Устройство для определения модуля упругости материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 9/04 0 0 В;Е:СДЗНЦ1 АТЛГ,." ю.:, Л 1:СКАЯ Е,Ь.":.,О,А И ЕТ оле схема уля упэпюры тройстатор 1 довате ондирую ователь зи,усил ньм имдержит гене льсов, посл усилитель 2 ьезопреобраую линию 4 св ь 5 отражен тройство рующих им единенныеимпульсов, кустическ ограничит зонд но с щих3 д котомоду те ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССРИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(46) 23.11.89.Бюл. Мф 43171) Львовский политехнический институт ию.Ленинского комсомола (72) Б.И.Стаднык, Б.В.Дунец, Я.Т.ЛУ- цик и В.П.Мотало(56) Авторское свидетельство СССР В 504968, кл. 0 01 И 29/02, 1975.Акустический журнал, т.10, вып.4, с. 483-485.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к области исследования физических свойств матеИзобретение относится к исследованию Физических свойств материалов с помощью ультраэвуковьм колебаний и может быть использовано для определения модуля упругости твердых тел.Целью изобретения является повьппение точности определения модуля упругости материалов за счет учета изменений внутренней структуры материала при внешних воздействиях.На фиг.1 представлена блок- устройства для определения мод ругостн материалов; на фиг,2сигналов, поясняющие работу ус ва. риалов с помощью ультразвуковых кбаний и может быть использовано дляопределения модуля упругости твердыхтел. Цель изобретения - повышение точности определения модуля упругостиматериалов за счет учета измененийвнутренней структуры материала привнешних воздействиях. В устройствереализуется измерение скорости ультразвука в образце материала, по которой вычисляется его модуль упругости.Одновременно измеряется удельнаяэлектропроводность образца и учитывается при вычислении модуля упругости, что обеспечивает повышение точности его определения. 2 ил,пульсов, входом подключенный к пьезо"преобразователю 3, элемент 6 задержки, вход которого объединен с входомусилителя 2 зондирующих импульсов,измеритель 7 временных интервалов, детектор 8, первый 9, второй 10 и третий 11 Р-триггеры с динамическим уп"равлением по фронту импульса, элементИ 12, дифференциатор 13, измеритель14 удельной электропроводности материала образца, блок 15 вычисления модуля упругости и двухролюсный кнопочньп 3 переключатель 16, выход детектора8 подключен к С-входу синхронизациипервого В-триггера 9, и информационный Э-вход которого подключен к выходу элемента И 12, а инверсный Я-выходподключен к С-входу синхронизациивторого О-триггера О и к первомувходу элемента И 12, второй вхорого подключен к инверсному Я"вьи объединен с информационным Р-входом второго Р-триггера 10, раздельные Б-входы установки в нулевое состояние первого 9 и второго 10 Р-триггеров подключены к прямому Ц-выходу5 третьего Р-триггера 11, инверсный Ц-выход которого подключен к его информационному Р-входу, а С-вход синхронизации подключен к выходу элемента б задержки, вход которого подключен к раздельному В-входу установки в нулевое состояние третьего Р-триггера 11, первый Я-выход первого Р- , триггера 9 через дифференциатор 13 подключен к входу измерителя 7 временных интервалов, выходы измерителя 7 временных интервалов и измерителя 14 удельной электропроводности подключены соответственно к первому и второму входам блока 15 вычисления модуля упругости, подвижный контакт двухполюсного кнопочного переключателя 16 подключен к выходу генератора 1 зондирующих импульсовр нормально замкнутый неподвижный контакт подключен к входу усилителя 2 зондирующих импульсов, а нормально разомкнутый неподвижный контакт нодключеи к раздельному Я-входу установки в единичное состояние третьего Ь"триггера 11.30Кроме того, на фиг,1 показан образец 17 исследуемого материала.Входы измерителя 14 удельной электропроводности подключают к противоположным торцам образца исследуемого мате- З 5 риала 17, который устанавливает на свободной торцовой поверхности акустической линии 4 связи.Устройство работает следующим об 40 разом,Перед началом измерений для устранения неопределенного состояния триггеров 9, 1 О и 11 нажатием кнопки 16 "Сброс" осуществляют установку триггеров 9 - 11 и элемента И 12 в исход 45 ное состояние. При этом электрический импульс положительной полярности (Фиг.2 а) с выхода генератора 1 поступает на раздельиый вход установки в единичное состояние третьего триггера 5011 и своим Фронтом устанавливает на прямом Я-выходе напряжение высокого уровня т,е. "1" (Фиг.2 е), а наинверсноМ Я-выходе - напряжение низкого уровня, т.