RU2365911C2 - Ultrasonic transducer of shear waves - Google Patents

Ultrasonic transducer of shear waves Download PDF

Info

Publication number
RU2365911C2
RU2365911C2 RU2007126281/28A RU2007126281A RU2365911C2 RU 2365911 C2 RU2365911 C2 RU 2365911C2 RU 2007126281/28 A RU2007126281/28 A RU 2007126281/28A RU 2007126281 A RU2007126281 A RU 2007126281A RU 2365911 C2 RU2365911 C2 RU 2365911C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ultrasonic sensor
ultrasonic
piezoelectric
shear wave
waves
Prior art date
Application number
RU2007126281/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007126281A (en
Inventor
Александр Анатольевич Хлыбов (RU)
Александр Анатольевич Хлыбов
Александр Леонидович Углов (RU)
Александр Леонидович Углов
Максим Андреевич Прилуцкий (RU)
Максим Андреевич Прилуцкий
Original Assignee
ГОУ ВПО Нижегородский государственный педагогический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГОУ ВПО Нижегородский государственный педагогический университет filed Critical ГОУ ВПО Нижегородский государственный педагогический университет
Priority to RU2007126281/28A priority Critical patent/RU2365911C2/en
Publication of RU2007126281A publication Critical patent/RU2007126281A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2365911C2 publication Critical patent/RU2365911C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: use: for non-destructive examination of metalworks. The ultrasonic transducer contains two piezoceramic plates of shear waves installed on the mechanical impulse neutraliser, spring-actuated on the longitudinal axis, encapsulated in the metal case with the constant annular magnet, connected by the radio-frequency cable with the converter of signals providing serial measurement of time delays of echo pulses of ultrasonic shift waves, having mutually perpendicular directions of polarisation.
EFFECT: increase of accuracy and reliability of voltage determination in controllable installation.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области средств неразрушающего контроля (НК) и может быть использовано для контроля напряженного состояния металлоконструкций, в том числе и при неоднородном распределении напряжений в районе сварных швов, в трубах, различных металлических профилях, нефте- и газопроводах и т.п.The invention relates to the field of non-destructive testing (NDT) and can be used to control the stress state of metal structures, including the non-uniform distribution of stresses in the region of welds, in pipes, various metal profiles, oil and gas pipelines, etc.

Оценка надежности (а следовательно, обеспечение безопасной эксплуатации) многочисленных работающих объектов не является полной без достоверного представления об их напряженно-деформированном состоянии [1]. Среди современных методов неразрушающего контроля интенсивно развиваются методы, основанные на анализе параметров упругих волн, прошедших через контролируемую среду [1]. Анализируемая информация усредняется по площади, определяемой зоной акустического контакта. Для контроля одноосного напряженного состояния используют сдвиговые волны, вводимые в контролируемый объект нормально его поверхности с векторами поляризации, ориентированными в двух взаимно перпендикулярных направлениях, измеряют задержки (время распространения) упругих волн [2]. По известным методикам определяют напряженное состояние. На практике обычно реализуют один из следующих способов излучения и приема упругих сдвиговых волн:The reliability assessment (and, therefore, ensuring safe operation) of numerous working objects is not complete without a reliable idea of their stress-strain state [1]. Among modern non-destructive testing methods, methods based on the analysis of the parameters of elastic waves transmitted through a controlled medium are developing intensively [1]. The analyzed information is averaged over the area determined by the acoustic contact zone. To control a uniaxial stress state, shear waves are used, introduced into the controlled object normally on its surface with polarization vectors oriented in two mutually perpendicular directions, and the delays (propagation time) of elastic waves are measured [2]. By known methods determine the stress state. In practice, one of the following methods for emitting and receiving elastic shear waves is usually implemented:

1) датчиком, содержащим один излучатель (приемник), проводят измерения, ориентируя датчик вектором поляризации вдоль действующего напряжения, затем датчик поворачивают на 90° и повторяют измерения,1) a sensor containing one emitter (receiver) is measured, orienting the sensor with a polarization vector along the current voltage, then the sensor is rotated 90 ° and the measurements are repeated,

2) используют датчик сдвиговых волн, содержащий в одном корпусе два сдвиговых пьезопреобразователя, ориентированных векторами поляризации под углом 90° друг к другу.2) use a shear wave sensor containing in one housing two shear piezoelectric transducers oriented by polarization vectors at an angle of 90 ° to each other.

Недостатком первого варианта контроля является необходимость изменения положения датчика в процессе контроля. Для этого требуется дополнительное время. Но более существенным недостатком является вероятность появления ошибки измерения, связанной с неточностью установки датчика в новое положение и неточностью угла поворота (отличного от 90 градусов).The disadvantage of the first control option is the need to change the position of the sensor in the control process. This takes extra time. But a more significant drawback is the likelihood of a measurement error associated with the inaccuracy of installing the sensor in a new position and the inaccuracy of the rotation angle (other than 90 degrees).

При реализации второго способа сдвиговые преобразователи устанавливают в одном корпусе, ориентируя под углом 90 градусов, как можно ближе друг к другу. Измерение на малой базе становится актуальным, когда в пределах акустического датчика изменение напряжений будет существенным [4], реальные максимальные и минимальные напряжения, действующие на базе датчика, будут отличаться от результатов, получаемых усреднением по площади датчика.When implementing the second method, shear converters are installed in one housing, oriented at an angle of 90 degrees, as close as possible to each other. Measurement on a small base becomes relevant when the voltage change is significant within the acoustic sensor [4], the real maximum and minimum voltages acting on the basis of the sensor will differ from the results obtained by averaging over the area of the sensor.

Известен комплексный ультразвуковой датчик [3], содержащий корпус с выполненными в нем тремя отверстиями, в которых установлены подпружиненные по своей продольной оси ультразвуковые преобразователи, соединенные радиочастотным кабелем с преобразователем сигналов и обеспечивающие одновременное измерение временных задержек отраженных импульсов ультразвуковых волн различных типов от контролируемого участка. При этом один из них имеет продольную поляризацию излучаемой ультразвуковой волны, а два других имеют поперечную поляризацию излучаемой ультразвуковой волны во взаимно перпендикулярных направлениях.A complex ultrasonic sensor [3] is known, comprising a housing with three holes made in it, in which ultrasonic transducers spring-loaded along their longitudinal axis are mounted, connected by a radio-frequency cable to a signal transducer and providing simultaneous measurement of the time delays of reflected pulses of ultrasonic waves of various types from a controlled section. In this case, one of them has a longitudinal polarization of the emitted ultrasonic wave, and the other two have a transverse polarization of the emitted ultrasonic wave in mutually perpendicular directions.

Данное техническое решение [3], как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, принято за прототип.This technical solution [3], as the closest in technical essence and the achieved result, is taken as a prototype.

Недостаткам прототипа является невысокая точность контроля сложного пространственного распределения напряжений. Например, в районе сварного шва напряжения существенно меняются на длине в несколько миллиметров. Усредненные результаты, полученные по площади датчика, приводят к ошибке измерения.The disadvantages of the prototype is the low accuracy of control of the complex spatial distribution of stresses. For example, in the area of the weld, the stresses vary significantly over a length of several millimeters. Averaged results obtained over the area of the sensor lead to a measurement error.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности, повышение точности и достоверности определения напряжений в контролируемом объекте.The task of the invention is to reduce the error, increase the accuracy and reliability of determining stresses in a controlled object.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На Фиг.1 показана схема разрезки заготовки из поляризованной по толщине пьезокерамики, имеющей электроды 3. На Фиг.2 показано расположение пьезопластин (направление поляризации). На Фиг.3 показан разрез датчика сдвиговых волн в вертикальной плоскости.The claimed technical solution is illustrated by drawings. Figure 1 shows a cutting scheme of a workpiece made of polarized thickness piezoelectric ceramics having electrodes 3. Figure 2 shows the location of the piezoelectric plates (polarization direction). Figure 3 shows a section of a shear wave sensor in a vertical plane.

