Устройство для крепления ультразвукового преобразователя Российский патент 2024 года по МПК G01N29/22 

Изобретение относится к областям строительства, лесного хозяйства и лесной промышленности и может быть использовано для оперативного неразрушающего контроля физико-механических свойств древесных материалов или древесины в элементах деревянных конструкций, пилопродукции и растущих деревьях.

Известно устройство и метод для определения деформативности древесины в растущих деревьях по времени прохождения акустического сигнала. Система устройств состоит из двух измерительных зондов с жесткозакрепленными акустическими (звуковыми) датчиками, работающими в режиме приема сигнала, а акустическая волна генерируется ударом молотка по одному из зондов. Измерительные зонды оснащены заостренными металлическими инденторами - волноводами в виде иглы, внедрение и извлечение которых из древесины осуществляется с помощью обратного молотка. Устройство также оснащено электронным блоком обработки данных времени прохождения акустического сигнала через датчики и вывода результатов измерений на цифровое табло [1]. Недостатками устройства являются большой вес и габариты, невозможность оперативной смены акустических преобразователей, а также невозможность использования акустических преобразователей различных форм и размеров.

Известно также устройство и способ изготовления волновода для улучшения передачи акустического сигнала в образце древесины. Волновод устройства состоит из заостренного металлического индентора, внедряемого в древесину, переходников для соединения ультразвукового преобразователя с волноводом и извлечения устройства из древесины. Улучшение передачи акустического (ультразвукового) сигнала обеспечивается за счет резонирования волновода на заданной частоте. Контактная площадка волновода может быть намагничена для улучшения контакта волновода с ультразвуковым преобразователем [2]. Эта конструкция устройства была взята нами за прототип. К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность использования ультразвуковых преобразователей различных форм и размеров.

Техническим результатом изобретения является повышение функциональности устройства и снижение времени измерений с сохранением надежного акустического контакта при использовании ультразвуковых преобразователей с различными габаритными и частотными характеристиками.

Технический результат достигается тем, что к контактной площадке волновода крепится прижимной механизм, состоящий из направляющих и прижимной пластины, фиксирующей ультразвуковой преобразователь; устройство оснащено защитной накладкой изготовленной, например, в форме колпачка, при соединении которой с контактной площадкой волновода между контактной поверхностью площадки волновода и крышкой накладки остается зазор; на контактные поверхности ультразвукового преобразователя и/или волновода по всей площади контакта крепится материал, обладающий магнитными свойствами, например, с помощью двусторонней клеевой ленты или клея. Прижимной механизм может быть съемным, и крепится к контактной площадке волновода, например, с помощью резьбового соединения, при этом прижимной механизм оснащен пружинами или винтом, имеющими контакт с прижимной пластиной. Индентор волновода также может быть съемным, и крепится к контактной площадке волновода, например, с помощью резьбового соединения. Индентор волновода может иметь различные геометрические характеристики, например, угол при вершине наконечника, внедряемого в исследуемый материал в диапазоне 1-179 градусов и радиус закругления наконечника - 0,01-5 мм, а также форму поперечного сечения в виде окружности, эллипса или многоугольника. На контактной площадке волновода выполнен паз или уступ в размер толщины стенок защитной накладки, которая может быть изготовлена из материала, имеющего магнитные свойства, а также иметь соединение с устройством с помощью гибкой связи. К защитной накладке может быть прикреплен боек в виде стержня, длина которого больше длины прижимного механизма. В варианте изготовления устройства без прижимного механизма контакт ультразвукового преобразователя с площадкой волновода осуществляется только за счет материала, обладающего магнитными свойствами, закрепленного на контактных поверхностях ультразвукового преобразователя и/или волновода. Помимо использования классического молотка для внедрения индентора и всего устройства в исследуемый материал посредством ударов по защитной накладке, внедрение и извлечение устройства из исследуемого материала может быть также выполнено с использованием съемного обратного молотка.

На фиг. 1 представлен внешний вид устройства для крепления ультразвукового преобразователя с прижимным механизмом, оснащенным пружинами; на фиг. 2 - основные конструктивные элементы устройства для крепления ультразвукового преобразователя с прижимным механизмом, оснащенным пружинами; на фиг. 3 представлен внешний вид устройства для крепления ультразвукового преобразователя с прижимным механизмом, оснащенным винтом; на фиг. 4 - основные конструктивные элементы устройства для крепления ультразвукового преобразователя с прижимным механизмом, оснащенным винтом; на фиг. 5 представлен внешний вид устройств для крепления ультразвукового преобразователя без прижимного механизма; на фиг. 6 - основные конструктивные элементы устройств для крепления ультразвукового преобразователя без прижимного механизма; на фиг. 7 представлен внешний вид устройства для крепления ультразвукового преобразователя, оснащенного защитной накладкой; на фиг. 8 - продольный разрез устройства для крепления ультразвукового преобразователя, оснащенного защитной накладкой, представленного на фиг. 7; на фиг. 9 представлен внешний вид устройства для крепления ультразвукового преобразователя, оснащенного защитной накладкой; на фиг. 10 - продольный разрез устройства для крепления ультразвукового преобразователя, оснащенного защитной накладкой, представленного на фиг. 9; на фиг. 11 представлен внешний вид устройства для крепления ультразвукового преобразователя, оснащенного съемным обратным молотком; на фиг. 12 представлен внешний вид устройства для крепления ультразвукового преобразователя, оснащенного защитной накладкой с бойком.

Устройство для крепления ультразвукового преобразователя состоит из: 1 - ультразвуковой преобразователь; 2 - контактная площадка; 3 - индентор; 4 - направляющая; 5 - прижимная пластина; 6 - защитная накладка; 7 - материал, обладающий магнитными свойствами (магнит); 8 - пружина; 9 - винт; 10 - гибкая связь; 11 - съемный обратный молоток; 12 - контактная площадка с пазом; 13 - контактная площадка с уступом;14 - боек.

Устройство работает следующим образом.

В варианте исполнения устройства со съемным индентором (3) волновода, первоначально индентор (3) крепится к контактной площадке (2) волновода, например, с помощью резьбового соединения, обеспечивая надежный контакт для передачи ультразвукового сигнала. При этом индентор (3) и контактная площадка (2) волновода могут быть изготовлены неразборными. В зависимости от влажности, температуры и физико-механических свойств древесины, древесного или другого тестируемого материала, а также требуемой глубины внедрения индентора (3) в исследуемый материал, угол при вершине наконечника индентора (3) волновода может варьировать в диапазоне 1-179 градусов, иметь радиус закругления наконечника - 0,01-5 мм, а также форму поперечного сечения в виде окружности, эллипса или многоугольника. Изменение параметров угла при вершине наконечника и радиуса закругления наконечника в большую сторону позволяет обеспечить большую площадь контакта индентора (3) с материалом, и может быть рекомендовано для материалов, имеющих меньшую плотность и прочностные характеристики. Изменение же данных параметров в меньшую сторону обеспечивает увеличение глубины внедрения индентора (3) в исследуемый материал.

К контактной площадке (2) волновода крепится прижимной механизм, состоящий из направляющих (4) и прижимной пластины (5), фиксирующей ультразвуковой преобразователь (1) в устройстве. Крепление прижимного механизма к контактной площадке (2) волновода может быть выполнено с помощью резьбового соединения, обеспечивающего надежность, универсальность и ремонтопригодность устройства.

С целью повышения надежности акустического контакта на сопрягаемые (контактные) поверхности ультразвукового преобразователя (1) и/или контактной площадки (2) волновода по всей площади контакта крепится материал, обладающий магнитными свойствами (7), например, с помощью двусторонней клеевой ленты или клея. В качестве материала, обладающего магнитными свойствами (7) могут быть использованы постоянные магниты.

Внедрение индентора (3) и всего устройства в целом в исследуемый материал, например, древесину, может осуществляться посредством классического молотка, удары которого наносятся по защитной накладке (6) изготовленной, например, в форме колпачка. Использование защитной накладки (6) позволяет исключить механическое воздействие молотка на поверхность контактной площадки (2) волновода. Это достигается тем, что при соединении защитной накладки с контактной площадкой (2) волновода между поверхностью контактной площадки (2) волновода и крышкой защитной накладки (6) остается зазор. Позиционирование защитной накладки (6) обеспечивается тем, что на контактной площадке (2) волновода выполнен паз или уступ в размер толщины стенок защитной накладки (6). Сама защитная накладка (6) может быть изготовлена из материала, имеющего магнитные свойства, или может быть оснащена постоянным магнитом и удерживаться на контактной площадке (2) посредством магнитной связи. Для удобства внедрения индентора (3) и всего устройства в целом в исследуемый материал защитная накладка (6) может быть оснащена бойком (14) в виде стержня, по которому наносятся удары классическим молотком. При этом длина бойка (14) может быть больше длины прижимного механизма. Защитная накладка (6) соединена с контактной площадкой (2) волновода гибкой связью (10), что позволяет оперативно устанавливать и снимать защитную накладку (6) при внедрении устройства в исследуемый материал и последующей установке ультразвуковых преобразователей (1).

После внедрения устройства в исследуемый материал и снятия защитной накладки (6), в устройство помещается ультразвуковой преобразователь (1), контактная поверхность которого совмещается с поверхностью контактной площадки (2) волновода. Ультразвуковой преобразователь (1) фиксируется в устройстве прижимной пластиной (5), перемещающейся по направляющим (4), а прижим ультразвукового преобразователя (1) осуществляется посредством пружин (8) или винта (9). Для обеспечения постоянной силы прижима ультразвукового преобразователя (1) к контактной площадке (2) винт (9) прижимного устройства может быть оснащен откалиброванным храповиком. В варианте устройства, оснащенного прижимным механизмом с пружинами (8), пружины (8) также могут быть откалиброваны для обеспечения требуемого усилия прижима.

Устройство может быть выполнено без прижимного механизма, а надежный акустический контакт может обеспечиваться только магнитной связью, например, с помощью материала, обладающего магнитными свойствами (магнита) (7), закрепленного на контактных поверхностях ультразвукового преобразователя (1) и/или волновода с помощью двусторонней клеевой ленты или клея.

После фиксации ультразвукового преобразователя (1) в устройстве производятся необходимые измерения. Замена ультразвукового преобразователя (1) осуществляется путем сдвига прижимной пластины (5) к тыльной стороне устройства посредством сжатия пружин (8) или вращения винта (9), или ручного съема ультразвукового преобразователя (1), в случае использования только магнитной связи для крепления ультразвукового преобразователя (1)к волноводу. Замена ультразвуковых преобразователей необходима при использовании ультразвуковых приборов для неразрушающего акустического контроля различных фирм-производителей, имеющих ультразвуковые преобразователи с варьируемыми габаритными и частотными характеристиками. Извлечение устройства из исследуемого материала может быть выполнено путем попеременного разнонаправленного силового воздействия на устройство. Внедрение и извлечение устройства из исследуемого материала может быть также выполнено с использованием съемного обратного молотка (11), соединяемого с устройством.

Использование данного изобретения позволит обеспечить высокую функциональность устройства и снижение времени измерений с сохранением надежного акустического контакта благодаря возможности оперативной замены ультразвуковых преобразователей с различными габаритными и частотными характеристиками при использовании различных ультразвуковых приборов для неразрушающего акустического контроля с сохранением надежного акустического контакта.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-16-00220, https://rscf.ru/project/23-16-00220/.

Используемые аналоги и прототипы:

1. Chin-Linn Huang. (29.03.2005) System and method for measuring stiffness in standing trees. Patent No. US6871545B2.

2. Yishi Lee, Wayne Hall. (11.10.2022) Insert able waveguide to improve acoustic signal transmission in wooden specimen.Patent No. US 11467132 B2.

Изобретение относится к устройствам крепления ультразвукового преобразователя к исследуемому древесному материалу или древесине. Сущность: устройство крепления состоит из волновода, включающего контактную площадку (2) и индентор (3) с заостренным наконечником для внедрения в исследуемый материал. К контактной поверхности волновода прикреплен прижимной механизм, состоящий из направляющих (4) и прижимной пластины (5) для фиксации ультразвукового преобразователя (1). Устройство оснащено защитной накладкой, при соединении которой с контактной площадкой (2) между контактной поверхностью площадки (2) и крышкой накладки остается зазор. На контактной поверхности волновода по всей площади контакта закреплен материал, обладающий магнитными свойствами. Технический результат: повышение функциональности устройства и снижение времени измерений с сохранением надежного акустического контакта при использовании ультразвуковых преобразователей с различными габаритными и частотными характеристиками. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя к исследуемому материалу, представляющему собой древесину или древесный материал, состоящее из волновода, включающего контактную площадку и индентор конической, или цилиндрической, или призматической формы с заостренным наконечником для внедрения в древесину или древесный материал, а также приспособления для соединения контактной поверхности волновода с контактной поверхностью ультразвукового преобразователя, отличающееся тем, что к контактной поверхности волновода прикреплен прижимной механизм, состоящий из направляющих и прижимной пластины для фиксации ультразвукового преобразователя, устройство оснащено защитной накладкой, изготовленной, например, в форме колпачка, при соединении которой с контактной площадкой волновода между контактной поверхностью площадки и крышкой накладки остается зазор, на контактной поверхности волновода по всей площади контакта закреплен материал, обладающий магнитными свойствами, например, с помощью двусторонней клеевой ленты или клея.

2. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что прижимной механизм является съемным и крепится к контактной площадке волновода, например, с помощью резьбового соединения.

3. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что прижимной механизм оснащен пружинами или винтом, имеющими контакт с прижимной пластиной.

4. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что индентор волновода является съемным и крепится к контактной площадке волновода, например, с помощью резьбового соединения.

5. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что индентор волновода имеет угол при вершине наконечника, внедряемого в исследуемый материал, в диапазоне 1-179 градусов и радиус закругления наконечника 0,01-5 мм, а также форму поперечного сечения в виде окружности, эллипса или многоугольника.

6. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что защитная накладка изготовлена из материала, имеющего магнитные свойства, и соединена с устройством гибкой связью.

7. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 2, отличающееся тем, что при снятом прижимном механизме контакт ультразвукового преобразователя с площадкой волновода осуществляется только за счет материала, обладающего магнитными свойствами и закрепленного на контактной поверхности волновода.

8. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что к прижимному механизму или к площадке волновода крепится съемный обратный молоток.

9. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что на контактной площадке волновода выполнен паз или уступ в размер толщины стенок защитной накладки.

10. Устройство для крепления ультразвукового преобразователя по п. 1, отличающееся тем, что защитная накладка имеет боек в виде стержня, длина которого больше длины прижимного механизма.