1294

мер, угле-, боропластики) входят проводящие армирующие волокна. Оп­ ределение электропроводности углепластиков, структурные параметры которых не могут быть определены электроемкостным методом, осу­ ществлялось с помощью вихретокового метода [и ]. Емкость и сопро­ тивление цепи протекания вихревых токов зависят от таких факторов, как коэффициент армирования, диэлектрическая проницаемость поли­ мерной матрицы, распределение армированных волоком по направле­ ниям укладки,электропроводность и др.

Косвенные исследования изменений структуры углепластиков по их электрическим характеристикам проводились, как указывалось, вихре­ токовым методом. Измеритель содержит высокочастотный генератор, в контур которого включены вихретоковый преобразователь и блок изме­ рения частоты, являющейся в данном случае информативным парамет­ ром. Экспериментально найденные корреляционные зависимости между 'косвенным параметром электропроводности, с одной стороны, и коэффи­ циентом армирования, а также скоростью ультразвуковых колебаний и модулями упругости — с другой, приведены в [11].

В последние годы широкое применение получили тепловые методы неразрушающего контроля качества изделий и материалов. Сущность тепловых методов заключается в получении информации о свойствах и качестве материала по способности его проводить тепло. При подаче на поверхность изделия теплового импульса определенной мощности и длительности тепло распространяется в глубь материала с интенсивно­ стью, зависящей от его теплофизических характеристик — плотности, теплопроводности, теплоемкости, а также наличия или отсутствия де­ фектов (пустот, расслоений, непроклеев, трещин, инородных включений).

Наибольшее распространение получили тепловые методы неразруша­ ющего контроля, использующие в качестве контролируемого параметра интенсивность теплового излучения, испускаемого участками поверхности изделий при их нагреве и регистрируемого в виде изображения на эк­ ране тепловизора [12]. Эти методы, обладающие такими достоинствами, как отсутствие контакта с изделием, высокая чувствительность к дефек­ там или изменению свойств материала, возможность контроля при одно­ стороннем доступе к изделию и автоматизация, используются для полу­ чения информации о тепловых полях различных изделий — от узлов микроэлектроники до крупногабаритных секций размерами в несколько метров.

Тепловые И1\-методы, основывающиеся на принципах сканирования изделия, требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры (оптические си­ стемы — тепловизоры, радиометры, чувствительные к низкотемператур­ ному излучению) и громоздких систем сканирования или протяжки из­ делия. Поэтому в ряде случаев оказывается целесообразным проводить тепловой контроль локальных участков изделий, используя несложные и недорогие устройства. Тепловые методы неразрушающего контроля по распределению температуры поверхности изделия используются в ос­ новном для целей дефектоскопии материала. Изделия из композитов на основе полимеров, как известно, могут быть существенно неоднородными по механическим и другим физическим свойствам и не иметь отдельных дефектов, обнаруживаемых методами дефектоскопии.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы *

1.Романий С. Ф., Черный 3. Д. О контроле композитных материалов в электро­ магнитных полях высокой напряженности (эффект Кнрлиаи).

2.Романий С. Ф., Черный 3. Д. О средствах контроля материалов и изделий в элек­ тромагнитных полях высокой напряженности.

3.Ахметшин А. М. Широкополосная СВЧ интроскопия слоистых диэлектрических структур.

4.Ахметшин А. М. О рациональном выборе зондирующего сигнала в задаче контроля толщины и диэлектрической проницаемости полимерных материалов.

б.Матис И. Г Аналогия электрических и механических релаксационных явлений.

6.Матис И. Г Новые электроемкостные средства для диагностики качества компо­ зитных материалов.

7.Штраус В. Д. Автоматизация определения электрических релаксационных характе­ ристик композитных материалов.

8.Штраус В. Д. Экспериментальные исследования информативности электрических релаксационных характеристик к изменению физико-механических свойств компо­ зитов.

9.Штраус В. Д. Привлечение диэлектрической спектрометрии для контроля качества композитных материалов.

10.Бергманис К. А., Бульбик Я. И. Техническая диагностика состояния изоляции ста­ торных обмоток.

11.Зинченко В. Ф., Лукша В. В. Влияние давления прессования на комплекс физико­ механических характеристик углепластика.

12.Зинченко В. Ф. Тепловые методы диагностики структуры и свойств композитов.

*Статья представляет собой обзор материалов, вошедших в настоящий сборник.

УДК 534.2; 620.1

Н. А. Глухов

СРЕДСТВА АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТОВ

Большинство ультразвуковых (УЗК) средств контроля физико-меха­ нических свойств композитных материалов основано на импульсном ме­ тоде, сущность которого заключается в исследовании взаимодействия импульса УЗК с контролируемым материалом, в частности в определе­ нии времени прохождения УЗК через исследуемый материал. Многочис­ ленные исследования показали достаточно плотную связь между харак­ теристиками пластмасс и подобных им материалов со скоростью УЗК [1].

В настоящее время ведется дискуссия о повышении точности измере­ ний и их метрологическом обеспечении. Группа исследователей (Вайн­ шток, Ямщиков, Мизрохи и др.) считает, что для достижения высокой точности измерений целесообразно применение системы усиления сигна­ лов с последовательным дифференцированием по наименьшему уровню сигнала. Такой способ повышения точности измерения правомерен в слу­ чаях, если затухание сигнала составляет 10—20 дБ. При более значи­ тельных затуханиях уровни сигнала, способные обеспечить высокую точ­ ность измерения, становятся соизмеримыми с шумами и система отсчета времени допускает значительные ошибки (до нескольких процентов).

Параллельно развиваются исследования, ставящие целью показать, что при строгом нормировании амплитуды первой полуволны принятого сигнала и поддержании постоянного уровня срабатывания измеритель­ ных схем также можно повысить точность измерения (Ногин, Токарев, Витюк). Недостаток этой методики состоит в том, что не учитывается изменение крутизны фронта первого полупериода, которое, в пересчете на длительность, составляет сотни процентов, т. е. такая методика не «привязана» к началу сигнала и, как и предыдущая, предусматривает наличие систематической составляющей погрешности измерения, изме­ няющейся по неизвестному закону затухания.

Предпринята попытка расчетным путем с учетом затухания ввести поправку в систему измерения [2]. Недостатком такой методики явля­ ется необходимость знания затухания, его распределения по изделию (что само по себе уже несет информацию о свойствах материала и тре­ бует дополнительных исследований).

Проведенные исследования показали, что форма переднего фронта первого полупериода, изменяющаяся в зависимости от уровня затуха­ ния в контролируемом материале, может быть описана уравнением вида

где а — текущее значение напряжения сигнала; t — время; А, Ь, с<—

86 Н. А. ГЛУХОВ

коэффициенты, зависящие от затухания и определяемые для конкрет­ ных значений t по параметрам принятого сигнала.

Авторы работы [4], рассматривая распространение акустического импульса в реальном материале, приходят к выводу о «затягивании» фронта импульса; форма которого совпадает с выражением (1). Резуль­ таты работы очень интересны, и жаль, что авторы не описали устрой­ ство акустических преобразователей, позволивших без искажения вос­ произвести импульс достаточно сложной формы.

Для определения коэффициентов Л, b и с из выражения (1) необхо­ димо нормирование амплитуды первого полупериода, определение на­ пряжения в точке перегиба и временного интервала между точкой пере­ гиба и точкой максимума сигнала. По измеренным параметрам точки перегиба сравнительно просто определяется поправка, вызванная изме­ нением крутизны фронта. Таким образом, не зная затухания, можно ввести поправку на изменение крутизны фронта первого полупериода.

Действие приборов для ультразвукового контроля УК-15П и Бетон8УРЦ основывается на методике измерения без нормирования ампли­ туды сигнала; приборы УК-10П, УК-13П, УК.-22П реализуют методику нормирования сигнала по экрану электронно-лучевой трубки. Разраба­ тывается прибор УК-14П, в котором предусмотрено автоматическое под­ держание амплитуды первого полупериода на заданном уровне с воз­ можностью оценки длительности фронта по цифровому счетчику.

Не менее важным (а зачастую и наиболее сложным) в практике из­ мерений является их метрологическое обеспечение и правильность вы­ полнения. В настоящее время организации Госстандарта приняли раз­ работанный во ВНИИНК совместно с ВНИИЖелезобетона простой спо­ соб устранения систематической составляющей погрешности измерите­ лей времени распространения УЗК. Способ основан на использовании двух образцов из любого материала, близкого по акустическим свойст­ вам к контролируемому. Дополнительные требования к образцам — плоскопараллельность поверхностей ввода УЗК. Нетрудно показать, что если измерить время распространения УЗК в каждом образце и в со­ ставленных вместе, то при линейной шкале отсчета разность показаний общего измерения и суммы отдельных измерений отразит систематиче­ скую составляющую погрешности, которую легко устранить соответст­ вующими регулировками (часто называемыми «установка нуля»).

Поскольку изделия из полимерных материалов обычно отличаются сравнительно малой толщиной, то для измерений применяется метод одностороннего доступа при поверхностном «прозвучивании». Для ка­ либровки приборов в этом режиме предлагается использовать простое приспособление — крепление преобразователей в трех постоянных точ­ ках контролируемого материала. В этом случае, пользуясь рассужде­ ниями о двух образцах (с заменой их базами-расстояниями), можно по­ казать, что, переставляя преобразователи (не двигая приспособления), получим три результата, сумма двух из которых должна равняться наи­ большему. Неравенство устраняется ручкой «Установка нуля».

