RU216328U1 - Ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям, и может быть использована при ультразвуковой дефектоскопии торцов изделий из керамических материалов. Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности проводимого преобразователем контроля плоских торцов керамических изделий на наличие трещин и прочих дефектов. Предложен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий, содержащий линзу и пьезоэлементы с демпфирующим покрытием со стороны неизлучающей поверхности, при этом акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости. Линза выполнена из оргстекла и имеет две взаимно ортогональные контактные поверхности, в которые установлены три пьезоэлемента, каждый из которых имеет отдельный электрический разъем и расположен на расстоянии не менее величины ближней зоны преобразователя от поверхностей линзы в направлении своего излучения, при этом два пьезоэлемента установлены вдоль одной акустической оси напротив друг друга под углом 35-50 градусов к ортогональным поверхностям линзы, а третий пьезоэлемент расположен таким образом, чтобы акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

The utility model relates to ultrasonic measuring technology, namely to piezoelectric transducers, and can be used in ultrasonic flaw detection of the ends of products made of ceramic materials. The technical result of the claimed utility model is to increase the efficiency of the control of flat ends of ceramic products carried out by the transducer for the presence of cracks and other defects. An ultrasonic piezoelectric transducer is proposed for non-destructive testing of the ends of ceramic products, containing a lens and piezoelements with a damping coating on the side of the non-radiating surface, while the acoustic axes of all piezoelements are located in the same plane. The lens is made of plexiglass and has two mutually orthogonal contact surfaces, in which three piezoelectric elements are installed, each of which has a separate electrical connector and is located at a distance not less than the near zone of the transducer from the lens surfaces in the direction of its radiation, while two piezoelements are installed along one acoustic axis opposite each other at an angle of 35-50 degrees to the orthogonal surfaces of the lens, and the third piezoelectric element is located so that the acoustic axis is directed at an angle of 90 degrees to the line of intersection of the orthogonal surfaces. 1 z.p. f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям, и может быть использована при ультразвуковой дефектоскопии торцов изделий из керамических материалов. The utility model relates to ultrasonic measuring technology, namely to piezoelectric transducers, and can be used in ultrasonic flaw detection of the ends of products made of ceramic materials.

Ультразвуковые преобразователи используются приборами неразрушающего контроля в качестве источников и приемников акустических волн с последующим их преобразованием в электрическую энергию. В основе действия преобразователей лежит пьезоэлектрический эффект.Ultrasonic transducers are used by non-destructive testing devices as sources and receivers of acoustic waves with their subsequent conversion into electrical energy. The operation of the transducers is based on the piezoelectric effect.

Известен ультразвуковой наклонный преобразователь (SU 1325354 А1, G01N 29/04, 23.07.1987), обеспечивающий повышение чувствительности контроля путем уменьшения собственных шумов преобразователя. На противоположной грани призмы по ее высоте выполнен паз, ширина которого не превышает половины длины волны, а глубина составляет не менее четырех длин волн ультразвуковых колебаний в материале призмы, причем плоскость одной из боковых стенок паза совпадает с плоскостью, проходящей через акустическую ось преобразователя. Недостатком данного ультразвукового наклонного преобразователя является то, что его конструкция не позволяет эффективно контролировать трещины и прочие дефекты на торцах (кромках) изделий из керамических материалов ввиду наличия ложных сигналов от самих торцов. Один из таких сигналов может возникать в результате дифракционного рассеяния на ребре двухгранного угла и может быть принят за полезный (отражения от дефекта) или наложиться на полезный сигнал и в результате интерференции изменить его информативные характеристики.Known ultrasonic tilting transducer (SU 1325354 A1, G01N 29/04, 07/23/1987), providing increased sensitivity of the control by reducing the intrinsic noise of the transducer. On the opposite face of the prism along its height, a groove is made, the width of which does not exceed half the wavelength, and the depth is at least four wavelengths of ultrasonic vibrations in the prism material, and the plane of one of the side walls of the groove coincides with the plane passing through the acoustic axis of the transducer. The disadvantage of this ultrasonic tilt transducer is that its design does not allow effective control of cracks and other defects on the ends (edges) of products made of ceramic materials due to the presence of false signals from the ends themselves. One of these signals can arise as a result of diffraction scattering on a dihedral edge and can be taken as useful (reflections from a defect) or superimposed on a useful signal and, as a result of interference, change its informative characteristics.

