RU2122202C1

RU2122202C1 - Method of x-ray vibration metering

Info

Publication number: RU2122202C1
Application number: SU5039215/25A
Authority: RU
Inventors: Сергей Сумбатович Шахиджанов
Original assignee: Сергей Сумбатович Шахиджанов
Priority date: 1992-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1998-11-20

Abstract

FIELD: measurement of vibrations and mechanical characteristics or materials and articles related to them by X-ray method. SUBSTANCE: narrow collimated beam of X-ray radiation is brought out along boundary or internal surface of separation of media in examined object having different factors of absorption of X-ray radiation and variable component of signal of detector is isolated at least on one chosen frequency. While examining objects with unknown frequency spectrum of vibrations one conducts analysis of specified spectrum and one or several frequencies of this spectrum are chosen to isolate variable component. In addition one may measure constant component of signal of detector and intensity of primary beam for the purpose of norming. Bringing out of beam can be accomplished by means of relative linear and angular movement of beam and examined object with determination of their relative position at which variable component has maximum value. EFFECT: improved authenticity of method. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области рентгенотехники и может использоваться для измерения вибрации и связанных с ними механических характеристик материалов и изделий рентгеновским методом. The invention relates to the field of X-ray engineering and can be used to measure vibration and the associated mechanical characteristics of materials and products by the X-ray method.

Известен способ оптической виброметрии, основанный на взаимодействии светового пучка с колеблющейся поверхностью исследуемого объекта и регистрации отклоненного указанной поверхностью пучка (1). A known method of optical vibrometry, based on the interaction of the light beam with the vibrating surface of the investigated object and registration of the beam deflected by the indicated surface (1).

Недостатком известного способа является невозможность исследования оптически недоступных структур, например вибрации элементов, расположенных внутри непрозрачной оболочки. The disadvantage of this method is the inability to study optically inaccessible structures, for example, vibration of elements located inside an opaque shell.

Наиболее близким техническим решением является способ рентгеновского исследования объектов, заключающийся в просвечивании исследуемого объекта коллимированным пучком рентгеновского излучения и регистрации детектором провзаимодействовавшего с указанным объектом излучения (2). The closest technical solution is the method of X-ray examination of objects, which consists in illuminating the object under study with a collimated x-ray beam and registering with the detector the radiation that interacted with the specified object (2).

Однако указанный способ не использовался ранее для исследований вибрации объектов. However, this method has not been used previously to study vibration of objects.

Задача изобретения заключается в создании способа рентгеновиброметрии, обеспечивающего в силу проникающей способности рентгеновского излучения возможность исследования вибрации внутренних элементов непрозрачных и недоступных для установки контактных вибродатчиков структур. The objective of the invention is to create a method of x-ray spectrometry, which, due to the penetrating ability of x-ray radiation, provides the opportunity to study the vibration of internal elements of opaque and inaccessible to install contact vibration sensors structures.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в способе рентгеновиброметрии, основанном на взаимодействии пучка рентгеновского излучения с исследуемым объектом и регистрации детектором провзаимодействовавшего с указанным объектом излучения, узкоколлимированный пучок рентгеновского излучения выводят вдоль границы или внутренней поверхности раздела исследуемого объекта, при регистрации провзаимодействовавшего с исследуемым объектом излучения выделяют переменную составляющую сигнала детектора на выбранной частоте и на основе выделенной переменной составляющей судят о параметрах вибрации. According to the invention, the problem is solved by the fact that in the method of X-ray diffraction, based on the interaction of the x-ray beam with the test object and registration of the radiation interacting with the specified object by the detector, a narrowly collimated x-ray beam is output along the boundary or the inner surface of the interface of the test object, when interacting with the test object radiation emit a variable component of the detector signal at the selected frequency based on the extracted alternating component is judged on the vibration parameters.

