Устройство для контроля качества материалов и изделий Советский патент 1991 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, в частности к контролю качества изделий резонансным методом, и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для диагностики качества полимерных материалов и мно- гоелойных изделий

Целью изобретения является повышение чувствительности контроля за счет учета изменения крутизны фазовой характеристики в зоне резонансной частоты при наличии дефекта.

На фиго 1 изображена структурная схема устройства, для контроля качества материалов и изделий; на фиг.2 - функциональная схема запоминающего блока; на фиг03 - временная диаграмма работы устройства; на фиг.4 - фа- зочастотные характеристики бездефектного и дефектного изделий.

Устройство содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 качающейся частоты (ГКЧ), усилитель 2 мощности, передающий преобразователь 3, приемный преобраО54. Ю ОЭ 05

зователь 4, усилитель 5, амплитудный детектор 6, фильтр 7 низких частот (ФИЧ), пиковый детектор 8 и первый компаратор 9, последовательно соеди- ненные фазовый детектор 10, двухпо- роговый компаратор 11, генератор 12 линейно изменяющего напряжения (ГЛИН) запоминающий блок 13 и индикатор 14, второй компаратор 15 и генератор 16 модулирующего напряжения (ГКН), выход которого подключен к входу ГКЧ 1 и второму входу запоминающего блока 13, первый вход фазового дефектора 10 подключен к выходу усилителя 5, второй вход - к выходу ГКЧ 1, выход - к входу второго компаратора 15, второй вход первого, компаратора 9 подключен к третьему входу запоминающего блока 13 и к выходу ВДЧ 7, а четвертый, пятый и шестой входы запоминающего блока 13 подключены к выходам первого компаратора 9, второго компаратора 15 и двухпорогового компаратора 11 соответственно. Пози- цией 17 обозначено контролируемое изделие. Передающий „i приемный преобразователи 3 ч - t I OB erfbi в од- лом корпусе кскггеля 18

|

Запоминающий бгюк 13 выполнен из

последовательно соединенных первого одновибратора 19, первой схемы 20 выборки и хранения, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) опера- тивного запоминающего устройства (ОЗУ) 22 и схемы 23 вывода, последовательно соединенных второго одновибратора 24,К5-триггера 25 и второй схемы 26 выборки и хранения, коммутатора 27, третьей схемы 28 выборки и хранения и последовательно соединенных третьего одновибратора 29 и четвертой схемы 30 выборки и хранения, второй вход которой подключен к входу комму- татора 27 и является вторым входом запоминающего блока 13, а выход подключен к втором/ вхг ky первой схемы 20 выборки и х Зипенчя, первый вход третьей схемы 28 выборки и хранения является третьим входом запоминающего блока 13, второй вход подключен к S-входу RS-триггера 25 и к выходу первого одновибратора 19, выход - к второму входу АЦП 21, второй вход второй схемы 26 выборки и хранения является первым входом запоминающего блока 13, а выход подключен к третье му входу АЦП 21, выход коммутатора

Q

5

27 подключен к четвертому входу А1Щ 21 и второму входу ОЗУ 22, входы первого, второго и третьего одновиб- раторов 19, 24 и 29 является четвертым, шестым и пятым входами запоминающего блока 13, а выход схемы 23 вывода является выходом запоминающего блока 13.

Позициями 31-41 обозначены сигналы с выходов блоков устройства

Устройство для контроля качества материалов и изделий работает следующим образом.

Искатель 18 устанавливается на поверхность контролируемого изделия 17. При включении устройства ГМН 16 вырабатывает пилообразное напряжение 31, в соответствии с которым ГКЧ 1 вырабатывает электрический сигнал 32 переменной частоты. Этот сигнал усиливается усилителем 2 мощности и преобразуется в акустические колебания передающим преобразователем 3, которые воздействуют на контролируемое изделие 17. Приемный преобразователь 4 преобразует механические колебания контролируемого изделия 17 в электрический сигнал 33, который усиливается усилителем 5 и подается на входы амплитудно о детектора 6 и фазового детектора 10. Входной сигнал 33 представляет собой высокочастотное заполнение и низкочастотную огибающую. Для выделения низкочастотной огибающей использованы амплитудный детектор 6, с выхода которого снимается детектированный сигнал 34, и ФНЧ 7, с выхода которого снимается низкочастотная огибающая 35. Последняя поступает на пиковый детектор 8 и далее на первый вход первого компаратора 9. На второй вход последнего поступает выходной сигнал с ФНЧ 7. Компаратор 9 сравнивает сигналы на первом и втором входах.При увеличении амплитуды сигнала 35, что происходит при приближении частоты вынужденных колебаний контролируемого изделия 17 к собственной частоте, сигнал 36 на выходе пикового детектора 8 нарастает, потенциал на первом входе первого компаратора 9 меньше или равен потенциалу на втором входе. При этом на выходе первого компаратора 9 будет нулевой потенциал. После прохождения частоты механического резонанса потенциал на первом входе первого компаратора 9 становится больше потенциала на втором входе. На выходе первого компаратора

9появляется положительный потенциал 37, который подается на четверть

вход запоминающего блока 18„ С выхода усилителя 5 электрический сигнал 33 поступает на вход фазового детектора

10и далее на входы двухпорогового компаратора 11 и второго компаратора

15 Работа фазового детектора основана на том, что в реальном случае вынужденные механические колебания контролируемого изделия 17 сдвинуты по фазе относительно вынуждающих колебаний от передающего преобразователя 3 вследствие сил неупругого сопротивления. Для случая, когда возмущающая сила изменяется по гармоническому закону

Р Р0 sinCOt,

где Р0 - амплитуда силы; СО - ее частота;

t - время,

вынужденные колебания описываются выражением

х

де с - жесткость изделия;

О - резонансная частота механических колебаний изделия;

п - коэффициент затухания механических колебаний;

Oil - фазовый сдвиг, определяемый из выражения

/ 263п, ,

tg( (2)

р -СО2

Выражения (1, 2) получены для изделий, представляющих собой прямоугольную пластину размерами d и е и толщиной L. Аналогичные выражения можно получить и для других изделий в зависимости от относительных размеров последнего и передающего преобразователя 3. Значение резонансной частоты определяется из выражения

« 2 Ц ЗрО-jit2)

где m, n 1,2 о,-,,

L - толщина пластины; d,e - размеры пластины; Е - модуль Юнга; (М - коэффициент Пуассона; р - плотность материала о

.Еf(

3pO-/U2) L а } + Ч ;J

(3

При воздействии акустических колебаний от передающего преобразователя 3 на контролируемое изделие 17

в последнем возникают сложные колебания. При этом существует основная резонансная частота, на которой амплитуда колебаний максимальна. Как следует из Выражения (2), при малых

значениях ($ фазовый сдвиг незначителен, при весьма больших значениях СО он приближается к fT, а при зна

15

J

)

Ъ чении СО Р фазовый сдвиг У{ -я(фиг.4,А)„ Наклон фазовой характеристики в значительной степени зависит от жесткости изделия При уменьшении жесткости ,j что происходит при

20 наличии дефекта и,как следстви, нарушении жестких связей, характеристика в зоне резонансной частоты изменяется более круто (фиг.4,К).

С выхода фазового детектора 10

5 напряжение, пропорциональное фазовому сдвлгу вынужденных колебаний, поступает нг входы дв хпорогового компаратора 11 и второго компаратора 15, Уровень срабатывания последнего ус-

30 танавливается таким, чтобы потенциал 37 на его вызоде изменялся при напряжении на входе (выходном напряжения фазового детектора 10), соответствующем фазовому слвигу вынужденных колебаний контролируемого изделия 17

Л-

if, -- (фиг.З, поз о 38). Уровни

срабатывания двухпорсгового компаратора 11 устанавливаются такими, чтобы на его выходе появлялся положительный потенциал 39 прн выполнении условия f2 & У Ј У 5 .

