В последние годы наблюдается значительное развитие методов дефектоскопии, сопровождающееся рядом методологических и практических трудностей. Основной проблемой является недостаточная восприимчивость специалистов к новым, нетрадиционным способам получения данных о поверхностных и внутренних дефектах материалов. Надежность результатов дефектоскопии определяется множеством факторов, включая качество исходных данных и компетентность оператора. Например, ультразвуковая дефектоскопия, несмотря на свою высокую информативность, требует тщательной верификации полученных данных. Для этого необходимы квалифицированные специалисты, обладающие специализированным оборудованием для ультразвукового контроля, а также навыки правильной подготовки поверхности и выбора оптимальных параметров введения ультразвуковых волн. В результате, стандартная ультразвуковая методика обеспечивает точность лишь в пределах 55–60%.
Одним из перспективных и высокоточных методов дефектоскопии является акустическая эмиссия, демонстрирующая эффективность в диапазоне 96–98% и не требующая дополнительного подтверждения наличия дефектов. Принцип работы данного метода заключается в генерации звуковых волн в материале при воздействии на него различными механическими нагрузками (сжатие, растяжение, изгиб и т.д.), которые затем регистрируются специализированными датчиками. Акустическая эмиссия позволяет оперативно и с высокой степенью точности выявлять дефекты в различных типах материалов, что делает её незаменимым инструментом в современных исследованиях и производстве.
Во второй половине XX века перед исследователями в области сенсорики возникла задача разработки высокочувствительных СВЧ сенсоров для мониторинга сигналов акустической эмиссии. Однако, прямая фазовая регистрация амплитуды этих сигналов оказалась технически неосуществимой. Минимальный полезный сигнал, генерируемый СВЧ сенсорами, достигал уровня 1-2 микрометров, что на два порядка превышало амплитуду сигналов акустической эмиссии, составляющую 20-50 нанометров, фиксируемую контактными пьезоэлектрическими сенсорами. Этот парадокс вызвал значительные затруднения в интерпретации данных и привел к формулировке гипотезы о принципиальной невозможности регистрации сверхмалых колебаний металлических поверхностей с использованием сверхвысоких радиочастотных сигналов.
Решение этой научной головоломки было достигнуто благодаря фундаментальному открытию, совершенному российскими специалистами. В рамках исследования механизмов отражения высокочастотных сигналов с частотой порядка 10 миллиардов герц от металлических поверхностей, было обнаружено, что в спектре отраженного сигнала отсутствуют ультразвуковые компоненты в диапазоне частот от 20 000 до 25 000 герц. Аналогичные результаты были получены и в ходе независимых исследований, как в России, так и за рубежом, что позволило существенно расширить научные представления в данной области. Эти результаты не только подтвердили гипотезу о невозможности прямой фазовой регистрации сигналов акустической эмиссии с использованием СВЧ технологий, но и предложили новый вектор для дальнейших исследований в области сенсорики и диагностики материалов. В результате, влияние фазовой составляющей в СВЧ сигнале от слабых колебаний поверхности, было исключено.
В ходе дальнейших исследований было выдвинуто предположение о том, что воздействие ультразвуковых волн на металлические структуры может приводить к модификации их поверхностной проводимости. В частности, при изменении объема и давления в локализованных областях вырожденного электронного газа, возможно возникновение электрического поля, что может оказывать влияние на электрические характеристики материала.
Для экспериментального подтверждения данной гипотезы была использована металлическая пластина из стали марки Ст4, подвергнутая воздействию ультразвуковых волн с частотным диапазоном от 20 до 27 килогерц (кГц) и плотностью мощности в пределах 15-20 ватт на квадратный сантиметр. Для генерации и контроля ультразвуковых волн применялась специализированная ультразвуковая испытательная машина, обеспечивающая высокую точность и воспроизводимость результатов. Для регистрации изменений, вызванных ультразвуковым воздействием, было разработано измерительное устройство, позволяющее фиксировать электрические сигналы с высокой степенью точности. В качестве регистрирующего прибора использовался анализатор сигналов модели СК 54, который позволял визуализировать полезный сигнал с амплитудой в диапазоне от 200 до 250 милливольт. Частота данного сигнала полностью соответствовала частоте ультразвуковых волн, что свидетельствует о его прямом корреляционном взаимодействии с деформационными процессами в металлической пластине.
