close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 16650

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01N 29/06 (2006.01)
СИСТЕМА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ОБЪЕКТА
(21) Номер заявки: a 20110268
(22) 2011.03.02
(43) 2012.10.30
(71) Заявитель: Общество с ограниченной
ответственностью "Сенсотроника" (BY)
(72) Авторы: Асимов Рустам Мустафьевич; Минченя Владимир Тимофеевич;
Степаненко Дмитрий Александрович
(BY)
BY 16650 C1 2012.12.30
BY (11) 16650
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Сенсотроника" (BY)
(56) RU 2177612 C2, 2001.
BY 5202 U, 2009.
RU 2145797 C1, 2000.
RU 2206087 C2, 2003.
SU 1420517 A1, 1988.
GB 2437547 A, 2007.
(57)
1. Система для акустической томографии объекта, содержащая по меньшей мере одно
снабженное пьезоактивным элементом устройство для возбуждения в контролируемом
объекте волн Лэмба и по меньшей мере одно снабженное пьезоактивным элементом
устройство для регистрации и преобразования указанных волн, а также соединенное с
указанными устройствами средство управления и обработки информации, отличающаяся
тем, что каждое из указанных устройств соединено со средством управления и обработки
информации беспроводной линией связи, содержит датчик положения на поверхности
объекта и выполнено с возможностью перемещения по этой поверхности независимо от
остальных указанных устройств при подаче напряжения на указанный пьезоактивный
элемент.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждое из указанных устройств выполнено в виде микроэлектромеханической системы.
3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждое из указанных устройств выполнено с возможностью беспроводного соединения с остальными указанными устройствами в динамическую сенсорную сеть.
Фиг. 1
BY 16650 C1 2012.12.30
Изобретение относится к визуализации внутреннего строения объектов с помощью
акустических волн, в частности к системе для акустической томографии объекта.
Волны Лэмба широко используются для неразрушающего контроля объектов, состоящих из элементов в виде пластин, например фюзеляжа самолетов или космических летательных аппаратов, и позволяют установить наличие дефектов в виде отслоений, коррозии
и т.п. Точное положение и размеры дефектов могут быть определены с помощью акустической томографии, в которой регистрация волн производится для ряда относительных
положений источника и приемника. Достоинством использования волн Лэмба является то,
что они могут распространяться на значительные расстояния, что позволяет контролировать области больших размеров. В акустической томографии с помощью волн Лэмба
обычно используется схема расположения источников и приемников, известная как двойная межрешеточная геометрия (double cross-hole geometry) и заимствованная из технологии межскважинной томографии (cross-hole tomography), применяемой в сейсмической
разведке. В межскважинной томографии для исследования геологического строения какой-либо области земной коры производят бурение скважин с двух сторон от этой области. В одной из скважин размещают заряды взрывчатого вещества, а в другой - приемники
сейсмических волн, возникающих в результате взрыва. Регистрацию сейсмических волн
производят для ряда относительных положений заряда и приемника, что позволяет восстановить строение исследуемой области. Применительно к акустической дефектоскопии
роль "скважин" выполняют коммутируемые или фазированные решетки из источников и
приемников волн Лэмба, при этом используют две взаимно перпендикулярные пары параллельных решеток, размещенных по сторонам квадратной области, что объясняет смысл
термина "двойная геометрия".
В технике известна система для акустической томографии объекта, содержащая средство управления и обработки информации и связанные с ним по меньшей мере одно
устройство для возбуждения волн Лэмба в объекте и по меньшей мере одно устройство
для регистрации и преобразования возбужденных в объекте волн Лэмба, в которой каждое
устройство для возбуждения содержит источник акустических волн, а каждое устройство
для регистрации и преобразования содержит приемник акустических волн [1].
Недостатками данного устройства являются отсутствие мобильности и автономности
системы: устройство для возбуждения и устройство для регистрации и преобразования
волн Лэмба статически устанавливаются на поверхности объекта и, как правило, связаны
со средством управления и обработки информации посредством проводной линии связи.
