АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕПЛАСТИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ACOUSTIC EMISSION METHOD OF DIAGNOSIS OF THE PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS BASED ON CARBON FIBER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике композиционных материалов на основе углепластиков акустико-эмиссионным методом и может быть использовано для их контроля во время испытаний.
Известен способ определения дефектов в композиционных материалах с применением хрупких тензопокрытий и акустической эмиссии, состоящий в том, что в наиболее нагруженных и опасных зонах конструкции из композиционного материала устанавливаются хрупкие тензопокрытия с величиной пороговой деформации, меньшей или равной предельно допустимой для безопасной эксплуатации конструкции, а для дистанционного контроля состояния конструкции используется метод акустической эмиссии (Матвиенко Ю.Г., Фомин А.В., Иванов В.И. и др. Комплексное исследование дефектов в композиционных материалах с применением хрупких тензопокрытий и акустической эмиссии // «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», 2014, №1, с. 46-50), принятый за аналог.
Недостатком данного способа является практическая невозможность автоматизации процесса диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика, сложность использования и большая продолжительность проведения испытаний, поскольку нагружение композиционного изделия осуществляется поэтапно. При использовании метода тензопокрытий к конструкции из композиционного материала прикладывается небольшая нагрузка, после чего производится разгрузка конструкции и регистрация трещин в тензопокрытиях. Затем конструкция снова нагружается большими нагрузками и осуществляется регистрация сигналов акустической эмиссии. При этом уровень нагрузок, при которых образуются трещины в тензопокрытиях, существенно меньше нагрузок, требуемых для возникновения структурных изменений в материале изделия, необходимых для излучения сигналов акустической эмиссии. Кроме того, в процессе обработки акустико-эмиссионной информации не используется локация дефекта композиционного изделия. Приводятся простейшие параметры, а именно: графики накопления сигналов в процессе нагружения, их активность и распределение сигналов по амплитудам и длине образца. При этом один из основных параметров - локация сигналов от дефектов в углепластике не проводится. Получить устойчивую локацию дефектов в композиционных конструкциях, выполненных из углепластика, сложно. Объясняется это тем, что углепластик является анизотропным материалом и скорость распространения звуковой волны в нем зависит от направления ее прихода, что не рассматривается в способе, принятом за аналог.
Известно устройство для акустико-эмиссионного контроля композиционных материалов, содержащее два электроакустических тракта, включающих приемный преобразователь, предварительный усилитель с коэффициентом усиления 40 дБ, фильтр, основной усилитель. Кроме того, согласно описанию, в первом электроакустическом тракте содержится приемный преобразователь с резонансной частотой 100…200 кГц, полосовой фильтр с полосой пропускания 20...200 кГц и подавлением вне полосы 40 дБ, основной усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 20…60 дБ, детектор огибающей и АЦП, во втором электроакустическом тракте содержится приемный преобразователь с резонансной частотой 20…50 кГц, фильтр нижних частот с частотой среза 20 кГц и подавлением верхних частот 40 дБ, основной усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ, детектор огибающей и АЦП, причем выход детектора огибающей первого канала и выход основного усилителя второго канала подключены к АЦП дискретного звукового адаптера с частотой дискретизации 192 кГц, нормируемым отношением сигнал/ шум и нормируемого неравномерностью АЧХ, а ЦАП интегрированного на системной плате ПЭВМ звукового адаптера используется для генерации меандра переменной амплитуды, используемого в цепи регулировки коэффициента усиления усилителя первого канала, при этом сигналы с аналого-цифрового преобразователя первого канала принимаются как несущие информацию об акустическом событии тогда и только тогда, когда разность уровней сигналов первого и второго каналов по абсолютной величине превышает некоторое заранее установленное пороговое значение, причем дискриминация сигналов и выбор значения коэффициента усиления осуществляется управляющей программой (Патент РФ №2472145. МПК G01N 29/14, БИ № 1, 2013 г., приоритет от 23.09.2011), принятый за аналог.
