УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК СДВИГОВЫХ ВОЛН
ULTRASONIC TRANSDUCER OF SHEAR WAVES

Изобретение относится к области средств неразрушающего контроля (НК) и может быть использовано для контроля напряженного состояния металлоконструкций, в том числе и при неоднородном распределении напряжений в районе сварных швов, в трубах, различных металлических профилях, нефте- и газопроводах и т.п.
Оценка надежности (а следовательно, обеспечение безопасной эксплуатации) многочисленных работающих объектов не является полной без достоверного представления об их напряженно-деформированном состоянии [1]. Среди современных методов неразрушающего контроля интенсивно развиваются методы, основанные на анализе параметров упругих волн, прошедших через контролируемую среду [1]. Анализируемая информация усредняется по площади, определяемой зоной акустического контакта. Для контроля одноосного напряженного состояния используют сдвиговые волны, вводимые в контролируемый объект нормально его поверхности с векторами поляризации, ориентированными в двух взаимно перпендикулярных направлениях, измеряют задержки (время распространения) упругих волн [2]. По известным методикам определяют напряженное состояние. На практике обычно реализуют один из следующих способов излучения и приема упругих сдвиговых волн:
1) датчиком, содержащим один излучатель (приемник), проводят измерения, ориентируя датчик вектором поляризации вдоль действующего напряжения, затем датчик поворачивают на 90° и повторяют измерения,
2) используют датчик сдвиговых волн, содержащий в одном корпусе два сдвиговых пьезопреобразователя, ориентированных векторами поляризации под углом 90° друг к другу.
Недостатком первого варианта контроля является необходимость изменения положения датчика в процессе контроля. Для этого требуется дополнительное время. Но более существенным недостатком является вероятность появления ошибки измерения, связанной с неточностью установки датчика в новое положение и неточностью угла поворота (отличного от 90 градусов).
При реализации второго способа сдвиговые преобразователи устанавливают в одном корпусе, ориентируя под углом 90 градусов, как можно ближе друг к другу. Измерение на малой базе становится актуальным, когда в пределах акустического датчика изменение напряжений будет существенным [4], реальные максимальные и минимальные напряжения, действующие на базе датчика, будут отличаться от результатов, получаемых усреднением по площади датчика.
Известен комплексный ультразвуковой датчик [3], содержащий корпус с выполненными в нем тремя отверстиями, в которых установлены подпружиненные по своей продольной оси ультразвуковые преобразователи, соединенные радиочастотным кабелем с преобразователем сигналов и обеспечивающие одновременное измерение временных задержек отраженных импульсов ультразвуковых волн различных типов от контролируемого участка. При этом один из них имеет продольную поляризацию излучаемой ультразвуковой волны, а два других имеют поперечную поляризацию излучаемой ультразвуковой волны во взаимно перпендикулярных направлениях.
Данное техническое решение [3], как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, принято за прототип.
Недостаткам прототипа является невысокая точность контроля сложного пространственного распределения напряжений. Например, в районе сварного шва напряжения существенно меняются на длине в несколько миллиметров. Усредненные результаты, полученные по площади датчика, приводят к ошибке измерения.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности, повышение точности и достоверности определения напряжений в контролируемом объекте.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На Фиг.1 показана схема разрезки заготовки из поляризованной по толщине пьезокерамики, имеющей электроды 3. На Фиг.2 показано расположение пьезопластин (направление поляризации). На Фиг.3 показан разрез датчика сдвиговых волн в вертикальной плоскости.
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция датчика, состоящая из двух пьезокерамических излучателей (приемников) сдвиговых волн, с взаимно перпендикулярной поляризацией. Пластины вырезают из толстой заготовки (толщина не менее размеров датчиков сдвиговых волн), поляризованной по толщине пьезокерамики. Направление реза 2 совпадает с направлением поляризации 1. Схема разрезки представлена на Фиг.1. Толщина среза определяется
где V - скорость упругих сдвиговых волн в пьезокерамике,
p
f - частота механического резонанса излучаемых упругих волн.
После разрезки на поверхности пьезопластин методом вакуумного напыления наносят токопроводящие слои, к которым припаивают в дальнейшем проводники. Такая пьезопластина позволяет излучать (принимать) сдвиговые волны перпендикулярно поверхности контролируемого объекта. В качестве контактного слоя используется вязкая среда типа эпоксидной смолы без отвердителя или специальная контактная жидкость.
Для изготовления такого датчика пъезопластину размером 5×5 мм разрезают по диагонали. Далее одну из треугольных пластин поворачивают на 180 градусов в плоскости, нормальной к ее поверхности (на фиг.2 стрелками показано направление поляризации пъезопластин 4, 5). В результате этого действия направления поляризаций пьезопластин составляют 90 градусов по отношению друг к другу. Для получения стабильного и надежного акустического контакта излучающие плоскости пьезопластин должны лежать в одном уровне. Со стороны, противоположной плоскости акустического контакта (фиг.3), к пьезопластинам припаивают радиочастотный кабель 7 и приклеивают механический демпфер 8 в форме пирамиды. Демпфер изготавливается из пластифицированной эпоксидной смолы, в которую в объемном соотношении 1:1 вносится наполнитель из вольфрамовых шариков со средним диаметром 0.05 мм. Достаточно высокая плотность материала пирамиды обеспечивает ее высокие демпфирующие свойства, а создававшийся градиент плотности по высоте пирамиды способствует уменьшению эффекта паразитных переотражений упругих волн от боковых граней механического демпфера. Градиент плотности создается в процессе твердения смолы. Датчик экранируют цельнометаллическим экраном 10. Внутри металлического экрана устанавливают постоянный магнит 6. Такой магнит совместно с пружиной 9 обеспечивает фиксированный акустический контакт с контролируемой конструкцией, что также повышает точность измерения напряжений в объекте.
Ультразвуковой датчик работает следующим образом. На поверхность контролируемого участка наносят тонкий слой вязкой жидкости, устанавливают датчик таким образом, чтобы направление поляризации одной из пьезопластин ультразвукового преобразователя было параллельно действующему напряжению. Затем подают электрические импульсы по радиочастотному кабелю на пьезопластины 4, 5, которые поочередно излучают импульсы сдвиговых волн перпендикулярно поверхности контролируемого образца. Этими же пьезопластинами принимают упругие волны, которые вновь преобразуются в электрические импульсы. После этого поочередно измеряют временные задержки отраженных импульсов ультразвуковых волн, излученных пьезопластинами 4, 5. По измеренным задержкам, при помощи известных методик и уравнений акустоупругости, определяют напряжения в контролируемой зоне.
Источники информации
1. Неразрушающий контроль: Справочник / Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 2004. Т.4 - 736 с.
2. Патент РФ №2057330, МПК G01N 29/00, Акустический способ определения внутренних механических напряжений в твердых материалах / В.Т.Власов, Б.Н.Марин, Е.С.Юрчук, Ю.А.Коровкин, В.Е.Ударцев, опубликовано 1996.03.27.
3. Патент РФ №2240552, МПК G01N 29/04, Комплексный ультразвуковой датчик / А.Л.Углов, В.М.Андрианов, О.Ю.Баталии, опубликовано 2004.11.20.
4. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.