УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2023 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к визуализации результатов ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле изделия с плоской и криволинейной внешней поверхностью и одностороннем доступе, например, шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, трубопроводов или трубопроводов с конусной поверхностью.

Известен акустический блок [RU 156012 U1, МПК G01N 29/04 (2006.01), опубл. 27.10.2015], содержащий держатель преобразователя, установленный в корпусе, который размещен с возможностью поворота на шарнирах в оправе, установленной на раме и подпружиненной относительно нее. Держатель установлен в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения и фиксации в заданном положении и оснащен цанговым механизмом, предназначенным для крепления преобразователя. Механизм настройки фокусного расстояния от преобразователя до поверхности контролируемого изделия, выполнен в виде установленной на держателе зубчатой рейки, с которой находится в зацеплении вал-шестерня, смонтированная с возможностью вращения в корпусе.

Недостатком устройства является невозможность получения томограммы.

Известно устройство ультразвуковой томографии [RU 2458342 С1, МПК G01N 29/06 (2006.01), опубл. 10.08.2012] выбранное в качестве прототипа, содержащее антенную решетку с n приемно-передающими элементами, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя. Выход каждой из n указанных цепочек соединен с соответствующим входом памяти реализаций, количество выходов которой N определено формулой:

N=n⋅(n+1)/2.

Выходы памяти реализаций соединены с соответствующими входами вычислительного блока, который связан с блоком накопительной памяти и с дисплеем через память изображения. Входы синхронизации каждого генератора импульсов, памяти реализаций, вычислительного блока и памяти изображения соединены с соответствующими выходами синхронизатора.

Вычислительный блок для каждой точки изображения реализует функцию:
, ,

где u_A(t) - суммарный эхосигнал, принятый антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера излучающих и приемных элементов антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего импульса,

с последующим детектированием полученного результата для ввода сигнала в память изображения.

Недостатком данного устройства является невозможность его использования для контроля изделий с криволинейными внешними поверхностями.

Техническим результатом предложенного устройства является расширение арсенала технических средств, позволяющих проводить контроль изделий не только с плоскими, но и с криволинейными внешними поверхностями.

Предложенное устройство ультразвуковой томографии, также как в прототипе, содержит установленную на объект контроля антенную решетку с n приемно-передающими элементами, каждый из которых связан с выходом соответствующего генератора импульсов и с входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, выход каждой из n указанных цепочек соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций, количество выходов которой N определено формулой:

N=n·(n+1)/2,

выходы блока памяти реализаций соединены с соответствующими входами вычислительного блока, который связан с блоком накопительной памяти и с дисплеем через блок памяти изображения, входы синхронизации каждого генератора импульсов, блока памяти реализаций, вычислительного блока и блока памяти изображения соединены с соответствующими выходами блока синхронизации.

Согласно изобретению, антенная решетка выполнена гибкой для размещения вплотную на плоской или криволинейной внешней поверхности объекта контроля, расположенного в иммерсионной ванне. С обратной стороны гибкой антенной решетки установлен акустический датчик так, что он погружен в иммерсионную жидкость, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле. Акустический датчик соединен с усилителем, выход которого связан с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения. Выход компаратора соединен с вычислительным блоком.

Использование акустического датчика, расположенного с обратной стороны гибкой антенной решетки и прием сигналов, излученных этой стороной гибкой антенной решетки, позволяет контролировать изделия не только с плоскими, но и с криволинейными внешними поверхностями.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 показана томограмма зоны контроля изделия с дугообразной поверхностью.

Устройство ультразвуковой томографии содержит гибкую антенную решетку 1 с n приемно-передающими элементами 2.1, 2.2, …, 2.n, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) и входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn) и аналого-цифрового преобразователя 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn).

Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций 6 (БПР), количество выходов которого N определено формулой:

N=n·(n+1)/2.

N выходов блока памяти реализаций 6 (БПР) по количеству принятых реализаций ультразвуковых колебаний соединены с соответствующими входами вычислительного блока 7 (ВБ), который связан с блоком памяти изображений 8 (БПИ), соединенным с дисплеем 9 (Д).

С вычислительным блоком 7 (ВБ) соединен блок накопительной памяти 10 (БНП). Входы синхронизации каждого генератора импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn), блока памяти реализаций 6 (БПР), вычислительного блока 7 (ВБ) и блока памяти изображения 8 (БПИ) соединены с соответствующими выходами блока синхронизации 11 (БС).

Гибкая антенная решетка 1 вплотную размещена на поверхности объекта контроля 12, помещенного в иммерсионную ванну, наполненную иммерсионной жидкостью. Акустический датчик 13 (АД) закреплен на кронштейне на стенке иммерсионной ванны так, что он размещен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка 1 полностью расположена в его акустическом поле. Акустический датчик 13 (АД) связан через последовательно соединенным усилитель 14 (У) и компаратор 15 (К) с вычислительным блоком 7 (ВБ). Второй вход компаратора 15 (К) соединен с источником опорного напряжения 16 (ИОН).

