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 предлагаемому устройству является известное устройство для измерения различного вида неоднородностей в приповерхностных областях твердых тел [4].
Известное устройство [4], фиг. 2]] содержит лазерный источник излучения с оптическим элементом (цилиндрической линзой) и пьезоэлектрический преобразователь ПАВ, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, при этом лазерный источник излучения механически связан с шаговым двигателем, соединенным с ЭВМ, и цифровой осциллограф, вход которого подключен к пьезоэлектрическому преобразователю ПАВ.
При этом пьезоэлектрический преобразователь ПАВ и аналого-цифровой преобразователь образуют канал преобразования акустического сигнала в алгоритмам.
Недостатком известного устройства [4, фиг. 2] является недостаточная информативность о характере неоднородностей в твердом материале, что приводит к снижению точности при контроле.
Это обусловлено тем, что известное устройство содержит один канал преобразования и тем, что считывание информации с одного преобразователя осуществляется односторонне - только при перемещении лазерного источника излучения с оптическим элементом (возбудитель ПАВ) в положительном направлении оси +Х. Однако реальные неоднородности в материале могут иметь различные размеры и асимметричную форму, поэтому для повышения точности целесообразно проводить исследование образца (считывание информации) как с одной, так и с другой стороны.
Кроме того, недостатком известного 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 известном устройстве должна осуществлять и формирование управляющих сигналов для согласованного во времени функциональных блоков.
Технический результат, заключающийся в повышении точности при контроле неоднородностей твердых материалов 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, канал преобразования, состоящий из пьезоэлектрического преобразователя, установленного с обеспечением точечного контакта с поверхностью образца, и аналого-цифрового преобразователя, тем, что он содержит второй канал преобразования с пьезоэлектрическим преобразователем и аналого-цифровым преобразователем, блок обмена информацией с ЭВМ и микропроцессорный блок управления, соответствующие выходы которого подключены к управляющим входам импульсного лазера, механизма шагового перемещения, блока обмена информацией с ЭВМ и аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с информационными входами микропроцессорного блока управления, информационный выход которого подключен к информационному входу блока обмена информацией с ЭВМ, причем возбудитель поверхностной акустической волны расположен между пьезоэлектрическими преобразователями двух каналов преобразования.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема устройства.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для исходного положения возбудителя поверхностной акустической волны.
На фиг. 2 показано положение возбудителя поверхностной акустической волны в промежуточном положении при перемещении возбудителя по поверхности образца.
Связи для передачи информационных сигналов изображены утолщенными стрелками, а связи для передачи управляющих сигналов - тонкими стрелками.
1
2
1
2
1
1
2
2
Устройство для обнаружения и контроля неоднородностей твердых материалов содержит возбудитель 1 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 и 6, аналого-цифровые преобразователи 7 и 7, блок 8 обмена информацией с ЭВМ, микропроцессорный блок 9 управления, первый канал 11 преобразования, к которому относятся преобразователи 6 и 7, второй канал преобразования 12 с преобразователями 6 и 7.
1
2
Выходы микропроцессорного блока 9 управления подключены к управляющим входам импульсного лазера 2, механизма 5 шагового перемещения, блока 8 обмена информацией с ЭВМ и аналого-цифровых преобразователей 7 и 7, выходы которых соединены с информационными входами микропроцессорного блока 9 управления, информационный выход которого подключен к информационному входу блока 8 обмена информацией.
1
2
При этом возбудитель поверхностной акустической волны расположен между пьезоэлектрическими преобразователями 6 и 6 двух каналов преобразования 11 и 12.
Импульсный лазер 2 с цилиндрической линзой 3 предназначены для создания локальных термоупрутих напряжений в линейной локальной зоне образца 4 с формированием ПАВ.
Применение лазерного источника позволяет значительно расширить полосу частот, в которой производится измерение дисперсии. Использование импульсного лазера позволило генерировать ПАВ в диапазоне до 500 МГц.
Устройство работает следующим образом.
0
1
2
В исходном состоянии возбудитель 1 поверхностной акустической волны (ПАВ), состоящий из импульсного лазера 2 и цилиндрической линзы 3, расположен в начале контролируемого образца 4 (в координате Х) между двумя пьезоэлектрическими преобразователями 6 и 6, установленными на расстоянии L.
0
По управляющему сигналу 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.
При этом в зоне фокуса линзы 3 возникают локальные термоупругие напряжения, приводящие к генерации ПАВ в образце 4, которые распространяются в обе стороны по оси X.
1
2
0
n
1
2
1
1
Пьезоэлектрические датчики 6 и 6, находящиеся в точечном контакте с поверхностью образца 4 в координатах Х и X, воспринимают и преобразуют распространяющуюся в обоих направлениях ПАВ в аналоговые сигналы, поступающие соответственно на входы аналого-цифровых преобразователей 7 и 7, с выхода которых поступают далее в цифровом виде на входы блока 9 управления, который передает их через блок 8 обмена информацией в память ЭВМ, где они накапливаются в виде двух упорядоченных информационных подмассивов данных с привязкой каждого оцифрованного сигнала с пьезопреобразователей 6 и 6 к текущим координатам Xi положения возбудителя 1 ПАВ. 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 в направлении оси X и описанная выше последовательность формирования сигналов повторяется на каждом i-м шаге перемещения (i=1-n).
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.
t
i
f
f
Для каждой частотной компоненты получается набор из N фаз ϕ, определенных для соответствующей координаты X. По программе методом наименьших квадратов строилась кривая функции ϕ=2πf/cx, 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 микрон 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.