ультразвуковой указатель нагрузки и способ его изготовления (их варианты)

Формула изобретения

1. Ультразвуковой указатель нагрузки, содержащий деформируемую под нагрузкой деталь и соединенный механически, электрически и акустически с одной из торцовых поверхностей ультразвуковой преобразователь в виде акустоэлектрической пленки, отличающийся тем, что в качестве электрода использована упомянутая торцовая поверхность деформируемой детали, а акустоэлектрическая пленка выращена на этой поверхности.

2. Указатель по п.1, отличающийся тем, что с открытой поверхностью акустоэлектрической пленки механически, электрически и акустически соединен второй электрод ультразвукового преобразователя с обеспечением электрической изоляции между двумя электродами.

3. Указатель по п.2, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из электропроводящих металлической пленки, или туши, или краски, или фольги.

4. Указатель по п.2, отличающийся тем, что он выполнен с электроизоляционным слоем, расположенным по периметру второго элемента и на открытых участках электродной поверхности деформируемой детали и акустоэлектрической пленки.

5. Указатель по п.1, отличающийся тем, что акустоэлектрическая пленка выполнена в виде пьезоэлектрической пленки из окиси цинка, или сульфида кадмия, или цирконат-титаната свинца, или нитрида алюминия.

6. Указатель по п.1, отличающийся тем, что акустоэлектрическая пленка имеет толщину от 1 до 50 мкм.

7. Указатель по п.2, отличающийся тем, что второй электрод имеет толщину от 1 до 50 мкм.

8. Указатель по п.1, отличающийся тем, что на электродную поверхность деформируемой детали нанесено покрытие для повышения электропроводимости или адгезии.

9. Указатель по п.1, отличающийся тем, что деформируемая деталь выполнена с осевым торцевым углублением, а электродная поверхность расположена в последнем.

10. Указатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен электронным управляющим устройством, электрически соединенным с ультразвуковым преобразователем.

11. Указатель по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковой преобразователь имеет рабочий диапазон волн 1 500 мГц.

12. Указатель по п.1, отличающийся тем, что акустоэлектрическая пленка выполнена в виде пьезоэлектрической пленки, ориентированной с обеспечением возможности передачи и приема ультразвуковым преобразователем продольных и поперечных ультразвуковых волн.

13. Указатель по п.1, отличающийся тем, что деформируемая деталь имеет поверхности для отражения ультразвуковых волн, получаемых от ультразвукового преобразователя, обратно к ультразвуковому преобразователю, а электродная поверхность деформируемой детали выполнена с возможностью передачи ультразвуковых волн от ультразвукового преобразователя к отражающим поверхностям.

14. Указатель по п. 1, отличающийся тем, что деформируемая деталь выполнена из материала, способного передавать ультразвуковые волны.

15. Указатель по п. 1, отличающийся тем, что деформируемая деталь выполнена в виде соединительного элемента.

16. Указатель по п.15, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде болта, или заклепки, или стержня, или штифта.

17. Указатель по п.15, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде продолговатого тела, переходящего в головку.

18. Указатель по п.17, отличающийся тем, что электродная поверхность расположена на торцевой поверхности головки соединительного элемента.

19. Указатель по п.17, отличающийся тем, что электродная поверхность расположена на противоположном от головки конце соединительного элемента.

20. Указатель по п.2, отличающийся тем, что он снабжен электронным управляющим устройством, электрически связанным с ультразвуковым преобразователем, устройством отслеживания электронных сигналов от ультразвукового преобразователя для измерения деформации в деформируемой детали и устройством приложения к детали крутящего момента в зависимости от величины деформации деформируемой детали.

21. Указатель нагрузки, содержащий деформируемую под нагрузкой деталь и соединенный механически, электрически и акустически с одной из ее торцовых поверхностей ультразвуковой преобразователь в виде акустоэлектрической пленки, размещенной между двумя электродами с обеспечением электрической изоляции между последними, отличающийся тем, что в качестве одного из электродов использована упомянутая торцевая поверхность деформируемой детали, а акустоэлектрическая пленка выращена на втором электроде с обеспечением механического, электрического и акустического соединения с ним.

22. Указатель по п.21, отличающийся тем, что второй электрод выполнен из электропроводящих металлической пленки, или туши, или краски, или фольги.

23. Указатель по п.21, отличающийся тем, что он выполнен с электроизоляционным слоем, расположенным по периметру второго электрода и на открытых участках электродной поверхности деформируемой детали и акустоэлектрической пленки.

24. Указатель по п.21, отличающийся тем, что акустоэлектрическая пленка выполнена в виде пьезоэлектрической пленки из окиси цинка, или сульфида кадмия, или цирконат-титана свинца, или нитрида алюминия.

25. Указатель по п.21, отличающийся тем, что акустоэлектрическая пленка имеет толщину 1 50 мкм.

26. Указатель по п. 21, отличающийся тем, что второй электрод имеет толщину 1 50 мкм.

27. Указатель по п.21, отличающийся тем, что на электродную поверхность деформируемой детали нанесено покрытие для повышения электропроводимости или адгезии.

28. Указатель по п.21, отличающийся тем, что деформируемая деталь выполнена с осевым торцевым углублением, а электродная поверхность расположена в последнем.

29. Указатель по п.21, отличающийся тем, что он снабжен электронным управляющим устройством, электрически соединенным с ультразвуковым преобразователем.

