RU2110792C1 - Acoustic emission piezoelectric transducer - Google Patents
Acoustic emission piezoelectric transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2110792C1 RU2110792C1 RU96102359A RU96102359A RU2110792C1 RU 2110792 C1 RU2110792 C1 RU 2110792C1 RU 96102359 A RU96102359 A RU 96102359A RU 96102359 A RU96102359 A RU 96102359A RU 2110792 C1 RU2110792 C1 RU 2110792C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- elastic element
- piezoelectric element
- diameter
- piezoelectric
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к неразрушающему контролю объектов в экстремальных условиях воздействия высокой температуры, γ-η - излучения, перегретого пара, вибрации и др. , а именно пьезоэлектрическим преобразователям акустической эмиссии, и может быть использовано, в частности, для контроля герметичности первых контуров реакторных установок атомных электростанций, в процессе которого регистрируются поверхностные волны с гребенчатой периодической структурой (волны Рэлея, Лэмба и квазирэлеевские волны - в дальнейшем по тексту "волны Рэлея") в частотном диапазоне от 20 до 200 кГц, длиной, сравнимой с размерами преобразователя. The invention relates to non-destructive testing of objects in extreme conditions of exposure to high temperature, γ-η - radiation, superheated steam, vibration, etc., namely piezoelectric transducers of acoustic emission, and can be used, in particular, to control the tightness of the first circuits of nuclear reactor installations power plants, during which surface waves with a ridge periodic structure are recorded (Rayleigh, Lamb waves and quasi-Rayleigh waves - hereinafter referred to as “Rayleigh waves”) in frequency range from 20 to 200 kHz, with a length comparable to the size of the converter.
К первичным преобразователям любых диагностических систем предъявляются весьма высокие требования к техническим характеристикам, определяющим разрешающую способность (коэффициенту электроакустического преобразования, ширине рабочего частотного диапазона, неравномерности АЧХ и др.). The primary converters of any diagnostic systems have very high requirements for technical characteristics that determine the resolution (electro-acoustic conversion coefficient, the width of the working frequency range, frequency response unevenness, etc.).
К первичным пьезоэлектрическим преобразователям акустической эмиссии систем контроля герметичности оборудования атомных электростанций предъявляются дополнительные требования обеспечения специальных функциональных свойств: избирательность приема волн Рэлея среди других мод колебаний и дифференциальный вывод электрического сигнала (волны Рэлея несут информацию о "звучащих" дефектах протяженных объектов, в то время как объемные (продольные) волны содержат сведения о событиях, происходящих внутри трубопроводов, например явления кавитации, и в данном случае являются механическим шумом) [1a]. Primary piezoelectric transducers of acoustic emission for monitoring the tightness of equipment of nuclear power plants are subject to additional requirements for ensuring special functional properties: the selectivity of the reception of Rayleigh waves among other modes of oscillation and the differential output of the electrical signal (Rayleigh waves carry information about the "sounding" defects of extended objects, while body (longitudinal) waves contain information about events occurring inside pipelines, for example vitations, and in this case are mechanical noise) [1a].
Особенность процесса контроля течи трубопроводов оборудования атомных электростанций путем анализа сигналов акустической эмиссии в диапазоне частот от 20 до 200 кГц заключается в том, что полезный сигнал, содержащий информацию о состоянии трубопроводов и возникновении в них дефектов, существенно заглушен механическим шумом перегретой воды и пара. Кроме того, из-за ограниченного доступа к контролируемому объекту (в том числе и из-за невозможности размещения усилительно-преобразовательной аппаратуры вблизи первичных преобразователей) применяются длинные кабельные линии длиной до 200 м, резко ухудшающие соотношение сигнал/шум. Для обеспечения помехоустойчивости и надежности работы в таких экстремальных условиях конструкция преобразователя должна быть максимально простой, включать минимальное количество деталей, в особенности пьезоэлементов, иметь дифференциальный вывод и, желательно, большую собственную электрическую емкость по сравнению с емкостью кабельной линии. The peculiarity of the process of controlling the leakage of pipelines of equipment of nuclear power plants by analyzing acoustic emission signals in the frequency range from 20 to 200 kHz is that a useful signal containing information about the condition of pipelines and the occurrence of defects in them is substantially drowned out by the mechanical noise of superheated water and steam. In addition, due to the limited access to the monitored object (including the inability to place amplification-conversion equipment near primary converters), long cable lines up to 200 m long are used, which sharply worsen the signal-to-noise ratio. To ensure noise immunity and reliability in such extreme conditions, the design of the converter should be as simple as possible, include a minimum number of parts, especially piezoelectric elements, have a differential output and, preferably, a large own electric capacitance compared to the capacity of the cable line.
Известен пьезоэлектрический преобразователь для регистрации волн Рэлея, содержащий набор пьезопластин, расположенных в одной плоскости на расстоянии половины длины волны регистрируемой моды для пластин противоположной поляризации [1б]. Выбор размеров пьезопластин обеспечивает избирательность приема волн Рэлея и максимальную чувствительность на частоте регистрации. Однако применение данного преобразователя ограничено из-за весьма узких полосы пропускания, диаграммы направленности и недопустимо большого количества пьезоэлементов. Known piezoelectric transducer for detecting Rayleigh waves, containing a set of piezoelectric plates located in one plane at a distance of half the wavelength of the detected mode for plates of opposite polarization [1b]. The choice of the sizes of the piezoelectric plates ensures the selectivity of Rayleigh wave reception and maximum sensitivity at the recording frequency. However, the use of this converter is limited due to the very narrow bandwidth, radiation pattern and an unacceptably large number of piezoelectric elements.