Ряд проблем метрологии рассматривается в работах А. Балодиса (6]. Так, например, решался вопрос обоснования методов метрологического обеспечения по конечному результату (прочностные характеристики — модуль упругости, константы Ламэ и т. д.). Для универсализации мет­

рологии представляется метод электрических аналогов, причем указы­ вается, что метод не позволяет устранять погрешность (зачастую это систематическая составляющая погрешности), определяемую неодно­ значностью математической модели объекта контроля и невозможно­ стью учета всех взаимосвязей объекта контроля с инструментом конт­ роля и существенной зависимостью свойств объекта (полимерного мате­ риала) от случайных распределений всех компонентов материала. В этом отношении весьма интересен опыт, накопленный в строительной промышленности (см., например, ГОСТ 1262—78): отказ от строгой мате­ матической модели среды, замена ее корреляционными зависимостями, полученными по статистическим данным о поведении материала данного типа в условиях механических нагружений и переносе акустических свойств образца на реальную конструкцию. При таком подходе для каж­ дого вида материала задачи метрологии решаются в два этапа (меха­ нические и акустические испытания), связанных между собой теорети­ ческим обоснованием и анализом погрешностей. Указанный подход к акустическим исследованиям механических характеристик вполне реа­ лен и может быть легко внедрен в практику. При любом подходе к мет­ рологии акустических исследований нельзя исключать случайную состав­ ляющую погрешности.

А. А. Балодис рассматривает возможность машинного анализа слу­ чайной составляющей погрешности. На основе исследования случайной погрешности делается вывод о необходимости увеличения количества измерений в выборке до 60. Однако вызывают сомнение результаты по затуханию УЗК, поскольку не указан частотный диапазон и не описана методика исследования. Что касается затухания УЗК, то в этих иссле­ дованиях приводится достаточно подробный анализ вклада затухания в результаты контроля. Спорным является вывод о частотно-независи­ мом характере затухания. При таком подходе не учитывается реальная структура материала, поэтому использовать его можно при контроле ультразвуковых характеристик в узком низкочастотном диапазоне.

Решение задач по метрологическому обеспечению измерений зату­ хания усложняется ввиду частотной зависимости затухания и изменения вклада структурных составляющих в механизм поглощения или" рассея­ ния УЗК. С учетом этого принята методика сравнения фактического за­ тухания с «нулевым» в кварцевом стекле. При этом вводятся поправки на дифракцию и можно говорить об общем изменении амплитуды без учета вклада различных механизмов затухания.

Одним из наиболее перспективных при решении задач диагностики является метод акустической эмиссии (АЭ). Сложность контроля поли­ мерных композитных материалов этим методом обусловливается суще­ ственной разницей физико-механических свойств арматуры и связующего и сцеплением между этими компонентами композита. Однако сущест­ вуют методики, позволяющие использовать результаты контроля АЭ для диагностики прочности и дефектности изделий [5].

Результаты исследований методом АЭ не всегда согласуются между собой из-за отсутствия единого способа калибровки. До сих пор не ре­ шен вопрос метрологического обеспечения приборов АЭ, что задержи­ вает их серийный выпуск и промышленное применение. В перспективе целесообразно проведение исследований по установлению взаимосвязи

88 Н. А. ГЛУХОВ

между параметрами АЭ и коэффициентом концентрации напряжений и использование полученных результатов на реальных конструкциях.

Резонансные методы контроля физико-механических свойств полиме­ ров пригодны для исследования образцов и малогабаритных изделий (в несколько сантиметров) типа сложных профилей, дисков и т. д. Конт­ роль конструкций больших размеров этими методами затруднен вслед­ ствие сложности расшифровки гармонических составляющих и малой чувствительности при низких частотах.

В настоящее время большое внимание за рубежом и в нашей стране уделяется созданию средств акустического контроля. Следует отметить результаты исследований по созданию аппаратуры для неразрушающего контроля, полученные в Институте механики полимеров АН ЛатвССР, и особенно прибор ИСЗУ, при помощи которого можно оценивать ампли­ туду принятого сигнала, т. е. косвенно определять изменение поглоще­ ния в материалах. Во ВНИИЖелезобетона создан прибор Бетон-9УРЦ. Интересный трехканальный прибор, с помощью которого можно изме­ рять толщину и скорость, разработан в Вильнюсском инженерно-строи­ тельном институте. Встроенная счетная машина «Электроника БЗ-18А» позволяет косвенным путем по характеристикам скорости и затухания УЗ К определять прочностные параметры материала. Перечисленные средства акустического контроля выпускаются малыми сериями или единичными экземплярами. Серийно в настоящее время для измерения скорости и затухания УЗК отечественной промышленностью выпуска­ ется только один прибор УС-12ИМ (частотный диапазон 0,6—24 МГц). Из зарубежных разработок этого направления следует отметить уста­ новку фирмы «Nukem» (ФРГ), которая выдает данные на ЭВМ, рабо­ тает как в теневом, так и в эхометоде. Фирмой «Labec» (ФРГ) выпус­ кается прибор, позволяющий получить информацию о времени и погло­ щении УЗК в объекте контроля (с цифровым и аналоговым выходом).

