RU2183831C2

RU2183831C2 - Ultrasonic converter

Info

Publication number: RU2183831C2
Application number: RU99119197A
Authority: RU
Inventors: В.Я. Грошев
Original assignee: Грошев Владимир Яковлевич
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2002-06-20

Abstract

FIELD: non-destructive test of materials and articles. SUBSTANCE: improved acoustic decoupling between radiation and receiving sections of ultrasonic converter with simultaneous simplification of its manufacturing technology are achieved thanks to fact that radiation and receiving sections include damper, piezoplate and protector anchored in casing mounted in body and acoustic insulator placed between surfaces of radiation and receiving section facing one another. Casing comprises two parts acoustically decoupled . Each part houses all elements of radiation and receiving sections correspondingly. Width of acoustic insulator equals width of surfaces of radiation and receiving sections facing one another with due account of double thickness of walls of casing. Acoustic insulator is manufactured from elastic material having thickness greater than distance between surfaces of radiation and receiving sections facing one another. EFFECT: simplified manufacturing technology and improved acoustic decoupling between radiation and receiving sections. 2 cl, 2 dwg

Description

Устройство относится к области неразрушающего контроля, а именно, к устройствам ультразвукового контроля материалов и изделий. The device relates to the field of non-destructive testing, namely, to devices for ultrasonic testing of materials and products.

Известны аналогичные устройства - см., например, книгу "Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля" И.Н.Ермолов и др., - М.: Машиностроение, 1986 г., с.100, заявка Японии 50-36798, а.с. 1180789, а.с. 1249445, технические условия на преобразователи ультразвуковые НРИЗ-Т1 производства НПО "Волна" (г. Кишинев), ТУ 25-7761.008-86 и т.д. Similar devices are known - see, for example, the book "Ultrasonic piezoelectric transducers for non-destructive testing" I.N. Ermolov and others, - M .: Mechanical Engineering, 1986, p.100, Japanese application 50-36798, and.with. 1180789, a.s. 1249445, specifications for ultrasonic transducers NRIZ-T1 produced by NPO Volna (Chisinau), TU 25-7761.008-86, etc.

Все эти устройства (кроме а.с. 1180789, где предлагается технология изготовления ультразвуковых преобразователей) содержат излучающую и приемную секции, закрепленные в обойме, которая тем или иным способом фиксируется в корпусе. All these devices (except for AS 1180789, where the manufacturing technology of ultrasonic transducers is proposed) contain a radiating and receiving section fixed in a holder, which is fixed in one way or another in the housing.

Основные недостатки - недостаточная акустическая развязка между излучающей и приемной секциями, а также сложность конструкции. The main disadvantages are insufficient acoustic isolation between the emitting and receiving sections, as well as the complexity of the design.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь (УП) типа ПРИЗ-Т1 (например, П112-2,5-12/2-Б-002 ТУ 25-7761.008-86). The closest in design to the proposed is an ultrasonic transducer (UP) type PRIZ-T1 (for example, P112-2,5-12 / 2-B-002 TU 25-7761.008-86).

Это устройство содержит излучающую и приемную секции, закрепленные в обойме, которая установлена в корпус, и акустический изолятор, размещенный между излучающей и приемной секциями. Обойма фиксируется в корпусе с помощью накидной гайки. This device contains a radiating and receiving sections, mounted in a cage, which is installed in the housing, and an acoustic insulator located between the radiating and receiving sections. The holder is fixed in the housing with a union nut.

Обойма в рассматриваемом устройстве предназначена для обеспечения жесткого соединения излучающей и приемной секций с размещенным между ними акустическим изолятором, исключающего их взаимное смещение при приложении контактного усилия. Такая конструкция предполагает достаточно сложную технологию сборки - изготовленные предварительно в специальных приспособлениях излучающая и приемная секции с размещенным между ними акустическим изолятором вклеиваются с помощью клея-герметика в обойму, причем только в средней ее части (в зоне размещения пьезоэлементов). После его полимеризации для дополнительной жесткости конструкции промежутки между демпфером и обоймой, а также между протектором и обоймой дополнительно заливаются эпоксидным компаундом. The clip in the device in question is designed to provide a rigid connection of the emitting and receiving sections with an acoustic insulator located between them, eliminating their mutual displacement upon application of contact force. This design involves a rather complicated assembly technology - the emitting and receiving sections, prefabricated in special devices, with an acoustic insulator placed between them, are glued with glue-sealant into the cage, and only in its middle part (in the area of piezoelectric elements placement). After polymerization, for additional structural rigidity, the gaps between the damper and the holder, as well as between the tread and the holder, are additionally filled with an epoxy compound.