Наиболее близким по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь [2] для регистрации акустической эмиссии высокотемпературных объектов. Преобразователь состоит из одного или нескольких пьезоэлементов, предварительно поджатых пружинами к несущей опоре, соединенной с корпусом тонкой мембраной. Корпус снабжен тремя опорами. Несущая опора выступает за пределы опор корпуса и выполнена в виде тупого волновода, преимущественно, в форме экспоненциальной воронки. Прием ультразвуковых волн производится через несущую опору, соприкасающуюся с поверхностью контролируемого объекта. Однако данный преобразователь в равной степени регистрирует как поверхностные, так и продольные волны. Равные смещения поверхности контролируемого объекта в месте касания несущей опоры преобразователя в осевом направлении независимо от моды колебаний вызовут появление равных электрических сигналов, поскольку пьезоэлементы акустически развязаны от корпуса (механическая связь пьезоэлементов, установленных на несущую опору, и корпуса осуществляется посредством тонкой мембраны). The closest in technical essence is the piezoelectric transducer [2] for recording the acoustic emission of high-temperature objects. The transducer consists of one or more piezoelectric elements, previously preloaded by springs to the supporting support, connected to the housing by a thin membrane. The housing is equipped with three supports. The bearing support extends beyond the supports of the housing and is made in the form of a blunt waveguide, mainly in the form of an exponential funnel. Ultrasonic waves are received through the bearing support in contact with the surface of the controlled object. However, this transducer equally records both surface and longitudinal waves. Equal displacements of the surface of the controlled object at the point of contact of the bearing support of the transducer in the axial direction, regardless of the oscillation mode, will cause the appearance of equal electrical signals, since the piezoelectric elements are acoustically decoupled from the body (mechanical connection of the piezoelectric elements mounted on the bearing support and the body is carried out by means of a thin membrane).
Кроме того, в данной конструкции из-за фазового сдвига (длина пути акустического сигнала до каждого пьезоэлемента различна) и различной нагрузки пьезоэлементов (нижний пьезоэлемент нагружен верхним пьезоэлементом и инерционным элементом, а верхний пьезоэлемент - только инерционным элементом) ограничена возможность дифференциального вывода электрического сигнала. In addition, in this design, due to the phase shift (the path length of the acoustic signal to each piezoelectric element is different) and the different load of the piezoelectric elements (the lower piezoelectric element is loaded with the upper piezoelectric element and the inertial element, and the upper piezoelectric element is only the inertial element), the possibility of differential output of the electrical signal is limited.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии, чувствительного к поверхностным волнам с гребенчатой периодической структурой, длиной, сравнимой с размерами датчика. The problem solved by the invention is aimed at creating a piezoelectric transducer of acoustic emission sensitive to surface waves with a comb periodic structure, a length comparable to the size of the sensor.
Техническим результатом настоящего изобретения является избирательность приема волн Рэлея и повышение помехоустойчивости пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии. The technical result of the present invention is the selectivity of the reception of Rayleigh waves and increase the noise immunity of the piezoelectric transducer of acoustic emission.
Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе акустической эмиссии, содержащем корпус, размещенные в корпусе пьезоэлемент, упругий элемент, волновод и мембрану, соединенную по наружному контуру с корпусом и в центральной ее части - с одним концом волновода, пьезоэлемент выполнен в виде тонкого диска, закрепленного на одной стороне упругого элемента в виде мембраны. Центральная часть упругого элемента с другой стороны жестко соединена с другим концом волновода, а наружный контур - с корпусом. На нерабочей поверхности пьезоэлемента выполнены электроды в виде концентричных диска и кольца, при этом поперечный размер волновода выбран меньше диаметра дискового электрода. Поперечный размер волновода выбран меньше половины минимальной длины волны Рэлея. Внутренний поперечный размер корпуса выбран больше половины средней длины волны Рэлея. Упругий элемент снабжен кольцом, расположенным по наружному контуру упругого элемента со стороны волновода, при этом диаметр пьезоэлемента Dпэ выбран из соотношения:
D1≤Dпэ<D2,
где
D1 - внутренний диаметр кольца упругого элемента;
D2 - наружный диаметр кольца упругого элемента.The technical result is achieved by the fact that in the known piezoelectric transducer of acoustic emission comprising a housing, a piezoelectric element located in the housing, an elastic element, a waveguide and a membrane connected along the external circuit with the housing and in its central part with one end of the waveguide, the piezoelectric element is made in the form of a thin a disk mounted on one side of the elastic element in the form of a membrane. The central part of the elastic element, on the other hand, is rigidly connected to the other end of the waveguide, and the outer contour is connected to the body. On the non-working surface of the piezoelectric element, electrodes are made in the form of a concentric disk and a ring, while the transverse size of the waveguide is chosen smaller than the diameter of the disk electrode. The transverse size of the waveguide is less than half the minimum Rayleigh wavelength. The internal transverse dimension of the body is selected to be more than half the average Rayleigh wavelength. The elastic element is equipped with a ring located on the outer contour of the elastic element from the side of the waveguide, while the diameter of the piezoelectric element D pe selected from the ratio:
D 1 ≤D pe <D 2 ,
Where
D 1 - the inner diameter of the ring of the elastic element;
D 2 - the outer diameter of the ring of the elastic element.
Кольцо упругого элемента соединено с корпусом посредством слоя клея, толщиной больше 0,03•λ , где λ - длина продольной волны в клее. Диаметр дискового электрода и внутренний диаметр кольцевого электрода выбраны в пределах (0,55-0,8) от внутреннего диаметра кольца упругого элемента. The ring of the elastic element is connected to the body by means of an adhesive layer with a thickness greater than 0.03 • λ, where λ is the longitudinal wavelength in the adhesive. The diameter of the disk electrode and the inner diameter of the ring electrode are selected within (0.55-0.8) of the inner diameter of the ring of the elastic element.