При исследовании больших по размерам объектов неизбежно возникает необходимость
ручной переустановки устройства для возбуждения и устройства для регистрации и преобразования волн Лэмба на поверхности объекта, что может вызывать проблемы в случае
контроля труднодоступных участков поверхности, а также при контроле объектов, прямой
контакт с которыми может представлять опасность для жизни и здоровья людей, например
атомных реакторов, оборудования для производства токсичных веществ и т.п. Использование проводной линии связи налагает ограничения на размеры области пространства, в
пределах которой могут находиться устройство для возбуждения и устройство для регистрации и преобразования волн Лэмба относительно средства управления и обработки
информации, что ограничивает возможности контроля больших по размерам и удаленных
объектов.
В качестве аналога заявляемой системы может быть принята система для акустической томографии объекта, содержащая средство управления и обработки информации и
связанные с ним по меньшей мере одно устройство для возбуждения волн Лэмба в объекте и по меньшей мере одно устройство для регистрации и преобразования возбужденных в
объекте волн Лэмба, выполненные с возможностью их независимого перемещения по поверхности объекта с помощью соответствующего средства перемещения, причем каждое
2
BY 16650 C1 2012.12.30
устройство для возбуждения и каждое устройство для регистрации и преобразования содержит датчик положения на поверхности объекта и средство беспроводного обмена информацией, каждое устройство для возбуждения содержит источник акустических волн, а
каждое устройство для регистрации и преобразования содержит приемник акустических
волн [2].
Недостатком аналога является конструктивная сложность его элементов, ограничивающая возможность их миниатюризации.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является
устройство, содержащее акустический блок для контроля состояния металла, содержащий
как минимум два преобразователя поверхностных волн, при этом призма излучающего
преобразователя снабжена тремя дополнительными пьезопластинами, одна из которых
расположена симметрично излучающей пьезопластине относительно плоскости, проходящей через точку ввода волн в изделие и перпендикулярной рабочей и боковым поверхностям призмы, а две другие расположены симметрично друг другу относительно той же
плоскости, при этом одна из них является излучателем, а другая приемником ультразвуковых волн Лэмба, и точки ввода волн в изделие всех пьезопластин совпадают, а призма
другого преобразователя снабжена одной дополнительной пьезопластиной, являющейся
приемником волн Лэмба и имеющей ту же точку ввода, что и пьезопластина, принимающая поверхностные волны, при этом пьезопластины, принимающие и излучающие одинаковый тип волн, расположены на одинаковом расстоянии от точек ввода волн в изделие и
по меньшей мере одно снабженное пьезоактивным элементом устройство для регистрации
и преобразования указанных волн, а также соединенное с указанными устройствами средство управления и обработки информации [3].
Недостатком прототипа является конструктивная сложность его элементов, ограничивающая возможность их автономности и миниатюризации.
Задачей изобретения является разработка автономной мобильной системы для акустической томографии, состоящей из конструктивно простых миниатюрных элементов.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемой системе для акустической томографии объекта содержится по меньшей мере одно снабженное пьезоактивным элементом
устройство для возбуждения в контролируемом объекте волн Лэмба и по меньшей мере
одно снабженное пьезоактивным элементом устройство для регистрации и преобразования указанных волн, а также соединенное с указанными устройствами средство управления и обработки информации и каждое из указанных устройств соединено со средством
управления и обработки информации беспроводной линией связи, содержит датчик положения на поверхности объекта и выполнено с возможностью перемещения по этой поверхности независимо от остальных указанных устройств при подаче напряжения на
указанный пьезоактивный элемент.
