ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к лазерным техническим средствам измерений и может быть использована для измерения параметров при неразрушающем контроле, основанном на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в контролируемом объекте или его части и анализе параметров этих колебаний, и может быть использована в различных отраслях промышленности и испытательной технике.
Метод свободных колебаний относится к индикаторным (не измерительным) методам неразрушающего контроля. Он не позволяет определять глубину и ширину поверхностных дефектов, размеры подповерхностных дефектов и глубину их залегания, но позволяет оценивать критичность несплошности по величине акустической активности.
Преимуществами метода свободных колебаний перед другими низкочастотными методами являются возможность контроля изделий из материалов с малыми модулями Юнга и высокими коэффициентами затухания упругих колебаний (резины, пенопласта и т.п.) и обнаружение дефектов на большей глубине (до 30 мм в пластиках). Основными способами ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемом изделии являются: механический (элек-тро-механический), пьезоэлектрический, электромагнитно-акустический. Прием сигнала производится либо микрофоном, либо пьезоприемником.
Известен способ и устройство съема полезной информации при использовании ударно-акустического метода (Патент РФ №2168722 опубл. 10.06.2001 г.).
Предлагаемый способ заключается в том, что полезная информация об упругих свойствах изделия в зоне удара снимается с той точки поверхности изделия, по которой наносится удар, и именно в тот момент, когда он наносится, а носителем этой информации является сам ударник, совершающий свободное колебательное движение (свободное падение - удар - отскок) со строго дозированной импульсной подпиткой энергии в момент отскока. Звук от удара улавливается микрофоном, преобразующим его в электрический импульс. Усилитель-формирователь синхроимпульса усиливает этот импульс и по его переднему фронту формирует очень короткий синхронизирующий импульс, поступающий на входы формирователя импульса тока электромагнита и измерителя периода ударных импульсов. Формирователь импульса тока электромагнита при поступлении на его вход синхроимпульса формирует импульс тока электромагнита заданной амплитуды и регулируемой длительности, который поступает на катушку электромагнита. При установившемся режиме колебаний ударника их период перестанет увеличиваться и при ударе по одной и той же точке изделия и постоянстве электромагнитного импульса установятся определенные амплитуда и частота колебательных движений ударника, которые далее будут зависеть только от упругих свойств поверхности контролируемого изделия в точке удара. По изменениям периода колебаний ударника при сканировании поверхности изделия можно судить об изменении упругих свойств, вызываемых наличием в зоне удара внутренних дефектов (пустот, расслоений, некачественных клеевых, сварных или паяных соединений между слоями и т.п.).
Известно устройство, содержащее источник прикладываемого к исследуемому объекту ударного воздействия, выполненный в виде молотка со встроенным зонным экраном Френеля, акселерометр, связанный с исследуемым объектом и предназначенный для преобразования возникающих в материале акустических сигналов в электрические колебания, и персональный компьютер, связанный с акселерометром микрофонным входом. Последний выполнен с возможностью отображения на экране полученных электрических колебаний в реальном масштабе времени и определения на фоне экспоненциального затухания местонахождения максимального дефекта по длине исследуемого объекта. (Патент РФ №56620 опубл. 10.09.2006 г.).
Предложенное диагностирующее устройство, по мнению авторов, характеризуется повышенной точностью, но, несмотря на усложнение устройства, датчиком-приемником акустических колебаний как и в предыдущем является микрофон с присущими ему недостатками.
В настоящее время актуальной проблемой является создание компактных лазерных систем, использующих оптоакустический эффект для экспересс анализа физических параметров исследуемого объекта.
Совершенствование экспериментальной техники отражается и на методах регистрации широкополосного акустического сигнала в исследуемой среде. Кроме контактных методов регистрации с помощью пьезоэлектрических преобразователей, микрофонов активно используются оптические методы детектирования объемных и поверхностных акустических волн - лазеры.
