Способ ультразвукового контроля качества оптически прозрачных монокристаллических слитков Советский патент 1991 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля материала оптически прозрачных изделий, например протяженных монокристаллических слитков, имеющих на своей боковой поверхности по крайней мере две плоскопараллельные плоскости, с возникающими при росте неоднородными по объему слитка остаточными внутренними механическими напряжениями, и может быть использовано для нахождения на блоковой поверхности протяжного изделия местоположения границ напряженных участков слитка с недопустимыми по величине механическими напряжениями.

Цель изобретения - повышение информативности контроля за счет определения границ напряженных участков на боковой поверхности контролируемого слитка.

На фиг. 1 представлено распределение длины ультразвуковой волны (Я), вдоль длины (I) контролируемого изделия, характерное для изделия с внутренними механическими напряжениями; на фиг. 2 - структурная схема устройства для реализации способа ультразвукового контроля.

Устройство для реализации способа ультразвукового контроля качества протяженных изделий содержит ультразвуковой преобразователь 1, импульсный модулятор 2, переключатель 3, приемник 4, двухка- нальный осциллограф 5, генератор 6 экспоненты, синхронизатор 7, генератор 8 высокочастотный, аттенюатор 9, лазер 10, щель 11, фотоприемник 12 и контролируемое протяженное изделие 13, причем ультразвуковой преобразователь 1 подключен к выходу импульсного модулятора 2 и может подключаться переключателем 3 к входу приемника 4, выход которого в свою очередь соединен с входом первого канала У двухканального осциллографа 5, вход второго канала У двухканального осциллографа 5 соединен с выходом генератора 6 экспоненты, вход генератора 6 экспоненты подключен к первому выходу синхронизатора 7, второй и третий выходы синхронизатора 7 соединены с третьим входом (входом X) двухканального осциллографа 5 и первым входом импульсного модулятора 2 соответ- ствено, первый и второй выходы генератора 8 высокочастотного подключены к второму входу импульсного модулятора 2 и входу аттенюатора 9 соответственно, выход аттенюатора 9 с помощью переключателя 3 может подключаться к входу приемника 4, на оптической оси лазера 10 расположены последовательно щель 11 и фотоприемник 12, выход фотоприемника 12 подключен к выходу аттенюатора 9. Контролируемое протяженное изделие 13 своей торцовой поверхностью акустически соединено с ультразвуковым преобразователем 1 и установлено между лазером 10 и щелью 11 так, чтобы оптическая ось лазера 10 и продольная ось контролируемого протяженного изделия 13 пересекались и были взаимно перпендикулярны.

Способ ультразвукового контроля оптически прозрачных монокристаллических слитков осуществляется следующим образом.

Ультразвуковой преобразователь 1 устанавливают на торцовую поверхность контролируемого протяженного изделия 13. Излучают в изделие 13 импульсы ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового

0 преобразователя 1. Для этого импульсный модулятор 2 формирует из непрерывного гармонического сигнала, вырабатываемого генератором 8 высокочастотным, зондирующие радиоимпульсы нужной длительности и с не5 обходимым периодом повторения, задаваемые импульсами синхронизатора 7. Зондирующие радиоимпульсы с импульсного модулятора 2 подаются на ультразвуке- вой преобразователь 1. Ультразвуковые

0 импульсы распространяются в контролируемом протяженном изделии 13, многократно отражаясь от его плоскопараллельных торцовых поверхностей. Отраженную от противоположной ультразвуковому преоб5 разователю 1 торцовой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 серию эхо-импульсов принимают ультразвуковым преобразователем 1, который преобразует их в электрические сигналы.

0 Эти сигналы подаются на вход приемника 4 через замкнутый переключатель 3, усиливаются в нем до необходимой величины и с выхода приемника 4 подаются на вход первого канала У двухканального осциллографа

5 5 для визуальной индикации их на экране электроннолучевой трубки. На вход второго канала У двухканального осциллографа 5 подается экспоненциальный сигнал с генератора 6 экспоненты. Синхронизатор 7

0 обеспечивает согласованный между собой запуск импульсного модулятора 2, генератора 6 экспоненты и генератора развертки двухканального осциллографа 5 так, что на экране двухканального осциллографа 5 од5 повременно с серией принятых эхо-импульсов наблюдается экспоненциальный сигнал. Экспоненциальный сигнал совмещается с огибающей серии принятых эхо- импульсов путем изменения постоянной

0 времени генератора 6 экспоненты. Ультразвуковым преобразователем 1 сканируют по торцовой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 путем его перемещения. При сканировании ультразвуковой

5 преобразователь 1 в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси и по изменению отклонения огибающей серии принятых эхо-импульсов от экспоненты, осуществляемому визуально на экране двухканального осциллографа 5, определяют наличие внутренних механических напряжений в контролируемом протяженном изделии 13. Внутренние механические напряжения в контролируемом протяженном изделии 13 имеются в том случае, когда экспоненциальная огибающая серии принятых эхо-импульсов при вращении ультразвукового преобразователя 1 вокруг своей оси переходит в убывающий по экспоненте модуль косинуса и обратно,

Для нахождения на боковой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 местоположения границ напряженных участков при обнаружении в контролируемом про- тяженном изделии 13 внутренних механических напряжений ультразвуковой преобразователь 1 размещают в центре торцовой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 и излучают импульсы ультразвуковых колебаний в контролируемое протяженное изделие 13. Просвечивают контролируемое протяженное изделие 13 со стороны его боковой поверхности пучком когерентного света лазера 10. Обеспечивают акустооптическое взаимодействие ультразвуковых и световых волн взаимным расположением контролируемого протяженного изделия 13 с размещенным в центре его торцовой поверхности ультразвуковым преобразователем 1 и лазера 10 так, чтобы ультразвуковом и световой пучки пересекались, и, кроме этого, световой пучок должен падать на звуковой пучок нормально. Акустооптическое взаимодействие обеспечивают также установкой частоты ультразвуковой волны, удовлетворяющей условию

Я2

II

1

Искомую частоту ультразвуковой волны для обеспечения акустооптического взаимодействия в пределе Рамана-Ната в контролируемом изделии, например из галлий-гадолиниевого граната, найдем по формуле U

f

vZTT ITT

где U - скорость распространения сдвиговой ультразвуковой волны в исследуемом монокристалле;

Я- длина световой волны используемого лазера в вакууме;

L - длина взаимодействия на первый дифракционный максимум;

п - показатель преломления исследуемого монокристалла.

Выделяют из пространственно углового спектра, прошедшего через контролируемое протяженное изделие 13 и дифрагированного в области взаимодействия пучка света, один из дифракционных порядков, например +1, с помощью щели 11 перемещением ее в направлении, перпендикулярном направлению распространения светового пучка, и принимают выделенную часть светового пучка фотоприемником 12. С помощью последнего преобразуют выделенную часть светового пучка в электрический сигнал, фаза которого определяется координатой точки просвечивания. При нахождении на боковой поверхности контролируемого протяженного изделия 13 границ

напряженных участков вход приемника 4 соединяется с выходом фотоприемника 12 переключателем 3. Одновременно с электрическим сигналом с фотоприемника 12 на вход приемника 4 через аттенюатор 9 подается опорный сигнал частотой Q с генератора 8 высокочастотного. Эти сигналы усиливаются в приемнике 4 и с выхода приемника 4 поступают на вход первого канала У двухканального осциллографа 5. Синхронизатор 7 обеспечивает синхронный запуск генератора развертки двухканального осциллографа 5 с началом зондирующего сигнала, вырабатываемого импульсным модулятором 2. На экране двухканального

осциллографа 5 фиксируется прямоугольный радиоимпульс на фоне непрерывного сигнала той же частоты, разность фаз этих сигналов зависит только от координаты точки просвечивания X, задаваемой перемещением контролируемого протяженного изделия 13. Если амплитуду непрерывного опорного сигнала уравнять аттенюатором 9 с амплитудой импульсного сигнала, то в пределах этого импульсного сигнала его результирующая амплитуда периодически изменяется от нуля до 2U0 и снова до нуля при перемещении контролируемого протяженного изделия поочередно на расстояние Я. Перемещают контролируемое протяженное

