Спосіб дефектоскопії п’єзокерамічних перетворювачів та пристрій для його здійснення

1. Способ дефектоскопии пьезокерамических преобразова телей , заключающийся в том, что в пьезокерамическом преобразователе возбуждают механические колебания переменным электричес ким полем двух ча сто т в области резонан са его частотной характеристики, принимают механичес кие колебания на разностной частоте и судя т о ка честве пьезокерамического преобразователя, от лича ющийся тем , что передают элек три ческие колебания в виде пакетов с заданным соотноше нием амплитуд, преобраз уют принятые ме хани ческие колебания в принятые элехтрические коле бания, при этом амплитуду принятых электричес ких колебаний синхронно с прохождением пакета с'боль шей ампли тудой умень ша ют в число раз , равное заданному соотношению амплитуд, выде ляют из приняты х электри чески х колебаний оги бающую, выделяют из огибающей переменную, составляющую, которую уменьшают до нуля изме нением соотношения амплитуд пакетов передан ных электрических колебаний, а о качестве пьезо керамического преобразователя судят по степени его нелинейности. 2. Устройство дефектоскопии пьезокерамических преобразователей, содержащее первый и второй генераторы электрических колебаний, сумматор, входы которого соединены с выходами генераторов, а к вы ходу последова тельно присоединены пьезокерамический преобразователь и фильтр нижни х ча сто т, о тли чающее ся тем , что оно до полнительно снабжено генератором прямоугольных импульсо в, первым и вторым регулир уемыми делителями напряжения, первым и вторым делителями напряжения, первым и вторым переключателями, первым и вторым автомати ческими переключателями, избирательным усилителем, амплитудным де тектором, филь тром вер хних частот, фазочувствите льным выпрямителем и показывающим прибором, при этом выход сумматора соединен с входом первого регулир уемого дели теля напряжения, вы ход которого соединен со вхо дом первого дели теля напряжения и первым входом перво го переключа теля , вы ход первого дели теля напряжения соединен со вторым входом первого переключателя , первый выход пер вого переключа теля сое динен с первым входом второго переключателя , второй и третий вы ходы первого переключа теля соединены со входом второ го регулир уемого делите ля напряжения, выход второ го регулир уемого дели теля напряжения соединен со вторым и третьим входами второго переключателя, четвертый выход первого переключателя соединен с че твер тым входом второго переключателя, первый и второй выходы второго переключателя соединены с первым и вторым входом первого автоматического переключателя, выход первого автоматического переключателя соединен с одним электродом пьезокерамического преобразователя, второй электрод пьезокерамического преобразователя соединен со входом второго автоматического переключателя, первый выход второго автоматического переключателя соединен с избирательным усилителем, второй выход второго автоматического переключателя соединен с избирательным усилителем через второй делитель напряжения, к выходу избирательного усилителя последовательно подключены амплитудный детектор, фильтр верхних частот, фазочувствительный выпрямитель, фильтр нижних частот и показывающий прибор, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к управляющим входам первого и второго автоматических переключателей и фазочувствительного выпрямителя. см о см Ю СМ о> 27552 Изобретение относится к технике неразруша юще го контроля каче ства изделий и может быть использовано для обнаружения дефектов в пьезоксрамических преобразователях с высоким разрешением Известен способ дефектоскопии пьезокерамических преобразователей [1] заключающийся в возбуждении в контролируемом пьезокерамическом преобразователе механических колебаний кратковременной динамической нагрузкой, определении параметров затухающего колебательного процесса, сравнении их с аналогичными параметрами в эталонном преобразователе и в оценке качества контролируемого преобразователя по результатам сравнения Из-за быстрого затухания возбужденных колебаний в преобразователе параметры этих колебаний определяются с большой по грешностью, что не позволяет обеспечить высокую точность дефектоскопии Известен способ дефектоскопии пьезокерамических преобразователей [2], заключающийся в возбуждении в контролируемом