30. Указатель по п.21, отличающийся тем, что ультразвуковой преобразователь имеет рабочий диапазон волн 1 500 мГц.

31. Указатель по п.21, отличающийся тем, что акустоэлектрическая пленка выполнена в виде пьезоэлектрической пленки, ориентированной с обеспечением возможности передачи и приема ультразвуковым преобразователем продольных и поперечных ультразвуковых волн.

32. Указатель по по п.21, отличающийся тем, что деформируемая деталь имеет поверхности для отражения получаемых от ультразвукового преобразователя ультразвуковых волн обратно к ультразвуковому преобразователю, а электродная поверхность деформируемой детали выполнена с возможностью передачи ультразвуковых волн от ультразвукового преобразователя к отражающей поверхности.

33. Указатель по п.21, отличающийся тем, что деформируемая деталь выполнена из материала, способного передавать ультразвуковые волны.

34. Указатель по п.21, отличающийся тем, что деформируемая деталь выполнена в виде соединительного элемента.

35. Указатель по п.34, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде болта, или заклепки, или стержня, или штифта.

36. Указатель по п.34, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде продолговатого тела, переходящего в головку.

37. Указатель по п.36, отличающийся тем, что электродная поверхность расположена на торцевой поверхности головки соединительного элемента.

38. Указатель по п.36, отличающийся тем, что электродная поверхность расположена на противоположном от головки конце соединительного элемента.

39. Указатель по п.21, отличающийся тем, что он снабжен электронным управляющим устройством, электрически связанным с ультразвуковым преобразователем, устройством отслеживания электронных сигналов от ультразвукового преобразователя для измерения деформации в деформируемой детали и устройством приложения к детали крутящего момента в зависимости от величины деформации деформируемой детали.

40. Способ изготовления ультразвукового указателя нагрузки, заключающийся в изготовлении деформируемой под нагрузкой детали и акустоэлектрической пленки и соединении последних с обеспечением механической, электрической и акустической связи между ними, отличающийся тем, что изготовление акустоэлектрической пленки и ее соединение с деформируемой деталью осуществляют одновременно путем выращивания пленки на обращенной к ней поверхности деформируемой детали, при этом упомянутую поверхность деформируемой детали используют в качестве электрода.

41. Способ по п.40, отличающийся тем, что изготавливают второй электрод и механически, электрически и акустически соединяют его с открытой поверхностью акустоэлектрической пленки с обеспечением электрической изоляции между двумя электродами.

42. Способ по п. 41, отличающийся тем, что после соединения второго электрода с акустоэлектрической пленкой на открытую поверхность последней по периметру второго электрода наносят слой электроизоляционного материала.

43. Способ по п.40, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку выращивают осаждением из газовой фазы.

44. Способ по п. 40, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку изготавливают и закрепляют на электродной поверхности детали с помощью магнетрона.

45. Способ по п. 40, отличающийся тем, что в качестве материала для акустоэлектрической пленки используют окись цинка, или сульфид кадмия, или цирконат-титанат свинца, или нитрид алюминия.

46. Способ по п.40, отличающийся тем, что в процессе выращивания акустоэлектрической пленки ее ориентируют с обеспечением возможности передачи и принятия продольных и поперечных ультразвуковых волн.

47. Способ по п.41, отличающийся тем, что второй электрод изготавливают осаждением из газовой фазы.

48. Способ по п.41, отличающийся тем, что второй электрод изготавливают из электропроводящей металлической пленки, или краски, или туши.

49. Способ по п.41, отличающийся тем, что второй электрод изготавливают из металлической фольги, а соединение с акустоэлектрической пленкой осуществляют посредством клейкого вещества.

50. Способ по п. 40, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку изготавливают толщиной 1 50 мкм.

51. Способ по п. 40, отличающийся тем, что на электродную поверхность деформируемой детали наносят покрытие для повышения электропроводности или адгезии.

52. Способ по п.40, отличающийся тем, что деформируемую деталь изготавливают в виде продолговатого тела с осевым торцовым углублением, а электродную поверхность выполняют в последнем.

53. Способ по п.40, отличающийся тем, что электродную поверхность деформируемой детали изготавливают с обеспечением передачи ультразвуковых волн от расположенного на этой поверхности ультразвукового преобразователя к противоположному электродной поверхности концу детали.

54. Способ по п.40, отличающийся тем, что деформируемую деталь изготавливают с отражающей поверхностью, расположенной на расстоянии от электродной поверхности, электродную поверхность выполняют с возможностью передачи ультразвуковых волн от расположенного на ней ультразвукового преобразователя к отражающей поверхности, а отражающую поверхность выполняют с возможностью отражения ультразвуковых волн обратно к ультразвуковому преобразователю.

55. Способ изготовления ультразвукового указателя нагрузки, заключающийся в изготовлении деформируемой под нагрузкой детали в виде стрежнеобразного тела, переходящего в головку, и соединении упомянутой детали с ультразвуковым преобразователем, включающим в себя акустоэлектрическую пленку, с обеспечением механической, электрической и акустической связи между ними, отличающийся тем, что обращенную к пленке поверхность деформируемой детали используют в качестве первого электрода, а соединение акустоэлектрической пленки с деформируемой деталью осуществляют одновременно с ее изготовлением путем выращивания пленки на электродной поверхности детали.

56. Способ по п.55, отличающийся тем, что открытую поверхность акустоэлектрической пленки механически, электрически и акустически соединяют со вторым электродом с обеспечением электрической изоляции между двумя электродами.

