НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ИЗДЕЛИЯ И ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
NON-DESTRUCTIVE METHOD OF STRESS MEASUREMENT IN OBJECT SURFACE LAYER AND STRESS GAUGE

Изобретение относится к измерению механического напряжения в поверхностном слое изделия.
Известен способ определения остаточных напряжений [1], заключающийся в сравнении амплитудно-частотной характеристики эталона и образца. Это вихретоковый неразрушающий способ.
Недостатком этого способа является то, что его можно применять только для ферромагнитных материалов.
Известен способ определения напряжений в стальных конструкциях [2], заключающийся в многократном определении микротвердости поверхности изделия и сравнении ее с микротвердостью эталона.
Недостатком этого способа является повреждение поверхности, на которой определяется напряжение.
Известен способ определения механических напряжений в материале акустической тензометрией [3], заключающийся в регистрации изменения скорости распространения упругих (обычно ультразвуковых) волн под влиянием напряжения.
Недостатками этого способа являются: сложность проведения обследования, использование комплекса сложной аппаратуры, ограниченность реализации в условиях производства и эксплуатации, это контактный метод.
Известен рентгеновский метод определения напряжений, основанный на явлении рассеяния монохроматических рентгеновских лучей при прохождении через регулярную кристаллическую решетку материала [4]. При таком рассеянии происходит интерференция лучей.
Недостатком этого метода является то, что им можно определить только напряжения 2 и 3 родов в поверхностном слое материала детали без ее разрушения. При определении же напряжения первого рода (наиболее важного) этот метод дает большие погрешности.
Известен метод определения механических напряжений на основе тензометрирования, в частности электротензометрирования. Этот метод основан на том, что на деформируемую поверхность закрепляют тензорезистор [4], который воспринимает деформации объекта и изменяет при этом свое электрическое сопротивление. А по деформации рассчитывается и напряжение, под действием которого произошла эта деформация.
Недостатком этого метода является то, что для его использования необходим контакт с поверхностью измерения, что предопределяет его стационарность. Использовать его для движущихся объектов затруднительно.
Известен метод определения механических напряжений методом фотоупругости [5], заключающийся в том, что показатель преломления света изменяет свою величину при наличии напряжения.
Недостатком этого метода является то, что он хорошо измеряет напряжения в прозрачных материалах. Для непрозрачных (например, металлических) предметов этот метод позволяет получить только умеренную точность. Для этого метода необходимо на испытуемую деталь наклеивать тонкие пластинки из фотоупругого материала (толщиной 1-2 мм) специальным клеем, обеспечивая хороший контакт. А это сделать достаточно трудно, особенно на больших деталях или деталях сложной формы.
Наиболее близким техническим решением является метод голографической интерферометрии для определения механических напряжений [6]. Этот метод заключается в получении голограммы от испытываемой детали. Для получения изображения этой детали голограмму просвечивают пучком света. При напряжениях (деформациях) происходят фазовые искажения рассеянной волны, что сказывается на виде наблюдаемой картины: появляются интерференционные полосы.
Недостатками этого метода являются: многоступенчатость процесса, сложность определения напряжения, требуется высокая квалификация операторов, сложность и громоздкость оборудования, затруднения его использования в условиях производства и эксплуатации.
Технической задачей изобретения является разработка способа определения механических напряжений в поверхностном слое изделия, который позволяет создать компактное устройство для определения напряжения в любых условиях, в том числе и полевых, с разборкой и без разборки изделия.
Технический результат изобретения достигается тем, что способ определения механического напряжения в поверхностном слое изделия основан на направлении потока излучения на испытуемую поверхность и регистрации отраженного от нее потока.