При этом, выведение пучка рентгеновского излучения осуществляют путем взаимного линейного и/или углового перемещения указанного пучка и исследуемого объекта и нахождения их взаимного расположения, при котором выделяемая переменная составляющая сигнала детектора имеет наибольшую величину. In this case, the removal of the x-ray beam is carried out by mutual linear and / or angular displacement of the specified beam and the object under study and finding their relative position, in which the extracted variable component of the detector signal has the largest value.

Кроме того, дополнительно определяют постоянную составляющую сигнала детектора и по совокупности переменной и постоянной составляющих судят о параметрах вибрации. In addition, the constant component of the detector signal is additionally determined, and vibration parameters are judged by the combination of the variable and constant components.

В определенных случаях производят спектральный анализ сигнала детектора и выделение переменной составляющей сигнала производят на одной или нескольких частотах полученного спектра. In certain cases, a spectral analysis of the detector signal is performed, and the variable component of the signal is extracted at one or more frequencies of the obtained spectrum.

Для нормировки составляющей или составляющих сигнала детектора дополнительно измеряют интенсивность первичного пучка рентгеновского излучения. To normalize the component or components of the detector signal, the intensity of the primary x-ray beam is additionally measured.

Предложенное решение позволяет с высокой чувствительностью исследовать вибрационные и связанные с ними механические характеристики не доступных для иных средств виброметрии элементов конструкции. The proposed solution allows one to study with high sensitivity the vibrational and related mechanical characteristics of structural elements not accessible to other means of vibrometry.

Задача предложения достигнута за счет высокой чувствительности способа к вибрациям с малой амплитудой при реальных размерах поперечного сечения зондирующего пучка рентгеновского излучения. The objective of the proposal is achieved due to the high sensitivity of the method to vibrations with low amplitude at real dimensions of the cross section of the probe beam of x-ray radiation.

Новым качеством способа является возможность исследования вибраций внутренней структуры самого колеблющегося элемента, которые могут быть отличны от вибрации его свободной поверхности. A new quality of the method is the ability to study the vibrations of the internal structure of the oscillating element itself, which may be different from the vibration of its free surface.

В силу изложенного предложение можно считать соответствующим критериям охраноспособности "новизна" и "изобретательский уровень". In view of the foregoing, the proposal can be considered relevant to the eligibility criteria of "novelty" and "inventive step".

Сущность изобретения поясняет чертежами, на фиг. 1 приведена схема измерения колебаний камертона; на фиг. 2 - зависимость разности числа отсчетов от амплитуды колебаний камертона и на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика колебаний камертона. The invention is illustrated by drawings, in FIG. 1 shows a diagram for measuring vibrations of a tuning fork; in FIG. 2 shows the dependence of the difference in the number of samples on the amplitude of the tuning fork oscillations, and in FIG. 3 - amplitude-frequency characteristic of tuning fork oscillations.

Пример осуществления способа. An example implementation of the method.

Способ рентгеновиброметрии проиллюстрирован результатами исследования колебаний камертона через металлическую стенку. The method of X-ray diffraction is illustrated by the results of a study of the vibrations of a tuning fork through a metal wall.

При осуществлении способа рентгеновиброметрии используют рентгеновский излучатель 1, сопряженный с коллиматором 2, формирующим узкоколлимированный, в данном случае ленточный, пучок рентгеновского излучения (размеры поперечного сечения пучка 0,2х1,0 мм²). Рентгеновский излучатель 1 застабилизирован по напряжению и току. На пути первичного пучка 3 установлена металлическая стенка 4, за которой на линейной направляющей 5 установлен камертон 6, связанный с генератором 7 вибрации. За камертоном 6 размещен детектор 8 излучения, на выходе которого включена синхронная система 9 детектирования с двумя противофазными каналами, к входу синхронизации которого подключен сигнальный выход генератора 7 вибраций. К выходу системы 9 подключено регистрирующее устройство 10.When implementing the method of x-ray diffraction, an x-ray emitter 1 is used, coupled to a collimator 2, forming a narrowly collimated, in this case a tape, x-ray beam (beam cross-sectional dimensions 0.2x1.0 mm ² ). X-ray emitter 1 is stabilized by voltage and current. A metal wall 4 is installed on the path of the primary beam 3, behind which a tuning fork 6 is connected to the linear guide 5 and is connected to the vibration generator 7. Behind the tuning fork 6, a radiation detector 8 is placed, at the output of which a synchronous detection system 9 with two antiphase channels is connected, to the synchronization input of which a signal output of the vibration generator 7 is connected. To the output of the system 9 is connected to the recording device 10.

