Аппаратура

Аппаратура

Принципиальные основы. Короткий импульс механических колебаний можно получить с помощью электрического сигнала, поданного на пьезоэлектрический вибратор. От вибратора импульс передается в среду (в нашем случае в лед) и в виде упругой волны достигает второго вибратора, в котором он вновь преобразуется в электрический сигнал. Принимающий и передающий вибраторы взаимозаменяемы. Измерение деформации с помощью ультразвуковых колебаний заключается в точном определении промежутка времени между посылкой импульса и его приемам. При этом делается допущение, что скорость распространения упругой волны в твердом теле (во льду) до и после деформации остается без изменений. Тогда разницу в промежутках времени при прохождении импульса между двумя датчиками (если данные берутся в разное время) можно рассматривать как изменение расстояния между ними, т. е. деформацию среды.

Электронное оборудование. Электронное оборудование, использованное для генерирования импульсов и измерения времени между их посылкой и приемом, состояло из имеющегося в продаже прибора для испытания бетона (ультразвуковой дефектоскоп.- Перев). Прибор называется сонископ и изготовляется фирмой «Мак-Фар инженерия компании» в Канаде. Все основные блоки прибора помещаются в одном корпусе. Прибор подает на пьезоэлектрические датчики высоковольтные (3 тыс. в) импульсы с частотой около 60 гц. Поступающий с вибратора-приемника сигнал усиливается в приборе и подается на электронно-лучевую трубку. Для упрощения измерения промежутка времени между посылкой и приемом сигнала в приборе используется двухлучевая трубка, у которой верхний луч показывает момент посылки импульса и метку времени (причем штрихи; метки времени касаются трассы нижнего луча), а нижний — момент прихода импульса, принятого вибратором-приемником. Метка времени устанавливается калиброванным переменным сопротивлением, которое является частью линии задержки. Для точных измерений необходимо время от времени контролировать градуировку прибора с помощью кварцевого генератора, работающего на частоте 100 кгц. Тогда нижний луч дает отметку, по которой можно установить точность измерения времени прохождения импульса. Для измерения времени на приборе имеются три шкалы: 0-200, 0-1000 и 0-5000 мксек. Измеритель времени регулируется, что позволяет осуществлять градуировку в. пределах каждой шкалы. Верньер измерителя времени имеет 1000 делений, причем считывание показания производится с точностью до 0,5 деления, т. е. 0,1 мксек — на шкале 0-200 мксек, 0,5 мксек — на шкале 0-1000 мксек и 2,5 мксек — на шкале 0-5000 мксек.

На входе прибора использовался. В полевых условиях питающее напряжение сети регулировалось автотрансформатором, так как при изменении напряжений наблюдался «дрейф» прибора (нестабильность показаний). В дальнейшем для осуществления непрерывной записи типичных ультразвуковых импульсов и наблюдением за изменениями с течением времени был использован авиационный осциллограф с камерой.

Вибраторы (датчики). В обычных условиях (при испытании бетона) сонископ работает с мощными вибраторами на основе кристаллов соли Рошелла с резонансной частотой около 20 кгц. Несколько пробных экспериментов показали, что прибор удовлетворительно работает с датчиками из титаната бария (заключенных в защитные оболочки из керамики), которые имеют меньшие размеры и более высокую частоту, чем стандартные; датчики из титаната бария оказались более удобными при работе в полевых условиях, так как соль Рошелла слишком хрупка (механически непрочна) и, что еще важнее, при установке датчиков во льду слишком гигроскопична.

Чтобы разработать наиболее удобный для применения в ледяном туннеле стандартный датчик, в лабораторных условиях на ледяной глыбе испытывались керамические элементы различной величины и формы. Оказалось, что при замораживании таких элементов во льду никаких изолирующих покрытий не требуется, так как лед сам по себе создавал хорошую изоляцию. Однако сильный электрический сигнал воздействовал на механические колебания, поэтому на вибраторы пришлось надеть защитные экраны. Во время предварительных опытов такой экран был изготовлен из медной (чистая медь) сетки, вмороженной в лед вокруг датчика. Хотя в туннеле для датчиков никаких покрытий не требовалось, мы считали, что их следует поместить в защитную оболочку, которая придает им большую механическую прочность и, кроме того, будет служить постоянным экраном. Были проведены эксперименты по использованию в качестве защитных покрытий различных веществ: органического стекла, каучука и эпоксидной смолы. Наилучшие результаты были получены с применением оргстекла и эпоксидной смолы, так как акустическое сопротивление этих веществ лишь очень незначительно отличается от акустического сопротивления льда; кроме того, они практически не реагируют на увлажнение. В конечном итоге все датчики, предназначенные для установки во льду, были защищены покрытием из эпоксидной смолы.

Для установки в туннеле были предложены датчики двух типов, отличающиеся друг от друга только по величине, что объяснялось наличием в нашем распоряжении ручных буров двух разных диаметров — 1 и 172 дюйма. Конструкция датчиков схематически показана. В качестве пьезоэлектрического элемента (вибратора) использовались пустотелые цилиндры из титаната бария; этот отличается высокой эффективностью и сравнительно небольшой стоимостью (каждый датчик стоил около 5 долл.). Завод-изготовитель поставляет такие элементы радиально поляризованными. Цилиндр покрыт снаружи и изнутри серебром (для улучшения контакта и припайки фидерной линии). Датчики соединялись с дефектоскопом при помощи коаксиального кабеля, центральный провод которого подключался к внутренней поверхности цилиндра, а экранирующая оплетка — к внешней. Кроме того, к внешней стороне цилиндра припаивалась и медная сетка, служившая в качестве экранирующей оболочки вибратора. Чтобы укрепить сетку в правильном положении, защитное покрытие наносилось дважды: сначала смолой покрывался сам датчик, затем, когда смола, на этот слой надевалась и припаивалась (к серебряной обкладке внешней поверхности цилиндра) защитная сетка; после этого и датчик и сетка снова заливались эпоксидной смолой таким образом, чтобы захватить и внешнюю оболочку кабеля, т. е. кабель жестко и вполне герметично соединялся с вибратором.

В   зависимости  от  полярности приложенного к серебряным обкладкам датчика электрического напряжения толщина стенок цилиндра из титаната бария либо уменьшается, либо возрастает., При уменьшении толщины стенок диаметр и высота цилиндра увеличиваются, при увеличении толщины стенок уменьшаются. Когда датчик используется в качестве излучателя в комплекте с сонископом, для его возбуждения на обкладки подается медленно нарастающее высоковольтное напряжение, которое затем быстро снимается. Пьезоэлектрик (цилиндр из титаната бария), который под действием электрического потенциала находился в напряженном состоянии (сжатие или расширение стенок цилиндра под действием электрического потенциала), освобождается от этого напряжения, однако не приходит сразу в положение равновесия, а начинает вибрировать, излучая волны ультразвуковой частоты. Затухание колебаний происходит по экспоненциальному закону и зависит от демпфирования датчика (демпфирование осуществляется электрически в цепи датчика.- Перев.). Таким образом, форма сигнала зависит в основном от резонансной частоты задающего устройства. Когда вибратор используется в качестве приемника колебаний, он не демпфируется, и форма принятого сигнала будет зависеть от резонансной частоты приемника. При вибрации датчика наиболее важное значение имеют колебания цилиндрического пьезоэлектрика в продольном и радиальном направлениях. Резонансные частоты в этих случаях составляли 60-100 кгц.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.