Диссертация (1143290), страница 23
Текст из файла (страница 23)
При переходе с определенным периодом длинных электромагнитных импульсов с линейной частотой модуляции 2от измерителя комплексных коэффициентов передачи 1 к ПАВ преобразователю 3ПАВ начинают излучать с различными частотами. Эти волны, распространяющиеся вдоль поверхности сапфира, отражаются от дефектов 5 и снова возвращаются кпреобразователю 3. Далее они преобразовываются в электромагнитный сигнал идостигают измерителя комплексных коэффициентов передачи 1, на котором осуществляется измерение коэффициента отражения S11.Исследования сапфира проводились с помощью прибора ИККП «Обзор-103»в лаборатории механики и физики новых материалов и устройств Института математики, механики и компьютерных наук им. Воровича И.И. Прибор измеряет параметр S11 клинообразного преобразователя ПАВ, состоящего из треугольнойпризмы из плексигласа и пьезокерамического диска толщиной 1 мм и диаметром1 см (рисунок 4.3), который излучает объемные волны в плексиглас.147а)б)Рисунок 4.3 – Исследуемый образец (а) и возбуждение поверхностных акустических волн с помощью клинообразного преобразователя (б)На рисунке 4.4 показана частотная зависимость комплексного коэффициентаS11 для различных расстояний от дефекта и Фурье-преобразования измеренной зависимости частоты (рисунок 4.5).a)б)Рисунок 4.4 – Типичные зависимости коэффициента отражения S11 от частоты в сапфировом образце: а) расстояние от дефекта равно 10 см; б) расстояние отдефекта равно 65 смВ переданном электромагнитном сигнале и в сигнале, отраженном от входа(выхода) ПАВ преобразователя, происходит интерференция, приводящая к появ148лению многочисленных максимумов и минимумов параметра S11 в зависимости отчастоты (рисунок 4.4).
Пределы частоты задаются частотой импульса с линейнойчастотной модуляцией. Расстояние между максимумами и минимумами ΔS зависит от амплитуды отраженной ПАВ (большее отражение ПАВ от дефекта определяет большее значение ΔS). Расстояние между соседними максимумами и минимумами Δf зависит от расстояния между дефектами, от которых ПАВ отражается(рисунок 4.4): большее расстояние между дефектами дает меньшее значение Δf.Дискретность восстановления частоты в 1 Гц позволяет определить расстояние Δfмежду ближайшим максимумом и минимумом с дискретностью в 1 Гц, повышаяпри этом точность измерения.Рисунок 4.5 – Фурье-преобразование типичной зависимости частоты; расстояние s от дефекта вычислено как s = τvSAW/2, где τ – время задержки отраженныхПАВ; скорость vSAW: (a) и (b) – отражение ПАВ от края образца при расстояниимежду краем и клином 10 см и 65 см соответственно (нормализованный фактор0.38326 найден на максимальной амплитуде ПАВ, отраженной от края образца[190])149Из рисунка 4.5 следует, что кусочный характер зависимости частоты приводит к появлению пиков отражения, размер и расположение которых зависит отзначения отражения ПАВ от дефектов и расстояния до них.
В данном методе измерения параметр S11 определяется для каждой частоты в определенный период времени, в течение которого ПАВ проходит расстояние, превосходящее двойное расстояние между преобразователем и дефектом, что приводит к повышению точности измерения.На рисунке 4.6 показана зависимость параметра S11 от частоты.
Из этого рисунка видно, что преобразователь эффективно излучает ПАВ в районе 2 МГц. Нарисунке видна изрезанность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) из-заотражений ПАВ от края диска. Фурье-преобразование этой АЧХ позволяет увидеть отраженный импульс во временной области (рисунок 4.7). Из этого рисункавидно, что отраженный импульс достаточно близко располагается от стробирующего импульса (если при определении дальности до цели известен интервал времени прихода импульса, отражённого от цели, то достаточно принимать отражённые импульсы лишь в течение этого времени, открывая вход приёмника стробирующим импульсом, а остальное время держать приёмник «закрытым»).
В данномслучае нельзя сказать, что нет отражений от дефектов на кристалле, так как этихимпульсов может быть не видно из-за близости стробирующего импульса. Крометого, длина ПАВ здесь равна примерно 2 мм, что не позволяет обнаруживать мелкие дефекты (менее 1 мм). Поэтому, необходимо значительно повысить частотуПАВ. Имеются преобразователи ПАВ, представляющие собой пьезоподложку изYX/1280-среза ниобата лития, на полированной поверхности которого расположеноднонаправленный встречно-штыревой преобразователь.
С помощью такого преобразователя можно возбуждать и принимать ПАВ в сапфировой подложке с полированной поверхностью, чтобы ПАВ не затухали на шероховатостях, так как будут возбуждаться ПАВ с частотой 93 МГц и длиной ПАВ 50 мкм. ВозбуждениеПАВ производится через тонкий слой жидкости между пьезоподложкой и поверхностью сапфировой подложки.150Рисунок 4.6 – Зависимость параметра отражения S11 от частоты fРисунок 4.7 – Импульсный отклик: по вертикальной оси – относительныеед.; по горизонтальной оси t = 0,2 ti151Таким образом, взаимодействие ПАВ с дефектами сапфира (трещинами ипорами) позволяет определить местоположение, глубину и протяженность поверхностных трещин (а также царапин и рисок) и профиля их берегов, что может найтиширокое применение для обнаружения, контроля и анализа дефектов в приповерхностном и поверхностном слое сапфира, которые практически нельзя выявить другими методами.4.1.2 Исследование газовых пузырей и трещин в сапфире виброакустическим методомОдним из интересных методов исследования дефектов сапфира являетсянизкочастотный виброакустический метод.
