенному этапу образования и развития микродефекта, которые усиливаются и обрабатываются в отдельном электронном канале, что приводит к повышению точности спектрального анализа сигналов акустической эмиссии и достоверности определения типа микродефекта на ранней стадии его образования и развития в исследуемой детали или конструкции.

Техническим результатом является повышение помехозащищенности усилительного тракта, повышение уровня отношения - сигнал – шум, разделение частотного спектра сигналов акустической эмиссии на три интервала частот в трех отдельных электронных каналах, которые позволят фиксировать амплитуду и число импульсов акустической эмиссии в отдельном интервале частот, которые соответствуют определенному этапу зарождения и развития микродефектов в исследуемом образце.

Это достигается тем, что в устройстве ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях, содержащее акустико-эмиссионный преобразователь, анализатор спектра, усилитель сигналов и счетчик импульсов согласно предлагаемому изобретению акустико-эмиссионный преобразователь выполнен в виде акустической ячейки, выход которой через коаксиальный ВЧ-кабель подключен к первому входу анализатора спектра сигналов акустической эмиссии, выполненного в виде трех смесителей частоты инфрадинного типа, с совмещенными ВЧ - полосовыми LC - фильтрами, обеспечивающие перенос спектра принимаемых сигналов акустической эмиссии из области низкочастотного ультразвукового диапазона частот , в три высокочастотные области частотного спектра, почти прямоугольной формы с полосой промежуточных частот: , , , без изменения параметров частотного спектра первичных акустических сигналов, второй вход анализатора – вторые входы смесителей частоты подключены к выходу генератора высокой частоты – гетеродину, частота которого f_Г, много выше частотного спектра сигналов акустической эмиссии , а выходы смесителей подключены к трем частотно-избирательным резонансным узкополосным усилителям ВЧ-сигналов, с полосой частот: , , , соответственно для низких частот , средних частот и высоких частот , первичных сигналов акустической эмиссии принимаемых акустико-эмиссионным преобразователем, а выходы резонансных усилителей подключены к трем отдельным блокам измерения амплитуды одиночных импульсов, а также к трем отдельным блокам формирования прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам трех отдельных цифровых счетчиков импульсов.

Кроме, того акустическая ячейка дополнительно снабжена предварительным электронным усилителем, который вместе с приемником акустических сигналов собраны в одном компактном цилиндрическом металлическом корпусе. В качестве приемника акустических сигналов используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь, с резонансной частотой f_П, которая много выше частотного спектра акустических сигналов , работающий в диапазоне низких ультразвуковых частот в режиме широкополосного преобразователя с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода, непосредственно контактирующего через тонкий слой иммерсионной жидкости (например машинного масла) с поверхностью исследуемого образца.

Кроме, того генератор высокой частоты – гетеродин выполнен по схеме генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) с кварцевым резонатором в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления, который обеспечивает выполнения условия самовозбуждения без использования катушки индуктивности, который обеспечивает устойчивые колебания строго синусоидальной формы с фиксированной частотой f_Г амплитудой.

Кроме, того резонансные усилители каждого отдельного электронного канала дополнительно снабжены задержанной системой автоматической регулировки усиления (АРУ), которая начинает действовать с некоторого порогового уровня входного сигнала и тем самым предотвращает перегрузку входных цепей усилительного тракта при усилении сигналов большой амплитуды, а также обеспечивает равномерное изменение выходного сигнала при значительном изменении уровня входного сигнала.

Кроме, того электронные блоки измерителей амплитуды одиночных импульсов, образованные пиковыми детекторами и усилителями постоянного тока дополнительно снабжены емкостными накопителями амплитуд, выходы которых подключены к трем отдельным регистрирующим приборам.