Известен многоканальный ультразвуковой преобразователь (RU 136582 U1, G01N 29/00, 10.01.2014), содержащий корпус, находящиеся в нем как минимум две акустические призмы, разделенные электрическим и/или акустическим экраном, и наклеенные на призмы излучающие, приемные пьезоэлектрические элементы, организованные, как минимум, в две функциональные группы, расположенные на разных, не параллельных друг другу поверхностях призм. Указанная выше конфигурация позволяет осуществлять одновременное обнаружение дефектов с двух противоположных направлений как по нормали к поверхности, так и под углом к ней. Недостатком данного многоканального ультразвукового преобразователя является неэффективность его использования для обнаружения дефектов, расположенных на торцах (кромках) изделии из керамических материалов.A multichannel ultrasonic transducer is known (RU 136582 U1, G01N 29/00, 01/10/2014), containing a housing containing at least two acoustic prisms separated by an electric and / or acoustic screen, and radiating, receiving piezoelectric elements glued to the prisms, organized , at least two functional groups located on different, non-parallel surfaces of the prisms. The above configuration allows simultaneous detection of defects from two opposite directions, both along the normal to the surface and at an angle to it. The disadvantage of this multichannel ultrasonic transducer is the inefficiency of its use for detecting defects located on the ends (edges) of a product made of ceramic materials.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь (RU 114786 U1, G01N 29/00, 10.04.2012), содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу. Линза выполнена с цилиндрической наружной поверхностью, обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси пьезоэлементов. Пьезоэлементы выполнены в виде сегментных пластин, обращены хордами к продольной оси преобразователя.The closest in technical essence and achieved technical result is an ultrasonic immersion multisection combined piezoelectric transducer (RU 114786 U1, G01N 29/00, 04/10/2012), containing a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements installed inside the housing and located in the housing symmetrically with respect to the acoustic transducer axis, and a lens. The lens is made with a cylindrical outer surface, the concave part facing the controlled material and made opposite each of the piezoelectric elements, and the generatrix of the cylindrical surface is perpendicular to the plane in which the acoustic axes of the piezoelectric elements lie. The piezoelectric elements are made in the form of segment plates, turned by chords to the longitudinal axis of the transducer.

Недостатком указанного иммерсионного многосекционного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, является невозможность его использования для контроля плоских торцов изделий, обусловленная не подходящей геометрической формой линзы.The disadvantage of this immersion multi-section combined piezoelectric transducer is the impossibility of its use to control the flat ends of products, due to the inappropriate geometric shape of the lens.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности проводимого преобразователем контроля плоских торцов керамических изделий на наличие трещин и прочих дефектов. The technical result of the claimed utility model is to increase the efficiency of the control of flat ends of ceramic products carried out by the transducer for the presence of cracks and other defects.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий, содержащий линзу и пьезоэлементы с демпфирующим покрытием со стороны неизлучающей поверхности, при этом акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, отличающийся тем, что линза выполнена из оргстекла и имеет две взаимно ортогональные контактные поверхности, в которые установлены три пьезоэлемента, каждый из которых имеет отдельный электрический разъем и расположен на расстоянии не менее величины ближней зоны преобразователя от поверхностей линзы в направлении своего излучения, при этом два пьезоэлемента установлены вдоль одной акустической оси напротив друг друга под углом 35-50 градусов к ортогональным поверхностям линзы, а третий пьезоэлемент расположен таким образом, чтобы акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей.The specified technical result is achieved by the fact that an ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products is proposed, containing a lens and piezoelements with a damping coating on the side of the non-radiating surface, while the acoustic axes of all piezoelements are located in the same plane, characterized in that the lens is made of plexiglass and has two mutually orthogonal contact surfaces, in which three piezoelectric elements are installed, each of which has a separate electrical connector and is located at a distance not less than the near zone of the transducer from the lens surfaces in the direction of its radiation, while two piezoelectric elements are installed along one acoustic axis opposite each other at an angle of 35-50 degrees to the orthogonal surfaces of the lens, and the third piezoelectric element is located so that the acoustic axis is directed at an angle of 90 degrees to the line of intersection of the orthogonal surfaces.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь отличается тем, что величина ближней зоны прямо пропорциональна размеру пьезоэлемента и его рабочей частоте и определяется по формуле:An ultrasonic piezoelectric transducer is characterized in that the value of the near zone is directly proportional to the size of the piezoelectric element and its operating frequency and is determined by the formula:

