МНОГОКАНАЛЬНАЯ АКУСТИКО-ЭМИССИОННАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ
MULTI-CHANNEL ACOUSTIC-EMISSION SYSTEM OF CONSTRUCTION DIAGNOSTICS

Изобретение относится к технической диагностике и неразрушающему контролю и может быть использовано при прочностных испытаниях крупногабаритных конструкций, работающих в среде с высоким уровнем шумов и помех, например, при выполнении контроля узлов самолетов, мостовых конструкций, грузовых вагонов в вагоноремонтных депо.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и таймер. Кроме того, в устройстве последовательно соединены коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения, выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства, второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера (см. патент РФ №2150698, МПК: G01N 29/14, принятый за аналог).
Однако данное устройство обладает рядом недостатков:
- невозможность контроля протяженных и крупногабатиных объектов, так как измерительные блоки находятся в одном корпусе с центральным процессором, поскольку связаны с ним единой шиной, датчики подключаются к блокам отдельным кабелем ограниченной длины;
- низкое быстродействие, обусловленное невысоким быстродействием коммутирующих устройств, что приводит к погрешностям в измерении амплитуды, времени прихода и спектра сигналов АЭ;
- невозможность определения в реальном масштабе времени спектральных характеристик сигналов АЭ, а, следовательно, и типа дефекта, поскольку вся обработка и расчет производятся в одном центральном процессоре.
Известна многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, состоящая из 1…n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, компаратор, выход которого соединен с таймером, устройство сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также содержит аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства. Кроме того, в системе основной усилитель программируемый, а его выход подключен к инвертирующему входу компаратора и аналого-цифровому преобразователю, выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом сигнального процессора, выход которого подключен к устройству сопряжения, а выход устройства сопряжения соединен с локальной сетью, которая, в свою очередь, соединена с компьютером, выход таймера подключен ко входу устройства управления, причем первый выход устройства управления соединен со входом генератора, выход которого через ключ соединен с акустическим преобразователем, второй выход устройства управления соединен с управляющим входом оперативного запоминающего устройства, третий выход устройства управления соединен со вторым входом сигнального процессора, при этом устройство управления также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение запоминающего устройства, третий выход устройства управления соединен со вторым входом сигнального процессора, при этом устройство управления также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение порога срабатывания, который с помощью цифроаналогового преобразователя устанавливается на входе компаратора (см. патент РФ № 2217741, МПК: G11N 29/14, принятый за прототип).
Недостатком данного устройства является наличие помех из-за отсутствия программного управления полосой пропускания фильтров нижних и верхних частот и невозможности более точно синхронизировать работу каналов, что значительно снижает эффективность работы устройства.
Техническая задача - повышение эффективности работы за счет защиты от помех и расширения динамического диапазона.
Поставленная задача решается за счет того, что многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, состоящая из 1…n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, компаратор, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, устройство управления, оперативное запоминающее устройство, цифровой сигнальный процессор, центральный процессор компьютера, генератор калибровочных импульсов, ключ, первый вход которого соединен с выходом акустического преобразователя и входом предварительного усилителя, снабжена тремя дополнительными двухпозиционными ключами, резистивным делителем напряжения, пиковым детектором, аналоговым сумматором, аналоговым интегратором, сетевым коммутатором, контроллером Ethernet, причем фильтр состоит из последовательно соединенных управляемых фильтров верхних и нижних частот, резистивный делитель состоит из трех последовательно включенных резисторов, при этом второй вход ключа соединен с входом первого двухпозиционного ключа и выходом предварительного усилителя, а один конец первого резистора подключен к первому входу первого двухпозиционного ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления канала, а второй конец третьего резистора соединен с общей шиной, к последовательному соединению первого и второго резисторов подключен первый вход второго двухпозиционного ключа, второй ход которого подключен к последовательному соединению второго и третьего резисторов, выход второго двухпозиционногоключа соединен с первым входом управляемого фильтра верхних частот, управляющий вход второго двухпозиционного ключа соединен