Следует отметить также английские приборы для акустического контроля MARK-IV (фирма «C.N.S. Instruments Pundit»), предусмат­ ривающие цифровую индикацию на жидких кристаллах, выход на цифропечать и на внешний осциллограф, и портативный прибор MS-1 (фирма «Inspection Instrument») (частотный диапазон 55—1000 кГц, масса прибора 4,5 кг).

Как следует из анализа отечественной и зарубежной литературы, прослеживается тенденция к применению в современных приборах слож­ ных систем обработки информации с целью документирования резуль­ татов контроля.

Развитие методик и аппаратуры ультразвукового контроля физикомеханических свойств полимерных материалов направлено, как нам представляется, на

1)создание прецизионных методов и средств для научных исследо­ ваний (с ориентацией на ручной контроль);

2)разработку и производство механизированных средств с привле­ чением ЭВМ и выдачей документов о качестве изделий.

Для реализации этих направлений потребуются совместные усилия специалистов, занимающихся разработкой методик и аппаратуры уль­ тразвукового контроля, технологией изготовления изделий, развитием теории прочности и т. д.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Потйпов А. И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из полимерных материалов. Л., Машиностроение, 1980. 261 с.

2.Гитис М. Б., Шенкер А. А., Афанасьев М. И. О зависимости между скоростью рас­ пространения фронта упругого импульса и базой прозвучивания. — Дефектоскопия, 1980, т. 47, № 9, с. 47^52.

3.Шрайбер Д. С. Ультразвуковая дефектоскопия. М., Металлургия, 1965. 391 с.

4*. Виноградов Р. И., Гривков В. Н., Билодис А. А. Исследование распространения акустических импульсов в конструкционных полимерных материалах.

5*. Потапов А. И. Методы диагностики прочности изделий из полимерных композит­ ных материалов.

6.Балодис А. А. О некоторых методических вопросах неразрушающих акустических испытаний полимерных материалов. — В кн.: Тез. докл. IX Всесоюз. науч.-техн. конф., 1981, ч. 1, с. 218—219.

Звездочкой обозначены статьи, вошедшие в настоящий сборник.

УДК 620.179:621.318

X. Э. Слава

АВТОМАТИЗАЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разработка и применение новых конструкционных материалов не­ разрывно связаны с развитием соответствующих методов и средств контроля их качества. Сказанное в полной мере относится к композитам на основе полимеров, использование которых в ряде ответственных от­ раслей промышленности (авиационной, судостроительной, химической, строительной, производстве средств освоения космоса и др.) предъяв­ ляет высокие требования к надежности неразрушающего контроля ка­ чества этих материалов. Повышение надежности контроля может быть осуществлено посредством увеличения информативности определяемых характеристик и объема контроля (количества измерений), а также по­ вышения точности измерений.

Одна из задач повышения надежности контроля отдельных физиче­ ских характеристик может быть решена путем автоматизации процесса измерений на основе использования существующей аппаратуры нераз­ рушающего контроля. Однако такой подход не позволяет увеличить ин­ формативность и точность контроля отдельных физических характерис­ тик по следующим причинам. Во-первых, в большинстве случаев невоз­ можно увеличить точность измерений за счет статистической обработки результатов, так как методическая погрешность, заложенная в измери­ тельной аппаратуре, во много раз больше, чем нестабильность самой ап­ паратуры. Во-вторых, одним из путей увеличения информативности контроля является определение частотных зависимостей отдельных фи­ зических характеристик, для получения которых необходимо иметь ин­ формацию о возмущающем воздействии, а также о реакции на него контролируемого объекта. Получение этой информации в большинстве случаев без дополнительных измерительных средств на основе сущест­ вующей аппаратуры не представляется возможным. Основным факто­ ром, определяющим точность неразрушающего контроля физических характеристик, является наличие целого ряда возмущающих воздейст­ вий на первичный преобразователь (ПП), например, таких, как состоя­ ние контролируемой поверхности (неровности, загрязненность, влаж­ ность), условия контакта [1] ПП с объектом контроля. Повышение точ­ ности определения физических характеристик при наличии сильного влияния возмущающих факторов может быть достигнуто применением теории инвариантности и принципа многоканальности, т. е. методами многопараметрового контроля. Осуществление данного метода связано*