Избирательность приема волн Рэлея среди всех мод ультразвуковых колебаний контролируемого объекта и повышение помехоустойчивости пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии достигается механической связью пьезоэлемента с элементами преобразователя, непосредственно контактирующими с поверхностью контролируемого объекта на определенном расстоянии друг от друга, а именно с корпусом через упругий элемент и с волноводом. Механическая связь образуется за счет жесткого соединения пьезоэлемента с упругим элементом и упругого элемента с корпусом (по наружному контуру) и с волноводом (по внутреннему контуру). Смещения корпуса и волновода относительно друг друга вызывают деформации пьезоэлемента и соответственно появление электрического сигнала. При этом выполнение упругого элемента в виде мембраны и закрепленного на нем пьезоэлемента в виде тонкого диска позволяют получить высокую чувствительность к волнам с гребенчатой структурой, поскольку изгибная жесткость данных элементов мала и в этой связи потери энергии волн в результате их отражения минимальны. The selectivity of receiving Rayleigh waves among all modes of ultrasonic vibrations of the controlled object and increasing the noise immunity of the piezoelectric transducer of acoustic emission is achieved by mechanical coupling of the piezoelectric element with the transducer elements that are in direct contact with the surface of the controlled object at a certain distance from each other, namely with the body through the elastic element and with the waveguide. The mechanical connection is formed due to the rigid connection of the piezoelectric element with the elastic element and the elastic element with the body (along the outer contour) and with the waveguide (along the inner contour). Displacements of the housing and the waveguide relative to each other cause deformation of the piezoelectric element and, accordingly, the appearance of an electrical signal. In this case, the execution of the elastic element in the form of a membrane and a piezoelectric element fixed in it in the form of a thin disk makes it possible to obtain high sensitivity to waves with a comb structure, since the bending stiffness of these elements is small and, therefore, the loss of wave energy as a result of their reflection is minimal.
При распространении волн Рэлея в месте установки преобразователя волновод смещается относительно корпуса и при изгибе пьезоэлемента образуются две кольцевые зоны деформаций, в пределах которых наблюдаются противоположные по направлению деформации. При этом выполнение на нерабочей поверхности пьезоэлемента двух электродов в виде концентричных диска и кольца и одновременно выбор поперечного размера волновода меньше диаметра дискового электрода позволяют получать на одном пьезоэлементе два канала и снимать с электродов электрические сигналы разного знака, чем обеспечивается возможность дифференциального вывода сигнала. When Rayleigh waves propagate at the installation site of the transducer, the waveguide shifts relative to the housing and, when the piezoelectric element is bent, two annular deformation zones are formed, within which deformations opposite in direction are observed. At the same time, the execution of two electrodes on the inoperative surface of the piezoelectric element in the form of a concentric disk and ring and at the same time the choice of the transverse waveguide size smaller than the diameter of the disk electrode allows two channels to be received on one piezoelectric element and to remove electrical signals of different signs from the electrodes, which allows differential signal output.
При нормальном же падении продольных волн из глубины материала трубопроводов и одновременном смещении волновода и корпуса в осевом направлении мембрана упругого элемента и пьезоэлемент под действием сил инерции изгибаются таким образом, что в их пределах образуются три кольцевые зоны деформаций, причем деформации внутренней кольцевой зоны противоположны деформациям крайних зон. В пределах каждого электрода одновременно наблюдаются противоположные по направлению деформации изгиба, взаимно компенсирующие большую часть электрического сигнала механической помехи. Некомпенсированный электрический заряд, снимаемый с электродов пьезоэлемента, одинаков и по величине и по знаку, и при дифференциальном подключении усилителя вычитается. Таким образом, размещение на нерабочей поверхности пьезоэлемента двух электродов в виде концентричных диска и кольца, а также ограничение поперечного размера волновода обеспечивают возможность дифференциального вывода сигнала, выделение волн Рэлея и подавление сигналов, вызванных действием продольных волн. Under normal incidence of longitudinal waves from the depth of the pipeline material and simultaneous axial displacement of the waveguide and the body, the membrane of the elastic element and the piezoelectric element under the action of inertia are bent so that three ring deformation zones are formed within them, and the deformation of the inner ring zone is opposite to the extreme zones. Within each electrode, bending deformations opposite in the direction of deformation are observed simultaneously, mutually compensating for most of the electrical signal of mechanical interference. The uncompensated electric charge removed from the electrodes of the piezoelectric element is the same both in magnitude and in sign, and with the differential connection of the amplifier is subtracted. Thus, the placement of two electrodes in the form of a concentric disk and a ring on the non-working surface of the piezoelectric element, as well as limiting the transverse size of the waveguide, enable differential signal output, Rayleigh wave isolation, and signal suppression caused by the action of longitudinal waves.
Выполнение упругого элемента в виде мембраны с кольцом по наружному контуру и неравенства D1≤Dпэ<D2 позволяют получить необходимое распределение механических радиальных σr и тангенциальных σt напряжений пьезоэлемента, при котором сигналы, снимаемые с обоих электродов, равны. Нижняя граница соотношения (D1≤Dпэ) одновременно обеспечивает условия отсутствия перемещения и угла поворота пьезоэлемента на наружном контуре мембраны упругого элемента, поскольку в данной области пьезоэлемент не испытывает деформаций изгиба, и перекрытие области максимальных напряжений изгиба σr и σt вблизи наружного контура. Верхняя граница неравенства (Dпэ<D2 обеспечивает условия отсутствия акустического и электрического контактов образующей поверхности пьезоэлемента с корпусом, и тем самым исключает помехи, вызванные "звоном" корпуса, и короткое замыкание с кольцевым электродом.The execution of the elastic element in the form of a membrane with a ring along the outer contour and the inequalities D 1 ≤D pe <D 2 allow us to obtain the necessary distribution of the mechanical radial σ r and tangential σ t piezoelectric stresses, at which the signals recorded from both electrodes are equal. The lower boundary of the relationship (D 1 ≤ D pe ) simultaneously provides conditions for the absence of movement and the angle of rotation of the piezoelectric element on the outer contour of the membrane of the elastic element, since in this region the piezoelectric element does not experience bending deformations, and the overlap of the region of maximum bending stresses σ r and σ t near the outer contour . The upper boundary of the inequality (D pe <D 2 provides the absence of acoustic and electrical contacts of the forming surface of the piezoelectric element with the housing, and thereby eliminates the interference caused by the "ringing" of the housing, and short circuit with the ring electrode.
Выбор поперечного размера волновода меньше половины минимальной длины волны Рэлея и внутреннего поперечного размера корпуса больше половины средней длины Рэлея позволяет получить амплитудно-частотную характеристику преобразователя колокольно-образной формы с максимальным значением в середине рабочего частотного диапазона и высокой крутизной спада частотной характеристики за его пределами. При этом ограничение поперечного размера волновода обеспечивает существенное подавление высокочастотных сигналов, а ограничение внутреннего размера корпуса низкочастотных сигналов. The choice of the transverse size of the waveguide is less than half the minimum Rayleigh wavelength and the internal transverse size of the body is more than half the average Rayleigh length allows you to get the amplitude-frequency response of a bell-shaped converter with a maximum value in the middle of the working frequency range and a high slope of the frequency response outside it. Moreover, the limitation of the transverse size of the waveguide provides a significant suppression of high-frequency signals, and the limitation of the internal size of the housing of low-frequency signals.
Соединение корпуса с кольцом упругого элемента посредством слоя клея толщиной больше 0,03•λ (преимущественно, толщина клеевого слоя должна быть выбрана ближе к минимальному размеру: 0,03•λ ) позволяет уменьшить влияние колебаний корпуса на показания преобразователя. На границах "корпус - клей" и "кольцо - клей" в результате существенного различия волновых сопротивлений материалов сопрягаемых элементов происходит отражение помехи. Размеры дискового и кольцевого электродов выбраны из условий обеспечения максимальной чувствительности преобразователя при дифференциальном выводе электрического сигнала и максимальных ширины изолирующего промежутка между электродами. The connection of the housing with the ring of the elastic element by means of an adhesive layer with a thickness of more than 0.03 • λ (mainly, the thickness of the adhesive layer should be chosen closer to the minimum size: 0.03 • λ) allows you to reduce the effect of vibrations of the housing on the transducer readings. At the boundaries "body - glue" and "ring - glue" as a result of a significant difference in the wave impedances of the materials of the mating elements, interference is reflected. The sizes of the disk and ring electrodes are selected from the conditions for ensuring the maximum sensitivity of the converter during differential output of the electric signal and the maximum width of the insulating gap between the electrodes.
Оптимизация диаметра дискового электрода Dд и внутреннего диаметра кольцевого электрода Dк представляет собой весьма трудоемкую задачу, поскольку уравнения изгиба многослойных чувствительных пьезоэлектрических элементов достаточно сложны и громоздки. В заявляемом преобразователе указанные диаметры должны быть выбраны в пределах (0,55-0,8)•D1, значения которых получены расчетом. Кольцевая зона, ограниченная диаметрами 0,55•D1 и 0,8•D1, представляет собой область всевозможных сочетаний диаметров Dд и Dк и условно делит пьезоэлемент на две части (два канала) с равными по модулю коэффициентами преобразования. Расчет коэффициентов преобразования производился на основании известных зависимостей напряженности электрического поля пьезокерамических элементов в отсутствии внешнего электрического поля. Напряженность электрического поля, а соответственно и коэффициент преобразования являются функциями суммы механических напряжений σr и σt . При воздействии волн Рэлея вблизи диаметра 0,55•D1 меняют свой знак радиальные механические напряжения σr , а вблизи диаметра 0,8•D1 - тангенциальные механические напряжения σt . В кольцевых зонах от d, до 0,55•D1 и от 0,8•D1 до D1 сумма механических напряжений пьезоэлемента σr и σt , а соответственно и коэффициенты преобразования максимальны. Внутри же кольцевой зоны от 0,55•D1 до 0,8•D1 сумма механических напряжений пьезоэлемента σr и σt имеет минимальное значение, а в диапазоне диаметров (0,6-0,7)•D1 - близка к нулю. Таким образом, ширина изолирующего промежутка между электродами может быть достаточно большой и достигать значения 0,25•D1, поскольку влияние изменения размеров электродов Dд и Dк в пределах их области существования (0,55- 0,8)•D1 на коэффициенты преобразования каналов и соответственно на различие показаний обоих каналов существенно не влияет.Optimizing the diameter of the disk electrode D d and the inner diameter of the ring electrode D k is a very time-consuming task, since the equations of bending of multilayer sensitive piezoelectric elements are quite complex and cumbersome. In the inventive Converter, the indicated diameters must be selected in the range (0.55-0.8) • D 1 , the values of which are obtained by calculation. The annular zone, limited by diameters of 0.55 • D 1 and 0.8 • D 1 , represents the region of all possible combinations of diameters D d and D k and conditionally divides the piezoelectric element into two parts (two channels) with equal transform coefficients. The conversion coefficients were calculated based on the known dependences of the electric field strength of piezoelectric ceramic elements in the absence of an external electric field. The electric field strength and, accordingly, the conversion coefficient are functions of the sum of mechanical stresses σ r and σ t . Under the influence of Rayleigh waves near a diameter of 0.55 • D 1, the radial mechanical stresses σ r change their sign, and near a diameter of 0.8 • D 1 - tangential mechanical stresses σ t . In the ring zones from d, to 0.55 • D 1 and from 0.8 • D 1 to D 1, the sum of the mechanical stresses of the piezoelectric element σ r and σ t , and, accordingly, the conversion coefficients are maximum. Inside the annular zone from 0.55 • D 1 to 0.8 • D 1, the sum of the mechanical stresses of the piezoelectric element σ r and σ t has a minimum value, and in the diameter range (0.6-0.7) • D 1 is close to to zero. Thus, the width of the insulating gap between the electrodes can be quite large and reach a value of 0.25 • D 1 , since the influence of changes in the size of the electrodes D d and D k within their area of existence (0.55 - 0.8) • D 1 on channel conversion coefficients and, accordingly, the difference in the readings of both channels is not significantly affected.
Помимо вышеуказанных отличительных признаков следует также отметить особенность формы пьезоэлемента, заключающейся в том, что диаметр пьезоэлемента Dпэ во много раз больше его толщины. Такое соотношение размеров пьезоэлемента обуславливает высокие значения собственной емкости преобразователя, достигающие единиц-десятков нФ и допускающие при весьма существенной нагрузочной емкости кабеля передачу электрического сигнала без усиления за пределы экологически- и биологически опасных помещений АЭС. Кроме того, данная конструкция выполнена на одном пьезоэлементе, достаточно проста и включает минимальное количество деталей.In addition to the above distinguishing features, it should also be noted that the shape of the piezoelectric element is that the diameter of the piezoelectric element D pe is many times greater than its thickness. This ratio of the size of the piezoelectric element leads to high values of the converter’s own capacitance, reaching several dozens of nF and allowing the transmission of an electrical signal without amplification outside the environmentally and biologically hazardous rooms of a nuclear power plant with a very significant load capacity of the cable. In addition, this design is made on a single piezoelectric element, is quite simple and includes a minimum number of parts.
Рассмотрим более подробно особенности совокупности отличительных признаков заявляемого технического решения на примере пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии для оборудования атомных электростанций. Let us consider in more detail the features of the set of distinctive features of the claimed technical solution using the example of a piezoelectric acoustic emission transducer for equipment of nuclear power plants.
Суть заявляемого технического решения будет ясна из прилагаемых разъяснений и иллюстраций. На фиг.1 показана конструктивная схема пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии; на фиг.2 - зависимости радиальных и тангенциальных механических напряжений от радиуса пьезоэлемента при распространении волн Рэлея; на фиг.3 - то же, при нормальном падении продольных волн; на фиг.4 - зависимость коэффициента преобразования перемещения в электрический заряд от радиуса дискового электрода. The essence of the claimed technical solution will be clear from the attached explanations and illustrations. Figure 1 shows a structural diagram of a piezoelectric transducer of acoustic emission; figure 2 - dependence of radial and tangential mechanical stresses on the radius of the piezoelectric element during the propagation of Rayleigh waves; figure 3 - the same, with a normal incidence of longitudinal waves; figure 4 - dependence of the conversion coefficient of displacement into an electric charge on the radius of the disk electrode.
На фиг.1 показано: 1 - корпус; 2 - пьезоэлемент; 3 - упругий элемент; 4 - волновод; 5 - основание; 6 - дисковый электрод; 7 - кольцевой электрод; 8 - кольцо; 9 - слой клея; 10 - кабель; 11 - жилы кабеля; Dпэ - диаметр пьезоэлемента; Dд - диаметр дискового электрода; Dк - внутренний диаметр кольцевого электрода; D1 - внутренний диаметр кольца упругого элемента; D2 - наружный диаметр кольца упругого элемента; d - диаметр волновода. На фиг.1 приведен вариант исполнения конструкции преобразователя, в котором соединение наружного контура упругого элемента 3 с корпусом 1 осуществляется посредством клеевого слоя 9.Figure 1 shows: 1 - housing; 2 - a piezoelectric element; 3 - elastic element; 4 - waveguide; 5 - base; 6 - disk electrode; 7 - ring electrode; 8 - ring; 9 - a layer of glue; 10 - cable; 11 - cable conductors; D pe - the diameter of the piezoelectric element; D d - the diameter of the disk electrode; D to - the inner diameter of the ring electrode; D 1 - the inner diameter of the ring of the elastic element; D 2 - the outer diameter of the ring of the elastic element; d is the waveguide diameter. Figure 1 shows an embodiment of the design of the Converter, in which the connection of the outer contour of the elastic element 3 with the
На фиг.2 приведено: σr - зависимость радиальных механических напряжений пьезоэлемента от радиуса, σt - зависимость тангенциальных механических напряжений от радиуса.Figure 2 shows: σ r is the dependence of the radial mechanical stresses of the piezoelectric element on the radius, σ t is the dependence of the tangential mechanical stresses on the radius.
На фиг. 4 показано: ξq - зависимость коэффициента преобразования перемещения в электрический заряд от радиуса дискового электрода.In FIG. Figure 4 shows: ξ q is the dependence of the conversion coefficient of displacement into an electric charge on the radius of the disk electrode.
Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии содержит корпус 1, в котором размещены пьезоэлемент 2, упругий элемент 3, волновод 4 и мембрана 5. Мембрана 5 соединена по наружному контуру с корпусом 1, а по внутреннему контуру - с волноводом 4. Пьезоэлемент 2 выполнен в виде тонкого диска и жестко закреплен на мембране упругого элемента 3. Центральная часть мембраны упругого элемента 3 жестко соединена с волноводом 4, а наружный контур - с корпусом 1. На нерабочей поверхности пьезоэлемента 2 выполнены дисковый электрод 6 и кольцевой электрод 7. Диаметр волновода 4 выбран меньше диаметра дискового электрода 6 и одновременно меньше половины минимальной длины волны Рэлея. Внутренний размер корпуса 1 выбран больше половины средней длины волны Рэлея. Упругий элемент 3 по наружному контуру снабжен кольцом 8. Диаметр пьезоэлемента 2 выбран из соотношения: D1≤Dпэ<D2. Кольцо 8 соединено с корпусом 1 посредством слоя клея 9, толщиной больше 0,03•λ . Диаметр дискового электрода 6 и внутренний диаметр кольцевого электрода 7 выбраны в пределах (0,55-0,8)•D1. В верхней части корпуса закреплен двужильный экранированный кабель 10, жилы 11 которого соединены с электродами 6 и 7.The piezoelectric acoustic emission transducer comprises a
Приведенные на фиг. 2 и 3 зависимости механических напряжений изгиба σr и σt и коэффициента преобразования ξq от переменного радиуса получены расчетным путем. Рассмотрим более подробно порядок данного расчета путем анализа от переменных: радиуса r; диаметра волновода d; диаметра дискового электрода Dд; внутреннего диаметра кольца D1. Для этого рассмотрим известное уравнение равновесия тонкой пластинки в цилиндрических координатах. Следует отметить, что для волн Рэлея длиной, сравнимой с размером преобразователя, волновод 4 можно представить в виде недеформируемого стержня, передающего колебания поверхности контролируемого объекта мембране упругого элемента 3 почти без искажений. При этом можно пренебречь суммарными потерями энергии. Кроме того, при расчете была принята гипотеза прямых нормалей. Все компоненты напряжений, имеющие направления нормали к нейтральной плоскости, весьма малы по сравнению с прочими напряжениями и, следовательно, ими можно пренебречь.Referring to FIG. 2 and 3, the dependences of the bending mechanical stresses σ r and σ t and the transformation coefficient ξ q on a variable radius were obtained by calculation. Let us consider in more detail the order of this calculation by analyzing from variables: radius r; waveguide diameter d; the diameter of the disk electrode D d ; the inner diameter of the ring D 1 . For this, we consider the well-known equilibrium equation for a thin plate in cylindrical coordinates. It should be noted that for Rayleigh waves with a length comparable to the size of the transducer, waveguide 4 can be represented as a non-deformable rod transmitting vibrations of the surface of a controlled object to the membrane of elastic element 3 with almost no distortion. In this case, the total energy loss can be neglected. In addition, the hypothesis of direct normals was accepted in the calculation. All stress components having normal directions to the neutral plane are very small compared to other stresses and, therefore, they can be neglected.
Жестко соединенные пьезоэлемент 2 и упругий элемент 3 образуют чувствительный элемент преобразователя. При расчете пятислойный (верхний электрод - пьезокерамический материал - нижний электрод - слой клея - материал упругого элемента) чувствительный элемент заменен эквивалентной однородной мембраной с аналогичными толщиной и цилиндрической жесткостью. The rigidly connected
Перемещение волновода эквивалентно действию распределенной по внутреннему контуру мембраны силы Fr.The movement of the waveguide is equivalent to the action of the force F r distributed along the inner contour of the membrane.
,
где
Mr - изгибающий момент в радиальном направлении; Mt - изгибающий момент в тангенциальном направлении; r - переменный радиус; K - жесткость чувствительного элемента; δ - перемещение волновода. ,
Where
M r is the bending moment in the radial direction; M t is the bending moment in the tangential direction; r is the variable radius; K is the stiffness of the sensing element; δ is the movement of the waveguide.
Изгибающие моменты чувствительного элемента:
где
C - цилиндрическая жесткость эквивалентной мембраны; φ - угол поворота чувствительного элемента; r - переменный радиус; μ -коэффициент Пуассона эквивалентной мембраны.Bending moments of the sensing element:
Where
C is the cylindrical stiffness of the equivalent membrane; φ is the angle of rotation of the sensing element; r is the variable radius; μ is the Poisson's ratio of the equivalent membrane.
Цилиндрическая жесткость чувствительного элемента:
,
где
Eк - модуль упругости пьезокерамического материала; Eм - модуль упругости материала упругого элемента; hк - толщина пьезоэлемента; hм - толщина мембраны упругого элемента.Cylindrical stiffness of the sensing element:
,
Where
E to - the elastic modulus of the piezoceramic material; E m - the modulus of elasticity of the material of the elastic element; h to - the thickness of the piezoelectric element; h m - the thickness of the membrane of the elastic element.
Угол поворота φ :
,
Постоянные интегрирования находятся из граничных условий. На внутреннем (при r = d/2) и внешнем контуре (при r = D1/2) чувствительного элемента угол поворота φ равен нулю. Граничные условия образуют систему уравнении, имеющих решение:
,
где
a = D1/d.Angle of rotation φ:
,
Integration constants are found from the boundary conditions. On the internal (for r = d / 2) and external circuit (for r = D 1/2 ) of the sensing element, the rotation angle φ is equal to zero. Boundary conditions form a system of equations having a solution:
,
Where
a = D 1 / d.
После нахождения постоянных интегрирования жесткость чувствительного элемента:
.After finding the integration constant, the stiffness of the sensitive element:
.
Механические напряжения изгиба пьезоэлемента в радиальном направлении σr и в тангенциальном направлении σt и при воздействии волн Рэлея определяются по формулам:
,
,
где
z - переменная по толщине чувствительного элемента.The mechanical stresses of the bend of the piezoelectric element in the radial direction σ r and in the tangential direction σ t and when exposed to Rayleigh waves are determined by the formulas:
,
,
Where
z is a variable over the thickness of the sensing element.
На фиг. 2 приведены зависимости механических радиальных σr и тангенциальных σt напряжений пьезоэлемента.In FIG. Figure 2 shows the dependences of the mechanical radial σ r and the tangential σ t piezoelectric stresses.
Аналогично находятся напряжения изгиба пьезоэлемента и при нормальном падении продольных волн с отличием в части задания граничных условий (перемещение волновода относительно корпуса отсутствует) и распределенных сил инерции. На фиг.3 показаны зависимости напряжений σr и σt , действующих при нормальном падении продольных волн.Similarly, the bending stresses of the piezoelectric element are found under normal incidence of longitudinal waves with a difference in terms of setting boundary conditions (there is no movement of the waveguide relative to the body) and distributed inertia forces. Figure 3 shows the dependences of the stresses σ r and σ t acting in the normal incidence of longitudinal waves.
