Устройство для измерения остаточных напряжений

 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности к средствам для определения величины и знака поверхностных остаточных напряжений. Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит расположенную на детали 1 пьезоэлектрическую пластину 2, которая закрепляется с помощью призм 3, например алмазных, закрепленных на ее противоположных сторонах, на пьезоэлектрической пластине 2 находятся электроды первого возбудителя 4, второго возбудителя 5 и датчик 6, которые имеют прямоугольную форму и расположены так, что покрывают всю ее поверхность, а их оси перпендикулярны призмам 3. Электрическая схема устройства включает генератор 7, который соединен с первым возбудителем 4. Датчик 6 через первый усилитель 8 соединен с первой схемой сравнения 9, сигнал с этой схемы сравнения через детектор 10 снимается первым индикатором 11. Одновременно генератор 7 через второй усилитель 12 соединен с второй схемой сравнения 13, выходной сигнал с которой через детектор 14 снимается вторым индикатором 15. Кроме того, генератор 7 через инвертор 16, потенциометр 17 и две параллельные цепочки, состоящие из последовательно соединенных второго детектора 18, который включен в прямом направлении, и первого ключа 19, а также третьего детектора 20, включенного в обратном направлении, и второго ключа 21 соединен с вторым возбудителем 5. 3 ил.

1613884 A

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 (1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ! сь (гд ОО, ОО ф

° вай

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4635507/24-10 (22) 12.01.89 (46) 15.12.90. Бюл. М 46 (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) P.Þ,Áàíñÿâè÷þñ, В.В.Волков, М.И.Долгин и Л.Ю.Милашюс (53) 531.781 (088.8) (56) Измерительная техника. 1984, М 8, с.4647.

Авторское свидетельство СССР

hh 785662, кл. G 01 1 1/12, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности к средствам для определения величины и знака поверхностных остаточных напряжений.

Цель — повышение точности измерения. Устройство содержит расположенную на детали 1 пьезоэлектрическую пластину 2, которая закрепляется с помощью призм 3, например алмазных, закрепленных на ее противоположных сторонах, на пьезоэлектрической пластине 2 находятся электргды первого возбудителя 4, второго возбудителя

5 и датчик 6, которые имеют прямоугольную форму и расположены так, что покрывают всю ее поверхность, а их оси перпендикулярны призмам 3. Электрическая схема устройства включает генератор 7, который соединен с первым возбудителем 4. Датчик

6 через первый усилитель 8 соединен с riepвой схемой сравнения 9, сигнал с этой схемы сравнения через детектор 10 снимается первым индикатором 11. Одновременно ге-. нератор 7 через второй усилитель 12 соединен с второй схемой сравнения 13, выходной сигнал с которой через детектор

14 снимается вторым индикатором 15. Кроме того, генератор 7 через инвертор 16, потенциометр 17 и две параллельные цепочки, состоящие из последовательно соединенных второго детектора 18; который включен в прямом направлении, и первого ключа 19, а также третьего детектора 20, включенного в обратном направлении, и второго ключа

21 соединен с вторым возбудителем 5. 3 ил.

1613884

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности к средствам для определения величины и знака поверхностных остаточных напряжений, Цель изобретения — повышение точности измерения и расширение области применения устройства.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2-разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3— графический вид сигналов, вырабатываемый при определении знака остаточных напряжений, Устройство для измерения остаточных напряжений содержит расположенную на детали 1 пьезоэлектрическую пластиНу 2, которая закрепляется с помощью призм 3, например алмазных, закрепленных на ее противоположных сторонах. На пьезоэлектрической пластине 2 находятся электроды первого возбудителя 4, второго возбудителя

5 и датчик 6, которые имеют прямоугольную форму и расположены так, что покрывают всю ее поверхность, а их оси перпендикулярны призмам 3.

Электрическая схема устройства содержит генератор 7, который соединен с первым возбудителем 4. Датчик 6 через первый усилитель 8 соединен с первой схемой 9 сравнения, сигнал с этой схемы сравнения через детектор 10 снимается первым индикатором 11. Одновременно генератор 7 через второй усилитель 12 соединен с второй схемой 13 сравнения, выходной сигнал с которой через детектор 14 снимается вторым индикатором 15. Кроме того, генератор

7 через инвертор 16, потенциометр 17 и две параллельные цепочки, состоящие из последовательно соединенных второго детектора 18, который включен в прямом направлении, и первого ключа 19, а также третьего детектора 20, включенного в обратном направлении, и второго ключа 21, соединен с вторым возбудителем 5.

