МНОГОКАНАЛЬНОЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
MULTICHANNEL ACOUSTIC-EMISSION DEVICE

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при прочностных испытаниях конструкций, работающих в среде с высоким уровнем шумов и помех, например при выполнении контроля рельсов в момент прохождения железнодорожного состава.
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, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, компаратор, оперативное запоминающее устройство, шину компьютера, последовательно соединенные коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов. Кроме того, в устройстве выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу первого цифрового мультиплексора, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления, выходы первого цифрового мультиплексора подключены к двум оперативным запоминающим устройствам, выходы которых соединены с входами второго цифрового мультиплексора, а управляющие входы оперативных запоминающих устройств объединены и подключены ко второму выходу устройства управления, третий выход устройства управления подключен к управляющему входу второго цифрового мультиплексора, а в каждом канале выход пикового детектора соединен с неинвертирующим входом компаратора, а к инвертирующему входу компаратора каждого канала подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей объединены и соединены с первым выходом микропроцессора, выходы компараторов соединены с входами микропроцессора, шина ввода-вывода которого соединена с первой шиной ввода-вывода устройства управления, вторая шина ввода-вывода устройства управления объединена с выходной шиной второго мультиплексора и соединена с шиной компьютера (Пат. РФ №2300761, G01N 29/04, от 1.06.2007, приоритет от 21.10.2004, принятый за аналог).
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности из-за его незащищенности от шумов и помех. Однако данное устройство не позволяет в реальном времени определять степень опасности дефекта, поскольку в его каналах отсутствуют быстродействующие микропроцессорные устройства. Кроме того, один аналого-цифровой преобразователь, обслуживающий четыре измерительных канала, существенно ограничивает быстродействие данного устройства. Использование коммутационного устройства приводит к дополнительным погрешностям из-за переходных процессов в ключах.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя и предварительного усилителя, фильтра, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, устройство управления, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера, два ключа, 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, с выхода предварительного усилителя через замкнутые второй и двухпозиционный ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Кроме того, выход программируемого усилителя соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления, а управляющие входы программируемых усилителей объединены и соединены с четвертым входом устройства управления (Пат. РФ №2296320, G01N 29/04, от 27.03.2007, приоритет 07.09.2005, принятый за прототип).
Недостатком данного устройства является отсутствие защиты от помех и шумов и низкое быстродействие. Это связано с тем, что в устройстве используются узкополосные фильтры, которые настраиваются на главную резонансную частоту акустических преобразователей. Поскольку акустические преобразователи обладают большим разбросом амплитудно-частотных характеристик, то такая настройка не позволяет эффективно изменять полосу пропускания фильтров и отстраиваться от паразитных шумов и помех. Кроме того, в оперативном запоминающем устройстве невозможно одновременно осуществлять запись и считывание информации и в связи с этим данная система обладает низким быстродействием и ограниченными функциональными возможностями, поскольку она может обрабатывать только дискретные сигналы.
При разработке многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля изделий была поставлена задача повышения его защищенности от шумов и помех при их высоком уровне, а также повышения быстродействия и достоверности результатов диагностики.
Поставленная задача решается за счет того, многоканальное акустико-эмиссионное устройство состоит из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя и предварительного усилителя, а также из 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 синхронизации, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены со вторым выходом устройства управления синхронизации. Кроме того, согласно изобретению 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.
На чертеже показана функциональная схема многоканального акустико-эмиссионного устройства. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство содержит:
1…n - блоки приема и обработки измерительной информации;
1…4 - измерительные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии в блоке;
2 - акустический преобразователь;
3 - предварительный усилитель;
4 - фильтр верхних частот;
5 - основной программируемый усилитель;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - цифровой мультиплексор;
8 - оперативное запоминающее устройство;
9 - шина стандарта РСI;
10 - центральный процессор одноплатного промышленного компьютера;
11 - генератор калибровочных импульсов;
12 - первый ключ;
13 -второй ключ;
14 - двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием»;
15 - устройство управления режимом синхронизации;
16 - фильтр нижних частот;
17 - цифровой сигнальный процессор;
18 - устройство управления режимом канала;
19 - компаратор;
20 - цифроаналоговый преобразователь;
21 - сеть Ethernet;
22 - главный компьютер.
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 2 и предварительного усилителя 3, а также фильтра верхних частот 4, программируемого основного усилителя 5, аналого-цифрового преобразователя 6, цифрового мультиплексора 7, оперативного запоминающего устройства 8, шины PCI 9, центрального процессора компьютера 10, генератора калибровочных импульсов 11, двух ключей 12 и 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 верхних частот 4, а вторые выходы двухпозиционных ключей 14 каналов объединены и соединены с выходом генератора калибровочных импульсов 11, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации 15. Управляющие входы двухпозиционных ключей 14 объединены и соединены со вторым выходом устройства управления режимом синхронизации 15. Кроме того, оно снабжено фильтрами верхних 4 и нижних 16 частот, цифровым сигнальным процессором 17, устройством управления режимом канала 18, первый вход фильтра верхних частот 4 соединен с первым выходом двухпозиционного ключа 14, а второй вход фильтра верхних частот 4 соединен с первым выходом устройства управления режимом канала 18, выход фильтра верхних частот 4 соединен с первым входом фильтра нижних частот 16, второй вход фильтра нижних частот 16 соединен со вторым выходом устройства управления режимом канала 18, выход фильтра нижних частот 16 соединен с первым входом основного программируемого усилителя 5, второй вход которого соединен с третьим выходом устройства управления режимом канала 18, выход основного программируемого усилителя 5 соединен с неинвертирующим входом компаратора 19 и входом аналого-цифрового преобразователя 6, инвертирующий вход компаратора 19 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 20, вход цифроаналогового преобразователя 20 соединен с четвертым выходом устройства управления режимом канала 18, выход компаратора 19 соединен с первыми входами оперативного запоминающего устройства 8 и цифрового сигнального процессора 17, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 6 соединен шиной со вторым входом оперативного запоминающего устройства 8, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом цифрового сигнального процессора 17, первый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства 8, третьи входы цифровых сигнальных процессоров 17 каналов блока объединены и соединены с третьим выходом устройства управления режимом синхронизации 15, цифровой выход цифрового сигнального процессора 17 соединен двунаправленной шиной со входом цифрового мультиплексора 7 для данного канала, второй цифровой выход цифрового сигнального процессора 17 соединен шиной с цифровым входом устройства управления режимом канала 18, выход цифрового мультиплексора 7 двунаправленной шиной соединен с шиной PCI 9, которая соединена с цифровым входом устройства управления синхронизации 15 и входом центрального процессора одноплатного промышленного компьютера 10, выход которого двунаправленной шиной соединен с сетью Ethernet 21, которая подключена к главному компьютеру 22.
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:
1. Схема предварительного усилителя 3 приведена в книге (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н. и др. - Акустико-эмиссионная диагностика конструкций - // Под ред. Л.Н. Степановой. - М.: Радио и связь, 2000, с.83, рис 3.3).
2. Аналоговый компаратор собран на микросхеме LM311.
3. Фильтры верхних и нижних частот реализуются на динамически программируемых аналоговых сигнальных процессорах типа AN231E04. Пример реализации приведен на сайте www.anadigm.com.
4. Цифровой сигнальный процессор выполнен на микросхеме фирмы «Texas Instruments» TMS320VC5402A.
5. Цифроаналоговый преобразователь собран на микросхемах AD7545 и МС33272.
6. Устройство управления каналом выполнено на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» EPF10K10TC.
7. Аналого-цифровой преобразователь акустического канала выполнен на микросхеме AD9220 фирмы «Analog Devices».
8. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) выполнено на микросхемах статического ОЗУ AS7C1026.
9. Одноплатный промышленный компьютер выполнен на основе платы фирмы «Fastwel»CPU686EC-104 в стандарте РС/104.
10. Генератор калибровочных импульсов собран по схеме, приведенной в книге (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н. и др. - Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии - / Под ред. Л.Н.Степановой, В.В.Муравьева. - М.: Машиностроение, 2004, с.56, рис 3.6).
Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Motorolla, Altera, Texas Instruments (Motorolla - www.moto.com; фирмы ALTERA - www.altera.com; фирмы Analog Devices - www.ad.com, фирмы Texas Instruments - www.ti.com, www.anadigm.com, www.prosoft.ru).
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство работает следующим образом. Данное акустико-эмиссионное устройство позволяет реализовать три режима работы:
- прием дискретных сигналов акустической эмиссии по превышению порогового уровня измерительного канала;
- режим отстройки от шумов и помех;
- режим калибровки.
Устройство, функциональная схема которого приведена на чертеже, выполнено по параллельному принципу и содержит n четырехканальных блоков. Каждый блок представляет собой функционально законченную систему, конструктивно выполненную в виде модуля с встроенным одноплатным промышленным компьютером стандарта PC-104. Модули объединены между собой с помощью сети Ethernet.
