Дипломная работа или дипломный проект На тему «Лазерная установка возбуждения упругих ультразвуковых волн»

Скачать 1.15 Mb.

Название	Дипломная работа или дипломный проект На тему «Лазерная установка возбуждения упругих ультразвуковых волн»
страница	4/10
Тип	Диплом

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Диплом

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Глава 3. КОНСТРУКТИВНО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД

Результаты, полученные при помощи лазерно-ультразвуковой структуроскопии, докладывались на международных конференциях, опубликованы в ведущих научных журналах.

В настоящее время данная методика активно внедряется в отраслевых институтах авиа- космической промышленности, идут работы по адаптации оптоакустических приборов медицинской диагностики к нуждам потребителей.

Исследования лазерно-индуцированных фазовых переходов на импедансной границе металлов. Оптимизации условий лазерной обработки металлов.

Исследование высокоэнергетических состояний и фазовых переходов первого рода индуцированных лазерным излучением представляет большой интерес как с точки зрения получения информации о поведении и свойствах вещества в широком диапазоне температур и давлений, так и для прикладных приложений, в том числе наноструктурирования поверхностей материалов и получения наночастиц, изготовление которых другими способами невозможно (карбиды, нитриды металлов).

Важной фундаментальной задачей является определение критических параметров металлов – экспериментальные данные имеются лишь для ртути и щелочных металлов. По теоретическим оценкам критические температуры и давления большинства металлов по порядку величины составляют 104 К и 104 атм соответственно, что делает невозможным их определение в статических условиях. Этот диапазон режимных параметров соответствует сильно вырожденным состояниям вещества, для которых экспериментальные данные, например по оптическим свойствам, практически отсутствуют.

Поглощение лазерного излучения металлом приводит к значительному нагреву и росту давления в его приповерхностном слое. Для получения околокритических состояний металлов было предложно использовать лазерное облучение импедансной границы, в этом случае металл покрывается слоем прозрачного диэлектрика (например оптического стекла) акустический импеданс которого сравним с акустическим импедансом металла. Использование указанной методики позволяет более чем на два порядка повысить эффективность процесса генерации давления по сравнению со случаем облучения свободной поверхности [2]. При этом появляется возможность получения околокритических состояний металлов на установке настольного типа с энергией в импульсе ~ 1 Дж. Дополнительным преимуществом импедансной границы является предотвращение прозрачным диэлектриком процесса образования плазменного факела у поверхности металла, что дает возможность определения ее температуры по тепловому излучению.

Эффективность индуцирования высокого динамического уровня давления, а следовательно и достижения высокоэнергетических состояний вещества, при импульсном лазерном нагреве определяется соотношением скорости ввода энергии лазерного излучения и скоростью релаксации – разгрузки или сброса давления, которая определяется скоростью звука в среде, поглощающей излучение.

Длительность лазерного импульса должна быть оптимизирована. Проведенные оценки, подтвержденные экспериментально, показывают, что наносекундный диапазон лазерного воздействия на металл является оптимальным, при этом, на установке настольного типа, легко реализуются сверхкритические состояния обрабатываемого материала с высоким уровнем термодинамических параметров: давления Р ~ 1 ГПа и температур Т ~ 104 К и выше. Использование более коротких – пикосекундных лазерных импульсов приводит к нарушению локального термодинамического равновесия, и в этом случае, понятия давления и температуры в их термодинамическом смысле становятся неприменимы. При длинных – миллисекундных импульсах процесс разгрузки становится определяющим, что не позволяет получить высокий уровень динамических давлений.

Для экспериментального исследования лазерно-индуцированных фазовых переходов на импедансной границе металла была создана экспериментальная установка (Рис. 3.1) позволяющая проводить одновременные измерения давления, температуры и отражательной способности поверхности металла с наносекундным временным разрешением.