где N - длина ближней зоны; S - площадь пьезоэлемента;

- длина волны.where N is the length of the near zone; S is the area of the piezoelectric element;

- wavelength.

Заявленное техническое решение иллюстрируют фиг. 1-5, описанные далее.The claimed technical solution is illustrated in Fig. 1-5 described below.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы контроля, при которой каждый пьезоэлемент 3 выступает в качестве источника и приемника (эхо-режим), где 1 - торец контролируемого изделия, 2 - линза, 3 - пьезоэлемент, 4 - демпфирующее вещество.In FIG. 1 and 2 are control schemes, in which each piezoelectric element 3 acts as a source and receiver (echo mode), where 1 is the end of the controlled product, 2 is a lens, 3 is a piezoelectric element, 4 is a damping substance.

На фиг. 3 и 4 представлены схемы контроля, при которой, один из пьезоэлементов 3 выступает в качестве источника, а другой в качестве приемника (теневой режим).In FIG. Figures 3 and 4 show control schemes, in which one of the piezoelectric elements 3 acts as a source, and the other as a receiver (shadow mode).

На фиг. 5 представлен внешний вид ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, разработанного и изготовленного авторами, где а) - фронтальный вид; б) - вид снизу; в) - общий вид.In FIG. 5 shows the appearance of the ultrasonic piezoelectric transducer, designed and manufactured by the authors, where a) - frontal view; b) - bottom view; c) - general view.

Ультразвуковая дефектоскопия, проведенная ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем по представленным схемам, с учётом контроля торца 1 изделия, позволяет осуществлять обнаружение дефектов, расположенных под произвольным углом к плоскости торца 1 и исключить влияние помех, вызванные трансформациями волн от ребра двугранного угла.Ultrasonic flaw detection, carried out by an ultrasonic piezoelectric transducer according to the presented schemes, taking into account the control of the end face 1 of the product, makes it possible to detect defects located at an arbitrary angle to the plane of the end face 1 and eliminate the influence of interference caused by wave transformations from the edge of the dihedral angle.

Линза изготовлена из оргстекла и выполняет роль призмы. Ортогональные поверхности корпуса обеспечивают плотное прилегание преобразователя как к плоскому прямоугольному торцу, так и к одной из образующих его сторон изделия, что позволяет осуществлять одновременный поиск дефектов с двух противоположных направлении, тем самым повысить эффективность проводимого контроля. Расположение пьезоэлементов под углом 35-50 градусов к ортогональным поверхностям корпуса необходимы для излучения и приёма ультразвуковых волн под углом к нормали в разных направлениях.The lens is made of Plexiglas and acts as a prism. The orthogonal surfaces of the body provide a tight fit of the transducer both to the flat rectangular end and to one of the sides of the product forming it, which allows simultaneous search for defects from two opposite directions, thereby increasing the efficiency of the inspection. The arrangement of piezoelectric elements at an angle of 35-50 degrees to the orthogonal surfaces of the housing is necessary for the emission and reception of ultrasonic waves at an angle to the normal in different directions.