Известен лазерный датчик, который содержит источник когерентного электромагнитного излучения (лазер), полупрозрачные зеркала, разделяющие падающие электромагнитные потоки на два пучка примерно одинаковой интенсивности, линзу, фокусирующую прошедший пучок излучения на объект, уголковый отражатель с регулируемым перемещением вдоль каналов интерференции, направляющий опорный пучок на призму, находящуюся на юстируемом расстоянии от уголкового отражателя, неподвижное зеркало, фотоприемники, блок электронной обработки сигнала. (Патент РФ №2036415 опубл. 27.05.1995 г.).
Регистрация ультразвуковых колебаний происходит следующим образом.
Непрерывный поток когерентного электромагнитного излучения от лазера частично проходит через полупрозрачное зеркало, а частично отражается в опорное плечо интерферометра перпендикулярно падающему лучу. Прошедший пучок электромагнитных волн попадает на линзу, в фокусе которой находится поверхность диагностируемого объекта, так что отраженное от нее излучение, проходя в обратном направлении на линзу, образует луч, параллельный падающему лучу.
Отражаясь от полупрозрачных зеркал, этот луч образует два измерительных пучка электромагнитного излучения, каждый из которых используется для создания интерференционной картины в одном из двух каналов интерферометра. Неподвижное зеркало введено в один из каналов интерферометра для того, чтобы избежать искажающего перемещения лучей в разных каналах. Излучение в опорном плече проходит уголковый отражатель, частично отражаясь от полупрозрачного зеркала, и образует два параллельных опорных луча, по одному в каждом канале интерферометра. При этом в каждом из каналов предусмотрена возможность изменения длины оптического пути опорного луча. в направлении образуемых параллельных опорных лучей, определяющих положение коллинеарных осей каналов интерференции, которые заканчиваются фотоприемниками. Соединяясь с измерительными пучками электромагнитного излучения, эти опорные лучи образуют в каждом из каналов бегущую волну, амплитуда которой модулируется величиной отношения смещения диагностируемой поверхности к длине волны излучения. Выходы фотоприемников соединены с входом блока электронной обработки сигналов, обеспечивающего получение конечного результата измерений.
К недостаткам этого устройства следует отнести ее сложность, наличие двух каналов измерения и сложная система электронной обработки полученных сигналов.
Известна диагностическая измерительная система, содержащая оптический контур с источником излучения оптического диапазона, выполненным в виде лазера непрерывного действия, конденсором из оптических призм и электрический контур преобразования светового излучения в информативные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем и устройством регистрации, записи и воспроизведения измеряемых параметров (см. патент РФ №2141102, кл. G01D 5/353, опубл. 10.11.1999 г.).
Однако данная система достаточно сложна в конструктивном отношении, обеспечивает измерение лишь статических параметров и предназначена для детектирования механических деформаций и перепадов температур технических объектов, что ограничивает область ее применения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является диагностическая измерительная система, которая содержит оптический контур с лазерным излучателем, светоотражающую пленку, блок оптических призм с фотодетектором, обеспечивающих гетеродирование отраженного излучения, и электрический контур преобразования оптического излучения в измеренные информационные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем, устройством записи и цифровой обработкой измеренных сигналов. Светоотражающая пленка выполнена с внедренными элементами сферической формы и обеспечивает адаптивную диаграмму отражения, нанесена на вибрирующую поверхность объекта, состояние которого диагностируется, при этом лазерный излучатель, блок призм и светоотражающая пленка размещены на одной прямой линии. (Патент RU №2228518, кл. G01H 9/00, G01M 7/02 от 14.10.2002).
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.
От источника лазерного излучения квантовый поток энергии попадает через конденсор из оптических призм на датчик возмущения вибрирующей рабочей поверхности детали (исследуемого объекта), частично отражаясь от его отражательной пленки, т.е. пленка является датчиком вибрации поверхности исследуемого объекта, вновь попадает на оптическую призму и далее на первый вход фотодетектора, в силу чего этот оптический сигнал является отраженным от рабочей поверхности исследуемого объекта.
