пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии, содержащий размещенные в корпусе пьезоэлемент, упругий элемент, волновод и основание в виде мембраны, соединенной по наружному контуру с корпусом и в центральной ее части - с волноводом, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде тонкого диска, закрепленного на упругом элементе, выполненном в виде мембраны, центральная часть которой жестко соединена с волноводом, а наружный контур - с корпусом, на верхней поверхности пьезоэлемента размещены электроды в виде концентричных диска и кольца, при этом поперечный размер волновода выбран меньше диаметра дискового электрода.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поперечный размер волновода выбран меньше половины минимальной длины волны Рэлея.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что внутренний поперечный размер корпуса выбран больше половины средней длины волны Рэлея.

4. Преобразователь по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что упругий элемент снабжен кольцевым ребром по наружному контуру, при этом диаметр пьезоэлемента D_пэ выбран из соотношения

D₁ D_пэ < D₂,

где D₁ - внутренний диаметр кольцевого ребра упругого элемента;

D₂ - наружный диаметр кольцевого ребра упругого элемента.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что кольцевое ребро упругого элемента соединено с корпусом посредством слоя клея толщиной больше 0,03, где - длина продольной волны в клее.

6. Преобразователь по п.4 или 5, отличающийся тем, что диаметр дискового электрода и внутренний диаметр кольцевого электрода выбраны в пределах (0,55 - 0,8) от внутреннего диаметра кольцевого ребра упругого элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю объектов в экстремальных условиях воздействия высокой температуры, - - излучения, перегретого пара, вибрации и др. , а именно пьезоэлектрическим преобразователям акустической эмиссии, и может быть использовано, в частности, для контроля герметичности первых контуров реакторных установок атомных электростанций, в процессе которого регистрируются поверхностные волны с гребенчатой периодической структурой (волны Рэлея, Лэмба и квазирэлеевские волны - в дальнейшем по тексту "волны Рэлея") в частотном диапазоне от 20 до 200 кГц, длиной, сравнимой с размерами преобразователя.

К первичным преобразователям любых диагностических систем предъявляются весьма высокие требования к техническим характеристикам, определяющим разрешающую способность (коэффициенту электроакустического преобразования, ширине рабочего частотного диапазона, неравномерности АЧХ и др.).

К первичным пьезоэлектрическим преобразователям акустической эмиссии систем контроля герметичности оборудования атомных электростанций предъявляются дополнительные требования обеспечения специальных функциональных свойств: избирательность приема волн Рэлея среди других мод колебаний и дифференциальный вывод электрического сигнала (волны Рэлея несут информацию о "звучащих" дефектах протяженных объектов, в то время как объемные (продольные) волны содержат сведения о событиях, происходящих внутри трубопроводов, например явления кавитации, и в данном случае являются механическим шумом) [1a].

Особенность процесса контроля течи трубопроводов оборудования атомных электростанций путем анализа сигналов акустической эмиссии в диапазоне частот от 20 до 200 кГц заключается в том, что полезный сигнал, содержащий информацию о состоянии трубопроводов и возникновении в них дефектов, существенно заглушен механическим шумом перегретой воды и пара. Кроме того, из-за ограниченного доступа к контролируемому объекту (в том числе и из-за невозможности размещения усилительно-преобразовательной аппаратуры вблизи первичных преобразователей) применяются длинные кабельные линии длиной до 200 м, резко ухудшающие соотношение сигнал/шум. Для обеспечения помехоустойчивости и надежности работы в таких экстремальных условиях конструкция преобразователя должна быть максимально простой, включать минимальное количество деталей, в особенности пьезоэлементов, иметь дифференциальный вывод и, желательно, большую собственную электрическую емкость по сравнению с емкостью кабельной линии.

Известен пьезоэлектрический преобразователь для регистрации волн Рэлея, содержащий набор пьезопластин, расположенных в одной плоскости на расстоянии половины длины волны регистрируемой моды для пластин противоположной поляризации [1б]. Выбор размеров пьезопластин обеспечивает избирательность приема волн Рэлея и максимальную чувствительность на частоте регистрации. Однако применение данного преобразователя ограничено из-за весьма узких полосы пропускания, диаграммы направленности и недопустимо большого количества пьезоэлементов.

