Главная страница ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ

Автобиография Реферат Индивидуальный раздел Отчет о поиске Ссылки

Анизотропия измерений металлических сплавов с помощью лазерной\ электромагнитно-акустической периодической системы датчиков

B. Dutton and R. J. Dewhurst

Centre for Instrumentation and Analytical Science, School of Chemical Engineering and Analytical Science,
University of Manchester, Faraday Building, P.O.

Перевод с английского: Соломичев Р.И.

Источник: American Institute of Physics, 2006.
http://iopscience.iop.org/1742-6596/76/1/012013/pdf/jpconf7_76_012013.pdf

     Были использованы волня Релея для измерения анизотропии в металлических сплавах с помощью переходных импульсов Рэлея и 8 элементов массива электромагнитных акустических датчиков. Интервалы между датчиками в массиве определяются разделением так, чтобы скорость измерения проводились независимо от расстояния от источника до детектора. Ликвидация этого расстояния, которое, как правило приводит к систематическим ошибкам, привела к способности измерять скорость в металле при неопределенности 0,1%. Различия в скорости волн Релея были характерны анизотропии в прокате алюминия.

     Поверхностные акустические волны, которые иногда называют волнами Рэлея, являются полезными для широкого круга исследований, связанных с характеристикой материалов. Некоторые из этих исследований, связаны с выявлением дефектов и трещин, поверхностных повреждений, с измерением дисперсии и анизотропии в прокате. В данной статье, описывается исследование электромагнитных акустических преобразователей (ЭМАП) в системы. Был разработан метод для точного измерения скорости волны Рэлея. Проводятся измерения анизотропии проката сплава металла с достаточной точностью.

     Волна Рэлея и Буля генерируются лазерно-ультразвуковым источником в термоупругом режиме. В этом режиме возбуждения, волны возбуждены тепловым механизмом без ущерба для материала; следовательно, лазерный источник является неразрушающим. Но в данном докладе будут рассматриватся только волны Рэлея, генерируемые с помощью лазерного импульса в термоупругих режимах. Для улучшения генерации таких волн, луч фокусируется с помощью цилиндрической линзы, что делает их строго направленными по нормали к линии фокуса. Их амплитуда сферической волны была увеличена примерно в 3 раза.

    Система массива ЭМАП была использована для ультразвукового контроля, как показано на рис. 1. Она состоит из 8 элементов ЭМАП. Каждый элемент ЭМАП использует аналогичный принцип пространственно периодической конструкци постоянных магнитов, которые повышают производительность системы. Ранее ЭМАП были использованы в различных конструкциях, но рассматриваемая гибридная система в сочетании с лазерной генерацией ультразвуковых колебанийи массива ЭМАП в качестве детектора является уникальной.

Рисунок 1 - Экспериментальная конфигурация для лазерной/ ультразвуковой периодической системы ЭМАП

     В наших измерениях ультразвуковых поверхностных и объемных волн, были получены с модуляцией добротности легированных неодим-иттриевых лазеров на длине волны 1064 нм, длительность импульса около 8 нс и частотой повторения 5 Гц. 8 нс импульса было достаточно, чтобы генерировать частоты до 23 MHz лазерного импульса с энергией 6 мДж при диаметре 1 мм оптического волокна PCS, который затем был сосредоточен в 0,5 мм^2 линии с помощью цилиндрической линзы; эти сфокусированные ультразвуковые колебания распостранялись в направлении ЭМАП с минимальным затуханием сигнала. Вне плоскости массив ЭМАП был использован для обнаружения волн Рэлея. Катушки зондирования с размерами 15х1 мм2 располагались с шагом 6 мм. Все катушки были помещены параллельно друг другу с параллельно сфокусированным лазерным линииям. Важно отметить, что абсолютное расстояние от источника до 1 канала, не имеет значения для измерения скорости, кроме расстояния между витками. Эти расстояния между центрами катушки ЭМАП были измерены с помощью микроскопа Верньер с точностью до 0,01 мм.

     Детектирование волны УЗК было выполнено аппаратно и программно, что представлено на рис. 2. Каждый сигнал от ЭМАП сначала усиливается главым предусилителем, затем поступает на мультиплексор MUX со встроенным усилителем. Усилитель имеет высокий коэффициент усиления, 60 дБ. Усилитель мощности обладает высоким входным импедансом 10 МОм и низким выходным сопротивлением 75 Ом. Мультиплексор / усилитель каждого каскада имеет входной и выходной импедансы 75 Ом, MUX предназначен для выборки конкретного канала и с помощью встроенного усилителя - для предварительного усиления сигнала. Электронная система работает на частоте 20 МГц, как и преобразователи ЭМА. Использование программы LabVIEW, позволило отобразить на реакцию каждого канала выборки мультиплексора с помощью персонального компьютера, к которому система подключалась через параллельный порт.

     После некоторого времени задержки сигнала со средним количеством импульсов лазера 128, сигналы отобразились на экране ПК через общий интерфейс шины для каждого ЭМАП канала. Эти данные появились в виде 8 отдельных волноввых форм, по одной для каждого канала ЭМАП. Проведенные измерения регистрировались и сохранялись на жестком диске компьютера.

Рисунок 2 - Система сбора данных с электронной системой в частотном диапазоне 20 МГц

     Используя полученные данные при измерении скорости волны Релея был проведен эксперимент на изделии из алюминиевого сплава 6082-T6, с размерами 127х76х50 мм^2. Измерения проводились в трех областях: сверху, спереди и по боковым поверхностям, как это указано на рис. 1. Рисунок 3 показывает типичный набор сигналов во времени, которые регистрировались от ЭМАП при продольных волнах P, отраженных продольных волн 2L, волны Рэлея R.

Рисунок 3 - Форма волны, регистрируемая массивом из ЭМАП для образца из алюминиевого сплава типа 6082-T6, вдоль направления прокатки

     В данном диапазоне частот УЗК ослабления будут незначительными, как показано на рис. 4. Цифровые данные сопоставимы с частотными составляющими волн Рэлея, которые регистрируются каналами 1 и 8. Они отображаются в виде сплошной и пунктирной линий, соответственно. Кривые показывают, что ослабление частоты было не значительное при распространении на расстояния, которые использовались в данных экспериментах.

Рисунок 4 - Частота компонентов ЭМАП, рассчитанная для волн Рэлея при сигналах
от каналов 1 и 8

     Таким образом, необходимо использовать генерацию волн при максимальном пике амплитуды сигналов Рэлея с заданным расстоянием между катушками ЭМАП. Была применена к этим данным линеаризация характеристик, для получения коэффициента регрессии и наклона, которые представляют собой скорость волны Рэлея. На рисунке 5 показан типичный линейный участок волны Рэлея в зависимости расстояния от скорости распространения сигнала, где скорость была 2.949В ± 0,002 (мм/μs) или 2949 ± 2 (1/ms). Коэффициент регрессии около 0,9999, что указывает на исключительную линейность характеристики. Систематические ошибки, которые могут возникнуть в результате смещения линии фокуса катушек ЭМАП были сведены к минимумуе.

Рисунок 5 - Экспериментальная зависимость времени регистрации волны Релея от расстояния

     В заключение можно отметить, что в связи с низким коэффициентом затухания УЗК рэлеевских волн, можно применить данный метод при контроле алюминиевых сплавов. Это было достигнуто без использования контактной жидкости, т.е. бесконтактно с лазерным возбуждением УЗК и приемом массивом ЭМАП, при этом в эксперименте было измерено 2 различных ортогональных скоростей распространения волны Рэлея. Этот метод контроля может быть применен к более широкому кругу электропроводных материалов.

Литература

     1. Cooper J. A., Crosbie R. A., Dewhurst R. J., McKie A. D. W. and Palmer S. B. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1986. – 462 peges.

     2. Boonsang S.and Dewhurst R. J. Appl. Phys. Lett., 2003. – 82 peges.

     3. Bernstein J. R.and Spicer J. B. Acoust. Soc. Am., 2002. –111 peges.

     4. Warren P. D., Pecorari C., Kolosov O. V., Roberts S. G. and Brigg G. A. D. Nanotechnology, 1996. – 245 peges.

     5. Dixon S., Edwards C. and Palmer S. B. Phys. D, 2002. – 816 peges.

© ДонНТУ, Соломичев Роман Игоревич, 2010