Кроме низкой технологичности конструкции ей присущ основной недостаток - плохая акустическая развязка между излучающей и приемной секциями, ограничивающая чувствительность контроля. Это объясняется тем, что с понижением частоты затухание ультразвука в эластичном клее-герметике уменьшается, и акустические колебания проникают от излучающей секции к приемной через материал обоймы. Поэтому в низкочастотных датчиках высок уровень помех на основной частоте, а в датчиках с любыми рабочими частотами - на частоте радиальных колебаний пьезоэлементов. Обычно отношение сигнал-помеха в такой конструкции менее 40 дБ (при измерении минимальных и максимальных толщин гарантируется не менее 16 дБ), что совершенно недостаточно для обеспечения надежного контроля в сложных условиях. Еще одним существенным недостатком преобразователя обсуждаемой конструкции является высокая стоимость эксплуатации, поскольку при выходе из строя любой из секций пьезопреобразователя в негодность приходит вся обойма вместе со всем своим содержимым (как показывает практика - весь преобразователь целиком). In addition to the low manufacturability of the design, it has a main drawback - poor acoustic isolation between the emitting and receiving sections, which limits the sensitivity of control. This is because with decreasing frequency, the attenuation of ultrasound in the elastic adhesive sealant decreases, and acoustic vibrations penetrate from the emitting section to the receiving section through the casing material. Therefore, in low-frequency sensors, the level of interference at the fundamental frequency is high, and in sensors with any operating frequencies, at the frequency of the radial oscillations of the piezoelectric elements. Typically, the signal-to-noise ratio in such a design is less than 40 dB (at least 16 dB is guaranteed when measuring the minimum and maximum thicknesses), which is completely insufficient to ensure reliable control in difficult conditions. Another significant drawback of the transducer of the design under discussion is the high cost of operation, since if any of the sections of the piezoelectric transducer fails, the entire clip together with all its contents becomes unusable (as practice shows, the entire transducer is the whole).

Задачей настоящего изобретения является улучшение акустической развязки между излучающей и приемной секциями ультразвукового преобразователя при одновременном упрощении технологии его изготовления и снижении стоимости эксплуатации. The objective of the present invention is to improve the acoustic isolation between the emitting and receiving sections of the ultrasonic transducer while simplifying the technology of its manufacture and reducing the cost of operation.

С этой целью в ультразвуковом преобразователе, содержащем излучающую и приемную секции, закрепленные в обойме, которая установлена в корпус, и акустический изолятор, размещенный между излучающей и приемной секциями, обойма выполнена из двух частей, каждая из которых охватывает соответственно излучающую и приемную секции по наружной боковой поверхности. To this end, in an ultrasonic transducer containing a radiating and receiving section, mounted in a cage, which is installed in the housing, and an acoustic insulator located between the radiating and receiving sections, the cage is made of two parts, each of which covers respectively the radiating and receiving sections along the outer side surface.

При этом акустический изолятор выполнен из эластичного материала с толщиной, большей расстояния между внутренними поверхностями излучающей и приемной секций, а его ширина равна ширине обращенных друг к другу плоскостей излучающей и приемной секций с учетом удвоенной толщины стенок обоймы. In this case, the acoustic insulator is made of elastic material with a thickness greater than the distance between the inner surfaces of the radiating and receiving sections, and its width is equal to the width of the planes of the radiating and receiving sections facing each other, taking into account the double wall thickness of the cage.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого УП в разобранном состоянии и в собранном виде; на фиг. 2 - в разрезе. In FIG. 1 shows the design of the proposed unit in disassembled and assembled condition; in FIG. 2 - in a section.