Рис. 3.1 Схема экспериментальной установки

В работе использовался импульсный Nd:YAG лазер (длительность импульса ~ 10 нс, энергия в импульсе ~ 1 Дж). В качестве тестовых

металлов были использованы свинец и ртуть. Давление на поверхности металла определялось путем регистрации уходящей вглубь образца

акустической волны при помощи пьезоприемника на основе ниобата лития. Падающее, отраженное лазерное излучение регистрировались кремниевыми PIN – диодами с временным разрешением не хуже 1 нс. По указанным данным определялась динамика изменения отражательной способности поверхности на длине волны лазерного излучения. Температура определялась при помощи оптического пирометра с наносекундным временным разрешением. На Рис. 3.2 представлены результаты измерения давления на поверхности ртутной мишени (нормированные импульсы давления (а) иабсолютные значения (б)). Теоретически показано [3], что при малых плотностях энергии падающего излучения импульс давленияповторяет временную форму лазерного импульса. С увеличением плотности энергии наблюдается значительное уширение сигналов, связанное с началом фазового перехода на поверхности образца (кипение – в случае ртути и плавление в случае свинца). По данным одавлении и температуре (Рис. 3.3) на поверхности мишени была построена диаграмма лазерного нагрева ртути в координатах давление-температура (Рис. 13.4, кривые 3, 5). В ходе экспериментов, как в случае свинца, так и в случае ртути наблюдалось значительное падение отражательной способности поверхности – более чем в 5 раз относительно первоначального значения (Рис. 3.5).

Рис. 3.2 Временные зависимости давления на поверхности ртутной мишени.

Рис. 1.3 Временные зависимости температуры на поверхностиртутной мишени

Рис. 1.4 Кривая процесса лазерного нагрева ртути в координатах давление-температура (P-T)

3.2 ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИООБЪЕКТОВ

Знание параметров поглощения света в кровесодержащих тканях актуально для лазерной медицины, интеллектуальных систем лазерной хирургии и т.д. Поэтому знание оптических параметров крови (таких как коэффициенты поглощения и рассеяния света на различных длинах волн лазерного излучения) становится критичным в таких областях лазерной медицины как оптическая томография, фотодинамическая терапия, лазерно-индуцированная термотерапия, терапия пигментированных образований и т.д. Исследования коэффициента затухания света в образцах крови проводились методом лазерной оптико-акустической спектроскопии. Данный метод особенно перспективен для исследования сильно рассеивающих и поглощающих сред. Суть метода лазерной оптико- акустической спектроскопии основан на оптико-акустическом эффекте: лазерный импульс, поглощаясь в исследуемой среде, приводит к возбуждению акустических сигналов. Профиль возбуждаемых акустических сигналов определяется оптическими параметрами среды [1]. Регистрация профиля акустических сигналов при помощи широкополосного пьезо- приемника с высоким временным разрешением позволяет получить информацию об оптических свойствах исследуемой среды. Были проведены измерения коэффициента затухания света цельной (неразбавленной крови) для длин волн лазерного излучения 532, 757 и 1064 нм. Поскольку коэффициент затухания света в крови зависит от полного содержание гемоглобина и процента присоединенного к гемоглобину кислорода, то появляется возможность оценки этих параметров методом оптико-акустической спектроскопии. В лазерной оптоакустической спектроскопии (ЛОАС) лазерные импульсы используются для возбуждения широкополосных акустических сигналов в исследуемой среде. Регистрации профиля возбуждаемых таким образом оптоакустических сигналов (ОА-сигналов) с высоким временным разрешением позволяет получать информацию об оптических свойствах исследуемой среды. Особенно перспективно применение ЛОАС для исследования сильно рассеивающих биотканей. По регистрируемому ОА-сигналу могут быть определены коэффициент поглощения, затухания и приведенный коэффициент рассеяния света [1-4]. При использовании нескольких длин волн пробного излучения, возможно получение спектров оптических коэффициентов. Основной схемой регистрации возбуждаемых ОА-сигналов, применяемой в ЛОАС, является регистрация в режиме «на просвет». При этом возбуждение ОА-сигналов и их регистрация проводятся на противоположных поверхностях среды.