Таким образом, полученные результаты подтверждают предположение о том, что ультразвуковое воздействие может вызывать изменения в электрических характеристиках металлической пластины, обусловленные ее деформацией. Эти данные открывают новые перспективы для дальнейших исследований в области ультразвуковой диагностики материалов и могут быть использованы для разработки новых методов обработки и улучшения эксплуатационных свойств металлических конструкций.
На основе исследования эффекта модуляции СВЧ-поля металлической поверхностью, который позволяет нивелировать влияние фазовой составляющей сигнала, обусловленной ее смещением из-за ультразвуковых колебаний, наши ученые разработали инновационный высокочастотный диагностический прибор. Этот прибор функционирует на частоте 33 гигагерц и характеризуется исключительно низким уровнем шума. Его СВЧ-излучатель может быть установлен на расстоянии от 70 до 180 мм от металлической поверхности. Прибор защищен тремя патентами и обладает высокой точностью обнаружения мелких дефектов размером менее 30-40 нанометров, что делает его незаменимым инструментом для неразрушающего контроля.
В 2010г. в компании "Дистанционные Индикаторы Активных Дефектов" (ООО "ДИАД") прибор успешно прошел испытания для проверки железнодорожных колес. Он позволяет выявлять трещины в колесах, диагностировать проскальзывание колеса на оси и восстанавливать его чувствительность с помощью теплового воздействия. Время обнаружения дефекта составляет всего 0,5-1 секунд, что значительно превосходит существующие методы, требующие от нескольких минут до нескольких часов.
В рамках этого исследования была задействована одна из установок ДИАД, оснащенная СВЧ сенсором рабочей частоты 9,8 ГГц, источником ультразвуковых колебаний с интегрированным пьезопреобразователем и регистрирующей аппаратурой, включающей анализаторы спектра моделей СК4-59 и производства компаний РОДЕ и ШВАРЦ. Также был применен имитатор активных дефектов для калибровки СВЧ сенсора по дальности. Эти компоненты были использованы для получения экспериментальных данных. Волноводные секции СВЧ сенсора были изготовлены из латуни, затем подвергнуты полировке и нанесению серебряного покрытия толщиной не менее 20 микрон. Обе секции — генераторная и смесительная — дополнительно оснащены рупорными излучателями из меди, имеющими площадь раскрыва 25×25 мм и длину 50 мм. Сигнал, принятый на выходе смесительного диода, предварительно обрабатывался усилителем-демодулятором. Частота генератора составляла 9,8 ГГц, а выходная мощность не превышала 50 мВт. Для упрощения процесса настройки на исследуемую поверхность, использовались лучи двух полупроводниковых лазеров, формирующие эллиптическую область размером 2×3 мм на расстоянии 180 мм от раскрыва рупоров, что соответствует рабочему расстоянию дефектоскопа. Настройка СВЧ преобразователя-сенсора осуществлялась с помощью специально разработанных устройств: «Модулятора Проводимости», работающего на частоте 100 Гц, и «Имитатора активных дефектов», функционирующего на частотах 44 и 74 Гц. Мгновенный обзор СВЧ полем представляет собой эллипс с размерами 30×32 мм на дальности 120–140 мм.
Разработанный прибор представляет собой значительный шаг вперед в области высокочастотной диагностики и демонстрирует высокий потенциал для применения в различных отраслях промышленности, где требуется точное и оперативное обнаружение дефектов.
Информация представлена по мотивам статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnost-defektoskopii-metallicheskih-detaley-svch-polem