Устройство для определения модуля упругости материалов

 

Изобретение относится к исследованию физических свойств материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения модуля упругости твердых тел. Цель изобретения - повышение точности определения модуля упругости материалов за счет изменений внутренней структуры материала при внешних воздействиях. В устройстве реализуется измерение скорости ультразвука в образце материала, по которой вычисляется его модуль упругости. Одновременно измеряется удельная электропроводность образца и учитывается при вычислении модуля упругости, что обеспечивает повышение точности его определения. 2 ил.

А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (И) д11 4 0 01 Б 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В,;Е :СИНЦ

Цт..Д,";:.: ЛКИЯ

Е,Ä).";;,О . c

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4389401 /25-28 (22) 09.03.88 (46} 23.11.89.Бюл. В 43 (7 1) Львовский политехнический институт ьж.Ленинского комсомола (72) Б.И.Стаднык, Б.В.Дунец, Я.Т.Луцик и В.П.Мотало (53) 620.179.16 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 504968, кл. 0 01 N 29/02, 1975.

Акустический журнал, т.10 вып.4, с. 483-485. (54) УСТРОЙСТВО ПЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к области исследования физических свойств матеИзобретение относится к исследованию физических свойств материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения модуля упругости твердых тел.

Целью изобретения является повьппение точности определения модуля упругости материалов за счет учета изменений внутренней структуры материала при внешних воздействиях.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для определения модуля упругости материалов; на фиг.2 — эпюры сигналов, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, последовательно соединенные усилитель 2 зондирующих импульсов, пьезопреобразователь

3 и акустическую линию 4 связи,усилитель-ограничитель 5 отраженных им2 риалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения модуля упругости твердых тел. Цель изобретения — повышение точности определения модуля упругости материалов за счет учета изменений внутренней структуры материала при внешних воздействиях. В устройстве реализуется измерение скорости ультразвука в образце материала, по которой вычисляется его модуль упругости.

Одновременно измеряется удельная электропроводность образца и учитывается при вычислении модуля упругости, что обеспечивает повышение точности его определения. 2 ил.

I пульсов, входом подключенный к пьезопреобразователю 3, элемент 6 задержки, вход которого объединен с входом усилителя 2 зондирующих импульсов,H9меритель 7 временных интервалов, детектор 8, первый 9, второй 10 и третий 11 D-триггеры с динамическим управлением по фронту импульса, элемент

И 12, дифференциатор 13, измеритель

14 удельной электропроводности материала образца, блок 15 вычисления модуля упругости и двухролюсный кнопочmN переключатель 16, выход детектора

8 подключен к С-входу синхронизации первого D-триггера 9, и информационный D-вход которого подключен к выходу элемента И 12, а инверсный ь1-выход подключен к С-входу синхронизации второго D-триггера 10 и к первому входу элемента И 12 второй вход которого подключен к инверсному Я"выходу

1523998 и объединен с информационным D-входом второго D-триггера 10, раздельные

R-входы установки в нулевое состояние первого 9 и второго 10 D-триггеров подключены к прямому Ц-выходу

5 третьего D-триггера 11, инверсный

Ц-выход которого подключен к его информационному D-входу, а С-вход синхронизации подключен к выходу элемента б задержки, вход которого подключен к раздельному R-входу установки в нулевое состояние третьего D-триггера 11, первый Я-выход первого D. триггера 9 через дифференциатор 13 подключен к входу измерителя 7 временных интервалов, выходы измерителя

7 временных интервалов и измерителя

14 удельной электропроводности подключены соответственно к первому и второму входам блока 15 вычисления модуля упругости, подвижный контакт двухполюсного кнопочного переключателя 16 подключен к выходу генератора

1 зондирующих импульсов, нормально замкнутый неподвижный контакт подключен к входу усилителя 2 зондирующих импульсов, а нормально разомкнутый неподвижный контакт нодключеи к раздельному S-входу установки в единичное состояние третьего Ь-триггера 11.

Кроме того, на фиг, I показан образец 17 исследуемого материала.Входы измерителя 14 удельной электропроводности подключают к противоположным торцам образца исследуемого мате- З5 риала 17, который устанавливают на свободной торцовой поверхности акустической линии 4 связи.

Устройство работает следующим об40 разом.

Перед началом измерений для устранения неопределенного состояния триггеров 9, 10 и 11 нажатием кнопки 16

"Сброс" осуществляют установку триггеров 9 - 11 и элемента И 12 s исход45 ное состояние. При этом электрический импульс положительной полярности (фиг.2а) с выхода генератора 1 поступает на раздельный вход установки в единичное состояние третьего триггера 50

11 и своим фронтом устанавливает на прямом Я-выходе напряжение высокого уровня, т.е. "1" (фиг.2е), а на инверсноМ Я-выходе — напряжение низкого уровня, т.е. "0" (фиг.2ж) ° Сиг- 55 нал "1" с прямого Я-выхода третьего триггера 11 поступает на раздельные

R-входы установки в нулевое состоя" ние первого 9 и второго 10 триггеров, в результате чего на прямом Я-выходе первого триггера 9 устанавливается

"0" (фиг.2б,л), а на инверсных Ц-выходах первого 9 (фиг.2к) и второго

10 (фиг.2з) триггеров "1". Поскольку на оба входа элемента И 12 поступают "1", то на ее выходе и на информационном D-входе первого триггера 9 также устанавливается "1" (фиг.2и).

