Устройство для контроля качества материалов и изделий

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБ Лик С О, И БРЕТЕН ИСАНИ омыленности для аст(22) 05.07.88 и других о диагностик качества помногослойных мерных ма онструкци я повышен териалов Целью из ретени ьности явл 15,04.91.В.В,Антоноартамышев,Ткачев(46 (72 ы. Р 14В.В.Жидков,В.Н.Потапов вствити ета изм за сче Фазовой сной ча нтр из нения В.А и В сто тик нав зоне резон акы ичии д контекта, 1 ируем естки шени ьство СССР9/04, 1986,тво СССР9/04, 1987,ТРОЛЯ КАЧЕСТ тся к неразриалов, вчества издемож трое ажена структурнаядля контроля качеИ неразру етение относитс г.1 и схема устроист частнос й резощем и к и изделий;хема запоми на Фиг.2 нающего диаграмг.4 - Фа бездефек ства материаловфункциональнаяблока; на фиг.3ма работы устро испол нансным мен иства, на Ф актеристики го изделий. зочастотные хар ного и дефектно последовательсоединенныечастоты (ГКЧ)передающийемный преобраустройсто электроа содержи тическчающей ыше- счет сти контроля зарутизны Фазовойне резонанснойдефекта,ние чувствительнучета изменения рактеристики в з енератор 1 к силитель 2 м ха ас щнос ь 3,1ри преобразоват ты при наличи ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ00 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОИМАТЕРИАЛОВ И ИЗЕЛИЙ(57) Изобретение относирушающему контролю матечастности к контролю калий резонансным методом,быть использовано в машин нтролю материалов, в тролю качества иэдел методом, и может быт зовано в машиностроения и других областях промышленности для диагностикикачества полимерных материалов и мноослоиных изделии. Целью изобретения является и.аЯО и Щ 4 т при л еф Последниивызывает в ро ом изделиинару связе"этогочастоты и коэффициента затухания упругих колебаний т.е. изменение Фазочастотной характеристики контролируемого изделия. Включение дополнительных блоков позволяет Фиксироватьуказанные параметры по величине выходных напряжений генератора модулирующего напряжения и генератора линейно изменяющегося напряжения,1 з.п.ф-лы, 4 ил. е ж х и и вследствиеизменение основной резонансной(ФНЧ), пиковый детектор 8 и первыйкомпаратор 9, последовательно соединенные фазовый детектор 10, двухпороговый компаратор 11, генератор 12линейно изменяющего напряжения (ГЛИН),запоминающий блок 13 и индикатор 14,второй компаратор 15 и генератор 16 1 О,модулирующего напряжения (ГМН), выход которого подключен к входу ГКЧ 1и второму входу запоминающего блока13,первый вход фазового дефектора10 подключен к выходу усилителя 5, 15второй вход - к выходу ГКЧ 1, выход -к входу второго компаратора 15, второй вход первого, компаратора 9 подключен к третьему входу запоминающего блока 13 и к выходу ФНЧ 7, а 20четвертый, пятый и шестой входы запоминающего блока 13 подключены квыходам первого компаратора 9, второго компаратора 15 и двухпороговогокомпаратора 11 соответственно, Позицией 17 обозначено контролируемоеизделие. Передающий и приемный преобразователи 3 и 4 ,санов,.еяы в одном корпусе искат ля 18.,30Запоминающий блок 13 .выполнен из последовательно соединенных первого одновиоратора 19 первой схемы 20 выборки и хранения, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 21, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 22 и схемы 23 вывода, последовательно соединенных второго одновибратора 24,КБ-триггера 25 ивторой схемы 26 выборки и хранения, коммутатора 27, третьей схемы 28 выборки и хранения и последовательно соединенных третьего одновибратора 29 и четвертой схемы 30 выборки и хранения, второй вход которой подключен к входу комму татора 27 и является вторым входом запоминающего блока 13, а выход подключен к второму входу первой схемы 20 выборки и храпения, первый вход третьей схемы 28 выборки и хранения является третьим входом запомицающего блока 13, второй вход подключенк Б-входу КБ-триггера 25 и к выходу первого одновибратора 19, выход - к второму входу А 1 21, второй вход55 второй схемы 26 выборки и храпения является первым входом запоминающего блока 13, а выход подключен к третьему входу Л 1 П 21, выход коммутатора 27 подключен к четвертому входу А 1 П21 и второму входу ОЗУ 22, входыпервого, второго и третьего одновибраторов 19, 24 и 29 является четвертым, шестым и пятым входами запоминающего блока 13, а выход схемы 23 вывода является выходом запоминающегоблока 13.