научная статья по теме ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХО-СИГНАЛА ПРИ КОНТРОЛЕ ПРОТЯЖЕННЫХ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ Метрология

Текст научной статьи на тему «ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХО-СИГНАЛА ПРИ КОНТРОЛЕ ПРОТЯЖЕННЫХ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ»

Оценим точность измерений для точного канала, приняв погрешности параметров случайными. Выразив х2 из формулы для фазы сигнала, найдем среднеквадратическую погрешность, использовав метод дифференцирования передаточной функции по параметрам системы:

Дх2 = д/(ЦвРф / 2 пв )2 (Дф / ф)2 + (фР^зв / 2 пв )2 (ДЦзВ / )2 +

-^Р / 2nfB)2 (f / fB)2 + (9V3BP / 2nfE

в/ ( АР / Р)2.

(5)

Данные для относительных погрешностей возьмем из [1]: Дф / ф = 2,7 ■ 10-3, ДV,, / V,, = 8 ■ 10-5, Д/в / = 10-4. Пог-

1 1 ,в ,в в в

решность Др / р = ОД?, где О — термооптический коэффициент; Д? — перепад температур. Для кварцевого стекла О = 2,13 ■ 10-4 °С-1 [3], при Д? = 40 °С получим Др/р = 8,52 ■ 10-4.

Рассчитаем по (5) максимальную погрешность при р = Ртах и минимальную при р = Рт,п, приняв в обоих случаях фазу сигнала максимальной и равной 2п. Тогда из (5) получим Дхтах = 0,35 мкм, Дхт,п = 0,026 мкм. Класс точности К =Дхтах / Лд100 = 0,32 %. Сравнив полученные результаты с данными [1, 2], отметим существенное повышение точности и расширение диапазона измерений.

Л и т е р а т у р а

1. Титов А. А. // Автометрия. — 1991. — № 2.

2. Титов А. А. // Метрология: приложение к журналу «Измерительная техника». — 1991. — № 4. — С. 25.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В. А. Панова. — Л.: Машиностроение, 1980.

Дата одобрения 16.01.2006 г.

621.3.082.4

Точность измерения временно го положения ультразвукового эхо-сигнала при контроле протяженных сложноструктурных изделий

А. В. ЗАЛЕТКИН

ЗАО «ОРЦ», e-mail: zaletkin@orc.ru

Рассмотрены проблемы точности измерения временного положения эхо-сигнала, возникающие при низкочастотном ультразвуковом контроле протяженных изделий из сложноструктурных материалов (бетонов, пластиков, композитов). Проведен анализ погрешностей, обусловленных конструкцией измерительного устройства, методом измерения, свойствами и особенностями контролируемого изделия, в том числе, влиянием различного рода шумов и помех: импульсной помехи, шума аппаратуры, структурного шума.

Ключевые слова: ультразвуковая дефектоскопия, толщинометрия, структурный шум, электроакустический тракт.

Measurement accuracy questions of echo, which occurred in low-frequency ultrasonic testing of extended objects with complex structure (concretes, plastics, composites) are considered. Analysis of errors due to measurement device construction, measurement techniques, test object properties and peculiarities including noise and interference errors (е. g. pulse interference, instrumentation noise, structural noise) is carried out.

Key words: ultrasonic flaw detection, measuring thickness, structural noise, electro-acoustic section.

При ультразвуковом (УЗ) контроле протяженных изделий из сложноструктурных материалов (бетонов, пластиков, композитов) интегральное ослабление акустических сигналов в изделии столь высоко, что приходится использовать относительно низкочастотные акустические сигналы. Если полагать, что скорость УЗ-колебаний, например в бетоне, С = 4000 м/с, то при частоте зондирующего сигнала порядка 100 кГц длина волны УЗ-сигнала в изделии из бетона составляет X = 4 см, что зачастую соизмеримо с геометрическими размерами контролируемого изделия. В этом случае становится актуальной проблема точности измерения толщины изделия ^ и определения координат дефекта.

Суть этой проблемы и схема одностороннего эхо-импульсного контроля изделия из бетона протяженностью (толщиной) = 400 мм с дефектом, находящимся на расстоянии I = 300 мм от приемного преобразователя (ПП), поясняются на рис. 1. На рис. 1, б, в в условном масштабе представлены эхо-сигналы от дна изделия и дефекта («временной» масштаб соответствует «линейному» масштабу на рис. 1, а: временные положения эхо-сигналов «соответствуют» месторасположению дна и дефекта изделия). На рис. 1, б частота УЗ-сигнала = 200 кГц; протяженность импульсов равняется трем периодам несущей частоты: Тс = 3Т0; линейная протяженность сигнала в этом случае 3Х = 60 мм;

Дефект

иип№

/ = 300 мм ¿. = 400 мм I, мм

I

||||||7°

"ппЮ

Рис. 1. Схема одностороннего эхо-импульсного контроля (ИП, ПП — измерительный и приемный преобразователи) и временные зависимости эхо-сигналов от дна изделия = 200 кГц; Я = 200 мм) и дефекта (£, = 100 кГц; Я = 40 мм) соответственно а, б, в

разрешающая способность 5х = СТс /2 = 120 мм. В данном примере (рис. 1, б) видно, что эхо-сигналы имеют достаточно хорошее временное разрешение. При уменьшении частоты вдвое до ^ = 100 кГц длительность одного периода колебания также возрастает вдвое (рис. 1, в); длина волны увеличивается до значения Я = 40 мм; линейная протяженность сигнала составляет 3Я = 120 мм, и эхо-сигналы на рис. 1, в практически не имеют разрешения. Таким образом, уменьшение частоты сигнала приводит к ухудшению разрешающей способности 5х.