Наиболее близким по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь [2] для регистрации акустической эмиссии высокотемпературных объектов. Преобразователь состоит из одного или нескольких пьезоэлементов, предварительно поджатых пружинами к несущей опоре, соединенной с корпусом тонкой мембраной. Корпус снабжен тремя опорами. Несущая опора выступает за пределы опор корпуса и выполнена в виде тупого волновода, преимущественно, в форме экспоненциальной воронки. Прием ультразвуковых волн производится через несущую опору, соприкасающуюся с поверхностью контролируемого объекта. Однако данный преобразователь в равной степени регистрирует как поверхностные, так и продольные волны. Равные смещения поверхности контролируемого объекта в месте касания несущей опоры преобразователя в осевом направлении независимо от моды колебаний вызовут появление равных электрических сигналов, поскольку пьезоэлементы акустически развязаны от корпуса (механическая связь пьезоэлементов, установленных на несущую опору, и корпуса осуществляется посредством тонкой мембраны).

Кроме того, в данной конструкции из-за фазового сдвига (длина пути акустического сигнала до каждого пьезоэлемента различна) и различной нагрузки пьезоэлементов (нижний пьезоэлемент нагружен верхним пьезоэлементом и инерционным элементом, а верхний пьезоэлемент - только инерционным элементом) ограничена возможность дифференциального вывода электрического сигнала.

Задача, решаемая изобретением, направлена на создание пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии, чувствительного к поверхностным волнам с гребенчатой периодической структурой, длиной, сравнимой с размерами датчика.

Техническим результатом настоящего изобретения является избирательность приема волн Рэлея и повышение помехоустойчивости пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии.

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе акустической эмиссии, содержащем корпус, размещенные в корпусе пьезоэлемент, упругий элемент, волновод и мембрану, соединенную по наружному контуру с корпусом и в центральной ее части - с одним концом волновода, пьезоэлемент выполнен в виде тонкого диска, закрепленного на одной стороне упругого элемента в виде мембраны. Центральная часть упругого элемента с другой стороны жестко соединена с другим концом волновода, а наружный контур - с корпусом. На нерабочей поверхности пьезоэлемента выполнены электроды в виде концентричных диска и кольца, при этом поперечный размер волновода выбран меньше диаметра дискового электрода. Поперечный размер волновода выбран меньше половины минимальной длины волны Рэлея. Внутренний поперечный размер корпуса выбран больше половины средней длины волны Рэлея. Упругий элемент снабжен кольцом, расположенным по наружному контуру упругого элемента со стороны волновода, при этом диаметр пьезоэлемента D_пэ выбран из соотношения:

D₁D_пэ<D,

где

D₁ - внутренний диаметр кольца упругого элемента;

D₂ - наружный диаметр кольца упругого элемента.

Кольцо упругого элемента соединено с корпусом посредством слоя клея, толщиной больше 0,03 , где - длина продольной волны в клее. Диаметр дискового электрода и внутренний диаметр кольцевого электрода выбраны в пределах (0,55-0,8) от внутреннего диаметра кольца упругого элемента.

Избирательность приема волн Рэлея среди всех мод ультразвуковых колебаний контролируемого объекта и повышение помехоустойчивости пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии достигается механической связью пьезоэлемента с элементами преобразователя, непосредственно контактирующими с поверхностью контролируемого объекта на определенном расстоянии друг от друга, а именно с корпусом через упругий элемент и с волноводом. Механическая связь образуется за счет жесткого соединения пьезоэлемента с упругим элементом и упругого элемента с корпусом (по наружному контуру) и с волноводом (по внутреннему контуру). Смещения корпуса и волновода относительно друг друга вызывают деформации пьезоэлемента и соответственно появление электрического сигнала. При этом выполнение упругого элемента в виде мембраны и закрепленного на нем пьезоэлемента в виде тонкого диска позволяют получить высокую чувствительность к волнам с гребенчатой структурой, поскольку изгибная жесткость данных элементов мала и в этой связи потери энергии волн в результате их отражения минимальны.

