Способ дефектоскопии и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и криоэлектронике и может быть использовано для контроля различных установок и изделий, в частности, криогенных и сверхпроводящих устройств, а также в пьезоакустических фильтрах различных электронных устройств, например, устройствах связи, в системах диагностики АИ и АЭ и т.д.

Целью изобретения является повышение чувствительности способа контроля.

Дополнительной целью изобретения является возможность визуального осмотра поверхности контролируемого изделия при повышении чувствительности устройства контроля.

Известен способ контроля с одновременным использованием светового и ультразвукового лучей. Световой луч служит для определения качества контакта при контроле деталей ультразвуковым контактным способом. При отсутствии или нарушении прилегания прозрачного соединителя к объекту контроля луч света не попадает на светочувствительный приемник, и система контроля включает сигнализацию отсутствия ультразвукового контакта с объектом контроля. Световое излучение не используют для контроля объекта, что язляется недостатком способа.

В качестве прототипа используют способ контроля с применением по меньшей мере двух лучей различного вида или частоты, одновременно или последовательно фокусируются на объекте и для сканирования перемещаются только источники излучения

00

со

Јь

СО

одного вида излучения. Световой луч может контролировать объект как с противоположной, относительно акустического луча, так и с одной и той же стороны объекта, а так же во взаимно перпендикулярных направлени- ях.

Способ не позволяет контролировать большие объекты типа труб нефтяного сортамента, вследствие малой чувствительности способа, пригодной только для небольших объектов,

Наиболее распространенные пьезоэлектрические преобразователи имеют существенныенедостаткиприпреобразовании колебаний в электриче- ские сигналы, компенсировать которые можно при использовании оптических методов и средств измерения A3. однако при малых перемещениях A3 (10 -10 м) эти перемещения много меньше длин световых волн и чувствительностью традиционной интерферометрии не обеспечивают информативность и надежность контроля.

Поставленную цель можно достичь за счет повышения чувствительности способа контроля и применением пассивных и активных интерферометров и когерентного лазерного излучения, путем повышения чувствительности датчиков.

Сущность изобретения заключается в следующем. Полупроводник помещенный в электрической поле меняет знак поглощения ультразвука на отрицательный. Тоже самое происходит с полупроводником при его охлаждении до криогенных температур, со- провождающих возникновение сверхпроводимости.

Аналогичное явление происходит с металлами, т.е. с проводниками электричества.

При таких условиях поглощение звука переходит в его усиление.

Взаимодействие ультразвука с носителями тока приводит к появлению отрицательного поглощения звука, т.е. к усилению ультразвука, согласно законам нелинейной физики.

Для обеспечения усиления звука в акустическом тракте создают активный слой перед пьезоэлектрическим преобразовате- лем на вышеуказанных принципах.

Взаимодействие ультразвукового и электрического полей, приводит к усилению звука в активном слое.

При введении дополнительного протек- тора, имеющего криогенную температуру, достигается криостатирование активного слоя, т.е. управление его температурой для обеспечения сверхпроводимости (необходимой для предварительного усиления звука в активном слое) за счет стабилизации температуры сверхпроводимости.

Осуществление акустического контакта пьезопреобразователя с объектом контроля и сохранения дополнительного протектора осуществляют с помощью криожидкостей.

Кроме того, охлаждающая протектор контактная жидкость играет роль жидкой линзы не только для ультразвука, но и для световой энергии (подаваемой через эту же линзу на контролируемый объект по световодам).

При этом прослойка контактной жидкости выполняет роль коллектива линз и играет роль многолинзового объектива для ультразвукового контроля и для светового и лазерного пучков, совместно с твердым кри- опродуктом дополнительного протектора.

Чтобы избежать белого фона засветки от дневного света и их помех при пользовании световодами для осмотра объекта, торцовые поверхности световодов покрывают слоем пленки окситетратитана (или окситет- расилана) равной 1/4 длины волны всего диапазона видимого спектра в сумме.