Введение трех смесителей частоты инфрадинного типа, с совмещенными ВЧ - полосовыми LC – фильтрами, вторые входы которых подключены к выходу генератора высокой частоты – гетеродину, частота которого выше частотного спектра сигналов акустической эмиссии и составляет f_Г = 1,8432МГц, а выходы смесителей подключены к трем частотно-избирательным резонансным узкополосным усилителям ВЧ-сигналов, с полосой частот: Δf_П1 = (1,7182÷1,7932) МГц, Δf_П2 = (1,5932÷1,6682) МГц, Δf_П3 = (1,4682÷1,5432) МГц, соответственно для низких частот Δf_C1 = (0,05÷0,125) МГц, средних частот Δf_C2 = (0,175÷0,25) МГц, и высоких частот Δf_C3 = (0,3÷0,375) МГц, первичных акустических сигналов принимаемых акустико-эмиссионным преобразователем, позволило обеспечить перенос спектра частот принимаемых сигналов акустической эмиссии из области низкочастотного ультразвукового диапазона частот Δf_C = (0,05÷0,375) МГц, в три отдельные высокочастотные области спектра, с полосой промежуточных частот: Δf_П1 = (1,7552±0,0375) МГц, Δf_П2 = (1,6307±0,0375) МГц, Δf_П3 = (1,5057±0,0375) МГц, без изменения параметров частотного спектра акустических сигналов, которые позволяют фиксировать амплитуды и число импульсов акустической эмиссии в отдельном интервале частот, которые соответствуют определенному этапу зарождения и развития микродефектов в исследуемом образце.

Выполнение акустико-эмиссионного преобразователя в виде акустической ячейки, которая выполнена в виде компактного цилиндрического металлического корпуса, в котором закреплен приемник акустических сигналов и предварительный электронный усилителем, а в качестве приемника используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь, с резонансной частотой 7 МГц, обеспечивает прием и предварительное усиление акустических сигналов в диапазоне частот Δf = (0,05÷0,375) МГц в режиме широкополосного преобразования с равномерной амплитудно-частотной характеристикой и позволит обеспечить надежный акустический контакт пьезоэлектрического преобразователя с исследуемым образцом и экранировку преобразователя и предварительного усилителя от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, что существенно повысит порог отношения сигнал – шум и тем самым чувствительность акустического прибора, снизит уровень собственных шумов датчика, а также позволит размещать датчик сигналов акустической эмиссии на удалении от электронного блока на расстоянии до 50 метров, что существенно расширит возможности и области применения предлагаемого устройства.

Введение трех блоков формирования прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам трех отдельных цифровых индикаторов счета импульсов позволяют в автоматическом режиме осуществить частотный анализ спектрального состава сигналов акустической эмиссии и тем самым определить тип и эффективную длину микродефекта на ранней стадии его образования и развития.

Выполнение генератора высокой частоты – гетеродина по схеме генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) с кварцевым резонатором в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления обеспечивает выполнения условия самовозбуждения без использования катушки индуктивности, который обеспечивает устойчивые колебания строго синусоидальной формы постоянной амплитуды с фиксированной частотой f_Г = (1,8432±0,00005) МГц.

Введение дополнительно в резонансные усилители задержанной системой автоматической регулировки усиления (АРУ), которая начинает действовать с некоторого порогового уровня входного сигнала обеспечивает равномерное усиления выходного уровня сигнала при значительном изменении уровня входного сигнала в пределах от 0,1 мВ до 10 мВ.

Введение трех электронных блоков измерения амплитуды одиночных импульсов, с цифровыми индикаторами, позволяет дать количественный анализ частотной зависимости амплитуд акустических сигналов и определить процесс образования и развития макротрещин в исследуемом образце на ранней стадии их образования.

Введение новых элементов и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи, то есть проводить в автоматическом режиме исследования частотного спектра сигналов акустической эмиссии в заданном диапазоне частот деталей машин и конструкций, непосредственно в условиях их эксплуатации без разборки и демонтажа оборудования и конструкций.

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема устройства для ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях.

На фиг. 2 изображен спектр сигналов акустической эмиссии до и после инфрадинного преобразования частоты первичных сигналов.

На фиг. 3 изображена конструкция акустической ячейки – датчика сигналов акустической эмиссии.

На фиг. 4 приведено схематическое изображение режима преобразования несинусоидальных сигналов в прямоугольные импульсы в блоке формирования прямоугольных импульсов.

На фиг. 5 приведена зависимость скорости счета импульсов акустических сигналов, приведенных к единичному интервалу механического напряжения.