При распространении волн Рэлея в месте установки преобразователя волновод смещается относительно корпуса и при изгибе пьезоэлемента образуются две кольцевые зоны деформаций, в пределах которых наблюдаются противоположные по направлению деформации. При этом выполнение на нерабочей поверхности пьезоэлемента двух электродов в виде концентричных диска и кольца и одновременно выбор поперечного размера волновода меньше диаметра дискового электрода позволяют получать на одном пьезоэлементе два канала и снимать с электродов электрические сигналы разного знака, чем обеспечивается возможность дифференциального вывода сигнала.

При нормальном же падении продольных волн из глубины материала трубопроводов и одновременном смещении волновода и корпуса в осевом направлении мембрана упругого элемента и пьезоэлемент под действием сил инерции изгибаются таким образом, что в их пределах образуются три кольцевые зоны деформаций, причем деформации внутренней кольцевой зоны противоположны деформациям крайних зон. В пределах каждого электрода одновременно наблюдаются противоположные по направлению деформации изгиба, взаимно компенсирующие большую часть электрического сигнала механической помехи. Некомпенсированный электрический заряд, снимаемый с электродов пьезоэлемента, одинаков и по величине и по знаку, и при дифференциальном подключении усилителя вычитается. Таким образом, размещение на нерабочей поверхности пьезоэлемента двух электродов в виде концентричных диска и кольца, а также ограничение поперечного размера волновода обеспечивают возможность дифференциального вывода сигнала, выделение волн Рэлея и подавление сигналов, вызванных действием продольных волн.

Выполнение упругого элемента в виде мембраны с кольцом по наружному контуру и неравенства D₁D_пэ<D позволяют получить необходимое распределение механических радиальных _r и тангенциальных _t напряжений пьезоэлемента, при котором сигналы, снимаемые с обоих электродов, равны. Нижняя граница соотношения (D₁D_пэ) одновременно обеспечивает условия отсутствия перемещения и угла поворота пьезоэлемента на наружном контуре мембраны упругого элемента, поскольку в данной области пьезоэлемент не испытывает деформаций изгиба, и перекрытие области максимальных напряжений изгиба _r и _t вблизи наружного контура. Верхняя граница неравенства (D_пэ<D обеспечивает условия отсутствия акустического и электрического контактов образующей поверхности пьезоэлемента с корпусом, и тем самым исключает помехи, вызванные "звоном" корпуса, и короткое замыкание с кольцевым электродом.

Выбор поперечного размера волновода меньше половины минимальной длины волны Рэлея и внутреннего поперечного размера корпуса больше половины средней длины Рэлея позволяет получить амплитудно-частотную характеристику преобразователя колокольно-образной формы с максимальным значением в середине рабочего частотного диапазона и высокой крутизной спада частотной характеристики за его пределами. При этом ограничение поперечного размера волновода обеспечивает существенное подавление высокочастотных сигналов, а ограничение внутреннего размера корпуса низкочастотных сигналов.

Соединение корпуса с кольцом упругого элемента посредством слоя клея толщиной больше 0,03 (преимущественно, толщина клеевого слоя должна быть выбрана ближе к минимальному размеру: 0,03 ) позволяет уменьшить влияние колебаний корпуса на показания преобразователя. На границах "корпус - клей" и "кольцо - клей" в результате существенного различия волновых сопротивлений материалов сопрягаемых элементов происходит отражение помехи. Размеры дискового и кольцевого электродов выбраны из условий обеспечения максимальной чувствительности преобразователя при дифференциальном выводе электрического сигнала и максимальных ширины изолирующего промежутка между электродами.

Оптимизация диаметра дискового электрода D_д и внутреннего диаметра кольцевого электрода D_к представляет собой весьма трудоемкую задачу, поскольку уравнения изгиба многослойных чувствительных пьезоэлектрических элементов достаточно сложны и громоздки. В заявляемом преобразователе указанные диаметры должны быть выбраны в пределах (0,55-0,8)D₁, значения которых получены расчетом. Кольцевая зона, ограниченная диаметрами 0,55D₁ и 0,8D₁, представляет собой область всевозможных сочетаний диаметров D_д и D_к и условно делит пьезоэлемент на две части (два канала) с равными по модулю коэффициентами преобразования. Расчет коэффициентов преобразования производился на основании известных зависимостей напряженности электрического поля пьезокерамических элементов в отсутствии внешнего электрического поля. Напряженность электрического поля, а соответственно и коэффициент преобразования являются функциями суммы механических напряжений _r и _t . При воздействии волн Рэлея вблизи диаметра 0,55D₁ меняют свой знак радиальные механические напряжения _r , а вблизи диаметра 0,8D₁ - тангенциальные механические напряжения _t . В кольцевых зонах от d, до 0,55D₁ и от 0,8D₁ до D₁ сумма механических напряжений пьезоэлемента _r и _t , а соответственно и коэффициенты преобразования максимальны. Внутри же кольцевой зоны от 0,55D₁ до 0,8D₁ сумма механических напряжений пьезоэлемента _r и _t имеет минимальное значение, а в диапазоне диаметров (0,6-0,7)D₁ - близка к нулю. Таким образом, ширина изолирующего промежутка между электродами может быть достаточно большой и достигать значения 0,25D₁, поскольку влияние изменения размеров электродов D_д и D_к в пределах их области существования (0,55- 0,8)D₁ на коэффициенты преобразования каналов и соответственно на различие показаний обоих каналов существенно не влияет.

Помимо вышеуказанных отличительных признаков следует также отметить особенность формы пьезоэлемента, заключающейся в том, что диаметр пьезоэлемента D_пэ во много раз больше его толщины. Такое соотношение размеров пьезоэлемента обуславливает высокие значения собственной емкости преобразователя, достигающие единиц-десятков нФ и допускающие при весьма существенной нагрузочной емкости кабеля передачу электрического сигнала без усиления за пределы экологически- и биологически опасных помещений АЭС. Кроме того, данная конструкция выполнена на одном пьезоэлементе, достаточно проста и включает минимальное количество деталей.

Рассмотрим более подробно особенности совокупности отличительных признаков заявляемого технического решения на примере пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии для оборудования атомных электростанций.

Суть заявляемого технического решения будет ясна из прилагаемых разъяснений и иллюстраций. На фиг.1 показана конструктивная схема пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии; на фиг.2 - зависимости радиальных и тангенциальных механических напряжений от радиуса пьезоэлемента при распространении волн Рэлея; на фиг.3 - то же, при нормальном падении продольных волн; на фиг.4 - зависимость коэффициента преобразования перемещения в электрический заряд от радиуса дискового электрода.

На фиг.1 показано: 1 - корпус; 2 - пьезоэлемент; 3 - упругий элемент; 4 - волновод; 5 - основание; 6 - дисковый электрод; 7 - кольцевой электрод; 8 - кольцо; 9 - слой клея; 10 - кабель; 11 - жилы кабеля; D_пэ - диаметр пьезоэлемента; D_д - диаметр дискового электрода; D_к - внутренний диаметр кольцевого электрода; D₁ - внутренний диаметр кольца упругого элемента; D₂ - наружный диаметр кольца упругого элемента; d - диаметр волновода. На фиг.1 приведен вариант исполнения конструкции преобразователя, в котором соединение наружного контура упругого элемента 3 с корпусом 1 осуществляется посредством клеевого слоя 9.

На фиг.2 приведено: _r - зависимость радиальных механических напряжений пьезоэлемента от радиуса, _t - зависимость тангенциальных механических напряжений от радиуса.

На фиг. 4 показано: _q - зависимость коэффициента преобразования перемещения в электрический заряд от радиуса дискового электрода.

Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии содержит корпус 1, в котором размещены пьезоэлемент 2, упругий элемент 3, волновод 4 и мембрана 5. Мембрана 5 соединена по наружному контуру с корпусом 1, а по внутреннему контуру - с волноводом 4. Пьезоэлемент 2 выполнен в виде тонкого диска и жестко закреплен на мембране упругого элемента 3. Центральная часть мембраны упругого элемента 3 жестко соединена с волноводом 4, а наружный контур - с корпусом 1. На нерабочей поверхности пьезоэлемента 2 выполнены дисковый электрод 6 и кольцевой электрод 7. Диаметр волновода 4 выбран меньше диаметра дискового электрода 6 и одновременно меньше половины минимальной длины волны Рэлея. Внутренний размер корпуса 1 выбран больше половины средней длины волны Рэлея. Упругий элемент 3 по наружному контуру снабжен кольцом 8. Диаметр пьезоэлемента 2 выбран из соотношения: D₁D_пэ<D. Кольцо 8 соединено с корпусом 1 посредством слоя клея 9, толщиной больше 0,03 . Диаметр дискового электрода 6 и внутренний диаметр кольцевого электрода 7 выбраны в пределах (0,55-0,8)D₁. В верхней части корпуса закреплен двужильный экранированный кабель 10, жилы 11 которого соединены с электродами 6 и 7.

Приведенные на фиг. 2 и 3 зависимости механических напряжений изгиба _r и _t и коэффициента преобразования _q от переменного радиуса получены расчетным путем. Рассмотрим более подробно порядок данного расчета путем анализа от переменных: радиуса r; диаметра волновода d; диаметра дискового электрода D_д; внутреннего диаметра кольца D₁. Для этого рассмотрим известное уравнение равновесия тонкой пластинки в цилиндрических координатах. Следует отметить, что для волн Рэлея длиной, сравнимой с размером преобразователя, волновод 4 можно представить в виде недеформируемого стержня, передающего колебания поверхности контролируемого объекта мембране упругого элемента 3 почти без искажений. При этом можно пренебречь суммарными потерями энергии. Кроме того, при расчете была принята гипотеза прямых нормалей. Все компоненты напряжений, имеющие направления нормали к нейтральной плоскости, весьма малы по сравнению с прочими напряжениями и, следовательно, ими можно пренебречь.

Жестко соединенные пьезоэлемент 2 и упругий элемент 3 образуют чувствительный элемент преобразователя. При расчете пятислойный (верхний электрод - пьезокерамический материал - нижний электрод - слой клея - материал упругого элемента) чувствительный элемент заменен эквивалентной однородной мембраной с аналогичными толщиной и цилиндрической жесткостью.

Перемещение волновода эквивалентно действию распределенной по внутреннему контуру мембраны силы F_r.

,

где

M_r - изгибающий момент в радиальном направлении; M_t - изгибающий момент в тангенциальном направлении; r - переменный радиус; K - жесткость чувствительного элемента; - перемещение волновода.

Изгибающие моменты чувствительного элемента:





где

C - цилиндрическая жесткость эквивалентной мембраны; - угол поворота чувствительного элемента; r - переменный радиус; -коэффициент Пуассона эквивалентной мембраны.

Цилиндрическая жесткость чувствительного элемента:

,

где

E_к - модуль упругости пьезокерамического материала; E_м - модуль упругости материала упругого элемента; h_к - толщина пьезоэлемента; h_м - толщина мембраны упругого элемента.

Угол поворота :

,

Постоянные интегрирования находятся из граничных условий. На внутреннем (при r = d/2) и внешнем контуре (при r = D₁/2) чувствительного элемента угол поворота равен нулю. Граничные условия образуют систему уравнении, имеющих решение:

,

где

a = D₁/d.

После нахождения постоянных интегрирования жесткость чувствительного элемента:

.

Механические напряжения изгиба пьезоэлемента в радиальном направлении _r и в тангенциальном направлении _t и при воздействии волн Рэлея определяются по формулам:

,

,

где

z - переменная по толщине чувствительного элемента.

На фиг. 2 приведены зависимости механических радиальных _r и тангенциальных _t напряжений пьезоэлемента.

Аналогично находятся напряжения изгиба пьезоэлемента и при нормальном падении продольных волн с отличием в части задания граничных условий (перемещение волновода относительно корпуса отсутствует) и распределенных сил инерции. На фиг.3 показаны зависимости напряжений _r и _t , действующих при нормальном падении продольных волн.

