Устройство для контроля качества материалов и изделий

Устройство для контроля качества материалов и изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, в частности к контролю качества изделий резонансным методом, и может быть использовано в машиностроении и других областях промыленности для диагностики качества полимерных материалов и многослойных конструкций. Целью изобретения является повышение чувствительности контроля за счет учета изменения крутизны фазовой характистики в зоне резонансной частоты при наличии дефекта. Последний вызывает в контролируемом изделии нарушение жестких связей ч вследствие этого изменение основной резонансной частоты и коэффициента затухания упругих колебаний, т.е„ изменение фазочастотной характеристики контролируемого изделия. Включение дополнительных блоков позволяет фиксировать указанные параметры по величине выходных напряжений генератора модулирующего напряжения и генератора линейно изменяющегося напряжения, 1 з.п о ф-лы, 4 ил. i Л С

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБ Лик

aa> SU aa Щ4 щ) - 01 И 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4455119/28 (22) 05.07.88

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

00 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (46) 15.04.91. Вюл. Р 14 (72) В.В.Антонов, В.В.Жидков, В.А.Картамышев, В.Н.Потапов и В.Г.Ткачев (53) 620.179.16 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1250935> кл. С 01 N 29/04, 1986, Авторское свидетельство СССР

Р 1322145, кл. C 01 N 29/04, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОИТРОЛЯ КАЧЕСТВА

МАТЕРИАЛОВ И ИЗ (ЕЛИЙ (57) Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, в частности к контролю качества изделий резонансным методом, и может быть использовано в машиностроении

Изобретение относится к Hpðàçðóøàющему контролю материалов, в частности к контролю качества иэделий резонансным методом, и может быть использовано в машиностроения и других областях промышленности для диагностики качества полимерных материалов и многослойных изделий.

Целью изобретения является повышение чувствительности контроля за счет учета изменения крутизны фазовой характеристики в зоне резонансной частоты при наличии дефекта. и других областях промыленности для диагностики качества полимерных материалов и многослойных конструкций.

Целью изобретения является повышение чувствительности контроля за счет учета изменения крутизны фазовой характистики в зоне резонансной частоты при наличии дефекта. Последний вызывает в контролируемом изделии нарушение жестких связей и вследствие этого изменение основной резонансной частоты и коэффициента затухания упругих колебаний„ т.е. изменение фазочастотной характеристики контролируемого изделия. Включение дополнительных блоков позволяет фиксировать указанные параметры по величине выходных напряжений генератора модулирующего напряжения и генератора линейно изменяющегося напряжения.

1 з.п.ф-лы, 4 ил.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для контроля качества материалов и изделий; на фиг.2— функциональная схема запоминающего блока; на фиг.3 — временная диаграмма работы устройства; на фиг ° 4 — фазочастотные характеристики бездефектного и дефектного изделий.

Устройство содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 качающейся частоты (ГКЧ), усилитель 2 мощности, передающий преобразователь 3, приемный преобра1642367 зователь 4, усилитель 5, амплитудный детектор 6, фильтр 7 низких частот (ФНЧ), пиковый детектор 8 и первый компаратор 9, последовательно соединенные фазовый детектор 10, двухпороговый компаратор 11, генератор 12 линейно изменяющего напряжения (ГЛИН), запоминающий блок 13 и индикатор 14, .второй компаратор 15 и генератор 16 10 ,модулирующего напряжения (ГМН), вы.ход которого подключен к входу ГКЧ 1 и второму входу запоминающего блока

13, первый вход фазового дефектора

10 подключен к выходу усилителя 5, ВТороН вход — z abrxopgy ГКЧ 1, выход к входу второго компаратора 15> второй вход первого компаратора 9 подключен к третьему входу запоминающего блока 13 и к выходу ФНЧ 7, а 20 четвертый, пятый и шестой входы запоминающего блока 13 подключены к выходам первого компаратора 9, второго компаратора 15 и двухпорогового компаратора 11 соответственно. Пози- 25 цией 17 обозначено контролируемое изделие. Передающий и приемный преобразователи 3 и - -,"с"анов.: ены в одном корпусе иска" "ля 18., 30

