Многоцелевыми релейными приборами являются гамма-реле типа ГР-6, ГР-7, ГР-8 с быстродействием 0,5—6 с. На их основе создаются уровнемеры, дозаторы, счетчики деталей и блоков, устройства для блокировки, управления движением и для сигнализации об отклонениях технологических процессов от нормы. Релейные приборы изготавливают в различных вариантах исполнения с защитой от неблагоприятных внешних воздействий. Они являются первичными блоками-датчиками о ходе технологического процесса и успешно используются в сочетании с блоками логической обработки и управления технологическими операциями или с управляющей ЭВМ.

Радиационные устройства для контроля физических свойств имеют распространение при работе с большими объектами или масштабными технологическими процессами, однако могут быть собраны и малогабаритные приборы для контроля материалов, полуфабрикатов и изделий небольшой массы. Области применения приборов для контроля физических свойств радиационным методом ограничены тем, что не всегда имеется однозначная связь между конкретным физико-химическим свойством и характеристиками вторичного излучения от материала контролируемого объекта.

7.ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ДЕТАЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

7.1.Ультразвуковые колебания и ихосновные свойства

Механические колебания с частотами выше 16 000 Гц называются ультразвуковыми. Если в какой-либо точке материальной среды возбуждаются колебания, то они распространяются в этой среде в виде упругих волн сжатия и растяжения. Свойства среды, в которой распространяется упругая волна, определяют скорость ее движения.

Как и всякое волновое движение, ультразвуковые колебания характеризуются частотой f , длиной волны К и скоростью распространения С, связанными между собой известным соотношением C — f .

Механические колебания в твердых телах приводят к возникновению растягивающих или сжимающих напряжений.

В жидкостях и газах амплитуда акустических волн может характеризоваться одной из следующих величин:

1) акустическим давлением (Па)

,

где — плотность среды, кг/м3; С — скорость распространения акустических волн, м/с; — скорость колебательного движения частиц, м/с;

2) смещением частиц из положения равновесия в процессе колебательного

В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны. В твердых телах могут существовать также и . другие виды волн: поперечные, поверхностные, крутильные, изгибные. Скорость распространения волн каждого вида различна.

Отношение называется акустическим импедансом. Для безграничной среды, в которой потери ультразвуковой энергии пренебрежимо малы, акустический импеданс для каждого материала является акустической характеристикой (характеристический импеданс).

Скорость распространения волны в стержне меньше, чем в неограниченной среде, и зависит от соотношения площади поперечного сечения стрежня и длины волны.

Ультразвуковые колебания распространяются прямолинейно. Поэтому они могут распространяться в виде узких пучков и давать звуковые тени. Ультразвуковые лучи во многом похожи на световые: могут отражаться и фокусироваться по законам, аналогичным законам геометрической оптики.

175

7.2. Акустические методы и средства неразрушающего контроля

Методы акустического контроля можно разделить на две группы: основанные на излучении и приеме акустических волн и основанные на регистрации акустических волн, возникающих в материалах и изделиях.

К первой группе относятся методы контроля с использованием бегущих и стоячих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта. В их числе:

1)Теневой метод, или метод сквозного прозвучивания (рис. 7.1, а). Излучатель 1

иприемник 3 разделены контролируемым изделием 2. Наличие дефекта ослабляет принимаемый сигнал или задерживает его регистрацию вследствие удлинения пути ультразвуковых волн при огибании дефекта.

2)Эхо-метод (рис. 7.1, б). В этом случае искатель 1 генерирует короткий ультразвуковой импульс, который отражается от донной поверхности изделия 2 или от дефектов и других неоднородностей. Отраженный импульс принимается тем же или другим искателем. Наличие дефекта определяется по времени прихода сигналов, отражающихся от дефектов и от поверхностей объекта, при этом можно определить глубину расположения дефекта.

3)Зеркально-теневой метод, являющийся разновидностью теневого метода. При контроле используется обычный эхо-метод. Ослабление сигнала служит признаком наличия дефектов.

Рис. 7.1 Методы контроля с использованием бегущих и стоячих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта.

4) Импедансный метод (рис. 7.1, в). При контроле идет наблюдение за режимом колебаний стержня 4, опирающегося на поверхность изделия 2. При наличии дефекта уменьшается импеданс данного участка поверхности, т. е. он становится как бы более

176

мягким. Изменение импеданса влечет за собой изменение амплитуды колебаний стержня, уменьшение механического напряжения на его конце, изменение фазы колебаний и смещение частоты, резонансных колебаний. По одному из этих признаков судят о наличии дефекта.

5)Резонансный метод (рис. 7.1, г). Он применяется в дефектоскопии и при измерении толщины пленок покрытий. После определения скорости распространения звуковых волн в, исследуемом материале плавным изменением частоты генератора отыскивается резонансная частота, соответствующая возникновению стоячей волны в изделии и характеризующая его толщину. Если при перемещении искателя 1 по поверхности изделия 2 наблюдается ослабление сигнала или исчезновение резонанса, то в этом месте можно предполагать наличие дефекта.