Напряженность электрического поля, а соответственно коэффициент преобразования перемещения в электрический заряд ξq является функцией суммы механических напряжений пьезоэлемента σr и σt , распределение по радиусу которых зависит от моды колебаний.The electric field strength, and accordingly the conversion coefficient of displacement into an electric charge ξ q, is a function of the sum of the mechanical stresses of the piezoelectric element σ r and σ t , the radius distribution of which depends on the mode of oscillations.
,
где
Eэл - напряженность электрического поля пьезокерамического элемента в отсутствии внешнего электрического поля; d31 - пьезомодуль пьезокерамического материала; ε
Where
E el - the electric field strength of the piezoceramic element in the absence of an external electric field; d 31 - piezoelectric module of a piezoceramic material; ε
Коэффициент преобразования канала, образованного частью пьезоэлемента, ограниченной дисковым электродом ε
,
где
u - расстояние от нейтральной плоскости чувствительного элемента до клеевого слоя между пьезоэлементом и мембраной упругого элемента. Положение нейтральной плоскости чувствительного элемента находится из условия отсутствия деформаций нейтральной плоскости:
.The conversion coefficient of the channel formed by the part of the piezoelectric element bounded by the disk electrode ε
,
Where
u is the distance from the neutral plane of the sensing element to the adhesive layer between the piezoelectric element and the membrane of the elastic element. The position of the neutral plane of the sensing element is found from the condition of the absence of deformations of the neutral plane:
.
Коэффициент преобразования канала, образованного частью пьезоэлемента, ограниченной кольцевым электродом ξ
.The conversion coefficient of the channel formed by the part of the piezoelectric element bounded by a ring electrode ξ
.
На фиг.4 приведена зависимость коэффициента преобразования перемещения в электрический заряд ξq от радиуса электрода Dд.Figure 4 shows the dependence of the conversion coefficient of displacement into an electric charge ξ q on the electrode radius D d .
Анализ зависимостей коэффициентов преобразования ξ
Таким образом, предложенный пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии обеспечивает избирательность приема волн Рэлея и позволяет повысить помехоустойчивость. Thus, the proposed piezoelectric transducer of acoustic emission provides selective reception of Rayleigh waves and improves noise immunity.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
При распространении волн Рэлея на поверхности контролируемого объекта волновод смещается относительно корпуса и изгибает мембрану упругого элемента и пьезоэлемент. На пьезоэлементе образуются две кольцевые зоны с противоположно направленными деформациями. Электрические сигналы, снимаемые с электродов пьезоэлемента, находятся в противофазе и при дифференциальном выводе складываются. При падении же продольных волн электрические сигналы синфазны и существенно подавлены. During the propagation of Rayleigh waves on the surface of the controlled object, the waveguide shifts relative to the housing and bends the membrane of the elastic element and the piezoelectric element. Two annular zones with oppositely directed deformations are formed on the piezoelectric element. The electrical signals taken from the electrodes of the piezoelectric element are in antiphase and add up when the differential output. When longitudinal waves are incident, the electrical signals are in phase and substantially suppressed.
Реализация на практике заявляемого преобразователя была осуществлена следующим образом. The practical implementation of the inventive Converter was carried out as follows.
Были изготовлены лабораторные образцы пьезоэлектрических преобразователей акустической эмиссии на основе дискового пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-26 диаметром 21 мм, с двумя электродами на верхней плоскости: дисковым электродом диаметром 13,5 мм и кольцевым электродом с внутренним диаметром 14,5 мм и наружным диаметром 20 мм. Пьезоэлемент был закреплен с применением высокотемпературного клея на упругом элементе в виде мембраны из титанового сплава с кольцом по наружному контуру и центральным цилиндрическим стержнем, играющим роль волновода. Внутренний диаметр кольца упругого элемента составлял 20 мм, а наружный диаметр - 22 мм, высота кольца упругого элемента была 6 мм. Кольцо упругого элемента жестко соединено с корпусом через слой клея толщиной 0,5 мм. Волновод диаметром 4 мм соединен с внутренним контуром нижней мембраны, играющей роль основания преобразователя и защищающей внутреннюю полость. По наружному контуру нижняя мембрана соединена с корпусом. Внутренний диаметр корпуса составляет 25 мм. Электрический сигнал снимается с электродов пьезоэлемента посредством высокотемпературного кабеля типа КНМС-2С, закрепленного на крышке корпуса. Laboratory samples of acoustic emission piezoelectric transducers were made on the basis of a disk piezoelectric element from TsTS-26 piezoceramics with a diameter of 21 mm, with two electrodes on the upper plane: a disk electrode with a diameter of 13.5 mm and a ring electrode with an inner diameter of 14.5 mm and an outer diameter of 20 mm . The piezoelectric element was fixed using high-temperature adhesive on an elastic element in the form of a titanium alloy membrane with a ring along the outer contour and a central cylindrical rod playing the role of a waveguide. The inner diameter of the ring of the elastic element was 20 mm, and the outer diameter was 22 mm, the height of the ring of the elastic element was 6 mm. The ring of the elastic element is rigidly connected to the body through an adhesive layer 0.5 mm thick. A waveguide with a diameter of 4 mm is connected to the inner contour of the lower membrane, which plays the role of the base of the transducer and protects the internal cavity. On the outer contour, the lower membrane is connected to the housing. The inner diameter of the case is 25 mm. The electrical signal is removed from the electrodes of the piezoelectric element by means of a high-temperature cable of the type KNMS-2C, mounted on the housing cover.