Для решения поставленной задачи предлагается конструкция датчика, состоящая из двух пьезокерамических излучателей (приемников) сдвиговых волн, с взаимно перпендикулярной поляризацией. Пластины вырезают из толстой заготовки (толщина не менее размеров датчиков сдвиговых волн), поляризованной по толщине пьезокерамики. Направление реза 2 совпадает с направлением поляризации 1. Схема разрезки представлена на Фиг.1. Толщина среза определяетсяTo solve this problem, a sensor design is proposed, consisting of two piezoelectric ceramic emitters (receivers) of shear waves, with mutually perpendicular polarization. The plates are cut from a thick billet (the thickness is not less than the dimensions of the shear wave sensors) polarized by the thickness of the piezoceramics. The direction of cut 2 coincides with the direction of polarization 1. The cutting scheme is presented in figure 1. The thickness of the cut is determined

Figure 00000001
Figure 00000001

где V - скорость упругих сдвиговых волн в пьезокерамике,where V is the velocity of elastic shear waves in piezoceramics,

fp - частота механического резонанса излучаемых упругих волн.f p is the frequency of the mechanical resonance of the emitted elastic waves.

После разрезки на поверхности пьезопластин методом вакуумного напыления наносят токопроводящие слои, к которым припаивают в дальнейшем проводники. Такая пьезопластина позволяет излучать (принимать) сдвиговые волны перпендикулярно поверхности контролируемого объекта. В качестве контактного слоя используется вязкая среда типа эпоксидной смолы без отвердителя или специальная контактная жидкость.After cutting on the surface of the piezoelectric plates by the method of vacuum deposition, conductive layers are applied, to which the conductors are subsequently soldered. Such a piezoelectric plate allows one to radiate (receive) shear waves perpendicular to the surface of the controlled object. As a contact layer, a viscous medium such as epoxy resin without hardener or a special contact liquid is used.

Для изготовления такого датчика пъезопластину размером 5×5 мм разрезают по диагонали. Далее одну из треугольных пластин поворачивают на 180 градусов в плоскости, нормальной к ее поверхности (на фиг.2 стрелками показано направление поляризации пъезопластин 4, 5). В результате этого действия направления поляризаций пьезопластин составляют 90 градусов по отношению друг к другу. Для получения стабильного и надежного акустического контакта излучающие плоскости пьезопластин должны лежать в одном уровне. Со стороны, противоположной плоскости акустического контакта (фиг.3), к пьезопластинам припаивают радиочастотный кабель 7 и приклеивают механический демпфер 8 в форме пирамиды. Демпфер изготавливается из пластифицированной эпоксидной смолы, в которую в объемном соотношении 1:1 вносится наполнитель из вольфрамовых шариков со средним диаметром 0.05 мм. Достаточно высокая плотность материала пирамиды обеспечивает ее высокие демпфирующие свойства, а создававшийся градиент плотности по высоте пирамиды способствует уменьшению эффекта паразитных переотражений упругих волн от боковых граней механического демпфера. Градиент плотности создается в процессе твердения смолы. Датчик экранируют цельнометаллическим экраном 10. Внутри металлического экрана устанавливают постоянный магнит 6. Такой магнит совместно с пружиной 9 обеспечивает фиксированный акустический контакт с контролируемой конструкцией, что также повышает точность измерения напряжений в объекте.To manufacture such a sensor, a 5 × 5 mm piezo-plate is cut diagonally. Next, one of the triangular plates is rotated 180 degrees in a plane normal to its surface (in figure 2, the arrows show the direction of polarization of the piezoelectric plates 4, 5). As a result of this action, the polarization directions of the piezoelectric plates are 90 degrees with respect to each other. To obtain a stable and reliable acoustic contact, the emitting planes of the piezoelectric plates must lie at the same level. From the side opposite to the plane of the acoustic contact (Fig. 3), a radio frequency cable 7 is soldered to the piezo plates and a mechanical damper 8 is glued in the form of a pyramid. The damper is made of plasticized epoxy resin, into which a filler of tungsten balls with an average diameter of 0.05 mm is introduced in a volume ratio of 1: 1. A sufficiently high density of the material of the pyramid provides its high damping properties, and the density gradient created along the height of the pyramid reduces the effect of spurious re-reflections of elastic waves from the side faces of the mechanical damper. A density gradient is created during the hardening of the resin. The sensor is shielded by an all-metal screen 10. A permanent magnet 6 is installed inside the metal screen 6. Such a magnet together with the spring 9 provides a fixed acoustic contact with a controlled structure, which also increases the accuracy of measuring stresses in the object.