Пороговые уровни Jf и /Г 5 выбираются из условия из нахождения на участке Аазочастотной характеристики, близком к прямолинейному, а время работы ГЛИН 12 - максимально возможным- Например, для изделий из алюминиевого сплава пороги были определе50 ны экспериментально и составили Уг Л 70° к Г to 105е.

При приближении частоты вынужденных колебаний передающего преобразователя 3 к резонансной частоте тролируемого изделия 17 амплитуда механических колебаний последнего возрастает, а фазовый сдвиг между колебаниями передающего преобразователя 3 и изделия 17 увеличивается

35

40

45

(фиг.З, поз.38) вследствие наличия сил неупругого сопротивления В момент времени t, напряжение на выходе фазового детектора 10 достигает вели чины порогового уровня Д, при котором двухпороговый компаратор 11 переходит в единичное состояние 39„ По переднему фронту этого импульса ГЛИН 12 начинает вырабатывать линейно изменяющееся напряжение 40. При достижении резонансной частоты амплитуда колебаний изделия 17 становится максимальной, а фазовый сдвиг между вынужденными колебаниями передающего преобр-азователя 3 и вынужденными колебаниями изделия 17

новится равным 1 r- ° На выходе

фазового детектора 10 появляется соответствующее напряжение, при этом

срабатывает второй компаратор 15„ На его выходе появляется положительный потенциал 41, по переднему фронту которого срабатывает одновибратор 29. Импульс с последнего переводит схему 30 выборки и хранения в режим выборки напряжения 3if поступающего с ГМН 16, При дальнейшем изменении частоты вынужденных колебаний амплитуда колебаний изделия 17 начинает уменьшаться, напряжение 35 на выходе ФНЧ 7 соответственно уменьшается, а напряжение 36 на выходе пикового детектора 8 остается постоянный. На входе первого компаратора 9 появляется разность потенциалов, по которой он переключается в единичное состояние 37о

По переднему фронту сигнала с вы- хода первого компаратора 9 срабатывается первый одновибратор 19, кото- рвый переводит схему 20 выборки и хранения в режим выборки. Таким образом, при прохождении резонансной частоты срабатывают одновибрато- ры 19 и 29, осуществляющие включение режима выборки схем 30 и 20 выборки и хранения, на выходах которых устанавливается напряжение с выхода ГМН 16. Длительность импульсов одновибраторов 19, 29 и емкость запоминающих конденсаторов схем 20, 26, 28 и 30 выборки и хранения выбраны из условия обеспечения 2 - 2,5% точности запоминания напряжения с выходов ФНЧ 7, ГМН 16 и ГЛИН 12 на период изменения напряжения на выходе ГМН 16, равного 100 мс„

Вследствие погрешностей преобразования выходные напряжения фазового детектора 10 и пикового детектора 8 несколько. отличаются от заданного, а компараторы 9, 15 имеют некоторый диапазон срабатывания При этом возможно появление импульсов на выходах компараторов 9 и 15, а следовательно, и срабатывание одновибрато- ров 19 и 29 в различные моменты времени, что может привести к снижению точности определения резонансной частоты. Для уртранения этого

5 недостатка схемы 30 и 20 выборки и хранения включаются последовательно. При этом компаратор 9 настраивают так, чтобы он переключался в единичное состояние при некоторой заданд ной разности потенциалов на его входе (например, путем смещения нуля операционного усилителя), а момент срабатывания одновибратора 19 наступал не рзнее момента срабатывания

5 одновибратора 29 Поскольку фазочас- тотная характеристика в зоне резонансной кривой изменяется более круто по сравнению с амплитудно-частотной характеристикой, а диапазон изме0 нения напряжения срабатывания компараторов 9 и 15 одинаков, то выборка напряжения с выхода ГМН 16 по моменту срабатывания компаратора 15 позволяет точнее определить резонансную

5 частоту, что в ряде случаев необходимо для определения дефектов малых размеров, когда изменения амплитуды колебаний на дефектном участке изделия становится сравнимым с изменением

0 амлитуды вследствие допустимого изменения толщины, плотности, радиуса кривизны и др,

Импульс с выхода одновибратора 19 устанавливает RS-триггер 25 в еди5 ничное состояние, которое переводит вторую схему 26 выборки и хранения в режим выборки напряжения с выхода ГЛИН 12, а также переводит третью схему 28 выборки и хранения в режим

о выборки напряжения с выхода ФНЧ 7.

