Особенности диагностики конструкций специальной техники с использованием лазерного голографического интерферометра

УДК 620.111.3

Машиностроение и машиноведение

ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Г.В. Зибров, В.Н. Старов, Е.В. Смоленцев, А.В. Попов

Представлены особенности создания методов и технологий нового поколения при диагностике прочностных показателей посредством регистрации акустико-эмиссионных сигналов в силовых элементах конструкций при помощи разработанного лазерного голографического интерферометра. Данная система позволяет достигнуть стабильности частотных характеристик в широкой полосе частот, что существенно повышает динамический диапазон регистрирующего тракта, достоверность и точность акустико-эмиссионного контроля

Ключевые слова: акустическая эмиссия, технологии, технологическая наследственность

Неразрушающие методы диагностики основных элементов сложной техники и контроля состояния объектов (энергетические реакторы, самолеты, ракетно-космическая системы, военная техника и др.) всегда являлись актуальными технологическими вопросами. Особое место занимает применение для диагностики акустической эмиссии (АЭ) и измерения её параметров в силовых элементах конструкций сложной техники. При этом используют электрические сигналы, полученные в результате преобразования энергии колебаний в электрическую, для того, чтобы дальнейшую обработку информации выполнить с помощью электронной аппаратуры.

У сигналов АЭ есть особенности: сложный характер, низкий энергетический уровень, широкий диапазон частот, большой динамический диапазон параметров и др. Это предъявляет соответствующие требования к измерительной аппаратуре [1-6]. При многих методах основной задачей является измерение малых высокочастотных перемещений поверхности контролируемой конструкции, вызванных упругими волнами эмиссии (рис. 1).

В настоящее время часто применяется и наиболее известен метод измерения АЭ с помощью пьезопреобразователей (ПЭП). Преимуществом пьезоэлектрического способа регистрации является высокая эффективность преобразования и малогабаритность пьезопреобразователей. Однако немало и существенных недостатков, а именно:

- при работе ПЭП в резонансном режиме возникают значительные искажения сигналов, а форма сигнала на выходе ПЭП отличается от формы механического импульса? что снижает достоверность оценки информативных параметров

АЭ (см. рис. 2);

б)

Рис. 1. Перемещения поверхности конструкции, вызванные импульсом АЭ. Обозначено: а) продольные перемещения; б) поперечные перемещения

Зибров Геннадий Васильевич - ВУНЦ ВВС «ВВА», д-р пед. наук, профессор, тел. (473) 236-90-18 Старов Виталий Николаевич - Воронежский институт ГПС МЧС России, д-р техн. наук, профессор, e-mail: vigps_onirio@mail.ru

Смоленцев Евгений Владиславович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (910) 746-40-75 Попов Алексей Владимирович - ВУНЦ ВВС «ВВА», д-р техн. наук, доцент, тел. (473) 236-90-18

Рис. 2. Осциллограммы регистрируемых импульсов АЭ.

Обозначено: 1 - оптическим интерферометром;

2 - пьезопреобразователем

- обязательным условием применения пьезопреобразователей является необходимость обеспечить акустический контакт датчика с объектом измерений. Для этого требуется

отполированная ровная площадка на объекте контроля и создание давления прижима датчика к конструкции. При проведении экспериментальных исследований изменение давления прижима на пьезопреобразователь на один Ньютон может вызывать изменение амплитуды регистрируемых сигналов более, чем в 1,4 раза;

- применение пьезопреобразователей ограничено при высоких температурах из-за низкой температуры Кюри используемых пьезоматериалов;

- существуют трудности при контроле объектов, находящихся в агрессивных средах, широко используемых в ВВТ;

- из-за большого разброса параметров промышленных пьезокерамик и зависимости характеристик от конструкционных факторов существуют трудности воспроизводимости характеристик пьезопреобразователей.