На испытуемую поверхность направляется весь расфокусированный поток излучения, например лазерного, видимого диапазона и интенсивности, предпочтительно малой, и осуществляется регистрация величины отраженного потока с помощью фотоэлектрического приемника, например фототранзистора, сравнение этой величины с эталонной, заранее полученной при известных величинах механического напряжения, температуры и шероховатости в поверхностном слое, для данного источника излучения. Так как используется расфокусированный на какую-то площадь испытуемой поверхности поток, то полученная величина напряжения будет представлять из себя усредненное по площади падения светового потока напряжение. Если строго, то соседние участки на исследуемой поверхности имеют неодинаковое напряжение: хотя и незначительно, но напряжения в соседних участках будут отличаться. Поэтому использование расфокусированного светового луча даст более точное значение напряжения на испытуемой поверхности.
Испытуемая поверхность может быть неподвижной или подвижной. Эта поверхность будет поглощать часть энергии падающего потока, и чем выше температура исследуемой поверхности, тем большее поглощение падающего потока будет происходить [7]. Оставшаяся же часть падающей энергии будет рассеиваться и отражаться, и чем больше будет температура испытуемой поверхности, тем меньше будет отражаться падающей энергии. То же можно сказать и о шероховатости поверхности: чем выше класс чистоты, т.е. чем меньше шероховатость, тем больше, по величине, будет отраженный поток. Фотоэлектрический приемник регистрирует величину отраженного потока, падающего в него, в виде какого-то сигнала: электрического напряжения или тока. В зависимости от величины напряжения в поверхностном слое будет изменяться интенсивность отраженного потока, а следовательно, и величина сигнала в фотоприемнике (например, тока): или увеличиваться, или уменьшаться. Эта зависимость также будет связана с видом напряжения: напряжением сжатия или напряжением растяжения. При напряжении сжатия отраженный световой поток будет увеличиваться (поглощение световой энергии уменьшается), а при напряжении растяжения наоборот - уменьшаться (поглощение световой энергии увеличивается). В зависимости от величины отраженного светового потока, будет образовываться и величина электрического сигнала в приемнике, например в фототранзисторе.
Заявляемый способ реализуется в определителе напряжения, который содержит излучатель света в виде лазера, при этом определитель дополнительно содержит устройства расфокусировки падающего на испытуемую поверхность луча и фокусировки отраженного этой поверхностью потока; фотоприемник отраженного сигнала, в качестве которого применен фототранзистор; усилитель сигнала от фототранзистора; компаратор, сравнивающий поступающее на него напряжение с усилителя с линейно изменяющимся напряжением генератора и формирующий импульс напряжения; схема «И», кодирующая поступающий на нее с компаратора импульс в пачку коротких импульсов генератора образцовой частоты; двоичный счетчик импульсов, подсчитывающий число импульсов в пачке; дешифратор импульсов; блок определения температуры испытуемой поверхности; блок определения шероховатости испытуемой поверхности; устройство памяти эталонных кодов, где заранее записываются значения сигналов от известных механических напряжений, температур и шероховатостей испытуемой поверхности; цифровое устройство сравнения, осуществляющее сравнение полученного с исследуемой поверхности сигнала с эталонными сигналами, полученными при известных температуре и шероховатости; устройство индикации, где высвечивается величина напряжения испытуемой поверхности, причем сформированный в фототранзисторе сигнал поступает в усилитель и, одновременно, на входы блоков определения температуры и шероховатости, с выхода усилителя - на вход компаратора, а с выхода компаратора - на схему «И», затем - на вход двоичного счетчика импульсов, далее - на вход дешифратора, с выхода дешифратора - на вход цифрового устройства сравнения, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов, в которое поступают сигналы с блоков определения температуры и шероховатости, обеспечивающие выдачу эталонных кодов именно для определенной в данном испытании температуре и шероховатости поверхности, а с выхода цифрового устройства сравнения - на вход устройства индикации.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Использование электромагнитного излучения видимого диапазона частот и интенсивности, предпочтительно малой.
2. Использование расфокусированного луча для облучения испытуемой поверхности.
3. Определение напряжения в поверхностном слое по интенсивности отраженного от нее светового потока.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
- наличие расфокусирующей и фокусирующей систем;
- фотоприемник, например фототранзистор;
- система обработки сигналов от фотоприемника.
Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: использование способа облучения исследуемой поверхности любым диапазоном излучения и любого энергетического уровня этого излучения для определения механического напряжения на этой поверхности; возможность создания компактного устройства, которое можно использовать в любых условиях, в том числе и полевых, как с разборкой изделия, так и без его разборки (в рабочем положении).
На фиг.1 приведена схема использования предлагаемого способа измерения напряжения в поверхностном слое изделия и структурная схема определителя напряжения, на фиг.2 - формирование сигналов в элементах системы обработки отраженного от исследуемой поверхности светового потока.
В предлагаемом способе используется (фиг.1) источник излучения, например лазер 1, расфокусирующее устройство, например линза 2, исследуемая поверхность 8, фокусирующее устройство, например линза 3, приемник отраженного сигнала, например фототранзистор 4.
Так как напряжение испытуемой поверхности определяется напряжением ее участков, имеющим неодинаковую величину, поэтому осуществляется расфокусировка падающего на контролируемую поверхность луча, чтобы усреднить часть этого луча с какой-то площади поверхности. Следует отметить такое же положение, связанное с температурой поверхности и ее шероховатостью. Каждый участок на поверхности будет отражать падающий луч индивидуально. Однако, если взять определенную площадь исследуемой поверхности (площадь падающего луча), то ее отражательная способность будет определять отражательную способность всей исследуемой поверхности. В данном случае делается выборка из всей совокупности, где вся испытуемая поверхность есть исследуемая совокупность участков, а площадь падающего на поверхность луча - выборка из этой совокупности. Поэтому падающий луч расфокусируется. И, наоборот, чтобы собрать фотоприемником как можно больше энергии отраженного от исследуемой поверхности потока, отраженный луч фокусируется на фотоприемнике, например фототранзисторе, в котором под действием этого луча появляется сигнал в виде электрического напряжения или тока. Чем больше напряжение в поверхностном слое, тем больше (или меньше, в зависимости от вида напряжения: сжатие или растяжение) по величине будет отраженный поток и возникающий в фотоприемнике сигнал.
Полученный от отраженного луча в фотоприемнике сигнал сравнивается с эталонными сигналами, полученными заранее от напряженных поверхностей с известной величиной и типом напряжения (при известных температуре и шероховатости), и с которыми из них совпадает по величине, такое напряжение и будет иметь проверяемая поверхность.
Определитель напряжения (Фиг.1) содержит световой излучатель, например лазер 1, расфокусирующее устройство, например линзу 2, фокусирующее устройство, например линзу 3, фотоприемник 4, например фототранзистор, фотоусилитель 5, компаратор 6, схему «И» 7, исследуемую поверхность 8, генератор линейно изменяющегося напряжения 9, генератор импульсов образцовой частоты 10, двоичный счетчик импульсов 11, дешифратор 12, блок определения температуры исследуемой поверхности 16, блок определения шероховатости исследуемой поверхности 17, устройство памяти эталонных кодов 14, устройство сравнения 13 (цифровое), устройство индикации 15.
Определитель напряжения работает следующим образом.
