Способ контроля качества пьезоэлементов Советский патент 1983 года по МПК G01N29/00 

(S) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к исследованию электрических свойств материалов дефектоскопии и может быть использовано для оперативного контроля таких параметров пьезоэлементов, как однородность структуры, толщина, плоскопараллельность граней и излучаемая мощность. Известен способ контроля качества пьезоэлементов, включающий изготовление образца возбуждение в нем упругих волн, изменение их частоты, измерение собственной резонансной и антирезонансной частоты образца и расчет искомых параметров пьезоэлементов t l . Однако способ предусматривает изго товление специальных образцов, выполненных в виде тонкого диска или стержня, т.е. позволяет судить о качестве пьезоэлементов лишь косвенно. При этом точность контроля параметров пьезоэлементов ограничена тем, что излучаемая мощность определяется формои и однородностью каждого конкретного пьезоэлемента, которые не учитываются о известном способе. Кроме того, способ контроля не позволяет разделить изменения резонансной и антирезонансной частот, вызванные дефектами структуры и, например, вариациями толщины пьезоэлемента. Необходимость изготовления образцов и проведения статистических расчетов в значительной мере снижает производительность известного способа, что не позволяет использовать его для проведения оперативного неразрушающего контроля качества пьезоэлементов в процессе их производства. Цель изобретения - повышение производительности способа. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля качества пьезоэлементов, включающему возбуждение в пьезоэлементе упругих волн и изменение их частоты, перед возбуждением в пьезоэлементе упругих волн

и изменением их частоты в

пьезоэлемен- достигается выполнением торцов пласте подавляют связанные колебания, помещают его 8 жидкую среду, регистрируют распределение амплитуд давления ближнего поля в плоскости главных rpa-j неи пьезоэлемента с помощью жидкокр таллического детектора и по качеств и положению максимумов амплитуд давл ния «определяют наличие неоднороднос тей, толщину и вариации толщин пьез элементов, а по длине волны света, отраженного однокристаллимеским дет тором, излучаемую мощность. На фиг, 1 представлена схема уст ройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг, 2 - поле пьез пластины с симь етрией ближнего поля свидетельствующее об отсутствии в ней неоднородностей; на фиг, 3 то же, с нарушенной симметрией, свидетельствующей о наличии неоднородности; на фиг, 4 - поле пьезопластины с вариациями толщины; на фиг, 5 и 6 поля двух пластин одинаковых поперечных размеров, но разной толщины на одной и той ме частоте. Способ осуществляют следующим об разом. При возбуждении пьезопластины, поляризованной по толщине переменным электрическим полем соответству ющей частоты, возникают не только резонансные колебания по толщине, н и резонансные поперечные колебания пластины, возникновение которых объ ясняется генерацией высших акустических гармоник. При этом, в зависи мости от формы, соотношения геометрических размероо, упругих характеристик материала, способа крепления и прочих условий, в теле пласти ны устанавливаются системы взаимно пересекающихся узловых линий. Конфигурация этих линий определяется фундаментальной функцией. Кинетичес :кая энергия пластины распределена в областях пучностей, ограниченных узловыми пересекающимися линиями. Таким образом, контролируемая пьезопластина излучает колебательну энергию отдельными зонами, расположенными в областях пучностей. Если упругие свойства материала пьезопластины изотропны, области пучностей расположены симметрично в плоскости главных граней пьезоэлемента. Однако такая неискаженная картина поля наблюдается лишь в случае подавления связанных колебаний, что

