RU116632U1 - DIAGNOSTIC SYSTEM FOR MEASURING FREE VIBRATIONS OF A MONITORED OBJECT - Google Patents

Abstract

1. Диагностическая система для измерения свободных колебаний контролируемого объекта, содержащая корпус, оптический контур с лазерным излучателем и блоком линз, формирующих перетяжку лазерного луча, датчик вибрации поверхности исследуемого объекта, оптическую линзу, соединенную с фотодетектором, выход которого соединен с усилителем мощности, который через аналого-цифровой преобразователь подключен к электронному блоку обработки измеренных сигналов, отличающаяся тем, что в качестве датчика вибрации используется металлическая игла, контактирующая с поверхностью исследуемого объекта, являющаяся одновременно модулятором лазерного луча, в систему дополнительно введены блок смещения положения перетяжки лазерного луча, включающий держатель с рамкой, в которой размещены, по крайней мере, два отражающих зеркала, причем первое отражающее зеркало размещено с возможностью направления лазерного луча на второе отражающее зеркало, установленное параллельно первому и изменяющее направление лазерного луча из вертикального в горизонтальное, соосное с торцом металлической иглы, а также блок коррекции положения лазерного луча, содержащий привод, на валу которого установлен толкатель, контактирующий с держателем рамки блока смещения положения перетяжки и демпфером, размещенным на опорной стойке корпуса, для возвращения блока смещения в исходное положение. ! 2. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что датчик вибрации поверхности контролируемого объекта установлен в упругом элементе, размещенном на основании корпуса. !3. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что к основанию корпуса прикреп� 1. A diagnostic system for measuring free vibrations of a controlled object, containing a housing, an optical circuit with a laser emitter and a lens block that forms a waist of the laser beam, a vibration sensor of the surface of the object under study, an optical lens connected to a photodetector, the output of which is connected to a power amplifier, which is through the analog-to-digital converter is connected to the electronic unit for processing the measured signals, characterized in that a metal needle is used as a vibration sensor, which is in contact with the surface of the object under study, which is also a modulator of the laser beam; a unit for shifting the position of the laser beam waist is additionally introduced into the system, including a holder with a frame in which at least two reflecting mirrors are placed, and the first reflecting mirror is placed with the possibility of directing the laser beam to the second reflecting mirror, installed parallel to the first and changing the direction of the laser l learning from vertical to horizontal, coaxial with the end of the metal needle, as well as a laser beam position correction unit containing a drive, on the shaft of which a pusher is installed, in contact with the holder of the frame of the belt position displacement unit and a damper placed on the housing support stand, for returning the displacement unit to the starting position. ! 2. Diagnostic system according to claim 1, characterized in that the vibration sensor of the surface of the controlled object is installed in an elastic element located on the base of the housing. ! 3. Diagnostic system according to claim 1, characterized in that it is attached to the base of the body

Description

Полезная модель относится к лазерным техническим средствам измерений и может быть использована для измерения параметров при неразрушающем контроле, основанном на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в контролируемом объекте или его части и анализе параметров этих колебаний, и может быть использована в различных отраслях промышленности и испытательной технике.The utility model relates to laser technical measuring instruments and can be used to measure parameters in non-destructive testing, based on the excitation of freely damped elastic vibrations in a controlled object or part thereof and analysis of the parameters of these vibrations, and can be used in various industries and testing equipment.

Метод свободных колебаний относится к индикаторным (не измерительным) методам неразрушающего контроля. Он не позволяет определять глубину и ширину поверхностных дефектов, размеры подповерхностных дефектов и глубину их залегания, но позволяет оценивать критичность несплошности по величине акустической активности.The method of free vibrations refers to indicator (non-measuring) non-destructive testing methods. It does not allow one to determine the depth and width of surface defects, the sizes of subsurface defects and the depth of their occurrence, but allows one to evaluate the criticality of discontinuity by the value of acoustic activity.

Преимуществами метода свободных колебаний перед другими низкочастотными методами являются возможность контроля изделий из материалов с малыми модулями Юнга и высокими коэффициентами затухания упругих колебаний (резины, пенопласта и т.п.) и обнаружение дефектов на большей глубине (до 30 мм в пластиках). Основными способами ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемом изделии являются: механический (элек-тро-механический), пьезоэлектрический, электромагнитно-акустический. Прием сигнала производится либо микрофоном, либо пьезоприемником.The advantages of the free vibration method over other low-frequency methods are the ability to control products from materials with small Young moduli and high damping coefficients of elastic vibrations (rubber, foam, etc.) and the detection of defects at a greater depth (up to 30 mm in plastics). The main methods of shock excitation of elastic vibrations in a controlled product are: mechanical (electro-mechanical), piezoelectric, electromagnetic-acoustic. The signal is received either by a microphone or by a piezoelectric receiver.

Известен способ и устройство съема полезной информации при использовании ударно-акустического метода (Патент РФ №2168722 опубл. 10.06.2001 г.).A known method and device for removing useful information when using the acoustic shock method (RF Patent No. 2168722 publ. 06/10/2001).