е. "0" (Фиг,2 ж), Сигнал "1" с прямого Я-выхода третьеготриггера 11 поступает на раздельныеВ-входы установки в нулевое состоя" ние первого 9 и второго 10 триггеров,в результате чего на прямом Я-выходепервого триггера 9 устанавливается"0" (фиг.2 б,л), а на инверсных Ц-выходах первого 9 (Фиг,2 к) и второго1 О (фиг.2 з) триггеров "1". Поскольку на оба входа элемента И 12 поступают "1", то на ее выходе и на инФормационном Р-входе первого триггера 9 также устанавливается "1"(Фиг.2 и). При отпускании кнопки 16 (позиция "Измерение" ) кратковременный электрический зондирующий импульс (Фиг.2 б) от генератора 1 усиливается усилителем и поступает на пьезопреобразователь 3, где преобразуется в акустический сигнал, который по акустической линии 4 связи поступает на образце 17. Часть этого акустического сигнала отражается от начала образца 17 и по акустической линии 4 связи поступает обратно на дьезопреобразователь 3, где преобразуется в электрическийсигнал и поступает на вход усилителяограничителя 5. Другая часть акустического сигнала проходит по образцу 17, отражается от его конца, снова проходит по нему, к его началу,где снова происходит ее разделение - одна часть через линию 4 связи и цьезопреобразователь 3 поступает на вход усилителя-ограничителя 5, а другаявозвращается в тело образца 17.Таким образом, на выходе усилителя-ограничителя 5 (фиг.2 в) и детектора 8(фиг.2 г) появляется серия отраженныхимпульсов (А,В Н н Р), причем первый отраженный импульс А появляется через интервал времени 2 т+ о, (где- время прохождения акустического сигнала по акустической линии 4 связи; ь - время задержки сигнала в электронных цепях устройства) от начала зондирующего импульса, а последующие импульсы В, Б и Р появляются через интервалы времеии 2 с, (где с, - время прохождения акустического сигнала по образцу)., Кроме этих отраженных импульсовна выходе усилителя 5 и детектора 8 появляется прямой импульс И (Фиг.2 г) с пьезопреобразователя 3, совпадающий по времени с зондирующим импульсом генератора 1.Иэ этой последовательности импульсов необходимо выделить первый А и40 15 19второй В Фиг,2 г отраженные импульсы и измерить временной интервал между ними, равный времени двойного прохождения акустического сигнала по обл5разцу 17, т.е. равный 2 , с учетомкоторого определяют скорость распространения ультразвуковых колебанийв матерйале образца, Для этой пелипредназн,челы элемент 6 задержки, 10первый 9, второй 10 и третий 11 Птриггеры с динамическим управлением по фронту импульса, элементИ 13, а также дифференциатор 13 и измеритель 7 временных интервалов. 15Измерение временного интерваламежду первым А и вторым В (фиг,2 г)отраженными импульсами осуществляется следующим образом,Зондирующий импульс генератора 1(Фиг,.2 б) поступает на вход элемента 6 задержки и на раздельный Б-входустановки в нулевое состояние третьего триггера 11, в результате чего наего прямом Я-выходе устанавливается(Фиг.2 ж), Нулевой потенциал с прямого Ц-выхода третьего триггера 11 передается на раздельные В-входы первого 309 и второго 1 О триггеров, Таким образом, триггер 9 закрыт нулевым потенциалом на В-входе и импульс М(фиг,2 г), поступающий на его С-входсинхронизации, не может изменить егосостояние, т,е. потенциалы прямого(фиг.2) и инверсного Я (фиг,2 к) выходов не изменяются,Зондирующий импульс, задержанныйи элементе 6 задержки на время(фиг,2 д), большее чем длительностьс импульса М (Фиг.2 г), поступаетна С-вход синхронизации третьеготриггера 11, в результате чего наего прямом Ц-выходе устанавливается 45"1" (Фиг.2 е), которая передается наВ-входы установки в нулевое состояние первого 9 и второго О триггеров.Поскольку первый триггер 9 и так находится в нулевом состоянии ("О" на 50прямом выходе), то его состояние(Фиг.2 л) не меняется. Второй триггер10, имеющий после первого измерительного цикла на инверсном выходе "О"(Фиг,2 з), изменяет при этом свое состояиие и на его инверсном выходе появляется "1" (Фиг.2 з)В результатеэтого на выходе элемента И 12( Фиг.2 и)и на инФормационном Э-входе первого 986триггера 9 устанавливается "1", Схема готова к приему первого отраженного импульса А (фиг,2 г).Первый отраженный импульс А,поступающий на С-вход синхронизации первого триггера 9, своим фронтом изменяет его состояние, т,е, на прямом Ц-выходе устанавливается "1" (фиг.2 л), а на инверсном Я-выходе "0" (фнг,2 к), При этом состояние второго триггера 10 не меняется (фиг,2 з), а на выходе элемента И 12 (фиг.2 и) и на информационном В-входе первого триггера 9 устанавливается 0. Второй отраженный импульс В (Фиг.2), поступакщий на С-вход синхронизации первого триггера 9, своим фронтом снова изменяет его состояние, т.е. на прямом Ц-выходе устанавливается "О" (фнг.2 л), а на инверсном Я-выходе "1" (фиг.2 к), При этом состояние второго триггера 10 изменяется, т.