Одновременно с этим часть светового потока излучения, отражаясь от оптической призмы через гетеродин поступает на второй вход фотодетектора, в силу чего этот оптический сигнал является спорно-модулированным. Оба полученных оптических сигнала в фотодетекторе преобразуются в электрические, которые через усилитель мощности сигнала поступают далее в АЦП для соответствующей обработки и последующего отображения на мониторе персонального компьютера для отслеживания изменения статических и измерения динамических деформаций.
Таким образом, классически манипулируя входным и двумя выходными параметрами с образованием постоянного сдвига по частоте в сигнале, на основе локальных аппроксимаций с допустимой погрешностью и уровнем шума возможно получение взаимосвязи между наблюдаемыми обрабатываемыми и измеряемыми вибрационными сигналами с последующим оцениванием (измерением) путем цифровой обработки взаимоувязанных сигналов.
Недостатком известной системы является необходимость использования в ней датчика возмущения, который выполнен в виде светоотражающей пленки, нанесенной на рабочую поверхность детали, установленной с возможностью вращения. Основным недостатком является наклеиваемая отражательная пленка, которую невозможно наклеивать на исследуемые биологические объекты, тем более находящиеся не только на поверхности исследуемого материала. Возможно, с этим связано и усложнение устройства посредством использования гетеродина для создания второго опорного сигнала, с которым сравнивается измерительный сигнал.
Технической задачей предполагаемого изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу, а также расширение функциональных возможностей его применения не только для обеспечения анализа биологических объектов, но и других, независимо от состояния поверхности контролируемого объекта и способа введения в него акустических колебаний.
Технический результат достигается за счет того, что в известное измерительное устройство, содержащее корпус, оптический контур с лазерным излучателем и блоком линз, формирующим перетяжку лазерного луча, датчик вибрации поверхности исследуемого объекта, оптическую линзу соединенную с фотодетектором, соединенный с усилителем мощности, который через аналогово-цифровой преобразователь подключен к электронному блоку обработки измеренных сигналов, внесены изменения и дополнения, а именно:
- в качестве датчика свободных колебаний используется металлическая игла, контактирующая с поверхностью исследуемого объекта, размещенная в упругом элементе, которая одновременно является модулятором лазерного луча;
- введен блок смещения положения перетяжки лазерного луча, включающий рамку с отражающими зеркалами, соединенную с держателем, выполненным в виде планки;
- первое отражающее зеркало, размещено, с возможностью направления лазерного луча на второе отражающее зеркало, установленное параллельно первому, которое, в свою очередь, изменяет направление лазерного луча из вертикального в горизонтальное, соосное с торцом металлической иглы;
- дополнительно введен блок коррекции положения лазерного луча, содержащий толкатель, установленный на привод, с возможностью контакта его с планкой блока смещения положения перетяжки лазерного луча и демпфер, установленный на опорной стойке корпуса и контактирующий с планкой блока смещения, с другой стороны планки.
Кроме того, корпус лазерного датчика снабжен магнитным креплением и виброизолирующими опорами.
В качестве датчика свободных колебаний используется металлическая игла, установленная в упругом элементе, и она должна находиться в зоне перетяжки лазерного луча, т.к. в этом месте он имеет наименьший диаметр и обеспечивается оптимальная модуляция лазерного луча за счет колебаний иглы.
Использование в качестве датчика свободных колебаний металлической иглы позволяет расширить область применения датчика и повысить точность измерения, т.к. контакт с исследуемым объектом происходит в точке и не зависит от того, каким образом получены акустические колебания объекта исследования, поэтому не вносит погрешность в измеряемый сигнал и позволяет измерить все модулированные сигналы.
Блок коррекции положения лазерного луча необходим для обеспечения условия, чтобы лазерный луч касался верхнего торца датчика свободных колебаний, который должен быть установлен в зоне перетяжки лазерного луча.
Перетяжкой называется зона излучения лазерного луча, в которой площадь сечения пучка практически постоянна. Ее положение зависит от характеристик фокусирущего устройства (линз, объектива).
Перенос места перетяжки осуществляется блоком смещения и благодаря ему достигается то, что за счет изменения направления лазерного луча с помощью двух отражающих зеркал, причем первое отражающее зеркало устанавливается на одной оси с объективом (линзой), устанавливаемым после лазера, оптическими характеристиками которого и определяется зона перетяжки, а второе установлено параллельно первому, таким образом, чтобы отраженный в горизонтальном направлении луч лазера находился или был близок к уровню верхнего торца датчика свободных колебаний.
Смещение зоны перетяжки лазерного луча позволяет уменьшить высоту иглы (датчика свободных колебаний), что позволяет минимизировать ошибку измерения затухающих колебаний контролируемого объекта.
Толкатель предназначен для того, чтобы в случае, если лазерный луч не касается торца металлической иглы путем изменения наклона отражающих зеркал (воздействием на планку) добиться оптимального положения лазерного луча.
Демпфер, выполненный из эластичного упругого материала, предназначен для возврата отражащих зеркал блока смещения в исходное положение, после окончания цикла измерении, т. к при изменении наклона зеркал планка держателя их, воздействует на упругий элемент демпфера.
Конструктивно магнитное крепление может выполнено в виде постоянного магнита на основе феррита или магнитодиэлектриков или редкоземельного металла позволяет стабилизировать положение датчика на поверхности на исследуемом объекте, а виброизолирующией опоры, не вносят погрешности в измерение.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, 2 На фиг.1 приведен общий вид диагностической системы.
На рисунке показаны: лазер 1 непрерывного излучения, блок 2 формирования перетяжки лазерного луча, блок 3 смещения положения зоны перетяжки лазерного луча, металлическая игла 4 - датчик свободных колебаний, которая размещена в упругом элементе 11, фотоэлемент 5, усилитель мощности 6, выход которого соединен с электронной блоком обработки измеряемых сигналов, толкатель 7, снабженный ручным или моторизованным приводом 8, демпфер 9, установленный на опорной стойке 10. Все вышеуказанные блоки размещены в корпусе 14, устанавливаемым на исследуемый объект 15 посредством виброизолирующих опор 13 и удерживающего постоянного магнита 12.
В состав лазерного комплекса входит также электронный блок обработки полученных модулированных сигналов излучаемых лазером, который на рис. 1 не показан, но как правило, в качестве его используют аналоге - цифровой преобразователь с компьютером, работающим по специальным программам обработки полученных результатов измерений.
На фиг.2 приведена схема оптического контура, содержащая лазер 1, объектив 16, блок 2 смещения положения перетяжки лазерного луча, включающий отражающие зеркала 17, 18, рамка крепления зеркал 19, ось поворота 20 отражающих зеркал, планка 22, короткофокусный объектив 21, а также датчик 4, фотоприемник 5 усилитель 6 и поверхность исследуемого объекта 15.
Лазер используется в диагностическом комплексе для неразрушающего контроля как поверхностных и подповерхностных, так и внутренних несплошностей или других дефектов, расположенных в материале объекта контроля. Диагностическая система использует акустический метод свободных колебаний, основанный на возбуждении свободно затухающих акустических колебаний в объекте контроля или его части, приеме и аннализе параметров этих колебаний путем соответствующей обработки.
Работа устройства осуществляется следующим образом. После очистки зоны контроля исследуемой детали, диагностическая система подключенная к электронному блоку обработки и анализа данных (на фиг.1 не показан) устанавливается на контролируемый объект. Корпус 14 посредством виброизолирующих опор 13 устанавливается таким образом, чтобы точка касания поверхности объекта контроля датчиком свободных колебаний (игла 4) располагалась на «точке съема информации», которая зависит от контролируемого изделия. Фиксация положения корпуса датчика осуществляется за счет постоянных магниитов 12, устанавливаемых на нижней части корпуса. После установки системы на поверхность объекта контроля необходимо провести настройку оптического контура, которая осуществляется следующим образом.
Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить достаточную плотность энергии
Лазер генерирует электромагнитное излучение определенной длины волны Х или частоты (φ=u/λ Лазерный луч фокусируется линзой - объективом 16, жарактеристика которого определяет положение зоны перетяжки, но не в той плоскости, где надо, поэтому ее нужно, как бы переместить в другое место, что и делается с помощью блока 3 смещения положения лазерного луча таким образом, чтобы лазерный луч касался верхнего торца металлической иглы 4, являющейся датчиком колебаний и одновременно модулятором лазерного луча. Если луч не касается торца иглы, то включается привод 8 толкателя 7, который входит в паз планки 21, соединенной с рамкой 19, отражающих зеркал 17 и 18, при этом рамка за счет поворота вокруг оси 20 будет совершать качательные движения и при достижении заданного положения лазерного луча положение толкателя фиксируется и удерживается за счет демпфера 9.
Далее датчик работает в автоматическом режиме. Возбуждение свободных колебаний в объекте контроля происходит с применением электромагнитных, электромеханических и иных устройств без использования человеческой силы. Это повышает стабильность сигнала и, следовательно, достоверность контроля.
Оптический контур (фиг.2) включает в себя непосредственно лазер 1, систему линз, образующих объектив 16 в узле протяжки которого установлено отклоняющее (отражающее) зеркало 17, отклоняющее лазерный луч на 90 градусов вниз, т. е. из горизонтальной плоскости в вертикальную. Этот луч попадает на второе отклоняющее зеркало 18, установленное параллельно первому на уровне нахождения датчика свободных колебаний, которое отклоняет лазерный узел из вертикальной плоскости в горизонтальную плоскость.
Свободно затухающие упругие колебания воспринимаются датчиком (иглой 4), которая в этом случае является также модулятором лазерного луча. Все модулированные сигналы регистрируются фотоприемником 5 (фотоэлемент), в качестве которого можно использовать светодиод или фотосопротивление. Усилитель мощности 6 сигнала фотоприемника преобразует амплитудно-модулированный сигнал лазера в электрический сигнал, который поступает в электронный блок управления и анализа данных, в котором аналоговый сигнал лазерного датчика оцифровывается, и в цифровой форме сохраняется вся информация, полученная при проведении контроля. Сохраненная информация обрабатывается с помощью специальной программы в компьютере. После окончания измерений толкатель 7 отводится от планки 22 блока 3 смещения положения лазерного луча и под действием демпфера 9, установленного на опорной стойке 10 система зеркал 17. 18 возвращается в исходное положение.
Результаты контроля выдаются в режиме «дефект/годен» при помощи световой и голосовой индикации. При результате «годен» оператор переходит к следующей детали, при результате «дефект» оператор производит регламентированную для подобных случаев разметку на изделии и иные действия предусмотренные отраслевыми нормативньми документами.
Изготовление диагностической системы не вызывает трудностей. Лазер с объективом т привод толкателя крепятся к левой стенке 14 корпуса, блок 3 соединен с толкателем 7, который входит в паз планки 22 и поджимается демпфером 9, который находится на опоре 10, прикрепленной к задней стенке корпуса 14. Постоянный магнит 12, опоры 13 и радиатор усилителя 6, упругий элемент 11 остальные детали закреплены на основании и к основанию корпуса 14.
Диагностическая система для измерения упругих (свободных) колебаний обладает рядом преимуществ
- упругие колебания передаются с поверхности объекта контроля на лазерный луч с помощью дополнительного «элемента», который может быть выполнен из различных материалов и иметь разнообразную форму. Это позволяет использовать датчик на объектах ЛЮБОЙ формы и, не зависят от способа ввода свободных колебаний в исследуемый объект, что расширяет область применения.
- конструкция датчика упрощается за счет исключения интерферометров или второго измерительного канала для формирования опорного сигнала.
В настоящее время предлагаемое техническое решения проходит промышленно-опытную проверку и после ее окончания предполагается внедрение его в различных областях техники, в первую очередь на железнодорожном транспорте.