Укажем особенности оптических методов измерения малых перемещений. Известные оптические методы с использованием АЭ безинерционны. Они не требуют акустического контакта с объектом измерений, позволяют проводить измерения на расстоянии, имеют высокую воспроизводимость результатов. Но для

регистрации

малых

амплитуд

смещений

поверхности конструкции, вызванных АЭ (10-7-10-12 м), меньших длины световой волны оптического излучателя (для гелий-неонового лазера длина волны 0,63 10-6 м), необходимо создание измерительных средств.

Для указанных сверхмалых перемещений используют измерители, основанные на использовании двухлучевых и многолучевых интерферометров и когерентного лазерного излучения. Они могут быть применены для измерений непосредственно параметров АЭ, а также для решения некоторых вспомогательных задач, связанных с практическим применением АЭ при неразрушающих испытаниях (для снятия характеристик и метрологической аттестации пьезопреобразователей АЭ) [1-4]. При этом интерферометр должен быть настроен таким образом, чтобы на экране в точке размещения фотоприемника наблюдались не полосы интерференции, а однородное поле, яркость которого зависит от разности фаз интерферирующих лучей [1,2].

Этим условиям удовлетворяют двухлучевые интерферометры на основе интерферометра Майкельсона и многолучевые интерферометры на основе интерферометра Фабри-Перо [1].

Установлено, что чувствительность многолучевых интерферометров превышает чувствительность двухлучевых интерферометров. Для многолучевой интерференции необходимо иметь отражатели (зеркала) с большим коэффициентом отражения, заметным

коэффициентом пропускания и как можно меньшим коэффициентом поглощения.

Для этого могут быть использованы отражатели с металлическими слоями из серебра [2].

Системы такого типа представляют собой многослойные диэлектрические зеркала с чередующимися тонкими прозрачными слоями оптической толщины к, и показателем преломления слоя - п,. При условии чередования слоев п.И. = Ц4 интерферометр с таким отражателем

работает на «усиление». Это объясняется тем, что при скачке фазы Х/2 отраженные лучи в слоях 2пД = X 2 на границе раздела слоев

интерферируют на усиление.

Для вычисления коэффициентов отражения Я и пропускания Т такого многослойного зеркала необходимо просуммировать все интерферирующие лучи. Приведем конечные формулы для коэффициента пропускания Т [1]:

Т =

где

1 = 2, 2 , щtg -1

В2 [(Ь2 -Ь2)ят2 <р + Ьх ] + Б2т + БШ2 ' (Ь22 - Ь12 и2 соя2 <+—^у—+ 2Ь2Ь3и1и2 + Ь2^

соя2 <

1

1 [

2 , 2 1 u2tg -1

2л , 2л , N -1

< = — =— п2^2 , Л=~— . XX 2

Ь =

, 2 2 п + п0 пп0 + пх пп0 - п1

Ь2 = ~ , Ьз =

2п

2пп

п1 + п2

2пп

2^

_ , (п + п2 )2 . 2 обозначим у = 1 - -ят <,

2п1п2

если у (1, то

В = (- 1)т Б = (-1)"

у = аг^

соя /у

! + 1 • ят/у

- у

если у )1, то

В = (-1)" соя /у ят лу

Б = (- 1)Т+1-

у = aгctg

у

где п - показатель преломления зеркала (поверхности контролируемой конструкции); п0 -показатель преломления внешней среды; п1 и п2-показатели преломления слоев голограммы; к1 и к2 -толщина слоев голограммы; X - длина волны света; ф - разность фаз интерферирующих лучей; N - число отражательных слоев в эмульсии голограммы; Я=1-Т - коэффициент отражения.

Создание таких многослойных

т =

2

п - п

1 "2

=

2

2

2

интерференционных зеркал возможно с использованием голографических методов [2]. При записи голограмм изменяются показатели пропускания и преломления эмульсии фотопластинки. Запись создаваемой в пространстве точечными источниками объёмной

интерференционной картины приводит к созданию в эмульсии голограммы совокупности близко расположенных плоскостей, действующих как отражающий фильтр.

С помощью моделирования параметров интерференционных полей в пространстве существует возможность записи голограмм с требуемыми характеристиками (Ы, п и ) (1 - 5) [1-3].