пьезокерамическом преобразователе непрерывных механических колебаний, преобразовании механических колебаний в электрические сигналы и анализе спектрального состава эти х сигналов, по результатам которого судят о качестве преобразователя При небольших линейных размерах внутренних дефектов спектральный состав принятых электрических сигналов мало отличается от эталонного значения, что затрудняет обнаружение внутренних дефектов и не позволяет обеспечить высокую точность дефектоскопии Известен также способ дефектоскопии пьезокерамичесхих преобразователей [3], заключающийся в том, что в пьезокерамическом преобразователе возбуждают механические колебания переменным электрическим полем двух частот в области резонанса частотной характеристики пьезокерамического преобразователя, принимают механические колебания на разностной частоте, а о качестве пьезокерамического преобразователя судят, сравнивая амплитуду механических колебаний на разностной частоте с эталонным значением Нестабильность уровня переменного электрического тока двух часто т оказывает влияние на амплитуду механических колебаний пьезокерами-' ческого преобразователя на разностной частоте, что не позволяет обеспечить высокую точность дефектоскопии Известно устройство дефектоскопии пьезокерамических преобразователей [4], содержащее генератор коротких импульсов, последовательно подключенные к нему обратимый пьезокерамический преобразователь, первый широкополосный фильтр, временной селектор, анализатор спектра и осциллограф, входами подключенный ко второму широкополосному фильтр у и анализатор у спектра Неравномерность спектрального состава возбуждающего импульса и частотной характеристики обратимого пьезокерамического преобразователя, а также индикация результатов измерения с помощью осциллографа не позволяют обеспечить высокую точность дефектоскопии Известно устройство де фектоскопии пьезокерамических преобразователей [2], содержащее последовательно соединенные генератор коротких импульсов, пьезокерамический преобразователь, фильтр верхни х частот, усилитель-ограничитель и микроамперметр Неравномерность спектрального состава возбуждающего импульса, а также отсутствие возможности быстро и непрерывно производить дефектоскопию больших партий пьезокерамических преобразователей не позволяют обеспечить высокую точность дефектоскопии Известно также устройство дефектоскопии пьезокерамических преобразователей [5], содержащее первый и второй генераторы электрических колебаний, сумматор, вхо ды которого соединены с выходами генераторов, а к выходу последовательно присоединены пьезокерамический преобразователь, фильтр нижних частот и анализатор спектра Нестабильность уро вня колебаний первого и второго генераторов и нестабильность чувствительности анализатора спектра, в состав которого входят избирательные усилители и фильтры, не позволяют обеспечить высокую точность дефектоскопии В основу изобретения поставлена задача создать такой способ и устройство дефектоскопии пьезокерамических преобразователей, в которых введение новых операций в способе, введение новых элементов в устройстве позволило бы повысить точность дефектоскопии пьезокерамического преобразователя за счет исключения влияния нестабильности параметров источника и приемника колебаний, а также за счет измерения степени его нелинейности Поставленная задача решается тем, что в способе дефектоскопии пьезокерамических преобразователей, заключающемся в том, что в пьезокерамическом преобоазователе возбуждают механические колебания переменным электрическим полем двух часто т в области резонанса его частотной характеристики, принимают механические колебания на разностной частоте и судят о качестве пьезокерамического преобразователя, согласно изобретению, передают электрические колебания в виде пакетов с заданным соотношением амплитуд, преобразуют принятые механические колебания в принятые электрические колебания, при этом амплитуду принятых электрических колебаний синхронно с прохождением пакета с большей амплитудой уменьшают в число раз, равное заданному соотношению амплитуд, выделяют из принятых электрических колебаний огибающую, выделяют из огибающей переменную составляющую, котор ую уменьшают до н уля изменением соотношения амплитуд пакетов переданных электрических колебаний, а о качестве пьезокерамического преобразователя