Удалённость пьезоэлементов 3 на расстояние не менее величины ближней зоны (зоны Френеля) преобразователя объясняется следующим. Оценивать дефекты, находящиеся в ближней зоне преобразователя, по амплитуде отраженных сигналов затруднительно и велика вероятность ошибиться в местоположении и числе дефектов. Это связано с неравномерным изменением амплитуды акустического поля в данной зоне, которое объясняется интерференцией сигналов. Величина ближней зоны прямо пропорционально размеру пьезоэлемента 3 и его рабочей частоте и определяется по формуле:The remoteness of the piezoelectric elements 3 at a distance not less than the value of the near zone (Fresnel zone) of the transducer is explained as follows. It is difficult to evaluate defects located in the near zone of the transducer by the amplitude of the reflected signals, and there is a high probability of making a mistake in the location and number of defects. This is due to an uneven change in the amplitude of the acoustic field in this area, which is explained by signal interference. The value of the near zone is directly proportional to the size of the piezoelectric element 3 and its operating frequency and is determined by the formula:

где N - длина ближней зоны;where N is the length of the near zone;

S - площадь пьезоэлемента;S is the area of the piezoelectric element;

- длина волны.

- wavelength.

Например, ближняя зона для пьезоэлемента 3 площадью 35 мм² и рабочей частотой 1,25 МГц с линзой 2 из оргстекла составляет примерно 5 мм, для частоты 2,5 МГц составляет примерно 10 мм, для частоты 5 МГц составляет примерно 20 мм, для частоты 10 МГц составляет примерно 40 мм.For example, the near zone for a piezoelectric element 3 with an area of 35 mm ² and an operating frequency of 1.25 MHz with a Plexiglas lens 2 is approximately 5 mm, for a frequency of 2.5 MHz it is approximately 10 mm, for a frequency of 5 MHz it is approximately 20 mm, for a frequency 10 MHz is approximately 40 mm.

Осуществление полезной модели.Implementation of the utility model.

Преобразователь устанавливают на контролируемый торец изделия 1. С генератора дефектоскопа через электрический разъем и электроды (не показаны) подают на один из пьезоэлементов 3 электрические импульсы, которые преобразуются в импульсы упругих колебаний и распространяются в акустической призме 2. Упругие колебания через слой контактной жидкости проходят в торец контролируемого изделия 1. Часть колебаний отражается от дефектов торца 1 и принимается тем же (эхо-режим) либо другим (теневой режим) пьезоэлементом 3, как показано на фиг. 1-4 и 6. По величине принятого сигнала можно судить о размере обнаруженного дефекта.The transducer is installed on the controlled end of the product 1. From the flaw detector generator, through an electrical connector and electrodes (not shown), electric pulses are supplied to one of the piezoelectric elements 3, which are converted into elastic vibration pulses and propagate in an acoustic prism 2. Elastic vibrations pass through the layer of the contact liquid into the end of the controlled product 1. Part of the oscillations is reflected from the defects of the end 1 and is received by the same (echo mode) or another (shadow mode) piezoelectric element 3, as shown in Fig. 1-4 and 6. By the magnitude of the received signal, one can judge the size of the detected defect.

Сущность полезной модели поясняется примерами.The essence of the utility model is illustrated by examples.

Пример 1. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь с рабочей частотой 1,25 МГц содержит линзу 2 из оргстекла, в которую установлены три пьезоэлемента 3 площадью 35 мм², как показано на фиг. 1-4. Пьезоэлементы одной стороной присоединены к линзе с помощью эпоксидной смолы, а с другой покрыты смесью эпоксидной смолы с мелкодисперсным порошком свинца, выполняющей роль демпфирующего вещества. Пьезоэлементы 3 расположены на расстоянии 5,4 мм от поверхности линзы 2, соприкасающейся с торцом 1 изделия. Два пьезоэлемента 3 установлены под углом 45 градусов к ортогональным поверхностям линзы 2. Третий пьезоэлемент 3 расположен напротив пересечения ортогональных поверхностей линзы 2 таким образом, чтобы его акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей линзы 2.Example 1 An ultrasonic piezoelectric transducer with an operating frequency of 1.25 MHz comprises a Plexiglas lens 2 in which three 35 mm 2 piezoelectric elements ³ are installed, as shown in FIG. 1-4. The piezoelectric elements are attached to the lens with epoxy resin on one side, and on the other side are coated with a mixture of epoxy resin with fine lead powder, which acts as a damping agent. The piezoelectric elements 3 are located at a distance of 5.4 mm from the surface of the lens 2, which is in contact with the end face 1 of the product. Two piezoelectric elements 3 are installed at an angle of 45 degrees to the orthogonal surfaces of the lens 2. The third piezoelectric element 3 is located opposite the intersection of the orthogonal surfaces of the lens 2 so that its acoustic axis is directed at an angle of 90 degrees to the line of intersection of the orthogonal surfaces of the lens 2.