Излучатель 1, например лазер, образует падающий луч и направляет его на расфокусирующее устройство 2, например линзу (если лазерный луч расфокусирован, то устройства 2 не требуется). Затем лазерный (или любой другой) луч падает на исследуемую поверхность 8 под любым углом, обеспечивающим отражение части падающего излучения (угол падения должен быть всегда одинаковым и равным углу падения при формировании эталонных кодов). С площади падающего на поверхность луча происходит отражение части энергии этого луча (форма сечения отраженного луча повторяет форму пятна падающего на поверхность луча, будь то эллипсовидная или любая другая). Энергия отраженного потока может быть очень малой, источник излучения 1 может представлять из себя световой источник с очень слабой энергией, с рассеиванием в пространстве. Поэтому на пути отраженного потока устанавливается фокусирующее устройство 3, обеспечивающее сбор рассеянной в отраженном луче энергии в фокусе, где располагается фотоприемник 4, например фототранзистор. Однако и в этом случае величина образующегося под действием энергии этого отраженного и сфокусированного светового потока электрического напряжения (или тока) может оказаться небольшой, поэтому после фотоприемника в определителе напряжения установлен усилитель 5 этого напряжения (или тока), обеспечивающий работу всех последующих за ним элементов устройства. С фотоприемника сигнал одновременно поступает, кроме усилителя 5, на блоки определения температуры 16 и шероховатости 17 (их устройство см., например, соответственно, в [8, 9]). В предлагаемом определителе напряжения используется принцип действия времяимпульсного преобразования, основанного на преобразовании значения измеряемого напряжения Ux с выхода усилителя 5 во временной интервал, с последующим кодированием этого интервала методом последовательного счета в пачку импульсов. Значение напряжения Ux, посредством сравнения его компаратором 6 с линейно изменяющимся напряжением U1 генератора 9 (см. фиг.2, наклонная прямая; горизонтальная прямая - это Ux), преобразуется в импульс напряжения U2 длительностью ∆t, который поступает на схему «И» 7, где кодируется в пачку коротких импульсов генератора 10 импульсов образцовой частоты U3. Подсчет числа импульсов «n» в пачке осуществляется в двоичном счетчике импульсов 11, куда со схемы «И» 7 поступает сигнал U4:
n=∆t/To=Ux/CTo=foUo/C,
где С - коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения U(t), т.е. U1 в генераторе линейно изменяющегося напряжения 9;
То, fo - период и частота выходного напряжения U3 генератора импульсов образцовой частоты 10.
m
Из уравнения видно, что число импульсов «n» пропорционально напряжению Ux с усилителя 5. Выбирая коэффициент пропорциональности fo/C=10 (m - целое число), можно получить показания значений напряжения Ux в требуемых единицах измерения (В, мВ и т.д.). Затем в дешифраторе 12 этот сигнал дешифрируется и поступает в устройство сравнения (цифровое) 13, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов 14 (заранее сняты с эталонов механического напряжения при разных температурах и шероховатостях их поверхности). Но перед этим в устройство памяти 14 поступают сигналы с блоков температуры 16 и шероховатости 17, которые обеспечивают выдачу на устройство сравнения 13 эталонных сигналов, полученных для шероховатости и температуры, которыми обладает в данный момент исследуемая поверхность. В устройстве 13 сравниваются эти сигналы, и когда сигнал с дешифратора 12 будет равен или близок к одному из эталонных сигналов с устройства памяти эталонных кодов, то с выхода устройства сравнения 13 на устройство индикации подается сигнал в виде величины напряжения с указанием его типа, например «10 Па сжатия» или «10 Па растяжения» - высвечивается на индикаторе.
Использование заявляемого изобретения позволяет использовать способ облучения исследуемой поверхности для определения напряжения в ее поверхностном слое, причем площадь этой поверхности любая и любой диапазон измеряемых напряжений, при этом улучшаются условия работы и повышается производительность труда, появляется возможность создания малогабаритного и легкого определителя напряжения, который можно было бы использовать в любых условиях, в том числе и в полевых, с разборкой и без разборки изделий (в рабочем положении).
Источники информации
1. А.с. СССР №1566234 «Способ определения остаточных напряжений».
2. Патент РФ на изобретение №2389988 «Способ определения механических напряжений в стальных конструкциях».
3. ГОСТ Р 52731 - 2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования.
4. Лекции по ФОПИ - файл Мех напр сила момент, doc
5. И.В. Савельев. Курс физики. Учебное пособие в трех томах. Том 2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика, третье издание, стереотипное. - СПб.: Лань, 2007. - 480 с.
6. Леонид Борыняк, Юрий Непочатов. Голографический интерферометр для определения деформационных полей перемещений в изделиях микроэлектроники// Технологии в электронной промышленности, №3, 2007.
7. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1989. - С.65.
8. Патент РФ №2445589 С1 "Способ измерения температуры поверхности и измеритель». Опубликовано: 20.03.2012. Бюл. №8.
9. Патент РФ №2375677 С1 «Измеритель шероховатости». Опубликовано: 10.12.2009. Бюл.№34.