В УЗ-толщинометрии принято определять временное положение эхо-сигнала по моменту пересечения фронта эхо-сигнала с заранее установленным порогом [1, 2]. Из-за снижения частоты УЗ-сигнала возрастает длина волны, соответственно увеличивается длительность фронта импульса и возрастает погрешность 5т в определении временного положения эхо-сигнала (или связанная с ней погрешность 5L в определении толщины изделия). Это качественно проиллюстрировано на рис. 1, б, в, где временное положение эхо-сигналов определяется по переднему фронту эхо-импульса. При уменьшении частоты сигнала до 100 кГц возрастает погрешность определения временнсго положения эхо-сигнала 5т2 (5т2 > 5т1). В свою очередь, увеличение 5т приводит к увеличению погрешности определения толщины изделия 5L. Если полагать, что 5т = 0,1 Т0, 5L = 0,1Я, то при низкочастотном (НЧ) контроле 5L = 4 мм.

Здесь следует отметить, что по проблеме точного измерения временнсго положения УЗ-сигналов в традиционной УЗ-толщинометрии (дефектоскопии) проходит дискуссия [2, 3], в ряде работ анализируются различные методы снижения погрешности 5т, однако все эти методы обсуждаются в рамках классического ультразвукового эхо-импульсного контроля металлов. Действительно, большинство приборов УЗ-контроля создаются для дефектоскопии (толщинометрии) изделий из металла — основного конструкционного материала, используемого в машиностроении, относительно звонкого, в котором отсутствуют проблемы аномально высокого затухания сигналов. При этом используются высокочастотные УЗ-сигналы с частотой единицы-десятки мегагерц. Протяженность зондирующего импульса в изделии при этом составляет доли миллиметра, погрешность измерения 5L много меньше линейных размеров изделия.

Кардинальное снижение частоты зондирующего сигнала до 100 кГц и менее приводит к тому, что погрешность 5L становится соизмеримой с габаритными размерами изделия. При НЧ-толщинометрии (дефектоскопии) требуется разработка более точных методов определения временного положения эхо-сигнала.

Ниже рассмотрены основные виды погрешностей измерений при контроле изделий ультразвуковым эхо-импульсным методом.

На рис. 2, а приведена основная схема эхо-импульсного метода измерения толщины. Если скорость звука С в изделии известна, то, измерив время t1 прохождения ультразвука в изделии в прямом и обратном направлении, можно определить его толщину L1 = С^/2. В том случае, когда необходимо определить скорость УЗ-колебаний С при известной толщине изделия L, используют формулу С = 2L/t.

Относительная погрешность измерения толщины

5L / L = 5C / C + 5t /1

(1)

определяется относительной погрешностью измерения скорости УЗ-колебаний в исследуемом объекте контроля 5С/С и относительной погрешностью измерения временнсго положения сигнала 5М. Так как погрешность измерения скорости и времени приблизительно совпадают, то в этом случае [2]

5L / L = 2 5t / ^

(2)

Относительная погрешность измерения временного положения сигнала 5t /1 может зависеть от погрешности измерительного устройства и погрешностей, обусловленных методом измерения, а также свойствами и особенностями контролируемого изделия — искажениями акустических сигналов, шумами и помехами.

Погрешность УЗ-прибора (дефектоскопа, толщиномера), которая складывается из погрешности временной развертки электронно-лучевой трубки, точности индикаторного устройства, точности и разрядности АЦП и других, носит название инструментальной погрешности, т. е. собственно погрешности измерительного устройства [2]. Обычно она составляет 0,1—0,5 % (или [5^ (]ин = 0,001 ... 0,005). В традиционной УЗ-дефектоскопии рассматривают также еще ряд погрешностей, связанных с особенностями УЗ-устройства эхо-импульсного дефектоскопа (толщиномера). Например, по-

Рис. 2. Образование погрешностей 8т3 и бг4 при УЗ-контроле: а, б — структурные схемы традиционного ультразвукового эхо-импульсного толщиномера и при зондировании многослойного изделия, соответственно; в — зондирующий сигнал ударного возбуждения; г, д, е — эхо-сигналы от дефекта на глубине -2 и -

при Z. > Z3, соответственно

-1

грешность, связанная с неучетом (или неточностью учета) времени пробега импульса в контактной жидкости между протектором и преобразователем в протекторе или призме преобразователя. Если время прохождения импульса через слой контактной жидкости толщиной включают в измеряемый интервал времени, то его завышают на значение 5?ж = 2^ж / Сж. Так как толщина слоя жидкости зависит от качества поверхности изделия, вида контактной жидкости, усилия прижатия преобразователя, то погрешность 5^ж /¿. становится случайной. Толщина слоя жидкости может достигать значения 0,1—0,2 мм, поэтому погрешность /¿. при контроле относительно протяженных изделий (100 мм и более) не столь велика. С уменьшением толщины измеряемого изделия погрешность эхо-метода толщинометрии из-за указанных методических и инструментальных причин возрастает.

Для уменьшения данной погрешности (а также аналогичной, возникающей из-за прохождения УЗ-сигнала в протекторе преобразователя в акустических задержках — призмах) проводят настройку прибора, заключающуюся в исключении времени пробега в протекторе, призме и контактной жидкости из измеряемого интервала времени [2]. Как правил

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком