УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля различного рода неоднородностей в твердых материалах путем возбуждения поверхностных акустических волн и пропускания их через исследуемые образцы с целью обнаружения, анализа и измерения этих неоднородностей без необратимых изменений в материале.
Известно устройство для неразрушающего контроля [1], содержащее генератор импульсов и генератор широкополосной акустической волны на поверхности контролируемого объекта, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, контактирующие с поверхностью образца, аналого-цифровой преобразователь и компьютер. Поверхностные волны детектируются пьезоэлектрическими преобразователями. Аналого-цифровой преобразователь формирует информационные сигналы, поступающие на компьютер с учетом расстояния между первым и вторым пьезоэлектрическими преобразователями. Компьютер фиксирует изменения фазы каждой частотной составляющей обнаруженной волны между первым и вторым местоположениями преобразователей и рассчитывает дисперсию волны. Полученные таким образом данные дисперсии используются для получения подповерхностного профиля физической структуры объекта.
Известно устройство для осуществления лазерно-акустического контроля твердых материалов [2], содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен в сторону исследуемого твердого материала, и расположенный над поверхностью исследуемого твердого материала пьезоприемник, расширяющую линзу и акустически прозрачный распределенный оптико-акустический преобразователь, излучающий акустический сигнал со своих обеих поверхностей, и расположенный над поверхностью исследуемого материала, причем торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а пьезоприемник помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером. При этом пьезоприемник и оптико-акустический преобразователь выполнены криволинейными с возможностью фокусировки излучения и приема соответствующих сигналов.
Известно также устройство неразрушающего контроля (3), предназначенное для лазерно-акустического контроля напряженного состояния твердых материалов, включающее блок памяти, блок обработки, блок ввода и программное и аппаратное обеспечение, способное производить вычисления и формировать выходные данные с информацией о локальных неоднородностях. Измеренная скорость распространения сравнивается со скоростью распространения поверхностной акустической волны (ПАВ) в контрольной области, где напряжение отсутствует, или на основе значения в базе данных для определения величины механического напряжения в подповерхностной области объекта.
Недостатком известных устройств [1, 2, 3] является недостаточная точность определения местоположения и измерения локальных неоднородностей в твердых материалах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели известное устройство для измерения различного вида неоднородностей в приповерхностных областях твердых тел [4, фиг. 1], содержащее лазерный источник излучения с оптическим элементом (цилиндрической линзой) и совокупность приемников на основе пьезоэлектрических преобразователей ПАВ со сферическим сухим контактом с контролируемым образцом, подключенных к многоканальному аналого-цифровому преобразователю, соединенному с ЭВМ.
Недостатком такого варианта устройства [4, фиг. 1] является недостаточная точность определения местоположения и параметров локальных неоднородностей в твердых материалах, обусловленная технологическим ограничением расположения пьезоэлектрических преобразователей ПАВ с шагом d, имеющим значения 5-10 мм, что ограничивает число точек измерения на длине L образца, и невозможность подстройки фазы ПАВ в пределах этого шага. Дополнительным недостатком данного варианта известного устройства является использование многоканального аналого-цифрового преобразователя, что усложняет техническую реализацию устройства.
Кроме того, недостатком известного устройства является то, что управление работой функциональных блоков устройства (шагового двигателя, аналого-цифрового преобразователя) возложены на ЭВМ, которое, по существу, является внешним и универсальным устройством обработки данных по отношению к устройству контроля неоднородностей твердых материалов. Указанное обстоятельство в целом снижает эффективность функционирования аппаратного комплекса, поскольку наряду с алгоритмами обработки информации, полученной от пьезоэлектрических преобразователей, ЭВМ в известных устройствах должна осуществлять и формирование управляющих сигналов для согласованного во времени функциональных блоков.