С учётом этого принципа для регистрации сигналов АЭ авторами [3] разработан многолучевой интерферометр на основе схемы Фабри - Перо.

Принцип работы виден на схеме (рис. 3). Излучаемый лазером 1 световой поток проходит через линзы объектива 2, 3 и падает на отражательную объёмную голограмму 4. В результате дифракции на голограмме одна часть светового потока образует реконструированное изображение и попадает в плоскость экрана 5, а другая, проходя через голограмму, отражается поверхностью объекта измерений 6, находящегося под нагрузкой 7, и повторно проходит через голограмму в плоскость экрана.

Рис. 3. Схема измерений: 1 - лазер; 2, 3 - линзы объектива; 4 - отражательная голограмма; 5 - экран; 6 -объект контроля; 7 - нагрузка; 8 - регистрирующие устройства, ПЭВМ

Световые потоки от объекта контроля и голограммы интерферируют в плоскости экрана, образуя интерферограмму в виде кольцевых полос максимумов и минимумов интенсивности оптического поля. В плоскости экрана размещаются фотоприёмники, регистрирующие изменения интенсивности оптического поля, вызываемые нормальными к поверхности контроля перемещениями, обусловленными выходом на поверхность упругих волн АЭ. Полученная информация обрабатывается на ПЭВМ 8.

Для регистрации импульсов АЭ может быть использован высокочувствительный фотоприёмник, устанавливаемый в точку центрального максимума (интерференционная полоса нулевого порядка) интенсивности светового потока

интерференционной картины. В данной точке обеспечивается максимальный динамический диапазон d измеряемых перемещений, определяемый при полной смене фазы на п интенсивности светового потока

d = 10lg(Imax/Лтп) , Где 1 max и 1 min " максимУм и

минимум регистрируемой интенсивности светового потока.

При использовании нескольких

фотоприёмников или фотоматрицы (рис. 3) появляется возможность совместной и интегральной обработки получаемой информации для решения задачи повышения точности измерений, фильтрации и комплексной статистической обработки [3 -6].

Использование в разработанном

интерферометре объемной отражательной голограммы в качестве многослойного интерференционного зеркала позволяет до полутора раз повысить его динамический диапазон, может составлять более 15 Дб.

Для такого многолучевого голографического интерферометра распределение интенсивности в прошедшем свете описывается зависимостями [4]: 1 „ 4R

I = I

1 + F  sin

2 Р 2

F=

4ж  nn4 cosO р =---,

где 21- разность хода оптических лучей; О - угол между направлением луча и нормалью к поверхности голограммы; 11 - интенсивность падающего света. Регистрируемый прибором на выходе усилителя ток позволяет определить ток 1

w = Ii «ß >

1 + F-sin2 * 2

где а - чувствительность фотоприемника; в -коэффициент усиления усилителя.

Распределение интенсивности света в интерференционной картине в зависимости от расстояния от её центра - r имеет вид, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Распределение интенсивности света в интерференционной картине

Вызванные эмиссией волн напряжений малые перемещения поверхности объекта контроля вызывают изменение разности плеч интерферометра на м и тока на М

м =

М •!

'тах •2л

М = /„

1 + ^ ят2 <

Выражение (8) определяет предел чувствительности измерений (без учёта внешних шумов), нижний предел которых определяется возможностью выделения сигнала из шума.

Экспериментальные графики распределения максимумов амплитуды светового потока в интерференционном максимуме нулевого порядка представлены на рис. 5. Анализ зависимостей позволяет сделать вывод, что используемая в интерферометре объемная голограмма до 40 % увеличивает в центральном максимуме плотность интенсивности оптического поля по сравнению с полупрозрачным зеркалом [4].

Рис. 5. Графики распределения интенсивности светового потока в центральном максимуме интерференционного изображения: 1 - при использовании голограммы; 2 - при использовании в измерителе полупрозрачного зеркала

Многолучевой голографический интерферометр должен обладать малой базой. Это требование выполняется при использовании

полупроводникового лазера. Применяемый для измерений блок регистрации, включающий элементы с 1-4, 6, при использовании в качестве излучателя полупроводникового лазера имеет малые габариты.

