УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АКТИВНЫХ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯХ

Полезная модель относится к устройствам для обнаружения локальных дефектов в твердых телах с использованием акустической эмиссии (АЭ) и может найти применение для выявления механических дефектов в металлических изделиях, находящихся в статическом состоянии и в движении или вращении.
Известно устройство, с помощью которого осуществляется способ регистрации сигналов АЭ в металлах (а.с. СССР №1578636, опубл. в Б.И. №26-1990 г., МПК G01N 29/04. Прототип). Это устройство состоит из генератора когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ и приемника отраженных когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ, снабженных соответствующими антеннами и блоками питания, устройства для усиления, анализа и выделения полезных электромагнитных сигналов или устройства для выделения спектральных составляющих отраженных волн СВЧ и устройства для регистрации и обработки полученных полезных электромагнитных сигналов или электронного осциллографа-самописца, также снабженных блоками питания.
Принцип работы устройства состоит в следующем. Исследуемое или анализируемое металлическое изделие облучают электромагнитными волнами СВЧ и одновременно инициируют в нем механические напряжения. При наличии в изделии активного дефекта, в последнем генерируются волны АЭ. Эти акустические волны распространяясь по изделию вызывают колебания поверхности изделия, которые в виде дифракционной картины влияют на отраженные электромагнитные волны, улавливаемые приемником
СВЧ, после чего они усиливаются, регистрируются и обрабатываются с помощью специальной аппаратуры.
Недостатки устройства: низкая чувствительность, ограниченные технологические и технические возможности при использовании.
Указанные недостатка объективны и обусловлены следующими факторами:
амплитуда механических поперечных колебаний поверхности металлического изделия, вызванных АЭ, составляет всего лишь 20-30 Ангстрем,
- для регистрации таких малых колебаний необходимо использовать электромагнитные волны СВЧ с частотой 200-300 гГц,
- длительность сигналов АЭ находится в пределах нескольких десятков наносекунд,
- чистота поверхности металлического изделия должна быть не ниже 14 класса,
- люфт устройства крепления СВЧ сенсора над поверхностью изделия должен быть не более нескольких десятков Ангстрем,
- динамический диапазон регистрирующей аппаратуры, работающей в нормальных условиях (температура 300 градусов Кельвина)должен быть не хуже 140 дБ/(Вт*мГц),
- невозможность исследования движущихся и вращающихся изделий.
Поставлена задача увеличить чувствительность устройства и уровень его технологических и технических возможностей.
Эта задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом устройство для обнаружения активных дефектов в металлических изделиях содержит генератор когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ, приемник отраженных когерентных поляризованных волн СВЧ, блок выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ и блок электронного осциллографа-самописца, при этом выход приемника отраженных когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ соединен с входом блока выделения спектральных составляющих
отраженных электромагнитных волн СВЧ, а выход блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ соединен с первым входом блока электронного осциллографа-самописца.
Согласно полезной модели устройство снабжено генератором ультразвуковых колебаний, содержащим блок задающих генераторов ультразвуковых колебаний, блок усилителей ультразвуковых колебаний и контактные излучатели ультразвуковых колебаний, и персональный компьютер, при этом первый выход блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний соединен со вторым входом блока электронного осциллографа-самописца, второй и третий выходы блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний соединены с входами блока усилителей ультразвуковых колебаний, выходы блока усилителей ультразвуковых колебаний связаны с контактными излучателями ультразвуковых колебаний, а персональный компьютер подключен к выходу блока электронного осцилографа-самописца.
Далее, сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема устройства для обнаружения активных дефектов в металлических изделиях.
Однако, прежде чем изложить сущность полезной модели, необходимо пояснить следующее. Теоретическими и экспериментальными исследованиями в конце 90-х годов прошлого века было обнаружено (установлено) явление, которое заключается в том, неоднородных деформациях металла (внутри или на поверхности) скин-слой испытывает динамические изменения. Сущность этого явления состоит в том, что при наличии в металле зоны с достаточно высоким градиентом деформации, на поверхности металла регистрируется появление соответствующего дополнительного электрического заряда, величина которого прямо пропорциональна этому градиенту. Очевидно, что этот дополнительный поверхностный заряд приводит к изменению поверхностной электрической проводимости скин-слоя, и если градиент деформации носит периодический
характер, то и проводимость скин-слоя станет периодически меняться, т.е. будет динамической (Источники информации: В.Васильев и В.Любошитц. Теорема вириала и некоторые свойства электронного газа в металлах. Успехи физических наук, 4(264), С.367-374, 1994 г.; В.И.Торбунов, В.А.Суторихин. Возможности контроля предела упругих деформаций СВЧ методом. Дефектоскопия, №7, 1999 г, С.75-80).
Эту динамическую составляющую поверхностного слоя можно регистрировать,, используя СВЧ поле сравнительно «низкой « частоты (10-40 гГц), поскольку скорость распространения изменения проводимости скин-слоя равна скорости света. Поэтому ее регистрация возможна практически в любой точке исследуемого металлического изделия.
Это дополнительное качество динамических свойств скин-слоя позволяет не только «мгновенно» регистрировать наличие или отсутствие активных дефектов в исследуемом изделии, но и с 100% надежностью регистрировать дефекты, относящиеся к механическим микроразрушениям, которые имеют значительный градиент деформации. Как известно, в прототипе возникновение дифракционной картины происходит со скоростью ультразвука, причем любой мешающий ультразвуковой сигнал, рождающий соответствующую дифракционную картину, может быть принят как полезный сигнал.
Очевидно, что регистрация динамических свойств скин-слоя в прототипе также была возможной, но из-за малой чувствительности устройства, связанной с единичными актами акустической эмиссии и широкой полосой регистрации, чувствительность прототипа ниже, чем в предлагаемой полезной модели не менее чем на 45 дБ.
Описание функциональной схемы устройства
Устройство для обнаружения активных дефектов в металлических изделиях содержит высокочастотный блок или Блок СВЧ 1, состоящий из генератора
когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ (ГСВЧ) с излучающей антенной и приемника отраженных поляризованных электромагнитных волн СВЧ (ПСВЧ)с приемной антенной 3, блок питания генератора и приемника электромагнитных волн СВЧ (Блок питания СВЧ) 4, блок выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ (Блок ВСС) 5 с блоком питания ВСС) 6, представляющий собой устройство для усиления, анализа и выделения полезных электромагнитных сигналов СВЧ (волны, импульсы), блок электронного осциллографа-самописца (Блок ЭОС) 7 с блоком питания (Блок питания ЭОС) 8, представляющий собой устройство для регистрации и обработки полученной информации, персональный компьютер (ПК) 9 с блоком питания (Блок питания ПК) 10, генератор ультразвуковых колебаний (УЗК), содержащий блок питания (Блок питания УЗК) 11, блок задающих генераторов ультразвуковых колебаний (Блок генераторов УЗК) 12, блок усилителей ультразвуковых колебаний (Блок усилителей УЗК) 13 и контактные излучатели УЗК 14.
При этом выход приемника отраженных электромагнитных волн СВЧ соединен со входом блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ 5, выход блока выделения спектральных составляющих отраженных электромагнитных волн СВЧ 5 соединен с первым входом блока осциллографа-самописца 7, выход блока электронного осциллографа-самописца 7 соединен со входом персонального компьютера 9, первый выход блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний 12 соединен со вторым входом блока электронного осциллографа-самописца 7, второй и третий выходы блока задающих генераторов ультразвуковых колебаний 12 соединены со входами блока усилителей ультразвуковых колебаний 13, выходы блока усилителей ультразвуковых колебаний 13 связаны с контактными излучателями УЗК 14.
Конструкция и характеристика основных узлов устройства.
Генератор электромагнитных волн СВЧ выполнен на диоде Ганна марки ЗА-736, имеет выходную мощность не более 10 мВт и работает на частоте 9,8 гГц.
Приемник отраженных электромагнитных волн СВЧ выполнен на смесительном диоде волноводной серии 3А121. Блок СВЧ содержит задающий кварцевый генератор частоты 10 мГц с усилителями мощности, модуль демодулятора с усилителями сигнала, четыре стабилизатора напряжения.
Блок выделения спектральных составляющих 5 состоит из генератора качающейся частоты с варикапом, напряжение на котором можно менять с периодом 0,1-2 секунды, генератора постоянной частоты, смесителя этих двух сигналов, после смешивания с выхода смесителя выделяется качающаяся частота диапазона 1 кГц-100 кГц. Диапазон качания задается вручную, причем так, чтобы центральная частота качания на выходе смесителя находилась в диапазоне 44-72 кГц. С выхода первого смесителя сигнал качающейся частоты выбранного диапазоне подается на второй смеситель, который осуществляет выделение частот «нулевых» биений при смешивании с частотами сигнала, поступившего на вход блока выделения спектральных составляющих. На выходе второго смесителя установлен усилитель и фильтр с полосой пропускания 300 Гц относительно центральной 2,5 кГц. После усиления этот сигнал подается на выход блока и является входным для блока электронного осциллографа-самописца 7.