со вторым выходом устройства управления канала, третий выход которого соединен со вторым входом управляемого фильтра верхних частот, выход которого соединен с первым входом управляемого фильтра нижних частот, второй вход которого соединен с четвертым выходом устройства управления канала, а выход управляемого фильтра нижних частот соединен с первым входом программируемого основного усилителя, второй вход которого соединен с пятым выходом устройства управления канала, а выход основного усилителя соединен с последовательно соединенными пиковым детектором, аналоговым интегратором, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя и первым входом третьего двухпозиционного ключа, а вход цифроаналогового преобразователя соединен с шестым выходом устройства управления канала, второй вход третьего двухпозиционного ключа соединен с выходом аналогового сумматора, а управляющий вход третьего двухпозиционного ключа соединен с инвертирующим входом аналогового компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с входом пикового детектора, выходом основного усилителя и входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого двунаправленными шинами соединен с последовательно соединенными оперативным запоминающим устройством, цифровым сигнальным процессором и контроллером Ethernet, первый и второй выход сетевого коммутатора соединен со вторым и третьим входами контроллера Ethernet, а его третий выход соединен с центральным процессором компьютера, причем, управляющие аналоговые входы оперативного запоминающего устройства и цифрового сигнального процессора объединены и соединены с выходом аналогового компаратора, первый аналоговый выход цифрового сигнального процессора соединен с входом оперативного запоминающего устройства, второй аналоговый выход цифрового сигнального процессора соединен с входом генератора калибровочных импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого двухпозиционного ключа, цифровой выход цифрового сигнального процессора двунаправленной шиной соединен с первым входом устройства управления канала, а аналоговый выход контроллера Ethernet соединен со вторым входом устройства управления канала.
n
На фиг. 1 представлена функциональная схема многоканальной акустико-эмиссионной системы диагностики конструкций, состоящей из  одноканальных акустико-эмиссионных устройств, на фиг. 2 - временная диаграмма работы 4-битного манчестерского кода.
Одноканальное акустико-эмиссионное устройство содержит:
1 - акустический преобразователь;
2 - предварительный усилитель;
3 - фильтр;
4 - основной усилитель;
5 - компаратор;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - цифроаналоговый преобразователь;
8 - устройство управления канала;
9 - оперативное запоминающее устройство;
10 - цифровой сигнальный процессор;
11 - центральный процессор компьютера;
12 - генератор калибровочных импульсов;
13 - ключ;
14 - первый двухпозиционный ключ;
15 - второй двухпозиционный ключ;
16 - третий двухпозиционный ключ;
17 - резистивный делитель;
18 - пиковый детектор;
19 - аналоговый сумматор;
20 - аналоговый интегратор;
21 - сетевой коммутатор;
22 - контроллер Ethernet;
23 - управляемый фильтр верхних частот;
24 - управляемый фильтр нижних частот;
25, 26, 27 - последовательно включенные первый второй, третий резисторы;
28 - общий провод.
Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, состоит из 1…n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь 1, предварительный усилитель 2, фильтр 3, основной усилитель 4, компаратор 5, аналого-цифровой преобразователь 6, цифроаналоговый преобразователь 7, устройство управления 8, оперативное запоминающее устройство 9, цифровой сигнальный "процессор 10, центральный процессор компьютера 11, генератор калибровочных импульсов 12, ключ 13, первый вход которого соединен с выходом акустического преобразователя 1 и входом предварительного усилителя 2, три дополнительных двухпозиционных ключа 14, 15, 16, резистивный делитель напряжения 17, пиковый детектор 18, аналоговый сумматор 19, аналоговый интегратор 20, сетевой коммутатор 21, контроллер Ethernet 22. Фильтр 3 состоит из последовательно соединенных управляемых фильтров верхних 23 и нижних 24 частот. Резистивный делитель 17 состоит из трех последовательно включенных резисторов 25, 26, 27, при этом второй вход ключа 13 соединен с входом ключа 14 и выходом предварительного усилителя 2, а один конец первого резистора 25 подключен к первому входу ключа 14, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления 8 канала, а второй конец третьего резистора 27 соединен с общей шиной 28, к последовательному соединению резисторов 25 26 подключен первый вход двухпозиционного ключа 15, второй вход которого подключен к последовательному соединению второго 26 и третьего 27 резисторов, выход ключа 15 соединен с первым входом управляемого фильтра верхних частот 23, управляющий вход ключа 15 соединен со вторым выходом устройства «управления канала 8, третий выход которого соединен со вторым входом управляемого фильтра верхних частот 23, выход которого соединен с первым входом управляемого фильтра нижних