Если менять полярность и величину электрического поля в активном слое, то получают возможность управлять его интенсивность, а также использовать активный слой в качестве затвора для акустических лучей и даже в качестве акустического модулятора (наподобии ячейки Корра для оптических лучей), задерживая импульс звука при закрыт, накладывая на него следующий проходящий акустический импульс и открывая активный слой после наложения и модуляции импульсов.

Применяемые в способе контроля световоды используют для двойного применения: во-первых, для визуального осмотра, а во-вторых, для лазерного возбуждения акустических волн.

Повышение чувствительности способа и усиление сигнала в акустическом тракте позволяет избавиться от шумов и помех электронной аппаратуры при усилении сигнала в электронном тракте.

Усиление в активном слое и стабилизация температуры Кюри позволяет компенсировать поглощение ультразвука в контролируемых объектах и позволяет изготавливать пьезокерамику для более узкого спектра температур. Такая стабилизация температуры Кюри достигается за счет по стоянства температур используемых криоп- родуктов, .-.

Фокусировка лучей, т.е. управление лучами (световыми и ультразвуковыми) достигается с помощью объектива из жидкой линзы-криожидкости и твердого криопродукта (доп.протектора). Жидкая линза дополнительно криостатируеттвердый криоп- родукт (доп.протектор) и обеспечивает акустический контакт с объектом за счет смачивания.

На фиг. 1 показано устройство датчика с пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) и световодами, .активным слоем из сверхпроводящего материала, дополнительным протектором (криопротектором) из твердого криопродукта и оптическим окном в непрозрачном активном слое (сверхпроводнике), на фиг. 2 - тоже устройство с оптическими волноводами (световодами) и ПЭП и активным слоем из прозрачного по- лупроводника в электрическом поле, охлаждаемом жидкими криопродуктами, являющимися одновременно и контактными жидкостями ультразвукового контроля; на фиг. 3 и фиг. 4 - схема объектива - опти- ческого устройства из твердых и жидких оп- тических элементов с различными показателями преломления, которые одновременно используются для оптического диапазона (ИК-излучения и видимый свет) и для ультразвука, расположенных на внутренней или наружной поверхности трубы, на фиг, 5 - схема прохождения звуковых сигналов и их усиление в активном слое в прямом и обратном направлениях.

Показанные устройства датчиков, приведенные на фиг, 1-4 состоят из призмы - 1 с пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП)-2, в котором установлены трубка подвода 3 рабочей криожидкости 4 (жидкого азота или жидкого гелия) для обеспечения акустического контакта между датчиком и контролируемым изделием 5. Кроме этого в призме 1 установлены световоды направление расположения лучей которых пересека- ются в одной точке с ультразвуковыми лучами, причем один из световодов освещающий, другой принимающий. На пути распространения световых и ультразвуковых лучей установлен активный слой из сверх- проводника 7 с оптическим прозрачным окном 8 (которое может быть выполнено в виде обычного отверстия в полупроводнике), прохождение электрического тока через который осуществляют с помощью электро- дов 9, на которые подается для этого напряжение). Для криостатирования активного слоя из сверхпроводника 7 служит дополнительный протектор 10 из твердого криопродукта (твердая углекислота или твердый азот). Если дополнительный протектор 10 из твердой углекислоты, то жидкость 4 из жидкого азота, если дополнительный протектор 10 из твердого азота, то жидкость 4 из жидкого аргона (водорода, гелия) и т.д.

Активный слой может быть выполнен и из полупроводника 11 (фиг. 2) прозрачного еще для светового излучения (германий для ИК-излучения). Торцы световодов 6 (фиг. 1 и фиг. 2) или прозрачный активный протектор 11 покрывают для защиты (от засветки) от белого фона на изображении пленкой из тетраоксититана (тетраоксисилан) толщиной 1/4 от длины волны фона засветки.