При отпускании кнопки 16 (позиция

"Измерение" ) кратковременный электрический зондирующий импульс (фиг.2б) от генератора 1 усиливается усилителем и поступает на пьезопреобразователь 3, где преобразуется в акустический сигнал, который по акустической линии 4 связи поступает на образце 17. Часть этого акустического сигнала отражается от начала образца 17 и по акустической линии 4 связи поступает обратно на ньезопреобразователь

3, где преобразуется в электрический сигнал и поступает на вход усилителяограничителя 5. Другая часть акустического сигнала проходит по образцу

17, отражается от его конца, снова проходит по нему, к его началу,где снова происходит ее разделение — одна часть через линию 4 связи и ньезопреобразователь 3 поступает на вход усилителя-ограничителя 5, а другая возвращается в тело образца 17.Таким образом, на выходе усилителя-ограничителя 5 (фиг.2в) и детектора 8 (фиг.2г) появляется серия отраженных импульсов (А,В N н P), причем первый отраженный импульс А появляется через интервал времени 2 „+ ь (где

- время прохождения акустического сигнала по акустической линии 4 связи; ьз — время задержки сигнала в электронных цепях устройства) от начала зондирующего импульса, а последующие импульсы В, Б и Р появляются через интервалы времеии 2 с (где с, - время прохождения акустического сигнала по образцу),, Кроме этих отраженных импульсов ° на выходе уси» лителя 5 и детектора 8 появляется прямой импульс М (фиг.2г) с пьезопреобразователя 3, совпадающий по времени с зондирующим импульсом генератора 1.

Иэ этой последовательности импульсов необходимо выделить первый А н

1

l h? 19 второй В Аиг,2г1 отраженные импульсы и измерить временной интервал между ними, равный времени двойного прохождения акустического сигнала по обл

5 разцу 17, т е. равный 2 i<, с учетом которого определяют скорость распространения ультразвуковых колебаний в матерйале образца, Для этой цели предназпачены элемент 6 задержки, 10 первый 9, второй 10 и третий 11 Dтриггеры с динамическим управлением по фронту импульса, элемент

И 13, а также дифференциатор 13 и измеритель 7 временных интервалов. 15

Измерение временного интервала между первым А и вторым В (фиг ° 2r) отраженными импульсами осуществляется следующим образом.

Зондирующий импульс генератора 1 (фиг.-26) поступает на вход элемента 6 задержки и на раздельный R-вход установки в нулевое состояние третьего триггера 11, в результате чего на

его прямом g, — выходе устанавливается

"0" (фиг,2г,е), а на инверсном Q-выходе и информационном D-входе "1" (фиг.2ж). Нулевой потенциал с прямого Ц-выхода третьего триггера 11 пере. дается на раздельные R-входы первого 30

9 и второго 10 триггеров. Таким образом, триггер 9 закрыт нулевым потенциалом íà R-входе и импульс M (фиг.2г), поступающий на его С-вход синхронизации, не может изменить его состояние, т,е. потенциалы прямого (фиг.2) и инверсного Q (фиг,2к) выходов не изменяются, Зондирующий импульс, задержанный и элементе 6 задержки на время (AHr.2ä), большее чем длительность ь,„ импульса 11 (Фиг.2г), поступает на С-вход синхронизации третьего триггера ll в результате чего на его прямом Q-выходе устанавливается 45

"1" (фиг.-2е), которая передается на

R-входы установки в нулевое состояние первого 9 и второго !О триггеров.

Поскольку первый триггер 9 и так находится в нулевом состоянии ("0" на 50 прямом выходе), то его состояние (фиг.2л) не меняется. Второй триггер

10, имеющий после первого измерительного цикла на инверсном выходе "0" (Фиг,2з), изменяет при этом свое сос- д5 тояние и на его инверсном выходе появляется "1" (фиг.2з). В результате этого на выходе элемента И 12(фиг.2и) и на информационном D-входе первого

98

6 триггера 9 устанавливается "1". Схема готова к приему первого отраженного импульса А (фиг,2г).