судят по степени его нелинейности Поставленная задача решается также тем, что устройство дефектоскопии пьезокерамических преобразователей, содержащее первый и второй генераторы электрических колебаний, сумматор, входы которого соединены с выходами генераторов, а к выходу последовательно присоединены пьезокерамический преобразователь и фильтр 27552 нижних частот, со гласно изобретению, снабжено генератором прямоугольных импульсов, первым и вторым регулируемыми делителями напряжения, первым и вторым делителями напряжения, первым и вторым переключателями, первым и вторым автоматическими переключателями, избирательным усилителем, амплитудным детектором, фильтром вер хни х частот, фазочувстви тельным выпрямителем и показывающим прибором, при этом выход сумматора соединен с входом первого регулир уемого делителя напряжения, выход которого соединен со входом первого делителя напряжения и первым входом первого переключателя , выход первого дели теля напряжения соединен со вторым входом первого переключателя, первый выход первого переключателя соединен с первым входом второго переключателя, второй и третий вы ходы первого переключателя соединены со входом второго регулир уемого делителя напряжения, выход второго регулир уемого делителя напряжения соединен со вторым и третьим входами второго переключателя, четвертый вы ход первого переключателя соединен с четвертым входом второго переключателя, первый и второй выходы второго переключателя соединены соответственно с первым и вторым входом первого автоматического переключателя, выход первого автоматического переключателя соединен с одним электродом пьезокерамического преобразователя, второй электрод пьезокерамического преобразователя соединен со входом второго автоматического переключателя, первый вы ход второго автоматического переключателя соединен с избирательным усилителем, второй выход второго автоматического переключателя соединен с избирательным усилителем через второй делитель напряжения, к выходу избирательного усилителя последовательно подключены амплитудный детектор, фильтр вер хни х ча сто т, фа зо чувстви тельн ый выпрям и те ль , фильтр нижних частот и показывающий прибор, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к управляющим вхо дам первого и второго автоматических переключателей и фазочувствительного выпрямителя Передача электрических колебаний в виде пакетов с заданным соотношением амплитуд и автоматическое уравнение амплитуд принятых электрических колебаний позволяет исключить амплитудно-фазовые искажения в цепи электрических колебаний, одновременно обеспечивается перепад амплитуд механических колебаний, что способствуе т возникновению и возможности измерить малые изменения амплитуды пакетов принятых электрических колебаний на разностной частоте. Периодичность в изменении амплитуды пакетов электрических колебаний на разностной частоте обусловливает появление переменной составляющей, что позволяет легко отделить эту составляющую и произвести компенсацию изменения амплитуд пакетов электрических колебаний на разностной частоте на фоне относительно большой амплитуды пакетов электрических колебаний на разностной частоте , а следова тельно, связать изменение амплитуд пакетов электрических колебаний на разностной частоту с амплитудой механических колебаний Использование метода компенсации при изменении амплитуд пакето в элек триче ски х колебаний на разностной частоте позволяе т исключить влияние непостоянства уровня генераторов электрических колебаний Поочередное преобразование пакетов электрических колебаний одними и теми же измерительными преобразователями исключает влияние неидентичности их характеристик на результат измерения Компенсация информативно го изменения амплитуды пакетов колебаний на разностной часто те по нулевом у значению переменной составляющей исключает влияние непостоянства нуля на выходе амплитудного де тектора На фи г 1 представлена функциональная схема устройства, реализ ующего данный способ дефектоскопии пьезокерамических преобразователей На фиг 2 предста влены графики поясняющие работу устройства Устройство содержит первый и второй генераторы электрических колебаний 1 и 2, генератор прямоугольны х импульсов 3 , сумматор 4 , первый и второй регулир уемые делители напряжения 5 и 8, первый и второй делители напряжения 6 и 13, первый и второй переключате ли 7 и 9, первый и второй автоматические переключатели 10 и 12, пьезокерамический преобразователь 11, избирательный усилитель 14, амплитудный детектор 15, фильтр вер хни х часто т 16 , фазочувстви тельный выпрямитель 17, фильтр нижних частот 18 и показывающий прибор 19 Вы ходы перво го и второ го генера торо в электрических колебаний 1 и 2 соединены со входами сумматора 4 Вы ход сумматора 4 соединен со входом первого ре гулир уемого дели теля напряжения 5, вы хо д кото рого соединен со вхо дом перво го дели те ля напряжения 6 и первым входом первого переключа теля 7 Вы хо д перво го делите ля напряжения 6 соединен со вторым входом перво го переключателя 7 Пер вый вы ход первого переключа теля 7 соединен с пер вым входом второ го переключа теля 9 Второй и третий вы ходы перво го переключа теля 7 сое динены со входом второ го регулир уемого де лите ля напряжения 8 Выход второ го ре гулир уемо го дели теля напряжения 8 соединен со вторым и третьим входами второ го переключа теля 9 Че твер тый вы ход перво го переключате ля 7 соединен с четвер тым вхо дом второ го переключа те ля 9 Первый и второ й вы ходы второго переключате ля 9 соединены с первым и вторым входом перво го автома тического переключа теля 10 Вы ход первого автомати ческого переключа теля 10 соединен с одним электродом пьезокерамического преобразователя 11 Второй электрод пьезокерамического преобразователя 11 соединен со входом второго автомати ческого переключа теля 12 Первый выход второго автоматического переключате ля 12 соединен с избира тельным усили телем 14, второй вы хо д второ го а втома ти ческого переключателя 12 соединен с избирательным усили телем 14 через второй де литель напряжения 13 К выходу избира тельного усилите ля 14 последова тельно подключены амплитудный детектор 15, фильтр вер хни х ча сто т 16, фазочувствите льный выпрямитель 17, фильтр нижних частот 18 и показывающий прибор 19 Вы ход генератора импульсов 3 подключен к управляющим входам перво го и второ го а втомати чески х переклю 27552 чателей 10 и 12 и фазочувствительного выпрямителя 17. Способ дефектоскопии пьезокерамических преобразователей осуществляется следующим образом Генераторы электрических колебаний 1 и 2 генерир уют колебания синусоидальной формы Ui(t) (фиг. 2,а) и U2(t) (фиг. 2,6): Ui(t) = UmiCOS(2*fit + фі) (1) ( 2) где Umi, Um2 - амплитуда колебаний генераторов 1 и 2; fі, f2 — частоты колебаний генераторов 1 и 2; Фі, Ф2 - начальные фазы колебаний генераторов 1 и 2. Частоты колебаний fi и f2 выбираются близкими между собой, они должны находиться в пределах полосы пропускания пьезокерамического преобразователя Эти колебания суммируются в сумматоре 4 (фиг. 2,в). Регулир уемый делитель напряжения 5 изменяет амплитуду суммарных колебаний UcyM(t) от нуля до максимального значения: исум (0 =a[UmiCos(2ufit + Um2cos(2nf2t + ф2)], (3) где a - коэффициен т деления ре гулир уемого делителя напряжения 5. Далее эти колебания проходят через делитель напряжения 6, где ослабляются в определенное число раз К, которое зависит от вида материала преобразователя [К=0,05...0,5]. Коэффициент деления регулир уемого делителя напряжения 8 вначале устанавли вают таким, чтобы не ослаблять проходящие через него колебания. Переключатели 7 и 9 работают синхронно, и х начальное положение произвольное. Автоматический переключатель 10 поочередно подключает льезокерамический преобразователь 11 к регулир уемому дели телю напряжения 5 или непо средственно, или через делитель напряжения 6. Таким образом, он формирует пакеты электрических колеба-. ний с заданным соотношением амплитуд, равным К, которые подаются на пьезокерамический преобразователь 11 (фиг. 2, г): U.'(t) = (4) U."