УСТРОЙСТВО СБОРА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
DEVICE FOR COLLECTING AND PROCESSING ACOUSTIC EMISSION SIGNALS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к устройствам регистрации упругих волн, распространяющихся в инженерных конструкциях, в том числе сигналов акустической эмиссии (АЭ), вызванных образованием микро и макро разрушений.
В процессе эксплуатации сложных инженерных конструкций могут возникать аварийные ситуации. Одним из вариантов их предотвращения является организация деформационного мониторинга. Мониторинг может включать в себя контроль различных деформационных параметров. Существует два перспективных подхода основанных на регистрации упругих волн, распространяющихся по конструкции. Первый подход анализирует волны вызванные образованием микро и макро дефектов в элементах конструкции. Такие волны называют сигналами акустической эмиссии. Регистрация этих сигналов сетью датчиков позволяет определить местоположение скопления дефектов и оценить уровень повреждения. Учет этих повреждений в математической модели, описывающей механическое поведение конструкции, позволяет определить остаточный ресурс конструкции. Второй подход осуществляет контроль внешних ударных воздействий. Удар по конструкции вызывает упругие волны, регистрация которых позволяет определить место и энергетику ударного воздействия. На основе параметров удара и математической модели, описывающей разрушение конструкции, осуществляется расчет возможных повреждений и их влияние на остаточный ресурс конструкции. Оба этих подхода позволяет реализовать заявляемое устройство.
Из уровня техники известно устройство многоканальной регистрации акустической эмиссии Vallen-System GmbH AMSY-6 (далее - «AMSY»), (производитель: Vallen - Systeme GmbH, Германия, https://www.vallen.de/products/multi-channel-systems/), предназначенное для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии при деформировании и разрушении материалов, узлов и агрегатов. Конструктивно система AMSY состоит из блоков, в которых размещаются измерительные модули. Каждый модуль содержит два измерительных канала и выполняет обработку поступающих сигналов. Блоки могут содержать до 21 измерительного модуля. Объединение блоков в одну систему позволяет получить до 254 измерительных каналов. С помощью USB интерфейса блоки подключаются к персональному компьютеру. На этом компьютере устанавливается специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление измерительной системой и визуализацию измеренных параметров. Датчики акустической эмиссии подключаются к измерительным модулям с помощью BNC разъемов. В измерительном модуле выполняются аналоговые измерения и обработка цифровых сигналов. В результате обработки определяются такие параметры сигналов акустической эмиссии, как время первого пересечения порога (время прибытия), время нарастания, длительность, пиковая амплитуда и энергия. Помимо параметров характеризующих сигнал, может быть записана его форма с помощью дополнительного модуля записи переходных процессов.
Недостатками известного устройства являются:
- невозможность непрерывной записи данных с датчиков АЭ, этот режим работы измерительной системы может быть полезен на этапе настройки процесса измерения в условиях сложной нетиповой конструкции или в условиях электрических помех, или в условиях шумовых сигналов обусловленных технологическими режимами конструкции, также этот режим может быть полезен при проведении дорогостоящих экспериментов, повторное проведение которых не всегда возможно, в этом случае записанные в непрерывном режиме данные могут быть в дальнейшем обработаны с помощью различных методик для достижения необходимых результатов;
- обладает ограниченной применимостью при измерении и обработке сигналов АЭ, полученных при исследовании сложных неоднородных конструкций, так как предустановленное программное обеспечение устройства функционально ограничено, а также не позволяет осуществлять программирование пользовательских алгоритмов выделения, локализации и обработки сигналов АЭ. Пользовательские, нестандартные алгоритмы обработки необходимы при контроле сложных неоднородных конструкций. Для таких конструкций процесс распространения упругих волн не является равномерным, кроме этого различные элементы конструкции могут работать как фильтры, пропуская только часть спектра волны или не пропуская ее совсем, в таких случаях рационально использовать методы спектрального анализа, такие как Фурье или Вейвлет преобразования;
- невозможность реализации методики контроля внешних ударных воздействий;
- прототип обладает высокой стоимостью поскольку относится к классу специализированных устройств, обеспечивающих регистрацию вибрационных сигналов.
Технической задачей является создание устройства для измерения упругих волн, распространяющихся в сложных инженерных конструкциях, с возможностью непрерывной записи измеряемых данных и программирования измеряющего устройства, позволяющего реализовать различные методики обработки данных в режиме реального времени.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении высокой пропускной способности измерительных каналов (КИ) и высокой скорости обработки измеряемых данных. Это позволяет выполнить регистрацию высокочастотных упругих волн, в том числе волн, обусловленных акустической эмиссией, с возможностью непрерывной записи измеряемых данных, а также возможностью программирования устройства для реализации различных методик обработки данных в режиме реального времени.
Технический результат достигается за счет того, что:
- устройство содержит универсальные платы аналого-цифрового преобразования (АЦП), установленные в PCI разъемы материнских плат двух пользовательских компьютеров, соединенных между собой линией низкочастотной синхронизации, при этом один из компьютеров является ведущим, другой - ведомым;
- устройство содержит датчики акустической эмиссии, включающие в себя акустический преобразователь, предварительный усилитель и фильтр, обеспечивающий выделение рабочего диапазона частот датчика;
- датчики соединены с блоками согласования, которые включают в себя независимые аккумуляторные источники питания;
- блоки согласования подключены к измерительным каналам АЦП, при этом каналы синхронизации всех плат АЦП соединены линиями высокочастотной синхронизации.
