Ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений

 

Союз Советских

Социалистических

Республик ()ц 1 04757

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 30. 04. 81 (21) 3282402/18-28 (И) М. КП. с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет—

G 01 В 17/04

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 531. 781.2 (088. B) Опубликовано 15.03.83. Бюллетень ¹ 10

Дата опубликования описания 1 03.83

- . i 7.

М. А, Серединский, Н. С. Лебедев и В.М. Игнатов"-

I ",/

Институт проблем машиностроения AH Украинской ССР (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля материалов, основанным на измерении изменения скорости распрост ранения ультраэ вуковых колебаний в материале, и может быть использовано для контроля степени нагружения реэьбовых соединений.

Известно ультразвуковое устройство для контроля качества материалов, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пье. эопреобразователь, приемный блок, селектор, блок управления, счетчик и цифровой индикатор, вход которого подключен ко второму выходу блока управления, последовательно соединенные синхронизатор, первый блок антисовпадений, каскад задержки и .генератор развертки, электроннолучевую трубку, включенную между выходами приемного блока и генератора развертки, а также каскад совпадений, включенный между выходом счетчика и входом цифрового индикатора, и подключенный к третьему выходу блока управления, регистратор, включенный между выходами счетчика и блока управления, а вход генератора зондирующих импульсов подключен к выходу блока антисовпадений (1).

Недостатком устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что при определении временного интервала измеряют время npoeiera ультразвуковой волны, изменение которого носит случайный характер, через защитнор покрытие электроакустического преобразователя и жидкост- ную планку. Кроме того, определяют время однократного распространения зондирующего импульса до отражающей поверхности и обратно, при этом имеет место высокая абсолютная и относительная аппаратурная погрешность измерения временного интервала.

Наиболее близким к изобретению и по технической сущности и по достигаемому результату является ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений, содержащее re» нератор зондирующих импульсов, подключенные к нему электроакустический преобразователь, усилитель и блок индикации, второй вход которого сое25 динен с выходом усилителя, блок формирования импульсов, блок формирования измерительного интервала и цифровой измеритель скорости $2 (.

Недостатком устройства является

ЗО низкая чувствительность, так как в

1004757 основе его работы лежит эффект. изме- нения скорости сдвиговых волн от величины приложенных напряжений, Для получения заметного изменения скорости необходимо приложение значительных внешних напряжений. Так для относительного изменения скорости в стали от 20 до 30 единиц необходимо изменение приложенного напряжения G от 20 до 40 Мн/М . Устройство имеет низкую точность измерений, которая связана с тем, что величина систематической погрешности сравнима. с величиной изменения скорости ультразвука в материале, а Формирование временного интервала осуществляется при превышении15 амплитудой отраженного сигнала определенного порога срабатывания.

Целью изобретения является повышение чувствительности устройства.

Поставленная цель достигается 20 тем, что ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений, содержащее генератор зондирующих импульсов, подключенные к нему электроаккустический преобразователь, уси- 25 литель и блок индикации, второй нход которого соединен с выходом усилителя,. блок формирования импульсов, блок формирования измерительного интервала и цифровой измеритель скорости, снаб-30 жено блоком временной регулировки усиления, входом подключенным к выходу генератора зондирующих импульсон, выходом — к управляющему входу усилителя, блоком Фильтров, включенным между усилителем и блоком формирования импульсов, подключенным к выходу последнего блоком ключей, выход которого соединен со входом блока формирования измерительного интервала, подключенным к выходу последнего регистром памяти, выходом соединенным со входом цифрового измерителя скорости,подключенным параллельно ему блоком вывода информации, подключенными к .выходу усилителя последовательно сое-45 диненными блоком контроля и блоком управления, выходы которого раздельно подключены к управляющим входам блока индикации, блока ключей, блока формирования измерительных интервалов и 50 регистра памяти.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений содержит генератор 1 зондирующих импульсов, выход его соединен с электроакустическим преобразователем 2, усилителем 3, блоком 4 временной регулировки усиления, выход которого 60 соединен со вторым входом усилителя

3, и блоком 5 индикации, первый вход которого соединен с выходом усилителя 3, блок 6 контроля, вход которого подключен к выходу усилителя 3, блок 65

7 управления, вход которого соединен с выходом блока б- контроля, последовательно включенные с усилителем 3 блок 8 фильтров, блок 9 формирования импульсов, блок 10 ключей, ко второму входу которого подключен первый выход блока- 7 управления, блок 11 формирования измерительного интервала, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 7 управления, регистр 12 памяти, второй вход которо го подключен к третьему выходу блока

7 управления, и цифровой измеритель

13 скорости, параллельно которому включен блок 14 вывода информации, при этом четвертый выход блока 7 управления подключен к третьему входу блока 5 индикации.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 зондирующих импульсов возбуждает при помощи электрбакустического преобразователя 2 ультразвуковые импульсы н контролируемом изделии 15. Отраженные импульсы преобразуются этим же преобразователем в электрические сигналы, которые затем усиливаются усилителем 3. Одновременно с возбуждением преобразователя 2 зондирующий импульс подается на блок

4 временной регулировки усиления, который изменяет коэффициент усиления усилителя 3 таким образом, что компенсируется изменение амплитуды последовательности отраженных импульсов по зависимости> определяемой выражением

m 2cH =т

KMr =K

ОдоТ;

