RU171512U1

RU171512U1 - Ultrasonic antenna array

Info

Publication number: RU171512U1
Application number: RU2016123196U
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Иванайский; Александр Анатольевич Иванайский; Анатолий Васильевич Иванайский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Центр Сертификации и Контроля" (ООО "ЦСК")
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2017-06-02

Abstract

Использование: для использования в ультразвуковой измерительной технике при ультразвуковом контроле и толщинометрии структурно-неоднородных материалов с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно асфальтобетонов. Сущность полезной модели заключается в том, что пьезоэлектрический преобразователь, предназначенный для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, установлен в центре антенной решетки. Пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, установлены симметрично пьезоэлектрическому преобразователю, предназначенному для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, с возможностью перемещения по направляющим антенной решетки относительно последнего для уменьшения уровня структурных помех. Пьезоэлектрические преобразователи установлены в корпусе и подключены к измерительным блокам. Технический результат: обеспечение возможности значительного повышения абсолютной чувствительности ультразвукового контроля и толщинометрии. 2 ил.Usage: for use in ultrasonic measuring equipment for ultrasonic testing and thickness measurement of structurally inhomogeneous materials with a high attenuation coefficient of ultrasound, mainly asphalt concrete. The essence of the utility model is that a piezoelectric transducer designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations is installed in the center of the antenna array. Piezoelectric transducers designed to receive ultrasonic vibrations are mounted symmetrically to a piezoelectric transducer designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations, with the possibility of moving along the guides of the antenna array relative to the latter to reduce the level of structural interference. Piezoelectric transducers are installed in the housing and connected to the measuring units. Effect: providing the possibility of a significant increase in the absolute sensitivity of ultrasonic testing and thickness measurement. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использована при ультразвуковом контроле и толщинометрии структурно-неоднородных материалов с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно асфальтобетонов.The utility model relates to the field of ultrasonic measuring equipment and can be used in ultrasonic testing and thickness measurement of structurally inhomogeneous materials with a high attenuation coefficient of ultrasound, mainly asphalt concrete.

Известна ультразвуковая иммерсионная многосекционная совмещенная антенная решетка, содержащая установленные внутри корпуса пьезоэлементы, которые имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму и расположены под острым углом к акустической оси устройства. Акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси устройства в направлении излучения и расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось устройства (патент RU 114786, МПК G01N 29/00 (2006.01)).Known ultrasonic immersion multi-sectional combined antenna array containing piezoelectric elements installed inside the housing, which have the same shape in pairs with respect to the longitudinal axis of the transducer and are located at an acute angle to the acoustic axis of the device. The acoustic axes of the piezoelectric elements intersect each other on the longitudinal axis of the device in the direction of radiation and are located in the same plane passing through the longitudinal axis of the device (patent RU 114786, IPC G01N 29/00 (2006.01)).

Описанная выше ультразвуковая иммерсионная многосекционная совмещенная антенная решетка не может быть использована для контроля неметаллических крупноструктурных материалов, так как излучаемая мощность ультразвуковых сигналов не достаточна для прозвучивания материалов с большим коэффициентом поглощения, волны, отраженные и рассеянные от внутренних неоднородностей дополнительно снижают аплитуду полезного сигнала и соотношение сигнал/шум.The ultrasonic immersion multi-sectional combined antenna array described above cannot be used to control non-metallic coarse-grained materials, since the radiated power of ultrasonic signals is not sufficient for sounding materials with a high absorption coefficient, waves reflected and scattered from internal inhomogeneities additionally reduce the useful signal amplitude and signal ratio /noise.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ультразвуковая антенная решетка в виде двухмерной матрицы, содержащая установленные в корпусе пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема и возбуждения ультразвуковых колебаний в крупноструктурных материалах. Пьезоэлектрические преобразователи подключены к измерительному блоку через коммутатор и импульсный генератор. Каждый пьезоэлектрический преобразователь выполнен с протектором, обеспечивающим точечный или линейный контакт с контролируемым объектом, и с индивидуальным прижимным механизмом, имеющим возможность возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки (патент RU 2080592, МПК⁶ G01N 29/00).Closest to the proposed utility model in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is an ultrasonic antenna array in the form of a two-dimensional matrix containing piezoelectric transducers installed in the housing, designed to receive and excite ultrasonic vibrations in coarse-grained materials. Piezoelectric transducers are connected to the measuring unit through a switch and a pulse generator. Each piezoelectric transducer is made with a tread that provides point or linear contact with the controlled object, and with an individual clamping mechanism that can reciprocate vertically to the working surface of the antenna array (patent RU 2080592, IPC ⁶ G01N 29/00).