Существует возможность определения направления перемещений и перемещений, больших порядка длины волны оптического излучения при обработке получаемой информации, по следующему алгоритму.

В случае, когда градиент амплитуды светового потока в области расположения фотоприемника изменяет знак, то по характеру его изменения

определяются перемещения, большие порядка длины волны оптического излучателя. Схемы измерений приведены на рис. 6.

Схема, представленная на рис. 3, является базовой для измерений АЭ сигналов разработанным

методом. В зависимости от формы и механических свойств контролируемой конструкции, условий контроля, схема интерферометра может изменяться. Авторами разработаны и прошли экспериментальную отработку следующие схемы многолучевых голографических интерферометров.

Особенностью схемы 2 на рис. 6,а является то, что луч лазера, имеющий сферический фронт, падает на отражательную поверхность конструкции, а затем на отражатели интерферометра.

б)

Рис. 6. Схемы измерений: а) схема 2; б) схема 3.

Обозначено: 1 - лазер; 2,3 - линзы объектива; 4 -отражательная голограмма; 5 - экран объект контроля; 6 - объект контроля; 7 - нагрузка; 8 - регистрирующие устройства, ПЭВМ, 9 - зеркало; 10 - волновод

Достоинством данной схемы является то, что все элементы схемы интерферометра находятся на удалении от объекта контроля, максимальное расстояние до которого определяется мощностью источника излучения и условиями прямой видимости. Чувствительность схемы 2 на порядок ниже схемы 1 и составляет не менее 10 - 8 м. Данную схему можно рекомендовать для регистрации малых перемещений особо опасных и удаленных объектов.

Схема 3 (рис. 6, б) предназначена для регистрации малых перемещений объектов с диффузной поверхностью. Колебания поверхности ОК передаются по волноводу на зеркало, перемещения которого вызывают изменения разности плеч интерферометра и интенсивности в интерференционной картине. Стабильность и давление акустического контакта волновода обеспечивается пружинами.

Датчик оптической регистрации АЭ сигналов на основе интерферометра, выполненного по схеме

2

3, может быть использован в труднодоступных местах контролируемой конструкции, на поверхностях сложной геометрии и высокой шероховатости [3] (рис. 7). Исходя из условий затухания сигналов диаметр стержня волновода не должен превышать 3 мм.

Рис. 7. Голографический интерферометр, используемый при регистрации АЭ сигналов: 1 - полупроводниковый лазер; 2 - устройство крепления голограммы; 3 - объект контроля (плоский стальной образец); 4 - фотоприёмник;

5 - платформа; 6 - установочные винты; 7 - захваты нагружающего устройства

При проведении измерений разработанным методом существует проблема влияния на результат измерений перемещений поверхности

контролируемой конструкции, вызванных внешними механическими шумами (вибрацией, утечками жидкости и газа). Для её решения необходимо разделение спектральных

составляющих полезного сигнала и шума с последующей регистрацией сигналов АЭ в рабочей полосе частот. Устройство калибровки пьезодатчиков показано на рис. 8.

Рис. 8. Устройство калибровки пьезодатчиков: 1- устройство для установки пьезодатчика; 2 -пьезодатчик; 3 - основание; 4 - устройство для установки голограммы; 5 - полупроводниковый лазер; 6 -фотоприёмник

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что наиболее предпочтительным является регистрация АЭ сигналов с помощью лазерного голографического интерферометра, что позволяет достигнуть стабильности АЧХ в широкой полосе частот, существенно повысить динамический диапазон регистрирующего тракта, достоверность и точность АЭ контроля [4-6].

Проведем оценку достоверности регистрации информативных параметров сигналов акустической эмиссии при помощи голографического интерферометра.

Регистрируемые интерферометром сигналы АЭ имеют вид радиоимпульсов с затухающей по экспоненте амплитудой колебаний (диаграмма 1 на рис. 9).

-. . - - |---з-—.—-,-р

0 1 2 3 4 1,мс

Рис. 9. Импульсы АЭ: 1 - регистрируемые голографическим интерферометром; 2, 4 - сигналы, формируемые АЦП; 3 - регистрируемые пьезопреобразователем

При определении интенсивности потока актов эмиссии путём подсчёта количества импульсов, превышающих порог дискриминации ип, возникает ситуация, когда одному акту АЭ в материале конструкции может соответствовать несколько импульсов на выходе порогового устройства, число которых определяется амплитудой и условиями распространения сигнала, порогом, резонансными свойствами образца и датчика (рис. 9).

Выходом из этой ситуации может быть подсчёт видеоимпульсов эмиссии после детектирования. Однако при высокой интенсивности следования импульсов на площадке текучести и перед разрушением конструкции видеоимпульсы перекрываются, что приводит к существенным ошибкам в регистрации информативных параметров АЭ.

В данном случае рассматривается метод решения задачи определения t0 - «мёртвого времени» путём определения вида и параметров амплитудного распределения импульсов эмиссии.

Средняя длительность импульсов 70 практически не зависит от порога дискриминации и приблизительно равна т0 - постоянной времени послезвучания датчика 10 ~т0/(т -1) при d))1.

Количественно описать степень перекрытия импульсов позволяет коэффициент перекрытия

К = ^„/Т.

С учётом этого действительная (восстановленная) интенсивность импульсов

N = Ыр exp К.

Данные соотношения позволяют

количественно определить так называемую информационную достоверность Б у оценки

^ а

потока актов АЭ - Nа .

Информационная достоверность связана с определением интервала неопределённости через дезинформационное действие погрешности контролируемого параметра согласно вероятностной теории информации Шеннона.

По определению достоверности имеем

БN = 1 -М*а , БN = (1 - К)-1, где М^ -

погрешность оценки Nа .

При регистрации сигналов АЭ лазерным голографическим интерферометром за счёт безинерционности данного метода г0 и 0.

Существенно уменьшаются значения !{), т.е. за счёт уменьшения «мёртвого времени» уменьшается К (рис. 10).

Следует, что коэффициент перекрытия при регистрации сигналов пьезопреобразователем существенно возрастает при увеличении интенсивности в процессе деформирования, что существенно уменьшает достоверность АЭ контроля.

При помощи данного подхода количественно определим достоверность оценки суммарного

количества актов эмиссии - N

I .

Б„ = 1 - Д^ = 1--1-

"I в

ТВ

N

I В

N | *ар (t)dt

I р _ Т_

^ В ' 1 ^ (t)dt

IВ

где DN - достоверность оценки суммарного

IВ

«восстановленного» количества актов АЭ; ММ-

погрешность оценки ; и Ыав -

регистрируемая и восстановленная интенсивности сигналов.

б)

Рис. 10. Зависимости изменения К при деформировании (а) и информационная достоверность оценки интенсивности потока актов АЭ, полученные при разрушении серии образцов из стали 45 (б). Обозначено:

1 - регистрация пьезопреобразователем;

2 - голографическим интерферометром

Ниже приведен пример достоверности оценки суммарного количества актов эмиссии при проведении испытаний серии стандартных цилиндрических образцов из стали 40.

Суммарная эмиссия до разрушения образцов:

- при регистрации интерферометром

^ = 2734 имп., ^ = 2820 имп.; IР IВ

- при регистрации пьезопреобразователем

=2459 имп., ^ = 2976 имп. I Р I В

Достоверность интерферометром

N

БЛ

I р

I *

N

I в

Достоверность пьезопреобразователем

при

2734 2820

при

регистрации

= 0.93.

регистрации

N

БЛ

I р

V IП

N

I в

2459 2976

= 0.82.