К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие автоматической калибровки, что не позволяет определять скорость звука. Это отражается на снижении точности определения координат дефектов (Степанова Л.Н., Рамазанов И.С., Кабанов С.И. и др. Локализация сигналов акустической эмиссии с учетом погрешностей измерения скорости звука и времен их прихода на датчики пьезоантенны // Контроль. Диагностика, 2008, №10, с. 60-64). Кроме того, в устройстве используются резонансные акустические преобразователи, которые позволяют получать чувствительность выше, чем у широкополосного акустического преобразователя. Однако при этом резонансный преобразователь обладает повышенным уровнем радиальных колебаний, что приводит к появлению в выходном сигнале серии низкочастотных колебаний, приводящих к увеличению времени регистрации сигналов акустической эмиссии и появлению погрешностей определения времен прихода (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций.- М.: Радио и связь, 2000, с. 57-59).
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
Наиболее близким к данному способу является способ акустико-эмиссионного контроля изделий из композиционного материала на основе углепластика, включающий установку на изделие акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, прием, регистрацию, оцифровку сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, определение временных интервалов между приходом каждого сигнала на акустические преобразователи, определение по разности времен прихода координат источников сигналов акустической эмиссии, причем акустический преобразователь, работающий в режиме приема, устанавливается в центр изделия, проводится окружность с центром в точке установки акустического преобразователя, разбивается на 12 секторов с шагом в
радиан, на границу каждого сектора на окружности последовательно устанавливают акустический преобразователь, работающий в режиме излучения, измеряется разность между временем излучения сигнала акустическим преобразователем имитатора и временем его прихода на акустический преобразователь, работающий в режиме приема, строится диаграмма изменения скорости акустической волны в зависимости от направления излучения, вычисляются коэффициенты аппроксимирующей функции для полученной диаграммы, определяются места установки акустических преобразователей на изделии, зона контроля разбивается на ячейки, для которых рассчитываются ожидаемые теоретические разности времен прихода сигнала на акустические преобразователи с учетом угла поворота системы координат относительно направления от первого принявшего преобразователя ко второму, после чего локация сигналов акустической эмиссии осуществляется сравнением полученных разностей времен прихода с теоретическими (Степанова Л.Н., Лебедев Е.Ю., Рамазанов И.С. Расчет координат источников сигналов акустической эмиссии в образцах из углепластика // Контроль. Диагностика, 2013, №8, с. 74-78), принятый за прототип.
Недостатком данного способа является произвольное определение точек установки акустического преобразователя имитатора, работающего в режиме излучения, на изделие и изменение размера и положения зоны контроля по сравнению с зоной, для которой осуществлялось определение скорости звука в материале конструкции в зависимости от направления его распространения. При использовании одного акустического преобразователя в крупногабаритном изделии возникает большая погрешность из-за влияния анизотропии и затухания сигнала акустической эмиссии. Размер зоны при прозвучивании одним акустическим преобразователем может значительно отличаться от размера реальной крупногабаритной конструкции.