Низкочастотные виброакустическиеметоды диагностики используют связь частот собственных колебаний изделия сего физико-механическими характеристиками [190].Резонансную частоту радиальных колебаний диска можно определить по известной формуле:fр 22rEю (1 ),(4.1)где r – радиус диска, ρ – плотность материала, σ – коэффициент Пуассона,Е ю – модуль Юнга, который определяет упругие свойства материала образца иплотность рассеянных дефектов, – коэффициент, определяемый величиной коэффициента Пуассона (σ) и приблизительно равный 2.05.Однако задача осложняется тем, что для любого твердого тела имеется несколько частот собственных колебаний.
Набор этих частот образуют частотныйспектр и необходимо производить выбор необходимой моды колебаний. Для изделий из сапфира удается решить задачу выделения определенного типа колебанийдля конкретного расположения опор и приемоизлучающей системы.Для опробования метода вибродиагностики для сапфирового диска была использована ячейка [190], показанная на рисунке 4.8.152Рисунок 4.8 – Фото измерительной ячейки для опробования метода вибродиагностики: 1 – излучатель, 2 – упругое поджатие, 3 – приемник акустических сигналовНа сапфировом диске выявлены следующие резонансные частоты 85 Гц,440 Гц и 3450 Гц [190], однако идентификация частот не проводилась.Структурная схема реализации метода вибродиагностики показана на рисунке 4.9.
Она состоит из объекта 1, излучателя 2, датчика акустических колебаний 3,измерителя амплитудно-частотных колебаний 4 и регистратора, совмещенного скомпьютером 5.Рисунок 4.9 – Структурная схема реализации метода вибродиагностикиВ результате метод вибродиагностики, который рассматривается как один изперспективных методов контроля качества кристаллов сапфира, позволяет нахо153дить скрытые дефекты в сапфире.
При наличии дефектов (газовых пузырей, трещин) в структуре сапфира в спектре вибраций и шума появляются гармоники соответствующих частот. Оценивая амплитуду этих гармоник, можно говорить о дефектах структуры. При нагрузке диска грузом в 1 г наблюдалось изменение АЧХсапфира, что позволяет следить за изменением морфологии структуры, что в конечном случае позволяет рассматривать динамику изменения дефектов в структуресапфира.4.1.3 Исследование дефектов сапфира оптическим, тепловым методамии методом акустической эмиссииДля исследования дефектов кристаллов сапфира (трещины, сколы) также использовался оптический метод [190]. Ниже приведены фотографии, полученные спомощью микроскопа МИИ-4 с увеличением 200 крат. Сапфировый диск диаметром 60 мм освещался на просвет.
Исследования проводились для неполированногои полированного образца сапфира (рисунок 4.10).Рисунок 4.10 – Исследование прямоугольного полированного образца сапфира с габаритными размерами 102×30×3 мм154а)б)Рисунок 4.11 – Фотографии фрагмента шлифованной поверхности сапфировой пластины: а) верхняя часть пластинки сапфира; б) краевой дефект типа скола(200 крат увеличение)Результаты исследования отполированной поверхности сапфира приведенына рисунке 4.12.а)б)Рисунок 4.12 – Фотографии фрагмента отполированной поверхности сапфировой пластины (200 крат увеличение)155Таким образом, для анализа крупных поверхностных трещин, пор, включений сапфира альтернативным методом обнаружения различных поверхностныхдефектов является оптический метод.Экспресс-картина дефектов (трещины, поры) определена тепловым методом(с использованием тепловизора Flir i5).
Тепловой контроль является одним из видов неразрушающего контроля, основанный на фиксации и преобразовании инфракрасного излучения в видимый спектр. Он позволил выявить скрытые дефектысапфира, приводящие к утечкам тепла.Некоторые предварительные исследования круглого сапфирового диска сиспользованием этого метода представлены на рисунке 4.13.а)б)Рисунок 4.13 – Результаты исследования картин дефектов сапфира с помошью тепловизора Flir i5Метод акустической эмиссии (АЭ) является перспективным методом контроля дефектов в кристаллах сапфира [190]. Он основан на регистрации и анализеакустических волн, появляющихся в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) сапфира.
Метод АЭ-контроля позволяет обнаружить и регистрировать только развивающиеся дефекты, что дает возможность классифициро156вать их не по размерам, а по степени их опасности. При развитии дефекта, когдаего размеры приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов АЭ итемп их генерации резко повышается, что ведет к значительному увеличению вероятности обнаружения такого источника АЭ. Метод акустической эмиссии можетбыть также использован на различных технологических этапах изготовления образца, когда могут возникать (развиваться дефекты) или перестраиваться структураобразца.Таким образом, каждый из методов (метод поверхностных акустическихволн, виброакустический метод, оптический и тепловой методы) добавляет информацию о развитии пор, трещин в общую картину исследования дефектов сапфира.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