57. Способ по п.56, отличающийся тем, что на открытую поверхность акустоэлектрической пленки по периметру второго электрода наносят слой электроизоляционного материала.

58. Способ по п.55, отличающийся тем, что электродную поверхность выполняют на торцевой поверхности деформируемой детали.

59. Способ по п.55, отличающийся тем, что электродную поверхность выполняют на противоположном от головки конце деформируемой детали.

60. Способ по п.55, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку изготавливают и закрепляют на электродной поверхности деформируемой детали с помощью магнетрона.

61. Способ по п.55, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку выращивают осаждением из газовой фазы.

62. Способ по п.55, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку выполняют в виде ориентированной пьезоэлектрической пленки из окиси цинка, или сульфида кадмия, или цирконата-титаната свинца, или нитрида алюминия.

63. Способ по п.62, отличающийся тем, что пьезоэлектрическую пленку при изготовлении ориентируют для обеспечения возможности передачи и принятия ультразвуковым преобразователем продольных и поперечных ультразвуковых волн.

64. Способ по п. 56, отличающийся тем, что второй электрод получают осаждением из газовой фазы.

65. Способ по п.56, отличающийся тем, что второй электрод изготавливают из электропроводящих металлической пленки, или краски, или туши.

66. Способ по п.56, отличающийся тем, что второй электрод изготавливают из металлической фольги, а соединение с акустоэлектрической пленкой осуществляют посредством клейкого вещества.

67. Способ по п. 55, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку изготавливают толщиной 1 50 мкм.

68. Способ по п. 55, отличающийся тем, что на электродную поверхность деформируемой детали наносят покрытие для повышения электропроводимости или адгезии.

69. Способ по п.55, отличающийся тем, что на протиповоложном от головки конце деформируемой детали выполняют осевое торцевое углубление, а электродную поверхность выполняют в последнем.

70. Способ по п.55, отличающийся тем, что электродную поверхность деформируемой детали выполняют с обеспечением передачи ультразвуковых волн от расположенного на этой поверхности ультразвукового преобразователя к противоположному электродной поверхности концу детали.

71. Способ по п.55, отличающийся тем, что на деформируемой детали выполняют отражающую поверхность, расположенную на расстоянии от электродной поверхности, электродную поверхность выполняют с возможностью передачи ультразвуковых волн от расположенного на ней ультразвукового преобразователя к отражающей поверхности, а отражающую поверхность выполняют с возможностью отражения ультразвуковых волн обратно к ультразвуковому преобразователю.

72. Способ изготовления ультразвукового указателя нагрузки, заключающийся в изготовлении деформируемого под нагрузкой соединительного элемента в виде стрежнеобразного тела, переходящего в головку, и ультразвукового преобразователя в виде акустоэлектрической пленки и двух электродов и соединении деформируемого соединительного элемента с акустоэлектрической пленкой с обеспечением механической, электрической и акустической связи между ними и электрической изоляции между двумя электродами, отличающийся тем, что второй электрод изготавливают из металлической фольги, акустоэлектрическую пленку изготавливают и соединяют с вторым электродом одновременно путем осаждения материала пленки из газовой фазы на втором электроде, а в качестве первого электрода используют, обращенную к акустоэлектрической пленке поверхность деформируемого соединительного элемента.

73. Способ по п.72, отличающийся тем, что на открытую поверхность акустоэлектрической пленки по периметру второго электрода наносят слой электроизоляционного материала.

74. Способ по п. 72, отличающийся тем, что изготовление и соединение акустоэлектрической пленки осуществляют с помощью магнетрона.

75. Способ по п.72, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку выполняют в виде ориентированной пьезоэлектрической пленки из окиси цинка, или сульфида кадмия, или цирконата-титаната свинца, или нитрида алюминия.

76. Способ по п.75, отличающийся тем, что в процессе выращивания пьезоэлектрической пленки ее ориентируют с обеспечением возможности передачи и принятия ультразвуковым преобразователем продольных и поперечных ультразвуковых волн.

77. Способ по п. 72, отличающийся тем, что акустоэлектрическую пленку изготавливают толщиной 1 50 мкм.

78. Способ по п. 72, отличающийся тем, что деформируемый соединитель изготавливают с осевым торцевым углублением на конце, обращенном к акустоэлектрической пленке, а электродную поверхность выполняют в упомянутом углублении.

79. Способ по п.73, отличающийся тем, что электродную поверхность деформируемого соединительного элемента выполняют с обеспечением передачи ультразвуковых волн от расположенного на этой поверхности ультразвукового преобразователя к противоположному электродной поверхности концу детали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к указателям нагрузки различных элементов, в частности элементов соединения, таких как болты, заклепки, штифты и т. п. и может быть использовано с ультразвуковым преобразователем.

Разработано множество методов определения величины продольного напряжения, испытываемого соединителем, выполняющим функцию указателя нагрузки. Это обычно осуществляется за счет подсоединения одного конца удлиненной детали, например, штифта, к соединителю. Несмотря на то, что каждый из различных указателей нагрузки штифтового типа и устройств измерения величины нагрузки, известных в этой области, имеет свои преимущества в смысле точности работы, простоты изготовления и эксплуатации, все же их производство дорогостоящее, поскольку каждый из них требует различных модификаций и дополнительно расположенной штифтовой детали. В результате чего такие указатели нагрузки используются только селективно там, где имеется непосредственная потребность в диагностике, либо там, где признается необходимость с точки зрения техники безопасности. Эти детали слишком дороги для постоянного использования в узлах, эксплуатация которых может незначительно улучшиться от такого контроля.