Наиболее близким по технической сущности является 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 и предварительного усилителя, а также фильтра верхних частот, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, цифрового мультиплексора, оперативного запоминающего устройства, шины PCI, центрального процессора компьютера, генератора калибровочных импульсов, двух ключей, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с фильтром верхних частот, а вторые выходы двухпозиционных ключей каналов объединены и соединены с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены со вторым выходом устройства управления режимом синхронизации. Кроме того, согласно описанию, оно снабжено фильтрами верхних и нижних частот, цифровым сигнальным процессором, устройством управления режимом канала, причем первый вход фильтра верхних частот соединен с первым выходом двухпозиционного ключа, а второй вход фильтра верхних частот соединен с первым выходом устройства управления режимом канала, выход фильтра верхних частот соединен с первым входом фильтра нижних частот, второй вход фильтра нижних частот соединен со вторым выходом устройства управления режимом канала, выход фильтра нижних частот соединен с первым входом основного программируемого усилителя, второй вход которого соединен с третьим выходом устройства управления режимом канала, выход основного программируемого усилителя соединен с неинвертирующим входом компаратора и входом аналого-цифрового преобразователя, инвертирующий вход компаратора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход цифроаналогового преобразователя соединен с четвертым выходом устройства управления режимом канала, выход компаратора соединен с первыми входами оперативного запоминающего устройства и цифрового сигнального процессора, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен шиной со вторым входом оперативного запоминающего устройства, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом цифрового сигнального процессора, первый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства, третьи входы цифровых сигнальных процессоров каналов блока объединены и соединены с третьим выходом устройства управления режимом синхронизации, цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен двунаправленной шиной со входом цифрового мультиплексора для данного канала, второй цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен шиной с цифровым входом устройства управления режимом канала, выход цифрового мультиплексора двунаправленной шиной соединен с шиной PCI, которая соединена с цифровым входом устройства управления синхронизации и входом центрального процессора одноплатного промышленного компьютера, выход которого двунаправленной шиной соединен с сетью Ethernet, которая подключена к главному компьютеру (Патент РФ № 2396557, МПК G01N 29/14, БИ № 22, 2010, приоритет от 16.12.2008), принятое за прототип.
К числу недостатков устройства относятся:
- с помощью устройства, принятого за прототип, невозможно производить калибровку объекта контроля с анизотропной структурой для определения скоростей звука по всем направлениям, так как отсутствует канал с отдельным акустическим преобразователем, работающим в режиме имитатора;
- нет возможности автоматического подбора амплитуды импульса имитатора для корректного проведения автоматической калибровки.
При разработке заявляемого акустико-эмиссионного способа диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика была поставлена задача повышения точности локации дефектов в изделии из композиционного материала на основе углепластика в реальном времени.
ux
uy
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом акустико-эмиссионном способе диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика, включающем установку на изделие акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, прием, регистрацию и оценку сигналов акустической эмиссии, оцифровку сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, определение временных интервалов между приходом каждого сигнала на акустические преобразователи, определение по разности времен прихода координат источников сигналов акустической эмиссии, в зоне контроля устанавливают пьезоантенну из преобразователей, разбивают зону на секторы, в которые последовательно устанавливают акустический преобразователь имитатора сигналов по дуге окружности радиусом не менее половины минимального расстояния между акустическими преобразователями, задают минимальную амплитуду генератора имитатора, определяют времена прихода сигналов акустической эмиссии для построения годографа скоростей, после чего по годографу строят матрицу разностей времен прихода, рассчитывают погрешности локации сигналов имитатора Δ, Δ в соответствии с выражениями
ux
лок
p
Δ=max|x-x|
uy
лок
p
Δ=max|y-y|,
лок
лок
где x, y - координаты калибровочных сигналов акустической эмиссии, рассчитанные по матрице разностей времен прихода;
p
p
x, y - реальные координаты места установки акустического преобразователя имитатора,
причем при превышении погрешности допустимой величины увеличивают амплитуду сигналов генератора имитатора до тех пор, пока погрешность локации не будет находиться в пределах допустимой величины, затем по зарегистрированной амплитуде сигналов акустической эмиссии в каждом канале устанавливают их пороги селекции, после чего объект контроля нагружают, зарегистрированные при этом времена прихода сигналов акустической эмиссии сравнивают с матричными значениями и по наиболее близким из них судят о координатах источников дефектов.
