способ диагностики кузова автомобиля толщиномером (стр. 5 из 10)

Общая погрешность толщиномера не превышает 4%.

2.3 Применение толщиномера для контроля проката из алюминиевых сплавов

Технология производства и высокие требования к надежности при эксплуатации сложных авиационных и космических систем требуют решения целого ряда задач, связанных с измерением акустическими методами и приборами таких параметров, как время распространения ультразвуковых колебаний или его приращение, и получением на их основе расчетным путем значений толщины, скорости распространения ультразвуковых колебаний, анизотропии проката и его упругих характеристик. Одновременно, измерение амплитуды акустических сигналов позволяет определить наличие нарушений сплошности или качество неразъемных соединений (сварных, паяных, клеевых), оценить по характеру изменения амплитуд многократных эхо-сигналов степень коррозионного или эрозионного поражения, нарушения клеевого соединения.

Ультразвуковой контроль толщины стенки тонкостенных корпусов и элементов конструкций, труб топливопроводов является одним из важнейших направлений технической диагностики авиакосмических систем. При этом контроль проводят как в цеховых условиях предприятий авиакосмической промышленности, так и в ремонтных цехах, ангарах и на открытых площадках. Для обеспечения эффективного производства и безопасной эксплуатации аэрокосмической техники были созданы и освоены в эксплуатации несколько поколений ультразвуковых толщиномеров, предназначенных для автоматизированного и ручного контроля [1-7]. Однако большая часть из них морально и физически устарела, а многие вновь разработанные обладают весьма существенными недостатками. К ним относятся низкая производительность и достоверность при использовании пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), наличие большого количества влияющих факторов,

отсутствие систем обработки сигналов и регистрации результатов, что снижает достоверность контроля.

Ограничения ультразвукового метода измерения толщины

Погрешность ультразвукового метода измерения толщины зависит от целого ряда влияющих факторов, накладываемых следующими ограничениями:

- вариацией скорости распространения ультразвуковых колебаний (УЗК);

- состоянием и геометрическими характеристиками изделия;

- качеством акустического контакта при использовании ПЭП;

- магнитными свойствами и электропроводностью материала изделия при использовании электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей;

- температурой окружающей среды и др.

Исследование влияния различных факторов на погрешность измерения толщины металлоконструкций с применением ультразвуковых методов, выполненные в [1-4], показали, что основным фактором при использовании ПЭП, определяющим погрешность измерения толщины в зависимости от свойств материала, является вариация скорости распространения УЗ колебаний в направлении прозвучивания. При этом, поскольку калибровка ультразвуковых толщиномеров осуществляется по специальным калибровочным или эталонным образцам, возникающая относительная погрешность измерений равна относительным отклонениям действительного значения скорости УЗК в изделии от значения скорости, принятого при калибровке. Для исключения влияния разброса скорости УЗК при изготовлении стандартных образцов, как правило, в качестве исходной используется заготовка, из которой изготавливаются все образцы для данного аттестуемого комплекта. Однако, при применении указанных образцов для калибровки толщиномера перед контролем конструкций, изготовленных из проката, автоматически вносится погрешность, связанная с отличием условий распространения УЗК в направлении проката при прозвучивании образца и поперек проката при прозвучивании реального изделия. Поэтому при

повышении требований к точности измерения толщины, возникает необходимость точного измерения скорости распространения УЗК в заданном направлении прозвучивания контролируемого материала, изготовления и аттестации соответствующих образцов для калибровки толщиномеров.

В связи с тем, что в зависимости от акустических и геометрических характеристик контролируемых изделий (толщины стенки, кривизны, шероховатости и непараллельности поверхностей и затухания УЗК в материале), амплитуда и форма многократных эхо-сигналов существенно изменяются [1], при проведении измерений возникает опасность внесения ошибок, связанных с флуктуацией амплитуды и потерей полуволны эхо-сигналов из-за влияния внешних факторов. Нестабильность качества акустического контакта, ухудшение которого приводит к уменьшению амплитуды эхо-сигналов и увеличению уровня помех, как справедливо отмечается в [1], связана как с субъективными факторами, так и с физическими свойствами контактной среды (жидкости или смазки).