Совмещение источника акустических волн устройства для возбуждения волн Лэмба в
объекте и приемника акустических волн устройства для регистрации и преобразования
возбужденных в объекте волн Лэмба со средствами перемещения соответствующих
устройств позволяет упростить конструкцию элементов системы и миниатюризировать
их. В частном варианте реализации устройства для возбуждения и устройства для регистрации и преобразования волн Лэмба могут изготавливаться с помощью технологий
микросистемной техники и представлять собой микроэлектромеханические системы
(МЭМС) либо могут содержать элементы, изготовленные методами микросистемной техники.
Миниатюрность, мобильность и автономность устройств для возбуждения и устройств
для регистрации и преобразования волн Лэмба позволяют производить контроль труднодоступных участков поверхности объекта, например контроль внутренних поверхностей,
3
BY 16650 C1 2012.12.30
а также выполнять дистанционно управляемый контроль, что особенно важно в случае
потенциально опасных и больших по размерам объектов.
Под пьезоактивным элементом может пониматься как пьезоэлектрический элемент,
так и другие типы элементов, имеющие возможность преобразования электромагнитной
энергии в механические колебания и обратно, например магнитострикционные элементы.
Возможность работы пьезоактивного элемента в режимах прямого и обратного преобразования позволяет использовать конструктивно идентичные устройство для возбуждения
и устройство для регистрации и преобразования волн Лэмба. Перемещение этих устройств
может производиться с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Возбуждение
волн также может осуществляться на основе обратного пьезоэлектрического эффекта, а их
регистрация и преобразование - на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. Таким
образом, при подаче на пьезоэлемент электрического напряжения он может выполнять
функцию средства перемещения (пьезоэлектрического привода) или функцию источника
акустических волн, а при воздействии на тот же пьезоэлемент механических напряжений
он может выполнять функцию приемника акустических волн.
Возможность использования пьезоактивных элементов в качестве средства перемещения хорошо известна из уровня техники. В частности, известны многочисленные варианты движущихся систем на основе пьезоэлектрических (ультразвуковых) двигателей [4].
Датчики положения устройств для возбуждения и устройств для регистрации и преобразования волн Лэмба на поверхности объекта могут представлять собой любые миниатюрные датчики перемещений, например датчики, используемые в оптических мышах.
Наличие этих датчиков необходимо для координатной привязки положений дефектов относительно связанной с поверхностью объекта координатной системы, а также для контроля взаимного положения устройств для возбуждения и устройств для регистрации и
преобразования волн Лэмба.
Устройства для возбуждения и устройства для регистрации и преобразования волн
Лэмба могут организовывать на поверхности объекта динамические сенсорные сети (также известные под названием smart dust или "умная пыль"), элементы которых могут обмениваться между собой, а также со средством управления и обработки информации
энергией и информацией по беспроводным линиям связи, например, с помощью радиочастотных или оптических средств передачи энергии и информации.
Один из предпочтительных вариантов реализации заявляемой системы для акустической томографии объекта рассматривается далее со ссылками на позиции чертежей. На
чертежах изображены:
фиг. 1 - внешний вид устройства для возбуждения волн Лэмба в объекте;
фиг. 2 - схема системы для акустической томографии объекта.
Представленное на фиг. 1 устройство для возбуждения волн Лэмба в объекте состоит
из пьезоактивного элемента, выполненного в виде биморфной пьезоэлектрической пластины 1, создающей колебания в опорных элементах 2. Контактное взаимодействие опорных элементов 2 с поверхностью объекта приводит к их относительному перемещению. С
другой стороны, контактное взаимодействие механических волноводов с контролируемой
поверхностью является известным методом возбуждения и регистрации волн Лэмба в неразрушающем контроле [5, 6, 7]. Устройство также содержит средство беспроводного обмена информацией, выполненное в виде индукционной катушки 3, и датчик положения на
поверхности объекта (на фиг. 1 не виден, так как расположен под пьезоэлектрической
пластиной 1). Как отмечалось выше, идентичное по конструкции устройство может использоваться для регистрации и преобразования возбужденных в объекте волн Лэмба.