Запоминающий блок 13 .выполнен из последовательно соединенных первого одновибратора 19„ первой схемы 20 выборки и хранения, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 21, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 22 и схемы 23 вывода, последовательно соединенных второго одновибратора 24,RS-триггера 25 и второй схемы 26 выборки и хранения, коммутатора 27, третьей схемы 28 выборки и хранения и последовательно соединенных третье го одновибратора 29 и четвертой схемы 30 выборки и хранения, второй вход которой подключен к входу комму- 45 татора 27 и является вторым входом запоминающего блока 13, а выход подключен к второму входу первой схемы

20 выборки и храпения, первый вход третьей схемы 28 выборки и хранения является третьим входом запомицающего блока 13, второй вход подключен к S-входу КБ-триггера 25 и к выходу первого одновибратора 19, выход — к второму входу АЦП 21, второй вход

55 второй схемы ?6 выборки и храпения является первым входом запоминающего блока 13, а выход подключен к третьему входу ЛИП 21, выход коммутатора

27 подключен к четвертому входу АПП

21 и второму входу ОЗУ 22, входы первого, второго и третьего одновибраторов 19, 24 и 29 является четвертым, шестым и пятым входами запоминающего блока 13, а выход схемы 23 вывода является выходом запоминающего блока 13.

Позициями 31-41 обозначены сигналы с выходов блоков устройства.

Устройство для контроля качества материалов и изделий работает следующим образом.

Искатель 18 устанавливается на поверхность контролируемого изделия

17. При включении устройства ГМН 16 вырабатывает пилообразное напряжение

31, в соответствии с которым ГКЧ 1 вырабатывает электрический сигнал 32 переменной частоты. Этот сигнал усиливается усилителем 2 мощности.и преобразуется в акустические колебания передающим преобразователем 3, которые воздействуют на контролируемое изделие 17. Приемный преобразователь 4 преобразует механические колебания контролируемого изделия 17 в электрический сигнал 33, который усиливается усилителем 5 и подается на входы амплитудного детектора 6 и фазового детектора 10. Входной сигнал 33 представляет собой высокочастотное заполнение и низкочастотную огибающую, Для выделения низкочастотной огибающей использованы амплитудный детектор 6, с выхода которого снимается детектированный сигнал 34, и ФНЧ 7, с выхола которого снимается низкочастотная огибающая 35. Последняя поступает на пиковый детектор

8 и далее на первый вход первого компаратора 9; На второй вход последнего поступает выходной сигнал с

ФНЧ 7. Компаратор 9 сравнивает сигналы на первом и втором входах.При увеличении амплитуды сигнала 35, что происходит при приближении частоты вынужденных колебаний контролируемого .изделия 17 к собственной частоте, сигнал 36 на выходе пикового детектора 8 нарастает, потенциал на первом входе первого компаратора 9 меньше или равен потенциалу на втором входе. При этом на выходе первого компаратора 9 будет нулевой потенциал.

После прохождения частоты механического резонанса потенциал на первом входе первого компаратора 9 стано1642367 закону

Р = Р singt„ где Po — амплитуда силы;

Я вЂ” ее частота;

t — время, вынужденные колебания описываются выражением

Ро зтп (ь|е -й.), где с — жесткость изделия;

1 — резонансная частота механических колебаний изделия, n — коэффициент затухания механических колебаний; (6 — фазовый сдвиг, определяемый из выражения

263п ь 7 2 Цг (2) Выражения (1, ?) получены для иэделий, представляющих собой прямоугольную пластину размерами d и е и толщиной L. Аналогичные выражения можно получить и для других изделий в зависимости от относительных размеров последнего и передающего преобразователя 3 ° Значение резонансной частоты определяется из выражения

fl L рЛ

Е f d г е

P — — — (— ) + (— )

2 Зр(1 p2) а Ь гдеm, n=1,2...,, (3)

L — толщина пластины;

d e — размеры пластины;

Š— модуль 1Онга; (0 — коэффициент Пуассона;

P — плотность материала. вится больше потенциала на втором входе, На выходе первого компаратора

9 появляется положительный потенциал

37, который подается на четвертый вход запоминающего блока 18. С ьыхода усилителя 5 электрический сигнал 33 поступает на вход фазового детектора

10 и далее на входы двухпорогового компаратора 11 и второго компаратора . 15. Работа фазового детектора основана на том, что в реальном случае выну>кценные механические колебания контролируемого иэделия 17 сдвинуты по фазе относительно вынуждающих колебаний от передающего преобразователя

3 вследствие снл неупругого сопротив— ления. Для случая, когда возмущающая сила изменяется по гармоническому

При воздействии акустических колебаний от пер дающего преобразователя 3 на контролируемое изделие 17 в последнем возникают сложные колебания, При этсм существует основная резонансная частота, на которой амплитуда колебаний максимальна. Как следует из выражения (2), при -малых значениях Я фазовый сдвпг пезначителек, при весьма больших значениях

Я он приближается к fl, а при знаIl

15 U 2 чении (Д = р фазовый сдвиг 1 (фиг.4,А). Наклон фазовсй характеристики в значительной степени зависит оТ жесткости из".„влило При умень шенин жесткости, что происходит при ,20 наличии дефекта .и.как следстви", нарушении >xecтких связей, характеристика В зоне резонансной частоты изменяется более круто (фиг.4,Б).

С выхода фазового детектора 10

25 напряжение, пропорциональное фазовому сдв 1гу вынужденных колебаний, поступает на входы двухпорогового компаратора 11 и второго компаратсра 15.

Уровень ср -.батывания последнего ус30 танавливается таким, чтобы потенциал

37 на его вызоде изменялся при напряжении на входе (выходHoM напряжения фазового детектора 10)„ соответствующем фазовому сдвигу вынужденных колебаний контролируемого изделия 17

35 у .г

1=

lI (фиг.3, поз.38) . Уровни срабатывания двухпорогового компаратора 11 устанавливаются такими, что4О бы на его выходе появлялся положительный потенциал 39 при выполнении условия Пороговые уровни и / выбираются из условия из нахождения на участ4 ке йазочастотной характеристики, близком к прямолинейному, а время работы ГЛИН 12 — максимально возможным- Например, для изделий из алюминиевого сплава пороги были определе5О ны экспериментально и составили 700 и w 1ЯО.

При приближении частоты вынужденных колебаний передающего преобразователя 3 к резонансной частоте контролируемого изделия 17 амплитуда механических колебаний последнего возрастает, а фазовый сдвиг между колебаниями передающего преобразователя 3 и изделия 17 увеличивается

Вследствие погрешностей преобразования выходные напряжения фазового детектора 10 и пикового детектора 8 несколько, отличаются от заданного, а компараторы 9, 15 имеют некоторый диапазон срабатывания. При этом возможно появление импульсов на выхо- дах компараторов 9 и 15, а следовательно, и срабатывание одновибраторов 19 и 29 в различные моменты времени, что может привести к снижению точности определения резонансной частоты. Для устранения этого недостатка схемы 30 и 20 выборки и хранения включаются последовательно.

При этом компаратор 9 настраивают так, чтобы он переключался в единичное состояние при некоторой заданной разности потенциалов на его входе (например, путем смещения нуля операционного усилителя), а момент срабатывания одновибратора 19 наступал не ранее момента срабатывания одновибратора 29. Поскольку фазочастотная характеристика в зоне резонансной кривой изменяется более круто по сравнению с амплитудно-частотной характеристйкой а диапазон изменения напряжения срабатывания компараторов 9 и 15 одинаков, то выборка напряжения с выхода ГМН I6 по моменI ту срабатывания компаратора 15 позволяет точнее определить резонансную частоту, что в ряде случаев необходимо для определения дефектов малых размеров, когда изменения амплитуды колебаний на дефектном участке изделия становится сравнимым с изменением амлитуды вследствие допустимого изменения толщины, плотности, радиуса кривизны и др °

Импульс с выхода одновибратора 19 устанавливает RS-триггер 25 в единичное состояние, которое переводит вторую схему 26 выборки и хранения в режим выборки напряжения с выхода

ГЛИН 12, а также переводит третью схему 28 выборки и хранения в режим выборки напряжения с выхода ФНЧ 7.

Информация об амплитуде колебаний на резонансной частоте необходима для приблизительной оценки глубины залегания дефектов. Поэтому снижение точности, вызванное задержкой срабатывания компаратора 9, в данном случае не имеет существенного значения, т.к. выходное напряжение ФНЧ 7 составляет единицы вольт, а его сни7 1642367 (фиг.3, поз.38) вследствие наличия сил неупругого.сопротивления. В момент времени t< напряжение на выходе фазового детектора 10 достигает вели

5 чины порогового уровня /, при котором двухпороговый компаратор 11 переходит в единичное состояние 39. По переднему фронту этого импульса

ГЛИН 12 начинает вырабатывать линейно изменяющееся напряжение 40. При достижении резонансной частоты амплитуда колебаний изделия 17 стано вится максимальной, а фазовый сдвиг . между вынужденными колебаниями передающего преобразователя 3 и вынужденными колебаниями изделия 17 стаi . новится равным У = — — . На выходе

Ц1 2 фазового детектора 10 появляется

20 соответствующее напряжение, при этом срабатывает второй компаратор 15.

На его выходе появляется положительный потенциал 41, по переднему фронту которого срабатывает одновибратор

29. Импульс с последнего переводит схему 30 выборки и хранения в режим выборки напряжения 3 i>,поступающего с

ГМН 16. При дальнейшем изменении частоты вынужденных колебаний ампли- 30 туда колебаний изделия 17 начинает уменьшаться, напряжение 35 на выходе

ФНЧ 7 соответственно уменьшается, а напряжение 36 на. выходе пикового детектора 8 остается постоянным. На входе первого компаратора 9 появляется разность потенциалов, по которой он переключается в единичное состояние 37. ..По. переднему фронту сигнала с вы- - 40 хода:первого компаратора 9 срабатывается первый одновибратор 19, которвый переводит схему 20 выборки и хранения в режим выборки. Таким образом, при прохождении резонанс- 45 ной частоты срабатывают одновибраторы 19 и 29, осуществляющие включение режима выборки схем 30 и 20 вы,борки и хранения, на выходах которых устанавливается напряжение с выхода ГМН 16. Длительность импульсов одновибраторов 19, 29 и емкость запоминающих конденсаторов схем 20, 26, 28 и 30 выборки и хранения выбраны из условия обеспечения 2— 55

2,57 точности запоминания напряжения с выходов ФНЧ..7, ГМН 16 и ГЛИН 12 на период изменения напряжения на выходе ГМН 16, равного 100 мс.

1642367

10 жение за счет задержки срабатывания одновибратора 19 составляет несколько десятков милливольт.

По заднему фронту импульсов с од5 новибраторов 19 и 29 схемы 30, 20, 26 и 28 переключаются в режим хранения.

Таким образом, при прохождении резонансной частоты в схеме 20 выборки и хранения устанавливается информация о резонансной частоте, а в схеме 28 — информация об амплитуде колебаний на резонансной частоте.

При дальнейшем изменении частоты вынужценных колебаний.в момент време- 15 ни t фазовый сдвиг достигает задан3 ной величины, а напряжение на выходе фазового детектора 10 — соответствующего значения. При этом двухпороговый компаратор 11 переходит в нулевое состояние, и по заднему фронту данного импульса срабатывает одновибратор 24, который переводит

RS-триггер 25 в нулевое состояние.

Схема 26 выборки и хранения перево- 25 дится в режим хранения, и напряжение на ее выходе становится равным напряжению на выходе ГЛИН 1? в момент срабатывания одновибратора 24.

Напряжение на выходе ГЛИН 12 — линек- 30 но-изменяющееся во времени и по его величине можно судить о коэффициенте затухания иэделия 17 на резонансной частоте.

При последующем изменении частоты

3S вынужденных колебаний возможно появление других резонансных пиков. В этом случае, когда амплитуда нового резонансного пика больше амплитуды ранее определенного, повторяется работа двухпорогового компаратора 11, первого компаратора 9 и второго компаратора 15, а также работа упомянутых элементов запоминающего блока 13, поскольку на входе первого компаратора 9 вновь появится разность потенциалов, и в схемы 20, 26, 28 и

30 выборки и хранения запишется соответствующая информация о параметрах нового резонансного пика. В том случае, когда амплитуда следующего

50 резонансного пика меньше амплитуды предыдущего, срабатывание первого компаратора 9 не происходят, т.к. напряжение на выходе ФНЧ 7 остается меньше напряжения на выходе пикового детектора 8. В этом случае не происходит срабатывание и одновибратора

19. RS-триггер 25 остается в нулевом состоянии, и напряжение на выходах схем 20, 26, .28 выборки и хранения не изменяется, т.е. продолжает храниться информация о резонансном пике с максимальной амплитудой. При появлении отрицательного перегада напряжения на выходе ГМН 16 в конце периода срабатывает коммутатор 27, и информация с выходов схем 20, 26 и 28 выборки и хранения последнего преобразуется АЦП 21 в цифровой код и записывается в ОЗУ 22. Схема 23 вывода, управляемая кнопками (на схеме не показаны), позволяет осуществлять последовательный вывод цифровых сигналов на индикатор 14. Поскольку

ГЛИН 12 и ГИН 16 вырабатывают линеино изменяющиеся напряжения 31 и 40, то по величине напряжения ГМН 16 можно судить о значении частоты, а по величине выходного напряжения

ГЛИН 12 вмомент его выборки схемой

26 выборки и хранения можно судить о наклоне фазочастотной характеристики контролируемого изделия в зоне резонансной частоты, т.е.о жесткости контролируемого изделия 17. Сравнивая показания индикатора 14 с соответствующими показаниями для эталонного изделия, судят о дефектности контролируемого изделия 17. В реальном случае резонансная частота контролируемого изделия 17 может несколько отличаться от резонансной частоты эталонного иэделия вследствие разности из физико-механических характеристик. Дефект малого размера может вызвать изменение резонансной частоты контролируемого изделия 17 на такую же величину, однако дефект вызывает снижение жесткости контролируемого изделия 17, при этом уменьшается длительность импульса на выходе двухпорогового компаратора 11 и, соответственно, напряжение на выходе

ГЛИН 12 в момент выборки схемой 26 выборки и хранения.

Таким образом, достигается поставленная цель повышения чувствительности контроля по сравнению с прототипом на 15-20%, что позволяет выявить дополнительно дефекты до начала эксплуатации изделия. Кроме того, закладывая в эталонное изделие дефекты различнбй величины и определив заранее показания индикатора 14, можно судить о размерах детекта в контролируемом иэделии 17, что позволяет

1642367

12 повысить объективность контроля с оценкой размеров дефекта. формула изобретения

1. Устройство для контроля качества материалов и изделий, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор качающейся .частоты, усилитель мощности, передающий преобразователь, приемный преобразователь, усилитель, амплитудный детектор, фильтр низких частот, пиковый детектор и первый компаратор, второй вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, о т л и ч а ю- 15 щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, оно снабжено последовательно соединенными фазовым детектором, двухпороговым компаратором, генератором ли- 2о нейно изменяющегося. напряжения, запоминающим блоком и индикатором, вторым компаратором и генератором модулирующего .напряжения, выход которого подключен к входу генератора 25 качающейся частоты и второму входу запоминающего блока, первый вход фазового детектора подключен к выходу усилителя ВтОрОН ВхОд — к Выходу генератора качающейся частоты, выход -ЗО к входу второго компаратора, а с третьего по шестой входы запоминающего блока подключены к выходам фильтра низких частот, первого, второго и двухпорогового компараторов соответственно °

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что запоминающии блок выполнен из последовательно соединенных первого одновибратора первой схемы выборки и хранения, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства и схемы вывода, последовательно сое-.-. диненных второго одновибратора, RSтриггера и второй схемы выборки и хранения, коммутатора, третьей схемы выборки и хранения и последовательно соединенных третьего одновибратора и четвертой схемы выборки и хранения, второй вход которой подключен к входу коммутатора и является вторым входом запоминающего блока, а выход подключен к второму входе первой схемы выборки и хранения, первый вход третьей схемы выборки и хранения является третьим входом запоминающего блока, второй вход подключен к Sвходу RS-триггера и к входу первого одновибратора, выход — к второму входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход второй схемы выборки и хранения является первым входом запоминающего блока, а выход подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, выход коммутатора подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя и второму входу оперативного запоминающего устройства, входы первого, второго и третьего одновибраторов являются четвертым, шестым и пятым входами запоминающего блока соответственно, а выход схемы Вывода является выходом запоминающего блока.

1642367

1642367

У

3l

tl

32

ll

М

35 и

36

37 и

3дг

39 и

Ж

4t

СОставитель В.Белозеров

Редактор М.Ииткина Техред И,Дидык Корректор С.Черни

Заказ 1144 Тираж 402 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, д. 4/5

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