(t) = К (0) Характеристика преобразователя, имеющего дефекты, является нелинейной, ее можно представить в виде степенного ряда, который содержит квадратичный член. При этом квадратичная нелинейность при возбуждении преобразователя колебаниями двух близких частот приводит к появлению одного из комбинационных колебаний на разностной частоте fp, которое выбирают в качестве информационного Up(t) = Umpcos(27tfpt+ фр), (6) где Ump - амплитуда колебаний на разностной частоте; fp - разностная частота, f p = U-h\ Фр - начальная фаза колебаний на разностной частоте. В области резонанса пьезокерамического преобразователя происходит интенсивный обмен энергией между электрическим полем и механической колебательной системой, при этом часть энергии уходит на потери. Поэтому влияние внутренних дефектов в преобразователе буде т эффективно проявляться в информационном колебании, снимаемом на разностной частоте fp. Особенно заметными становятся такие дефекты, как микротрещины, раковины, пузырьки, пористость структуры из-за неспеченности и другие, создающие свои резонансные контуры, взаимодействующие с общим резонансным контуром. Разностную частоту fp выбирают так, чтобы получи ть максимальную чувствительность, при этом частоты fi и f2 должны находиться в пределах полосыпропускания пьезокерамического преобразователя. Она должна быть на несколько поря дко в мень ше часто т генера торо в 1 и 2 (f p = 1 =(0,001 ...0,05) ? ). Автоматический переключа тель 12 поочередно подключает исследуемый пьезокерамический преобразователь 11 к избирательному усилителю 14, настроенному на разностную часто ту f p, или непосредственно, или через 1 делитель напряжения 13, коэффициент деления которого равен коэффициенту деления делителя напряжения 6, то есть К. Автоматические переключатели 10 и 12 работают синхронно и противофазно. Когда автоматический переключатель 10 формирует пакет колебаний с большей амплитудой, автоматический переключатель 12 ослабляет принятые колебания, и наоборот. Автоматические переключатели 10 и 12 управляются напряжением коммутации Uk(t) от генератора импульсов 3 (фиг. 2,д). Частота их переключения fk должна быть на несколько порядков меньше, чем разностная частота [fk = =(0,001...0,5)fp]. Обычно fk лежит в диапазоне от единиц до нескольких сотен герц. В пьезокерамическом преобразователе суще ствуе т зависимость амплитуды элек три ческих колебаний на разностной ча сто те fp о т амплитуды возбуждающи х его электри чески х коле баний, которая при увеличении количе ства де фек то в в нем приобре тае т все более не линей ный характер . Поэтом у при возб уждении преобразова теля паке тами с различной амплитудо й на вы ходе избира тельного усили те ля 14 получают вместо колебаний на разностной частоте f p с одно й амплитудой паке ты ко лебаний на раз ностной часто те f p с двумя разными амплитуда ми (фи г. 2,е): Up'Ct) = U mp'cos(2nfpt + ф'р) (7) Up"(t) = Ump"cos(27rfpt + ф"р), (8) 27552 где Ump', Ump" - амплитуды колебаний на разностной частоте; Ф'Р. ф"р ~ начальные фазы колебаний на разностной частоте. При наличии нелинейности амплитуды колебаний Ump' и Ump" отличаются между собой. Амплитудный детектор 15 выделяе т из них огибающую Uor(t) (фиг. 2,ж). В этой огибающей можно выдели ть переменную и постоянн ую со ставляющие. Переменная составляющая Unep(t) выделяется с помо щью филь тра вер хни х ча сто т 16, который пропускает часто ты, на чиная с fк и выше (фиг. 2,з). Фазочувствите льный выпрямитель 17, который упра вляе тся от генера тора прямоугольных имп ульсо в 3, производи т выпрямление данной переменной соста вля ющей . Филь тром нижних часто т 18 из нее выделяе тся среднее значение, которое инди цир уе тся с помо щью показывающе го прибора 19 . Эту переменную составляющую Unep(t) уменьшают до нуля с помощью регулируемого делителя напряжения 8. В зависимости от того , при прохождении какого из пакетов электрических колебаний (то есть пакета с большей или с меньшей амплитудой) амплитуда принятых электрических колебаний на разностной частоте fp оказывается больше, переключатели 7 и 9 синхронно переключают соотве тственно в одно или в другое положение. Изменяя коэффицент деления регулируемого делителя напряжения 8, добиваются нуле вого показания показывающего прибора 19. В качестве показателя степени нелинейности пьезокерамического преобразователя принимают коэффициент деления р регулир уемого делителя напряжения 8. При возб уждении преобразо ва те ля колебаниями малой амплитуды его ме ханическая характеристика буде т прак тиче ски лин ейной , коэффициен т де ления р буде т ра вен е динице , иными словами, регулир уемый дели тель напряжения 8 не буде т осла бля ть про ходя щие через него колебания. По мере увеличения амплитуды возб уждающи х преобразовате ль колебаний будет все си льнее проявля ться нелинейно сть характеристики преобразовате ля, для подавления переменной соста вляющей неоС ходимо буде т изменить коэффициен т деления регулир уемого