Гибкая антенная решетка 1 является набором 16 или более приемно-передающих элементов, располагаемых матрично или линейно, например, S564-1,0*10 фирмы Doppler. Генераторы импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) выполнены на микросхемах, имеющих импульсный ток коллектора не менее 2А и выходное напряжение 90 В, например, STHV748. Усилители 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn) и 14 (У) выполнены по типовой схеме, например, на микросхемах AD603. Аналого-цифровые преобразователи 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) выполнены по типовой схеме, например, на микросхемах ADС9057. Блок памяти реализаций 6 (БПР), объемом не менее 64 Кб, выполнен на типовых микросхемах, например, на микросхемах IDT72V293. Вычислительный блок 7 (ВБ) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Блок памяти изображения 8 (БПИ) и блок накопительной памяти 10 (БНП) объемом не менее 100 МГб, могут быть выполнены, например, на модулях памяти, используемых в персональных компьютерах, 1ГБ DDR SDRAM PC3200, 400МГц. Дисплей 9 (Д) выполнен на матричной панели или на мониторе персонального компьютера, например, BENQ G2320HDB. Блок синхронизации 11 (БС) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Акустический датчик 13 (АД) может быть типовым, например, SF5020 (П111-5,0-К20). Компаратор 15 (К) может быть типовым, например, К521СА3.

Устройство работает следующим образом.

Объект контроля 12, например, с криволинейной поверхностью, помещают в иммерсионную ванну, заполненную иммерсионной жидкостью. Гибкую антенную решетку 1 вплотную размещают на поверхности объекта контроля 12. Акустический датчик 13 (АД), расположенный с другой стороны от гибкой антенной решетки 1, должен быть полностью погружен в иммерсионную жидкость так, чтобы гибкая антенная решетка 1 полностью находилась в его акустическом поле.

По сигналу от блока синхронизации 11 (БС) первый генератор импульсов 3.1 (ГИ1) подает импульс возбуждения на первый приемо-передающий элемент 2.1 гибкой акустической решетки 1. В объект контроля 12 излучается зондирующий импульс.В этот момент все приемно-передающие элементы 2.1, 2.2, …, 2.n, начинают принимать ультразвуковые колебания из объекта контроля 12. Эти колебания, преобразованные в электрические колебания, усиливаются в соответствующих усилителях 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn), оцифровываются в аналого-цифровых преобразователях 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) и записываются в блок памяти реализаций 6 (БПР) независимо друг от друга, без каких-либо преобразований и временных сдвигов. Эти колебания записываются в интервале времени, превышающем с некоторым запасом время распространения ультразвуковых колебаний от излучающего первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1 к наиболее дальней визуализируемой точке объекта контроля 12 и обратно - к самому удаленному от нее приемо-передающему элементу 2.n гибкой антенной решетки 1. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1, акустическим датчиком 13 (АД), его усиление усилителем 14 (У). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 16 (ИОН), компаратор 15 (К) выдает импульс на вычислительный блок 7 (ВБ), который фиксирует время между импульсом, излученным первым приемо-передающим элементом 2.1 гибкой антенной решетки 1 и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

Далее второй генератор импульсов 3.2 (ГИ2) по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) возбуждает второй приемо-передающий элемент 2.2 гибкой антенной решетки 1, который посылает в объект контроля 12 зондирующий импульс. Снова происходит прием и запись принятых колебаний в блок памяти реализаций 6 (БПР). Но колебания, принятые первым приемо-передающим элементом 2.1, в данном случае не записываются, так как реализация этих колебаний, согласно принципу взаимности, тождественна той, которая уже была принята вторым приемо-передающим элементом 2.2 при посылке зондирующего импульса ее первым приемо-передающим элементом 2.1 в предыдущем цикле зондирования-приема ультразвуковых колебаний. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной второго приемо-передающего элемента 2.2, акустическим датчиком 13 (АД), его усиление усилителем 14 (У). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 16 (ИОН), компаратор 15 (К) выдает импульс на вычислительный блок 7 (ВБ), который фиксирует время между импульсом, излученным вторым приемо-передающим элементом 2.2 гибкой антенной решетки 1 и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

Затем в третьем цикле зондирования-приема ультразвуковых колебаний все происходит аналогично изложенному выше, только зондирующий импульс в объект контроля 12 посылает третий приемо-передающий элемент 2.3 гибкой антенной решетки 1, а колебания в блок памяти реализаций 6 (БПР) записываются ото всех элементов приемо-передающих элементов 2.1, 2.2, …, 2.n, за исключением колебаний от первого 2.1 и второго 2.2 ее приемо-передающих элементов. Также фиксируется время между импульсом, излученным третьим элементом 2.3 гибкой антенной решетки 1 и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

В последнем, n-ном цикле зондирования-приема n-ный приемо-передающий элемент 2.n гибкой антенной решетки 1 исполняет роль излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, то есть работает в совмещенном режиме. При этом в блок памяти реализаций 6 (БПР) записывается всего одна реализация принятых колебаний. Также фиксируется время между импульсом, излученным n-ым приемо-передающим элементом 2.n и сигналом принятым акустическим датчиком 13 (АД).