Т вЂ” период измерения; время распространения ультр аз ву ко вой волны н из делии у

d - коэффициент затухания ультразвуковой волны н изделии;

m — коэффициент отражения; зависящий от формы, размеров и ориентации отражающей поверхности;

К --коэффициент пропорциональности, зависящий от типа электроакустического преобразователя °

Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на блок 8 фильтров, где осуществляется выделение двух гармоник (н пронеденных экспериментах 500.и

1000 кГц). Излученный в контролируемое иэделие 15 импульс, вследствие ряда нелинейных эффектов, трансформируется в импульс, представляющий собой сумму гармоник, причем, чем. 1004757 больше расстояние, .пройденное импуль- сом, тем больше будет размываться принятый импульс, высокочастотные сост авляющие которого будут отст ават ь вследствие дисперсии скорости звука в. твердЬм теле. Установлено, что в резьбовых соединениях из различных материалов наблюдается отрицательная дисперсия: высшие гармоники имеют

Меньшую скорость. СкорОсть звука за,висит как от его частоты ы, так и от напряженно-деформированного состо- яния и определяется выражением

4(о с=с л

15 где d — величина, связанная с демпфированием дислокаций

Мо - резонансная частота днслока-20

G — модуль сдвига;

6 — коэфФициент Пуассонами 25 р †плотность материала иэделия

Со — скорость звука в материале изделия без учета дислокаций;

М вЂ” плотность дислокаций.. ЗО

Зависимость фаэовой скорости волны от деформациИ P объясняется нелинейным законом Гука и может быть охарактеризована выражением

С=С„E1+(С "/С") ()" 2 (3) Ç5 где с = М с" /е

С» — линейный модуль упругости, нелинейный модуль упругости.

Сигналы двух гармоник, выделенные блоком 8 фильтров, поступают на блок.

9 формирования импульсов, где происходит нормирование сигналов по длительности и амплитуде. Далее сигнал подается на блок 10 ключей, алгоритм работы которого обеспечивает открыва-45 ние временного селектора (не показан) блока 11 формирования измерительного интервала гармоникой.низшей частоты и закрывание гармоникой высшей частоты. Блок б контроля осуществляет се- 50 лекцию отраженных импульсов от зондирующего и выдает информацию на блок

7 управления. Гармоника низней часто.ты первого отраженного импульса открывает временной селектор блока 11 55 формирования измерительного интервала, счетчик которого заполняется тактовой частотой кварцевого генератора (не показан). Блок 7 управления закрывает временной селектор блока 11 в мо- щ0 мент прихода высшей гармоники отраженного импульса.

Цикл измерения повторяется о раз, результат счета суммируется в блоке

11 формирования измерительного интер-65 вала и по окончания заданного. (n) ко- личества измерений блок 7 управления выдает команду на запись информации в регистр 12 памяти, откуда она поступает на табло цифрового измерителя

13 скорости и через блок 14 вывода информации при необходимости может быть выдана на вычислительную машину.

Опытный образец устройства позволяет измерять временные интервалы между первым и десятым отраженными импульсами. Чорядковый номер счетного импульса зависит от длины контролируемого изделия и задается внешним устройством через блок 7 управления.

Количество циклов измерения установлено постоянно блоком 7 управления и равно 1000..На вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (не показана) блока 5 индикации .подается сигнал с выхода усилителя 3 через усилитель вертикального отклонения (не показан), сюда же подается сигнал с блока 7 управления, индицирующий, по какому отраженному импульсу закрывается временной селектор блока 11. На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки подается напряжение ат блока развертки (не показан), управляемого генератором 1 зондирующих импульсов.

Во время индикации результатов измерения осуществляется новое измерение по описанному циклу. использование устройства позволяет эа счет многократных измерений и . использования эффекта дисперсии звука повысить чувствительность измерений, что повышает вероятность фиксации минимальных изменений скорости звука в контролируемом изделии и обеспечивает увеличение .срока службы ответственных машин и. узлов.

Формула изобретения ультразвуковое устройство для измерения механических напряжений, содержащее генератор зондирующих импульсов, подключенные к нему электроакустический преобразователь, усилитель, и блок индикации, второй вход которого соединен с выходом усилителя, блок формирования импульсов, блок. формирования измерительного интерва ла и цифровой измеритель скорости, отличающееся.тем, что, а. целью повышения чувствительности, оно снабжено блоком временной регулировки усиления, входом подключенным к выходу генератора зондирующих импульсов, выходом.- к управляющему входу усилителя, блоком фильтров, включенным между усилителем и блоком форми рования импульсов, подключенным к вы1004757

Составитель Н. Долгова

Редактор Н.Горват Техред. М.Кастелевич Корректор Н.Король

Заказ 1850/49 Тираж 600 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 филиал ППП "Патент", r.Óêãîðîä, ул.Проектная, 4 ходу последнего блоком ключей, выход которого соединен со входом блока форМирования измерительного интервала, подключенным к выходу последнего регистром памяти, выходом соединенным со входом цифрового измерителя скорости, включенным параллельно ему блоком вывода информации, подключен ными к выходу усилителя последовательно соединенными блоком контроля и блоком управления, выходы которого, 1О

8 раздельно подключены к управляющим входам блока индикации, блока ключей, блока формирования измерительных интервалов и регистра памяти.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 634198,"кл. G 01 N 29/00, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 575560, кл. G 01 и 29/00, 1975 (прототип).