Поставленная задача решается также за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий из композиционных материалов на основе углепластика состоит из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, работающего в режиме приема, и предварительного усилителя, а также программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, цифрового сигнального процессора, шины PCI, центрального процессора компьютера, генератора калибровочных импульсов, двух ключей, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с фильтром, а вторые выходы двухпозиционных ключей каналов объединены и соединены с генератором калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации, устройством управления режимом канала, компаратором, цифроаналоговым преобразователем, причем первый вход фильтра соединен с первым выходом двухпозиционного ключа, а второй вход фильтра соединен с первым выходом устройства управления режимом канала, выход фильтра соединен с первым входом основного программируемого усилителя, второй вход которого соединен с третьим выходом устройства управления режимом канала, выход основного программируемого усилителя соединен с неинвертирующим входом компаратора и входом аналого-цифрового преобразователя, инвертирующий вход компаратора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход цифроаналогового преобразователя соединен с четвертым выходом устройства управления режимом канала, выход компаратора соединен с первыми входами оперативного запоминающего устройства и цифрового сигнального процессора, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен шиной со вторым входом оперативного запоминающего устройства, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом цифрового сигнального процессора, первый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства, третьи входы цифровых сигнальных процессоров каналов блока объединены и соединены с третьим выходом устройства управления режимом синхронизации, цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен двунаправленной шиной с входом цифрового мультиплексора для данного канала, второй цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен шиной с цифровым входом устройства управления режимом канала, выход цифрового мультиплексора двунаправленной шиной соединен с шиной PCI, которая соединена с цифровым входом устройства управления синхронизации и входом центрального процессора компьютера, снабжено пиковым детектором, цифроаналоговым преобразователем калибровочной амплитуды, компаратором превышения калибровочной амплитуды, логической схемой «И», причем вход цифроаналогового преобразователя калибровочной амплитуды соединен со вторым выходом устройства управления режимом канала, а его выход соединен с инвертирующим входом компаратора превышения калибровочной амплитуды, неинвертирующий вход которого соединен с выходом пикового детектора, вход которого соединен с выходом основного программируемого усилителя, неинвертирующим входом компаратора превышения порога селекции, и входом аналого-цифрового преобразователя, а выход компаратора превышения калибровочной амплитуды соединен с первым входом логической схемы «И», выход схемы «И» соединен со входом устройства управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров, выход генератора калибровочных импульсов соединен со входом акустического преобразователя, работающего в режиме излучения, и используемого в качестве имитатора сигналов при калибровке.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего акустико-эмиссионный способ диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика. На фиг. 2 изображен участок композиционной конструкции, поясняющий работу способа. На фиг. 3 поясняется расчет матрицы разностей времен прихода сигналов акустической эмиссии с помощью годографа скоростей.
Устройство, реализующее акустико-эмиссионный способ диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика (фиг. 1), содержит:
1…n - блоки приема и обработки измерительной информации;
2 - акустический преобразователь, работающий в режиме приема;
3 - предварительный усилитель;
4 - программируемый полосовой фильтр;
5 - основной программируемый усилитель;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - оперативное запоминающее устройство;
8 - цифровой сигнальный процессор;
9 - шину стандарта PCI;
10 - центральный процессор;
11 - генератор калибровочных импульсов с управляемой амплитудой;
12, 13 - ключи управления режимом предварительного усилителя;
14 - двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием»;
15 - устройство управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров;
16 - устройство управления режимом канала;
17 - компаратор превышения порога селекции;
18 - цифроаналоговый преобразователь порога селекции;
19 - цифровой мультиплексор и устройство сопряжения с шиной PCI;
20 - пиковый детектор;
21 - цифроаналоговый преобразователь калибровочной амплитуды;
22 - компаратор превышения калибровочной амплитуды;
23 - логическую схема «И»;
24 - акустический преобразователь, работающий в режиме излучения (имитатор).