частот 24, второй вход которого соединен с четвертым выходом устройства управления канала 8, а выход управляемого фильтра нижних частот 24 соединен с первым входом программируемого основного усилителя 4, второй вход которого соединен с пятым выходом устройства управления канала 8, выход основного усилителя 4 соединен с последовательно соединенными пиковым детектором 18, аналоговым интегратором 20, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора 19, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 7 и первым входом третьего двухпозиционного ключа 16, а вход цифроаналогового преобразователя 7 соединен с шестым выходом устройства управления канала 8, второй вход третьего двухпозиционного ключа 16 соединен с выходом аналогового сумматора 19, а управляющий вход третьего двухпозиционного ключа 16 соединен с инвертирующим входом аналогового компаратора 5, неинвертирующий вход которого соединен с входом пикового детектора 18, выходом основного усилителя 4 и входом аналого-цифрового преобразователя 6, выход которого двунаправленными шинами соединен с последовательно соединенными оперативным запоминающим устройством 9, цифровым сигнальным процессором 10 и контроллером Ethernet 22, первый и второй выход сетевого коммутатора Ethernet 21 соединен с вторым и третьим входами контроллера Ethernet 22, а его третий выход соединен с центральным процессором компьютера 11, причем управляющие аналоговые входы оперативного запоминающего устройства 9 и цифрового сигнального процессора 10 объединены и соединены с выходом аналогового компаратора 5, первый аналоговый выход цифрового сигнального процессора 10 соединен с входом оперативного запоминающего устройства 9, второй аналоговый выход цифрового сигнального процессора 10 соединен с входом генератора калибровочных импульсов 12, выход которого соединен со вторым входом первого двухпозиционного ключа 14, а цифровой выход цифрового сигнального процессора 10 двунаправленной шиной соединен с входом устройства управления канала 8, а аналоговый выход контроллера Ethernet 22 соединен со вторым входом устройства управления канала 8. Резисторы делителя выходного сигнала предварительного усилителя 25, 26, 27 подбираются таким образом, чтобы коэффициент деления в одном положении ключа был близок к 1, а в другом - был порядка 20.
Работа устройства происходит следующим образом.
Центральный процессор компьютера 11 через сетевой коммутатор 21 посылает в блоки каналов управляющие пакеты данных. Цифровой сигнальный процессор 10 считывает управляющие данные из контроллера Ethernet 22 и посылает соответствующие команды в устройство управления канала 8. При этом устройство управления канала 8 вырабатывает соответствующие сигналы, управляющие его режимом работы. В регистры цифроаналогового преобразователя 7 записываются значения пороговых напряжений, в программируемый усилитель 4 записывается код, соответствующий коэффициенту усиления канала. Также устройство управления канала 8 формирует сигнал управления третьим двухпозиционным ключом 16 (формирующим режим «плавающего» порога селекции), сигнал управления первым двухпозиционным ключом 14 (формирующим сигнал управления делителем 17 предварительного усилителя 2), сигналы управления фильтрами верхних 23 и нижних 24 частот. Затем центральный процессор компьютера 11 через сетевой коммутатор 21 посылает в блоки каналов широковещательную команду на запуск измерения. Процессор 10 считывает команду из контроллера Ethernet 22, запускает запись измерительной информации в оперативное запоминающее устройство 9, запускает в устройстве управления канала 8 счетчик времени прихода, тактируемый сигналом синхронизации, который генерируется контроллером Ethernet 22. Сигнал акустической эмиссии от акустического преобразователя 1 поступает на вход предварительного усилителя 2, усиливается на 40 дБ и далее проходит на вход делителя выходного сигнала 17 предварительного усилителя 2. Затем сигнал через первый двухпозиционный ключ 14 делителя выходного сигнала 17 предварительного усилителя 2 поступает на вход фильтров верхних 23 и нижних частот 24. После фильтрации сигнал поступает на вход программируемого усилителя 4 и после усиления оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя 6, а также приходит на вход аналогового компаратора 5. В случае превышения порога селекции компаратор 5 срабатывает, и в устройстве управления каналом 8, запускается таймер на отсчет времени записи сигнала акустической эмиссии, и фиксируется время прихода сигнала по счетчику. Результаты измерения записываются в буферное оперативное запоминающее устройство 9 с выхода аналого-цифрового преобразователя 6. По сигналу таймера времени, запись сигнала в оперативное запоминающее устройство 9 останавливается, и информация считывается для предварительной обработки сигнальным процессором 10. Готовность к приему следующего сигнала акустической эмиссии определяется по отсутствию превышения порогов в течение 100 мкс. Как только уровень сигнала становится ниже порогового, сигнальный процессор 10 запускает работу каналов системы на прием следующего сигнала.
пор
Если напряжение в точке соединения резисторов 25 и 26 превышает допустимый пороговый предел U, то основной усилитель 4 перейдет в режим насыщения, при работе в котором акустико-эмиссионная система будет пропускать информацию, поступающую на ее вход с выхода предварительного усилителя 2. В этот момент устройство управления 8 по второму выходу переключает управляющий вход второго двухпозиционного ключа 15 в точку последовательного соединения второго 26 и третьего 27 резисторов. При этом сигнал, поступающий на вход основного усилителя 4, уменьшится в (1+R2/R3) раз, после чего усилитель 4, а, следовательно, и акустико-эмиссионная система снова переходит в линейный режим работы.
Подавление помех в акустико-эмиссионной системе осуществляется при помощи программно-управляемых частотных фильтров 23 и 24. Для этого сначала определяются спектральные характеристики шумового сигнала, а затем подбирается оптимальная полоса пропускания фильтра 3. Подавление помех также осуществляется схемой «плавающего» порога селекции, которая увеличивает пороговый уровень с повышением уровня шумов.
Для работы в режиме автокалибровки один из каналов переключается в режим имитатора. Для этого сигнальный процессор 10 подает команду в устройство управления каналом 8, которое переводит первый двухпозиционный ключ 14 в режим «имитатор». При этом ключ 13 замыкается и акустический преобразователь 1 через двухпозиционный ключ 14 подключается к выходу генератора калибровочных импульсов 12. При этом канал готов к работе в режиме имитатора сигналов акустической эмиссии. Генератор калибровочных импульсов 12 по команде сигнального процессора 10 генерирует высоковольтный импульс, поступающий на акустический преобразователь 1. При этом остальные каналы системы работают в режиме приема.
Общая синхронизация каналов осуществляется с помощью общего тактового генератора в контроллере Ethernet 22. При этом по этой же линии периодически проходит команда общего сброса счетчиков времени прихода в устройстве управления канала 8. В контроллере Ethernet 22 и в устройстве управления канала 8 16-разрядные счетчики времени прихода тактируются частотой 1 МГц. За 4 такта до переполнения счетчика в контроллере Ethernet 22, по линии синхронизации одновременно на все каналы генерируется 4-х битный манчестерский код, который дешифрируется в устройстве управления 8 каждого канала (фиг. 2). При правильной дешифрации во всех каналах одновременно формируется сигнал сброса счетчика времени прихода, и формируется сигнал прерывания для цифрового сигнального процессора 10, который считает число кадров (кадр - полный цикл 16-разрядного счетчика времени прихода, равный 65,535 мс). Полное время прихода сигнала состоит из 16-разрядного значения счетчика и 32-разрядного значения счетчика кадров (281 474 976, 710655 сек). В случае сбоя 4-битного кода сброса, счетчик времени прихода канала сбросится по переполнению 16 разрядов. При этом будет исключен грубый сбой счетчика.
Заявляемое устройство по сравнению с прототипом позволяет исключать помехи и адаптировать акустико-эмиссионную систему на прием полезных сигналов от дефектов испытываемой конструкции, расширить динамический диапазон системы, предотвратить ее переход в режим насыщения, что важно при работе с имитатором и для регистрации сигналов при разрушении конструкции. Кроме того, исключаются сбои в работе системы, синхронизируется работа измерительных каналов, а, следовательно, более точно определяется разность времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, что повышает точность локации дефектов. Все достигнутые преимущества при построении многоканальной акустико-эмиссионой системы диагностики повышают надежность контроля дефектов конструкции в режиме реального времени.