Пьезоэлектрический преобразователь для приема сигналов акустической эмиссии Советский патент 1985 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля.качества изделий и может быть использовано для- контроля методом акустической эмиссии.

Цель изобретения повышение равномерности амплитудно-частотной характеристик1

На фиг. 1 изображен пьезодатчйк у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции hCS) (произвольная форма осдования) с параметрами кривизны h-t),e ; на фиг, 2 - пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции (г (в форме тела вращения) с параметром кривизны ,6 ; на фиг. 3 - график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 1 и 2; на фиг. 4 - пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции Ь (S) (произвольная форма основания) с параметром кривизны ; на фиг, 5 - то же, профиль пье озлемента задан в виде функции t(r) (в форме тела вращения) с параметром кривизны ; на фиг. 6 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 4 и 5; на фиг. 7 - пьезопреобразова- тель, у которого профиль пьезозлемента задан в виде функции (5j,.(произвольная форма основания) с параметна фиг. 8 - то

ром кривизны П

же, профиль пьезоэлемента задан в виде функции /hCr)(в форме тела вращения) с параметром кривизны .ntfe ; на фиг. 9 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 7 и 8; на фиг. 10 - график зависимости критерия равномерности АЧХ с от параметра кривизны профиля пьезозлемента П и отмечены точки, соответствующие примерам конкретного исполнения (т. 5 соответствует параметру кривизны r(-0,S к минимальному значению критерия равномерности г ; т, 6 - пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 4 и 5, с па раметром кривизны ,п«--б ; т, 7 - пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 7 и 8, с параметром кривизны net ; т. 8 - наиболее технологичному в изготовлении пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 11 и 12, с параметром кривизны . Пг-А ); на фиг. .11 - пьезопреобразователь, у

.которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции 1(5) (произвольная форма основания) с параметром кривизп -1 ; на фиг. 12 - то же, проны

филь пьезоэлемента задан в виде функции Ь(г (в форме тела вращения) с параметром кривизны пс ; на фиг. 13 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 11 и 12; на фиг. 14 - пьезопреобразователь, у которого пьезрэлемент состоит из двух ступеней ,5 мм и мм, а профиль задан в виде фyнkции (произвольная форма основания); на

S фиг. 15 - то же, профиль задан в форме вращения в виде функций 11;({); на фиг. 16 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 14 и 15 (для двухступенчатого пьезопреоб0 разователя в интервале частот сигнала акустической эмиссии эта частотная характеристика является оптимальной); на фиг. 17 - пьезопреобразователь, у которого пьезоэлемент состоит из двух

5 ртупеней с малым перепадом высот мм и мм,а профиль задан в виде функции (S;l(c произвольной формой основания); на фиг. 18 - то же, профиль задан в виде функции

0 Ь; ( (в форме тела вращения); на . фиг. 19 - график АЧХ пьезопреобразо-. вателей, изображенных на фиг. 17 и

18; на фиг. 20 - пьезопреобразователь, у которого пьезоэлемент состоит из двух ступеней с больщим перепадом высот h 1 мм и Н, 20MMj а профиль задан в виде функции (Si) (с произвольной формой основания); на фиг. 21 - то же, профиль задан в

0 виде функции Vi;(r;(B форме тела вращения); на фиг. 22 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 20 и 21.

Пьезоэлектрический преобразователь сигналов акустической эмиссии содержит пьезоэлемент 1 с двумя активными поверхностями, электрод 2 на поверхности основания, принимающий ультразвуковые колебания, и электрод 3 на тьты€бй поверхности, к которой прикреплен демпфер 4.

Пьезопреобразователь работает след1оу1цим образом.

Акустические колебания от объекта 5 контроля распространяются через основание пьезоэлемента 1, затем через тьтьную поверхность и электрод 3 проходят без отражения в демпфер 4, где затухают. Знак и величина электрического заряда на электроде 2 в каждый момент времени опреде;|яютс знаком и величиной относительного сум марного смещения поверхности основа ния пьезоэлемента. На тыльной стороне Льезоэлемента положительные и отрицательные полуволны акустических колебаний на раз ных участках профилированной поверх ности создают смещения разного знака. На различных участках электрода 3 образуются электрические заряды противоположного знака, а их суммар ный заряд равен или близок к нулю во всем рабочем диапазоне частот ультразвуковых колебаний. Это дости гается выбором профиля пьезоэлемента. В качестве примеров конкретного исполнения были изготовлены пьезопреобразователи с различными формами профилей пьеэоэлемента. Рассмотрим пьезоэлемент, у которого оснбва ние плоское, а профиль тьшьной поверхносо и задан в виде функции .( U зДь- и) а также пьезоэлемент в форме тела вращения, профиль тьшьной поверхнос ти которого задан в виде функции где Ь - минимальная толщина пьезо.элемента; Н - максимальная толщина пьезо элемента; П - параметр, котсчрый задает кривизну профиля пьезоэл мента , - о 4 л «« При этом АЧХ для обоих пьезоэлементов одинакова. Изменяя параметр п в широких пределах от+с до -в можно получить пьезоэлемент различного профиля от плоского тйнкого то щиной Ь до плоского толстого толщиной Н . Минимальную толщину пьезоэлемента выбирают из условия