Напряженность электрического поля, а соответственно коэффициент преобразования перемещения в электрический заряд _q является функцией суммы механических напряжений пьезоэлемента _r и _t , распределение по радиусу которых зависит от моды колебаний.

,

где

E_эл - напряженность электрического поля пьезокерамического элемента в отсутствии внешнего электрического поля; d₃₁ - пьезомодуль пьезокерамического материала; ^t₃₃ - диэлектрическая проницаемость пьезокерамического материала; ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Коэффициент преобразования канала, образованного частью пьезоэлемента, ограниченной дисковым электродом ¹_q определяется по формуле:

,

где

u - расстояние от нейтральной плоскости чувствительного элемента до клеевого слоя между пьезоэлементом и мембраной упругого элемента. Положение нейтральной плоскости чувствительного элемента находится из условия отсутствия деформаций нейтральной плоскости:

.

Коэффициент преобразования канала, образованного частью пьезоэлемента, ограниченной кольцевым электродом ²_q , рассчитывается по формуле:

.

На фиг.4 приведена зависимость коэффициента преобразования перемещения в электрический заряд _q от радиуса электрода D_д.

Анализ зависимостей коэффициентов преобразования ¹_q и ²_q (10, 12) показывает, что любом диаметре дискового электрода D_д выполняется равенство ¹_q = -²_q при условии D_дD_к (т.е. при минимально возможной ширине изолирующего промежутка между электродами). Однако при выборе диаметров D_д и D_к в диапазоне (0,55-0,8)D₁ не только коэффициенты преобразования принимают максимальные значения, но и сами диаметры при этом могут существенно различаться, что немаловажно для обеспечения технологичности.

Таким образом, предложенный пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии обеспечивает избирательность приема волн Рэлея и позволяет повысить помехоустойчивость.

Устройство работает следующим образом.

При распространении волн Рэлея на поверхности контролируемого объекта волновод смещается относительно корпуса и изгибает мембрану упругого элемента и пьезоэлемент. На пьезоэлементе образуются две кольцевые зоны с противоположно направленными деформациями. Электрические сигналы, снимаемые с электродов пьезоэлемента, находятся в противофазе и при дифференциальном выводе складываются. При падении же продольных волн электрические сигналы синфазны и существенно подавлены.

Реализация на практике заявляемого преобразователя была осуществлена следующим образом.

Были изготовлены лабораторные образцы пьезоэлектрических преобразователей акустической эмиссии на основе дискового пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-26 диаметром 21 мм, с двумя электродами на верхней плоскости: дисковым электродом диаметром 13,5 мм и кольцевым электродом с внутренним диаметром 14,5 мм и наружным диаметром 20 мм. Пьезоэлемент был закреплен с применением высокотемпературного клея на упругом элементе в виде мембраны из титанового сплава с кольцом по наружному контуру и центральным цилиндрическим стержнем, играющим роль волновода. Внутренний диаметр кольца упругого элемента составлял 20 мм, а наружный диаметр - 22 мм, высота кольца упругого элемента была 6 мм. Кольцо упругого элемента жестко соединено с корпусом через слой клея толщиной 0,5 мм. Волновод диаметром 4 мм соединен с внутренним контуром нижней мембраны, играющей роль основания преобразователя и защищающей внутреннюю полость. По наружному контуру нижняя мембрана соединена с корпусом. Внутренний диаметр корпуса составляет 25 мм. Электрический сигнал снимается с электродов пьезоэлемента посредством высокотемпературного кабеля типа КНМС-2С, закрепленного на крышке корпуса.

При воздействии волн Рэлея колебания поверхности контролируемого объекта передаются пьезоэлементу, испытывающему деформации изгиба. При дифференциальном подключении предварительного усилителя сигналы принимаемой моды складывались, а сигналы помехи вычитались. Подавление сигналов продольных волн по сравнению с сигналами волн Рэлея составляло 15 - 20 дб. Коэффициент преобразования перемещения в электрический заряд лабораторных образцов составлял 410^-2 Кл/м. Относительно высокие значения электрической емкости (410^-9 Ф) обеспечивали возможность передачи сигнала преобразователей без усиления на расстояния до нескольких десятков метров.