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий из композиционных материалов на основе углепластика, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, работающего в режиме приема, и предварительного усилителя 3, фильтра 4, а также программируемого основного усилителя 5, аналого-цифрового преобразователя 6, оперативного запоминающего устройства 7, цифрового сигнального процессора 8, шины PCI 9, центрального процессора компьютера 10, генератора калибровочных импульсов 11, двух ключей 12, 13, причем первый вход первого ключа 12 соединен с выходом акустического преобразователя 2, а второй вход первого ключа 12 соединен со вторым входом второго ключа 13 и входом двухпозиционного ключа 14, первый вход второго ключа 13 соединен с выходом предварительного усилителя 3, при этом первый выход двухпозиционного ключа 14 соединен с фильтром 4, а вторые выходы двухпозиционных ключей 14 каналов объединены и соединены с генератором калибровочных импульсов 11, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации 15, устройством управления режимом канала 16, компаратором 17, цифроаналоговым преобразователем 18, причем первый вход фильтра 4 соединен с первым выходом двухпозиционного ключа 14, а второй вход фильтра 4 соединен с первым выходом устройства управления режимом канала 16, выход фильтра 4 соединен с первым входом основного программируемого усилителя 5, второй вход которого соединен с третьим выходом устройства управления режимом канала 16, выход основного программируемого усилителя 5 соединен с неинвертирующим входом компаратора 17 и входом аналого-цифрового преобразователя 6, инвертирующий вход компаратора 17 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 18, вход которого соединен с четвертым выходом устройства управления режимом канала 16, выход компаратора 17 соединен с первыми входами оперативного запоминающего устройства 7 и цифрового сигнального процессора 8, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 6 соединен шиной со вторым входом оперативного запоминающего устройства 7, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом цифрового сигнального процессора 8, первый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства 7, третьи входы цифровых сигнальных процессоров 8 каналов блока объединены и соединены с третьим выходом устройства управления режимом синхронизации 15, цифровой выход цифрового сигнального процессора 8 соединен двунаправленной шиной со входом цифрового мультиплексора 19 данного канала, второй цифровой выход цифрового сигнального процессора 8 соединен шиной с цифровым входом устройства управления режимом канала 16, выход цифрового мультиплексора 19 двунаправленной шиной соединен с шиной PCI 9, которая соединена с цифровым входом устройства управления синхронизации сигнальных процессоров 15 и входом центрального процессора 10 компьютера, согласно изобретению снабжено пиковым детектором 20, цифроаналоговым преобразователем калибровочной амплитуды 21, компаратором превышения калибровочной амплитуды 22, логической схемой «И» 23, акустическим преобразователем имитатора 24, работающим в режиме излучения, причем вход цифроаналогового преобразователя калибровочной амплитуды 21 соединен со вторым выходом устройства управления режимом канала 16, а его выход соединен с инвертирующим входом компаратора превышения калибровочной амплитуды 22, неинвертирующий вход которого соединен с выходом пикового детектора 20, вход которого соединен с выходом основного программируемого усилителя 5, неинвертирующим входом компаратора превышения порога селекции 17 и входом аналого-цифрового преобразователя 6, а выход компаратора превышения калибровочной амплитуды 22 соединен с первым входом логической схемы «И» 23, выход которой соединен со входом устройства управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров 15, выход генератора калибровочных импульсов 11 соединен со входом акустического преобразователя 24.
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:
1. Схема предварительного усилителя 3 приведена в книге (Серьезное А.Н., Степанова Л.Н. и др. / под редакцией Л.Н. Степановой. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций. - М.: Радио и связь, 2000, с. 83, рис 3.3).
2. Аналоговые ключи 12, 13 собраны на реле V 23079.
3. Программируемый полосовой фильтр 4 реализуется на динамически программируемых аналоговых сигнальных процессорах типа AN231E04. Пример реализации приведен на сайте www.anadigm.com.
4. Цифровой сигнальный процессор 8 выполнен на микросхеме фирмы «Analog Devices» ADSP-BF537KBCZ-6BV.
5. Цифроаналоговые преобразователи 18, 21 собраны на микросхемах AD5450 и AD8030ARJZ.
6. Устройство управления каналом 16 выполнено на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera)) EP3C16F256C8N семейства Cyclone III.