На фиг. 6 приведена зависимость суммарного числа импульсов акустической эмиссии резьбовых соединений от величины механического напряжения в режиме продольного растяжения образца.

Устройство (фиг. 1) содержит: акустическую ячейку ДАЭ, выход которой через коаксиальный ВЧ-кабель подключен к первому входу анализатора спектра сигналов акустической эмиссии, выполненного в виде трех смесителей частоты инфрадинного типа СЧ-1, СЧ-2, СЧ-3, с совмещенными ВЧ - полосовыми LC – фильтрами ФП-1, ФП-2, ФП-3, обеспечивающие перенос спектра принимаемых сигналов акустической эмиссии из области низкочастотного ультразвукового диапазона частот Δf_С = (0,05÷0,375) МГц, в три высокочастотные области спектра, с полосой промежуточных частот: Δf_П1 = (1,7182±0,0375) МГц, Δf_П2 = (1,5932±0,0375) МГц, Δf_П3 = (1,4682±0,0375) МГц, без изменения параметров частотного спектра акустических сигналов, второй вход анализатора – вторые входы смесителей СЧ подключены к выходу генератора высокой частоты – гетеродину Г, частота которого выше частотного спектра сигналов акустической эмиссии и составляет f_Г = 1,8432 МГц, а выходы смесителей подключены к трем частотно-избирательным резонансным узкополосным усилителям ВЧ-сигналов УР-1, УР-2, УР-3, с полосой частот: Δf_П1 = (1,7182÷1,7932) МГц, Δf_П2 = (1,5932÷1,6682) МГц, Δf_П3 = (1,4682÷1,5432) МГц, соответственно для низких частот Δf_C1 = (0,05÷0,125) МГц, средних частот Δf_C2 = (0,175÷0,25) МГц, и высоких частот Δf_C3 = (0,3÷0,375) МГц, первичных акустических сигналов принимаемых акустико-эмиссионным преобразователем Q, а выходы резонансных усилителей УР подключены к трем отдельным блокам измерения амплитуды одиночных импульсов, ИА-1, ИА-2, ИА-3, а также к трем отдельным блокам формирования прямоугольных импульсов ФПИ-1, ФПИ-2, ФПИ-3, выходы которых подключены к входам трех отдельных цифровых счетчиков импульсов СЧИ-1, СЧИ-2, СЧИ-3.

Преобразование частоты осуществляется любой умножающей схемой, которая представляет собой нелинейную систему, например полупроводниковый транзистор. Преобразование, по существу, сводится к умножению сигналов, частоты которых отличаются на величину промежуточной частоты, с последующей фильтрацией разностной или суммарной составляющей сигнала произведения [3].

Пусть принимаемый акустический сигнал описывается гармонической функцией:

, (1)

где U_o – амплитуда гармонических колебаний, ω_с – циклическая частота сигнала.

Вспомогательный сигнал, который генерируется специальным генератором – гетеродином, описывается уравнением:

(2)

где U_Г – амплитуда гармонических колебаний гетеродина, ω_Г – циклическая частота колебаний гетеродина.

Сигналы, описываемые уравнениями (1) и (2) перемножаются в умножающей схеме, которое называется преобразованием сигналов, в результате которого получается выражение

которое содержит две составляющие. Первая составляющая имеет частоту, равную разности частот принимаемого и вспомогательного сигналов и фазу, равную разности фаз указанных сигналов . Спектр первой составляющей полностью соответствует спектру принимаемого сигнала, но смещен в область разностной частоты, которая обычно и выбирается в качестве промежуточной (см. фиг. 2). Для выделения разностной составляющей на выходе схемы умножения необходимо включить LC - фильтр, настроенный на разностную частоту и имеющий полосу пропускания, соответствующую ширине спектра принимаемого сигнала. Аналогично получается и вторая составляющая, спектр которой также соответствует спектру принимаемого сигнала, но смещен в область суммарной частоты сигналов (на фиг. 2 не показано).

В качестве смесителя частоты в данном устройстве используется преобразователь частоты с отдельным гетеродином. Электрическая принципиальная схема преобразователя собрана на высокочастотном германиевым транзисторе, типа ГТ-309Г. Сигнал с выхода предварительного усилителя акустической ячейки ДАЭ поступает на базу транзистора преобразователя, а напряжение от гетеродина поступает через разделительный конденсатор в цепь эмиттера преобразователя.

В качестве гетеродина высокой частоты используется специально разработанный генератор высокой частоты, собранный на германиевым транзисторе, типа ГТ-309Г, выполненный по схеме генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) с кварцевым резонатором в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления, который обеспечивает выполнения условия самовозбуждения без использования катушки индуктивности, который обеспечивает устойчивые колебания синусоидальной формы с фиксированной частотой составляет f_Г = 1,8432 МГц. В качестве кварцевого резонатора используется стандартный кварцевый резонатор, типа VXA1 с основной резонансной частотой составляет f_Г = (1,8432±0,00005) МГц.

Конструкция акустической ячейки – датчика сигналов акустической эмиссии ДАЭ, предназначенной для приема и преобразования акустических сигналов в электрические, приведена на фиг. 3 в двух вариантах [5]. Для исследования образцов в виде тонких однородных стержней, фиг. 3 (а), и образцов с плоской поверхностью, фиг. 3 (б), соответственно. Пьезоэлектрический преобразователь и предварительный электронный усилитель размещены в одном корпусе - акустической ячейке, выполненного в виде металлического цилиндра. В качестве приемника сигналов акустической эмиссии используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь диаметром 12 мм, с резонансной частотой 7 МГц, работающий на низких частотах в диапазоне частот Δf = (0,05÷0,375) МГц в режиме широкополосного преобразователя с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода, непосредственно контактирующего через тонкий слой иммерсионной жидкости (машинного масла) с поверхностью исследуемого образца. Электрический контакт пьезоэлектрического преобразователя с предварительным электронным усилителем осуществляется через тонкую токопроводящую упругую пластинку. Выход датчика акустической эмиссии выполнен в виде ВЧ-разъема, типа СР-50, который через резьбовое соединение привинчен к основанию акустической ячейки ДАЭ. Подключение датчика акустической эмиссии с электронным блоком устройства осуществляется коаксиальным ВЧ-кабелем, длиной от 1 м до 50 м. Предварительный усилитель сигналов представляет собой эмиттерный повторитель, собранный на двух высокочастотных полупроводниковых транзисторах, типа КТ-342Б, с большим входным и малым выходными сопротивлениями с коэффициентом усиления равным единице.

Выполнение приемника акустических сигналов и предварительного усилителя в виде акустической ячейки - датчика акустической эмиссии, собранного в одном металлическом цилиндрическом корпусе, позволило обеспечить надежный акустический контакт пьезоэлектрического преобразователя с поверхность исследуемой детали. Кроме того, данная конструкция датчика акустической эмиссии позволила одновременно осуществить полную экранировку и защиту пьезоэлектрического преобразователя и предварительного электронного усилителя от внешних электромагнитных полей и механических воздействий. Такая конструкция датчика позволила существенно повысить чувствительность акустического прибора, а также снизить уровень внешних механических и электромагнитных шумов.

В качестве резонансных усилителей высокой частоты используются специально разработанные электронные блоки, собранные на полупроводниковых высокочастотных транзисторах, типа, КТ-315И, КТ-342Б с резонансными колебательным LC -контурами, настроенными на соответствующие частоты: Δf_П1 = (1,7182÷1,7932) МГц, Δf_П2 = (1,5932÷1,6682) МГц, Δf_П3 = (1,4682÷1,5432) МГц, соответственно для низких частот Δf_C1 = (0,05÷0,125) МГц, средних частот Δf_C2 = (0,175÷0,25) МГц, и высоких частот Δf_C2 = (0,175÷0,25) МГц, первичных акустических сигналов. Для обеспечения равномерного изменения сигнала на выходах усилителей в электронные схемы резонансных усилителей УР введена система автоматической регулировки усиления с задержкой (АРУ), которая начинает действовать с некоторого порогового уровня входного сигнала и обеспечивает равномерное усиление выходного сигнала при значительном изменении уровня входного сигнала в пределах от 0,1 мВ до 10 мВ.