Альтернативный подход к измерению относительного удаления детали - использование ультразвукового измерительного устройства. Обычно это достигается подсоединением съемного ультразвукового преобразователя к одному концу измеряемого соединителя, как правило к головке болта. Во время измерений преобразователь должен быть правильно размещен на болте и удерживаться в этом положении. Известны различные устройства, использующие этот способ. Известные способы включают в себя объединение измерительного устройства с затягивающим инструментом с тем, чтобы информация, полученная при измерении относительно удлинения болта, могла использоваться для определения момента отключения инструмента или для отслеживания процесса затяжки. Несмотря на то, что упомянутые выше технические решения могут дать надежную информацию о соединителе, ими пользуются весьма ограниченно. Это объясняется, прежде всего, тем, что для этого соединитель нужно тщательно изготовить и надежно связать с инструментами. В этом случае ультразвуковое измерение растяжения считается чрезвычайно точным методом затяжки в лабораторных условиях для целей калибровки, рабочих испытаний и для затяжки критических соединений. Оно заменяет использование болтов с тензодатчиками в некоторых случаях контроля качества. Однако, практические трудности, связанные с проведением ультразвуковых измерений растяжения, не дали им возможность получить широкое применение. К числу этих трудностей относятся: поддержание надежной акустической связи при затяжке; дороговизна и сложность оборудования и сложности, связанные с экспериментальным определением параметров каждого соединения.

Известны ультразвуковые указатели нагрузки, содержащие деталь и пьезоэлектрический или иной ультразвуковой преобразователь, связанный с самой деталью, при этом упомянутая деталь, в частности соединитель, является несущим инструментом (патент США N 4127788, кл. 310-328, 1978; N 4294122, кл. 73-761, 1981).

Недостатком указанных устройств, также как и описанных выше, является то, что они подвергаются большим доработкам для того, чтобы установить большие и сложные ультразвуковые чувствительные устройства, в связи с чем они становятся достаточно дорогими и не находят широкого применения.

Известен способ изготовления указателя нагрузки и способ измерения напряжения в детали, заключающиеся в определении величины напряжения в конкретной части детали посредством искусственных ультразвуковых отражателей (патент США N 4569229, кл. 73-597, 1982).

Известно устройство для измерения напряжения в болте для крыши шахты, включающее в себя искусственный отражатель, выполненный в виде радиально просверленного отверстия в болте на определенном расстоянии от головки (патент США N 4601207, кл. 73-597, 1985).

Недостатком известных технических решений является то, что они требуют измерения нулевой нагрузки в дополнение к измерению, проводимому при рабочих условиях для определения абсолютной нагрузки в детали, и не могут использоваться для соединителей уже установленных на штатных местах. Кроме того, в этих патентах измеряется прямое опосредственное время прохождения вперед и назад продольной ультразвуковой волны.

Известен также способ определения напряжения в детали без измерения нулевой нагрузки посредством измерения времени прохождения как продольной, так и поперечной ультразвуковой волны (патент США N 4602511, кл. 73-581, 1985).

Недостатком известного способа является то, что применение поперечных ультразвуковых волн требует как преобразователя, способного генерировать поперечные волны, так и акустической среды связи, способной передавать поперечные волны в деталь. Требуются специальные акустические устройства связи с временно подсоединенными преобразователями.

Так остается невыясненной возможность генерирования поперечных волн при использовании преобразователей из полимерной пленки.

Известен ультразвуковой указатель нагрузки, содержащий деталь, подвергающуюся нагрузке с возникновением деформации, и пьезоэлектрическую полимерную пленку, расположенную между двумя тонкими электродами и механически связанную с поверхностью упомянутой детали с обеспечением передачи ультразвуковых волн (патент США N 4846001, кл. 73-761, 1989).

Несмотря на определенные преимущества, которыми обладает данное изобретение по сравнению с предыдущими с точки зрения простоты его изготовления и его себестоимости, оно имеет ряд существенных недостатков.

Это изобретение требует механического и электрического соединения пьезоэлектрического элемента с указателем нагрузки, поскольку этот элемент изготовлен до соединения с указателем нагрузки. Средство соединения может быть, например, клейким веществом, из-за чего возникают определенные трудности. Во-первых, нет материалов, отвечающих требованиям адгезии во многих применениях соединителя, например, в самолетных моторах. Во-вторых, поскольку материал соединения должен электрически соединять пьезоэлектрический элемент с указателем нагрузки, он должен быть либо электропроводным, либо достаточно тонким, чтобы емкостно передать электрический сигнал от пьезоэлектрического элемента к указателю нагрузки. В-третьих, материал соединения должен осуществлять хорошую акустическую связь для того, чтобы передавать ультразвуковую волну от элемента к указателю нагрузки. Например, присутствие пузырьков воздуха сильно уменьшает амплитуду принимаемых эхо-сигналов.

Материал для пьезоэлектрических пленок, описанный в этом патенте, это полимерный материал, например, поливинилиден хлорид или ко-полимер VF2/VF3. Пьезоэлектрические свойства этих материалов нарушаются, если они подвергаются воздействию температур свыше 125^oС. Поэтому указатель нагрузки или преобразователи, расположенные на указателях нагрузки, описанные в вышеупомянутых изобретениях, должны замещаться в течение срока службы. Кроме того, при 150-200^oC вышеописанные полимерные материалы плавятся, что может привести к нарушению работы важных элементов узла.