7. Аналого-цифровой преобразователь 6 канала выполнен на микросхеме AD9649BCPZ-20 фирмы «Analog Devices)).
8. Оперативное запоминающее устройство 7 выполнено на микросхемах статического ОЗУ AS7C1026.
9. Генератор калибровочных импульсов 11 собран по схеме, приведенной в книге (А.Н. Серьезнов Л.Н. Степанова и др. / под редакцией Л.Н. Степановой «Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии» - М.: Машиностроение, 2004, с. 56, рис 3.6).
Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Altera (фирмы ALTERA - www.altera.com; фирмы Analog Devices - www.ad.com, www.anadigm.com).
Способ и устройство, реализующее способ, работают следующим образом. На контролируемый композиционный объект контроля устанавливают акустические преобразователи 2, работающие в режиме приема и образующие локационную антенну. Затем проводится калибровка с целью определения скорости звука в объекте контроля во всех направлениях. Для этого устанавливают акустический преобразователь 24, работающий в режиме излучения (имитатор) на предварительно размеченные места, расположенные радиально вокруг приемных акустических преобразователей (фиг. 2). Радиальная установка акустического преобразователя 24 имитатора на одинаковом расстоянии от приемного преобразователя 2 упрощает процедуру сравнения скоростей распространения звука в разных направлениях. Устройство для выполнения процедуры калибровки подготавливается следующим образом: в регистры цифроаналогового преобразователя порога селекции 18 через устройство управления режимом канала 16 записываются значения кодов пороговых напряжений, превышающих значения шумов в каждом измерительном канале. Запись осуществляется путем подачи команды от центрального процессора 10 через шину стандарта PCI 9 и цифровой мультиплексор 19 в цифровой сигнальный процессор 8, который через устройство управления режимом канала 16 записывает значения кода порогового напряжения в цифроаналоговый преобразователь порога селекции 18. Затем в счетчик числа отсчетов оперативного запоминающего устройства 7 (являющимся также счетчиком адреса), записывается код, соответствующий времени записи оцифрованного сигнала (соответствует количеству записываемых отсчетов аналого-цифрового преобразователя 6). Затем подается разрешение от цифрового сигнального процессора 8 в оперативное запоминающее устройство 7 на запись кодов результатов измерений аналого-цифрового преобразователя 6. Двухпозиционные переключатели 14 режима «имитатор-прием» всех измерительных каналов переключаются в режим приема. При этом подается питание на предварительный усилитель 3 и ключи 12, 13 переключаются в режим приема (ключ 13 замкнут, ключ 12 разомкнут). Для работы в режиме калибровки необходимо записать значения калибровочной амплитуды в цифроаналоговый преобразователь калибровочной амплитуды 21. Калибровочную амплитуду выбирают минимальной, чтобы сработали компараторы 17 для устойчивой регистрации сигнала по всем каналам. Если хотя бы один из компараторов 17 не сработает, то амплитуду калибровочного импульса увеличивают, пока не сработают все компараторы 17. Для этого команда от центрального процессора 10 через шину стандарта PC 19 и цифровой мультиплексор 19 подается в цифровой сигнальный процессор 8, который через устройство управления режимом канала 16 записывает значения кода порогового напряжения в цифроаналоговый преобразователь калибровочной амплитуды 21. Затем подается команда от центрального процессора 10 через шину стандарта PCI 9 и устройство управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров 15 на запуск генератора калибровочных импульсов с управляемой амплитудой 11.