В качестве блоков формирования прямоугольных импульсов используются специально разработанные электронный блоки, образованные триггером Шмидта, который дополнительно снабжен детектором и усилителем импульсов с время задающей RC – цепочкой. Блок формирователя прямоугольных импульсов предназначен для преобразования как синусоидальных, так и не синусоидальных акустических сигналов сложной формы в строго прямоугольные импульсы фиксированной амплитуды, длительность которых определяется время - задающей RC – цепочкой. Преобразование не синусоидальных сигналов акустической эмиссии в блоке формирования прямоугольных импульсов показано на фиг. 4 [2].

Электронные счетчики импульсов осуществляют регистрацию и счет прямоугольных импульсов в режиме реального времени в процессе упругой деформации исследуемого образца. В качестве электронных счетчиков используются стандартные электронные счетчики импульсов, типа СИ-204 с ручным сбросом показаний.

Блоки регистрации и измерения амплитуды сигналов акустической эмиссии образованы пиковыми детекторами, усилителями постоянного тока и емкостными накопителями -сумматорами амплитуд сигналов, выходы которых подключены к трем отдельным регистрирующим приборам. В качестве регистрирующего прибора используются цифровые мультиметры, типа DT-838.

Работает устройство ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях следующим образом.

Исследуемый образец, например однородный цилиндрический стержень с резьбовыми концами, вставляется в круглое отверстие 3 акустической ячейки ДАЭ и фиксируется прижимным болтом 8, который одновременно обеспечивает акустический контакт между исследуемым образцом и звукопроводом ячейки (см. фиг. 3). Для обеспечения надежного акустического контакта в зазор между исследуемым образцом и звукопроводом вводится небольшое количество иммерсионной жидкости – машинного масла. Свободные резьбовые концы исследуемого образца с помощью специальных подвесов закрепляются к вертикальной траверсе разрывной машины (например УММ-5).

Затем включается питание электронного блока устройства и осуществляется предварительный прогрев в течение 5–10 минут. Коэффициент усиления резонансного электронного ВЧ-усилителя устанавливается до величины, при которой уровень шумов не превышает порогового уровня возбуждения, т.е. режима самопроизвольного и непрерывного счета сигналов шумов. Уровень шумов при этом не превышает 10% от уровня акустических сигналов.

После установки рабочих режимов электронного блока устройства запускается привод разрывной машины УММ-5. Перемещение траверсы машины осуществляется в ручном режиме, с целью исключения механических шумов большой амплитуды, обусловленных работой привода электромеханической системы разрывной машины. Скорость перемещения траверсы в среднем составляет 0,05 мм/мин. Режим одноосной нагрузки – продольное растяжение F может изменятся от 0 до 1,6 кН; время механической нагрузки на образец в процессе измерения не превышает t = 10 мин.

По мере увеличения механической нагрузки на исследуемый образец (величина которой регистрируется стрелочным прибором – измерителем силы УММ-5) и величины относительной деформации образца регистрирующие приборы измерения суммы амплитуд импульсов и счетчика импульсов каждого ВЧ-канала начинают отображать информацию о суммарной величине амплитуд и числа импульсов акустических сигналов, соответствующего спектра частот. Показания регистрирующих приборов и счетчиков каждого ВЧ-канала фиксируются при изменении механического напряжения на заданную величину, например 0,1 Мпа, в форме таблиц. При достижении заданного порога упругой деформации исследуемого образца увеличение механической нагрузки прекращается. После чего, механическое напряжение, приложенное к исследуемому образцу плавно уменьшается до нулевого значения и электронный блок устройства выключается.

По полученным экспериментальным данным, представленных в виде таблиц, например с помощью компьютерной программы, типа Excel, строятся гистограммы или графики зависимости числа импульсов акустической эмиссии от механического напряжения.

Типичная зависимость скорости счета импульсов акустических сигналов, приведенных к единичному интервалу механического напряжения, возникающих в исследуемом образце в режиме одноосной деформации, соответствующей определенному спектру частот приведена на фиг. 5 [4].