Устройство работает следующим образом.

Для измерения величины и знака остаточных поверхностных напряжений в детали 1, пьезоэлектрическая пластина 2 крепится на ней с помощью алмазных призм

3, путем некоторого их вдавливания в поверхностный слой этой детали (на 30-50 мкм).

Затем к электродам первого возбудителя 4 подводятся колебания от генератора 7 (фиг, За). В итоге первый возбудитель 4 начинает совершать колебания, направленные вдоль пьезоэлектрической пластины 2 (вто обеспечивается соответствующей поляризацией пьезоэлектрической пластины 2). Так как призмы 3 закреплены на концах пьезоэлектрической пластины 2 и вдавлены в деталь

1, то поверхностная зона детали между призмами 3 подвергается воздействию растягивающих или сжимающих усилий, кото5 рые по величине обусловливаются существующими в детали 1 напряжениями.

При этом амплитуду колебаний необходимо подбирать такой, чтобы возникающие деформации вызвали напряжения, которые

10 при наличии остаточных напряжений и совпадении знаков выходят из зоны линейной зависимости.

Так как напряжения, а значит и деформации детали от воздействия первого возбу15 дителя 4, обусловливаются существующими в ней остаточными напряжениями, то закон изменения напряжений и деформаций при значительной амплитуде сигнала генератора 7 отличается от синусоидального. Позто20 му деформации, преобразуемые датчиком 6, сигнал которого пропорционален напряже- . нию, также являются несинусоидальными и на его обкладках ввиду проявления обратного пьезоэффекта формируется несинусо25 идальный электрический сигнал (фиг. Зб).

При наличии в детали 1 растягивающих остаточных напряжений несинусоидальным является положительный полупериод, а при наличии сжимающих — отрицательный.

30 Снимаемый датчиком 6 асимметрический сигнал подается на вход первого усилителя 8, где вследствие наличия второго каскада усиления полученный сигнал изменяется по фазе на 180 (фиг. Зв), Усилитель

35 8 является усилителем заряда, т.е. усилитель с очень большим входным сопротивлением (тысячи MOM), а время измерения исчисляется секундами (до 30 с). Затем сигнал подается на первый вход первой схемы

40 9 сравнения, где он сравнивается с сигналом, снимаемым с второго усилителя 12 (фиг. Зг). В случае совпадения первых по— лупериодов обоих сигналов, сигнал от усилителя 8 поступает на первый детектор 10,пред—

45 ставляющий собой однополупериодный выпрямитель, где детектируется и подается первому индикатору 11, представляющему собой осциллограф. По наличию этого сиг- :, нала в индикаторе 11 можно судить о суще50 ствовании или отсутствии в детали сжимающих напряжений.

В случае наличия в детали 1 сжимающих напряжений, несинусоидальным является положительный полупериод (после его из55 менения по фазе на 180 в усилителе 8) сигнала и после его сравнения в первой схеме 9 сравнения, первый индикатор 11 показывает выходной сигнал (фиг. Зд). В случае отсутствия сжимающих напряжений в детали 1 сравнение сигналов в первой схеме

1613884

15

30

40

50

9 сравнения ведет к нулевому сигналу, т.е. первая схема сравнения не пропускает сигнал к индикатору 11, Одновременно сигнал от генератора 7 через второй усилитель 12 подается на первый вход второй схемы 13 сравнения, а на второй ее вход подается сигнал от первого усилителя 8. Вторая схема 13 сравнения настроена таким образом, что если во время сравнения обоих сигналов их вторые по— лупериоды совпадают по величине, то сигнал от усилителя 8 подается через детектор

14 на индикатор 15, представляющий собой осциллограф, который служитдля определения наличия в детали растягивающих напряжений. В случае наличия в детали 1 растягивающих напряжений, несинусоидальным является отрицательный полупериод сигнала (после его изменения по фазе на 180 в усилителе 8) (фиг. Зе) и в индикаторе 15 появляется сигнал, указывающий на наличие растягивающих напряжений в детали 1 (фиг. Зж). В случае отсутствия растягивающих напряжений в детали, сравнение сигналов ведет к нулевому сигналу, т.е. вторая схема 13 сравнения не пропускает сигнал от первого усилителя 8 к индикатору 15.