Еще один недостаток применения пьезоэлектрических полимерных материалов заключается в необходимости применения отдельной высоковольтной поляризации в ходе изготовления. Этот процесс значительно увеличивает себестоимость пьезоэлектрического элемента.

Цель изобретения создание недорогого указателя нагрузки с ультразвуковым преобразователем, который будет оставаться закрепленным на протяжении всего срока службы детали; создание указателя нагрузки с ультразвуковым преобразователем, который сможет выдержать воздействие рабочей температуры соединителя без ухудшения своих рабочих параметров; создание указателя нагрузки с ультразвуковым преобразователем, способным передать как продольные, так и поперечные ультразвуковые волны; создание указателя нагрузки с ультразвуковым преобразователем, способным направлять ультразвуковые волны к искусственным отражателям, находящимся внутри указателя нагрузки; создание указателя нагрузки с ультразвуковым преобразователем, способным генерировать высокочастотные ультразвуковые волны для повышения точности измерения и разрешающей способности устройства измерения нагрузки, например, при регистрации небольших искусственных ультразвуковых отражений или небольших дефектов производства.

Кроме того, цель задача, чтобы ультразвуковой преобразователь, постоянно закрепленный на указателе, не требовал бы в процессе своего изготовления отдельной высоковольтной поляризации.

Дополнительно ультразвуковой преобразователь должен изготавливаться с небольшими затратами методами массового производства.

Указатель нагрузки согласно данного изобретения содержит тело, подвергаемое упругой деформации при продольном напряжении и имеющее концевые первую и вторую поверхности. Пьезоэлектрический элемент, постоянно механически и электрически соединенный с первым и вторым электродами, размещен на первой поверхности тела и представляет собой тонкую ориентированную пьезоэлектрическую пленку, выращенную на первом или втором электроде с использованием метода осаждения из газовой фазы.

В предпочтительной реализации пьезоэлектрический элемент это тонкая ориентированная пленка окиси цинка (ZnO), а первый электрод это первая поверхность детали. Кроме того, в этой предпочтительной реализации второй электрод это электропроводящая металлическая пленка. В дополнение, в этой предпочтительной реализации указатель нагрузки это указывающий нагрузку соединитель, имеющий увеличенную головку, а первая поверхность образована на головке соединителя.

Способ изготовления указателя нагрузки согласно данного изобретения включает в себя стадии: создание гладкой поверхности на одном продольном конце соединителя; выращивание на первом электроде пьезоэлектрической ориентированной пленки с использованием метода осаждения газовой фазы и механическое и электрическое соединение второго электрода с пьезоэлектрическим элементом с обеспечением электрической изоляции второго электрода от первого.

Указатель нагрузки может включать в себя устройство измерения нагрузки, имеющее первый контакт, электрически связываемый со вторым электродом, и электронное измерительное устройство, реагирующее на разностные электронные сигналы от первого и второго электродов с тем, чтобы обеспечить измерение растягивающего усилия в указателе нагрузки при его продольном напряжении.

В предпочтительной реализации пьезоэлектрический элемент может также содержать заданное устройство для выдачи ультразвукового сигнала с тем, чтобы генерировать разностные электронные сигналы.

Кроме того, в предпочтительной реализации указатель нагрузки проводит электричество, а первый контакт опосредственно связан с первым электродом посредством связи первого контакта с указанным указателем.

Затягивающий инструмент согласно данного изобретения включает в себя: первый и второй контакты, электрически связываемые, соответственно, с первым и вторым электродами, нагрузочное средство, вызывающее растягивающее усилие в несущей нагрузку детали, и измеряющее нагрузку устройство, реагирующее на разностный электросигнал с тем, чтобы обеспечить точное измерение растягивающего усилия.

Затягивающий инструмент согласно данного изобретения может включать в себя электропроводящий соединитель, связываемый с указывающим нагрузку соединителем, контакт, связываемый со вторым электродом указывающего нагрузку соединителя, задающее устройство, создающее крутящий момент в соединителе, и устройство измерения нагрузки, реагирующее на электрический разностный сигнал, получаемый от соединителя и контакта с тем, чтобы обеспечить точное измерение растягивающего усилия в теле соединителя при его продольном напряжении, возникающем в результате процесса затяжки.

Выходной сигнал устройства измерения нагрузки можно использовать для непрерывного замера мгновенного растягивающего усилия соединителя или для завершения операции соединения, или для указания нагрузки в ранее затянутом соединителе. Если указатель нагрузки это соединитель, устройство измерения нагрузки можно использовать одновременно с инструментом для затяжки соединителя или непосредственно включить в затягивающий инструмент. Если инструмент для затяжки соединителя, включающий устройство измерения нагрузки,- это автоматический инструмент затяжки, то указание растягивающего усилия в устройстве измерения нагрузки можно объединить с другими параметрами, отслеживаемыми инструментом затяжки соединителя, такими как угол и крутящий момент, для того, чтобы определить завершение цикла затяжки и найти дефекты в соединении.

На фиг.1 представлен вид в перспективе на один из параметров выполнения указателя нагрузки; на фиг.2 то же, продольное сечение; на фиг.3-9 - сечения, аналогичные фиг.2, но представляющие альтернативные примеры выполнения ультразвукового указателя нагрузки.

