Устройство для определения модуля упругости материалов Советский патент 1989 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к исследованию физических свойств материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения модуля упругости твердых тел,

Целью изобретения является повышение точности определения модуля упругости материалов йа счет учета изменений внутренней структуры материала при внешних воздействиях

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для определения модуля упругости материалов; на - эпюры сигналов, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, последовательно соединенные усилитель 2 зондирующих импульсов, пьезопреобразователь 3 и акустическую линию 4 связи,усилитель-ограничитель 5 отраженных импульсов, входом подключенный к пьезо- преобразователю 3, элемент 6 задержки, вход которого объединен с входом усилителя 2 зондирующих импульсов,измеритель 7 времакньл интервалов, детектор 8, первый 9, второй 10 и третий 11 D-триггеры с динамическим управлением по фронту импульса, элемент И 12, дифференциатор 13, измеритель 14 удельной электропроводности материала образца, блок 15 вычисления модуля упругости и двухполюсный к опоч- ньй переключатель 16, выход детектора 8 подключен к С-входу синхронизации первого D-триггера 9, и информационный D-вход которого подключен к выходу элемента И 12, а инверсный Q-выход подключен к С-входу синхронизации второго D-триггера 10 и к первому входу элемента И 12, второй вход которого подключен к инверсному Q-выхрду

и объединен с информационным D-входом второго D-триггера 10, раздельные R-входы установки в нулевое состояние первого 9 и второго 10 D-тригге- ров подключены к прямому Q-выходу третьего D-триггера 11, инверсный Q-вьгход которого подключен к его информационному D-входу, а С-вход синхронизации подключен к выходу элемента 6 задержки, вход которого подключен к раздельному R-входу установки в нулевое состояние третьего D-триггера 11, первый Q-выход первого D- .триггера 9 через дифференциатор 13 подключен к входу измерителя 7 временных интервалов, выходы измерителя 7 временных интервалов и измерителя 1А удельной электропроводности подключены соответственно к первому и второму входам блока 15 вычисления модуля упругости, подвижный контакт двухполюсного кнопочного переключателя 16 подключен к выходу генератора 1 зондирукщих импульсов, нормально замкнутый неподвижный контакт подключен к входу усилителя 2 зондирующих импульсов, а нормально разомкнутый неподвижный контакт подключен к раздельному S-входу установки в единичное состояние третьего Ь-триггера I1.

Кроме того, на фиг„1 показан образец 17 исследуемого материалаоВходы измерителя 14 удельной электропроводности подключают к противоположным торцам образца исследуемого материала 17, который устанавливают на свободной торцовой поверхности акустической линии 4 СВЯЗНо

Устройство работает следующим об- разомо

Перед началом измерений для устранения неопределенного состояния триггеров 9, 10 и П нажатием кнопки 16 Сброс осуществляют установку триггеров 9 - 11 и элемента И 12 в исходное состояние. При этом электрический импульс положительной полярности {фнг.2а) с выхода генератора 1 посту- naetr на раздельный вход установки в единичное состояние третьего триггера 11 и своим фронтом устанавливает на прямом Q-выходе напряжение-высокого уровня, т.е. (фиг.2е), а на инверсно Q-выходе - напряжение низкого уровня, т„е. О (фиг.2ж). Сигнал 1 с прямого Q-выхода третьего триггера 11 поступает на раздельные R-входы установки в нулевое состоя

ние первого 9 и второго 10 триггеров, в результате чего на прямом Q-выходе первого триггера 9 устанавливается О (фиг.2б,л), а на инверсных Q-вы- ходах первого 9 (фиГо2к) и второго 10 (фиго2з) триггеров l Поскольку на оба входа элемента И 12 поступают 1, то на ее выходе и на информационном D-входе первого триггера 9 также (фиг.2и).

устанавлив ается

Г

5

0

5

0

5

0

5

5

0

При отпускании кнопки 16 (позиция Измерение) кратковременный электрический зондирующий импульс (фиго26) от генератора 1 усиливается усилителем и поступает на пьезопреобразова- тель 3, где преобразуется в акустический сигнал, который по акустической линии 4 связи поступает на образце 17, Часть этого акустического сигнала отражается от начала образца 17 и по акустической линии 4 связи поступает обратно на пьезопреобразоватепь 3, где преобразуется в электрический сигнал и поступает на вход усилителя- огрангтчителя 5 Другая часть акустического сигнала проходит по образцу 17, отражается от его конца, снова проходит по нему, к его началу где снова происходит ее разделение - одна часть через линию 4 связи и пьезо- преобразователь 3 поступает на вход усилителя-ограничителя 5, а другая возвращается в тело образца 17,Таким образом, на выходе усилителя-ограничителя 5 (фиг.2в) и детектора 8 (фиго2г) появляется серия отраженных импульсов (А,В N и Р), причем первый отраженный импульс А появляется через интервал времени 2 э (где tf время прохождения акустического сигнала по акустической линии 4 связи; t - время задержки сигнала в электронных цепях устройства) от начала зондирующего импульса, а последующие импульсы В, N и Р появляются через интервалы времени 2 (где с,, - время прохох дения акустического сигнала по образцу).. Кроме этих отраженных импульсов, на выходе усилителя 5 и детектора 8 появляется прямой импульс М (фиг,2г) с пьезо- преобразователя 3, совпадакяций по времени с зондирующю импульсом геие- ратора 1.

Из этой последовательности импульсов необходимо вь|делить первый А и

BTOpoti В ((Ъиг,2г) отраженные импульсы и измерить временной интервал между ними, равный времени двойного прохождения акустического сигнала по образцу 17, равный Z LJ, с учетом которого определяют скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале образцаj Для этой цели предназйг- чены элемент 6 задержки, первый 9, второй 10 и третий 11 П- триггеры с динамическим управлением по фронту импульса, элемент И 13, а также дифференциатор 13 и измеритель 7 временных интервалов

Измерение временного интервала между первым А и вторым В (фиг.2г) отраженными импульсами осуществляется следующим образом.

Зондирующий импульс генератора 1 (фиго2б) поступает на вход элемента 6 задержки и на раздельньш R-вход установки в нулевое состояние третьего триггера 11, в результате чего на его прямом Q-выходе устанавливается о (фиГз2г,е), а на инверсном Q-выходе и информационном D-входе 1 (фиг,2ж)„ Нулевой потенциал с прямого Q-выхода третьего триггера 11 пердается на раздельные R-входы первого 9 и второго 10 триггеров. Таким образом, триггер 9 закрыт нулевым потенциалом на R-входе и импульс М (фиг.2г), поступающий на его С-вход синхронизации, не может изменить его состояние, т.е. потенциалы прямого Q (фиго 2) и инверсного Q () выходов не изменяются.

Зондирующий импульс, задержанный в элементе 6 задержки на время tj (фиг«2д), большее чем длительность импульса М (фиг.2г), поступает

на С-вход синхронизации третьего триггера 11, в результате чего на его прямом Q-вьгходе устанавливается 1 (фиГс2е), которая передается на R-входьг установки в нулевое состояние первого о и второго 10 триггеров Поскольку первый триггер 9 и так находится в нулевом состоянии (О на прямом выходе), то его состояние (фиго2л) не меняется. Второй триггер 10, имеющий после первого измерительного цикла на инверсном выходе О (фиг,2з), изменяет при этом свое сое- тояние и на его инверсном выходе появляется 1 (фиг,2з), В результате этого на выходе элемента И 12( фиго2и и на информационном D-входе первого

триггера 9 устанавливается 1, Схема готова к приему первого отраженного импульса А (фиг,2г).

Первый отраженный импульс А,посту- паюршй на С-вход синхронизации первого триггера 9, своим фронтом изменяет его состояние, т.е. на прямом Q-выходе устанавливается 1 (фиг„2л),

а на инверсном Q-выходе О (фиг.2к). При этом состояние второго триггера 10 не меняется (фиГо2з), а на выходе элемента И 12 (фиг,2и) и на 1шфор- мационном D-входе первого триггера 9

устанавливается Второй отраженный импульс В (фиг.2), поступающий на С-вход синхронизации первого триггера 9, своим фронтом снова изменяет его состояние, т.е на прямом

Q-выходе устанавливается О (фиг.2л), а на инверсном Q-выходе 1 (фиг.2к). При этом состояние второго триггера 10 изменяется, , на его инверсном Q-ныходе устанавливается (фиг.2з),

а на вьгходе элемента И 12 нулевой потенциал не меняется (фиг.2и), следовательно на информационном входе первого триггера удерживается Третий отраженный импульс N

(фиГо2г) и все последующие (на фиг,2г показан еще только один импульс PV, поступающие на вхс д синхронизации с первого триггера 9, не могут изменить его состояние,поскольку на его информационном D-входе

стабильно поддерживается нулевой потенциал (фиго2и),который повторяется на прямом Q-выходе (фиго2л)о

Таким образом, на прямом Q-вьгходе

первого триггера 9 сформирован один импульс длительностью 2 t o (фиг о 2л), равной двойному времени прохождения акустического сигнала по образцу 17, Этот импульс поступает в дифференциатор 13, где преобразуется в два коротких импульса (фига2м), временной интервал между которыми, равный также 2&р, измеряется измерителем 7 временных интервалов.

Полученные результаты измерений времени прохождения акустического сигнала в образце поступают в блок 15 вычисления модуля упругости Е,который вычисляется по формуле

К pji-) . (1)

где

р - теоретическая плотность материала;

1 - длина акустического пути в образце 17;

Y - соответственио теоретическое и экспериментальное значение удельной электропроводности исследуемого ма териалво

Величина Y измеряется измерителем 14 удельной электропроводности и поступает на второй вход блока 15 вычисления модуля упругости.

На этом измерительный цикл закончен,, С приходом следующего зондирую- щего импульса генератора 1 (фиго2б) начинается следующий измерительный цикл. Период Т следования зондирующих импульсов выбирается достаточно большим, чтобы Б исследуемом образце мно- гократные отражения предыдущего импульса полностью затухли к моменту прихода следующего импульса о

Предлагаемое устройство для определения модуля упругости материалов по сравнению с известным повышает точность определения модуля упругости материалов, изменяющих внутреннюю структуру при внешнем воздействии, например, при механических нагружени- ях или изменении температуры

Повышение точности определения модуля упругости достигается тем,что, в данном устройстве одновременно с измерением скорости распространения ультразвуковых волн в материале образца дополнительно осуществляется измерение удельной электропроводности материала образца, а действительное значение модуля упругости определя- ется по формуле (1). Это позволяет устранить методическую погрещностъ определения модуля упругости,обусловленную влиянием изменения внутренней структуры материала на скорость рас- пространения в нем ультразвуковых волн, которая может составлять 1% и более

Формула изобретения

Устройство для определения модуля упругости материалов, содержащее генератор зондирующих импульсов, последовательно соединенные усилитель зондирующих импульсов, пьезопреобразова

Q

5 о

с Q

0

5

тель и акустическую линии) связи,усилитель-ограничитель отраженных импульсов, входом подключенный к пьезо- преобразователю, элемент задержки, вход которого бъединен с входом усилителя зондирующих импульсов, и измеритель временных интервалов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения модуля упругости материалов, изменяющих внутреннюю структуру при внешнем воздействии, оно снабжено детектором, первым, вторым и третьим D-триггера- ми с динамическим управлением по фронту импульса, элементом И,дифференциатором, измерителем удельной электропроводности материала образца блоком вычисления модуля упругости и двухполюсным кнопочным переключателем, выход детектора подключен к входу синхронизации первого D- триггера, информационный D-вход которого подключен к выходу элемента И, а инверсный выход подключен к входу синхронизации второго D-триггера и к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу и объединен с информационным входом второго D-триггера, раздельные входы установки в нулевое состояние первого и второго D-триг- геров подключены к прямому выходу третьего D-триггера, инверсный выход которого подключен к его информационному входу, а вход синхронизации - к выходу элемента задержки, вход которого подключен к раздельному входу установки в нулевое состояние третьего D-триггера, прямой выход первого D-триггера через дифференциатор подключен к входу измерителя временных интервалов, выходы измерителя временных интервалов н измерителя удельной электропроводности подключены соответственно к первому н второму входам блока вычисления модуля упругости, подвижный контакт двухполюсного кнопочного переключателя подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, нормально замкнутый неподвижный контакт подключен к входу усилителя зондирующих импульсов, а нормально разомкнутый неподвижный контакт - к раздельному входу установки в единичное состояние третьего D-триггерао

Изобретение относится к исследованию физических свойств материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения модуля упругости твердых тел. Цель изобретения - повышение точности определения модуля упругости материалов за счет изменений внутренней структуры материала при внешних воздействиях. В устройстве реализуется измерение скорости ультразвука в образце материала, по которой вычисляется его модуль упругости. Одновременно измеряется удельная электропроводность образца и учитывается при вычислении модуля упругости, что обеспечивает повышение точности его определения. 2 ил.