Ультразвуковое устройство для контроля физико-механических свойств изделий

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Баев Алексей Романович Майоров Александр Леонидович Асадчая Мария Вадимовна Коновалов Георгий Евменьевич Парадинец Валерий Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Ультразвуковое устройство для контроля физико-механических свойств изделий,выполненное в едином корпусе и содержащее электронный блок, подключенный к излучающему ультразвуковые волны (УВ) пьезоэлектрическому преобразователю (ПЭП) и приемному ПЭП с сухим точечным контактом, размещенным на основании корпуса, отличающееся тем, что дополнительно на основании корпуса установлен второй приемный ПЭП с сухим точечным контактом, а излучающий ПЭП выполнен с переменным углом падения волны, на продолжении основания корпуса установлена направляющая втулка с резьбовым отверстием и регулировочным винтом, ось которого расположена в плоскости,проходящей посередине между приемными ПЭП и перпендикулярно плоскости падения излучающего УВ ПЭП. 2. Ультразвуковое устройство по п. 1, отличающееся тем, что соосно с регулировочным винтом и волноводами приемных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с сухим точечным контактом на подвижных втулках установлены кольцевые магниты,выполненные с возможностью соосного перемещения за счет резьбового соединения между внутренними поверхностями подвижных втулок и сопрягаемыми внешними поверхностями корпусов точечных ПЭП и направляющей втулки.(56) 1. Снежков Д.Ю., Леонович С.И. Неразрушающий контроль бетона в монолитном строительстве совершенствование средств и методов. - Минск БНТУ, 2006. - С. 58-59,рис. 2.9-2.11 2. Снежков Д.Ю., Леонович С.И. Неразрушающий контроль бетона в монолитном строительстве совершенствование средств и методов. - Минск БНТУ, 2006. - С. 61,рис. 212. 3. Снежков Д.Ю., Леонович С.И. Неразрушающий контроль бетона в монолитном строительстве совершенствование средств и методов. - Минск БНТУ, 2006. - С. 61,рис. 213. Полезная модель относится к области неразрушающего ультразвукового контроля материалов и изделий и может быть использована для определения физико-механических свойств бетона и других твердых тел. Для контроля физико-механических свойств изделий, выполненных из бетона, чугуна и других, по данным скорости ультразвуковых волн (УВ) используются ультразвуковые устройства, содержащие электронный блок, соединенный с двумя прямыми пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) электрическими кабелями, где один из ПЭП является излучателем, а второй - приемником колебаний 1. Недостатком этих устройств является то, что для реализации измерений используется теневой или эхо-сквозной метод прозвучивания изделия, а для этого требуется двухсторонний доступ к объекту, что существенно ограничивает возможности произведения измерений в различных местах изделия и номенклатуру изделий. Известно устройство 2, предназначенное для контроля физико-механических свойств изделий при одностороннем доступе и содержащее отдельно электронный блок, соединенный электрическими кабелями с двумя ультразвуковыми ПЭП, выполненными с концентрирующими УВ волноводами и сухим точечным контактом. Недостатками такого устройства являются невысокие надежность и точность измерений, обусловленные изменяющимся акустическим импедансом при постановке ПЭП на объекты с разной шероховатостью и удельным акустическим сопротивлением (например, бетон, чугун), что вызывает погрешность временных (фазовых) измерений как при излучении, так и при приеме УВ ограниченность использования из-за того, что работа устройства осуществляется на одной моде (рэлеевской или подповерхностной - продольной или поперечной) выполнение акустического и электронного блока в раздельном варианте усложняет проведение контроля. Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является устройство 3, предназначенное для контроля физико-механических свойств изделий,выполненное в едином корпусе и содержащее электронный блок и два пьезоэлектрических преобразователя (ПЭП) с сухим точечным контактом, установленных на основании корпуса устройства и обращенных наружу концентрирующими звук волноводами. Недостатками такого устройства являются невысокие надежность и точность измерений, обусловленные изменяющимся акустическим импедансом при постановке ПЭП на объекты с разной шероховатостью и удельным акустическим сопротивлением, что вызывает погрешность временных (фазовых) измерений как при излучении, так и при приеме УВ ограниченность использования вследствие того, что ПЭП устройства работают на одной моде, а верхний частотный диапазон не превосходит 150-200 кГц, что обусловлено особенностями преобразования УВ при их излучении и приеме. Техническая задача заключается в расширении технических возможностей и повышении точности контроля поверхностных свойств твердых тел. 2 61602010.04.30 Сущность настоящей полезной модели заключается в том, что ультразвуковое устройство для контроля физико-механических свойств изделий выполнено в едином корпусе и содержит электронный блок, два принимающих УВ пьезоэлектрических преобразователя с сухим точечным контактом, установленных на основании корпуса и обращенных наружу концентрирующими звук волноводами, а также излучающий наклонный ПЭП с переменным углом падения УВ, так что точки выхода акустического луча всех ПЭП расположены в плоскости падения УВ наклонного ПЭП. Для фиксации положения ПЭП с электронным блоком на изделии на продолжении основания корпуса установлена направляющая втулка с резьбой и регулировочным винтом, ось которого расположена в плоскости, проходящей посередине между точечными ПЭП и перпендикулярно плоскости падения УВ наклонного ПЭП. В случае контроля ферромагнитных изделий для регулирования качества сухого акустического контакта и равномерного прижима рабочих поверхностей ПЭП к поверхности изделия, а также пространственного удержания устройства соосно с волноводами приемных ПЭП и регулировочным винтом установлены кольцевые магниты на подвижных втулках, выполненных с возможностью соосного перемещения за счет резьбового соединения между внутренними поверхностями подвижных втулок и сопрягаемыми внешними поверхностями корпусов точечных ПЭП и направляющей втулки. Наличие в устройстве наклонного ПЭП в качестве излучателя УВ и точечных ПЭП с сухим контактом в качестве приемников УВ позволяет реализовать режим измерений временного интервала и скорости распространения исследуемой моды по методу двух акустических баз, что позволяет исключить или существенно нивелировать погрешность,обусловленную деформацией формы импульса и его фазового (временного) сдвига, вызванного неоднородной структурой материала и состоянием контактной поверхности, оказывающих влияние на переходные процессы в зоне создаваемого сухого точечного акустического контакта производить высокоточностные и надежные измерения на объектах с различными акустическими свойствами и на рабочих частотах от 50 кГц до мегагерцовых частот. На фиг. 1 приведено ультразвуковое устройство для контроля физико-механических свойств изделий без сервисных элементов, обеспечивающих надежность контакта и удержание устройства на объекте. На фиг. 2 приведена часть устройства, выполняющая его сервисную функцию, а именно а) оптимальную ориентацию приемных и излучающего ПЭП на объекте б) равномерный прижим рабочих поверхностей ПЭП и удержание устройства на изделии. Устройство (фиг. 1) выполнено в едином корпусе 1, в котором расположен электронный блок 2, соединенный с тремя ПЭП 3, 4, 5, установленными на основании корпуса 6, из которых 3 является излучающим ПЭП, а ПЭП 4 и 5 - приемные с сухим точечным контактом и концентрирующими звук волноводами 7, направленными наружу основания корпуса 1. ПЭП 3 выполнен с переменным углом падения УВ, излучаемых в изделие 8 по направлению приемных ПЭП с сухим точечным контактом 4, 5, расположенных друг за другом, так что точки выхода акустического луча всех ПЭП расположены в плоскости падения излучающего ПЭП 3. Для ориентации ПЭП 3-5 относительно контактной поверхности (перпендикулярно плоскости падения и касательной плоскости - в области создания акустического контакта) на продолжении основания 9 корпуса 1 установлена направляющая втулка 10 с резьбой и регулировочным винтом 11, ось которого расположена в плоскости, проходящей посередине между точечными ПЭП 4, 5 и перпендикулярно плоскости падения УВ ПЭП 3. Для регулировки качества акустического контакта и удержания устройства у ферромагнитного изделия 6 за счет прижима ПЭП 4 и 5 к изделию 6 соосно с волноводами 8 приемных ПЭП 4, 5 и регулировочным винтом 11 установлены кольцевые магниты 12, выполненные с возможностью осевого перемещения и укрепленные на подвижных втулках 13. Осевое перемещение магнитов 12 достигается за счет наличия резь 3 61602010.04.30 бового соединения между внутренней поверхностью подвижных втулок 13 и сопрягаемыми поверхностями корпусов ПЭП 4, 5 и направляющей втулки 10. Устройство работает следующим образом. Устройство, выполненное в едином корпусе 1 и содержащее электронный блок 2, соединенный с двумя принимающими УВ преобразователями с сухим точечным контактом ПЭП 4, 5 и излучающим УВ наклонным ПЭП 3, устанавливается на контролируемое изделие 6. Производится ориентация ПЭП относительно контактной поверхности изделия 6 и дозированный прижим ПЭП с использованием а) регулировочного винта 11, положение выступающей части которого зависит от кривизны поверхности контролируемого изделия б) кольцевых магнитов 12, обеспечивающих заданные пондеромоторные силы и прижим устройства путем изменения их соосного перемещения, что достигается круговым вращением (навинчиванием) подвижных втулок на сопрягаемые резьбовые поверхности ПЭП 4, 5 и на направляющую втулку 10. При этом, когда генератор и приемник электронного блока устройства 2 подключены к излучающему ПЭП 3 и приемным ПЭП 4 и 5, то осуществляют настройку устройства,включая установку оптимального угла падения УВ таким образом, чтобы амплитуда сигнала на приемных ПЭП 4 и 5 была максимальной, а форма сигнала - идентичной. В случае, когда проводится одновременно контроль изделий с различными скоростями мод УВ,либо в процессе контроля для измерений используются разные моды, осуществляется коррекция, изменение угла падения волны ПЭП 3 на изделие 6. Т.о., именно за счет того,что ПЭП 3 выполнен с возможностью изменения угла падения волны и дополнительно использованы регулировочный винт 11 и кольцевые магниты с регулируемой высотой расположенияотносительно ферромагнитного изделия 6 создаются оптимальные условия возбуждения-приема УВ и обеспечивается более высокая точность измерений временного интервала между ПЭП 4 и 5. Это позволяет, например, определять скорость распространения волн - рэлеевской или подповерхностной (продольной, поперечной), коррелирующих с физико-механическими свойствами изделия. Скорость УВ в изделии 6 определяют из формулы С/32, где- акустическая база между ПЭП 4 и 5, а 32 - время распространения УВ между ними. При изменении геометрии контролируемого изделия опять производится регулировка положения устройства регулировочным винтом 11 и, если необходимо, регулировка прижима ПЭП 4, 5 и регулировочного винта 11 с помощью изменения расстояния магнитов 12 относительно изделия 6. Установка на продолжении основания корпуса 9 регулировочного винта 11 в резьбовом соединении направляющей втулки 10 позволяет поддерживать рабочее положение волноводов 8 ПЭП с сухим точечным контактом 4, 5 нормально касательной плоскости,т.е. плоскости, проведенной перпендикулярно плоскости падения УВ через точки выхода акустического луча ПЭП 3-5, что существенно повышает надежность и точность измерений на цилиндрических изделиях разной кривизны. Использование ПЭП 3 с переменным углом падения УВ на изделие 6 в качестве излучателя волн позволяет осуществлять настройку на максимум излучаемой волны в изделии, а также возбуждать в изделии различные моды - рэлеевскую и поверхностные - продольную и поперечную (в устройствепрототипе только одну моду), а также практически на порядок расширить диапазон используемых частот для контроля ферромагнитных изделий. Это позволяет расширить технические возможности и повысить точность контроля поверхностных свойств ферромагнитных изделий по данным скорости или времени распространения УВ. Были проведены сравнительные испытания заявляемой полезной модели с устройством-прототипом в диапазоне рабочих частот 50-800 кГц. В качестве источника УВ служили изготовленные призматические ПЭП с переменным углом падения волны, где в качестве материала призмы использовали полимерные материалы с упрочненной контактной поверхностью, а также магнитная жидкость со скоростью УВ 1010 м/с в защитной полимерной контактной пленке. Образцы для испытаний были выполнены из бетона и чугуна СЧ 20 с высоким затуханием УВ. 4 61602010.04.30 Результаты сравнительных испытаний убедительно свидетельствуют о преимуществе заявленной полезной модели перед известным устройством-прототипом, что представлено в таблице. Таблица данных сравнительных испытаний Сравнительные признаки Управление направленностью Настройка амплитуды возбуждаемой моды Настройка моды волны - поверхностной, и подповерхностных мод - сдвиговой и продольной Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5