Перетворювач для приймання сигналів акустичної емісії

Перетворювач для приймання сигналів акустичної емісії, що містить порожній корпус, п'єзоелемент, два електроди, один з яких розміщується на неробочій поверхні п'єзоелементу, два елект 38687 Di = E i + Pi . нерівномірної щільності незалежних зарядів. У першому випадку, це дуже складна задача, яка потребує значних фінансових, часових та те хнічних витрат. Тоді викривлення ліній електричного поля між електродами можливо за рахунок нерівномірної щільності незалежних зарядів. Це досягається, згідно винаходу, існуванням двох п'єзоелементів, перший з яких має діаметр більш, ніж другий. Поперше, це забезпечує широку смугу пропускання. По-друге, це забезпечує підвищення чутли вості перетворювача, оскільки обидва п'єзоелементи формують заряди на електродах, однак перший п'єзоелемент виконує функцію додаткового підвищення зарядів на більшому електроді, що збільшує градієнт електричного поля та збільшує різність потенціалу між електродами. Винахід проілюстровано кресленнями, де на фіг. 1 надана загальна схема перетворювача для приймання сигналів АЕ, а на фіг. 2, 3 - амплітудночастотні характеристики перетворювачів, згідно винаходу та прототипу. Перетворювач для приймання сигналів акустичної емісії містить порожній корпус 1, в якому розмішуються п'єзоелементи 2, 3. Причому п'єзоелемент 2 має більший діаметр, ніж п'єзоелемент 3, та має тільки один неробочий електрод 4, а п'єзоелемент 3 має робочі електроді та 6, прийому електрод 5 з'єднано з неробочим електродом 4 п'єзоелементу 2. Неробочий електрод 4 та робочий електрод 6 мають з'єднання, відповідно, з дротами 7 та 8. Залишки порожнього корпусу 1 залиті копмаудом 9. При виготовленні перетворювача як матеріали, наприклад, можуть бути використані наступні: корпус 1 - латунь; п'єзоелементи 2, 3 діаметром, відповідно, 10 мм та 6 мм - стандартна п'єзокераміка ЦТС 19; компауд - епоксидна смола. З'єднання електродів 4 та 6 здійснюється методом пайки. Перетворювач, виготовлений згідно винаходу, порівнювався з перетворювачем прототипом. Обидва перетворювача мали однакові розміри та діаметри максимальних п'єзоелементів. Їхні характеристики (фіг. 2, 3) були отримані при проведені калібрування в центрі сертифікації перетворювачів для АЕ - НВО "Дальстандарт" (Росія). Калібрування виконувалось з використанням лазерної установки в діапазоні частот 50-1200 кГц. Отримані результати показали наступне. Максимальний коефіцієнт перетворення для перетворювача, згідно винаходу, дорівнює 7,4·108 В/м на частоті 975 кГц (фіг. 2), а для прототипу - 5,9·106 В/м на частоті 750 кГц (фіг. 3), що вказує на значне підвищення чутливості. Крім того, перетворювач, згідно винаходу, має більш рівномірну характеристику, ніж прототип. Перетворювач працює таким чином. При проведенні контролю виробу перетворювач встановлюється на його поверхні. При навантаженні виробу в його матеріалі трапляється розвиток дефектів, що приводить до визволення накопиченої енергії, яка розповсюджується у вигляді пружних хвиль, тобто виникає акустичне випромінювання. Перетворювач приймає ці пружні хвилі, та перетворює їх в електричний сигнал, який підсилюється та обробляється електронною апаратурою. Збереження широкої частотної смуги пропускання та підвищення чутливості здійснюється за (1) Для виготовлення перетворювачів АЕ використовуються зразки п'єзоматеріалів, які поляризовані за товщиною та мають вигляд циліндру з нанесеними на його поверхні електродами. Тому існує тільки нормальна складова вектору поляризації (Pn), яка чисельно дорівнює поверхневsq щільності зв'язаного заряду (tсвз), тобто Pn = t свз . Фактично ми маємо плоский конденсатор з напрямком поляризації, який перпендикулярний поверхні електродів. При наявності електричних дротів, які підключені до електродів, за рахунок електричної індукції на них виникають незалежні заряди (tсвб ). Якщо між електродами існує різність потенціалів, тоді tсвб ¹ t свз , тому пружність електричного поля дорівнює Е = t свб - t свз . (2) Як відомо, розширення смуги пропускання перетворювача можливо за рахунок зсуву власної частоти коливань перетворювача в область високих частот. Для цього потрібно виконати умови: при Di = const ® 0, E ® -P . Згідно (1), (2), це можливо при відсутності на поверхнях електродів незалежних зарядів або їх зменшення, що реалізується у режимі, який близький до холостого ходу, тобто режимі розімкнутого електричного стану. Це використовується у прототипі, де робочий електрод знаходиться не на поверхні зразка, а на відстані від неї, що відповідає умові: Di = const ¹ 0 . Такий режим забезпечує розширення смуги пропускання. Однак при цьому зменшується чутливість перетворювача, порівняно до резонансного перетворювача, оскільки зменшуються незалежні заряди, які є наслідком прямого п'єзоефекту, що використовується. В той же час відомо, що електричне поле (Ei) в п'єзоелементі є потенціальним та може характеризуватись скалярним потенціалом j: Ei = dj , dxi (3) де: xi - координати по і-му напрямку. Рішення (3) дає j n = ò E i dx i , (4) d де: d - товщина п'єзоелементу; jn - різність потенціалів між електродами. Оскільки електричне поле в даному напрямку охоплює всю поверхню п'єзоелементу, то ефективність електричного відгуку залежить від викривлення ліній електричного поля між електродами, що може дозволити зменшити прийом на частотах, які менш всього мають затухання в середовищі (низки частоти), тобто проводить корегування характеристики перетворювача. Згідно (1), (2), це можливо за рахунок створення нерівномірної поляризації (забезпечення нерівномірної щільності зв'язаних зарядів) або за рахунок забезпечення 2 38687 рахунок корегування частотної характеристики перетворювача та додаткового потенціалу, який виникає на неробочому електроді. Це реалізовано завдяки тому (фіг. 1), що введено додатковий п'єзоелемент 3 меншого діаметру, який має робочий 5 та робочий 6 електроди, а останній з'єднано з неробочим електродом 4 п'єзоелементу 2. Таким чином, збереження широкої частотної смуги про пускання обумовлене наявністю викривлення лінії електричного поля, тобто наявністю робочого та неробочого електродів, які мають різні діаметри, а підвищення чутливості - наявністю двох п'єзоелементів, які формують заряди на електродах, однак на неробочому електроді формується додатковий потенціал, що збільшує різність потенціалів між робочим та неробочим електродами. Фіг. 1 Фіг. 2 3 38687 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4