Позициями 31-41 обозначены сигналыс выходов блоков устройства,Устройство для контроля качестваматериалов и изделий работает следующим образом.Искатель 18 устанавливается наповерхность контролируемого изделия17. При включении устройства ГМН 16вырабатывает пилообразное напряжение31, в соответствии с которым ГКЧ 1вырабатывает электрический сигнал 32переменной частоты. Этот сигнал усиливается усилителем 2 мощности.ипреобразуется в акустические колебания передающим преобразователем 3,которые воздействуют на контролируемое изделие 17, Приемный преобразователь 4 преобразует механическиеколебания контролируемого изделия 17в электрический сигнал 33, которыйусиливается усилителем 5 и подаетсяна входы амплитудного детектора 6 ифазового детектора 10. Входной сигнал 33 представляет собой высокочастотное заполнение и низкочастотную огибающую, Для выцеления низкочастотной огибающей использованы амплитудный детектор б, с выхода которого снимается детектированный сигнал 34,и ФНЧ 7, с выхода которого снимается низкочастотная огибающая 35. Последняя поступает на пиковый детектор8 и далее на первый вход первогокомпаратора 9; На второй вход последнего поступает выходной сигнал сФНЧ 7. Компаратор 9 сравнивает сигналы на первом и втором входах.При увеличении амплитуды сигнала 35, что происходит при приближении частоты вынужденных колебаний контролируемого .изделия 17 к собственной частоте, сигнал 36 на выходе пикового детектора 8 нарастает, потенциал на первом входе первого компаратора 9 меньше или равен потенциалу на втором входе. При этом на выходе первого компаратора 9 будет нулевой потенциал. После прохождения частоты механического резонанса потенциал на первом входе первого компаратора 9 стано 1642367законуР - Р з хднфгде Р - амплитуда силы;Я - ее частота;С - время,вынужденные колебания описываютсявыражением зпт(сне -Ж),где с - жесткость изделия;- резонансная частота механических колебаний изделия; и - коэффициент затухания меха 35 нических колебаний;(6 - Фазовый сдвиг, определяемый из выражения 2 Уп 8 М =2 (1)г (2) 40Выражения (1, 2) получены для иэделий, представляющих собой прямоугольную пластину размерами д и е и толщиной Е. Аналогичные выражения можно получить и для других изделий в зависимости от относительных размеров последнего и передающего преобразователя 3Значение резонансной частоты определяется из выражения 5 Ог е(3)5 ш, и = 1,2.1. - толщина пластины;е - размеры пластины;Е - модуль 1 Онга;0 - коэффициент Пуассон- плотность материала вится больше потенциала на второмвходе, На выходе первого компаратора9 появляется положительный потенциал ,.37, который подается на четвертый5 1 вход запоминающего блока 18, С выходаусилителя 5 электрический сигнал 33поступает на вход фазового детектора10 и далее на входы двухпороговогокомпаратора 11 и второго компаратора . 15. Работа фазового детектора основана на том, что в реальном случае вынущценные механические колебания контролируемого иэделия 17 сдвинуты пофазе относительно вынуждающих колебаний от передающего преобразователя3 вследствие сил неупругого сопротивления. Для случая, когда возмущающаясила изменяется по гармоническому При воздействии акустических колебаний от ерадающего преобразователя 3 на контролируемое изделие 17 в последнем возникают сложные колебания. При этом сущ ствует основная резонансная частота, на которой амплитуда колебаний максимальна, Как следует иэ выражения (2), при малых значениях Я Фазовый сдвпг пезначителек, при весьма больших значенияхлЯ он приближается к , а при зна чении Я= р Фазовь 1 й сдвиг У (фиг.4,А), Наклон Фазовой характеристики в значительной степени зависит от хесткости изделия. При уменьшении жесткости, что происходит при наличии дефекта,и.как следстви"., нарушении жестких связей, характеристика в зоне резонансной частоты изменяется более круто (Фиг.4,Б).С вьхода Фазового детектора 10 напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу вынужденных колебаний, поступает на входы двухпорогового компаратора 11 и второго компаратсра 15. Уровень срабатывания последнего устанавливается таким, чтобы потенциал 37 на его вызоде изменялся при напряжении на входе (выходном напряжения фазового детектора 10) соответствующем Фазовому сдвигу вынужденных колебаний контролируемого изделия 17(Фиг.3, поз.38). уровни срабатывания двухпорогового компаратора 11 устанавливаются такими, чтобы на его выходе появлялся положительный потенциал 39 при выполнении условияй ,Пороговые уровниивыбираются из условия из нахождения на участке йазочастотной характеристики, близком к прямолинейному, а время работы ГЛИН 12 - максимально возможным- Например, для изделий из алюминиевого сплава пороги были определены экспериментально и составилий л 70 рл 1050При приближении частоты вынужденных колебаний передающего преобразователя 3 к резонансной частоте контролируемого изделия 17 амплитуда механических колебаний последнего возрастает, а Фазовый сдвиг между колебаниями передающего преобразователя 3 и безделия 17 увеличиваетсяВследствие погрешностей преобразования выходные напряжения фазового детектора 10 и пикового детектора 8 несколько, отличаются от заданного, а компараторы 9, 15 имеют некоторый диапазон срабатывания, При этом возможно появление импульсов на выходах компараторов 9 и 15, а следовательно, и срабатывание одновибраторов 19 и 29 в различные моментывремени, что может привести к снижению точности определения резонансной частоты, Для устранения этогонедостатка схемы 30 и 20 выборки ихранения включаются последовательно.При этом компаратор 9 настраиваюттак, Чтобы он переключался в единичное состояние при некоторой заданной разности потенциалов на его входе (например, путем смещения нуляоперационного усилителя), амоментсрабатывания одновибратора 19 наступал не ранее момента срабатыванияодновибратора 29, Поскольку фазочастотная характеристика в зоне резонансной кривой изменяется более круто по сравнению с амплитудно-частотной характеристйкой, а диапазон изменения напряжения срабатывания компараторов 9 и 15 одинаков, то выборканапряжения с выхода ГМН 16 по моменту срабатывания компаратора 15 позволяет точнее определить резонанснуючастоту, что в ряде случаев необходимо для определения дефектов малыхразмеров, когда изменения амплитудыколебаний на дефектном. участке изделия становится сравнимым с изменениемамлитуды вследствие допустимого изменения толщины, плотности, радиусакривизны и др,Импульс с выхода одновибратора 19устанавливает КЯ-триггер 25 в единичное состояние, которое переводитвторую схему 26 выборки и храненияв режим выборки напряжения с выходаГЛИН 12, а также переводит третьюсхему 28 выборки и хранения в режимвыборки напряжения с выхода ФНЧ 7,Информация об амплитуде колебанийна резонансной частоте необходимадля приблизительной оценки глубинызалегания дефектов. Поэтому снижениеточности, вызванное задержкой срабатывания компаратора 9, в данномслучае не имеет существенного значения, т.к, выходное напряжение ФНЧ 7составляет единицы вольт, а его сни 7 1642367(фиг.З, поз.38) вследствие наличиясил неупругого.сопротивления. В момент времени й напряжение на выходефазового детектора 10 достигает вели5чины порогового уровня, при котором двухпороговый компаратор 11 пере"ходит в единичное состояние 39. Попереднему фронту этого импульсаГЛИН 12 начинает вырабатывать линейно изменяющееся напряжение 40. Придостижении резонансной частоты амплитуда колебаний изделия 17 становится максимальной, а фазовый сдвигмежду вынужденными колебаниями передающего преобразователя 3 и вынужденными колебаниями изделия 17 стаИ. новится равным У = -- . На выходец 1 2фазового детектора 10 появляется20соответствующее напряжение, при этомсрабатывает второй компаратор 15.На его выходе появляется положительный потенциал 41, по переднему фронту которого срабатывает одновибратор29. Импульс с последнего переводитсхему 30 выборки и хранения в режим выборки напряжения 3 поступающего сГМН 16, При дальнейшем изменениичастоты вынужденных колебаний амплитуда колебаний изделия 17 начинаетуменьшаться, напряжение 35 на выходеФНЧ 7 соответственно уменьшается, анапряжение 36 на выходе пикового де"тектора 8 остается постоянным. На 35входе первого компаратора 9 появляется разность потенциалов, по которойон переключается в единичное состояние 37,По переднему фронту сигнала с вы- . 40хода:первого компаратора 9 срабатываетсяпервый одновибратор 19, которвый переводит схему 20 выборки ихранения в режим выборки. Такимобразом, при прохождении резонансной частоты срабатьвают одновибраторы 19 и 29, осуществляющие включение режима выборки схем 30 и 20 вы,борки и хранения, на выходах кото- .рых устанавливается напряжение с 50выхода ГМН 16. Длительность импульсов одновибраторов 19, 29 и емкостьзапоминающих конденсаторов схем 20,26, 28 и 30 выборки и хранения выбраны из условия обеспечения 2 - 552,5 Е точности запоминания напряженияс выходов ФНЧ.7, ГМН 16 и ГЛИН 12на период изменения напряжения навыходе ГМН 16, равного 100 мс.жение за счет задержки срабатывания одновибратора 19 составляет несколько десятков милливольт.По заднему фронту импульсов с од 5 новибраторов 19 и 29 схемы 30, 20, 26 и 28 переключаются в режим хранения.Таким образом, при прохождении резонансной частоты в схеме 20 выборки и хранения устанавливается информация о резонансной частоте, а в схеме 28 - информация об амплитуде колебаний на резонансной частоте,При дальнейшем изменении частоты вынужценных колебаний.в момент време ни й Фазовый сдвиг достигает задан 3ной величины , а напряжение на вы. - ходе фазового детектора 10 - соответствующего значения. При этом двух- пороговый компаратор 11 переходит в нулевое состояние, и по заднему фронту данного импульса срабатывает одновибратор 24, который переводит КЯ-триггер 25 в нулевое состояние. Схема 26 выборки и хранения перево дится в режим хранения, и напряжение на ее выходе становится равным напряжению на выходе ГЛИН 12 в момент срабатывания одновибратора 24, Напряжение на выходе ГЛИН 12 - линей но-изменяющееся во времени и по его величине можно судить о коэффициенте затухания иэделия 17 на резонансной частоте.При последующем изменении частоты35 вынужденных колебаний возможно появление других резонансных пиков, В этом случае, когда амплитуда нового резонансного пика больше амплитуды ранее определенного, повторяется работа двухпорогового компаратора 11, первого компаратора 9 и второго компаратора 15, а также работа упомянутых элементов запоминающего блока 13, поскольку на входе первого компаратора 9 вновь появится разность потенциалов, и в схемы 20, 26, 28 и 30 выборки и хранения запишется соответствующая информация о параметрах нового резонансного пика. В том случае, когда амплитуда следующего50 резонансного пика меньше амплитуды предыдущего, срабатывание первого компаратора 9 не происходит, т.к. напряжение на выходе ФНЧ 7 остается меньше напряжения на выходе пикового детектора 8. В этом случае не происходит срабатывание и одновибратора 19. КБ-триггер 25 остается в нулевом состоянии, и напряжение на выходах схем 20, 26, .28 выборки и хранения не изменяется, т.е. продолжает храниться информация о резонансном пике с максимальной амплитудой, При появлении отрицательного перегада напряжения на выходе ГМН 16 в конце периода срабатывает коммутатор 27, и информация с выходов схем 20, 26 и 28 выборки и хранения последнего преобразуется АЦП 21 в цифровой код и записывается в ОЗУ 22, Схема 23 вывода, управляемая кнопками (на схеме не показаны), позволяет осуществлять последовательный вывод цифровых сигналов на индикатор 14. Поскольку ГЛИН 12 и ГМН 16 вырабатывают линеино изменяющиеся напряжения 31 и 40, то по величине напряжения ГМН 16 можно судить о значении частоты, а по величине выходного напряжения ГЛИН 12 в момент 1 его выборки схемой 26 выборки и хранения можно судить о наклоне Фазочастотной характеристики контролируемого изделия в зоне резонансной частоты, т.е.о жесткости контролируемого изделия 17, Сравнивая показания индикатора 14 с соответствующими показаниями для эталонного изделия, судят о дефектности контролируемого изделия 17. В реальном случае резонансная частота контролируемого изделия 17 может несколько отличаться от резонансной частоты эталонного иэделия вследствие разности из Физико-механических характеристик. Дефект малого размера может вызвать изменение резонансной частоты контролируемого изделия 17 на такую же величину, однако дефект вызывает снижение жесткости контролируемого изделия 17, при этом уменьшается длительность импульса на выходе двухпорогового компаратора 11 и, соответственно, напряжение на выходе ГЛИН 12 в момент выборки схемой 26 выборки и хранения.Таким образом, достигается поставленная цель повышения чувствительности контроля по сравнению с прототипом на 15-20%, что позволяет выявить дополнительно дефекты до начала эксплуатации изделия. Кроме того, закладывая в эталонное изделие дефекты различнбй величины и определив заранее показания индикатора 14, можно судить о размерах детекта в контролируемом иэделии 17, что позволяетповысить объективность контроля с оценкой размеров дефекта.Формула изобретения1. Устройство для контроля качест" ва материалов и изделий, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор качающейся час" тоты, усилитель мощности, передающий преобразователь, приемный преобразователь, усилитель, амплитудный детектор, фильтр низких частот, пиковый детектор и первый компаратор, второй вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, оно снабжено последовательно соединенными фазовым детектором, двухпороговым компаратором, генератором линейно изменяющегося напряжения, запоминающим блоком и индикатором, вторым компаратором и генератором модулирующего .напряжения, выход которого подключен к входу генератора 25 качающейся частоты и второму входу запоминающего блока, первый вход фазового детектора подключен к выходу усилителя, второй вход - к выходу генератора качающейся частоты, выход -ЗО к входу второго компаратора, а с третьего по шестой входы запоминающего блока подключены к выходам фильтра низких частот, первого, второго и двухпорогового компараторов соответственно2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что запоминающий блок выполнен из последовательно соединенных первого одновибраторапервой схемы выборки и хранения, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства исхемы вывода, последовательно сое-.-.диненных второго одновибратора, КБтриггера и второй схемы выборки ихранения, коммутатора, третьей схемывыборки и хранения и последовательносоединенных третьего одновибратораи четвертой схемы выборки и хранения,второй вход которой подключен к входу коммутатора и является вторымвходом запоминающего блока, а выходподключен к второму входе первой схемы выборки и хранения, первый входтретьей схемы выборки и хранения является третьим входом запоминающегоблока, второй вход подключен к Бвходу КЯ-триггера и к входу первогоодновибратора, выход - квторому входу аналого-цифрового преобразователя,второй вход второй схемы выборки ихранения является первым входом запоминающего блока, а выход подключенк третьему входу аналого-цифровогопреобразователя, выход коммутатораподключен к четвертому входу аналого-цнфрового преобразователя и второму входу оперативного запоминающегоустройства, входы первого, второгои третьего одновибраторов являютсячетвертым, шестым и пятым входамизапоминающего блока соответственно,а выход схемы вывода является выходомзапоминающего блока.рректор С.Черн ки актор 2 писн ениям ская наб. Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 10 55 и 56 Заказ 1144 ТираВНИИПИ Государственного к113035, М митета по изобр ква, Ж, Рауш ытиям при ГКНТ СС 4/5