Работа устройства по приему дискретных сигналов акустической эмиссии происходит следующим образом. Перед началом работы канала записываются значения кодов пороговых напряжений, превышающих значения шумов и помех в каждом канале. Запись осуществляется путем подачи команды от центрального процессора одноплатного промышленного компьютера 10 через шину стандарта PCI 9 и цифровой мультиплексор 7 с сопряжением с шиной PCI 9 в цифровой сигнальный процессор 17. Затем в счетчик числа отсчетов, находящийся в оперативном запоминающем устройстве 8, являющийся также счетчиком адреса, записывается код, соответствующий времени записи оцифрованного сигнала (т.е. количество записанных отсчетов аналого-цифрового преобразователя 6). Затем подается разрешение от цифрового сигнального процессора 17 в оперативное запоминающее устройство 8 на запись кодов результатов измерений аналого-цифрового преобразователя 6.
Акустико-эмиссионный сигнал с объекта контроля преобразуется акустическим преобразователем 2 в электрический сигнал, поступающий на вход предварительного усилителя 3, где он усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 через замкнутый ключ 13 и двухпозиционный переключатель режима работы «имитатор-прием» 14, находящийся в режиме приема, сигнал акустической эмиссии поступает на последовательно включенные управляемые фильтры верхних 4 и нижних 16 частот, для фильтрации помех и шумов. С выхода фильтра нижних частот 16 сигнал поступает на вход основного программируемого усилителя 5 с изменяемым коэффициентом усиления. В основном усилителе 5 сигнал усиливается до необходимого уровня и затем поступает на неинвертирующий вход компаратора 19. В то же время 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 8, где он запоминается. На инвертирующий вход компаратора 19 подается пороговый уровень напряжения, формируемый цифроаналоговым преобразователем 20 под управлением кода устройства управления режимом работы канала 18. При превышении сигналом порогового уровня на выходе компаратора 19 появляется сигнал высокого логического уровня, который поступает в цифровой сигнальный процессор 17, а также на управляющий вход оперативного запоминающего устройства 8. В оперативном запоминающем устройстве 8 запускается таймер времени отсечки (счетчик адреса), и по окончании этого времени запись кодов аналого-цифрового преобразователя 6 в оперативное запоминающее устройство 8 останавливается. После окончания времени отсечки цифровой сигнальный процессор 17 получает возможность считывать предварительно записанную в оперативное запоминающее устройство 8 измерительную информацию. Для определения времени прихода акустических сигналов в цифровом сигнальном процессоре 17 по сигналу с выхода компаратора 19 регистрируется время прихода сигнала в счетчике времени прихода. Для одновременности работы этих счетчиков в каждом канале используется общий задающий генератор в устройстве управления, и центральный процессор одноплатного промышленного компьютера 10 через равные промежутки времени посылает в цифровые сигнальные процессоры 17 каналов сигнал синхронизации. Готовность к приему следующих сигналов определяет цифровой сигнальный процессор 17, непрерывно считывая значения выходных сигналов компаратора 19. Как только на выходе компаратора 19 появится сигнал низкого логического уровня заранее заданной определенной длительности, цифровой сигнальный процессор 17 выдает в оперативное запоминающее устройство 8 сигнал, по которому разрешается запись, и устройство готово к приему следующего сигнала.
Работа устройства в режиме отстройки от шумов и помех осуществляется следующим образом. На испытываемый объект устанавливаются акустические преобразователи 2 и воспроизводится штатный режим работы без испытательного нагружения. Перед началом регистрации шумов и помех в регистры цифроаналогового преобразователя 20 через устройство управления режимом работы канала 18 записываются значения кодов пороговых напряжений, предварительно заданных в каждом канале. Запись пороговых значений осуществляется путем подачи команды от центрального процессора одноплатного промышленного компьютера 10 через шину стандарта PCI 9 и цифровой мультиплексор 7 с сопряжением с шиной PCI 9 в цифровой сигнальный процессор 17. При работе объекта контроля возникают шумы, регистрируемые акустическими преобразователями 2. Шумовой электрический сигнал с выхода акустического преобразователя 2 поступает на вход предварительного усилителя 3, где он усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 через замкнутый ключ 13 и двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14, находящийся в режиме приема, сигнал поступает на последовательно включенные управляемые фильтры верхних 4 и нижних 16 частот. С выхода фильтра нижних частот 16 сигнал поступает на вход основного программируемого усилителя 5. В основном программируемом усилителе 5 сигнал усиливается до необходимого уровня и затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, где происходит дискретизация аналогового шумового сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 6 цифровой код поступает на вход оперативного запоминающего устройства 8, где он запоминается. Цифровой сигнальный процессор 17 непрерывно считывает из оперативного запоминающего устройства 8 измерительную информацию, производит ее обработку (спектральный анализ) и по определенному алгоритму изменяет полосу пропускания канала, управляя фильтрами нижних 16 и верхних 4 частот через устройство управления режимом канала 18. В случае высокого уровня шума цифровой сигнальный процессор 17 уменьшает коэффициент усиления основного программируемого усилителя 5. Таким образом, после тестовой процедуры устройство готово к испытательному нагружению с максимальным подавлением паразитных шумов и помех.
