Контрольные измерения и оценка погрешностей экспериментальных данных.

Для оценки точности измерений скорости распространения ультразвуковых волн на описанной выше акустической установке был проведен теоретический анализ величины погрешности экспериментальных измерений, определяемой суммой систематической и случайной погрешностей.

Систематическую относительную погрешность измерений скорости ультразвуковых волн в образце, определяется погрешностями измерительных и индикаторных приборов, можно рассчитать по упрощенной формуле:

. (3.13)

где абсолютные погрешности измерений параметров для типичных исследуемых образцов, соответственно равны:

; ; , .

Здесь, величина времени задержки в звукопроводах для всех измерений является постоянной величиной, которая определяется материалом и длиной волноводов УЛЗ-1 и УЛЗ-2 и поэтому в расчете погрешности не учитывается.

Тогда относительная погрешность измерения скорости определится:

,

или в процентах: .

Относительную случайную погрешность измерений скорости ультразвуковых волн в образце, которая в основном определяется точностью установки «нулевого» уровня фазовой компенсации интерферирующих сигналов определяется субъективной погрешностью оператора отсчета частоты ВЧ-колебаний, соответствующая состоянию фазовой компенсации, можно рассчитать по упрощенной формуле:

где абсолютная случайная погрешность измерений частоты фазовой компенсации можно рассчитать методом Гаусса:

параметров для типичных исследуемых образцов, соответственно равны:

; ; , .

,

или в процентах: .

Таким образом, относительная погрешность измерения модуля нормальной упругости для типичного образца выше описанным методом не превышает 3 %.

Для проверки достоверности измерения модуля упругости были проведены калибровочные измерения эталонных образцов с известным модулем упругости – медной и алюминиевой пластин. Результаты измерений приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6.1

металлическая прямоугольные пластина – алюминиевая

№ образца

Длина, , мм

Ширина, , мм

Толщина, , мм

Масса, , г

Плотность,

Частота, , Гц

Па

1-ЭМ

309,5

14,45

0,4

16,0

8,94

металлическая прямоугольные пластина – медная

№ образца

Длина, , мм

Ширина, , мм

Толщина, , мм

Масса, , г

Плотность,

Частота, , Гц

Па

1-ЭМ

309,5

14,45

0,4

16,0

8,94

Таблица 3.7.2

№ Образц.	, мм	, мм	, мм,	кг/м		Па макс.
А1	169,5	13,85	0,64	0,0217	2,449	73,72
А3	169,5	14,18	0,65	0,0218	2,368	70,78
В1	190,5	12,5	0,59	0,0206	2,790	91,33
В2	179,5	12,8	0,61	0,0207	2,654	83,68
С1	220,5	14,75	0,57	0,0225	2,680	100,64
С2	217,5	13,44	0,65	0,0209	2,394	70,45
С3	200,5	17,6	0,58	0,0277	2,711	92,41
С4	201,5	15,77	0,64	0,0255	2,522	77,06
С5	226,	8,16	0,58	0,0126	2,655	91,85
D1	203,	10,25	0,51	0,0155	2,968	71,45
D2	204,5	11,47	0,52	0,0166	2,787	64,7
D3	203,5	10,14	0,54	0,0157	2,862	74,64
F1	202,5	11,2	0,5	0,0170	3,042	91,75
F2	201,5	10,32	0,47	0,0159	3,274	93,3

Расчет в программе «Excel» модуля Юнга в качестве примера для некоторых типичных образцов приведен в табл. 3.7.3

Основным элементом установки является датчик акустической эмиссии ДАЭ-1 и ДАЭ-2. Предусмотрено два варианта – ДАЭ-А и ДАЭ-Б, соответственно для регистрации сигналов АЭ исследуемых деталей цилиндрической и плоской геометрической формы.

Конструктивная схема датчиков ДАЭ приведена на рисунке 7.

ДАЭ-А образован приемником акустических сигналов (ПАС) и предварительным усилителем электрических колебаний (ПУ), которые собраны в одном цилиндрическом корпусе 4 – акустической ячейке, диаметром 28 мм и длиной 65 мм (рисунок 7а). В качестве ПАС используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь 1, с резонансной частотой 7 МГц, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки 6 прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода 2, снабженного поперечным цилиндрическим отверстием 3. К звукопроводу 2 привинчивается полый цилиндрический корпус 4, внутри которого помещен предварительный электронный усилитель 5.

а)

б)

Рисунок 7 – Конструктивная схема датчиков ДАЭ: а) ДАЭ-А; б) ДАЭ - Б.

Вход усилителя подключен к пьезопреобразователю 1 с помощью тонкой токопроводящей прижимной пластинки 6, а выход – к ВЧ-разъему 7, типа СР-50, который ввинчивается в торцевое основание цилиндрического корпуса 4. Предварительный усилитель 5 (ПУ) представляет собой электронный усилитель электрических сигналов с большим входным сопротивлением (R = 1,0 МОм) и малым уровнем собственных шумов [67].

Исследуемый образец вставляется в цилиндрическое отверстие 3 и фиксируется прижимным болтом 8, который одновременно обеспечивает акустический контакт между исследуемым образцом и звукопроводом. Для обеспечения надежного акустического контакта в зазор между исследуемым образцом и звукопроводом вводится небольшое количество смазочной жидкости – машинного масла. Данная конструкция датчика акустической эмиссии обеспечивает надежный акустический контакт пьезопреобразователя с исследуемым образцом и электрическую экранировку преобразователя и предварительного усилителя от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, что существенно повышает чувствительность и снижает уровень собственных шумов ДАЭ-А.

На рисунке 7б приведен второй вариант конструкции датчика акустической эмиссии ДАЭ-Б. Отличительная особенность второго варианта состоит в том, что звукопровод 8 выполнен в виде тонкого ступенчатого диска с плоскопараллельными торцами (на рисунке не показаны). Пьезопреобразователь 1 при помощи тонкой токопроводящей пластинки 6 прижимается к внутренней торцевой поверхности основания звукопровода 2. Крепление ДАЭ-Б к плоскому исследуемому образцу (на рисунке не показан) осуществляется с помощью прижимных винтов 2 и упорной пластины 3. Остальные элементы ячейки ДАЭ-Б идентичны предыдущей конструкции ДАЭ-А.

Такое решение значительно повышает чувствительность датчика акустических сигналов и снижает число ложных «паразитных» сигналов, обусловленных многократным отражением эхо-сигналов от боковых поверхностей звукопровода.

Основными измеряемыми параметрами при проведении экспериментальных исследований акустической эмиссии и локализации микродефектов исследуемых образцов с помощью выше описанной акустической установки является число импульсов АЭ и время задержки импульсов АЭ параллельных каналов с заданным нижним порогом амплитуды, схематическое изображение которых представлено на рисунке 8.