УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

Заявляемое решение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике объектов, в частности к неразрушающему контролю напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути.
Известно устройство реализующее измерение напряжений в металлах при одностороннем доступе к объекту. В известном решении реализуется измерение скорости поверхностных акустических волн при бесконтактном лазерном возбуждении пробного импульса и точечном сухом контакте пьезоприемной системы. Такая система позволяет контролировать напряжения в поверхностном слое толщиной порядка пространственной протяженности ультразвукового импульса (~0.3 мм) - (патент US №8368289, МПК: H01L 41/08, опубл. 05.02.2013 г.) - аналог.
Недостатком известного решения является сильное затухание поверхностных ультразвуковых волн на реальных шероховатых поверхностях. Поэтому целесообразно использование других типов акустических волн, распространяющихся вдоль поверхности объекта, например, головных волн.
Известно устройство неразрушающего контроля внутренней структуры объектов, их геометрических параметров и определения их физических характеристик, содержащее импульсный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный через усилитель с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, причем оптико-акустический преобразователь выполнен в виде единого блока, с возможностью расположения его на исследуемом объекте, и содержит пластину оптико-акустического генератора, помещенную между исследуемым объектом и прозрачным цилиндром, на торце которого расположен пьезоприемник (патент РФ №2381496, МПК: G01N 29/04, опубл. 10.02.2010 г.) - прототип.
Недостатком известного решения является то, что оно позволяет измерять лишь скорость ультразвуковых волн, распространяющихся нормально к поверхности объекта.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение точности и надежности измерений напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути, путем повышения стабильности измерения связи скорости распространения звука в объекте контроля с действующими остаточными напряжениями и порога детектирования действующих остаточных напряжений.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство неразрушающего контроля напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути содержит импульсный лазер, выход которого через оптическое волокно связан с входом лазерно-ультразвукового преобразователя, комбинированный многофункциональный блок питания, систему обработки данных, две ортогонально расположенные призмы, выполненные с возможностью одновременного измерения скорости головной волны во взаимно перпендикулярных направлениях, каждая из призм по одной из граней посредством оптико-акустического генератора связана с оптической системой и оптоволокном, а по противоположной грани - с соответствующим ей широкополосным пьезоприемником, каждый из которых посредством соответствующего усилителя электрических сигналов, связан с входом двухканального аналого-цифрового преобразователя, который по входу и выходу связан с импульсным лазером и с системой обработки данных.
Механические напряжения, присутствующие в поликристаллическом материале, приводят к микроструктурным изменениям в нем: трансформации зерен-кристаллитов и появлению выделенных направлений в их ориентации. На макроуровне это проявляется в изменении упругих постоянных материала, что, в свою очередь, приводит к изменению величин скорости и затухания ультразвуковых волн в материале по сравнению с его ненапряженным состоянием. Эффектом акустоупругости называется зависимость скорости ультразвуковых волн в деформированном материале от величины механических напряжений, вызвавших данную деформацию. Лазерно-ультразвуковой метод измерения механических напряжений, основан на прецизионном измерении скоростей ультразвуковых волн с высокой локальностью, решении обратной задачи акустоупругости - пересчете измеренных значений скорости в величину напряжений и получения их пространственного распределения в объекте контроля. Заявляемое решение позволяет добиться высокой точности определения скорости ультразвуковых волн на малой базе измерений, с учетом неоднородности распределения напряжений по длине рельсовой плети (учет остаточных напряжений) путем использования двунаправленных лазерных источников ультразвуковых подповерхностных волн.
Заявляемое решение конкретизировано на фиг. 1-4, где на фиг. 1 представлена блок схема заявляемого устройства, на фиг. 2 и 3 - схемы лазерно-ультразвукового преобразователя для каждой из ортогонально установленных призм, а на фиг. 4 - схема соединения ортогонально установленных призм при размещении на исследуемом объекте.