Рис. 3.2.1 Схема лазерной оптико-акустической спектроскопии. 1 - лазер; 2 - делительная пластина; 3 – фотодиод; 4 –гомогенизатор; 5 - делительная

пластина; 6 - измеритель плотности лазерной энергии; 7 - стеклянная поворотная призма; 8 – кювета с исследуемым раствором; 9 - оптико-акустическая ячейка; 10 – осциллограф. В лазерной оптико-акустической спектроскопии лазерной излучение от ND:YAG лазера с модуляцией добротности 1 направляются на делительную пластину 2 и частично (~ 8%) отводятся на фотодиод 3. Сигнал с фотодиода используется для контроля формы лазерного импульса и синхронизации работы системы. Излучение, прошедшее пластину 2, далее проходит через гомогенизирующую пластину 4, которая используется для создания гладкого гауссовского поперечного распределения интенсивности в лазерном пятне. Далее часть излучения (~ 8%) отводится делительной пластиной 5 на измеритель энергии 6, снабженной калиброванной диафрагмой, что позволяет контролировать плотность энергии лазерного излучения в каждом импульсе. При помощи поворотной призмы 7 лазерное излучение направляется на кювету с исследуемым раствором 8. Возбуждаемый оптико-акустический сигнал регистрируется оптико-акустической ячейкой 9. Электрический сигнал с оптико-акустической ячейки 9 подается на осциллограф 10. Далее полученный оптико-акустический сигнал обрабатывается на персональном компьютере. Импульсное излучение ND-YAG лазера на трех различных длинах волн λ=1064 nm, 532 nm и 355 nm использовалось для исследования оптических коэффициентов крови. Пример одной из полученных зависимостей приведен на рис. 2.2. При помощи данной экспериментальной установки были получены следующие результаты:

3.3. Основные понятия акустико-эмиссионных систем

Аппаратуру АЭ контроля по сложности разделяют на системы и приборы. Системы АЭ являются многоканальными устройствами, представляющими собой совокупность аппаратных средств, вычислительных устройств и специализированного программного обеспечения, включающие как специализированные процессоры, так и универсальные ЭВМ. [12]. Они являются программным комплексом для регистрации, обработки и анализа акустико-эмиссионных сигналов. Система построена по принципу параллельной многоканальной цифровой регистрации параметров АЭ сигналов. Каналы регистрации акустико-эмиссионных сигналов идентичны по своим техническим характеристикам и включают:

– преобразователь (датчик) АЭ сигналов;

– предварительный усилитель АЭ сигналов;

– цифровой блок регистрации и измерения параметров АЭ сигналов.

Неотъемлемой частью АЭ-системы является персональный компьютер, с помощью которого осуществляется управление компонентами системы, а также обработка, анализ и графическое отображение поступающей информации об испытуемом объекте.
Приборы АЭ подразделяются на – одноканальные, двухканальные, четырёхканальные и многоканальные. По месту использования аппаратных средств они классифицируются на лабораторные и полевые. По способу использования – подразделяются на стационарные, мобильные и переносные. По области применения – универсальные и специализированные. По классу аппаратные средства АЭ контроля разделяются на четыре класса, в соответствии с объёмом получаемой при АЭ контроле информации. [41]

Аппаратура первого класса – аппаратура, обеспечивающая выделение, обработку, представление и классификацию источников АЭ в полном соответствии с правилами АЭ контроля РД 03-131-97.[14] К этой аппаратуре относится универсальная АЭ-система.

Аппаратура второго класса – аппаратура, которая не обеспечивает выделение, обработку, представление и классификацию источников АЭ по одному или нескольким, но не более чем 25% параметров, указанных в РД. К этому классу относятся приборы АЭ широкого применения.

Аппаратура третьего класса – аппаратура, не обеспечивает выделение, обработку, представление и классификацию источников АЭ по 25–50% параметров, указанных в РД. К данному классу относятся специализированные приборы АЭ.

Аппаратура четвёртого класса – аппаратура, которая не обеспечивает выделение, обработку, представление и классификацию источников АЭ, более чем на 50% параметров. К данному классу относится узкоспециализированные приборы АЭ.

Кроме перечисленных выше систем классификации аппаратуры АЭ, она иногда разделяется на несколько условных групп в зависимости от функционального назначения и сложности выполнения. К основным группам относятся: многофункциональные приборы лабораторного и производственного применения, системы АЭ контроля.

3.4. Принцип работы акустико-эмиссионной системы

Регистрация параметров АЭ сигналов активных источников начинается с преобразования акустических сигналов в электрические, посредством пьезоэлектрического преобразователя. Сигналы акустической эмиссии, преобразованные датчиками АЭ и усиленные предварительными усилителями, поступают на соответствующие входы цифровых каналов регистрации акустической эмиссии. После соответствующего согласования параметров полученного сигнала в аналоговом блоке (согласующий усилитель и фильтр нижних частот) с входными параметрами аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производится преобразование сигнала в цифровую форму с частотой дискретизации 10 МГц. Полученные данные уже в цифровой форме поступают в специальный блок обработки события, где происходит непрерывное сравнение абсолютного значения поступающего сигнала со значением порога дискриминации, который задаётся оператором и хранится в этом же блоке. Как только текущее значение абсолютной величины сигнала превысит предустановленный порог дискриминации, начинается запись поступающего в цифровой форме сигнала акустической эмиссии в буферную память блока обработки события. Также в специальном таймере фиксируется время наступления события с точностью до 1 мкс. Полученные таким образом цифровые данные обрабатываются сигнальным процессором, который вычисляет параметры события:

– максимальную амплитуду АЭ сигнала;

– число импульсов;

– общую энергетическую характеристику АЭ сигнала;

– значение энергии АЭ сигнала в каждой из четырех полос частот, задаваемых оператором.
Вычислив параметры произошедшего события, сигнальный процессор формирует блок информации, характеризующий поступившее в канал событие, выставляет сигнал готовности данных для системного контроллера и ожидает считывания этих данных контроллером (в зависимости от настроек, сделанных оператором, в блок информации об АЭ-событии включается и оцифрованный сигнал). По завершении считывания блока информации системным контроллером сигнальный процессор возобновляет цикл ожидания и обработки события.

Системный контроллер является связующим звеном, обеспечивающим обмен информацией между управляющим компьютером и цифровыми каналами регистрации АЭ. Блоки информация об АЭ-событиях, регистрируемые во всех включённых каналах, передаются в компьютер по интерфейсу USB2.0 или ECP, встроенному в системный контроллер.

Управляющий компьютер во время проведения испытания объекта постоянно накапливает информацию о событиях, регистрируемых цифровыми каналами акустико-эмиссионной системы, сохраняет эту информацию на жёстком диске для последующей обработки, вычисляет координаты источников АЭ на поверхности объекта и отображает поступающую информацию на дисплее компьютера в реальном времени.

Структурная схема работы АЭС

Принцип построения АЭ-Системы в соответствии со схемой получения информации определяет структуру аппаратуры и её параметры. АЭ-система должна содержать: преобразователи АЭ, предварительные (предусилители) и основные усилители, а также средства индификации и обработки сигналов, включая пороговые устройства, устройства выделения и измерения параметров сигналов АЭ, устройства регистрации и представления информации (блоки обработки сигналов АЭ).

Приборный блок

БОС

1

БОС

18

· · · · · ·
КОМПЬЮТЕР

Интегральные

преобразователи АЭ

Кабельные линии

Входы

дополнит.