10029504 тины в форме параболы и нагружением основных граней средой значительной плотности. Пои этом оасстояние от вершины параболы до точки на оси симетрии, противолежащей оточкам нулеой КРИВИЗНЫ, на главных гранях ьезопластины должно быть равно 0,6-, лины волны, В случае, если в пластине существуют неоднородности с длиной поперечных волн, условия распространения последних меняются и, в первую очередь, изменяется их скорость на участке неоднородности. В конечном счете это приведет к искажению симметрии ближнего поля пьезоэлемента в режиме излучения. Если размеры неоднородности гораздо больше длины волны, так что дифракция невозможна, на границе неоднородности происходит отражение поперечной волны, и, поскольку огибающая неоднородности в общем случае не коллинеарна огибающей пластины, симметрия поля также нарушается. Благодаря этому факту наличие неоднородностей может быть зарегистрировано визуально. В то же время для пьезоэлементов одинаковой геометрической формы, равных поперечных размеоов и одного состава j собственные частоты, определяющие при прочих равных условиях форму поперечных колебаний, в значительной мере зависят от толщины. При возбуждении пьезопластин с разной толщиной, но равными прочимю параметрами, напряжением одной частоты, в силу различия их собственных частот по поперечным размерам, поперечный резонанс возникает у каждой из них на отличающихся разностных частотах (или гармониках, т.е. картины поля различны. Таким образом, по изменению характера распределения амплитуд давления (картины поля при фиксированном значении частоты могут определяться отклонения от заданной толщины. У пьезопластин с плохой плоскопараллельностью в различных точках различны условия отражения упругих волн. На определенных частотах интенсивные колебания по толщине устанавливаются только на локальном участке равной толщины, соответствующей половине длины продольной волны этой частоты. При возникновении интенсивных колебаний пластины только на одном участке и ослабленных колебаний во всех остальных точках, на границе этогл участка создаются условия для отражения поперечных волн. Поле излучения в этом случае пред ставлено одним или несколькими локальными участками, расположенными асимметрично в плоскости главных гра ней. Таким образом, по наличию отдельных зон излучения, расположенных асимметрично по площади излучения, можно судить о вариациях толщины пластины. Предварительная калибровка жидкокристаллического детектора по длине волны максимального расстояния (цвету) позволяет визуально установить интенсивность, а следовательно и мощ ность у акустического излучения. С целью количественного определения удельной излучаемой мощности изображения., воспроизведенное жидкокристал лическим детектором, фиксируют на фо топленке с определенной экспозицией и с заданным режимом обработки и по интенсивности почернения фотопленки определяют излучаемую мощность в любой точке пластины. Устройство для осуществления способа контроля качества пьезоэлементов содержит ультразвуковой генератор 1, исследуемый пьезоэлемент 2, который помещен в акустически заглушенную камеру 3) заполненную обезгаженной водой, являющейся контактной средой для жидкокристаллического детектора k. Для освещения жидкокристаллического детектора k служит конденсатор 5 с осветительной лампой 6. Изображение фиксируется фотоаппаратом 7 через светофильтр 8. Вследствие наличия поперечного и продольного пьезоэффектов в теле пластины устанавливаются системы пер секающихся стоячих волн, взаимодействующих в силу нелинейности среды. Смещение главных граней излучателей представляет сумму смещений, вызванных поперечными и продольными колебаниями. При этом смещения происходят только в областях пучностей поперечных волн и у бездефектных пла тин при выполнении соответствующи х условий - симметричны. Картина акустического поля на незначительных рас стояниях коррелирована с распределением амплитуд и фаз смещений, поскольку расхождение пучков практичес ки отсутствует. Распределение амплитуд давления акустического поля регистрируется жидкокристаллическим детектором k, при освещении которого воспроизводится изображение акустического поля в виде плоскостного распределения частот видимого диапазона, которое фиксируется фотоаппаратом 7 черюз светофильтр 8 или визуально. Наличие неоднородностей фиксируется визуально так же как и отклонение толщины от заданного значения и неравномерность по толщине. При необходимости документирования изображения фиксируются на фотопленку. Таким образом, предлагаемый способ позволяет одновременно контролировать четыре параметра пьезоэлементов, несущих информацию о их качестве, что в свою очередь позволит лроизводить оперативный неразрушающий контроль пьезоэлементов.в процессе производства. При этом контроль может быть осуществлен визуально, что значительно снижает трудоемкость предлагаемого способа по сравнению с известным и повышает его производительность, поскольку время, затрачиваемое на контроль качества одного пьезоэлемента по предлагаемому способу не превышает 1 мин. Формула изобретения Способ контроля качества пьезоэлементов, включающий возбуждение в пьезоэлементе упругих волн и изменениеих частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, перед возбуждением в пьезоэлементе упругих волн иР изменением их частоты в пьезоэлементе подавляют связанные колебания, помещают его в жидкую среду, регистрируют распределение амплитуд давления ближнего поля в плоскости главных граней пьезоэлемента с помощью жидкокристаллического детектора и по качеству и положению максимумов амплитуд давления определяют наличие неОдноротностей, толщину и вариации толщины пьезоэлементов, а по длине волны света, отраженного жидкокристаллическим детектором, - излучаемую мощность. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Яффе В., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. М., Мир, 197, с. .

иг.2

Фиг.З

w

Фиг. 6