Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп Советский патент 1990 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопии и может быть использовано для регистрации стадий накопления усталостных повреждений циклически нагружаемых деталей.

Цель изобретения - повьшение точности регистрации стадий накопления усталостных повреждений материала циклически нагружаемой детали за счет измерения не только знака, но и зна- чения разности активных длительностей эхо-сигналов.

На фиг. 1 представлена блок-cxet a ультразвукового зхо-импульсного дефектоскопа; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие принцип работы дефектоскопа.

Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп содержит последовательно соединенные синхронизатор 1,генератор 2 зондирующих импульсов,ультразвуковой совмещенный преобразователь 3, усилитель-детектор 4, временной селектор 5 и нормализатор 6,формирователь 7 селектирующих импульсов, выход которого подключен к второму входу временного селектора 5, последовательно соединенные датчик 8 уровня нагрузки, первый элемент 9 сравнения, йервый мультивибратор 10,первый триггер 11, первый элемент 12 совпадения, первый счетчик 13,второй элемент 14 сравнения, регистр 15 и индик &тор 16, последовательно соедисд

00

:

САЭ

ч

ненные источник 17 опорного напряжения, третий элемент 18 сравнения и второй мультивибратор 19, выход которого подключен к второму входу первого триггера II и к первому входу синхронизатора 1, последовательно соединенные генератор 20 счетных импульсов, второй элемент 21 совпадения и второй счетчик 22, выход которого подключен к второму входу второго элемента 14 сравнения, последовательно соединенные третий элемент 23 совпадения и одновибратор 24, выход которого соединен с установочным входом регистра 15, второй выход источника 17 опорного напряжения соединен с вторым входом первого элемента 9 сравнения, второй вход третьего элемента 18 сра:внения подключен к выходу датчика 8 уровня нагрузки,выход нормализатора 6 подключен .к вторым входам первого и второго элементов 12 и 21 совпадения и к первому входу третьего элемента 23 совпадения,второй вход которого соединен с вторым выходом триггера 11 и объединен с третьим входом второго элемента 21 совпадения, выход генератора 20 счетных импульсов подключен к третьему входу первого элемента 12 совпадения, выход первого мультивибратора 10 соединен с входами Сброс первого и второго счетчиков 13 и 22 к с вторым входом синхронизатора 1,подключенного вторым выходом к входу формирователя 7 селектирующих импульсов, последовательно соединенные второй регистр 25, сумматор 26,логический элемент ИСКЛЮЧАКЛЦЕЕ ИЛИ 27., третий регистр 28, постоянное запоминающее устройство 29 и второй индикатор 30, последовательно соединенные тактовый генератор 31 и первую схему 32 сопряжения, выход которой подключен к второму входу второго индикатора 30, последовательно соединенные вторую схему 33 сопряжения и третий индикатор 34, четвертый регистр 35, выход которого подключен к второму входу сумматора 26, первый информационный вход четвертого регистра 35 соединен с выходом второго счетчика 22, а второй вход синхронизации четвертого регистра 35 - с выходом второго мультивибратора 10, первый информационный вход второго регистра 25 соединен с выходом первого счетчика 13, второй

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

вход синхронизации - с выходом первого мультивибратора 10,второй вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 27 соединен с выходом второго элемента 14 сравнения, второй вход синхронизации третьего регистра 28 подключен к выходу одновибратора 24, выход тактового генератора 31 подключен к второму входу постоянного запоминающего устройства 29, вход второй схемы

33сопряжения подключен к второму выходу тактового генератора 31, а второй вход третьего индикатора

34соединен с выходом постоянного запоминающего устройства 29.

На схеме (фиг.1) обозначена также консольно закрепленная испытуемая деталь 36, испытывающая циклические нагружения,

Дефектоскоп работает следующим образом.

В процессе циклического нагружения изделия датчик 8 уровня нагрузки преобразует нагрузку в напряжение, представленное эпюрой 37 (фиг.2), которое поступает на элементы 9 и 18 сравнения. В моменты превьшения этим напряжением уровней U, и U, устанавливаемых источником 17 опорного напряжения и подаваемых соответственно на вторые входа первого 9 и третьего 18 элементов сравнения, запускаются мультивибраторы 10 и 19. Синхроимпульсы на выходе мультивибратора 10 представлены эпюрой 38, а синхроимпульсы на выходе мультивибратора 19 - эпюрой 39.