При проведении исследований камертон 6 путем его перемещения по направляющей 5 устанавливали так, чтобы его грань "располовинивала" рентгеновский пучок. С помощью генератора 7 инициировали колебания камертона 6 и путем синхронного детектирования системой 9 сигнала детектора 8 излучения измеряли зависимость разности Δ числа отсчетов в двух противофазных каналах системы 9 в зависимости от амплитуды (А) колебаний камертона 6 (фиг. 2) и амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) камертона 6 (фиг. 3). When conducting research, the tuning fork 6 by moving it along the guide 5 was set so that its face “halves” the x-ray beam. Using a generator 7, vibrations of the tuning fork 6 were initiated and, by synchronous detection by the system 9 of the signal of the radiation detector 8, the dependence of the difference Δ of the number of samples in two antiphase channels of system 9 was measured depending on the amplitude (A) of the vibrations of the tuning fork 6 (Fig. 2) and the amplitude-frequency characteristic (AFC) tuning fork 6 (Fig. 3).

Установлено, что порог обнаружения колебаний камертона 6 при времени интегрирования t_инт = 10 с составил 0,45 мкм.It was found that the threshold for detecting vibrations of the tuning fork 6 at an integration time t _int = 10 s was 0.45 μm.

При использовании металлической стенки 4 из различных материалов (сталь, латунь) и различной толщины возможность получения результатов на одном уровне точности связана с необходимостью варьирования величины высокого напряжения на рентгеновском излучателе 1, а именно: сталь 10 мм - 95 кВ, латунь 10 мм - 115 кВ, сталь 20 мм - 138 кВ, латунь 20 мм - 155 кВ, сталь 20 мм + латунь 20 мм - 260 кВ. When using a metal wall 4 of various materials (steel, brass) and different thicknesses, the possibility of obtaining results at the same level of accuracy is associated with the need to vary the high voltage on the x-ray emitter 1, namely: steel 10 mm - 95 kV, brass 10 mm - 115 kV, steel 20 mm - 138 kV, brass 20 mm - 155 kV, steel 20 mm + brass 20 mm - 260 kV.

Исследование АЧХ камертона 6 производили с использованием генератора ГЗ-110, задающего частоту (f) вибраций с точностью 0,01 Гц. Результат исследования АЧХ (Δ-f) в околорезонансной области камертона 6 приведена на фиг. 3. The study of the frequency response of the tuning fork 6 was performed using a GZ-110 generator, which sets the frequency (f) of vibrations with an accuracy of 0.01 Hz. The result of the study of the frequency response (Δ-f) in the near-resonance region of the tuning fork 6 is shown in FIG. 3.

Для одновременного определения амплитуды и фазы колебаний камертона 6 были проведены измерения синфазной и реактивной составляющих сигнала детектора 8. To simultaneously determine the amplitude and phase of oscillations of the tuning fork 6, measurements were made of the in-phase and reactive components of the signal of the detector 8.

Полученные результаты свидетельствуют о практической применимости рентгеновиброметрии для исследования реальных систем. The results obtained indicate the practical applicability of X-ray diffraction to the study of real systems.

С точки зрения условий применения способа в практике необходимо отметить следующее. From the point of view of the conditions of application of the method in practice, the following should be noted.

В общем случае, проблема выведения узкоколлимированного пучка рентгеновского излучения в положение вдоль границы исследуемого объекта требует как линейных, так и угловых относительных перемещений пучка и объекта. При неизвестности расположения такой границы указанное выведение пучка реализуется в поисковом режиме с осуществлением следящего детектирования колебаний интенсивности провзаимодействовавшего с исследуемым объектом пучка на выбранной частоте (частоте вибросистемы или ее гармониках) и фиксации того положения, когда амплитуда колебаний становится наибольшей. Средства проведения такого поиска являются очевидными для специалиста и не составляют предмета настоящей заявки. In the general case, the problem of bringing a narrowly collimated x-ray beam to a position along the boundary of the object under study requires both linear and angular relative displacements of the beam and the object. If the location of such a boundary is not known, the indicated beam extraction is realized in a search mode by monitoring the intensity fluctuations of the beam interacting with the object being studied at the selected frequency (frequency of the vibrosystem or its harmonics) and fixing the position when the amplitude of oscillations becomes the largest. Means of conducting such a search are obvious to a specialist and do not constitute the subject of this application.

Помимо переменной составляющей сигнала детектора излучения целесообразно определять и его постоянную составляющую, которую можно использовать как для оценки в совокупности с переменной составляющей вибрационных характеристик, так и для облегчения процедуры выведения пучка, поскольку во многих случаях для индикации факта "располовинивания" пучка можно использовать быстрое изменение постоянной составляющей сигнала при переходе пучка из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью. In addition to the variable component of the radiation detector signal, it is advisable to determine its constant component, which can be used both to evaluate the vibration component in combination with the variable component and to facilitate the beam extraction procedure, since in many cases a quick change can be used to indicate the fact of beam “half-cutting” the constant component of the signal when the beam passes from a medium with one density to a medium with a different density.

Также целесообразно производить непрерывный контроль интенсивности первичного пучка с целью нормирования на нее регистрируемых сигналов. Такой прием хорошо известен в технике радиационных измерений. It is also advisable to continuously monitor the intensity of the primary beam in order to normalize the recorded signals to it. This technique is well known in the technique of radiation measurements.

В тех случаях, когда объекту сообщают вынужденные колебания, исследования производят непосредственно на частоте этих вынужденных колебаний или ее гармониках, т.е. в этом случае термин "выбранная частота" подразумевает данное обстоятельство. In cases where forced vibrations are reported to an object, studies are performed directly at the frequency of these forced vibrations or its harmonics, i.e. in this case, the term "selected frequency" implies this circumstance.

В случае же сложного в частотном аспекте или неизвестного характера колебаний производят спектральный анализ сигнала детектора излучения и выбирают представительные для исследуемого объекта и его колебательного процесса частоты, на которых и производят оценку параметров вибрации, что и является содержанием термина "выбранная частота" для данной ситуации. Естественно, что результаты спектрального анализа могут иметь и самостоятельное значение с точки зрения определения характеристик исследуемого объекта. In the case of oscillations that are complex in the frequency aspect or unknown, they perform a spectral analysis of the radiation detector signal and select representative frequencies for the object under study and its oscillatory process, at which vibration parameters are estimated, which is the content of the term "selected frequency" for this situation. Naturally, the results of spectral analysis can also have independent significance in terms of determining the characteristics of the studied object.

Важным преимуществом способа является то, что его реализация не ограничена определением параметров вибрации только свободных поверхностей объектов. Данный способ применим также для контроля внутренних поверхностей раздела объектов, поскольку характер взаимодействия рентгеновского пучка с такой поверхностью имеет абсолютно тот же характер, что и для внешней границы объекта. An important advantage of the method is that its implementation is not limited to determining vibration parameters of only free surfaces of objects. This method is also applicable for monitoring the internal interfaces of objects, since the nature of the interaction of the X-ray beam with such a surface is absolutely the same as for the external boundary of the object.