При воздействии волн Рэлея колебания поверхности контролируемого объекта передаются пьезоэлементу, испытывающему деформации изгиба. При дифференциальном подключении предварительного усилителя сигналы принимаемой моды складывались, а сигналы помехи вычитались. Подавление сигналов продольных волн по сравнению с сигналами волн Рэлея составляло 15 - 20 дб. Коэффициент преобразования перемещения в электрический заряд лабораторных образцов составлял ≈4•10-2 Кл/м. Относительно высокие значения электрической емкости (≈4•10-9 Ф) обеспечивали возможность передачи сигнала преобразователей без усиления на расстояния до нескольких десятков метров.Under the influence of Rayleigh waves, surface vibrations of a controlled object are transmitted to a piezoelectric element experiencing bending deformations. With the differential connection of the preamplifier, the signals of the received mode were added, and the interference signals were subtracted. The suppression of the signals of the longitudinal waves compared with the signals of the Rayleigh waves was 15 - 20 dB. The conversion coefficient of the displacement into the electric charge of laboratory samples was ≈4 • 10 -2 C / m. Relatively high values of electric capacitance (≈4 • 10 -9 F) made it possible to transmit the signal of the converters without amplification over distances of several tens of meters.
Claims (6)
D1 ≤ Dп э < D2,
где D1 - внутренний диаметр кольцевого ребра упругого элемента;
D2 - наружный диаметр кольцевого ребра упругого элемента.4. The Converter according to any one of paragraphs.1 to 3, characterized in that the elastic element is provided with an annular rib along the outer contour, while the diameter of the piezoelectric element D pe selected from the ratio
D 1 ≤ D p e <D 2 ,
where D 1 is the inner diameter of the annular ribs of the elastic element;
D 2 - the outer diameter of the annular ribs of the elastic element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96102359A RU2110792C1 (en) | 1996-02-01 | 1996-02-01 | Acoustic emission piezoelectric transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96102359A RU2110792C1 (en) | 1996-02-01 | 1996-02-01 | Acoustic emission piezoelectric transducer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU96102359A RU96102359A (en) | 1998-04-20 |
RU2110792C1 true RU2110792C1 (en) | 1998-05-10 |
Family
ID=20176649
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96102359A RU2110792C1 (en) | 1996-02-01 | 1996-02-01 | Acoustic emission piezoelectric transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2110792C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518031C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-06-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flowmeter, transducer unit with isolated transformer module |
RU2518030C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-06-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flowmeter with transducer unit comprising receiver and elbow connector |
RU2518033C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-06-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flowmeter with mounting seat plug unit |
RU2532651C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-11-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flow meter, converter unit and methods for their manufacture |
RU2532611C2 (en) * | 2010-06-29 | 2014-11-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Method and system of converter unit of ultrasonic flow meter |
RU186663U1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-01-29 | Юрий Владимирович Загашвили | PIEZOMODULE |
RU196040U1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-14 | Акционерное общество "Сигма-Оптик" | Acoustic signal receiving device for diagnosing the state of the controlled object |
-
1996
- 1996-02-01 RU RU96102359A patent/RU2110792C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Артюхов В.И. и др. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной технике. /Под ред.К.Б.Вакара. - М.: Атомиздат, 1980, с. 134, 136, 137, рис. 7.3. 2. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518031C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-06-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flowmeter, transducer unit with isolated transformer module |
RU2518030C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-06-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flowmeter with transducer unit comprising receiver and elbow connector |
RU2518033C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-06-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flowmeter with mounting seat plug unit |
RU2532651C2 (en) * | 2010-01-06 | 2014-11-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Ultrasonic flow meter, converter unit and methods for their manufacture |
RU2532611C2 (en) * | 2010-06-29 | 2014-11-10 | ДЭНИЭЛ МЕЖЕМЕНТ энд КОНТРОЛ, ИНК. | Method and system of converter unit of ultrasonic flow meter |
RU186663U1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-01-29 | Юрий Владимирович Загашвили | PIEZOMODULE |
RU196040U1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-02-14 | Акционерное общество "Сигма-Оптик" | Acoustic signal receiving device for diagnosing the state of the controlled object |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5921928A (en) | Acoustic force generation by amplitude modulating a sonic beam | |
US3855847A (en) | Acoustic emission transducer and monitoring system | |
CN104090031B (en) | A kind of pumping of prostressed duct quality detection device based on Ultrasonic Annular Phased Arrays | |
JP3517699B2 (en) | Vibration measuring apparatus and vibration measuring method | |
CA1134939A (en) | Polymeric piezoelectric microprobe having a damper | |
Kim et al. | Development of an accelerometer-based underwater acoustic intensity sensor | |
CN204044114U (en) | A kind of ring-shaped ultrasonic array energy transducer | |
JP4469939B2 (en) | Optical fiber sensor leak detector | |
JPS59230116A (en) | Ultrasonic interface detecting method and device | |
RU2110792C1 (en) | Acoustic emission piezoelectric transducer | |
CA2460901C (en) | System and method for inspecting an industrial furnace or the like | |
US11344915B2 (en) | Ultrasonic wave amplifying unit and non-contact ultrasonic wave transducer using same | |
CN115508452A (en) | Piezoelectric acoustic emission sensor | |
Lenhart et al. | Development of a standing wave apparatus for calibrating acoustic vector sensors and hydrophones | |
Svilainis et al. | High frequency focused imaging for ultrasonic probe integrity inspection | |
US6229762B1 (en) | Acoustic sensor for a point in space | |
Xinjing et al. | Low-cost, high-sensitivity hydrophone based on resonant air cavity | |
US6732545B2 (en) | Silica structure crack monitoring | |
RU159558U1 (en) | ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER | |
RU2582889C1 (en) | Ultrasonic piezoelectric converter | |
US7613075B2 (en) | Adaptive high frequency laser sonar system | |
CN110426460B (en) | Traveling wave tube measuring device and method for decoupling characteristic parameters of underwater acoustic material | |
Liang et al. | Measurement research of the optical fiber vector hydrophone used in underwater acoustic applications in the deep ocean | |
CN112285202A (en) | Variable-curvature PBX surface crack oriented nondestructive testing method and sensor | |
JPH02291933A (en) | Stress wave load cell |