Пример 2. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь с рабочей частотой 5 МГц содержит линзу 2 из оргстекла, в которую установлены три пьезоэлемента 3 площадью 28 мм², как показано на фиг. 6. Пьезоэлементы 3 одной стороной присоединены к линзе с помощью акрил оксида, а с другой - покрыты смесью акрил оксида с мелкодисперсным порошком вольфрама, выполняющей роль демпфирующего вещества. Пьезоэлементы 3 расположены на расстоянии 17,3 мм от поверхности линзы 2, соприкасающейся с торцом 1 изделия. Один пьезоэлемент 3 установлены под углом 35 градусов, второй пьезоэлемент 3 установлен под углом 50 градусов к ортогональным поверхностям линзы 2. Третий пьезоэлемент 3 расположен напротив пересечения ортогональных поверхностей линзы 2 таким образом, чтобы его акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей линзы 2.Example 2 An ultrasonic piezoelectric transducer with an operating frequency of 5 MHz comprises a Plexiglas lens 2 in which three piezoelectric elements 3 with an area of 28 mm ² are installed, as shown in FIG. 6. Piezo elements 3 are attached to the lens with one side using acrylic oxide, and on the other side they are coated with a mixture of acrylic oxide with fine tungsten powder, which acts as a damping agent. The piezoelectric elements 3 are located at a distance of 17.3 mm from the surface of the lens 2 in contact with the end face 1 of the product. One piezoelectric element 3 is installed at an angle of 35 degrees, the second piezoelectric element 3 is installed at an angle of 50 degrees to the orthogonal surfaces of the lens 2. The third piezoelectric element 3 is located opposite the intersection of the orthogonal surfaces of the lens 2 so that its acoustic axis is directed at an angle of 90 degrees to the line of intersection of the orthogonal lens surfaces 2.

Таким образом, заявленный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь может быть использован для проведения ультразвукового контроля торцов керамических изделий.Thus, the claimed ultrasonic piezoelectric transducer can be used for ultrasonic testing of the ends of ceramic products.

Claims (2)

1. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий, содержащий линзу и пьезоэлементы с демпфирующим покрытием со стороны неизлучающей поверхности, при этом акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, отличающийся тем, что линза выполнена из оргстекла и имеет две взаимно ортогональные контактные поверхности, в которые установлены три пьезоэлемента, каждый из которых имеет отдельный электрический разъем и расположен на расстоянии не менее величины ближней зоны преобразователя от поверхностей линзы в направлении своего излучения, при этом два пьезоэлемента установлены вдоль одной акустической оси напротив друг друга под углом 35-50 градусов к ортогональным поверхностям линзы, а третий пьезоэлемент расположен таким образом, чтобы акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей. 1. An ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products, containing a lens and piezoelements with a damping coating on the side of the non-radiating surface, while the acoustic axes of all piezoelements are located in the same plane, characterized in that the lens is made of plexiglass and has two mutually orthogonal contact surfaces , in which three piezoelectric elements are installed, each of which has a separate electrical connector and is located at a distance not less than the near zone of the transducer from the lens surfaces in the direction of its radiation, while two piezoelectric elements are installed along one acoustic axis opposite each other at an angle of 35-50 degrees to the orthogonal surfaces of the lens, and the third piezoelectric element is located so that the acoustic axis is directed at an angle of 90 degrees to the line of intersection of the orthogonal surfaces. 2. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что величина ближней зоны прямо пропорциональна размеру пьезоэлемента и его рабочей частоте и определяется по формуле:

, где N - длина ближней зоны; S - площадь пьезоэлемента;

- длина волны.2. Ultrasonic piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the value of the near zone is directly proportional to the size of the piezoelectric element and its operating frequency and is determined by the formula:

, where N is the length of the near zone; S is the area of the piezoelectric element;

- wavelength.

Images