Дополнительную погрешность, связанную с искажением формы и флуктуациями амплитуды сигнала, вносит механический износ, повреждения в виде царапин, выбоин и сколов рабочей поверхности ПЭП, находящейся в контакте с поверхностью контролируемого изделия, и разрушения акустического экрана в связи с чем уменьшается отношение сигнал/помеха. В процессе эксплуатации толщиномеров при отклонении температуры контролируемых изделий и призм ПЭП от принятой при юстировке отсчетного устройства вносится дополнительная погрешность, обусловленная физическими характеристиками материала изделия и призм. Наконец, существенную роль играют погрешности, связанные с влиянием таких характеристик изделия, как кривизна, шероховатость и непараллельность поверхностей изделия.

Все рассмотренные ограничения, за исключением связанных с влиянием качества акустического контакта и конструктивных элементов ПЭП, играют существенную роль и при использовании ЭМА преобразователей [8].

Для исключения или ослабления влияния указанных видов погрешностей на ее суммарное значение рекомендуется проводить корректировку вводимого юстировочного значения скорости распространения УЗК и показаний толщиномера на юстировочном образце, изготовленном из материала контролируемого изделия или близкого по акустическим свойствам, использовать целый ряд методических приемов, повышать требования к квалификации операторов, технологии и процедуре регистрации результатов контроля, что при проведении массового контроля толщины значительно усложняет процесс проведения измерений и снижает их достоверность.

Представленные в [5-7] электромагнитно-акустические (ЭМА) толщиномеры также не решают проблему снижения погрешности, повышения достоверности и автоматизации регистрации результатов контроля изделий, что связано с отсутствием в их составе систем обработки сигналов и неоптимальной конструкцией ЭМА преобразователей.

Принцип действия ЭМА толщиномера. Наиболее активно ультразвуковые толщиномеры используются для массового производственного контроля толщины различных марок алюминиевого проката в авиакосмической промышленности, предъявляющей к используемым методам и приборам измерения толщины весьма жесткие требования. Контролю подлежит листовой прокат, изделия цилиндрической и сферической формы в состоянии после прокатки или химфрезерования, при этом диапазон измеряемых толщин составляет 1…25 мм, минимальный радиус кривизны цилиндрических и сферических изделий около 1 м. При разбросе скоростей распространения ультразвуковых колебаний в пределах от 2500 до 6500 м/с допустимая погрешность измерения толщины не должна превышать 0,01 мм.

Основным отличием ЭМА тощиномера является то, что при его использовании не требуется создания акустического контакта, так как УЗК возникают непосредственно в поверхностном слое контролируемого металла (рис. 2.4). Толщиномер обеспечивает измерение толщины изделий из сплавов алюминия в диапазоне от 0,5 до 100 мм эхо-методом с применением ЭМА возбуждения и приема УЗ колебаний. Наиболее эффективно в алюминиевых сплавах с использованием ЭМА преобразования возбуждаются сдвиговые горизонтально-поляризованные волны (смещение частиц параллельно поверхности изделия), скорость распространения которых почти в 2 раза меньше скорости распространения продольной волны, что обеспечивает возможность измерения существенно меньших толщин проката из алюминиевых сплавов.

Рисунок 2.3 – Способ ЭМА возбуждения и приема сдвиговых горизонтально-поляризованных (SH) волн

Высокий в сравнении с другими металлами коэффициент двойного преобразования в алюминиевых сплавах в сочетании с использованием энергонезависимых постоянных магнитов на основе сплава "Неодим-железо-

бор" (Nd-Fe-B) обеспечили возможность создания портативного толщиномера с малогабаритными ЭМА преобразователями (ЭМАП) совмещенного типа, обеспечивающими возбуждение и прием сдвиговых горизонтально-поляризованных волн в диапазоне рабочих частот от 2,5 до 5 МГц.

Другим принципиальным отличием рассмотренного толщиномера от предшественников является применение корреляционной обработки сигналов, что позволило практически исключить влияние изменения формы и амплитуды эхо-сигналов на погрешность измерений.

Толщиномер с помощью ЭМА преобразователя периодически возбуждает в контролируемом объекте короткие импульсы УЗК. С помощью этого же преобразователя импульсы многократно-отраженных ультразвуковых колебаний преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и поступают в электронный блок толщиномера.