УП содержит излучающую 1 и приемную 2 секции, каждая из которых содержит пьезопластину, звукопровод (протектор) и демпфер, корпус 3, обойму 4 и акустический изолятор 5. Электрическое подключение секций 1, 2 к кабелю может осуществляться с помощью разъемов внутри корпуса 3 или пайкой, для чего предусмотрены жесткие выводы, закрепленные в материале демпфера (не показаны). UP contains emitting 1 and receiving 2 sections, each of which contains a piezoelectric plate, sound pipe (protector) and damper, housing 3, clip 4 and acoustic insulator 5. Electrical connection of sections 1, 2 to the cable can be carried out using connectors inside the housing 3 or by soldering For this, hard conclusions are provided, fixed in the damper material (not shown).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Так как обойма выполнена в виде двух частей, не имеющих акустической связи, ультразвуковые колебания, создаваемые излучающей секцией 1, не попадают к приемной секции 2 через материал обоймы. Это позволяет в несколько раз снизить уровень прямого проникания ультразвука от излучающей секции 1 к приемной 2 (по измерениям не менее 14-18 дБ). Особенно сильно ослабляются радиальные колебания, которые ограничивают достижимую чувствительность в толщиномерах с обычными УП. Чтобы при попадании контактной жидкости между обеими частями обоймы 4 акустическая развязка не ухудшалась, зазор между ними также должен быть заполнен акустическим изолятором 5, а поэтому его ширина выбирается равной ширине обращенных друг к другу плоскостей излучающей 1 и приемной 2 секций с учетом удвоенной толщины стенок обоймы 4. Для предотвращения акустического замыкания обеих частей обоймы 4 через материал корпуса 3 при попадании в него контактной жидкости возможна либо герметизация обоймы на выходе из корпуса 3, либо выполнение широкой канавки на его внутренней поверхности в зоне размещения пьезопластин (фиг.2). The proposed device operates as follows. Since the clip is made in the form of two parts that do not have acoustic coupling, the ultrasonic vibrations created by the radiating section 1 do not reach the receiving section 2 through the clip material. This allows several times to reduce the level of direct penetration of ultrasound from the emitting section 1 to the receiving 2 (according to measurements not less than 14-18 dB). Radial vibrations are particularly attenuated, which limit the achievable sensitivity in thickness gauges with conventional gauges. In order that the acoustic isolation does not deteriorate when contact fluid enters between both parts of the casing 4, the gap between them should also be filled with acoustic insulator 5, and therefore its width should be chosen equal to the width of the emitting 1 and receiving 2 sections facing each other, taking into account the double casing wall thickness 4. To prevent acoustic closure of both parts of the casing 4 through the material of the housing 3 when contact fluid enters it, either sealing the casing at the outlet of the housing 3 or wide grooves on its inner surface in the area of placement of the piezoelectric plates (figure 2).

Обойма 4 в предлагаемом преобразователе выполняет две функции. Во-первых, она является элементом конструкции, обеспечивающим совместно с корпусом 3 одинаковую высоту излучающей и приемной секций 1, 2 со стороны контактной зоны. Это обеспечивается за счет специальной кольцевой поверхности внутри корпуса 3, в которую упирается при сборке пьезопреобразователя задняя поверхность обеих частей обоймы 4. В такой конструкции датчик можно многократно разбирать, не нарушая плоскости акустического контакта (см. фиг.2). The clip 4 in the proposed Converter performs two functions. Firstly, it is a structural element that provides, together with the housing 3, the same height of the emitting and receiving sections 1, 2 from the contact zone. This is ensured by a special annular surface inside the housing 3, which rests against the rear surface of both parts of the casing 4 during assembly of the piezoelectric transducer 4. In this design, the sensor can be disassembled many times without disturbing the plane of acoustic contact (see Fig. 2).

Во-вторых, каждая часть обоймы 4 является исключительно удобным приспособлением при сборке излучающей и приемной секций, за счет чего обеспечивается высокая технологичность изготовления пьезопреобразователей предлагаемой конструкции, поскольку все элементы излучающей и приемной секций просто последовательно вклеиваются или заливаются в соответствующие части обоймы, при этом обеспечивается не только простая и надежная сборка, но и возможность визуального контроля качества на каждом ее этапе. Более того, при необходимости состояние излучающей и приемной секций в УП предлагаемой конструкции может оцениваться и в процессе эксплуатации. Secondly, each part of the cage 4 is an extremely convenient fixture when assembling the radiating and receiving sections, which ensures high manufacturability of manufacturing the piezoelectric transducers of the proposed design, since all elements of the radiating and receiving sections are simply sequentially glued or poured into the corresponding parts of the cage, while ensuring not only simple and reliable assembly, but also the possibility of visual quality control at each stage. Moreover, if necessary, the state of the radiating and receiving sections in the unitary unit of the proposed design can be evaluated during operation.