Изобретение предусматривает испытываемую под нагрузкой деталь, содержащую тело и ультразвуковой преобразователь, подсоединенный к этой детали. Ультразвуковой преобразователь можно подсоединить к детали при любом подходящем ее расположении. В соответствии с данным изобретением можно использовать более одного ультразвукового преобразователя. Например, первый ультразвуковой преобразователь для генерирования ультразвукового возбуждающего импульса можно подсоединить к первой поверхности детали так, чтобы возбуждающий импульс направлялся к акустически отражающей поверхности или к второму ультразвуковому преобразователю, приспособленному для приема эхо-импульсов от акустически отражающей поверхности или от первого ультразвукового преобразователя и подсоединенному к детали при отличном ее расположении. Однако предпочтительнее использовать один ультразвуковой преобразователь как для генерирования возбуждающего импульса, так и для приема эхо-импульсов. Более того, предпочтительно, чтобы ультразвуковой преобразователь был выращен непосредственно на первой поверхности детали с использованием метода осаждения из газовой фазы с тем, чтобы обеспечить постоянное механическое, электрическое и акустическое соединение с первой поверхностью детали с целью исключения из применения средства соединения, например, клейкого вещества. Ультразвуковой преобразователь можно также разместить в выемке, чтобы защитить преобразователь от неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Указатель нагрузки может быть образован болтом, стержнем, заклепкой, штифтом или иным пригодным крепежным элементом, модифицированным таким образом, чтобы показывать растягивающее усилие, напряжение, относительное удлинение или другую характеристику элемента во время операции затяжки, а также в различные моменты в течение срока службы соединения, в котором установлен элемент. Кроме того, указатель нагрузки можно сделать из металла, пластмассы или другого подходящего материала, способного передавать ультразвуковые волны.

Указатель нагрузки, согласно данного изобретения, можно применять с затягивающим инструментом, включая обычный электрический инструмент, который захватывает испытываемую деталь. Электронное управляющее устройство можно электрически соединить с ультразвуковым преобразователем хорошо известными методами. Инструмент затяжки может быть снабжен устройством индикации ультразвуковых измерений растягивающего усилия, напряжения, относительного удлинения или идентификации детали, т. е. для индикации информации, полученной в ходе работы. Кроме того, инструмент затяжки можно приспособить для использования информации, непрерывно выдаваемой электронным устройством управления, для отделения предельно допустимого уровня растягивающего усилия или относительного удлинения и, следовательно, времени прекращения операции затяжки. Выбранный электрический инструмент сможет известными для специалистов способами отслеживать другие характеристики формируемого соединения, такие как крутящий момент и мгновенный угол указателя нагрузки (патенте США N 4344216, кл. 29-407, 1982). Эта дополнительная информация, выдаваемая электрическим инструментом, может сочетаться с информацией о растягивающем усилии, напряжении, относительном удлинении или о идентификации детали, которую выдает электронное управляющее устройство для обеспечения точно контролируемой операции затяжки, причем различные измеряемые параметры используются для непосредственного контроля последовательности затяжки или для отслеживания результатов этой операции.

Пример устройства, который можно использовать совместно с данным изобретением для измерения времени прохождения ультразвуковых волн вдоль детали, описан в патенте США N 4846001, кл. 73-761, 1989). Известны многие разнообразные методы измерения этого времени, что является результатом успехов в области неразрушающего контроля. Однако, некоторые из этих методов дают конкретные преимущества в смысле количества импульсов для проведения тонкого измерения, сложности электросхем и энергопотребления. Желательно, чтобы указатель нагрузки согласно данного изобретения применялся с использованием эхо-сигналов, но его можно применять и с другими известными методами, такими как резонансные методы или методы измерения напряжения с акустической эмиссией.

На фиг.1 и 2 показана желательная реализация указателя нагрузки, и более конкретно, соединитель 1, приспособленный к тому, чтобы измерять возникающее в его теле напряжение. Соединитель 1 в этой предпочтительной реализации это болт, включающий тело 2, имеющее продольную ось 3 и заранее определенную длину. Тело 2 может выдерживать продольное напряжение вдоль оси 3. На одном продольном конце тела 2 образована головка 4, а на другом его продольном конце имеется винтовая резьба 5. Головка 4 имеет концевую поверхность 6 на торцовой части 4, а подголовник 7 находится между головкой 4 и телом 2. Нижняя поверхность 8 находится на противоположном конце тела 2. Головка 4 имеет также поверхность 9 под ключ или другое отвертывающее приспособление, например гексагональную поверхность под ключ по периферии головки.

Пьезоэлектрический элемент может быть расположен между двумя проводящими электродами, причем электроды распределяют и собирают электрический заряд для того, чтобы работать в качестве ультразвукового преобразователя 10. В предпочтительной реализации соединитель 1 металлический и поэтому его поверхность может работать как первый электрод.

Желательно, как это показано на фиг.2 в увеличенном сечении, чтобы поверхность 6 была гладкой поверхностью с полировкой поверхности как обычно менее 2 мкм и чтобы пьезоэлектрический элемент 11 находился непосредственно на торцовой поверхности 6 за счет осаждения из газовой фазы, создавая ориентированную пленку из материала, известного своими пьезоэлектрическими свойствами при выращивании этим методом.