Предлагаемый способ заключается в том, что полезная информация об упругих свойствах изделия в зоне удара снимается с той точки поверхности изделия, по которой наносится удар, и именно в тот момент, когда он наносится, а носителем этой информации является сам ударник, совершающий свободное колебательное движение (свободное падение - удар - отскок) со строго дозированной импульсной подпиткой энергии в момент отскока. Звук от удара улавливается микрофоном, преобразующим его в электрический импульс. Усилитель-формирователь синхроимпульса усиливает этот импульс и по его переднему фронту формирует очень короткий синхронизирующий импульс, поступающий на входы формирователя импульса тока электромагнита и измерителя периода ударных импульсов. Формирователь импульса тока электромагнита при поступлении на его вход синхроимпульса формирует импульс тока электромагнита заданной амплитуды и регулируемой длительности, который поступает на катушку электромагнита. При установившемся режиме колебаний ударника их период перестанет увеличиваться и при ударе по одной и той же точке изделия и постоянстве электромагнитного импульса установятся определенные амплитуда и частота колебательных движений ударника, которые далее будут зависеть только от упругих свойств поверхности контролируемого изделия в точке удара. По изменениям периода колебаний ударника при сканировании поверхности изделия можно судить об изменении упругих свойств, вызываемых наличием в зоне удара внутренних дефектов (пустот, расслоений, некачественных клеевых, сварных или паяных соединений между слоями и т.п.).The proposed method consists in the fact that useful information about the elastic properties of the product in the impact zone is removed from the point on the surface of the product on which the blow is applied, and precisely at the moment when it is applied, and the carrier of this information is the drummer himself, making free oscillatory motion (free fall - shock - rebound) with a strictly dosed pulse energizing at the moment of rebound. The sound from the shock is picked up by a microphone, which converts it into an electrical impulse. The sync pulse amplifier-amplifier amplifies this pulse and forms a very short synchronizing pulse along its leading edge, which arrives at the inputs of the electromagnet current pulse generator and the shock pulse period meter. The generator of the current pulse of the electromagnet upon receipt of a sync pulse at its input generates a current pulse of the electromagnet of a given amplitude and adjustable duration, which is fed to the electromagnet coil. Under the steady-state mode of vibration of the striker, their period will cease to increase, and upon impact on the same point of the product and the constancy of the electromagnetic pulse, certain amplitude and frequency of vibrational movements of the striker will be established, which will further depend only on the elastic properties of the surface of the controlled product at the point of impact. The changes in the period of oscillations of the impactor when scanning the surface of the product can be used to judge the change in the elastic properties caused by the presence of internal defects in the impact zone (voids, delaminations, poor-quality adhesive, welded or soldered joints between layers, etc.).

Известно устройство, содержащее источник прикладываемого к исследуемому объекту ударного воздействия, выполненный в виде молотка со встроенным зонным экраном Френеля, акселерометр, связанный с исследуемым объектом и предназначенный для преобразования возникающих в материале акустических сигналов в электрические колебания, и персональный компьютер, связанный с акселерометром микрофонным входом. Последний выполнен с возможностью отображения на экране полученных электрических колебаний в реальном масштабе времени и определения на фоне экспоненциального затухания местонахождения максимального дефекта по длине исследуемого объекта. (Патент РФ №56620 опубл. 10.09.2006 г.).A device is known that contains a source of shock applied to the object under investigation, made in the form of a hammer with an integrated Fresnel zone screen, an accelerometer connected to the object under investigation and intended for converting the acoustic signals arising in the material into electrical vibrations, and a personal computer connected to the accelerometer by a microphone input . The latter is made with the possibility of displaying on the screen the obtained electrical oscillations in real time and determining the location of the maximum defect along the length of the investigated object against the background of exponential decay. (RF patent No. 56620 publ. 09/10/2006).

Предложенное диагностирующее устройство, по мнению авторов, характеризуется повышенной точностью, но, несмотря на усложнение устройства, датчиком-приемником акустических колебаний как и в предыдущем является микрофон с присущими ему недостатками.The proposed diagnostic device, according to the authors, is characterized by increased accuracy, but, despite the complication of the device, the sensor-receiver of acoustic vibrations, as in the previous one, is a microphone with its inherent disadvantages.

В настоящее время актуальной проблемой является создание компактных лазерных систем, использующих оптоакустический эффект для экспересс анализа физических параметров исследуемого объекта.Currently, the urgent problem is the creation of compact laser systems using the optoacoustic effect for express analysis of the physical parameters of the object under study.

Совершенствование экспериментальной техники отражается и на методах регистрации широкополосного акустического сигнала в исследуемой среде. Кроме контактных методов регистрации с помощью пьезоэлектрических преобразователей, микрофонов активно используются оптические методы детектирования объемных и поверхностных акустических волн - лазеры.Improvement of the experimental technique is also reflected in the methods for recording a broadband acoustic signal in the medium under study. In addition to contact detection methods using piezoelectric transducers and microphones, optical methods for detecting bulk and surface acoustic waves — lasers — are actively used.

Известен лазерный датчик, который содержит источник когерентного электромагнитного излучения (лазер), полупрозрачные зеркала, разделяющие падающие электромагнитные потоки на два пучка примерно одинаковой интенсивности, линзу, фокусирующую прошедший пучок излучения на объект, уголковый отражатель с регулируемым перемещением вдоль каналов интерференции, направляющий опорный пучок на призму, находящуюся на юстируемом расстоянии от уголкового отражателя, неподвижное зеркало, фотоприемники, блок электронной обработки сигнала. (Патент РФ №2036415 опубл. 27.05.1995 г.).A known laser sensor that contains a source of coherent electromagnetic radiation (laser), translucent mirrors that separate incident electromagnetic fluxes into two beams of approximately the same intensity, a lens focusing the transmitted beam of radiation on an object, an angular reflector with adjustable movement along the interference channels, directing the reference beam to a prism located at an adjustable distance from the corner reflector, a fixed mirror, photodetectors, an electronic signal processing unit. (RF patent No. 2036415 publ. 05/27/1995).