Информация об амплитуде колебаний на резонансной частоте необходима для приблизительной оценки глубины залегания дефектов Поэтому снижение

5 точности, вызванное задержкой срабатывания компаратора 9, в данном случае не имеет существенного значения, т.к. выходное напряжение ФНЧ 7 составляет единицы вольт, а его снижение за счет задержки срабатывания одновибратора 19 составляет несколько десятков милливольт,

По заднему фронту импульсов с од- новибраторов 19 и 29 схемы 30, 20, 2 и 28 переключаются в режим хранения

Таким образом, при прохождении резонансной частоты в схеме 20 выборки и хранения устанавливается информация о резонансной частоте, а в схеме 28 - информация об амплитуде колебаний на резонансной частоте.

При дальнейшем изменении частоты вынужденных колебаний в момент времени t, фазовый сдвиг достигает заданной величины J1, а напряжение на выходе фазового детектора 10 - соответствующего значения о При этом двух- пороговый компаратор 11 переходит в нулевое состояние, и по, заднему фронту данного импульса срабатывает одновибратор 24, который переводит RS-триггер 25 в нулевое состояние. Схема 26 выборки и хранения переводится в режим хранения, и напряжение на ее выходе становится равным напряжению на выходе ГЛИН 12 в момент срабатывания одновибратора 24. Напряжение на выходе ГЛИН 12 - линеРг но-изменяющееся во времени и по его величине можно судить о коэффициенте

затухания изделия 17 на резонансной частоте.

При последующем изменении частоты вынужденных колебаний возможно появление других резонансных пиков„ В этом случае, когда амплитуда нового резонансного пика больше амплитуды ранее определенного, повторяется работа двухпорогового компаратора 11 первого компаратора 9 и второго компаратора 15, а также работа упомянутых элементов запоминающего блока 13 поскольку на входе первого компаратора 9 вновь появится разность потенциалов, и в схемы 20, 26, 28 и 30 выборки и хранения запишется соответствующая информация.о параметра нового резонансного пика,, Б том случае, когда амплитуда следующего резонансного пика меньше амплитуды предыдущего, срабатывание первого компаратора 9 не происходит, т„к. напряжение на выходе ФНЧ 7 остается меньше напряжения на выходе пикового детектора 8. В этом случае не происходит срабатывание и одновибратора 19, RS-триггер 25 остается в нулевом

5

0

5

0

5

0

5

0

5

состоянии, и напряжение на выходах схем 20, 26, 28 выборки и хранения не изменяется, т.еа продолжает храниться информация о резонансном пике с максимальной амплитудой„ При появлении отрицательного перепада напряжения на выходе ГМН 16 в конце периода срабатывает коммутатор 27, и информация с выходов схем 20, 26 и 28 выборки и хранения последнего преобразуется АЦП 21 в цифровой код и записывается в ОЗУ 22. Схема 23 вывода, управляемая кнопками (на схеме не показаны), позволяет осуществлять последовательный вывод цифровых сигналов на индикатор 14„ Поскольку ГЛИН 12 и ГМН 16 вырабатывают линейно изменяющиеся напряжения 31 и 40, то по величине напряжения ГМН 16 можно судить о значении частоты, а по величине выходного напряжения ГЛИН 12 в момент t, его выборки схемой 26 выборки и хранения можно судить о наклоне фазочастотной характеристики контролируемого изделия в зоне резонансной частоты, т.е.о жесткости контролируемого изделия 17. Сравнивая показания индикатора 14 с соответствующими показаниями для эталонного изделия, судят о дефектности контролируемого изделия 17. В реальном случае резонансная частота контролируемого изделия 17 может несколько отличаться от резонансной частоты эталонного изделия вследствие разности из физико-механических характеристик. Дефект малого размера может вызвать изменение резонансной частоты контролируемого изделия 17 на такую же величину, однако дефект вызывает снижение жесткости контролируемого изделия 17, при этом уменьшается длительность импульса на выходе двухпорогового компаратора 11 и, соответственно, напряжение на выходе ГЛИН 12 в момент выборки схемой 26 выборки и хранения.