На фиг. 3 показана установка датчика с активным слоем на контролируемую трубу изнутри, а на фиг. 4 - снаружи на трубу, и где криожидкость имеет форму линз (выпуклой или вогнутой формы), которая является оптическим элементом одновременно и для оптического йЗлуч ёШй й°дл я улЕтразвуково- го. Оптическая система для световодов (видимого света или ИК-излучения) и ультразвукового контроля ,т.к. материалы с различным показателем преломления работают как оптические элементы, т.е . налицо коллектив оптических элементов или объектив, Где линза одна жидкаяТ зТсри ожидкости 4, а остальные твердые элементы с различными показателями преломления, которые воздействуют на пучки ультразвука, видимого света, инфракрасного излучения (ИК), управляя ими (последними) таким образом. Сферическую поверхность жидкой линзы образует поверхность контролируемой трубы.

На фиг. 5 показана схема усиления лучей ультразвука в процессе дефектоскопии, где лучи ультразвука излучаемого пьезопре- образователем 2 в прямом направлении 14 проходят через призму 1 из фторопласта попадают в активный слой 12, усиливаются и направляются в сторону дефекта 13, часть лучей проходит мимо дефекта, часть отражается от него и проходит в обратном направлении 15, попадают в активный слой 12, усиливаются в нем й через призму 1 попадают на пьезопреобразователь 2 совмещенного типа. Далее сигнал подается традиционным путем в обычную серийную дефектоскопическую аппаратуру, например УД2-12 (ультразвуковой дефектоскоп).

Жидкий газ подается в трубку 3 из бало- на с жидким газом, например проп-бутан жидкий азот, аргон, жидкая углекислота, гелий, водород.

Твердый азот может охлаждаться жидким азотом и за счет испарения последнего сохраняется твердый азот.

Способ осуществляется в работе устройств (датчиков) следующим образом.

По трубке 3 подают криожидкость 4 до полного заполнения зазора между Датчиком и изделием 5.

В корпусе датчика установлена таблетка 10 из твердого криопродукта, которая вместе с датчиком до работы хранится в криостате.

Дополнительный протектор 10, вместе с -криожидкостью 4 охлаждает активный слой 7 или 11 (рис, 1 и фиг. 2).

Активный слой 7 или 11 момещен в электрическое поле и по нему протекает ток сверхпроводимости с помощью электро- проводов 9.

Совмещенный ПЭП в эхо-импульсном режиме работает через доп.протектор (кри- опротектор) 10 и активный слой 7 (или 11) как в режиме приема, так и в режиме излу- чения, в этом случае световоды только для визуального осмотра глазами или оптико- электронными приборами.

Вместо совмещенного ПЭП может быть использован и раздельно совмещенный преобразователь в качестве преобразователя 2, который может быть (как все серийные ПЭП) как наклонным преобразователем, так и прямым. Серийные ПЭП принимают сигнал подтем же углом, под которым излучают их в объект.

При излучении пьезопреобразователем 2 ультразвука через призму 1, активный слой 7 (или 11), дополнительный протектор 10, жидкую линзу криожидкости 4 в контро- лируемом изделии, ультразвук усиливается в активном слое 7 (или 11). Прием ультразвука осуществляется в обратном порядке.

Усиления ультразвука осуществляется в прямом, так и в обратном направлении (см. фиг. 5) через активный слой.

Одновременно с ультразвуковой дефектоскопией производят осмотр поверхности контролируемого изделия 5 через световоды б, одним из которых является освещаю- щий, а другой принимающий.

Если активный слой прозрачен для излучения световодов 6, как германий в протекторе 11, то свет пропускают прямо через него(ИК-излучения), если активный слой не- прозрачен для светового излучения, как сверхпроводник 7, то в нем делают прозрачные окна 8, (или отверстия) для осмотра поверхности изделия 5. При таком комбинированном контроле труб, криожидкость 4 осуществляет роль жидкой линзы, т.е. фокусирующего элемента сложного объектива, состоящего из множества линз, элементов и материалов с различными показателями преломления (см. фиг. 3 и фиг. 4).

Усиление звука происходит в активном слое 12 к дефекту 13 как в пярмом 14, так и в обратном 15 направлениях, относительно преобразователя 2 (см. фиг. 5). Это усиление базируется на физическом эффекте отрицательного поглощения ультразвука проходящего через полупроводник или сверхпроводник, помещенные в электрическое поле, т.е. происходит усиление звука, И хоты часть энергии ультразвука проходит мимо дефекта и только незначительная часть попадает на дефект, но за счет этого усиления (отрицательного поглощения) эта энергия все же достигает пьезопреобразователя предварительно усиленная в автивном протекторе, а, за счет охлаждения зоны изделия с помощью криожидкости, обеспечивающий акустический контакт, снижаются затухания и в самом объекте контроля.