е, на его инверсном Я-выходе устанавливается "О" (фиг.2 з), а на выходе элемента И 12 нулевой потенциал не меняется (фиг.2 и), следовательно на информационном входе первого триггера удерживается "О".Третий отраженный импульс М (фиг,2 г) и все последующие (на фиг.2 г показан еще только один имПульс Р 1, поступающие на вхсд синхронизации с первого триггера 9, не могут изменить его состояние,поскольку на его информационном В-входе стабильно поддерживается нулевой потенциал (Фиг,2 и),который повторяется на прямом Я-выходе (Фиг.2 л).Таким образом, на прямом Ц-выходе первого триггера 9 сформирован один импульс длительностью 2 с, (Фиг.2 л), равной двойному времени прохождения акустического сигнала по образцу 17. Этот импульс поступает в дифференциатор 3, где преобразуется в два коротких импульса (Фиг,2 м), временной интервал между которыми равный такиЭже 2 оо, измеряется измерителем 7 вре" менных интервалов.Полученные результаты измерений времени прохождения акустического сигнала в образце поступают в блок 15 вычисления модуля упругости Е,который вычисляется по Формуле1 - длина акустического пути в образце 17;Ч и о У - соответственно теоретическое и экспериментальноезначение удельной электропроводности исследуемого материала.Величина У измеряется измерителем14 удельной электропроводности и поступает нд второй вход блока 15 вычисления модуля упругости.На этом измерительный цикл закон чен, С приходом следующего зондирую 15щего импульса генератора 1 (Фиг,2 б)начинается следующий измерительныйцикл. Период Т следования зондирующихимпульсов выбирается достаточно большим, чтобы в исследуемом образце мно Огократные отражения предыдущего импульса полностью эатухли к моментуприхода следующего импульса,Предлагаемое устройство для определения модуля упругости материалов 25по сравнению с известным повышает точность определения модуля упругостиматериалов, изменяющих внутреннююструктуру при внешнем воздействии,например, при механических нагружени Оях или изменении температуры.Повышение точности определения модуля упругости достигается тем,что,в данном устройстве одновременно сизмерением скорости распространенияультразвуковых волн в материале образца дополнительно осуществляется измерение удельной электропроводности материала образца, а действительноезначение модуля упругости определя Оется по Формуле (11, Это позволяетустранить методическую погрешностьопределения модуля упругости,обусловленную влиянием изменения внутреннейструктуры материала на скорость распространения в нем ультразвуковыхволн, которая может составлять 17 иболее.Формула изобретенияУстройство для определения модуля упругости материалов, содержащее генератор зондирующих импульсов, последовательно соединенные усилитель эон 55 цирующих импульсов, пьезопреобразователь и акустическую линию связи,усилитель-ограничитель отрдженных импульсов, входом подключенный к пьезопреобрдзовдтелю, элемент задержки, вход которого объединен с входом усилителя зондирующих импульсов, и измеритель временных интервалов, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения модуля упругости материалов, изменяющих внутреннюю структуру при внешнем воздействии, оно снабжено детектором, первым, вторым и третьим Р-триггерами с динамическим управлением по фронту импульса, элементом И,диднЬеренцидтором, измерителем удельной электропроводности материала образца блоком вычисления модуля упругости и двухполюсным кнопочным переключателем, выход детектора подключен к входу синхронизации первого Р- триггера, информационный Р-вход которого подключен к выходу элемента И, а инверсный выход подключен к входу синхронизации второго Р-триггера и к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу и объединен с информационным входом второго Р-триггера, раздельные входы установки в нулевое состояние первого и второго Р-триггеров подключены к прямому выходу третьего Р-триггера, инверсный выход которого подключен к его информационному входу, а вход синхроннзации - к выходу элемента задержки, вход которого подключен к раздельному входу установки в нулевое состояние третьего Р-триггера, прямой выход первого Р-триггера через дифференциатор подключен к входу измерителя временных интервалов, выходы измерителя временных интервалов и измерителя удельной электропроводности подключены соответственно к первому и второму входам блока вычисления модуля упругости, подвижный контакт двухполюсного кнопочного переключателя подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, нормально замкнутый неподвижный контакт подключен к входу усилителя эондирукнцих импульсов, а нормально разомкнутый неподвижный контакт - к раздельному входу установки в единичное состояние третьего Р-триггера.1