Заявляемое устройство содержит импульсный лазер 1 с модуляцией добротности и высокой частотой повторения импульсов, содержащий на выходе адаптер для ввода излучения в силовое оптическое волокно 2, которое предназначено для передачи лазерного излучения в лазерно-ультразвуковой преобразователь (оптико-акустический преобразователь) 3. Лазерно-ультразвуковой преобразователь 3 предназначенный для преобразования лазерных импульсов в акустические, передачи их в исследуемую среду и регистрации прошедших акустических сигналов, содержит две ортогонально расположенные призмы 4 и 5, выполненные с возможностью одновременного измерения скорости головной волны в перпендикулярных направлениях, каждая из призм 4 и 5 по одной из граней посредством оптико-акустического генератора 6 связана с оптической системой 14 и оптическим волокном 2, а по другой (противоположной) грани - с соответствующим ей широкополосным пьезоприемником 7 и 8, каждый из которых посредством соответствующего усилителя электрических сигналов 9 и 10, связан с соответствующим входом двухканального аналого-цифрового преобразователя 11, который по входу и выходу связан с импульсным лазером 1 и с системой обработки данных 12. Лазерно-ультразвуковой преобразователь 3 содержит прозрачную для лазерного излучения призму 13, на части поверхности которой размещен оптико-акустический генератор 6 таким образом, чтобы обеспечить связь оптического волокна 2 посредством оптической системы 14 с взаимно ортогональными призмами 4 и 5 для одновременного измерения скорости головной волны в перпендикулярных направлениях, вдоль и поперек исследуемого объекта. На противоположных гранях призм расположены широкополосные пьезоприемники 7 и 8. Оптико-акустический генератор 6 представляет собой плоско параллельную пластину, выполненную из материала, поглощающего лазерное излучение, имеющего высокое значение коэффициента теплового расширения и согласованного по акустическому импедансу с материалом призмы 13 (например, из полимера). Облучение оптико-акустического генератора производится коротким лазерным импульсом с помощью формирующей лазерный пучок оптической системы 14, сопрягаемой с оптическим волокном 2, через верхнюю поверхность призмы 13.
Двухканальный аналого-цифровой преобразователь выполнен скоростным, обеспечивающим перевод электрических сигналов лазерно-ультразвукового преобразователя 3 в цифровую форму, их временное запоминание и передачу по скоростной линии в систему обработки данных 12 включающую компьютер, связанный скоростной линией передачи данных с аналого-цифровым преобразователем, и программным обеспечением, обеспечивающим прием цифровых данных, их спектральную обработку, и отображение результатов на экране монитора, а также интерактивное управление процессом передачи и обработки данных. Заявляемое устройство содержит также комбинированный многофункциональный блок питания 15, обеспечивающий электропитание импульсного лазера 1, лазерно-ультразвукового преобразователя 3 и двухканального аналого-цифрового преобразователя 11. Импульсный лазер 1, аналого-цифровой преобразователь 11 и блок питания 15 могут быть размещены в специализированном изолированном корпусе 16.
Дефектоскоп работает следующим образом. Донные поверхности призм 4 и 5 приводятся в акустический контакт с исследуемым объектом 17 с возможностью измерения напряжений вдоль и поперек исследуемого объекта. Лазерный импульс поступает с лазера 1 через оптоволокно 2, оптическую систему 15 и прозрачное тело призмы 14 на оптико-акустический генератор 6. Последний излучает акустические импульсы в призмы 4 и 5, которые преломляются на границе призм и исследуемого объекта 17 и проникают в исследуемый объект. Акустические импульсы головных волн, прошедшие по поверхности объекта трансформируются обратно в продольную волну в призмах 4 и 5 и попадают на пьезоприемники 7 и 8, и их электрические сигналы, усиленные усилителями 9 и 10 поступают в двухканальный аналого-цифровой преобразователь 11, после обработки в котором сигналы поступают в систему обработки данных. По временам прихода импульсов, распространяющихся в ортогональных направлениях, определяют скорости ультразвука в этих направлениях в объекте контроля, а по разнице скоростей вдоль и поперек рельса определяют действующие напряжения.