Практическая дефектоскопия осуществляется без изменения существующих методик обнаружения дефектов, например, ЭХО-импульсным методом на дефектоскопе УД 2-12 с помощью строб-импульса, на котором фиксируют сначала зондирующий и донный импульс, а затем производят необходимые измерения.

На активный слой из германия подают напряжение 10В и охлаждают контактной жидкостью, например, смесью жидкого водорода или гелия (5-15)К°. На активный слой из сверхпроводника (сплава, например, ниобий-цирконий, ниобий-титан, ниобий-олово) подают напряжение 10В и охлаждают тем же составом жидкого водорода-гелия.

Акустическая энергия, усиленная в активном слое и преобразованная ПЭП в электрические импульсы (после обработки в УД2-12) выводятся на экран ЭЛТ.

С помощью оптических волноводов производят внешний осмотр объекта контроля или мощными лазерными импуяьсами создают акустические колебания в объекте, которые затем воспринимает ПЭП.

Чувствительность данного способа зависит от поглощения звука и чувствительности акустических датчиков. В обоих случаях эти факторы учитываются с положительным эффектом. Поглощение - вследствие охлаждения криогенной контактной жидкостью снижается, а чувствительность датчиков - вследствие работы активного слоя возрастает.

Фиксация результатов оптического контроля осуществляется с помощью кино-фото-видео аппаратуры и др. приборами, а так же датчиками видеоизображения. Способ и датчики применим и для систем диагностики, например с помощью АЭ и АИ.

Формула изобретения

1. Способ дефектоскопии, заключающийся в том,что в контролируемый объект одновременно или последовательно через твердый промежуточный слой и контактную жидкость вводят оптическое и акустическое

излучения, принимают, отраженные от поверхностных дефектов оптические сигналы и от внутренних дефектов акустические сигналы, измеряют их параметры и по ним судят о качестве объекта, отличающий- с я тем, что, с целью повышения чувствительности, между промежуточным слоем и контактной жидкостью располагают дополнительный активный слой.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что дополнительный активный слой выполнен из проводника или полупроводника и на него воздействуют электрическим полем заданной величины.

3.Способ по п. 1,отличающийся тем, что дополнительный слой выполняют из проводника или полупроводника и охлаждают до температуры, обеспечивающей его сверхпроводимость.

4.Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве контактной жидкости

использован криопродукт в жидкой фазе.

5.Устройство для дефектоскопии, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, призму, световод, протектор, отличающееся тем, что, с целью визуального

осмотра поверхности контролируемого изделия и повышения чувствительности, оно снабжено дополнительным световодом и установленным между призмой и протектором активным слоем, линзой из криопродукта в жидкой фазе, расположенной между протектором и поверхностью исследуемого объекта в специальной оболочке, протектор выполнен из криопродукта в твердой фазе.

Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и криоэлектронике и может быть использовано для контроля различных заготовок и изделий, в частности криогенных и сверхпроводящих устройств. а также в системах диагностики АЭ и АИ. Цель изобретения повышение чувствительности способа контроля и возможность ви- зуального осмотра поверхности контролируемого изделия достигается за счет расположения между промежуточным слоем и контактной жидкостью дополнительного активного слоя, выполненного из проводиника или полупроводника в электрическом поле при температурах сверхпроводимости и устройства, содержащего пьезоэлектрический преобразователь, призму, световод, протектор с возможностью осмотра поверхности контролируемого объекта одновременно с ультразвуковой дефектоскопией с помощью линзы из кри- опродукта, между которой и протектором расположен активный слой, усиливающий акустический сигнал как в прямом, так и обратном направлениях. 5 ил. 1Л С

/б

Фиг. 2..

Раг.З.

ФигА

/3

/5

/

.5;