Технический результат, заключающийся в повышении точности при обнаружении и контроле неоднородностей твердых материалов, упрощении устройства за счет использования одноканального АЦП, и повышении эффективности, достигается в устройстве, содержащем возбудитель поверхностной акустической волны, состоящий из импульсного лазера и цилиндрической линзы, с обеспечением фокусировки лазерного излучения в линейную локальную зону на поверхности контролируемого образца, шаговый механизм перемещения, связанный с возбудителем поверхностной акустической волны, пьезоэлектрические преобразователи, расположенные с регулярным шагом d с обеспечением точечного контакта с поверхностью контролируемого образца и аналого-цифровой преобразователь, тем, что он содержит микропроцессорный блок управления, блок обмена информацией с ЭВМ и коммутатор аналоговых сигналов, входы которого подключены к выходам пьезоэлектрических преобразователей, а выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя, выполненного одноканальным, при этом соответствующие выходы микропроцессорного блока управления подключены к управляющим входам импульсного лазера, механизма шагового перемещения, коммутатора аналоговых сигналов, блока обмена информацией с ЭВМ и аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом блока обмена информацией с ЭВМ.
Использование одноканального аналого-цифровой преобразователя с коммутатором аналоговых сигналов упрощает техническую реализацию предлагаемого технического решения по отношению к прототипу [4, фиг. 1].
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема устройства.
1
n
Устройство для обнаружения и контроля неоднородностей твердых материалов, содержит возбудитель 1 поверхностной акустической волны (ПАВ), состоящий из импульсного лазера 2 и цилиндрической линзы 3, с обеспечением фокусировки лазерного излучения в линейную локальную зону на поверхности контролируемого образца 4, шаговый механизм 5 перемещения, связанный с возбудителем 1 ПАВ, пьезоэлектрические преобразователи 6,-6, расположенные с регулярным шагом d с обеспечением точечного контакта с поверхностью контролируемого образца 4, аналого-цифровой преобразователь 7, блок 8 обмена информацией с ЭВМ, микропроцессорный блок 9 управления и коммутатор 10 аналоговых сигналов.
1
n
1
n
N пьезоэлектрических преобразователей 6,-6 установлены в фиксированных точках Xi (i=1-N) в направлении распространения ПАВ. Размер контакта преобразователей 6,-6 с поверхностью должен быть мал по сравнению с характерной длиной волны, так чтобы искажения, вносимые датчиком, были минимальными. В предлагаемом устройстве применялись преобразователи со сферической формой контактирующей поверхности.
1
n
Входы коммутатора 10 подключены к выходам пьезоэлектрических преобразователей 6-6, а выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя 7, выполненного одноканальным.
Выходы микропроцессорного блока 9 управления подключены к управляющим входам импульсного лазера 2, механизма 5 шагового перемещения, коммутатора 10 аналоговых сигналов, блока 8 обмена информацией с ЭВМ и аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого соединен с информационным входом блока 8 обмена информацией с ЭВМ.
Микропроцессорный блок 9 управления предназначен для обеспечения согласованной и синхронизированной работы функциональных блоков устройства, освобождая при этом внешнее устройство обработки данных (ЭВМ) от формирования управляющих сигналов для устройства, что обеспечивает более эффективную работу аппаратного комплекса и снижает требования к программному обеспечению ЭВМ, исключая для нее необходимость формирования дополнительных временных управляющих сигналов.
На чертеже связи для передачи информационных сигналов изображены утолщенными стрелками, а связи для передачи управляющих сигналов - тонкими стрелками.
Импульсный лазер 2 с цилиндрической линзой 3 предназначены для создания локальных термоупрутих напряжений в линейной локальной зоне образца 4 с формированием ПАВ.
Устройство работает следующим образом.
0
В исходном состоянии возбудитель 1 поверхностной акустической волны (ПАВ), состоящий из импульсного лазера 2 и цилиндрической линзы 3, расположен в начале контролируемого образца 4 (координата Х).
1
n
Пьезоэлектрические датчики 6-6 расположены в положительном направлении оси X с шагом d с обеспечением точечного контакта в фиксированных координатах Xi (i=1-N).
0
По команде с блока 9 управления лазер 2 генерирует короткий импульс излучения, который фокусируется на поверхности образца 4 цилиндрической линзой 3 в линейную локальную зону с координатой Х. Сфокусированный лазерный луч на поверхности образца 4 представляет собой в момент его генерации тонкий световой штрих.
При этом в области фокуса линзы 3 возникают локальные термоупрутие напряжения.. Локальный импульсный нагрев приводит к генерации ПАВ в образце 4, которые распространяются в направлении оси +Х. Длина волны зависит от упругих свойств материала образца. Применение лазерного источника позволяет значительно расширить полосу частот, в которой производится измерение дисперсии. Использование импульсного лазера позволило генерировать ПАВ в диапазоне до 500 Мгц.
1
n
1
n
Пьезоэлектрические датчики 6-6, находящиеся в точечном контакте с поверхностью образца 4 в координатах Xi (i=1-N), воспринимают и преобразуют ПАВ в совокупность n аналоговых сигналов, поступающих на входы коммутатора 10. Блок 9 управления синхронно и последовательно передает эти сигналы на вход аналого-цифрового преобразователя 7, с выхода которого информационные сигналы в оцифрованном виде поступают на вход блока 8, который передает их в память ЭВМ, где они накапливаются в виде упорядоченного информационного массива данных с привязкой каждого оцифрованного сигнала с пьезопреобразователей 6-6 к координатам их расположения Xi (i=1-n). На этом первый цикл измерения заканчивается.
Затем блок 9 управления формирует управляющий сигнал на механизм 5 шагового перемещения, который перемещает возбудитель 1 ПАВ с импульсным лазером 2 и цилиндрической линзой 3 на шаг δ<<d в положительном направлении оси X и описанная выше последовательность формирования сигналов повторяется на каждом j-м шаге перемещения (j=1-m).
Таким образом, в память ЭВМ записывается увеличенный (и более информативный) по сравнению с известным устройством массив данных с количеством (n×m) отсчетов зафиксированных информационных сигналов, что позволяет осуществить контроль неоднородностей в образце 4 с большей точностью.
После завершения процесса измерений и преобразований информационных сигналов в памяти ЭВМ накапливаются массивы данных, содержащих информацию о состоянии материала образца с находящимися в нем неоднородностями и дефектами, которые затем подвергаются обработке по соответствующим алгоритмам (программам).
Скорость распространения ПАВ определялась путем вычисления длительности времени между генерацией волны и приходом пика сигнала в точку контакта пьезоэлектрического преобразователя.
Для каждого такого массива на ЭВМ проводится дискретное преобразование Фурье с определением амплитуды и фазы для совокупности гармоник информационных сигналов, полученных с пьезоэлектрических преобразователей.
i
i
f
Для каждой частотной компоненты получается набор из N фаз ϕ, определенных для соответствующей координаты X. По программе методом наименьших квадратов строилась кривая функции , где f - частота гармоники, C - фазовая скорость на данной частоте. Эти вычисления проводятся для всех гармоник, что позволяет получать дисперсионную кривую во всем диапазоне частот, по которой можно судить о неоднородностях в материалах.
Результаты контроля неоднородностей в твердых материалах выводятся на устройство отображения (на чертежах не показано).
Выбор шага перемещения δ порядка 20 мкм позволяет выполнить условие о том, чтобы разность фаз между сигналами от соседних источников не выходила за пределы 2π для решения проблемы 2π - неопределенности значения фазы, характерную для подобных задач. Кроме того, использование большого количества сигналов для построения кривой дисперсии позволяет существенно повысить точность определения фазовой скорости на каждой частоте, что уменьшает погрешность вычисления фазы для каждой координаты.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом более точное определение фазовой скорости волны для широкого диапазона частот, расширяя диапазон размеров контролируемых неоднородностей в твердых материалах.
Полезная модель реализована на элементах цифровой и аналоговой электронной техники, находящихся в серийном изготовлении.
В качестве импульсного лазера использовался Nd:YAG лазер с длиной волны 532 нм и длительностью импульса порядка одной наносекунды.
Полезная модель может быть многократно воспроизведена и соответствует критерию «промышленной применимости».
Источники информации:
1. Патент США 4372163. НКИ 73/602, опублик.08.02.1983.
2. Патент РФ №2232983, МПК G01N 29/04, опублик. 10.07.2002.
3. Патент США 8368289. НКИ 310/336, опублик. 05.02.2013.
4. Заявка РФ №2009145311, МПК G01N 29/04, опублик. 08.12.2013.