дели теля напряжения 8, поэтом у р буде т меньше е диницы. В начале первого цикла измерений амплитуду суммарных электрических колебаний с помощью регулируемого делителя напряжения 5 устанавливают минимальной, но достаточной для получения электрических колебаний на разностной частоте fp (ai=amin). После этого снимают показания регулир уемого дели теля напряжения 8, то есть измеряют р. Во втором цикле измерений устанавливают коэффициент деления регулируемого делителя напряжения 5 равным аг (аг > си) и повторяют все выше указанные действия. По результатам измерений строят функциональную зависимость = F(U i,U 2 ,a ), (9) по которой определяют степень нелинейности преобразователя в зависимости о т амплитуды подводимых к нему колебаний. Сравнивая коэффициент р, полученный от исследуемого преобразователя, с эталонным значением, определяют степень дефектности преобразователя. Устройство дефектоскопии пьезокерамических преобразователей работает следующим образом. Частоты генераторов 1 и 2 устанавливают близкими между собой, они находятся в пределах полосы пропускания пьезокерамического преобразователя. Колебания генераторов 1 и 2 суммируются в сумматоре 4 и поступают на регулир уемый делитель напряжения 5. В начале первого цикла измерений коэффициент деления регулир уемого делителя напряжения 5 устанавли вают минимальным, но достаточным для получения колебаний на разностной частоте f p. Коэффициент деления регулир уемого делителя напряжения 8 устанавливают равным единице для того, чтобы он не ослаблял проходящие через него колебания. Переключатели 7 и 9 устанавливают в любое из положений Автоматический переключатель 10 формирует пакеты электрических колебаний, которые поступают на преобразователь 11. Соотношение амплитуд эти х пакетов равно коэффициенту деления К делителя напряжения 6. В преобразователе за счет нелинейности его характеристики генерируются колебания на разностной частоте fp. Автоматический переключатель 12 работает в противофазе с автоматическим переключателем 10. Он поочередно подключает избирательный усили тель 14 к преобразователю 11 или непосредственно, или через делитель напряжения 13с коэффициентом деления К. Избирательный усилитель 14 усиливает электрические колебания на разностной частоте fp и подавляет колебания всех остальных частот. За счет зависимости колебаний разностной частоты от амплитуды возбуждающи х преобразователь колебаний на выходе избирательного усилителя 14 возникают пакеты электрический колебаний на разностной частоте с различными амплитудами. Амплитудный детектор 15 выделяет из эти х колебаний огибающую, из которой с помощью фильтра верхни х частот 16 выделяется переменная составляющая. После этого переменная составляющая выпрямляется фазочувстви тельным выпрямителем 17, сглаживается фильтром нижних часто т 18 и индицируется показывающим прибором 19. Регулир уемым делителем напряжения 8 уменьшают эту переменную составляющую до нуля за счет изменения соотношения амплитуд переданных электрических колебаний. Переключатели 7 и 9 синхронно переключают в одно или в другое положение в зависимости от того, амплитуда какого из пакетов колебаний на разностной частоте оказывается больше. Изменяя коэффициент деления регулир уемого делителя напряжения 8, добиваются нулевого показания показывающего прибора 19. После этого увеличивают амплитуду электрических колебаний на выходе регулируемого делителя напряжения 5 и проводят следующий цикл измерений, повторяя все вышеуказанные действия. Величину де фектов в преобразователе определяют по степени е го не линейности , ко торая 27552 находится в зависимости от коэффициента деления 0 регулируемого делителя напряжения 8. В каче стве образцо во го уро вня ко леба ний на разно стной часто те вы бираются установленны е эксперимен тально уро вни коле баний, которы е соо тветствуют доп устимым дефек там в образ цовом пьезокерамическом преобразова те ле . Проведенные исследования показали возможность дефектоскопии пьезокерамических преобразователей, изготовленных из пьезокерамики типа ЦТС-19 и ЦТС-21, в частотном диапазоне 20 кГц-500 кГц. Таким образом, изобретение позволяет повысить качество дефектоскопии пьезокерамических преобразователей. 8 JL ґ f Н Н ft 9 10 11 12 13 14 16 16 17 18 19 U lOOO Фиг.1 27552 U«(t) Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03