Ультразвуковой датчик работает следующим образом. На поверхность контролируемого участка наносят тонкий слой вязкой жидкости, устанавливают датчик таким образом, чтобы направление поляризации одной из пьезопластин ультразвукового преобразователя было параллельно действующему напряжению. Затем подают электрические импульсы по радиочастотному кабелю на пьезопластины 4, 5, которые поочередно излучают импульсы сдвиговых волн перпендикулярно поверхности контролируемого образца. Этими же пьезопластинами принимают упругие волны, которые вновь преобразуются в электрические импульсы. После этого поочередно измеряют временные задержки отраженных импульсов ультразвуковых волн, излученных пьезопластинами 4, 5. По измеренным задержкам, при помощи известных методик и уравнений акустоупругости, определяют напряжения в контролируемой зоне.The ultrasonic sensor operates as follows. A thin layer of viscous liquid is applied to the surface of the area to be monitored, a sensor is installed in such a way that the direction of polarization of one of the piezoelectric plates of the ultrasonic transducer is parallel to the acting voltage. Then, electrical pulses are fed through the radio frequency cable to the piezoelectric plates 4, 5, which alternately emit shear wave pulses perpendicular to the surface of the controlled sample. The same piezoelectric plates receive elastic waves, which again are converted into electrical impulses. After this, the time delays of the reflected pulses of the ultrasonic waves emitted by the piezoelectric plates 4, 5 are measured in turn. Using the measured delays, using known methods and equations of acoustoelasticity, the stresses in the controlled area are determined.

Источники информацииInformation sources

1. Неразрушающий контроль: Справочник / Под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 2004. Т.4 - 736 с.1. Non-destructive testing: Handbook / Ed. V.V. Klyueva. M .: Mechanical Engineering, 2004.V.4 - 736 p.

2. Патент РФ №2057330, МПК G01N 29/00, Акустический способ определения внутренних механических напряжений в твердых материалах / В.Т.Власов, Б.Н.Марин, Е.С.Юрчук, Ю.А.Коровкин, В.Е.Ударцев, опубликовано 1996.03.27.2. RF patent No. 2057330, IPC G01N 29/00, Acoustic method for determining internal mechanical stresses in solid materials / V.T. Vlasov, B.N. Marin, E.S. Yurchuk, Yu.A. Korovkin, V.E. .Udartsev, published 1996.03.27.

3. Патент РФ №2240552, МПК G01N 29/04, Комплексный ультразвуковой датчик / А.Л.Углов, В.М.Андрианов, О.Ю.Баталии, опубликовано 2004.11.20.3. RF patent No. 2240552, IPC G01N 29/04, Integrated ultrasound sensor / A. L. Uglov, V. M. Andrianov, O. Yu. Batalia, published 2004.11.20.

4. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.4. Vinokurov V.A. Welding strain and stress. - M.: Mechanical Engineering, 1968 .-- 236 p.