Первый отраженный импульс A,ïneòóлающий на С-вход синхронизации первогo триггера 9, своим фронтом изменяет его состояние, т.е. на прямом Ц-выходе устанавливается "1" (фиг.2л), а на инверсном Q-выходе "0" (фнг.2к), При этом состояние второго триггера

l0 не меняется (фиг,2з), а на выходе элемента И 12 (фиг.2и) и на информационном D-входе первого триггера 9 устанавливается "0" . Второй отраженный импульс В (фиг.2), поступакщий на С-вход синхронизации первого триггера 9, своим фронтом снова изменяет его состояние, т.е. на прямом

Ц-выходе устанавливается "0" (фиг.2л), а на инверсном Я-выходе "1" (фиг.2к), При этом состояние второго триггера

10 изменяется, т.е, на его инверсном

Я-выходе устанавливается "0" (фиг,2з), а на выходе элемента И 12 нулевой потенциал не меняется (фиг.2и), следовательно на информационном входе первогп триггера удерживается "0".

Третий отраженный импульс N (фиг,2г) и все последующие (на фиг.2г показан еще только один импульс P1, поступающие на вход синхронизации с первого триггера 9, не могут изменить его состояние,поскольку на его информационном D-входе стабильно поддерживается нулевой потенциал (фиг.2и),который повторяется на прямом Я-выходе (фнг.2л).

Таким образом, на прямом Ц-выходе первого триггера 9 сформирован один импульс длительностью 2, (фиг.2л), равной двойному времени прохождения акустического сигнала по образцу 17.

Этот импульс поступает в дифференциатор !3, где преобразуется в два коротких импульса (фиг.2м), временной интервал между которыми равный такл

Э же 2 о, измеряется измерителем 7 временных интервалов.

Полученные результаты измерений времени прохождения акустического сигнала в образце поступают в блок

15 вычисления модуля упругости Е,который вычисляется по формуле где - теоретическая плотность материала;

1523998

1 — длина акустического пути в образце 17; и о

У вЂ” соответственно теоретическое и экспериментальное значение удельной электропроводности исследуемого материала, Величина У измеряется измерителем

14 удельной электропроводности и поступает на второй вход блока 15 вычисления модуля упругости.

На этом измерительный цикл закон чен. С приходом следующего зондирующего импульса генератора 1 (фиг.2б) начинается следующий измерительный цикл. Период Т следования зондирующих импульсов выбирается достаточно большим, чтобы в исследуемом образце мно- 2О гократные отражения предыдущего импульса полностью эатухли к моменту прихода следующего импульса.

Предлагаемое устройство для определения модуля упругости материалов 25 по сравнению с известным повышает точность определения модуля упругости материалов, изменяющих внутреннюю структуру при внешнем воздействии, например, при механических нагружени- gg ях или изменении температуры.

Повышение точности определения модуля упругости достигается тем,что, в данном устройстве одновременно с измерением скорости распространения ультразвуковых волн в материале образца дополнительно осуществляется измерение удельной электропроводности материала образца, а действительное значение модуля упругости определя- 4О ется по формуле (1). Это позволяет устранить методическую погрешность определения модуля упругости,обусловленную влиянием изменения внутренней структуры материала на скорость рас- 45 пространения в нем ультразвуковых волн, которая может составлять 11 и более.

Формула и з о б р е т е н и я

Устройство для определения модуля упругости материалов, содержащее генератор зондирующих импульсов, последовательно соединенные усилитель эон55 цирующих импульсов, пьезопреобразователь и акустическую линию связи,усилитель-ограничитель отраженных импульсов, входом подключенный к пьезопреобразователю, элемент задержки, вход которого объединен с входом усилителя зондирующих импульсов, и измеритель временных интервалов, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения модуля упругости материалов, изменяющих внутреннюю структуру при внешнем воздействии, оно снабжено детектором, первым, вторым и третьим D-триггерами с динамическим управлением по фронту импульса, элементом И,дифференциатором, измерителем удельной электропроводности материала образца блоком вычисления модуля упругости и двухполюсным кнопочным переключателем, выход детектора подключен к входу синхронизации первого Dтриггера, информационный D-вход которого подключен к выходу элемента И, а инверсный выход подключен к входу синхронизации второго Р-триггера и к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу и объединен с информационным входом второго D-триггера, раздельные входы установки в нулевое состояние первого и второго Р-триггеров подключены к прямому выходу третьего D-триггера, инверсный выход которого подключен к его информационному входу, а вход синхроннзации— к выходу элемента задержки, вход которого подключен к раздельному входу установки в нулевое состояние третьего D-триггера, прямой выход первого

D-триггера через дифференциатор подключен к входу измерителя временных интервалов, выходы измерителя временных интервалов и измерителя удельной электропроводности подключены соответственно к первому и второму входам блока вычисления модуля упругости, подвижный контакт двухполюсного кнопочного переключателя подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, нормально замкнутый неподвижный контакт подключен к входу усилителя зондирующих импульсов, а нормально разомкнутый неподвижный контакт— к раздельному входу установки в единичное состояние третьего D-триггера.

1 1

1523998

ИЗМЯРюиу

Фие. 2