Разница более 12 %. Также установлено, что повышение точности регистрации сигналов АЭ за счет использования лазерного голографического интерферометра позволяет более чем на порядок сократить «мёртвое время» от переднего фронта импульса, обусловленное резонансом

пьезопреобразователя. Произведя расчеты, сделан вывод о повышении не менее чем на 25 %

достоверности определения информативных параметров метода АЭ [6].

Используемый нами метод определения перемещений при деформации твёрдых тел (элементов конструкций) обладает следующими преимуществами: - обеспечивается высокая точность измерения сигналов эмиссии за счёт использования в схеме интерферометра объёмной голограммы; - ему присуща широкополосность; -при работе имеется возможность осуществлять бесконтактный контроль объектов измерений, проводить калибровку АЭ аппаратуры, оценивать АЭ сигналы в агрессивных средах от поверхностей, не допускающих крепление датчиков и подготовку объектов к контролю.

Выводы. В работе доказаны преимущества неразрушающих методов диагностики элементов сложной техники и контроля состояния объектов, указаны особенности предложенных методов, представлены средства и технологии нового поколения, используемые при диагностике прочностных показателей конструкций

посредством регистрации акустико-эмиссионных сигналов при помощи разработанного лазерного голографического интерферометра.

Данная система оценки и контроля позволяет достигнуть стабильности частотных характеристик в широкой полосе частот, что существенно повышает динамический диапазон регистрирующего тракта, достоверность и точность акустико-эмиссионного контроля.

Созданные коллективом авторов способы высокоэффективной акустико-эмиссионной

диагностики сложных объектов, средства и приборы

в совокупности с новыми технологическими приемами способов производства техники и многоэтапной технологической наследственности позволяют получать новые, ранее не достижимые результаты.

Литература

1. Лансберг, Г.С. Оптика [Текст] / Г.С. Лансберг. -М.: Наука, 1976. - 927 с.

2. Попов, А.В. Голографический метод регистрации акустико-эмиссионных сигналов при деформации твердых тел [Текст] / А.В. Попов, А.Г. Прыгунов // Дефектоскопия. - 2000. - № 6. - С. 64-69.

3. Попов, А.В. Регистрация малых перемещений при деформации твердых тел голографическим интерферометром [Текст] / А.В. Попов, А.Г. Прыгунов // Известия вузов. Сер. Приборостроение. - 2001. - № 2. -С. 50-55.

4. Попов, А.В. Оценка опасности дефектов конструкций по данным бесконтактного акустико-эмиссионного неразрушающего контроля [Текст] / А.В. Попов // Автометрия. - 2001. - № 1. - С. 84-87.

5. Пат. № 2169348 Российская Федерация, МПК 7 G01B9/021, G01C22/00. Измеритель перемещений с объёмной голограммой [Текст] / Паринов И.А., Прыгунов А.Г., Рожков Е.В., Трепачев В.В., Попов А.В.; заявитель и патентообладатель Научно-исследовательский институт механики и прикладной математики Ростовского государственного университета. - № 99120531/28; заяв. 28.09.1999; опубл.20.06.2001, Бюл. № 17.

6. Методы определения эксплуатационной пригодности силовых элементов конструкций вооружения и военной техники на основе инвариантов акустико-эмиссионных процессов [Текст] / А.В. Попов, В.Н. Старов, Д.Е. Барабаш, С.Ю. Жачкин // Вестник ВАИУ. -2012. - № 1 (15). - С. 28-36.

Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Воронежский институт ГПС МЧС России Воронежский государственный технический университет

FEATURES DESIGN PROCESS FACILITIES BOUND TO GENERATE NEW NON UNPARALLELED TECHNICAL SOLUTIONS

G.V. Zibrov, V.N. Starov, E.V. Smolentsev, A.V. Popov

This article shows the principles of the formation of variants of design decisions and choosing optimal directions to ensure the generation of new technical solutions. This system allows you to reach a stability of frequency characteristics in a wide frequency band, which significantly increases the dynamic range of the recording channel, the reliability and accuracy of acoustic emission monitoring

Key words: design solutions, multicriteria evaluation, technology