После выполнения всех этих циклов зондирования-приема ультразвуковых колебаний, то есть после того как все приемо-передающие элементы 2 гибкой антенной решетки 1 совершат по одной посылке зондирующего импульса, в блоке памяти реализаций 6 (БПР) окажутся записанными N=n·(n+1)/2 реализаций принятых колебаний. Каждая реализация - это результат зондирования и приема колебаний каждой из возможных пар приемо-передающих элементов 2.1, 2.2, …, 2.n включая и совмещенные пары, когда излучатель и приемник - один и тот же элемент. В частности, если n=16, количество реализаций N=136.

После записи всех N реализаций в блоке памяти реализаций 6 (БПР) вычисляются координаты каждого приемо-передающего элемента 2.1, 2.2, …, 2.n гибкой антенной решетки 1 и начинается реконструкция изображения внутренней структуры объекта контроля 12 поочередно для каждой визуализируемой точки. Для этого вычислительный блок 7 (ВБ) реализует функцию:

.

Полученный суммарный эхосигнал u_A(t) для каждой визуализируемой точки сохраняется в блоке накопительной памяти 10 (БНП), а затем в вычислительном блоке 7 (ВБ) суммарный эхосигнал u_A(t) детектируется (вычисляется его огибающая) и значение U_A максимума полученной функции записывается в блок памяти изображения 8 (БПИ). Этому значению (числу) присваивается определенный цвет точки A(x, z) на экране дисплея 9 (Д).

На фиг. 2 показана томограмма зоны контроля кольца подшипника. Гибкую антенную решетку 1 располагали внутри кольца. Вверху томограммы черными точками отображаются 32 элемента гибкой антенной решетки 1, установленной на объект контроля. Внизу томограммы красно-желтым цветом отображается область расположения дефекта в виде плоскодонного отверстия.

Изобретение относится к визуализации результатов ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле изделия с плоской и криволинейной внешней поверхностью и одностороннем доступе, например, шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, трубопроводов или трубопроводов с конусной поверхностью. Предложенное устройство ультразвуковой томографии содержит установленную на объект контроля антенную решетку с n приемно-передающими элементами, каждый из которых связан с выходом соответствующего генератора импульсов и с входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя. Выход каждой из n указанных цепочек соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций, количество выходов которой N определено формулой: N=n⋅(n+1)/2. Выходы блока памяти реализаций соединены с соответствующими входами вычислительного блока, который связан с блоком накопительной памяти и с дисплеем через блок памяти изображения. Входы синхронизации каждого генератора импульсов, блока памяти реализаций, вычислительного блока и блока памяти изображения соединены с соответствующими выходами блока синхронизации. Антенная решетка выполнена гибкой для размещения вплотную на плоской или криволинейной внешней поверхности объекта контроля, расположенного в иммерсионной ванне. С обратной стороны гибкой антенной решетки установлен акустический датчик так, что он погружен в иммерсионную жидкость, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле. Акустический датчик соединен с усилителем, выход которого связан с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения. Выход компаратора соединен с вычислительным блоком. Технический результат: контроль изделий не только с плоскими, но и с криволинейными внешними поверхностями. 2 ил.

Устройство ультразвуковой томографии, содержащее установленную на объект контроля антенную решетку с n приемно-передающими элементами, каждый из которых связан с выходом соответствующего генератора импульсов и с входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, выход каждой из n указанных цепочек соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций, количество выходов которой N определено формулой:

N=n⋅(n+1)/2,

выходы блока памяти реализаций соединены с соответствующими входами вычислительного блока, который связан с блоком накопительной памяти и с дисплеем через блок памяти изображения, входы синхронизации каждого генератора импульсов, блока памяти реализаций, вычислительного блока и блока памяти изображения соединены с соответствующими выходами блока синхронизации, отличающееся тем, что антенная решетка выполнена гибкой для размещения вплотную на плоской или криволинейной внешней поверхности объекта контроля, расположенного в иммерсионной ванне, с обратной стороны гибкой антенной решетки установлен акустический датчик так, что он погружен в иммерсионную жидкость, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле, акустический датчик соединен с усилителем, выход которого связан с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора соединен с вычислительным блоком.