Регистрация ультразвуковых колебаний происходит следующим образом.Registration of ultrasonic vibrations is as follows.

Непрерывный поток когерентного электромагнитного излучения от лазера частично проходит через полупрозрачное зеркало, а частично отражается в опорное плечо интерферометра перпендикулярно падающему лучу. Прошедший пучок электромагнитных волн попадает на линзу, в фокусе которой находится поверхность диагностируемого объекта, так что отраженное от нее излучение, проходя в обратном направлении на линзу, образует луч, параллельный падающему лучу.A continuous stream of coherent electromagnetic radiation from the laser partially passes through a translucent mirror, and partially reflects into the supporting arm of the interferometer perpendicular to the incident beam. The transmitted beam of electromagnetic waves hits the lens, the focus of which is the surface of the diagnosed object, so that the radiation reflected from it, passing in the opposite direction to the lens, forms a beam parallel to the incident beam.

Отражаясь от полупрозрачных зеркал, этот луч образует два измерительных пучка электромагнитного излучения, каждый из которых используется для создания интерференционной картины в одном из двух каналов интерферометра. Неподвижное зеркало введено в один из каналов интерферометра для того, чтобы избежать искажающего перемещения лучей в разных каналах. Излучение в опорном плече проходит уголковый отражатель, частично отражаясь от полупрозрачного зеркала, и образует два параллельных опорных луча, по одному в каждом канале интерферометра. При этом в каждом из каналов предусмотрена возможность изменения длины оптического пути опорного луча. в направлении образуемых параллельных опорных лучей, определяющих положение коллинеарных осей каналов интерференции, которые заканчиваются фотоприемниками. Соединяясь с измерительными пучками электромагнитного излучения, эти опорные лучи образуют в каждом из каналов бегущую волну, амплитуда которой модулируется величиной отношения смещения диагностируемой поверхности к длине волны излучения. Выходы фотоприемников соединены с входом блока электронной обработки сигналов, обеспечивающего получение конечного результата измерений.Reflecting from translucent mirrors, this beam forms two measuring beams of electromagnetic radiation, each of which is used to create an interference pattern in one of the two channels of the interferometer. A fixed mirror is introduced into one of the channels of the interferometer in order to avoid the distorting movement of rays in different channels. The radiation in the support arm passes through an angular reflector, partially reflecting from a translucent mirror, and forms two parallel support beams, one in each channel of the interferometer. Moreover, in each of the channels, it is possible to change the optical path length of the reference beam. in the direction of the formed parallel reference beams that determine the position of the collinear axes of the interference channels, which end with photodetectors. Connecting with measuring beams of electromagnetic radiation, these reference beams form a traveling wave in each of the channels, the amplitude of which is modulated by the ratio of the displacement of the diagnosed surface to the radiation wavelength. The outputs of the photodetectors are connected to the input of the electronic signal processing unit, which provides the final measurement result.

К недостаткам этого устройства следует отнести ее сложность, наличие двух каналов измерения и сложная система электронной обработки полученных сигналов.The disadvantages of this device include its complexity, the presence of two measurement channels and a complex system of electronic processing of the received signals.

Известна диагностическая измерительная система, содержащая оптический контур с источником излучения оптического диапазона, выполненным в виде лазера непрерывного действия, конденсором из оптических призм и электрический контур преобразования светового излучения в информативные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем и устройством регистрации, записи и воспроизведения измеряемых параметров (см. патент РФ №2141102, кл. G01D 5/353, опубл. 10.11.1999 г.).A known diagnostic measuring system containing an optical circuit with an optical range radiation source made in the form of a continuous-wave laser, a condenser from optical prisms and an electric circuit for converting light radiation into informative electric signals with an analog-to-digital converter and a device for recording, recording and reproducing measured parameters ( see RF patent No. 2141102, class G01D 5/353, publ. 10.11.1999).

Однако данная система достаточно сложна в конструктивном отношении, обеспечивает измерение лишь статических параметров и предназначена для детектирования механических деформаций и перепадов температур технических объектов, что ограничивает область ее применения.However, this system is quite complex in terms of design, provides only static parameters and is designed to detect mechanical deformations and temperature differences of technical objects, which limits its scope.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является диагностическая измерительная система, которая содержит оптический контур с лазерным излучателем, светоотражающую пленку, блок оптических призм с фотодетектором, обеспечивающих гетеродирование отраженного излучения, и электрический контур преобразования оптического излучения в измеренные информационные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем, устройством записи и цифровой обработкой измеренных сигналов. Светоотражающая пленка выполнена с внедренными элементами сферической формы и обеспечивает адаптивную диаграмму отражения, нанесена на вибрирующую поверхность объекта, состояние которого диагностируется, при этом лазерный излучатель, блок призм и светоотражающая пленка размещены на одной прямой линии. (Патент RU №2228518, кл. G01H 9/00, G01M 7/02 от 14.10.2002).The closest technical solution to the claimed invention is a diagnostic measuring system, which contains an optical circuit with a laser emitter, a reflective film, a block of optical prisms with a photodetector providing heterodyning of the reflected radiation, and an electrical circuit for converting optical radiation into measured information electric signals with an analog-to-digital converter , a recording device and digital processing of the measured signals. The reflective film is made with embedded elements of a spherical shape and provides an adaptive reflection diagram deposited on the vibrating surface of the object, the condition of which is diagnosed, while the laser emitter, the prism unit and the reflective film are placed on one straight line. (Patent RU No. 2228518, class G01H 9/00, G01M 7/02 of 10/14/2002).

