РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
SEPARATE-COMBNED PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для излучения и приема ультразвуковых сигналов в ультразвуковой аппаратуре, преимущественно в ультразвуковых толщиномерах.
Известен совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий в корпусе пьезоэлемент с электродами на противоположных поверхностях, который с одной стороны состоит в акустическом контакте с демпфером (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В.Клюева, - М.: Машиностроение, 1976, с.176). При работе данный преобразователь излучает в объект, а затем принимает ультразвуковые волны.
Недостаток данного преобразователя - большая «мертвая зона», что не позволяет измерять относительно небольшие толщины материала, т.к. помехи, сопровождающие зондирующий импульс, попадают на приемник.
Известен также совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий установленный в корпусе пьезоэлемент с электродами на противоположных поверхностях, который состоит с одной стороны в акустическом контакте с демпфером, а с другой стороны установлена твердотельная ультразвуковая линия задержки, что позволяет несколько уменьшить «мертвую зону» преобразователя (М.В.Королев, А.Е.Карпельсон. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. М.: Машиностроение, 1982, с.7).
Известен раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, который содержит в общем корпусе разделенные экраном излучающий и принимающий пьезоэлементы с электродами на их противоположных поверхностях, при этом по одному из электродов от каждого пьезоэлемента связаны общей шиной, а каждый пьезоэлемент состоит в акустическом контакте с демпфером и призмой с другой стороны (Неразрушающий контроль. Книга 2. Акустические методы контроля. Под ред. В.В.Сухорукова. М.: Высшая школа, 1991, с.102-103). Благодаря разделению излучающего и принимающего пьезоэлемента электрический и акустический зондирующие импульсы и сопровождающие их помехи практически не попадают на принимающий пьезоэлемент, в результате чего уменьшается минимальная глубина прозвучивания (мертвая зона).
Данное устройство наиболее близко к предложенному и принято за прототип.
Недостаток данного устройства в том, что время прохождения зондирующего сигнала сильно зависит от температуры как призмы, так и измеряемого изделия. При этом, если время прохождения сигнала через призму можно сделать практически независимым от температуры, в частности, изготовив ее в ущерб технологичности и долговечности преобразователя из материала с маленьким коэффициентом линейного расширения, например кварцевого стекла, то время прохождения сигнала через измеряемое изделие зависит от свойств материала изделия и может сильно зависеть от температуры. Проводить же измерения при одних и тех же температурных условиях не всегда возможно или требуются большие затраты времени на приведение температуры измеряемого изделия к нормальным условиям, при которых температурная погрешность минимальна.
Задачей данного изобретения является создание такой конструкции пьезоэлектрического преобразователя, которая бы позволила при работе в составе ультразвукового толщиномера компенсировать изменение времени прохождения зондирующего импульса через призмы и измеряемый материал при изменении температуры и соответственно повысить точность измерения толщины материала.
Для достижения этого технического результата в раздельно-совмещенном пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем в общем корпусе разделенные экраном излучающий и принимающий пьезоэлементы с электродами на их противоположных поверхностях, по одному из которых от каждого пьезоэлемента связаны общей шиной, а каждый пьезоэлемент состоит в акустическом контакте с одной стороны с демпфером и призмой с другой стороны, общий корпус, по крайней мере в районе призм, снабжен обечайкой из теплопроводящего материала, торец которой выполнен заподлицо с рабочей поверхностью преобразователя, а с внутренней стороны обечайки в районе призм установлен термочувствительный элемент, один из выводов которого связан с общей шиной.
Целесообразно также на торце обечайки из теплопроводящего материала выполнить радиальные канавки, а наружную поверхность обечайки покрыть теплоизолирующим материалом.
Отличительными признаками предлагаемого раздельно-совмещенного пьезоэлектрического преобразователя от указанного выше известного является наличие обечайки из теплопроводящего материала, торец которой выполнен заподлицо с рабочей поверхностью преобразователя, а с внутренней стороны которой в районе призм установлен термочувствительный элемент, один из выводов которого связан с общей шиной, а также наличие на торце обечайки из теплопроводящего материала радиальных канавок, а на наружной поверхности обечайки - теплоизолирующего материала.
Благодаря наличию этих признаков достигается возможность не только быстро выровнять температуру между измеряемым изделием и пьезоэлектрическим преобразователем за счет теплопроводящей обечайки, но и получить сигнал с термочувствительного элемента, который пропорционален температуре измеряемого изделия и пьезоэлектрического преобразователя и, в случае разницы между измеренной температурой и температурой, при которой рекомендуется проводить измерения, ввести поправку, компенсирующую изменение времени прохождения зондирующего импульса через призму и измеряемый материал от температуры. Теплоизолирующий слой на наружной поверхности обечайки позволяет устранить погрешность из-за нагрева пьезоэлектрического преобразователя от рук оператора, а радиальные канавки на торце обечайки позволяют уменьшить слой контактной жидкости между измеряемым изделием и пьезоэлектрическим преобразователем, что улучшает тепловой и акустический контакт.
Предлагаемый раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид пьезоэлектрического преобразователя.
На фиг.2 - вид на торец обечайки.
Раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь (фиг.1) содержит в общем корпусе 1 разделенные экраном 2 излучающий пьезоэлемент 3 и принимающий пьезоэлемент 4. Излучающий пьезоэлемент 3 состоит в акустическом контакте с демпфером 5, с одной стороны, и призмой 6, с другой стороны, а принимающий пьезоэлемент 4 состоит в акустическом контакте с демпфером 7 и призмой 8. На противоположных поверхностях пьезоэлементов 3 и 4 нанесены, например методом напыления, тонкие электроды (не показаны), при этом по одному из электродов от пьезоэлементов 3 и 4 связаны проводниками 9 и 10 с кабелем 11, который соединяет раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь с корпусом ультразвукового толщиномера (не показан), а оставшиеся электроды с помощью проводников 12 и 13 связаны с общей шиной 14. Корпус 1, по крайней мере, в районе 6 и 8 призм снабжен обечайкой 15 из теплопроводящего материала, торец которой выполнен заподлицо с рабочей поверхностью преобразователя. С внутренней стороны обечайки 15 в районе призм установлен термочувствительный элемент 16, например терморезистор, один из выводов которого проводником 17 связан с общей шиной 14, а другой вывод с помощью проводника 18 связан с кабелем 11. На торце обечайки 15 (со стороны рабочей поверхности преобразователя) целесообразно выполнить радиальные канавки 19 (фиг.2), а наружную поверхность обечайки 15 покрыть теплоизолирующим материалом 20.
При измерении толщины изделия на него в месте измерения наносится слой контактной жидкости, например глицерина, и прижимается раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь. Излишки контактной жидкости выдавливаются через радиальные канавки 19 на торце обечайки 15, что улучшает тепловой и акустический контакт между поверхностью изделия и преобразователем. Обечайка 15 из теплопроводящего материала позволяет быстро выровнять температуру между изделием и призмами 6 и 8, а термочувствительный элемент 16 генерирует сигнал, пропорциональный этой температуре. Теплоизолирующий материал 20 на боковой поверхности обечайки 15 препятствует нагреву преобразователя от рук оператора. Зондирующий импульс от излучающего пьезоэлемента 3 проходит через призму 6, контактную жидкость и изделие, отражается от донной поверхности изделия и возвращается через изделие, контактную жидкость и призму 8 на принимающий пьезоэлемент 4. По времени прохождения зондирующего импульса можно определить толщину изделия.
Так как данная конструкция раздельно-совмещенного пьезоэлектрического преобразователя позволяет получить не только сигналы, характеризующие время прохождения зондирующего импульса через призмы и измеряемое изделие, но и сигнал, характеризующий температуру изделия и призмы, то достигается возможность компенсировать изменения времени прохождения зондирующего импульса от температуры и повысить точность измерения толщины изделий. Измерения толщины изделий с помощью известных раздельно-совмещенных пьезоэлектрических преобразователей приводит к существенным погрешностям в случае изменения температуры. Так, например, показания ультразвукового толщиномера с раздельно-совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем с призмами из кварцевого стекла при измерении одного и того же образца из органического стекла при изменении температуры от 20°С до 40°С изменяются с 30,0 мм до 30,9 мм, а в случае измерения преобразователем с призмами из пластмассы, например полиимида, эти изменения еще больше.