Работа устройства в режиме калибровки (работа с имитатором) происходит следующим образом. Выбранный канал блока переводится в режим имитатора сигналов акустической эмиссии. Для этого подается команда от центрального процессора одноплатного промышленного компьютера 10 через шину стандарта PCI 9 и устройство управления режимом «имитатор-прием» и синхронизации сигнальных процессоров 15. При этом двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14 выбранного канала переключается в режим имитатора, снимается питание с предварительного усилителя 3, ключи 12, 13 предварительного усилителя 3 переключаются в режим имитатора. Затем подается команда от центрального процессора одноплатного промышленного компьютера 10 через шину стандарта PCI 9 и устройство управления режимом 15 на запуск генератора калибровочных импульсов 11. Высоковольтный импульс через двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14 поступает на предварительный усилитель 3 и через замкнутые контакты ключа 12 на акустический преобразователь 2. Причем все остальные каналы устройства работают в режиме приема акустико-эмиссионных сигналов. Таким образом, все каналы устройства поочередно переключаются в режим имитатора, и производится полная калибровка зон контроля по времени распространения сигналов и по качеству установки акустических преобразователей 2 на объекте контроля.
Отличительной особенностью такого построения акустико-эмиссионного устройства является соединение четырехканальных модулей с помощью сети Ethernet 21. При этом необходимо синхронизировать работу счетчиков времени каждого модуля с точностью до 1 мкс. Для этого главный компьютер 22 через равные интервалы времени генерирует широковещательные синхронизирующие пакеты данных, а каждый модуль при получении такого пакета сбрасывает внутренний счетчик времени и регистрирует номер синхронизирующего пакета. По полученным данным о временах прихода акустических сигналов главный компьютер 22 рассчитывает координаты дефектов. При расчетах используются данные режима калибровки. Сигнальные процессоры 17 каждого канала модуля кроме управления режимом работы канала обрабатывают зарегистрированные сигналы с целью отнесения этих сигналов к определенной группе по форме сигнала, т.е. выполняют операцию кластеризации (Степанова Л.Н., Кареев А.Е. Использование кластерного анализа для определения связи сигнала акустической эмиссии с характером разрушения в металлических образцах //Контроль. Диагностика, 2005, №9, с.18-23). Для этого необходимо реализовать алгоритмы обработки сигналов с использованием методов распознавания образов, вейвлет - анализа (Степанова Л.Н., Рамазанов И.С., Кабанов С.И. Вейвлет-фильтрация в задачах локализации сигналов акустической эмиссии // Контроль. Диагностика, 2008, №1, с.15-19).
Цифровой сигнальный процессор 17, включенный в каждый измерительный канал блока, непрерывно считывает из оперативного запоминающего устройства 8 измерительную информацию, производит ее обработку (спектральный анализ) и по определенному алгоритму, через устройство управления режимом канала 18 изменяет полосу его пропускания, управляя полосой пропускания фильтров нижних 16 и верхних 4 частот.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство обладает более высоким быстродействием, так как не вся измерительная информация передается в центральный процессор 10 по шине 9, а предварительно обрабатывается сигнальным процессором 17 внутри блока. При этом исключается время на передачу данных. Кроме того, исключается передача информации от паразитных сигналов, так как они фильтруются аналоговыми фильтрами и сигнальным процессором.
В результате введения в каждый канал предлагаемого акустико-эмиссионного устройства цифрового сигнального процессора 17 осуществляется классификация сигналов акустической эмиссии по степени опасности дефекта. Улучшенная фильтрация сигналов акустической эмиссии и их классификация по степени опасности позволяет повысить достоверность результатов измерения при диагностировании различных объектов контроля.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет реализовать режим калибровки каналов, режим отстройки от шумов и помех, прием дискретных сигналов по превышению управляемого порогового уровня. Эти качества существенно расширяют функциональные возможности акустико-эмиссионного устройства и делают его пригодным в качестве диагностической системы при работе в условиях высокого уровня шумов и помех (например, контроль рельсов при прохождении железнодорожного состава).