При каждом поступлении синхроимпульсов синхронизатор 1 запускает одновременно генератор 2 зондирующих импульсов и формирователь 7 селектирующих импульсов. Затем преобразователь 3 возбуждает в нагружаемой детали ультразвуковые колебания,принимает эхо-импульсы, которые после прохождения усилителя-детектора 4 поступают на вход временного селектора 5, с помощью которого выделяются сигналы, отраженные от края концентратора напряжений (от края проточки в образце, в зоне которой накапливаются усталостные повреждения). Эхо- сигналы на выходе временного селектора 5 представлены эпюрой 40. С помощью нормализатора 6 такие эхо-сигналы усиливаются и ограничиваются на фиксированном уровне Uj (эпюра 40). С выхода нормализатора 6 усиленные и

: ограниченные эхо-сигналы поступают на .входы элементов 12, 21 и 23 совпдения. Импульсы на выходе нормализа , тора 6 представлены эпюрой 41.Нмпул сы с первого выхода триггера 11,дпи тельность которых соответствует времени нагружения детапи в пределах цикла, представлены эпюрой 42, импульсы с второго выхода триггера II - эпюрой 43. Импульсы на выходе одновибратора 24 представлены эпюрой 44. Счетные импульсы с генератора 20 поступают на выход первого элемента 12 совпадения в интервалы времени совпадения импульсов с выхода нормализатора 6 (эпюра 41) с импульсами на первом выходе триггера - 11 (эпюра 42). Счетные импульсы на выходе второго элемента 21 совпаде- ния появляются в интервалы времени совпадения импульсов на выходе нормализатора 6 (эпюра 41) с импульсами на втором выходе триггера 11 (эпюра 43), Сигналы на выходе первого элемента 12 совпадения представлены эпюрой 45, а на выходе второго эле- .мента 21 совпадения - эпюрой 46.

С выходов счетчиков 13 и 22 информация в виде двоичного восьмиразряд- ного кода подается на вход второго элемента 14 сравнения для последующей индикации знака разности актив- ных дпительностей эхо-сигнапов на первом индикаторе 16. Дополнительно с выходов счетчиков 13 и 22 указанная информация поступает на информационные входы второго регистра 25 и четвертого регистра 35 с цепью последующего вычисления и индикации абсолютного значения разности активных длительностей эхо-сигналов (jj,).

Индикация знака-разности активных длительностей эхо-сигналов происходит следующим образом. Второй элемент 14 сравнения производит сравнение двух восьмиразрядных двоичных чисел, значения которых соответствуют активным длительностям двух эхо-сигналов, принимае1 1х в пределах цикла нагруже- ния детали. При этом на его выходе формируется сигнал : или .соответствующий знаку разности активных длительностей. С выхода элемента 14 двоичный код знака записывается в ре- гистр 15 в момент прихода импульса с выхода одновибратора.24 (эпюра 44). Затем знак указанной разности фиксируется ивдикатором 16.

.« ,5 20 25

ЗО

З 0

5

Вычисление и индикация абсолютного значения разности активных длительностей эхо-сигналов осуществляются следующим образом.В регистр 25 записывается информация о значении и в момент прихода импульсов с мультивибратора 10, а в регистр 35-0 значении момент прихода импульсов с мультивибратора 19 (эпюры 45 и 46). С выхода регистра 25 на вход сумматора 26 информация поступает в прямом коде, а с выхода регистра 35 на второй вход сумматора 26 - в о.братном к оде. В результате в сумматоре 26 происходит вычисление разности активных длительностей двух эхо-сигналов, которая в виде прямого или обратного двоичного кода поступает на вход логического элемента 27, управляемого сигналом с выхода элемента 14 сравнения. На выходе логического элемента 27 формируется двоичный код абсолютного значения величины . Указанная информация записывается в регистр 28 в момент прихода импульса с выхода одновибратора 24 (эпюра 44) и регистрируется с помощью схемы, состоящей из элементов: постоянного запоминающего устройства 29 двух семисегментных индикаторов 30 и 34, тактового генератора 31, двух схем 32 и 33 сопряжения. В устройстве 29 записана программа перевода двоичного кода числа в семисегмент- ный код.