Для определения величины остаточных напряжений сигнал от генератора 7 через инвертор 16, потенциометр 17 и две параллельные цепочки, состоящие из последовательно соединенных второго детектора 18, который включен в прямом направлении и первого ключа 19, а также третьего детектора 20, включенного в обратном направлении и второго ключа 21, поступает на второй возбудитель 5, При этом первый ключ 19 пропускает сигнал от второго детектора 18 к второму возбудителю 5 только в случае подачи на его управляющий вход сигнала от первой схемы сравнения 9, а второй ключ 21 пропускает сигнал от третьего детектора 20 к второму возбудителю 5 только в случае подачи на его управляющий вход сигнала от второй схемы 13 сравнения. В случае наличия в детали I сжимающих напряжений, в первой схеме 9 сравнения появляется выходной сигнал, который поступает на управляющий вход первого ключа и открывает .его. К второму возбудителю 5 проходит сигнал от генератора 7, который благодаря инвертору 16 и второму детектору 18 представляет собой синусоиду, в которой имеется только положительный полупериод, т.е. благодаря такому сигналу второй возбудитель 5 совершает только растягивающие колебания. Для определения величины остаточных сжимающих- напряжений необходимо с помощью потенциометра 17 изменять величину амплитуды подаваемых растягивающих напряжений, которые в дан-:ном случае являются компенсирующими.

Изме ять амплитуду этих колебаний необходимо до тех пор, пока в первом индикаторе 11 не появляется нулевой сигнал. В этом случае величина, на которую изменяется амплитуда растягивающих напряжений, пропорциональна величине остаточных сжимающих напряжений, присутствующих в исследуемой детали.

Если в детали 1 присутствуют растягивающие напряжения. то их величина определяется аналогично. В этом случае во второй схеме сравнения появляется выходной сигнал, который поступает на управляющий.вход второго ключа 21 и открывает его. К второму возбудителю 5 проходит сигнал от генератора 7. который благодаря инвертору 16 и третьему детектору 20 представляет собой синусоиду, в которой имеется только отрицательный полупериод, т.е. благодаря такому сигналу второй возбудитель 5 совершает только сжимающие колебания, Для определения величины остаточных растягивающих напряжений необходимо с помощью потенциометра 17 изменять величину амплитуды подаваемых сжимающих напряжений, которые в данном случае являются компенсирующими. Изменять амплитуду этих колебаний необходимо до тех пор, пока во втором индикаторе 15 не появляется нулевой сигнал, В этом случае величина, на которую изменяется амплитуда сжимающих напряжений, пропорц ональна величине остаточных растягивающих напряжений, присутствующих в исследуемой детали. Чтобы определить точное значение остаточных напряжений в физических единицах, устройство необходимо предварительно протарировать, используя для этого известные методы измерения остаточных напряжений, йапример, рентгеновский, электротензометрический и др.

Формула изобретения

Устройство для измерения остаточных. напряжений, содержащее генератор, преобразователь напряжения и первые усилитель, детектор и индикатор,о т л и ч а ю щ ее с я reM, что, с целью повышения точность| измерения, в него дополнительно введенМ две схемы сравнения, второй усилитель, два ключа, второй индикатор, три детектора, инвертор и потенциометр, а преобразователь напряжения выполнен в виде поляризованной по толщине пьезоэлектрической пластины с закрепленными íà ее противоположных концах алмазными приз16138И мами, причем пьезоэлектрическая пластина с одной стороны покрыта общим электродом, а с другой стороны — тремя электродами прямоугольной формы с осями, перпендикулярными алмазным призмам, 5 один из которых является датчиком, а два других — возбудителями, при этом датчик через первые усилитель, схему сравнения и детектор соединен с первым индикатором, первый возбудитель соединен с генерато- 10 ром, выход которого через инвертор, потенl

Составитель H. Вовчук

Тех ред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор С.Лисина

Заказ 3886 Тираж 477 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035,Москва,Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101

1

А-A г

Фиг. 7 циометр и две параллельные цепочки, состоящие из детектора и ключа каждая, соединен с вторым возбудителем, а также выход генератора через вторые усилитель, схему сравнения и второй детектор соединен с вторым индикатором, причем первый и второй ключи соединены каждый с первой и второй схемами сравнения соответственно, а выходы первого и второго усилителей связаны с второй и первой схемами сравнения соответственно.