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.The operation of the proposed device is as follows.

От источника лазерного излучения квантовый поток энергии попадает через конденсор из оптических призм на датчик возмущения вибрирующей рабочей поверхности детали (исследуемого объекта), частично отражаясь от его отражательной пленки, т.е. пленка является датчиком вибрации поверхности исследуемого объекта, вновь попадает на оптическую призму и далее на первый вход фотодетектора, в силу чего этот оптический сигнал является отраженным от рабочей поверхности исследуемого объекта.From a laser radiation source, a quantum energy flux enters through a condenser from optical prisms to a perturbation sensor of a vibrating working surface of a part (an object under study), partially reflected from its reflective film, i.e. the film is a sensor of vibration of the surface of the investigated object, again falls on the optical prism and then to the first input of the photodetector, whereby this optical signal is reflected from the working surface of the studied object.

Одновременно с этим часть светового потока излучения, отражаясь от оптической призмы через гетеродин поступает на второй вход фотодетектора, в силу чего этот оптический сигнал является спорно-модулированным. Оба полученных оптических сигнала в фотодетекторе преобразуются в электрические, которые через усилитель мощности сигнала поступают далее в АЦП для соответствующей обработки и последующего отображения на мониторе персонального компьютера для отслеживания изменения статических и измерения динамических деформаций.At the same time, part of the light flux of the radiation, reflected from the optical prism through the local oscillator, enters the second input of the photodetector, whereby this optical signal is controversially modulated. Both received optical signals in the photodetector are converted into electric ones, which are then transmitted through the signal power amplifier to the ADC for appropriate processing and subsequent display on a personal computer monitor to track changes in static and measure dynamic deformations.

Таким образом, классически манипулируя входным и двумя выходными параметрами с образованием постоянного сдвига по частоте в сигнале, на основе локальных аппроксимаций с допустимой погрешностью и уровнем шума возможно получение взаимосвязи между наблюдаемыми обрабатываемыми и измеряемыми вибрационными сигналами с последующим оцениванием (измерением) путем цифровой обработки взаимоувязанных сигналов.Thus, classically manipulating the input and two output parameters with the formation of a constant frequency shift in the signal, based on local approximations with an allowable error and noise level, it is possible to obtain a relationship between the observed processed and measured vibrational signals, followed by estimation (measurement) by digital processing of interconnected signals .

Недостатком известной системы является необходимость использования в ней датчика возмущения, который выполнен в виде светоотражающей пленки, нанесенной на рабочую поверхность детали, установленной с возможностью вращения. Основным недостатком является наклеиваемая отражательная пленка, которую невозможно наклеивать на исследуемые биологические объекты, тем более находящиеся не только на поверхности исследуемого материала. Возможно, с этим связано и усложнение устройства посредством использования гетеродина для создания второго опорного сигнала, с которым сравнивается измерительный сигнал.A disadvantage of the known system is the need to use a perturbation sensor in it, which is made in the form of a reflective film deposited on the working surface of a part mounted for rotation. The main disadvantage is the glued reflective film, which cannot be glued to the studied biological objects, especially not only on the surface of the studied material. Perhaps this is due to the complexity of the device by using a local oscillator to create a second reference signal with which the measuring signal is compared.

Технической задачей предполагаемого изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу, а также расширение функциональных возможностей его применения не только для обеспечения анализа биологических объектов, но и других, независимо от состояния поверхности контролируемого объекта и способа введения в него акустических колебаний.The technical task of the proposed invention is to eliminate the disadvantages inherent in the prototype, as well as expanding the functionality of its use not only to provide an analysis of biological objects, but also others, regardless of the state of the surface of the controlled object and the method of introducing acoustic vibrations into it.

Технический результат достигается за счет того, что в известное измерительное устройство, содержащее корпус, оптический контур с лазерным излучателем и блоком линз, формирующим перетяжку лазерного луча, датчик вибрации поверхности исследуемого объекта, оптическую линзу соединенную с фотодетектором, соединенный с усилителем мощности, который через аналогово-цифровой преобразователь подключен к электронному блоку обработки измеренных сигналов, внесены изменения и дополнения, а именно:The technical result is achieved due to the fact that in the known measuring device comprising a housing, an optical circuit with a laser emitter and a lens unit forming a constriction of a laser beam, a vibration sensor for the surface of the object under study, an optical lens connected to a photodetector connected to a power amplifier, which is connected via an analog -digital converter is connected to the electronic unit for processing the measured signals, changes and additions have been made, namely:

- в качестве датчика свободных колебаний используется металлическая игла, контактирующая с поверхностью исследуемого объекта, размещенная в упругом элементе, которая одновременно является модулятором лазерного луча;- as a sensor of free vibrations, a metal needle is used that is in contact with the surface of the object under study, placed in an elastic element, which is also a modulator of the laser beam;