Из фиг. 5 видно, что представленная графическая зависимость скорости счета импульсов акустических сигналов, приведенных к единичному интервалу механического напряжения носит нелинейный характер, имеющий вид асимметричного контура с явно выраженным максимумом. Положение максимума скорости счета импульсов соответствует граничной области упругих деформаций испытуемого образца.

На первой стадии увеличения механического напряжения наблюдается увеличение периода кристаллической решетки испытуемого образца, ее деформация, которая сопровождается резким уменьшением (почти на 20 %) размера областей когерентного рассеяния и пропорциональным возрастанием потока энергии импульсов акустических сигналов. На второй стадии одноосного растяжения испытуемого образца наблюдается распространение фронта деформации Чернова-Людерса по поверхности последнего, которое сопровождается возбуждением сигналов акустической эмиссии. На третьей стадии увеличения механического напряжения, которая соответствует области пластической деформации испытуемого образца, наблюдается монотонный спад скорости числа импульсов акустических сигналов, которая практически остается неизменной в области пластической деформации [5].

На фиг. 6 приведена графическая зависимость величины суммарного числа импульсов акустической эмиссии от величины механического напряжения в режиме одноосной деформации, соответствующей определенному спектру частот.

Величина относительной погрешности измерений числа импульсов акустической эмиссии в режиме упругой деформации, согласно расчетам, не превышает 0,33% , что свидетельствует о высокой точности и достоверности полученных результатов измерений акустической эмиссии испытуемого образца. Относительная погрешность измерений суммарной величины амплитуд сигналов акустической эмиссии не превышает .

По полученным зависимостям числа импульсов АЭ и величины их суммы амплитуд на выходе каждого ВЧ-канала, полученных в режиме одноосной деформации, можно определить тип микродефектов, а также рассчитать параметры микротрещин, возникающих в данном образце. Аналитическая зависимость суммарного числа N импульсов акустической эмиссии от величины эффективной длины микротрещины , образующейся в режиме упругой деформации в исследуемом образце выражается формулой [5]:

, или , (4)

где с - некоторая константа для данного механического напряжения и геометрических размеров исследуемого образца.

Вышеописанное устройство может найти применение в химическом машиностроении, в автомобильном и воздушном транспорте, а также в атомной энергетике для диагностики образования и развития опасных микродефектов и трещин в элементах конструкций различных деталей машин, конструкций и трубопроводов в режиме их эксплуатации.

Список литературных источников:

Из полученных экспериментальных данных и применяя выражение (4), можно рассчитать отношение эффективных длин развивающихся микротрещин трещин в исследуемых образцах:

.

Источники информации

1. Алешин Н. П., Щербинский В.Г. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий / Учеб. для ПТУ. - М.: Высш. шк., 1991. - 271 с: ил. ISBN 5-06-000923-8.

2. Дробот Ю.Б. и др. Акустическое контактное течеискание. М. Машиностроение, 1989, с. 40-49.

3. Справочник радиолюбителя – конструктора. – 3 – е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1983. – 560 с.

4. Артемов И.И., Кревчик В.Д. Акустическая эмиссия в условиях скрытого» подрастания микротрещин // Проблемы машиностроения и надежности машин. № 4, 2005 г., с. 92-95.

5. Рудин А.В., Артемова Н.Е., Келасьев В.В. Исследование микронеоднородной структуры деталей машин методом акустической эмиссии // Сборник статей IV Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин». – Пенза: Инфор.-издат. центр ПГУ, 2008 г., с. 68 – 72.