Амплитуда калибровочного импульса определяется длительностью подачи импульсов накачки высоковольтного источника напряжения. Первоначально выбирается минимальная амплитуда высоковольтного импульса, так как при калибровке объектов из композиционных материалов могут возникать паразитные электрические наводки. Высоковольтный калибровочный импульс поступает на акустический преобразователь 24, работающий в режиме излучения. При этом все измерительные каналы устройства работают в режиме приема сигналов акустической эмиссии. Акустико-эмиссионный сигнал с объекта контроля преобразуется акустическим преобразователем 2, работающим в режиме приема, в электрический сигнал, поступающий на вход предварительного усилителя 3, где он усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 через замкнутый ключ 13 (ключ 12 в режиме приема сигналов разомкнут) и двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14, находящийся в режиме приема, сигнал поступает на программируемый полосовой фильтр 4 для фильтрации помех и шумов. С выхода фильтра 4 акустико-эмиссионный сигнал поступает на вход основного программируемого усилителя 5 с изменяемым коэффициентом усиления, в котором сигнал усиливается до необходимого уровня и затем поступает на положительный вход компаратора превышения порога селекции 17. Одновременно сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, где происходит дискретизация аналогового сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 6 цифровой код поступает на вход оперативного запоминающего устройства 7, где он запоминается. На отрицательный вход компаратора превышения порога селекции 17 подается пороговый уровень напряжения, формируемый цифроаналоговым преобразователем порога селекции 18 под управлением кода устройства управления режимом канала 16. При превышении сигналом акустической эмиссии порогового уровня на выходе компаратора превышения порога селекции 17 появляется сигнал высокого логического уровня, который поступает в цифровой сигнальный процессор 8, а также на управляющий вход оперативного запоминающего устройства 7, в котором запускается таймер времени отсечки (счетчик адреса), и по окончании этого времени запись кодов аналого-цифрового преобразователя 6 в оперативном запоминающем устройстве 7 останавливается. После окончания времени отсечки цифровой сигнальный процессор 8 получает возможность считывать предварительно записанную в оперативном запоминающем устройстве 7 измерительную информацию. Для определения времени прихода сигналов акустической эмиссии в цифровом сигнальном процессоре 8 по сигналу с выхода компаратора превышения порога селекции 17 регистрируется время прихода сигнала в счетчике времени прихода. Для одновременности работы этих счетчиков в каждом измерительном канале используется общий задающий генератор в устройстве управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров 15, и центральный процессор компьютера 10 через равные промежутки времени посылает в цифровые сигнальные процессоры каналов сигнал синхронизации. Готовность к приему следующих сигналов определяет цифровой сигнальный процессор 8, непрерывно считывая значения этих сигналов с выхода компаратора превышения порога селекции 17. Как только на выходе компаратора 17 появится сигнал низкого логического уровня заранее заданной определенной длительности, цифровой сигнальный процессор 8 выдаст в оперативное запоминающее устройство 7 сигнал, по которому разрешается запись, и устройство готово к приему следующего сигнала. На выходах основных программируемых усилителей 5 формируются сигналы напряжения, полученные от воздействия калибровочного импульса. Максимальные амплитуды этих сигналов регистрируются на выходах пиковых детекторов 20. Напряжения с выходов пиковых детекторов 20 поступают на положительные входы компараторов превышения калибровочной амплитуды 22, на отрицательные входы которых поданы напряжения с выходов цифроаналоговых преобразователей калибровочной амплитуды 21. В случае достаточного уровня сигналов на выходах основных программируемых усилителей 5, на выходах компараторов превышения калибровочной амплитуды 22 появляются сигналы высокого логического уровня, поступающие на вход логической схемы «И» 23. Если хотя бы один из измерительных каналов не зарегистрировал калибровочный сигнал с достаточной амплитудой, на выходе логической схемы «И» 23 остается сигнал низкого логического уровня, и устройство управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров 15 формирует калибровочный импульс с более высокой амплитудой. Таким образом, амплитуда калибровочного импульса возрастает до тех пор, пока на выходе логической схемы «И» 23 не появится сигнал высокого логического уровня, и процесс калибровки для одного измерительного канала завершится. Времена прихода сигналов с каналов, работающих в режиме приема, регистрируются в цифровых сигнальных процессорах 8, а время излучения калибровочного импульса регистрируется в устройстве управления режимом калибровки и синхронизации сигнальных процессоров 15. На этом процедура калибровки для текущего места (25.1) установки имитатора и заданной калибровочной амплитуды завершается.