При этом, понятие "выведение пучка вдоль границы или внутренней поверхности раздела" охватывает не только вариант параллельной ориентации пучка и границы с "располовиниванием" пучка, но и касательное прохождение пучка относительно изогнутых границ или поверхностей раздела, захват пучком выступающих элементов границы и иные варианты, при которых имеет место обусловленная вибрациями и детектируемая модуляция интенсивности пучка за объектом. At the same time, the concept of “removing the beam along the boundary or the inner interface” covers not only the parallel orientation of the beam and the border with the beam “halving”, but also the tangent passage of the beam relative to curved borders or interfaces, the capture of protruding elements of the boundary by the beam, and other options, in which there is a vibration-induced and detectable modulation of the beam intensity behind the object.

В большинстве случаев это автоматически имеет место при поисковом режиме работы, но в случае исследования объектов с известной ориентацией границ и внутренних поверхностей раздела такой режим не является необходимым, поскольку достаточна простая юстировка пучка и объекта, а при реализации поискового режима основные положения, в которых детектируется вибрационная модуляция интенсивности пучка за объектом, соответствуют, в основном, именно параллельной ориентации пучка излучения и колеблющейся границе или внутренней поверхности раздела изделия. Вследствие этого для формулировки притязаний в п. 1 формулы изобретения применен более общий термин "выведение пучка вдоль. . .", содержание которого дополнительно конкретизировано в предыдущем абзаце. In most cases, this automatically takes place during the search mode of operation, but in the case of investigating objects with a known orientation of the boundaries and internal interfaces, this mode is not necessary, since simple adjustment of the beam and the object is sufficient, and when implementing the search mode, the main provisions in which it is detected vibrational modulation of the beam intensity behind the object corresponds mainly to the parallel orientation of the radiation beam and the oscillating boundary or inner surface of the section la products. As a result, for the formulation of claims in paragraph 1 of the claims, a more general term is used, “beam extension along...”, The content of which is further specified in the previous paragraph.

Дополнительно следует отметить возможность исследования данным способом развития дефектов, особенно на внутренних поверхностях раздела объектов, в процессе вибрации. В этом случае целесообразно использовать переменную и постоянную составляющие сигнала детектора. In addition, it should be noted that this method for studying the development of defects, especially on the internal surfaces of a section of objects, during vibration is investigated. In this case, it is advisable to use the variable and constant components of the detector signal.

В целом, описанный способ рентгеновиброметрии сравним по точности и чувствительности с лучшими контактными датчиками, практически не имеет ограничений по частоте и обеспечивает исследование вибрационных процессов в механически и оптически недоступных объектах и структурах. In general, the described X-ray diffraction method is comparable in accuracy and sensitivity with the best contact sensors, has practically no frequency limitations and provides the study of vibration processes in mechanically and optically inaccessible objects and structures.

1. Патент ФРГ N 2228502, G 01 H 9/00, 1981. 1. The patent of Germany N 2228502, G 01 H 9/00, 1981.

2. Патент Великобритании N 1283915, H 5 P, 1972. 2. British patent N 1283915, H 5 P, 1972.

Claims

1. The method of x-ray diffraction, characterized in that the narrow-collimated x-ray beam interacts with the investigated vibrating object by removing the beam along the boundary or the inner interface of the media with different absorption coefficients of the x-ray radiation of the studied object, the radiation interacting with the studied object is detected by a detector, the variable component of the signal is isolated detector at least one vibration frequency of the investigated object and on the main ve dedicated alternating component is judged on the vibration parameters of said boundary or the surface of the body section.

2. The method according to claim 1, characterized in that the extraction of the x-ray beam is carried out by mutual linear and / or angular displacement of the specified beam and the object under study and finding their relative position, in which the extracted variable component of the detector signal has the largest value.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that it further determines the constant component of the detector signal and judges the vibration parameters by the totality of the variable and constant components.

4. The method according to PP. 1 to 3, characterized in that the spectral analysis of the detector signal is performed and the extraction of the variable component of the signal is performed at one or more frequencies of the obtained spectrum.

5. The method according to PP. 1 to 4, characterized in that they further measure the intensity of the primary x-ray beam and use it to normalize the component or components of the detector signal.