Таким образом, достигается поставленная цель повышения чувствительности контроля по сравнению с прототипом на 15-20%, что позволяет выявить дополнительно дефекты до начала эксплуатации изделия. Кроме того, закладывая в эталонное изделие дефекты различной величины и определив заранее показания индикатора 14, можно судить о размерах детекта в контролируемом изделии 17, что позволяет

повысить об7 ективность контроля с оценкой размеров дефекта. Формула изобретения

1. Устройство для контроля качества материалов и изделий, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор качающейся -частоты, усилитель мощности, передающий преобразователь, приемный преобразователь, усилитель, амплитудный детектор, фильтр низких частот, пиковый детектор и первый компаратор, второй вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, оно снабжено последовательно соединенными фазовым детектором, двухпоро- говым компаратором, генератором линейно изменяющегося напряжения, запоминающим блоком и индикатором, вторым компаратором и генератором модулирующего напряжения, выход которого подключен к входу генератора качающейся частоты и второму входу запоминающего блока, первый вход фазового детектора подключен к выходу усилителя, второй вход - к выходу генератора качающейся частоты, выход к входу второго компаратора, а с третьего по шестой входы запоминающего блока подключены к выходам фильтра низких частот, первого, второго и двухпорогового компараторов соответственно.

2. Устройство поп01, отличающееся тем, что запоминающий блок выполнен из последовательно соединенных первого одновибратора

Г

-первой схемы выборки и хранения, ана5 лого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства и схемы вывода, последовательно соединенных второго одновибратора, RS- триггера и второй схемы выборки и

10 хранения, коммутатора, третьей схемы выборки и хранения и последовательно соединенных третьего одновибратора и четвертой схемы выборки и хранения, второй вход которой подключен к вхо15 ду. коммутатора и является вторым входом запоминающего блока, а выход подключен к второму входе первой схемы выборки и хранения, первый вход третьей схемы выборки и хранения яв20 ляется третьим входом запоминающего блока, второй вход подключен к S- входу RS-триггера и к входу первого одновибратора, выход - к второму входу аналого-цифрового преобразователя,

25 второй вход второй схемы выборки и хранения является первым входом запоминающего блока, д выход подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, выход коммутатора 30 подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя и второму входу оперативного запоминающего устройства, входы первого, второго и третьего одновибраторов являются

35 четвертым, шестым и пятым входами запоминающего блока соответственно, а выход схемы пывода является выходом запоминающего блока.

Щиг.1

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, в частности к контролю качества изделий резонансным методом, и может быть использовано в машиностроении и других областях промыленности для диагностики качества полимерных материалов и многослойных конструкций. Целью изобретения является повышение чувствительности контроля за счет учета изменения крутизны фазовой ха- рактистики в зоне резонансной частоты при наличии дефекта. Последний вызывает в контролируемом изделии нарушение жестких связей ч вследствие этого изменение основной резонансной частоты и коэффициента затухания упругих колебаний, т.е„ изменение фазо- частотной характеристики контролируемого изделия. Включение дополнительных блоков позволяет фиксировать указанные параметры по величине выходных напряжений генератора модулирующего напряжения и генератора линейно изменяющегося напряжения, 1 з.п о ф-лы, 4 ил. i Л С

Шаг. I

U

31

U

32

33

J4

U

35

ТГУтГПЛПп

Фиг.4

Составитель В.Белозеров

Редактор М.Циткина Техред М.Дидык

Заказ 1144Тираж 402Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., д. 4/5

ЩигЗ

Корректор С.Черни