Индикация абсолютного значения величины Г| осуществляется следующим образом. Двоичный код числа, поступающий с выхода регистра 28 на вход постоянного запоминающего устройства 29, а также импульсы с выхода тактового генератора 31 формируют адрес ячейки памяти. Причем при поступлении с выхода тактового генератора 31 импульса логического О формируется адрес ячейки памяти се- мисегментного индикатора 30, а при поступлении импульса логической 1 - адрес ячейки памяти индикатора 34. Схемы 32 и 33 сопряжения в зависимости от состояния выходов тактового генератора 31 коммутируют катоды соответствукщих индикаторов 30 и 34, В результате на индикаторах 30 и 34 регистрируется абсолютное значение

/о

величины 4С( в пределах каждого цикла: нагружения детали.

На первой стадии (инкубационной) в материале детали практически отсутствуют структурные повреждения, соответственно, значение величины и постоянно и имеет положительный знак (фиг.2,а). ,

При исчедпании металлом в локальной деформированной зоне своих пластических возможностей и образования в ней ряда разрозненных микронесплош ностей (линий сдвига, пересекающих границы зерен поликристаллического материала) величина 4Г, становится равной нулю (фиг.2,б), а затем отршдательной (фиг.2,в). При этом индикатор 16 сигнализирует об изменении знака величины с положительного на отрицательный, что соответствует началу второй стадии - стадии предразрушения материала.

По мере увеличения плотности разрозненных микронесплошностей и глубины их распространения в материале начинает увеличиваться абсолютное значение величины L. , что регистрируется индикаторами 30 и 34.При этом знак измеряемой величины отрицательный, что регистрирует индикатор 16. Наработка изделия-, в пределах которой величина dt) растет от нуля до максимума в отрицательной области значений, соответствует второй стадии.

Максимальное отрицательное значение величины /3t;, регистрируемое индикаторами 16,30 и 34, соответствует образованию в пластически деформированной зоне мет.алла ряда разрозненных микротрещин.

Дальнейшая наработка приводит к росту степени структурных изменений, сопровождающемуся ростом размеров и числа микротрещин. На этой (третьей) стадии отрицательное значение величины J (, уменьшается от максимального значения до нуля, что регистрируется индикаторами 30 и 34.

На последующей (четвертой) стадии происходит слияние микротрещин в макротрещину. При этом индикаторы и 34 регистрируют рост, положительного значения величины л .

Таким образом, предложенный дефектоскоп позволяет выделить четыре стадии накопления усталостных повреждений материала. Если величина йГ положительная и не изменяется с увеличением количества циклов (N) нагружения детали, то это соответствует стадии I (инкубационной); если знак величины t отрицательный, а ее абсолютное значение увеличивается с ростом числа N, - то стадии II (стадии предразрушения материала); если знак величины /3 Г отрицательный, а ее абсолютное значение умень- 0 шается с увеличением числа циклов нагружения исследуемой детали, - то стадии III (стадии развития микротрещин); если знак величины 4 Г положительный, а ее абсолютное значе- 5 ние увеличивается с. ростом числа N, - то стадии IV (стадии развития макротрещины).

Предложенный дефектоскоп по сравнению с известным позволяет повысить 0 точность регистрации различных стадий накопления усталостных повреждений материала, расширены его. функциональные возможности. В предлагаемом дефектоскопе дополнительно предусмот- 5 рена схема (элементы 25-35) вычисления и индикации абсолютного значения разности активных длительностей эхо- сигналов, измеряемой в пределах каждого цикла нагружения исследуемой 0 детали. Это позволяет с высокой точностью регистрировать четыре стадии накопления усталостных повреждений материала в соответствии с указанной методикой.. В то же время с использова- 2 нием известного дефектоскопа нельзя отличить стадию II от стадии III,поскольку он регистрирует только знак величины , который в пределах указанных стадий отрицательный. Извест- 0 ь дефектоскоп не позволяет отличить стадию I от стадии IV, в пределах которых величина ЛС имеет положительный знак, а отличительным признаком указанных стадий является лишь закон 5 изменения абсолютного значения величины /li в функции от числа циклов нагружения детали. Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность регистрации различных стадий и обладает более ши0

5

рокими функциональными возможностями. Формула изобретения

Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп, содержащий последовательно соединенные синхронизатор,генератор зондирующих импульсов, ультразвуковой совмещенный преобразователь,

усилитель-детектор, временной селектор и нормализатор, формирователь селектирующих импульсов, выход которого подключен к второ гу входу временного селектора, последовательно соединенные датчик уровня нагрузки, первый элемент сравнения, первый мультивибратор, первый триггер,первы элемент совпадения, первый счетчик,

второй элемент сравнения, регистр и индикатор, последовательно соединенные источник опорного напряжения,третий элемент сравнения и второй мультивибратор, выход которого подключен к второму входу первого триггера и к первому входу синхронизатора,последовательно соединенные генератор

счетных импульсов, второй элемент совпадения и второй счетчик, выход которого подключен к второму входу второго элемента сравнения, последовательно соединенные третий элемент совпадения и одновибратор, выход которого соединен с установочным входом регистра, второй выход источника опорного напряжения соединен с вторым входом первого элемента сравнения, второй вход третьего элемента сравнения подключен к выходу датчика уровня нагрузки, выход нормализатора подключен к вторым входам первого и второго элементов совпадения и к первому входу третьего элемента совпадения, второй вход которого соединен с вторым выходом триггера и объединен с третьим входом второго элемента совпадения, выход генератора счетных импульсов подключен к третьему входу первого элемента совпадения, выход первого мультивибратора соединен с входами Сброс первого и второго счетчиков и с вторым входом синхронизатора, подключенного вторым выходом к входу формирователя селектирующих импульсов, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности регистр-ации стадий накопления усталостных повреждений материала циклически нагружаемой детали, он снабжен последователь- 0 ° соединенными вторым регистром,сумматором, логическим элементом ИСКЛКЬ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третьим регистром,постоянным запоминающим устройством и вторым индикатором, последовательно сое- диненными тактовым генератором и первой схемой сопряжения, выход которой подключен к второму входу второго индикатора, последовательно соединенными второй схемой сопряжения и третьим Q индикатором, четвертым регистром,выход которого подключен к второму входу сумматора, первый информационный вход четвертого регистра соединен с выходом второго счетчика, а второй 5 вход синхронизации четвертого регистра - с выходом второго мультивибратора, первый информационный вход второго регистра соединен с выходом первого счетчика, второй вход сикхрони- Q зации - с выходом первого мультивибратора, второй вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом второго элемента сравнения, второй вход синхронизации третьего регистра подключен к выходу одновибратора, выход тактового генератора подключен к второму входу постоянного запоминающего устройства, вход второй схемы сопряжения подключен к второму выходу д тактового генератора, а второй вход третьего индикатора соединен с выходом постоянного запоминающего устройства.

5

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопии и может быть использовано для регистрации стадий накопления усталостных повреждений циклически нагружаемых деталей. Цель изобретения - повышение точности регистрации стадий накопления усталостных повреждений материала циклически нагружаемой детали за счет измерения не только знака, но и значения разности активных длительностей эхо-сигналов. Дефектоскопом осуществляется измерение и индикация абсолютного значения разности активных длительностей (ΔΤ) эхо-сигналов. По значению измеряемой величины регистрируют четыре стадии накопления усталостных повреждений: инкубационную (при постоянном положительном значении величины ΔΤ), стадию предразрушения (величина ΔΤ растет от нуля до максимума в отрицательной области значений), стадию развития микротрещин (величина Δτ уменьшается от максимума до нуля в отрицательной области значений) и стадию развития макротрещины (величина ΔΤ растет в положительной области значений). 2 ил.