2

макс

1 t

4

(г)«Й+8Ио

мм. 14 выбирают а максимальную толщину Ц из условия мин - верх- нижняя, а няя границы рабочего диапазона частот . . , В .примерах 1-4 минимальная высота мм, максимальная высота мм, , что соответствует диапазону сигнала акустической эмиссии 0,1-1,5 мГц. Пример 1. мм, Н 20 мм, « п -0,6. . Профиль пьезоэлемента в виде функции 1i(5) запишется в виде b(Sl -|0-20 )°(i.S.05|-)MA.. Пьезопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на фиг.1. Профиль пьезоэлемента в форме тела вращения как функция Ь (г«) запишется в виде г о,ь ) Ыг)И+5 Пьезопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на фиг.2. После подстановки этих выражений в формулу К(и/1 получают график АЧХ, изображенный на фиг. 3. Пьезопреобразователь с пьезоэлеме Н Tafoi таких,профиле и с.параметром кривизны 0,6 имеет наиболее равномерную характеристику (см. т. 5 на фиг. 10). Пример 2. мм, Н - 20 мм, п« -6. (сравнительный). Профиль пьезоэлемента как функция fits) запишется в виде ) )(lf64- offMM. V - -о Ч 5 / Пьезопреобразователь с таким профилем изображен на фиг. 4. Профиль пьезоэлемента в форме тела вращения как функция fi(r) запишется в виде Пьезопреобразователь с таким пр филем пьезоэлемеНта изображен на фиг. 5. . На фиг. 6 приведена АЧХ указанн пьезопрербразователей; Эти пьезопр разователис -параметром кривизны профилей имеют неравномер ную АЧХ (см. т. 6 на фиг. 10). Пример 3. мм, Н 20 м п 6. Функция }(5 профиля пьезоэлем та запишется в виде Ш X о.2оЧ Пьезопреобразователь с таким пр филем пьезоэлемента изображен на ФиГ 7. Функция (г профиля пьезоэлеме та в форме тела вращения запишется в виде , , , ., Л1/. j гП2оЧ Пьезопреобразователь с таким пр филем изображен на фиг. 8. АЧХ ука занных пьезопреобразователей изображена на фиг. 9. Эти пьезопреобра ватели с параметром кривизны дрофи лей п 6 имеют неравномерную АЧХ (см. т. 7 на фиг. 10). Прим 4. h 1 мм, Н 20 п -1., Функция профиля пьезоэлемента з пишется в виде (H-ti)«1H9A мм DO : Пьезопреобразователь с таким пр филем пьезоэлемента изображен на фиг. 11 и имеет вид клина. Для ньезоэлемента в форме тела вращения, имеющего вид двойного ко нуса (фиг. 12), спраредпива зависи мость- , S lflt o При «0 где О 4 f 4 5 имеем 1 5sО . При г . г /аЫёем Тогда . . b(( -о «(« hl l+ift мм 04Г.Функция профиля Ь (i) имеет И-2- (H-ti) 04v. - l((H Технология изготовления пьезоэлементов, указанных в этом примере, наиболее проста, а АЧХ,представлен ная на фиг. 13, незначительно отличается от оптимальной, что видно из сравнения т. 8 и 5 (фиг. 10). В примерах 5-7 рассматриваются; вухступенчатые датчики, у которых активные площади ступеней равны. 5i Si.. . , , ,, . ,. ... Пример 5. h 2,5 мм, ммНа фиг. 14 изображен Пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции 1(5), , на фиг. 15 - пьезоэлемент в форме тела вращения-, на фиг. 16 - график АЧХ пьезопреобразователей (фиг. 14 и 15). Пьезопреобразователи, изображенные на фиг. 14 и 15, имеют наиболее равномерную АЧХ в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии. П р и м е р 6. h 11 мм, Н 12 мм. Высоты ступеней различаются незначительно. На фиг. 17 изображен датчик, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции 1i(S .На фиг. 18 изображен тот же датчик, у которого профиль пьезоэлемента выполнен в форме тела вращения. На фиг.19 изображен график АЧХ указанных пьезопреобразователей. Их АЧХ неравномерна в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.. . . . Прим е р 7. h .1 мм Н 2d мм. Высоты различаются значительно. На фиг. 20 изображен преобразователь, у которого профиль пьезозлемента задан в виде функции h(S) . На фиг. 21 изображен тот же преобразователь, у которого профиль пьезоэлемента выполнен в форме тела вращения. На фиг. 22 изображен график A,4Jt указанных пьезопреобразователей.Их АЧХ неравномерна в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии. Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь позволяет улучшить равномерность АЧХ путем выбора оптимальной формы поверхности, прилегающей к демпферу.

f.f

f.f

t.f

J

4

0.9f.O1.9

U9.3 . VmvHfOMt ff мГц

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРА ЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ АКУСТИ ЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, содержащий пьезоэле мент с электродами на противоположных поверхностях и демпфер, отли чающийся тем, что, с целью повышения равномерности амплитудночастотной характеристики преобразователя, поверхность пьезоэлемента, прилегающая к демпферу, выполнена ременной кривизной, определяемой ношением OE U) - круговая частота; . ьо) - частотная характеристика преобразователя; а - амплитуда акустических колебаний; коэффициент пьезочувствительности; -скорость звука в.пьезоэлементе; -элемент площади основания пьезоэлемента; S« - площадь основания; Е - модуль Юнга; (S) - функция, определяющая кривизну поверхности, прилегающей к демпферу.

/. ./

tji 0.9 9.

--f

Мгслмм f,fk

Ф«9.е

gf

f.t

I

PJ

ff.f

Л./

t.f

V Vifttn mei ff. M/41

Фы1.8

/. f.l

ч .

f f

1,.1

Vaem«tn« f мГц

Лг«. fy

0,5

.

«i./f

f.S

t.o -,

tfeemetta f, м/ц

Фт IS