Claims (4)

1. Ультразвуковой датчик, содержащий две пьезокерамические пластины сдвиговых волн, установленные на механическом демпфере, подпружиненные по своей продольной оси, заключенные в металлический корпус с постоянным кольцевым магнитом, соединенные радиочастотным кабелем с преобразователем сигналов, обеспечивающим поочередное измерение временных задержек отраженных импульсов ультразвуковых сдвиговых волн, имеющих взаимно перпендикулярные направления поляризации.1. An ultrasonic sensor containing two piezoelectric shear wave plates mounted on a mechanical damper, spring-loaded along its longitudinal axis, enclosed in a metal housing with a permanent ring magnet, connected by a radio frequency cable with a signal converter, which provides an alternate measurement of the time delays of reflected pulses of ultrasonic shear waves, having mutually perpendicular directions of polarization. 2. Ультразвуковой датчик по п.1, отличающийся тем, что преобразователи сдвиговых волн получены из квадратной пьезопластины сдвиговых волн, разрезанной по диагонали.2. The ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the shear wave transducers are obtained from a square shear wave piezoelectric plate, cut diagonally. 3. Ультразвуковой датчик по п.1, отличающийся тем, что пьезопластины треугольной формы повернуты на 180° по отношению друг к другу в плоскости, нормальной к их поверхности, и приклеены к механическому демпферу.3. The ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the triangular piezoelectric plates are rotated 180 ° with respect to each other in a plane normal to their surface and glued to a mechanical damper. 4. Ультразвуковой датчик по п.1, отличающийся тем, что пружина и кольцевой магнит создают постоянный прижим и обеспечивают фиксированный акустический контакт. 4. The ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the spring and the ring magnet create a constant clamp and provide a fixed acoustic contact.
RU2007126281/28A 2007-07-10 2007-07-10 Ultrasonic transducer of shear waves RU2365911C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126281/28A RU2365911C2 (en) 2007-07-10 2007-07-10 Ultrasonic transducer of shear waves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126281/28A RU2365911C2 (en) 2007-07-10 2007-07-10 Ultrasonic transducer of shear waves

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007126281A RU2007126281A (en) 2009-01-20
RU2365911C2 true RU2365911C2 (en) 2009-08-27

Family

ID=40375582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007126281/28A RU2365911C2 (en) 2007-07-10 2007-07-10 Ultrasonic transducer of shear waves

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2365911C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529824C2 (en) * 2012-11-29 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) Piezoelectric converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529824C2 (en) * 2012-11-29 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) Piezoelectric converter

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007126281A (en) 2009-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8661904B2 (en) Method for investigating a structure for receiving and/or conducting a liquid or soft medium
EP0787980B1 (en) Measuring a load on a part and monitoring the integrity of the part
JP4269519B2 (en) Ultrasonic contact transducer with multiple elements
US8511165B2 (en) Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) combined with piezoelectric transducer (PZT) for dual mode ultrasonic inspection
Ma et al. Excitation and detection of shear horizontal waves with electromagnetic acoustic transducers for nondestructive testing of plates
EP2425205B1 (en) Apparatus and method for measuring material thickness
JPH0525045B2 (en)
US11428671B2 (en) Arrangement for non-destructive testing and a testing method thereof
Claes et al. Determination of the material properties of polymers using laser-generated broadband ultrasound
CN110199194A (en) Carry out the multicomponent method and device of detection part using ultrasonic wave
RU2365911C2 (en) Ultrasonic transducer of shear waves
McNab et al. Monolithic phased array for the transmission of ultrasound in NDT ultrasonics
Rodrigues et al. Development of a 2-d array ultrasonic transducer for 3-d imaging of objects immersed in water
US3756070A (en) Ultrasonic inspection device
Lenner et al. Single-element ultrasonic transducer for non-invasive measurements
JP2003130851A (en) Elastic parameter measuring device for material surface and coating layer
RU2520950C1 (en) Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof
CN115389069B (en) Plane stress detection device and detection method
KR101558921B1 (en) Dual type ultrasonic sensor for adjusting focal length
KR101558922B1 (en) Dual type ultrasonic sensor for adjusting beam width
RU171512U1 (en) Ultrasonic antenna array
RU2814451C1 (en) Dual-mode electroacoustic transducer
RU2810679C1 (en) Ultrasonic method for determining difference in principal mechanical stresses in orthotropic structural materials
US11965994B2 (en) Ultrasonic transducer for a measuring device
RU2493672C2 (en) Selective acoustic emission converter of elastic waves