РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТРУКТУРОСКОП

Техническое решение относится к неразрушающим методам исследования и может быть использовано для контроля внутренних структур объектов, а также определения их геометрических параметров и физических характеристик.
Известны лазерно-ультразвуковые дефектоскопы (см., например, патенты RU №№: 2544257, МПК G01N 29/04, опубликован 10.04.2012 г.; 2653123, МПК G01N 29/04, опубликован 07.05.2018 г.), содержащие импульсный лазер, соединенный посредством оптоволоконного кабеля с оптико-акустическим преобразователем, расположенным на поверхности исследуемого объекта, пьезоприемник в виде решетки из локальных пьезоэлементов, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, и вычислительное устройство.
Известные устройства работают следующим образом.
Импульсный лазер генерирует световые импульсы определенной энергии с частотой в заданном диапазоне. После их передачи по системе доставки луча лучи проходят через оптически прозрачную решетку и попадают на оптико-акустический преобразователь. При поглощении лазерных импульсов за счет нестационарного теплового расширения возбуждаются акустические импульсы. Акустические импульсы, распространяются в глубь исследуемой среды от поверхности исследуемого материала и отражаются от искомых неоднородностей (дефектов), отраженные волны регистрируются решеткой, составленной из пьезоэлементов, преобразуются в электрические импульсы и передаются на аналого-цифровой преобразователь. Усиленные сигналы обрабатываются вычислительным устройством, с получением в итоге двумерного изображения исследуемого материала.
Недостатком известных устройств является невозможность исследования с их помощью протяженных трехмерных объектов.
Известны устройства для обнаружения и контроля неоднородностей твердых материалов (см., например, патенты RU №№: 176015, МПК G01N 29/07, опубликован 26.12.2017 г.; 176116, МПК G01N 29/07, опубликован 09.01.2018 г.), содержащие 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 одного или нескольких пьезоэлектрических преобразователей, установленных с обеспечением точечного контакта с поверхностью образца, и аналого-цифровой преобразователь. Кроме того устройства содержат микропроцессорный блок управления, блок обмена информацией с ЭВМ и коммутатор аналоговых сигналов, входы которого подключены к выходам пьезоэлектрических преобразователей, а выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя, при этом соответствующие выходы микропроцессорного блока управления подключены к управляющим входам импульсного лазера, механизма шагового перемещения, коммутатора аналоговых сигналов, блока обмена информацией с ЭВМ и аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом блока обмена информацией с ЭВМ.
Общим недостатком известных устройств является невозможность исследования с их помощью объектов в полевых условиях. То есть, возможно исследовать, например, фрагмент обшивки крыла самолета (в лаборатории) при условии того, что ею размеры не превышают определенных значений, однако исследовать всю обшивку непосредственно на самолете невозможно.
Известен принятый в качестве ближайшего аналога лазерно-ультразвуковой дефектоскоп (см. патент RU №2381496, МПК G01N 29/04, опубликован 10.02.2010 г.), содержащий импульсный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный через усилитель с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом оптико-акустический преобразователь выполнен в виде единого блока, расположенного на исследуемом объекте, и содержит пластину оптико-акустического генератора, помещенную между исследуемым объектом и прозрачным цилиндром, на торце которого расположен пьезоприемник, а фаска цилиндра сопряжена через оптическую систему с оптоволокном.
Известный дефектоскоп работает следующим образом. Оптико-акустический генератор приводится в акустический контакт с исследуемым объектом. Лазерный импульс поступает с лазера через оптоволокно, оптическую систему, фаску и прозрачное тело цилиндра на пластину оптико-акустического генератора. Последний излучает акустический импульс в прозрачный цилиндр и исследуемый объект. Рассеянные в объекте акустические импульсы через оптико-акустический генератор и прозрачный цилиндр попадают на пьезоприемник, и его электрический сигнал, усиленный усилителем, поступает в аналого-цифровой преобразователь.
Известное устройство позволяет исследовать объект непосредственно в месте его расположения, однако с его помощью невозможно получать трехмерное изображение всего исследуемого объекта.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является возможность анализа состояния исследуемых объектов различных размеров и конфигураций непосредственно в местах их размещения.
Технический результат, реализуемый при помощи полезной модели, заключается в создании объемной модели исследуемого объекта, содержащей в себе данные о неоднородностях его структуры, поверхностных и внутренних дефектах, соответствующие их реальному местоположению.