Представленная на фиг. 2 система для акустической томографии объекта содержит совокупность устройств 1 для возбуждения волн Лэмба в объекте и устройств 2 для регистрации и преобразования возбужденных в объекте волн Лэмба. Совокупность устройств
4
BY 16650 C1 2012.12.30
для возбуждения и устройств для регистрации и преобразования волн Лэмба организует
на поверхности объекта 3 динамическую сенсорную сеть, элементы которой обмениваются между собой, а также со средством управления и обработки информации, выполненным в виде портативного компьютера 4, энергией и информацией по беспроводным
линиям связи 5, например, с использованием технологии Wi-Fi. На фиг. 2 изображена
часть (элементарная ячейка) сенсорной сети, содержащая шесть устройств 2 для регистрации и преобразования возбужденных в объекте волн Лэмба и одно устройство 1 для возбуждения волн Лэмба в объекте. В частном варианте реализации сенсорная сеть,
состоящая из таких элементарных ячеек, может покрывать всю поверхность объекта 3, в
связи с чем говорится о множестве (совокупности) устройств 1 для возбуждения волн
Лэмба в объекте и устройств 2 для регистрации и преобразования возбужденных в объекте
волн Лэмба.
Система работает следующим образом. Устройства 1 для возбуждения волн Лэмба в
объекте возбуждают в объекте 3 волны Лэмба, которые регистрируются устройствами 2
для регистрации и преобразования возбужденных в объекте волн Лэмба и преобразуются
ими в электрические сигналы, которые передаются к портативному компьютеру 4 по беспроводным линиям связи 5. Данная процедура повторяется для ряда положений устройств
1 для возбуждения волн Лэмба в объекте и устройств 2 для регистрации и преобразования
возбужденных в объекте волн Лэмба относительно поверхности объекта 3, для чего производится перемещение указанных устройств по поверхности объекта 3. Сигналы управления перемещением поступают от портативного компьютера 4 по беспроводным линиям
связи 5, а величина и направление перемещений контролируются с помощью датчиков
положения устройств 1 для возбуждения и устройств 2 для регистрации и преобразования
волн Лэмба на поверхности объекта 3. Принятые от устройств 2 для регистрации и преобразования волн Лэмба электрические сигналы в совокупности с соответствующими им
координатами устройств 1 для возбуждения и устройств 2 для регистрации и преобразования волн Лэмба относительно поверхности объекта 3 используются для определения
положения и конфигурации дефектов объекта 3 с помощью любых известных методов
решения обратных задач акустической томографии [1].
Источники информации:
1. Leonard K.R., Malyarenko E.V., Hinders M.K. Ultrasonic Lamb wave tomography //
Inverse Problems. - Vol. 18. - 2002. - P. 1795-1808.
2. Wilson W.C., Atkinson G.M. Concept for a micro autonomous ultrasonic in strument
(MAUI) // NDT.net - The e-Journal of Nondestructive Testing. - Vol. 9. - No. 08. - 2004.
3. Патент RU 2177612 C2, МПК G 1N 29/18, 2001.
4. Минченя В.Т., Степаненко Д.А., Кундас С.П., Гишкелюк И.А., Циммерманн К.
Применение метода конечных элементов для моделирования движущихся систем на основе вибрационных пьезоэлектрических приводов // Материалы, технологии, инструменты. Т. 15. - № 2. - 2010. - С. 5-8.
5. Degertekin F.L., Khuri-Yakub B.T. Hertzian contact transducers for nondestructive evaluation // Journal of the Acoustical Society of America. - Vol. 99. - 1996. - P. 299-308.
6. Патент RU 2145797 C1, МПК A 61B 8/08, A 61B 8/14, 2000.
7. Патент RU 2206087 C2, МПК G 01N 29/04, 2003.
5
BY 16650 C1 2012.12.30
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
493 Кб
Теги
16650, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа