Способ лазерной генерации акустических сигналов и устройство для его осуществления

Способ лазерной генерации акустических сигналов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к нераэрушающим средствам и методам контроля и может быть использовано, в частности, для контроля нагретых металлов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа генерации акустических колебаний за счет их генерации в нагретых

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (21) 4810367/28; 4809756/28 (22) 04.04.90 (46) 30.10.92. Бюл. М 40 (71) Институт физики АН ЛитССР (72) Б.А.Журавлев (56) B.Е.Чабанов. Лазерный ультразвуковой контроль материалов. Л,: Изд.Ленинградского университета, 1986, стр. 151.

Авторское сьидетельство СССР

N 341491, кл, G 01 N 29/04. 1979 (прототип). Ы 1772725 А1 (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к неразрушающим средствам и методам контроля и может быть использовано, в частности, для контроля нагретых металлов, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа генерации акустических колебаний за счет их генерации в нагретых

1772725 металлах, Это осуществляется с помощью устройства, содержащего источник излучения, корпус с фокусирующей системой 2, камеру. генерации 7 с поглощающим слоем, камеру 4 для подачи воды, охватывающую корпус, камеру генерации, и каналы 9, выполненные в корпусе для подачи инертного . газа. На поверхности нагретого металла создают слой поглощающего покрытия в виде

Изобретение относится к бесконтактному неразрушающему контролю материалов, преимущественно нагретых металлов, и может быть использовано в дефектоскопии, для определения физических параметров вещества, для исследования химического состава, Известен способ генерации акустических сигналов в металлах при нанесении на исследуемую поверхность слоя жидкости, Световая энергия преобразуется в акустическую в воде и передает ее в металл, В таких условиях повышенного поглощения лазерного излучения поверхностью воды мощный акустический сигнал в образцах металла достигается при сравнительно низкой мощности лазерного излучения.

Известно устройство генерации акустических сигналов в ультразвуковом дефектоскопе, выбранное в качестве прототипа, содержит лазер, лазерную головку с фокусирующей системой и световодом, устройство локализации зоны акустического контакта с тремя последовательно расположенными слоями. светопроводящим, поглощающим и хорошо проводящим акустический сигнал.

Недостатком известного устройства является сравнительно узкая его применяемость при контроле материалов, совершенно исключает применимость при контроле металлов, нагретых до высоких тейператур, а также низкая чувствительность устройства, особенно материалов, которые имеют неоднородные физические параметры по всей своей исследуемой поверхности, Цель изобретения — увеличение мощности генерации акустического сигнала и расширение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения возможности генерации и повышение чувствительности стабильных акустических сигналов в горячих металлах, Это достигается тем, что на поверхности согласно изобретению, в качестве поглощающего покрытия используют слой пересыщенного водяного пара толщиной

0,01-1,8 диаметра лазерного пятна. Слой слоя пересыщенного водяного пара, толщиной 0,01 — 1,8 диаметра лазерного пятна, и излучают в него оптический импульс от источника излучения, например от С02-лазера. Благодаря тепловому механизму происходит генерация акустического сигнала в горячий металл, нагретый до высоких температур. 2 с. и 1 з.п.ф-пы, 1 ил, пересыщенного водяного пара имеет коэффициент поглощения излучения с il. = 10,6 мкм, близкий коэффициенту поглощения воды р = 870 см, поэтому в зоне возбужде5 ния акустического сигнала создаются лучшие условия для более полного использования лазерного излучения, При тепловом пробое пересыщенного пара под давлением, а следовательно с вы10 сокой .. 1лотностью, возникает ударная волна с большей энергией, что обуславливает усиление акустического сигнала. Для комплексного использования всех механизмов генерирования акустического сигнала, не15 обходимо лазерное излучение использовать такой мощности, чтобы оно, ослабляясь a области пересыщенного водяного пара, достигало поверхности металла с интенсивностью порядка 220-250 мВт/см, при

20 котором генерация происходит также посредством теплового механизма и механизма отдачи испаряющегося металла, Также указанная цель достигается тем, что в известном устройстве генерации аку25 стических сигналов в металлах, преимущественно нагретых до высоких температур, содержащем С02-ëàçåð, лазерную головку с фокусирующей оптической системой и камеру локализации зоны акустического кон30 такта с размещенным в ней поглощающим слоем, согласно изобретению, камера локализации зоны акустического контакта совмещена с корпусом лазерной головки, дополнительно в упомянутой камере разме35 щен преобразователь, соединенный с электрическим блоком управления. Кроме того с целью стабилизации генерации акустических сигналов корпус снабжен кольцевым пьезопреобразователем, установленным в

40 камере генерации и электрическим блоком управления, вход которого соединен с пьезопреобразователем, а выход — с источником излучения.

На чертеже представлена схема устрой45 ства.

Лазерная головка установлена над поверхностью исследуемого металла 1, нагретого до высоких температур, В корпусе этой

1772725

45 резко отличающаяся от воздуха повышенной плотностью и увеличенной поглощающей способностью для пучка 3 лазерного излучения с длиной волны il =10,6 мкм, поэтому целесообразно использовать СОглазер. Для поддержания созданной поглощающей среды определенной плотности и толщины в камеру 7 соосно пучку 3 лазерного излучения по газовому каналу 9 подается инертный газ под давлением, Пучок 3 направляют на металл 1, в камере 7 поглощающий также слой улучшает акустический контакт с поверхностью металла 1, В реальных условиях оптимальная толщина слоя пересыщенного пара должна быть в пределах (0,01-1,8)d, где d — диаметр сфокусированного лазерного пятна на поверхности металла.

Величина амплитуды сгенерированного в металле 1 акустического сигнала зависит от параметров поглощающей среды, т.е. от

50 головки размещена фокусирующая оптическая система 2 пучка 3 лазерного излучения.

Камера 4 для воды под давлением выполнена в виде кольцевой конусообразной полости, охватывающей центральное сопло 5 и 5 соединена каналами б с камерой 7 локализации зоны акустического контакта. Камера

4 также выступает в роли защитного охлаждающего кожуха лазерной головки, Камера

7 выполнена в торце лазерной головки, в 10 ней жестко закреплен пьезопреобразователь 8.

Для уменьшения воздействия высокой температуры металла 1 на пьезопреобразователь 8 каналы 6 для подачи воды в камеру 15

7 расположены под углом, при этом создавая защитный занавес воды между пьезопреобразователем 8 и горячим металлом 1, В корпусе лазерной головки выполнен газовый канал 9 для подачи инертного газа через со- 20 пло 5 в камеру 7 соосно пучку 3 лазерного излучения. Пьезопреобраэователь 8 соединен с усилителем 10 электрического напряжения, выход которого соединен с блоком сравнения 11. Один выход блока сравнения 25

11 соединен с регистрирующим блоком 12, другой выход соединен с блоком управления

13 пьеэопреобразователя 8. Первый выход блока управления 13 соединен с пьеэопреобразователем 8, второй выход соединен с ла- 30 вером (на чертеже не показан), Устройство работает следующим образом. Из камеры 4 по каналам 6 подается вода под давлением в камеру 7локализации зоны акустического контакта, При контакте 35 воды с поверхностью металла 1, нагретого до высокой температуры, последняя превращается в перенасыщенный пар. B зоне контакта создается среда по параметрам, . параметров пересыщенного водяного паpa — давления и толщины. Локальное изменение этих параметров способствует изменению амплитуды генерируемого акустического сигнала, Изменение акустического сигнала уменьшает достоверность определения и идентификации дефекта и требует повторных измерений.

Для стабилизации величины амплитуды акустического сигнала в камере 7 создают колебательный режим изменения объема камеры с помощью пьеэопреобразователя

8, Пьезопреобраэователь 8 практически мгновенно реагируя на изменение давления пересыщенного i водяного пара позволяет создать квазипостоянное заданное давление в камере 7. Кольцеобразный пьезокерамический преобразователь 8 закреплен в камере 7 и, чувствительно реагируя на изменения давления в этой камере 7, меняет сигнал напряжения. подаваемого на усилитель 10, откуда усиленный сигнал поступает в блок сравнения 11. В блоке сравнения 11 происходит сравнение полученного сигнала с заданным эталонным сигналом. соответствующим определенному давлению и температуре в камере 7. Полученный сигнал сравнения выводят на регистрирующий блок

12 (например, самописец), на котором регистрируют изменение условий генерации акустического сигнала в определенном времени.

Также сигнал сравнения поступает в блок управления 13 и в зависимости от его величины создается управляемый импульс на п е.=. :реобразователь 8, Под действием э ого и;.;пульса пьезопреобразователь 8 меняет свой объем и таким образом вносит коррекцию в объем камеры 7 и тем самым на давление в камере 7.

Одновременно из блока управления 13 поступает сигнал к лазеру для управления его работы. Так как камера 7 и поверхность горячего металла 1 не являются закрытой системой, то постоянное поддерживание параметров пересыщенного водяного пара корректируется посредством изменения давления подаваемой воды и давления инертного газа и только непосредственно перед лазерным импульсом проводится точная коррекция давления с помощью преобразователя 8 и схемой управления, Поэтому предлагаемое устройство работает с частотой, с которой работает лазер.

При генерации акустического сигнала в металлах, нагретых до 900 — 1100 С, С02-лазер, параметры излучения которого — длина волны А = 10,6 мкм, энергия Е = 1,3 Дж, работает с частотой 5 Гц, следовательно, с той же частотой работает и электрическая схема управления. В электрическую схему

1772725 держания амплитуды генерируемого акустического сигнала 2-3,5 .

Составитель Б.Журавлев

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор

Заказ 3842 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ Г CCP

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г; Ужгород, ул,Гагарина, 101 управления включены стандартные блоки.

Усилитель 10 напряжения представляет собой малошумящий широкополосный усилитель, предназначенный для работы с высокоомным источником сигнала, в кото- 5 ром предусмотрена коррекция амплитудночастотной характеристики.

Блок сравнения 11 состоит из селективного вольтметра (например, В 6-9, В 6-10) и анализатора спектра (например, СК4-59). 10

В качестве регистрирующего блока 12 при длительных измерениях можно применять самописец 7164-66, а при кратковременных

Н-306. Блок управления 13 состоит из ждущего мультивибратора,задающего генера- 15 тора (например, УЗГ8-0.1/22).

Для создания слоя пересыщенного пара толщиной менее 0 01 диаметра лазерного пятна .требуется высокая чистота поверхности металла, которая не может 20 быть получена у металлов, нагретых до температуры порядка 1000 С. Использовать слой пересыщенного водяного пара толщиной более 1,8 диаметра лазерного пятна нецелесообразно из-за невозможности 25 использования акустического сигнала от пробоя водяного пара для дефектоскопии металла.

Предложенное устройство рекоменду-. ется для генерации акустических сигналов в 30 металлах, нагретых до высоких температур, при их неразрушающем контроле. Чувствительность предложенного устройства по сравнению с прототипом увеличивается за счет повышения стабильности генерации 35 акустических сигналов. Погрешность подФормула изобретения

1. Способ лазерной генерации акустических сигналов в металлах. заключающийся в том. что на поверхности металла создают слой поглощающего покрытия и излучают в него оптический импульс, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет генерации акустических колебаний в нагретых металлах, в качестве поглощающего покрытия используют слой пересыщенного водяного пара толщиной 0,01 — 1.8 диаметра лазерного пятна.

2. Устройство лазерной генерации акустических сигналов, содержащее источник излучения, корпус с фокусирующей системой и камеру генерации с поглощающим слоем, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено камерой для воды, охватывающей корпус и камеру генерации, и каналами, связывающими камеру для воды с камерой генерации, а в корпусе выполнен канал для подачи инертного газа в камеру генерации.

3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью стабилизации генерации акустических сигналов, оно снабжено кольцевым пьезопреобразователем, установленным в камере генерации, и электрическим блоком управления, вход которого соединен с пьезопреобразователем, а выход — с источником излучения,