Окись цинка (ZnO), нитрид алюминия (AlN), цирконат-титанат свинца (Pb/ZrTi/O) и сульфид кадмия (СdS) находятся в числе материалов, упомянутых в ссылках и в материалах Г.Йи.З.Ву и М.Сейер, "Подготовка Pb/Zr, Ti/O тонких пленок посредством золе-лелеевых обработок; электрические, оптические и электрооптические характеристики". Журнал прикладной физики 64 (5); с. 2717-2724 (1 сентября 1988), которые показывают желаемые пьезоэлектрические свойства. Эти материалы используются при производстве электронных элементов, таких как устройства для поверхностных акустических волн, объемных акустических волн и резонирующих устройств. Было также сообщено об экспериментальном применении этих материалов в условиях акустической эмиссии и неразрушающего контроля, рассмотренных Уайтом, Чжуангом и Лии. Объемный ультразвуковой преобразователь, использующий пьезоэлектрическую пленку на тонких металлических пластинах. IEEE Trans on Sonics and Vitasonics, том SU - 28, N 1, с. 8-13 (январь 1981 г.).

Хотя в желаемой реализации элемент 11 это окись цинка, но и этот материал можно заменять другими, в особенности, если они обладают улучшенными пьезоэлектрическими свойствами, повышенной сопротивляемостью к окружающей среде или меньшей себестоимостью.

Методы осаждения, пригодные для роста пьезоэлектрических ориентированных пленок, хорошо известны специалистам. В работе Крупанидхи и Сейера "Влияние положения и давления при высокочастотном магнетронном реактивном распыляющем осаждении пьезоэлектрической окиси цинка". Журнал прикладной физики, 56 (11), с. 3308-3318 (декабрь 1984) изложены такие методы выращивания ориентированных пьезоэлектрических пленок из окиси цинка с нужными свойствами, как: пиролиз с распылением, химическое осаждение из газовой фазы, диод постоянного тока, высокочастотный магнетрон постоянного тока с распылением. Осаждение с распылением оказалось удачным, потому что были получены чрезвычайно ориентируемые пленки. Процессы получения тонких пленок из аналогичных материалов также описаны, включая процесс растворение-желатизирование, как он описан Йи, Ву и Сейером.

Подготовка поверхности соединителя должна предшествовать формированию пьезоэлектрического элемента на конечной поверхности 6 (фиг.2) с использованием метода осаждения из газовой фазы. Такая подготовка, к примеру, может включать наложение покрытия для улучшения электропроводимости или адгезии, химическое травление или очистку.

Второй электрод 12 на фиг.2 постоянно, механически и электрически соединен с пьезоэлектрическим элементом 11. При соединении пьезоэлектрический элемент 11 и второй электрод 12 образуют преобразователь 10, показанный на фиг. 1. Второй электрод 12 может быть образован металлическим слоем, осажденным методом осаждения из газовой фазы, проводящий тушью или краской, или в качестве альтернативы, проводящая фольга может быть скреплена с пьезоэлектрическим элементом, например, с помощью клейкого вещества. Второй электрод 12 соединен с пьезоэлектрическим элементом 11 таким образом, что он электрически изолирован от первого электрода, конечной поверхности 6 соединителя.

Поскольку материалы пьезоэлектрического элемента это в основном электрические изоляторы, то в предпочтительной реализации, представленной на фиг.2, эффективная область преобразователя пьезоэлектрического элемента 11, осуществленного согласно этого изобретения, определяется областью второго электрода 12, потому что второй электрод работает так, чтобы распределять и собирать электрический заряд с поверхности пьезоэлектрического элемента 11. Соответственно, точное позиционирование или использование методов маскирования не требуется при изготовлении пьезоэлектрического элемента 11 в вышеописанной предпочтительной реализации данного изобретения.

Частотные характеристики пьезоэлектрического элемента 11 зависят от толщины этого элемента, которую можно контролировать с достаточной точностью, используя вышеописанный процесс изготовления путем регулирования скорости и времени роста. Использование высокочастотных ультразвуковых преобразователей может увеличить точность измерения времени прохождения волны путем представления эхо-импульсов с меньшим временем нарастания распада и спада и может увеличить разрешающую способность при обнаружении небольших отражающих поверхностей или небольших дефектов производства посредством уменьшенного рассеяния ультразвуковых волн с более короткими длинами волн. В предпочтительной реализации данного изобретения используются: толщина пьезоэлектрического и толщина второго электрода в диапазоне от 1 до 50 мкм и частоты преобразователя в диапазоне от 1 до 500 МГц.

В вышеупомянутых документах также сказано, что угол наклона кристаллов пьезоэлектрической ориентированной пленки можно контролировать вышеуказанным процессом изготовления. В работе Уанга и Лакина "Пленки ZnO, полученные методом распыления, с углом наклона к оси С для резонаторов с поперечной упругой волной", IEEE Симпозиум по ультразвуку, с. 480-483 (1982), представлены экспериментальные результаты, показывающие возможность контроля угла наклона и посредством контроля угла наклона, контроля фракционных компонентов продольной и поперечной ультразвуковой волны, генерируемой пьезоэлектрическими элементами из окиси цинка, полученными методом осаждения из газовой фазы. Использование как продольной, так и поперечной волны при измерении растягивающего усилия в указателе нагрузки, как это показано в патенте США N 4602511, позволяет проводить измерение растягивающего усилия без измерения нулевой нагрузки.