Блок электронного осциллографа-самописца 7 на приставке фирмы «Актаком» АСК 3116 позволяет в режиме реального времени наблюдать спектральный состав сигнала с выхода блока СВЧ 1 и записывать в память данные с выхода блока выделения спектральных составляющих (ВСС) 5. Оба варианта анализа могут быть включены одновременно на разные входы приставки. Однако анализ сигналов с разных входом выполняется раздельно.
Файлы с записью сигналов в выхода блока ВСС 5 могут быть переведены из графических в цифровые с помощью программы, содержащейся в пакете прикладных программ фирмы «Актаком».Тоже самое можно проделать с файлами записанными с выхода блока СВЧ 1.
Дальнейший анализ может быть проведен с цифровым представлением этих сигналов.
Блок задающих генераторов УЗК 12 состоит из двух отдельных генераторов, настроенных на резонансные частоты соответствующих излучателей (44 и 72 кГц). Генератор частоты 44 кГц может перестраиваться вручную в пределах 540 Гц.
Блок усилителей мощности УЗК 13 содержит два усилителя мощности для частот 44 и 72 кГц. Выход каждого усилителя через выходной повышающий трансформатор соединен с выходным разъемом блока. Амплитуду выходного сигнала каждого канала можно регулировать вручную, Блоки питания 4,6,8,10 и 11 функциональных блоков работают от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50-60 Гц.
Описание работы устройства
Включают генератор (ГСВЧ и приемник (ПСВЧ) когерентных поляризованных электромагнитных волн СВЧ, которые размещены в блоке СВЧ 1. Посредством излучающей антенный генератор ГСВЧ облучает волнами СВЧ с частотой 9,8 гГц поверхность контролируемого металлического изделия 15.
Приводят в действие генератор УЗК, для чего включают блок задающих генераторов УЗК 12, который вырабатывает ультразвуковые колебания с частотой несколько десятков кГц, в частности 44 и 72 кГц. Эти УЗК направляются в блок электронного осциллографа-самописца 7 для синхронизации и блок усилителей УЗК 13, где они усиливаются и через контактные излучатели 14 воздействуют на контролируемое изделие 15.
Указанные УЗК, имея низкую мощность не могут непосредственно сами вызвать акустическую эмиссию в зоне активного дефекта изделия, а следовательно изменить состояние скин-слоя изделия. Для этого требуется внешнее механическое воздействие на изделие.
Нагружают изделие 15, в результате чего в нем возникают значительные механические напряжения. При наличии в изделии активного дефекта 16, в частности свежей трещины, под воздействием внешних механических напряжений и УЗК, излучаемых 14, в зоне наибольших напряжений дефекта 16 возникает явление акустической эмиссии металла, происходит периодическое изменение градиента механической напряженности, появление переменной составляющей скин-слоя.
Изменения проводимости скин-слоя модулируют коэффициент отражения для когерентной поляризованной электромагнитной волны СВЧ, изменяют спектральный состав отраженной поляризованной электромагнитной волны, принимаемой приемником ПСВЧ блока СВЧ 1. На выходе СВЧ 1 блока эта модуляция выделяется в виде низкочастотых боковых составляющих СВЧ волны и передается в блок ВСС 5. Блоком ВСС 5 производится анализ спектрального состава боковых составляющих, их усиление. Низкочастотые боковые составляющие с выхода блока СВЧ 1 могут подаваться на вход электронного осциллографа-самописца (ЭОС) 7, и наблюдаться на экране, синхронизируясь соответствующими сигналами с выхода блока задающих УЗК 12. В случае подключения выхода блока ВСС 5 ко входу ЭОС в этом блоке регистрируются и обрабатываются, передаются в персональный компьютер (ПК) 9, на экране которого их можно наблюдать и записывать в память.
Таким образом, индикатором наличия в изделии активного дефекта являются периодические изменения электрической проводимости скин-слоя изделия, а не механические колебания или вибрации его поверхности, как в прототипе.
Технические и технологические преимущества полезной модели:
- за счет появления периодических изменений полезного сигнала, связанных с периодичностью воздействующего дополнительного источника УЗК, повышается чувствительность устройства, снижается полоса регистрации с единиц мегагерц до сотен Герц (40 дБ),
- за счет снижения рабочих частот СВЧ увеличивается допуск на люфт устройства крепления (до 1,5-2 мм), исключается необходимость очистки (полировки) поверхности перед исследованием, появляется возможность контроля движущихся и вращающихся изделий из металла,
- появляется возможность выявления активных дефектов в изделии имеющем посторонние источники шума, поскольку они не приводят к механическим разрушениям, изменению градиента напряженности, не изменяют параметры поверхностной проводимости.
Технический результат полезной модели: увеличение чувствительности устройства, повышение уровня его технологических и технических возможностей.