Ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений Советский патент 1983 года по МПК G01B17/04 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля материалов, основанным на измерении изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале, и может быть использовано для контроля степени нагружения резьбовьлх соединений..

Известно ультразвуковое устройство для контроля качества материалов, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезопреобразователь, приемный блок, селектор, блок управления, счетчик и цифровой индикатор, вход которого подключен ко второму выходу блока управления, последовательно соединенные синхронизатор, первый блок антисовпадений, каскад задержки и генератор развертки, электроннолучевую трубку, включенную между выходами приемного блока и генератора pcisвертки, а также каскад совпадений, включенный между выходом счетчика и входом цифрового индикатора, и подключенный к третьему выходу блока управления,регистратор, включенный между выходами счетчика и блока управления, а вход генератора зондирующих импульсов подключен к выходу блока антисовпадений 1.

Недостатком устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что при определении временного интервала измеряют время пробега ультразвуковой волны, изменение которого носит случайный характер, через защитнор покрытие электроакустического преобразователя и жидкостную планку. Кроме того, определяют

10 время однократного распространения зондирующего импульса до отражающей поверхности и обратно, при этом имеет место высокая абсолютная и отнрсительная аппаратурная погрешность измере15ния временного интервала.

Наиболее близким к изобретению и по технической сущности и по достигаемому результату является ультразвуковое устройство для измерения ме20ханических напряжений, содержащее генератор зондирующих импульсов, подключенные к нему электроакустический преобразователь, усилитель и блок индикации, второй вход которого сое25динен с выходом усилителя, блок формирования импульсов, блок формирования измерительного интервала и цифровой измеритель скорости 2}.

Недостатком устройства является

30 низкая чувствительность, так как в основе его работы лежит эффект.изменения скорости сдвиговых волн от величины приложенных напряжений. Для получения заметного изменения скорос ти необходимо приложение значительны внешних напряжений. Так для относительного изменения скорости в стали от 20- до 30 единиц необходимо измене ние приложенного напряжения G от 120 до 40 Мн/М. Устройство имеет низкую точность измерений, которая связана с тем, что величина систематической погрешности сравнима, с величиной изменения скорости ультразвука в материёше, а формирование временного интервала осуществляется при превышени амплитудой отраженного сигнала определенного порога срабатывания. Целью изобретения является повышение чуватвительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковое устройство для измерения механических напряжени содержащее генератор зондирующих импульсов, подключенные к нему электро аккустический преобразователь, усилитель и блок индикации, второй вход которого соединен с выходом усилителя,, блок формирования импульсов, бло формирования измерительного интервал и цифровой измеритель скорости, снаб жёно блоком временной регулировки усиления, входом подключенным к выхо ду генератора зондирующих импульсов, выходом - к управляющему входу усилителя, блоком фильтров, включенным Между усилителем и блоком формирования импульсов, подключенным к выходу последнего блоком ключей, выход кото рого соединен со входом блока формирования измерительного интервала, подключенным к выходу последнего регистром памяти, выходом соединенным со входом цифрового измерителя скоро ти, подключенным параллельно ему блоком вывода информации, подключенными к .выходу усилителя последовательно сое диненными блоком контроля и блоком управления, выходы которого раздельн i подключены к управляющим входам блок индикации, блока ключей, блока форми рования измерительных интервалов и регистра памяти. На чертеже представлена блок-схем устройства. ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений содержит генератор 1 зондирующих импульсов, выход его соединен с электроакустическим преобразователем 2, усилителем 3, блоком 4 временной регулировки усиления, выход которого соединен со вторым входом усилителя 3, и блоком 5 индикации, первый вход которого соединен с выходом усилителя 3, блок б контроля, вход которого подключен к выходу усилителя 3, блок 7 управления, вход которого соединен с выходом блока б контроля, последовательно включенные с усилителем 3 блок 8 фильтров, блок 9 формирования импульсов, блок 10 ключей, ко второму входу которого подключен первый выход блока-7 управления, блок 11 формирования измерительного интервала, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 7 управления, регистр 12 памяти, второй вход которого подключен к третьему выходу блока 7 управления, и цифровой измеритель 13 скорости, параллельно которому включен блок 14 вывода информации, прл этом четвертый выход блока 7 управления подключен к третьему входу блока 5 индикации. Устройство работает следующим образом. Генератор 1 зондирующих импульсов возбуждает при помощи электрбакустического преобразователя 2 ультразвуковые импульсы в контролируемом изделии 15. Отраженные импульсы преобразуются этим же преобразователем в электрические сигналы, которые затем усиливают;ся усилителем 3. Одновременно с возбуждением преобразователя 2 зондирующий импульс подается на блок 4 временной регулировки усиления, который изменяет коэффициент усиления усилителя 3 таким образом, что компенсируется изменение амплитуды последовательности отраженных импульсов по зависимости, определяемой выражениемк -к I , где ,ц - мгновенное значение коэффициента усиления в пределах изменения времени от О до Т; Т - период измерения; t - время распространения ультразвуковой волны в изделии; dL. - коэффициент затухания ультразвуковой волны в изделии ; m - коэффициент отражения; зависящий от формы, размеров и ориентации отражающей поверхности; К --коэффициент пропорциональности, зависящий от типа электроакустического преобразователя. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на блок 8 фильтров, где осуществляется выделение двух гармоник (в проведенных экспериментах 500. и 1000 кГц). Излученный в контролируемое изделие 15 импульс, вследствие ряда нелинейных эффектов, трансформируется в импульс, представляющий собой сумму гармоник, причем, чем больше расстояние,.пройденное импуль сом, тем больше будет размываться принятый импульс, высокочастотные составляющие которого будут отстават вследствие дисперсии скорости звука в твердбм теле. Установлено, что в резьбовых соединениях из различных материалов наблюдается отрицательная дисперсия: высшие гармоники имеют Меньшую скорость. Скор&сть звука за, висит как от его частоты ui , так и от напряженно-деформированного состо яния и определяется выражением wj-u)2 uj|-u;2)4(wa)2 где d - величина, связанная с демпфированием дислокаций; Q резонансная частота дислока 1Г2G 1 т ций ; U) -модуль сдвига; -коэффициент Пуассона; -плотность материала изделия CQ - скорость звука в материале изделия без учета дислокаций ; N - плотность дислокаций. Зависимость фазовой скорости волны от деформации объясняется нелиней ным законом Гука и может охара теризована выражением С СоГ1+|с /с ; Г2 (3) где , С - линейный модуль упругости, с - нелинейный модуль упругост Сигналы двух гармоник, выделенные блоком 8 фильтров, поступают на бло 9 формирования импульсов, где проис ходит нормирование сигналов по длительности и амплитуде. Далее сигнал подается на блок 10 ключей, алгоритм работы которого обеспечивает открыв ние временного селектора (не показан блока 11 формирования измерительного интервала гармоникой лиэшей частоты и закрывание гармоникой высшей часто ты. Блок б контроля осуществляет селекцию отраженных иютульсов от зонди рующего и выдает информацию на блок Iуправления. Гармоника низней часто .ты первого отраженного импульса открывает временной селектор блока 11 формирования измерительного интервал счетчик которого згшолняется тактово частотой кварцевого генератора (не показан). Блок 7 управления закрывает временной селектор блока 11 в момент прихода высшей гаргюннки отраженного импульса. Цикл.измерения повторяется п раз результат счета суммируется в блоке IIформирования измерительного интер вала и по окончании заданного (п) количества измерений блок 7 управления выдает команду на запись информации в регистр 12 памяти, откуда она поступает на табло цифрового измерителя 13 скорости и через блок 14 вывода информации при необходимости может быть выдана на вычислительную машину. Опытный образец устройства позволяет измерять временные интервалы между первым и десятым отраженными импульсами. Порядковый номер счетного импульса зависит от длины контролируемого изделия и задается вне1йним устройством через блок 7 управления. Количество циклов измерения установлено постоянно блоком 7 управления и равно 1000. На вертикально отклоняющиё пластины электронно-лучевой трубки (не показана) блока 5 индикации .подается сигнал с выхода усилителя 3 через усилитель вертикального отклонения (не показан), сюда же подается сигнал с блока 7 управления, индицирующий, по какому отраженному импульсу закрывается временной селектор блока 11. На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки подается напряжение от блока развертки (не показан), управ|Ляемого генератором 1 зондирукядах импульсов. Во время индикации результатов измерения осуществляется новое измерение по описанному циклу. Использование устройства позволяет за счет многократных измерений и использования эффекта дисперсии звука повысить чувствительность измерений, что повьалает вероятность фикса-. ции минимальных изменений скорости звука в контролируемом изделии и обеспечивает увеличение срока службы ответственных машин И узлов. Формула изобретения Ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений, со-, держащее генератор зондирующих импульсов , подключенные к н.е электроакустический преобразователь, усилитель, и блок индикации, второй вход которого соединен с выходом усилителя, блок формирования импульсов, блок формирования измерительного интерва-« ла и цифровой измеритель скорости, отличающеесятем, что, с . целью повьшения чувствительности, оно снабжено блоком временной регулировки усиления, входом подключенньад к выходу генератора зондирующих импульсов , выходом - к управляющему входу усилителя, блоком фильтров, вкгаоченным между усилителем и блоком формирования импульсовj подключенным к выходу последнего блоком ключей, выход которого соединен со входом блока формирования измерительного интервала подключенным к выходу последнего регистром памяти, выходом соединенным со входом цифрового измерителя скорости, включенным параллельно ему блоком вывода информации, подключен ными к выходу усилителя последовательно соединенными блоком контроля и блоком управления, выходы которого.

раздельно подключены к управляющим входам блока индикации, блока ключей блока формирования измерительных интервалор и регистра памяти.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР 634198, кл. G 01 N 29/00, 1977.

2.Авторское свидетельство СССР № 575560, кл. G 01 N 29/00, 1975 (прототип).