На фиг.3-9 показаны альтернативные варианты реализации настоящего изобретения. В варианте, указанном на фиг.3, концевая поверхность 13 образована в указателе нагрузки 14 в выемке 15 головки 16. Выемка 15 может быть гнездом под инструмент, отверстием для уменьшения веса или неглубокой выемкой, образованной для предохранения пьезоэлектрического преобразователя от неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Как в другом воплощении настоящего изобретения, показанном на фиг.4, дополнительный слой 17 образован с тем, чтобы закрыть внешние края второго электрода 18, пьезоэлектрического элемента 19 и поверхности 20 указателя нагрузки 21 с тем, чтобы исключить попадание частиц загрязняющих веществ, которые могли бы привести к электрическому закорачиванию между вторым электродом 18 и первым электродом, и чтобы защитить пьезоэлектрический элемент 19 от неблагоприятных воздействий окружающей среды, таких как действие растворителей, которые могут ухудшить рабочие характеристики пьезоэлектрического элемента.

Вариант, представленный на фиг.5, это соединитель 22 с неглубокой выемкой 23 в головке 24. В этой реализации дополнительный слой 25 используется для защиты пьезоэлектрического элемента 26 от окружающей среды.

Во всех вышеописанных вариантах реализации данного изобретения часть пьезоэлектрического элемента, работающего в качестве ультразвукового преобразователя, в принципе плоская и образована методом осаждения из газовой фазы на плоской поверхности, указывающей нагрузку детали. На фиг.6 показан пример реализации данного изобретения, где пьезоэлектрический элемент 27 образован на поверхности 28 детали 29 с тем, чтобы создать ультразвуковой преобразователь для направления продольных, поперечных или продольных и поперечных ультразвуковых волн к отражающим поверхностям 30 и 31, а также к плоскости 32 детали 29. Существует множество конфигураций конечных поверхностей, на которых можно образовать пьезоэлектрические элементы согласно данного изобретения с тем, чтобы направить ультразвуковые волны на специфические отражающие поверхности и сфокусировать их на этих поверхностях.

Следует отметить, что пьезоэлектрические материалы могут выдерживать более высокие температуры, чем пьезоэлектрические полимерные материалы. Например, температура плавления окиси цинка 1975^oC. Кроме того, в данном изобретении пьезоэлектрические элементы ориентированы и поэтому при их изготовлении не требуется высоковольтной поляризации.

Пьезоэлектрические материалы, изготовленные из полимера в вышеупомянутых изобретениях, теоретически немного более эффективны, чем материалы настоящего изобретения, когда они используются в сочетании с эхо-импульсом. Однако преобразователи согласно данного изобретения более эффективны в качестве подводящей среды для ультразвуковых волн от указателей нагрузки и обратно в результате улучшенного соединителя и большего соответствия акустических импедансов пьезоэлектрического элемента и испытывающего нагрузку соединителя. Это улучшение в передаче значительно компенсирует различие в эффективности пьезоэлектрических материалов. Более того, большие различия в эффективности преобразователя произошли в указателях нагрузки, согласно предыдущим изобретениям, в результате некоторых изменений при соединении преобразователя и указателя нагрузки. В предпочтительной реализации возникающие из-за этой связи изменения рабочих характеристик полностью устраняются.

Следовательно, процесс изготовления пьезоэлектрического элемента непосредственно на указателе нагрузки с использованием метода осаждения из газовой фазы и использование указанных материалов для изготовления пьезоэлектрических преобразователей согласно данного изобретения приводят к получению указателя нагрузки со значительно улучшенными характеристиками по сравнению с указателями нагрузки предыдущих изобретений.

Альтернативная реализация данного изобретения, где пьезоэлектрический элемент образован на втором электроде, показана на фиг.7. В этой реализации пьезоэлектрический элемент 33 сначала образован на втором электроде 34, представляющем собой тонкий электропроводящий материал, например металлическую фольгу. Затем пьезоэлектрический элемент 33 постоянно механически, электрически и акустически соединяется с поверхностью 35 на головке 36 детали 37 посредством средства соединения 38, которым может быть, например, клейкое вещество. Преимущество реализации данного изобретения, показанной на фиг.7, может состоять в простоте изготовления пьезоэлектрического элемента 33. Однако этот вариант не имеет ранее описанного преимущества, получаемого благодаря образованию пьезоэлемента непосредственно на поверхности указывающей нагрузку детали.

В вышеописанных вариантах данного изобретения ультразвуковой преобразователь соединен с поверхностью у продольного конца указывающего нагрузку соединителя, на котором образована головка. Преобразователь может быть соединен с другим концом соединителя, как это представлено в реализации данного изобретения, показанной на фиг.8. Эта реализация может быть предпочтительной, если, например, во время установки соединителя гайка, используемая совместно с указывающей нагрузку деталью, вращается крепежным инструментом для того, чтобы вызывать растягивающее усилие. В этой реализации изобретения преобразователь 39 образован на концевой поверхности 40 соединителя 41.

Вышеописанные варианты реализации имеют второй электрод, механически и электрически связанный с ориентированной пьезоэлектрической пленкой. На фиг. 9 показана реализация настоящего изобретения, аналогичная реализации, показанной на фиг. 2, но без постоянно подключенного второго электрода. В этой реализации второй электрод снабжен электропроводящей пластиной, электрически соединенной с указывающим нагрузку устройством и находящейся в тесном контакте с ориентированной пьезоэлектрической пленкой в ходе ультразвукового измерения растягивающего усилия, относительного удлинения или напряжения.