параметров

Магистраль приборного блока

БУМ

Интерфейс USB 2

Рис. 3.5.1. Структурная схема АС-системы (18 каналов)
Аппаратура имеет модульную структуру с независимым принципом организации измерительных каналов. Каждый АЭ канал содержит: акустический преобразователь, предварительный усилитель (БПУ), который может быть встроен в корпус приёмника, коаксиальную кабельную линию и блок обработки сигналов (БОС), обеспечивающий дополнительное усиление и частотную фильтрацию, оцифровку и вычисление параметров АЭ сигналов. БОС осуществляют также буферизацию данных и передачу их через последовательный интерфейс.

Рис. 3.5.2. Структурная схема АЭ-системы (32 канала)
Сигналы с акустических приёмников, установленных на контролируемом объекте, поступают на расположенные вблизи от них блоки предварительного усиления (БПУ) оснащенные сменными активными полосовыми фильтрами. Усиленные сигналы передаются по кабельным линиям (длинной до 300 м) на входы блоков обработки сигналов.

На лицевых панелях установлены разъёмы аналоговых входов и выходов, а также светодиоды индикации превышения порогового уровня.

В задней части приборных каркасов расположены блоки питания, обеспечивающие электрическое питание блоков БОС и БПУ от сети переменного тока напряжением 220В. Блоки питания выполнены по линейной схеме и составляют единое целое с задней панелью прибора. Для регистрации вспомогательных параметров (давление, температура и др.) в АЭсистеме используется блок управления (БУМ). В БУМ расположены сигнализатор превышения сигналами пороговых уровней в АЭ каналах и световые индикаторы контроля питания (КП) и наличия тактовых импульсов (ТИ) в магистрали приборного блока.

В состав электронных блоков, входят также вспомогательные блоки, расположенные в 8 и 16-канальных приборных каркасах – блоки индикации (БИ), и дополнительно – блок связи (БС), расположенный только в 8-ми канальном каркасе. БИ имеет световую индикацию включения питания и индикацию тактовых импульсов последовательной магистрали каркаса, сигнализирующую о начале обмена данными между блоками БОС и блоком БУМ. Кроме того, в блоке помещён усилитель для приёма параметрических сигналов. Питание на этот усилитель подаётся с помощью отдельного выключателя расположенного на задней панели приборного каркаса или в блоке БС. Блок связи используется для альтернативного подключения аппаратуры к компьютеру через его параллельный порт.

В зависимости от назначения АЭ-система оснащается компьютером в обычном или малогабаритном, промышленном или полевом исполнении.

3.5. Применение акустико-эмиссионных систем

Акустико-эмиссионные системы неразрушающего контроля применяются во всех опасных отраслях промышленности: в таких как Нефтегазовая и Химическая промышленность; Трубопрокатные и Металлургические предприятия; Тепловая и Атомная энергетика; Железнодорожный транспорт; Подъёмные сооружения; Мостовые конструкции; Авиационно-космическая техника; Бетонные и железобетонные сооружения.

АЭ-системы предназначены для обнаружения, локализации и регистрации источников акустической эмиссии (АЭ) с целью контроля состояния потенциально опасного оборудования, работающего под нагрузкой, в соответствии с РД-03-131-97 Ростехнадзора «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов» [14] и другими нормативными документами, регламентирующими применение АЭ метода контроля.

АЭ-система может быть использована для контроля магистральных и технологических трубопроводов, ёмкостного, колонного, реакторного, теплообменного оборудования химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, сосудов под давлением, резервуаров нефтепродуктов, элементов оборудования энергоблоков АЭС. Типовыми объектами АЭ контроля являются также котлы, изотермические хранилища, цистерны, подъёмные краны, мосты, несущие конструкции, буровые платформы, трансформаторы, транспорт.

АЭ-система позволяет обнаруживать развивающиеся трещины, коррозию, дефекты сварки, расслоения, включения, течи в различных материалах: металлах, композитах, керамике, бетоне.

АЭ метод применяется для периодического диагностирования оборудования как в рабочем режиме, так и при испытаниях на прочность. При гидро и пнево испытаниях АЭ контроль используется для предотвращения разрушения оборудования.