К недостаткам данной ультразвуковой антенной решетки следует отнести низкую абсолютную чувствительность ультразвукового контроля и толщинометрии при контроле преимущественно таких крупноструктурных материалов, как асфальтобетонные покрытия, вследствие недостаточной для такого контроля амплитуды ультразвукового сигнала, излучаемой пьезоэлектрическим преобразователем, значительной неравномерностью амплитудо-частотной характеристики и низким коэффициентом преобразования пьезоэлектрических преобразователей, вызванным малой площадью контакта протектора и диаметром протектора много меньшим длины волны.The disadvantages of this ultrasonic antenna array include the low absolute sensitivity of ultrasonic testing and thickness measurement when controlling predominantly coarse-grained materials such as asphalt concrete coatings, due to the insufficient amplitude of the ultrasonic signal emitted by the piezoelectric transducer, significant non-uniformity of the amplitude-frequency characteristic and low conversion coefficient of the piezoelectric converters caused by small n oschadyu contacting tread and a tread diameter much smaller than the wavelength.

В связи с этим технической задачей является повышение абсолютной чувствительности ультразвукового контроля и толщинометрии за счет увеличения амплитуды ультразвукового возбуждающего сигнала.In this regard, the technical task is to increase the absolute sensitivity of ultrasonic testing and thickness measurement by increasing the amplitude of the ultrasonic exciting signal.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой ультразвуковой антенной решетке, содержащей пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема и возбуждения ультразвуковых колебаний в крупноструктурных материалах, установленные в корпусе и подключенные к измерительному блоку, согласно полезной модели пьезоэлектрический преобразователь, предназначенный для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно в асфальтобетоне, установлен в центре антенной решетки, а пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, установлены симметрично пьезоэлектрическому преобразователю, предназначенному для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, с возможностью перемещения по направляющим антенной решетки относительно последнего.The problem is solved in that in the proposed ultrasonic antenna array containing piezoelectric transducers designed to receive and excite ultrasonic vibrations in coarse-grained materials installed in the housing and connected to the measuring unit, according to a utility model, a piezoelectric transducer designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations in materials with a high ultrasound attenuation coefficient, mainly in asphalt concrete, anovlen in the center of the array, and piezoelectric transducers for receiving ultrasonic waves are mounted symmetrically piezoelectric transducer for driving high-intensity ultrasonic waves to be movable along the guide array relative to the latter.

Таким образом, ультразвуковая антенная решетка содержит выделенный пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, а также электрически и акустически изолированные от него пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, причем использование выделенного пьезоэлектрического преобразователя для излучения ультразвука высокой интенсивности позволяет значительно увеличить амплитуду излучаемого сигнала, а следовательно, при неизменном коэффициенте поглощения, амплитуду полезного сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе, предназначенном для приема ультразвуковых колебаний.Thus, the ultrasonic antenna array contains a dedicated piezoelectric transducer for exciting high-intensity ultrasonic vibrations in materials with a high attenuation coefficient of ultrasound, as well as piezoelectric transducers electrically and acoustically isolated from it, designed to receive ultrasonic vibrations, the use of a dedicated piezoelectric transducer for emitting high ultrasound intensity allows you to significantly increase the amplitude du emitted signal, and therefore, at a constant absorption coefficient, the amplitude of the useful signal on a piezoelectric transducer designed to receive ultrasonic vibrations.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображен общий вид антенной решетки, на фиг. 2 - общий вид пьезоэлектрического преобразователя, предназначенного для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно в асфальтобетоне.A utility model is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 schematically shows a General view of the antenna array, in FIG. 2 is a general view of a piezoelectric transducer designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations in materials with a high ultrasound attenuation coefficient, mainly in asphalt concrete.

Предлагаемая ультразвуковая антенная решетка содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, предназначенный для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно в асфальтобетоне, установленный в посадочном месте 2 в центре антенной решетки, и пьезоэлектрические преобразователи 3, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, установленные симметрично пьезоэлектрическому преобразователю 1 с возможностью перемещения по направляющим 4 антенной решетки относительно последнего. Рабочим положением пьезоэлектрического преобразователя 3 является то, при котором обеспечивается максимальное соотношение полезного сигнала к уровню структурных шумов.The proposed ultrasonic antenna array contains a piezoelectric transducer 1, designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations in materials with a high attenuation coefficient of ultrasound, mainly in asphalt concrete, installed in a seat 2 in the center of the antenna array, and piezoelectric transducers 3, designed to receive ultrasonic vibrations, installed symmetrically to the piezoelectric transducer 1 with the ability to move along the guides 4 ant lattice constant relative to the latter. The working position of the piezoelectric transducer 3 is that which ensures the maximum ratio of the useful signal to the level of structural noise.

Пьезоэлектрический преобразователь 1, подключенный к измерительному блоку, в качестве которого может быть использован генератор импульсов возбуждения (на чертеже не показан), и пьезоэлектрические преобразователи 3, подсоединенные к соответствующим каналам измерительного блока, в качестве которого может быть использован ультразвуковой дефектоскоп (на чертеже не показан), размещены в корпусе 5.Piezoelectric transducer 1 connected to the measuring unit, which can be used as an excitation pulse generator (not shown), and piezoelectric transducers 3 connected to the corresponding channels of the measuring unit, which can be used as an ultrasonic flaw detector (not shown ), placed in the housing 5.

Пьезоэлектрический преобразователь 1 содержит корпус 6, в котором установлена демфирующая прокладка 7, связанная с волноводом 8, на одном конце которого расположен массивный металлический отражатель 9, а на другом конце - твердосплавная игла 10. Также на волноводе 8 составлен пакет 11 электрически связанных между собой пьезоэлектрических колец, собранных в корпусе 6 между отражателем 9 и волноводом 8. Пакет 11 выполнен из отдельных пьезоэлектрических колец с электродами и напыленными на них токопроводящими слоями на обоих поверхностях.The piezoelectric transducer 1 contains a housing 6, in which a damping pad 7 is connected, connected to the waveguide 8, at one end of which there is a massive metal reflector 9, and at the other end there is a carbide needle 10. Also, a packet 11 of piezoelectric electrically connected to each other is made up of the waveguide 8. rings assembled in the housing 6 between the reflector 9 and the waveguide 8. The packet 11 is made of separate piezoelectric rings with electrodes and conductive layers deposited on them on both surfaces.

Для получения пакета 11 предварительно изготавливаются единичные пьезоэлектрические кольца путем припаивания к ним сплошных токосъемников. Затем производится сортировка пьезолектрических колец по электроакустическим параметрам и склеивание их через акустоэлектроизоляционный слой. Нижняя поверхность пакета 11 приклеивается к демферирующей прокладке 7, а на верхнюю поверхность пакета 11 наносится согласующий слой 12, к которому прикрепляется отражатель 9.To obtain the package 11, single piezoelectric rings are preliminarily made by soldering continuous current collectors to them. Then, the piezoelectric rings are sorted by electro-acoustic parameters and glued through an acoustoelectrical insulation layer. The lower surface of the bag 11 is glued to the damper gasket 7, and a matching layer 12 is applied to the upper surface of the bag 11, to which a reflector 9 is attached.

Волновод 8 отделен от корпуса 6 демпфирующим материалом 13, например, эпоксидной смолой с добавкой порошка вольфрама.The waveguide 8 is separated from the housing 6 by a damping material 13, for example, epoxy resin with the addition of tungsten powder.

Работа ультразвуковой антенной решетки осуществляется следующим образом.The operation of the ultrasonic antenna array is as follows.

Перед проведением ультразвуковой толщинометрии проводится предварительная юстировка антенной решетки, включающая расстановку пьезоэлектрических преобразователей 3, обеспечивающих минимальный уровень структурных помех, после чего выполняется определение скорости распространения ультразвука в материале с большим коэффициентом затухания ультразвука, в частности, асфальтобетоне.Before carrying out ultrasonic thickness gauging, a preliminary alignment of the antenna array is carried out, including the arrangement of piezoelectric transducers 3 that provide a minimum level of structural interference, after which the ultrasound propagation velocity is determined in a material with a high ultrasound attenuation coefficient, in particular, asphalt concrete.

На пьезоэлектрический преобразователь 1, а именно, на пакет 11 пьезоэлектрических колец подается возбуждающий импульс, вызывающий продольную деформацию пьезокерамики, передающуюся на волновод 8. Общая длина пьезоэлектрического преобразователя 1 и волновода 8 подобраны таким образом, что бы обеспечить резонансные колебания. Амплитуда колебаний будет зависит от прилагаемого электрического напряжения и количества пьезокерамических колец в пакете 11.An exciting pulse is applied to the piezoelectric transducer 1, namely, to the packet 11 of the piezoelectric rings, causing longitudinal deformation of the piezoceramics transmitted to the waveguide 8. The total length of the piezoelectric transducer 1 and the waveguide 8 are selected in such a way as to provide resonant vibrations. The amplitude of the oscillations will depend on the applied voltage and the number of piezoceramic rings in the package 11.

Далее определяется временная задержка прохождения прямого и отраженного сигналов, вычисляются пути прямого и отраженного ультразвукового сигнала для каждой пары «пьезоэлектрический преобразователь 1 - пьезоэлектрический преобразователь 3», то есть для каждой пары «излучатель/приемник», после чего определяется толщина асфальтобетонного покрытия.Next, the time delay of the direct and reflected signals is determined, the direct and reflected ultrasonic signal paths are calculated for each pair of “piezoelectric transducer 1 - piezoelectric transducer 3”, that is, for each pair “emitter / receiver”, after which the thickness of the asphalt concrete coating is determined.

Таким образом, использование предлагаемой ультразвуковой антенной решетки позволяет увеличить амплитуду ультразвукового возбуждающего сигнала, что способствует повышению абсолютной чувствительности ультразвукового контроля и толщинометрии.Thus, the use of the proposed ultrasonic antenna array allows you to increase the amplitude of the ultrasonic exciting signal, which increases the absolute sensitivity of the ultrasonic control and thickness measurement.

Claims

An ultrasonic antenna array containing piezoelectric transducers designed to receive and excite ultrasonic vibrations in coarse-grained materials, mounted in a housing and connected to a measuring unit, characterized in that the piezoelectric transducer designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations in materials with a high ultrasound attenuation coefficient, mainly in asphalt concrete, installed in the center of the antenna array, and piezoelectric transducers designed to receive ultrasonic vibrations are mounted symmetrically to a piezoelectric transducer designed to excite high-intensity ultrasonic vibrations, with the possibility of moving along the guides of the antenna array relative to the latter.