- введен блок смещения положения перетяжки лазерного луча, включающий рамку с отражающими зеркалами, соединенную с держателем, выполненным в виде планки;- a block for shifting the position of the waist of the laser beam, including a frame with reflective mirrors connected to a holder made in the form of a strap;

- первое отражающее зеркало, размещено, с возможностью направления лазерного луча на второе отражающее зеркало, установленное параллельно первому, которое, в свою очередь, изменяет направление лазерного луча из вертикального в горизонтальное, соосное с торцом металлической иглы;- the first reflecting mirror is placed with the possibility of directing the laser beam to a second reflecting mirror mounted parallel to the first, which, in turn, changes the direction of the laser beam from vertical to horizontal, coaxial with the end of the metal needle;

- дополнительно введен блок коррекции положения лазерного луча, содержащий толкатель, установленный на привод, с возможностью контакта его с планкой блока смещения положения перетяжки лазерного луча и демпфер, установленный на опорной стойке корпуса и контактирующий с планкой блока смещения, с другой стороны планки.- an additional correction unit for the position of the laser beam is introduced, containing a pusher mounted on the drive, with the possibility of contacting it with the plate of the displacement block of the position of the waist of the laser beam and a damper mounted on the support column of the housing and in contact with the plate of the displacement unit, on the other side of the plate.

Кроме того, корпус лазерного датчика снабжен магнитным креплением и виброизолирующими опорами.In addition, the laser sensor housing is equipped with a magnetic mount and vibration dampers.

В качестве датчика свободных колебаний используется металлическая игла, установленная в упругом элементе, и она должна находиться в зоне перетяжки лазерного луча, т.к. в этом месте он имеет наименьший диаметр и обеспечивается оптимальная модуляция лазерного луча за счет колебаний иглы.As a sensor of free vibrations, a metal needle is used, mounted in an elastic element, and it should be in the zone of waist of the laser beam, because in this place, it has the smallest diameter and provides optimal modulation of the laser beam due to needle oscillations.

Использование в качестве датчика свободных колебаний металлической иглы позволяет расширить область применения датчика и повысить точность измерения, т.к. контакт с исследуемым объектом происходит в точке и не зависит от того, каким образом получены акустические колебания объекта исследования, поэтому не вносит погрешность в измеряемый сигнал и позволяет измерить все модулированные сигналы.Using a metal needle as a free oscillation sensor allows you to expand the scope of the sensor and increase the measurement accuracy, because The contact with the object under study occurs at a point and does not depend on how the acoustic vibrations of the object under study are obtained, therefore, it does not introduce an error into the measured signal and makes it possible to measure all modulated signals.

Блок коррекции положения лазерного луча необходим для обеспечения условия, чтобы лазерный луч касался верхнего торца датчика свободных колебаний, который должен быть установлен в зоне перетяжки лазерного луча.The block for correcting the position of the laser beam is necessary to ensure that the laser beam touches the upper end of the sensor of free vibrations, which should be installed in the zone of waist of the laser beam.

Перетяжкой называется зона излучения лазерного луча, в которой площадь сечения пучка практически постоянна. Ее положение зависит от характеристик фокусирущего устройства (линз, объектива).The constriction is the laser beam emission zone, in which the beam cross-sectional area is almost constant. Its position depends on the characteristics of the focusing device (lenses, lens).

Перенос места перетяжки осуществляется блоком смещения и благодаря ему достигается то, что за счет изменения направления лазерного луча с помощью двух отражающих зеркал, причем первое отражающее зеркало устанавливается на одной оси с объективом (линзой), устанавливаемым после лазера, оптическими характеристиками которого и определяется зона перетяжки, а второе установлено параллельно первому, таким образом, чтобы отраженный в горизонтальном направлении луч лазера находился или был близок к уровню верхнего торца датчика свободных колебаний.The transfer of the hauling site is carried out by the displacement unit and thanks to it, it is achieved that by changing the direction of the laser beam using two reflecting mirrors, the first reflecting mirror is mounted on the same axis as the lens (lens) installed after the laser, the optical characteristics of which determine the hauling zone and the second is installed parallel to the first, so that the laser beam reflected in the horizontal direction is or is close to the level of the upper end of the free-wheel sensor -oscillations.

Смещение зоны перетяжки лазерного луча позволяет уменьшить высоту иглы (датчика свободных колебаний), что позволяет минимизировать ошибку измерения затухающих колебаний контролируемого объекта.The shift of the waist zone of the laser beam allows you to reduce the height of the needle (free vibration sensor), which minimizes the measurement error of the damped oscillations of the controlled object.

Толкатель предназначен для того, чтобы в случае, если лазерный луч не касается торца металлической иглы путем изменения наклона отражающих зеркал (воздействием на планку) добиться оптимального положения лазерного луча.The pusher is designed so that if the laser beam does not touch the end of the metal needle by changing the tilt of the reflecting mirrors (by affecting the bar), the optimum position of the laser beam is achieved.

Демпфер, выполненный из эластичного упругого материала, предназначен для возврата отражащих зеркал блока смещения в исходное положение, после окончания цикла измерении, т. к при изменении наклона зеркал планка держателя их, воздействует на упругий элемент демпфера.The damper made of elastic material is designed to return the reflecting mirrors of the displacement unit to its original position, after the measurement cycle has ended, because when the tilt of the mirrors changes, the bracket of their holder acts on the elastic element of the damper.

Конструктивно магнитное крепление может выполнено в виде постоянного магнита на основе феррита или магнитодиэлектриков или редкоземельного металла позволяет стабилизировать положение датчика на поверхности на исследуемом объекте, а виброизолирующией опоры, не вносят погрешности в измерение.Structurally, the magnetic mount can be made in the form of a permanent magnet based on ferrite or magnetodielectrics or rare-earth metal, which makes it possible to stabilize the position of the sensor on the surface at the object under study, and the vibration isolating supports do not introduce errors into the measurement.

Сущность полезной модели поясняется фиг.1, 2 На фиг.1 приведен общий вид диагностической системы.The essence of the utility model is illustrated in figure 1, 2. Figure 1 shows a General view of the diagnostic system.

На рисунке показаны: лазер 1 непрерывного излучения, блок 2 формирования перетяжки лазерного луча, блок 3 смещения положения зоны перетяжки лазерного луча, металлическая игла 4 - датчик свободных колебаний, которая размещена в упругом элементе 11, фотоэлемент 5, усилитель мощности 6, выход которого соединен с электронной блоком обработки измеряемых сигналов, толкатель 7, снабженный ручным или моторизованным приводом 8, демпфер 9, установленный на опорной стойке 10. Все вышеуказанные блоки размещены в корпусе 14, устанавливаемым на исследуемый объект 15 посредством виброизолирующих опор 13 и удерживающего постоянного магнита 12.The figure shows: a continuous radiation laser 1, a laser beam constriction forming unit 2, a laser beam constriction zone position shifting unit 3, a metal needle 4 — a free vibration sensor located in the elastic element 11, a photocell 5, a power amplifier 6, the output of which is connected with an electronic unit for processing the measured signals, the pusher 7, equipped with a manual or motorized drive 8, a damper 9 mounted on a support post 10. All of the above blocks are placed in the housing 14, mounted on the studied CPC 15 through anti-vibration mounts 13 and holding a permanent magnet 12.

В состав лазерного комплекса входит также электронный блок обработки полученных модулированных сигналов излучаемых лазером, который на рис. 1 не показан, но как правило, в качестве его используют аналоге - цифровой преобразователь с компьютером, работающим по специальным программам обработки полученных результатов измерений.The laser complex also includes an electronic processing unit for the received modulated signals emitted by the laser, which in Fig. 1 is not shown, but as a rule, it is used as an analogue - a digital converter with a computer working according to special programs for processing the obtained measurement results.

На фиг.2 приведена схема оптического контура, содержащая лазер 1, объектив 16, блок 2 смещения положения перетяжки лазерного луча, включающий отражающие зеркала 17, 18, рамка крепления зеркал 19, ось поворота 20 отражающих зеркал, планка 22, короткофокусный объектив 21, а также датчик 4, фотоприемник 5 усилитель 6 и поверхность исследуемого объекта 15.Figure 2 shows a diagram of the optical circuit containing the laser 1, the lens 16, the block 2 offset the position of the waist of the laser beam, including reflecting mirrors 17, 18, the frame of the mirrors 19, the axis of rotation 20 of the reflecting mirrors, strap 22, short-focus lens 21, and also a sensor 4, a photodetector 5 amplifier 6 and the surface of the investigated object 15.

Лазер используется в диагностическом комплексе для неразрушающего контроля как поверхностных и подповерхностных, так и внутренних несплошностей или других дефектов, расположенных в материале объекта контроля. Диагностическая система использует акустический метод свободных колебаний, основанный на возбуждении свободно затухающих акустических колебаний в объекте контроля или его части, приеме и аннализе параметров этих колебаний путем соответствующей обработки.The laser is used in the diagnostic complex for non-destructive testing of both surface and subsurface and internal discontinuities or other defects located in the material of the test object. The diagnostic system uses the acoustic method of free vibrations, based on the excitation of freely damped acoustic vibrations in the control object or part thereof, reception and analysis of the parameters of these vibrations by appropriate processing.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После очистки зоны контроля исследуемой детали, диагностическая система подключенная к электронному блоку обработки и анализа данных (на фиг.1 не показан) устанавливается на контролируемый объект. Корпус 14 посредством виброизолирующих опор 13 устанавливается таким образом, чтобы точка касания поверхности объекта контроля датчиком свободных колебаний (игла 4) располагалась на «точке съема информации», которая зависит от контролируемого изделия. Фиксация положения корпуса датчика осуществляется за счет постоянных магниитов 12, устанавливаемых на нижней части корпуса. После установки системы на поверхность объекта контроля необходимо провести настройку оптического контура, которая осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows. After cleaning the control zone of the investigated part, the diagnostic system connected to the electronic unit for processing and analyzing data (not shown in Fig. 1) is installed on the monitored object. The housing 14 by means of vibration-isolating supports 13 is installed so that the point of contact of the surface of the control object with a sensor of free vibrations (needle 4) is located on the "point of information retrieval", which depends on the controlled product. The position of the sensor housing is fixed due to the permanent magnets 12 installed on the lower part of the housing. After installing the system on the surface of the control object, it is necessary to adjust the optical circuit, which is carried out as follows.

Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить достаточную плотность энергииA laser is a device in which energy, such as thermal, chemical, electrical, is converted into electromagnetic field energy - a laser beam. During conversion, part of the energy is inevitably lost, but it is important that the resulting laser energy has an incomparably higher quality. The laser beam can be focused into a tiny spot with a diameter of the order of the light wavelength and obtain a sufficient energy density

Лазер генерирует электромагнитное излучение определенной длины волны Х или частоты (φ=u/λ Лазерный луч фокусируется линзой - объективом 16, жарактеристика которого определяет положение зоны перетяжки, но не в той плоскости, где надо, поэтому ее нужно, как бы переместить в другое место, что и делается с помощью блока 3 смещения положения лазерного луча таким образом, чтобы лазерный луч касался верхнего торца металлической иглы 4, являющейся датчиком колебаний и одновременно модулятором лазерного луча. Если луч не касается торца иглы, то включается привод 8 толкателя 7, который входит в паз планки 21, соединенной с рамкой 19, отражающих зеркал 17 и 18, при этом рамка за счет поворота вокруг оси 20 будет совершать качательные движения и при достижении заданного положения лазерного луча положение толкателя фиксируется и удерживается за счет демпфера 9.The laser generates electromagnetic radiation of a specific wavelength X or frequency (φ = u / λ. The laser beam is focused by a lens - objective 16, the characteristic of which determines the position of the waist zone, but not in the plane where it is needed, so it needs to be moved to another place which is done with the help of the unit 3 for shifting the position of the laser beam so that the laser beam touches the upper end of the metal needle 4, which is a vibration sensor and at the same time a modulator of the laser beam. the drive 8 of the pusher 7 is inserted, which enters the groove of the bar 21 connected to the frame 19 of the reflecting mirrors 17 and 18, the frame due to rotation around the axis 20 will make oscillating movements and when the specified position of the laser beam is reached, the position of the pusher is fixed and held damper score 9.

Далее датчик работает в автоматическом режиме. Возбуждение свободных колебаний в объекте контроля происходит с применением электромагнитных, электромеханических и иных устройств без использования человеческой силы. Это повышает стабильность сигнала и, следовательно, достоверность контроля.Further, the sensor operates in automatic mode. The excitation of free vibrations in the control object occurs with the use of electromagnetic, electromechanical and other devices without the use of human force. This increases the stability of the signal and, therefore, the reliability of the control.

Оптический контур (фиг.2) включает в себя непосредственно лазер 1, систему линз, образующих объектив 16 в узле протяжки которого установлено отклоняющее (отражающее) зеркало 17, отклоняющее лазерный луч на 90 градусов вниз, т. е. из горизонтальной плоскости в вертикальную. Этот луч попадает на второе отклоняющее зеркало 18, установленное параллельно первому на уровне нахождения датчика свободных колебаний, которое отклоняет лазерный узел из вертикальной плоскости в горизонтальную плоскость.The optical circuit (figure 2) directly includes a laser 1, a system of lenses forming a lens 16 in the broach node of which a deflecting (reflecting) mirror 17 is installed, deflecting the laser beam 90 degrees downward, i.e. from a horizontal plane to a vertical one. This beam hits the second deflecting mirror 18, mounted parallel to the first at the level of the free vibration sensor, which deflects the laser unit from a vertical plane to a horizontal plane.

Свободно затухающие упругие колебания воспринимаются датчиком (иглой 4), которая в этом случае является также модулятором лазерного луча. Все модулированные сигналы регистрируются фотоприемником 5 (фотоэлемент), в качестве которого можно использовать светодиод или фотосопротивление. Усилитель мощности 6 сигнала фотоприемника преобразует амплитудно-модулированный сигнал лазера в электрический сигнал, который поступает в электронный блок управления и анализа данных, в котором аналоговый сигнал лазерного датчика оцифровывается, и в цифровой форме сохраняется вся информация, полученная при проведении контроля. Сохраненная информация обрабатывается с помощью специальной программы в компьютере. После окончания измерений толкатель 7 отводится от планки 22 блока 3 смещения положения лазерного луча и под действием демпфера 9, установленного на опорной стойке 10 система зеркал 17. 18 возвращается в исходное положение.Freely damped elastic vibrations are perceived by the sensor (needle 4), which in this case is also a modulator of the laser beam. All modulated signals are recorded by a photodetector 5 (photocell), which can be used as an LED or photo resistance. The power amplifier 6 of the photodetector signal converts the amplitude-modulated laser signal into an electrical signal, which is fed to an electronic control and data analysis unit, in which the analog signal of the laser sensor is digitized, and all information obtained during monitoring is digitally stored. The stored information is processed using a special program in the computer. After completing the measurements, the pusher 7 is retracted from the strip 22 of the block 3 for shifting the position of the laser beam and under the action of the damper 9 mounted on the support column 10, the mirror system 17. 18 is returned to its original position.

Результаты контроля выдаются в режиме «дефект/годен» при помощи световой и голосовой индикации. При результате «годен» оператор переходит к следующей детали, при результате «дефект» оператор производит регламентированную для подобных случаев разметку на изделии и иные действия предусмотренные отраслевыми нормативньми документами.The control results are issued in the "defect / good" mode using light and voice indicators. As a result of “fit”, the operator proceeds to the next detail; as a result of “defect,” the operator performs the marking on the product regulated for such cases and other actions provided for by industry regulatory documents.