6)Метод свободных колебаний (рис. 7.1, д), при котором анализируется спектр частот собственных колебаний изделия. Эти колебания возникают вследствие вибрации изделия после удара по нему.

Ко второй группе методов относятся:

1. Метод акустической эмиссии. Контроль основан на регистрации упругих волн, которые возникают в момент образования и развития трещин. О наличии опасных дефектов можно судить по увеличению частоты следования и амплитуды сигналов в определенном диапазоне частот.

2. Шумо-вибрационный метод. В этом случае производится наблюдение спектра частот работающего механизма в целом или отдельных его частей. В качестве преобразователя применяют либо микрофон, либо прибор, напоминающий медицинский стетоскоп, прижимаемый к различным участкам работающего механизма.

Наиболее широкое распространение получил эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии. Контроль качества поковок, штамповок, проката, термообработанного литья, сварных швов, измерение толщины изделий — вот неполный перечень возможностей применения эхо-метода.

Для определения качества проката малой и средней толщины, резиновых изделий, для исследования упругих свойств стеклопластиков, бетона и графита применяют теневой метод. Недостатком теневого метода является необходимость двустороннего доступа к контролируемому изделию. Когда двусторонний доступ осуществить невозможно, применяют зеркально-теневой или резонансный методы.

Качество швов сварных конструкций при испытаниях на прочность и во время эксплуатации можно контролировать методом акустической эмиссии.

Качество клееных и паяных соединений из металла, стекла и пластмасс проверяют чаще всего импедансным методом или методом свободных колебаний.

Ультразвуковые волны хорошо отражаются от тончайших зазоров, и поэтому для улучшения условий передачи ультразвука от преобразователя к изделию зазор между ними заполняют слоем жидкости (обычно минеральным маслом).

Достоинства акустических методов контроля:

1. Возможность выявления как поверхностных, так и внутренних (глубинных) дефектов. При всех других методах, кроме радиационных, выявляются только поверхностные или подповерхностные дефекты.

2. Возможность обнаружения тонких трещин.

3. Безопасность для обслуживающего персонала.

4. Простота автоматизации ультразвукового контроля. Применение акустических методов контроля ограничивается следующими факторами:

1)сложностью формы и малыми размерами детали, затрудняющими использование ультразвукового контроля. Кроме того, могут возникать ложные сигналы из-за наличия неровностей на поверхности вблизи области возможного расположения дефектов;

2)неоднородностью внутренней структуры материала, что приводит к

177

рассеиванию ультразвуковых волн, ослаблению полезного сигнала и появлению шумов;

3)шероховатостью поверхности изделия, которая влияет на чувствительность ультразвукового контроля из-за изменения акустического контакта преобразователя с изделием. Особенно высокие требования к шероховатости поверхности предъявляются при контактном способе контроля. При иммерсионном способе требования к шероховатости могут быть уменьшены;

4)сложностью оценки характера и размеров дефекта.

7.3.Пьезоэлектрические искатели

Вприборах акустического контроля для возбуждения звуковых колебаний в основном используется преобразование электрических колебаний в механические при помощи пьезоэлементов. Для изготовления последних используются искусственные пьезокерамические материалы, поляризованные по толщине таким образом, что направления электрических и механических колебаний совпадают. Пьезопластины изготавливают из цирконата-титаната свинца (ЦТС), ниобата свинца (ИБС) и некоторых других материалов.

Преобразователь электромагнитных колебаний в упругие, называемый обычно искателем, может иметь различные конструктивные решения: совмещенные искатели (предназначенные как для возбуждения, так и для приема ультразвуковых колебаний), раздельно-совмещенные и раздельные.

На рис. 7.2 показаны конструктивные схемы нормального (а), наклонного (б) и раздельно-совмещенного (в) искателей.

Искатель состоит из металлического или пластмассового (металлизированного) корпуса 7, в котором находится пьезопластина 3, прижатая или приклеенная к демпферу 2. Назначение демпфера — гасить свободные колебания пьезопластины. Демпферы изготавливают из искусственных смол, имеющих определенный акустический импеданс. Со стороны, обращенной к исследуемому материалу, пьезопластина закрыта протектором 4 толщиной 0,1—0,5 мм, который предохраняет ее от износа и нежелательных воздействий иммерсионных сред. Кроме того, протектор улучшает акустический контакт пьезоэлемента с контролируемым изделием 5. Для этой же цели между протектором и изделием располагается прослойка контактной среды 6.

При необходимости возбуждения колебаний под углом к поверхности изделия в конструкцию искателя включается призма 8, изготавливаемая из материалов, характеризующихся небольшой скоростью прохождения звука (полистирол, оргстекло). Призма может применяться также для трансформации падающих продольных колебаний в поверхностные, сдвиговые и т. п.

Соединение металлизированных поверхностей пьезопластины с электронным блоком осуществляется при помощи выводов 1. При раздельно-совмещенной конструкции искателя для предупреждения прямой передачи сигналов от излучателя к приемнику вводится акустический экран 9.

178