Затем устанавливают акустический преобразователь имитатора в следующее место (25.2) и процедуру калибровки повторяют при той же калибровочной амплитуде. Для каждого места (25.2-25.n) установки имитатора определяются углы направления на приемные акустические преобразователи 2 и времена прихода акустических сигналов на эти преобразователи. По временам прихода и расстояниям от точки установки имитатора до приемных акустических преобразователей рассчитывается скорость звука в соответствующем углу направлении. По всем калибровочным данным строится годограф скоростей звука в зависимости от направления (фиг. 3). Для построения годографа определяются координаты:
X
Y
где x, y - координаты точки в зоне контроля; C, C - коэффициенты скорости распространения акустической волны в материале в направлениях, параллельных осям эллипса, вычисляемые исходя из результатов калибровки;
φ - параметр направления, выбираемый таким образом, что направление φ=0 соответствует максимальной скорости распространения звука.
Затем зона контроля разбивается на ячейки (фиг. 3). С использованием годографа скоростей звука в каждой ячейке рассчитывается время распространения акустического сигнала от ячейки до каждого приемного акустического преобразователя. Таким образом, формируется матрица соответствия разности времен прихода сигналов акустической эмиссии координатам ячеек зоны контроля. Эта матрица хранится в памяти компьютера. Вычисляемая матрица имеет вид:
1
n
1
n
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>t</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>X</mi><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>X</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow>
где n - количество столбцов в матрице; m - количество строк матрицы; X…X - координаты x ячеек зоны контроля, соответствующих столбцам матрицы; Y…Y - координаты у ячеек, соответствующих строкам матрицы;
- элемент матрицы.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>t</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>X</mi><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>X</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>0</mn><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Элемент
матрицы представляет собой набор разностей времен прихода
для четырех акустических преобразователей (0…3). Матрица (1), вычисляемая по итогам процедуры калибровки, используется при локации сигналов акустической эмиссии методом подбора для каждого зарегистрированного сигнала акустической эмиссии наилучшим образом соответствующего ему набора разностей времен прихода в матрице.
С использованием полученной матрицы определяют координаты источников акустической эмиссии по данным, полученным при калибровке. Для каждой точки установки имитатора рассчитывается погрешность определения координат по формуле:
ux
лок
p
Δ|x-x|;
uy
лок
p
Δ|y-y|,
ux
uy
лок
лок
p
p
где Δ, Δ - погрешности определения координат x и y соответственно; x, y - координаты калибровочных сигналов акустической эмиссии, рассчитанные по матрице разностей времен прихода; x, y - реальные координаты места установки акустического преобразователя имитатора 24.
Если погрешность хотя бы в одном месте (25.1-25.n) превышает предварительно заданную погрешность, то повышают калибровочную амплитуду генератора имитатора и повторяют процедуру калибровки для всех мест его установки. Таким образом, когда погрешность, полученная при калибровке, будет в пределах допустимой, то процедура калибровки завершается, а пороги селекции устанавливают равными калибровочной амплитуде. Затем композиционный объект нагружают нагрузкой. Устройство регистрирует акустические сигналы аналогично тому, как происходит в режиме калибровки, от источника сигналов акустической эмиссии. Измеренные в процессе нагружения разности времен прихода сравниваются с значениями в матрице и по наиболее близким к матричным значениям разностей времен прихода определяются координаты источника акустической эмиссии.
Данная погрешность рассчитывается относительно центра ячейки зоны контроля и не превышает размера ячейки, так как процедура калибровки и подбора порога селекции позволяет исключить из локационной картины сигналы, локализуемые с большей погрешностью.
Предложенная схема по сравнению с аналогами обладает более высокой точностью определения координат дефектов за счет автоматизированной процедуры калибровки, определения скоростей звука во всех направлениях в композиционном материале из углепластика.