изделие 13 в направлении, перпендикулярном световому пучку, и вдоль направления распространения импульса ультразвуковых колебаний на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют

по параметрам электрического сигнала, и измеряют длину ультразвуковой волны. Измерение длины ультразвуковой волны осуществляется с помощью системы отсчета механизма перемещения контролируемого

протяженного изделия 13 при его перемещении. Показания системы отсчета меха,- низма перемещения фиксируются при перемещении контролируемого протяженного изделия 13 в положениях, соответствующих нулевой амплитуде результирующего

сигнала на экране двухканального осциллографа 5, Погрешность отсчета перемещения и самого перемещения существующих механизмов перемещения может быть достаточ- но малой, например 1 мкм, вполне удовлетворительной для данного способа. Границы напряженных участков определяют из условия, когда измеренное значение длины волны превышает допустимые пределы. Формула изобретения Способ ультразвукового контроля качества оптически прозрачных монокристаллических слитков, заключающийся в том, что на торцовую поверхность контролируемого слитка устанавливают ультразвуковой преобразователь, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, принимают серию эхо-импульсов, отраженных от противоположной поверхности изделия, сканируют по торцовой поверхности контролируемого изделия ультразвуковым преобразователем, при сканировании преобразователь в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси и по изменению огибающей серии принятых эхо-импульсов определяют наличие внутренних механических напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности контроля за счет определения границ напряженных участков на боковой поверхности контролируемого слитка, после определения наличия напряжений размещают ультразвуковой преобразователь в центре

торцовой поверхности контролируемого слитка, излучают импульсы ультразвуковых колебаний и локально просвечивают контролируемый слиток со стороны его боковой поверхности пучком когерентного света, последовательно перемещают слиток в осевом направлении на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют по параметрам прошедшего через контролируемый слиток светового пучка в

одном из диффракционных порядков его углового спектра, измеряют длину ультразвуковой волны, а границу напряженного участка определяют по местоположению точки, в которой изменяется длина волны.

Фиъ. 2.

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля материала оптически прозрачных изделий, в частности монокристаллических слитков, имеющих на своей боковой поверхности по крайней мере две плоскопараллельные плоскости, и может быть использовано для нахождения в протяженных монокристаллических слитках местоположения границ напряженных участков. Цель изобретения - повышение информативности контроля за счет определения границ напряженности участков на боковой поверхности контролируемого слитка. На торцовую поверхность контролируемого изделия устанавливают ультразвуковой преобразователь, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, принимают серию эхо-импульсов, отраженных от противоположной поверхности изделия, сканируют по торцовой поверхности конт- ролируемого изделия ультразвуковым преобразователем. При сканировании преобразователь в процессе излучения и приема вращают вокруг собственной оси. По изменению отклонения огибающей серии принятых эхо-импульсов от экспоненты определяют наличие внутренних механических напряжений. Размещают ультразвуковой преобразователь в центре торцовой поверхности контролируемого изделия, излучают импульсы ультразвуковых колебаний, просвечивают контролируемое изделие со стороны его боковой поверхности пучком когерентного света, обеспечивают акустооптическое взаимодействие ультразвуковых и световых волн. Выделяют из пространственного углового спектра дифрагированного в области взаимодействия пучка света один из дифракционных порядков, принимают выделенную часть светового пучка, преобразуют ее в электрический сигнал. Перемещают изделие в направлении, перпендикулярном световому пучку, и вдоль направления распространения импульса ультразвуковых колебаний на расстояние, кратное длине ультразвуковой волны, которое определяют по параметрам электрического сигнала. Измеряют длину ультразвуковой волны, а границы напряженных участков определяют из условия, когда измеренное значение длины волны превышает допустимые пределы. 2 ил. Ё О N о о ГО 00