Технический результат достигается тем, что роботизированный лазерно-ультразвуковой структуроскоп содержит приемно-излучающий модуль, включающий источник лазерного излучения, оптико-акустический преобразователь, пьезоприемник, аналого-цифровой преобразователь и блок передачи данных, закрепленный на подвижной платформе манипулятора, содержащего, по меньшей мере два сустава, шарнирно соединенные между собой, при этом подвижная платформа закреплена на оконечном суставе манипулятора с обеспечением двух степеней свободы, а приемно-излучающий модуль дополнительно содержит блок пространственного позиционирования.
Кроме того, приемно-излучающий модуль роботизированного лазерно-ультразвукового структуроскопа дополнительно может содержать дозатор контактной среды, выпускное отверстие которого сопряжено сбоку с оптико-акустическим преобразователем.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически представлена конструкция устройства, на фиг. 2 - принципиальная схема приемно-излучающего модуля.
В состав роботизированного лазерно-ультразвукового структуроскопа входят приемно-излучающий модуль 1, включающий источник 2 лазерного излучения, оптико-акустический преобразователь 3, пьезоприемник 4, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 передачи данных, блок 7 пространственного позиционирования и дозатор 8 контактной среды, манипулятор 9 с суставами 10 шарнирными соединениями 11 и платформой 12.
Анализ структуры исследуемого объекта с помощью заявляемого устройства реализуется следующим образом.
Манипулятор 9 структуроскопа закрепляют в непосредственной близости от объекта исследования и изменяя взаимное положение его элементов (суставов 10 на шарнирных соединениях 11 и платформы 12) приводят приемно-излучающий модуль 1 в позицию, когда его оптико-акустический преобразователь 3 сопрягается с поверхностью исследуемого объекта в точке, принимаемой за начало координат. При этом закрепленная на оконечном суставе 10 подвижная платформа 12, обладающая двумя степенями свободы, располагается таким образом, чтобы сканирующий акустический сигнал из оптико-акустического преобразователя 3 проникал в структуру исследуемого объекта под углом максимально близким к нормальному для обеспечения наилучшего соотношения сигнал/шум при его переизлучениях и отражении из объекта. В случаях, когда поверхность исследуемого объекта имеет кривизну, не позволяющую обеспечить полное сопряжение поверхности оптико-акустического преобразователя 3 с поверхностью объекта, оно обеспечивается за счет заполнения зазора контактной средой, поступающей через выходное отверстие дозатора 8.
Начальное положение приемно-излучающего модуля 1 на объекте определяется блоком 7 пространственного позиционирования, его координаты через блок 6 передачи данных поступают в устройство обработки информации (в качестве которого может выступать компьютер с соответствующим программным обеспечением). Передача данных может осуществляться как проводным, так и беспроводным образом.
Непосредственно процесс исследования происходит следующим образом.
Лазерный импульс поступает из источника 2 лазерного излучения (напрямую, или же через оптическую систему доставки, например, оптоволоконный кабель) в оптико-акустический преобразователь 3. Последний излучает акустический импульс внутрь исследуемого объекта. Отраженные в объекте акустические импульсы попадают на пьезоприемник 4, а его электрический сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь 5 и далее через блок 6 передачи данных в устройство обработки информации.
После проведения исследования структуры объекта в начальной точке манипулятор 9 перемещает платформу 12 с приемно-излучающим модулем 1 по заданному алгоритму в следующую точку исследования (при этом шаг перемещения может варьироваться в зависимости от требований к результатам исследований). В случаях, когда существует объемная модель исследуемого объекта, использование заявляемого технического решения позволяет произвести само исследование в режиме «сплошного сканирования» с точной привязкой реальных точек объекта к его объемной модели. В случаях, когда объемная модель отсутствует, ее становится возможным создать в процессе проведения самого исследования.
При этом в случаях, когда геометрические размеры объекта исследования не позволяют провести его полностью без перестановки манипулятора 9 (с одной точки фиксации), объект возможно разбивать на зоны. Закончив исследование одной зоны, манипулятор 9 структуроскопа переустанавливают на новое место, синхронизируют начальное положение приемно-излучающего модуля 1 на платформе 12 с его же конечным положением при исследовании первой зоны при помощи блока 7 пространственного позиционирования и, далее, производят исследование следующей зоны по соответствующему алгоритму. По объемной модели объекта строится программа, по которой манипулятор 9 перемещает приемно-излучающий модуль 1 структуроскопа, что позволяет гарантированно обследовать всю площадь объекта и «склеить» в единую картину, т.е. привязать к координатам объемной модели информацию, полученную с помощью структуроскопа.
Заявляемый роботизированный лазерно-ультразвуковой структуроскоп позволяет проводить исследования объектов значительных геометрических размеров и сложной конфигурации непосредственно в «полевых условиях», то есть на местах их размещения.