Выполнение акустического изолятора 5 из эластичного материала с толщиной, большей ширины зазора между излучающей 1 и приемной секцией 2, размещенными в корпусе 3, позволяет обойтись без каких-либо элементов крепления в корпусе 3 за счет трения между ним и обоймой 4. Это не только упрощает технологию производства, но и обеспечивает предлагаемому дополнительное положительное качество - возможность быстрой замены любой неисправной секции или обоих изношенных секций 1,2 при сохранении корпуса 3 и соединительного кабеля, что способствует снижению эксплуатационных затрат. The implementation of the acoustic insulator 5 of elastic material with a thickness greater than the width of the gap between the radiating 1 and the receiving section 2, located in the housing 3, allows you to do without any fastening elements in the housing 3 due to the friction between it and the casing 4. This not only simplifies production technology, but also provides the proposed additional positive quality - the ability to quickly replace any faulty section or both worn sections 1,2 while maintaining the housing 3 and the connecting cable, which helps to reduce s operating costs.

При использовании мягкого соединительного кабеля конструкция может не содержать никаких дополнительных элементов крепления обоймы 4 в корпусе 3. Если применяется жесткий кабель, то он фиксируется в узкой части корпуса 3. When using a soft connecting cable, the design may not contain any additional fastening elements for the holder 4 in the housing 3. If a hard cable is used, it is fixed in the narrow part of the housing 3.

Применение акустического изолятора 5, выполненного из эластичного материала с толщиной, большей ширины зазора между излучающей 1 и приемной 2 секциями датчика, обеспечивает еще одно важное преимущество перед прототипом при использовании неорганического стекла в качестве материала протектора. По мере износа такого протектора его края, граничащие с акустическим изолятором, скалываются, вследствие чего акустический изолятор прототипа, выполненный из неэластичного материала, выкрашивается из зазора, зазор между излучающей и приемной секциями заполняется контактной жидкостью и возникает акустическое замыкание между излучающей и приемной секциями датчика. В предлагаемом преобразователе эластичный акустический изолятор 5, во-первых, не выкрашивается, а во-вторых, расширяясь по мере износа протектора, заполняет его сколовшиеся участки. Вследствие этого ресурс работоспособности преобразователя увеличивается в несколько раз. The use of acoustic insulator 5 made of an elastic material with a thickness greater than the gap between the emitting 1 and receiving 2 sections of the sensor provides another important advantage over the prototype when using inorganic glass as the tread material. As such a tread wears out, its edges adjacent to the acoustic insulator become chipped, as a result of which the prototype's acoustic insulator made of inelastic material is painted out of the gap, the gap between the radiating and receiving sections is filled with contact liquid and an acoustic short circuit occurs between the radiating and receiving sections of the sensor. In the proposed transducer, the elastic acoustic insulator 5, firstly, does not crumble, and secondly, expanding as the tread wears out, fills its cleaved areas. As a result, the service life of the converter increases several times.

Если протектор выполнен из пластмассы, то предлагаемая конструкция также имеет преимущество по сравнению с прототипом. Это обусловлено тем, что в таком случае обойма 3 изготавливается из материала, несколько более твердого, чем материал протектора (например, алюминия). В такой конструкции предотвращается более сильный износ наружной поверхности протектора по сравнению с центром контактной зоны, что исключает снижение чувствительности УП в процессе эксплуатации за счет уменьшения площади зоны акустического контакта, свойственного для прототипа. If the tread is made of plastic, the proposed design also has an advantage over the prototype. This is due to the fact that in this case, the cage 3 is made of a material slightly harder than the tread material (for example, aluminum). In this design, more severe wear of the outer surface of the tread is prevented compared with the center of the contact zone, which eliminates the decrease in the sensitivity of the UE during operation by reducing the area of the acoustic contact zone characteristic of the prototype.

Кроме указанных преимуществ предлагаемый УП имеет существенно меньшие размеры по сравнению с прототипом (диаметр рабочей зоны на 1-1,5 мм, а диаметр корпуса на 4-5 мм больше диаметра используемых пьезопластин при общей высоте 25-30 мм). In addition to these advantages, the proposed unit is significantly smaller in comparison with the prototype (the diameter of the working zone is 1-1.5 mm, and the diameter of the body is 4-5 mm larger than the diameter of the piezoelectric plates used with a total height of 25-30 mm).

Claims

1. An ultrasonic transducer comprising a radiating and receiving section, consisting of a damper, a piezo plate and a tread, and fixed in a holder that is installed in the housing, and an acoustic insulator located between the facing surfaces of the transmitting and receiving sections, characterized in that the holder made of two acoustically isolated parts, each of which contains all the elements of the emitting and receiving sections, respectively.

2. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that for acoustic isolation of both parts of the cage, the width of the acoustic insulator is equal to the width of the surfaces of the emitting and receiving sections facing each other, taking into account the doubled wall thickness of the cage.

3. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the acoustic insulator is made of elastic material with a thickness greater than the distance between the surfaces of the emitting and receiving sections facing each other.