Изготовление диагностической системы не вызывает трудностей. Лазер с объективом т привод толкателя крепятся к левой стенке 14 корпуса, блок 3 соединен с толкателем 7, который входит в паз планки 22 и поджимается демпфером 9, который находится на опоре 10, прикрепленной к задней стенке корпуса 14. Постоянный магнит 12, опоры 13 и радиатор усилителя 6, упругий элемент 11 остальные детали закреплены на основании и к основанию корпуса 14.The manufacture of a diagnostic system does not cause difficulties. A laser with a lens and a drive of the pusher are attached to the left wall 14 of the housing, the block 3 is connected to the pusher 7, which enters the groove of the strap 22 and is pressed by a damper 9, which is located on the support 10 attached to the rear wall of the housing 14. Permanent magnet 12, supports 13 and the radiator of the amplifier 6, the elastic element 11, the remaining parts are fixed on the base and to the base of the housing 14.

Диагностическая система для измерения упругих (свободных) колебаний обладает рядом преимуществThe diagnostic system for measuring elastic (free) vibrations has several advantages

- упругие колебания передаются с поверхности объекта контроля на лазерный луч с помощью дополнительного «элемента», который может быть выполнен из различных материалов и иметь разнообразную форму. Это позволяет использовать датчик на объектах ЛЮБОЙ формы и, не зависят от способа ввода свободных колебаний в исследуемый объект, что расширяет область применения.- elastic vibrations are transmitted from the surface of the test object to the laser beam using an additional "element", which can be made of various materials and have a variety of shapes. This allows the sensor to be used on objects of ANY form and does not depend on the method of introducing free vibrations into the object under study, which expands the scope.

- конструкция датчика упрощается за счет исключения интерферометров или второго измерительного канала для формирования опорного сигнала.- the design of the sensor is simplified by eliminating interferometers or a second measuring channel to form a reference signal.

В настоящее время предлагаемое техническое решения проходит промышленно-опытную проверку и после ее окончания предполагается внедрение его в различных областях техники, в первую очередь на железнодорожном транспорте.Currently, the proposed technical solution is undergoing industrial-experimental testing, and after its completion, it is planned to introduce it in various fields of technology, primarily in railway transport.

Claims (4)

1. Диагностическая система для измерения свободных колебаний контролируемого объекта, содержащая корпус, оптический контур с лазерным излучателем и блоком линз, формирующих перетяжку лазерного луча, датчик вибрации поверхности исследуемого объекта, оптическую линзу, соединенную с фотодетектором, выход которого соединен с усилителем мощности, который через аналого-цифровой преобразователь подключен к электронному блоку обработки измеренных сигналов, отличающаяся тем, что в качестве датчика вибрации используется металлическая игла, контактирующая с поверхностью исследуемого объекта, являющаяся одновременно модулятором лазерного луча, в систему дополнительно введены блок смещения положения перетяжки лазерного луча, включающий держатель с рамкой, в которой размещены, по крайней мере, два отражающих зеркала, причем первое отражающее зеркало размещено с возможностью направления лазерного луча на второе отражающее зеркало, установленное параллельно первому и изменяющее направление лазерного луча из вертикального в горизонтальное, соосное с торцом металлической иглы, а также блок коррекции положения лазерного луча, содержащий привод, на валу которого установлен толкатель, контактирующий с держателем рамки блока смещения положения перетяжки и демпфером, размещенным на опорной стойке корпуса, для возвращения блока смещения в исходное положение.1. A diagnostic system for measuring free vibrations of a controlled object, comprising a housing, an optical circuit with a laser emitter and a block of lenses forming the constriction of the laser beam, a vibration sensor for the surface of the object under study, an optical lens connected to a photodetector, the output of which is connected to a power amplifier, which through an analog-to-digital converter is connected to an electronic unit for processing measured signals, characterized in that a metal needle is used as a vibration sensor, to which is in contact with the surface of the object under study, which is also a modulator of the laser beam, a block for shifting the position of the waist of the laser beam, including a holder with a frame in which at least two reflecting mirrors are placed, is added to the system, the first reflecting mirror being placed with the possibility of directing the laser beam a second reflecting mirror mounted parallel to the first and changing the direction of the laser beam from vertical to horizontal, coaxial with the end of the metal needle s, as well as a block for correcting the position of the laser beam, containing a drive on the shaft of which there is a pusher in contact with the frame holder of the block for shifting the position of the waist and a damper placed on the support column of the housing to return the block of displacement to its original position. 2. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что датчик вибрации поверхности контролируемого объекта установлен в упругом элементе, размещенном на основании корпуса.2. The diagnostic system according to claim 1, characterized in that the vibration sensor of the surface of the controlled object is installed in an elastic element placed on the base of the housing. 3. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что к основанию корпуса прикреплен постоянный магнит и виброизолирующие опоры для установки и удержания корпуса на поверхности контролируемого объекта.3. The diagnostic system according to claim 1, characterized in that a permanent magnet and vibration-isolating supports are attached to the base of the housing for installing and holding the housing on the surface of the controlled object. 4. Диагностическая система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электронного блока обработки измеренных сигналов может быть применен компьютер, в памяти которого хранится в виде файлов программа обработки сигналов.

4. The diagnostic system according to claim 1, characterized in that a computer can be used as an electronic unit for processing the measured signals in the memory of which a signal processing program is stored in the form of files.