Использование: для диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях. Сущность изобретения заключается в том, что акустико-эмиссионный преобразователь выполнен в виде акустической ячейки, выход которой через коаксиальный ВЧ-кабель подключен к первому входу анализатора спектра сигналов акустической эмиссии, выполненного в виде трех смесителей частоты инфрадинного типа, с совмещенными ВЧ - полосовыми LC - фильтрами, обеспечивающими перенос спектра принимаемых сигналов акустической эмиссии из области низкочастотного ультразвукового диапазона частот Δf_C в три высокочастотные области электромагнитного спектра, с полосой промежуточных частот: Δf_П1, Δf_П2, Δf_П3, без изменения параметров частотного спектра акустических сигналов, второй вход анализатора – вторые входы смесителей частоты подключены к выходу генератора высокой частоты – гетеродину, частота которого выше частотного спектра сигналов акустической эмиссии и составляет f_Г, а выходы смесителей частоты подключены к трем частотно-избирательным резонансным узкополосным усилителям ВЧ-сигналов, с полосой частот: Δf_П3, Δf_П2, Δf_П1, соответственно для высоких частот Δf_C3, средних частот Δf_C2 и низких частот Δf_C1 первичных акустических сигналов принимаемых акустико-эмиссионным преобразователем, которые соответствуют образованию и подрастанию микротрещин, развитию микротрещин и на последней стадии - образованию сквозной трещины, соответственно, а выходы резонансных усилителей подключены к трем отдельным блокам измерения амплитуды одиночных импульсов, а также к трем отдельным блокам формирования прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам трех отдельных цифровых счетчиков импульсов. Технический результат: повышение помехозащищенности усилительного тракта, повышение уровня отношения сигнал–шум. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство ранней диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях, содержащее акустико-эмиссионный преобразователь, анализатор спектра, усилители сигналов и счетчики импульсов, отличающееся тем, что акустико-эмиссионный преобразователь выполнен в виде акустической ячейки, выход которой через коаксиальный ВЧ-кабель подключен к первому входу анализатора спектра сигналов акустической эмиссии, выполненного в виде трех смесителей частоты инфрадинного типа, с совмещенными ВЧ - полосовыми LC - фильтрами, обеспечивающими перенос спектра принимаемых сигналов акустической эмиссии из области низкочастотного ультразвукового диапазона частот в три высокочастотные области электромагнитного спектра, с полосой промежуточных частот: , , без изменения параметров частотного спектра акустических сигналов, второй вход анализатора – вторые входы смесителей частоты подключены к выходу генератора высокой частоты – гетеродину, частота которого выше частотного спектра сигналов акустической эмиссии и составляет f_Г, а выходы смесителей частоты подключены к трем частотно-избирательным резонансным узкополосным усилителям ВЧ-сигналов, с полосой частот: , , , соответственно для высоких частот , средних частот и низких частот первичных акустических сигналов принимаемых акустико-эмиссионным преобразователем, которые соответствуют образованию и подрастанию микротрещин, развитию микротрещин и на последней стадии - образованию сквозной трещины, соответственно, а выходы резонансных усилителей подключены к трем отдельным блокам измерения амплитуды одиночных импульсов, а также к трем отдельным блокам формирования прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам трех отдельных цифровых счетчиков импульсов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что акустическая ячейка выполнена в виде компактного цилиндрического металлического корпуса, в котором закреплен приемник акустических сигналов и предварительный электронный усилитель, а в качестве приемника используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь с резонансной частотой f_R, которая много выше частоты акустических сигналов, работающий на прием низких частот ультразвуковых колебаний в диапазоне частот в режиме широкополосного преобразователя с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода акустической ячейки, непосредственно контактирующего через тонкий слой иммерсионной жидкости (например, машинного масла) с поверхностью исследуемого образца.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор высокой частоты – гетеродин выполнен по схеме генератора с емкостным делителем в цепи обратной связи (емкостная трехточка) с кварцевым резонатором в качестве элемента с индуктивным характером реактивного сопротивления, который обеспечивает выполнения условия самовозбуждения без использования катушки индуктивности, который обеспечивает устойчивые колебания строго синусоидальной формы постоянной амплитуды с фиксированной частотой f_Г.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резонансные усилители каждого канала снабжены LC – колебательными контурами, которые обеспечивают почти прямоугольную полосу усиливаемых сигналов в заданном диапазоне частот, а также дополнительно снабжены задержанной системой автоматической регулировки усиления (АРУ), которая начинает действовать с некоторого порогового уровня входного сигнала и обеспечивает равномерное изменение выходного сигнала при значительном изменении уровня входного сигнала.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоки измерителей амплитуды одиночных импульсов образованы пиковыми детекторами, усилителями постоянного тока и емкостными сумматорами-накопителями амплитуд, выходы которых подключены к трем отдельным регистрирующим приборам.