Установка плат АЦП в PCI разъемы материнской платы обеспечивает высокую скорость обмена данными между платой АЦП и оперативной памятью компьютера, что позволяет реализовать непрерывный сбор данных.
В компьютере расположено постоянное запоминающее устройство (жесткий диск), которое позволяет хранить большой объем данных поступающих с АЦП, что дает возможность последующей обработки данных в соответствии с требуемой методикой.
Современные многоядерные процессоры позволяют работать в многопоточном режиме и параллельно выполнять обработку данных с двух плат АЦП (четырех измерительных каналов). Процесс сбора, сохранения и обработки данных может выполняется с помощью различных языков программирования. Это дает широкие возможности при реализации методик обработки данных.
Универсальные платы АЦП обладают возможностью управления из программ, разрабатываемых пользователем. Это позволяет проводить любую цифровую обработку получаемых данных в соответствии с требованиями пользователя, путем самостоятельного внесения корректировок в управляющую программу.
Общими признаками заявляемого устройства и прототипа являются наличие датчиков акустической эмиссии, соединенных с измерительными каналами, что дает возможность регистрации сигналов АЭ, возможность многоканального синхронного сбора данных.
Отличительными признаками заявляемого устройства, влияющими на достижение технического результата, являются: использование универсальных плат АЦП, их установка в PCI разъемы материнских плат как ведущего, так и ведомого компьютеров, объединение компьютеров в формате «ведущий»-«ведомый» линией низкочастотной синхронизации, использование линии высокочастотной синхронизации для соединения всех плат АЦП, использование блоков согласования для подключения датчиков АЭ к измерительным каналам плат АЦП.
К несущественным отличительным признакам можно отнести то, что датчик АЭ заявляемого устройства содержит акустический преобразовать, модули усиления и фильтрации сигнала, в то время как в прототипе датчик АЭ - это только преобразователь, отдельно к нему подключается усилитель, а фильтрация осуществляется в измерительном модуле.
Устройство сбора и обработки вибрационных сигналов, возникающих в сложных инженерных конструкциях, включает в себя платы аналогово-цифрового преобразования, такие как ЛА-н150-14PCI. Каждая плата обладает двумя аналоговыми каналами разрядностью 14 бит. Диапазон входного сигнала от -5 до 5 вольт. Младший значащий разряд канала составляет 0.6 мВ. Частота сбора данных равна 10 МГц. В одном компьютере расположено две платы АЦП. Обмен данными между платами и компьютером осуществляется по шине PCI. Это позволяет организовать непрерывный сбор данных в оперативную память компьютера и последующее сохранение на постоянное запоминающее устройство (жесткий диск). Заявляемое устройство состоит из двух компьютеров, таким образом, обладает 8-ю измерительными каналами (фиг. 1).
Каждая плата АЦП обладает 8-ю входными и 8-ю выходными цифровыми каналами. На схеме (фиг. 1) эти каналы объединены и обозначены номером 6 - канал синхронизации. Два входных цифровых канала могут записываться синхронно с измерительными каналами. Выходные цифровые каналы могут быть запрограммированы произвольным образом. Это позволяет сгенерировать уникальные последовательности логических уровней напряжения (0 В - соответствует логическому 0, а 5 В - логической 1). Подключение выходного цифрового канала одной из плат АЦП с входными цифровыми каналами всех плат образует сеть, сигналы в которой регистрируются синхронно. При таком подключении одна плата является "ведущей". Она генерирует сигналы высокочастотной синхронизации, которые регистрируются всеми платами, в том числе и "ведущей". Объединение плат осуществляется с помощью линии высокочастотной синхронизации. Программная реализация высокочастотной синхронизации заключается в генерации последовательности интервалов напряжений. Длительность каждого интервала фиксирована и равна 20 мкс. Один интервал определяет 1 бит информации. Последовательность таких интервалов формирует уникальную метку, в которой закодировано 32 битное число. Для выделения метки из потока данных, перед ней и после нее добавляются стартовый и стоповый единичный интервал напряжения. Длительность меток составляет 680 мкс. Время между метками составляет 1360 мкс. Уровень напряжений на интервале между метками равен логическому нулю.
Синхронизация измерительных каналов, на интервале времени соответствующем сигналу акустической эмиссии, заключается в поиске ближайшей уникальной метки и выравниванию времени сигналов относительно начала этой метки. Такой подход позволяет выполнить синхронизацию с точностью до 0.1 мкс и, он исключает ошибки связанные с пропусками данных в измерительных каналах, что делает возможным решение задачи о локализации сигналов акустической эмиссии.
Низкочастотная синхронизация осуществляется на основе локальной сети Ethernet. Ее точность составляет 1 мс. Эта синхронизация позволяет выполнять одновременный запуск сбора данных на компьютерах, входящих в устройство, и осуществлять согласование измерений с технологическими операциями происходящими во время измерения.
Измерительный тракт устройства регистрации сигналов акустической эмиссии включает в себя датчики акустической эмиссии, блок согласования и аккумуляторные батареи. В качестве преобразователей акустической эмиссии использованы датчики ДР6И с резонансной частотой 55 КГц и ДР15И с частотой 150 КГц. Разработанный и созданный блок согласования обладает рядом достоинств: питание организовано от аккумуляторных батарей, это исключает наводки от сети питания; большая емкость батарей сводит к минимуму снижение напряжения питания при токовых импульсах, потребляемых датчиком (0.1 А за 10 мкс); использование отдельных батарей для каждого канала исключает их взаимное влияние.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства.
На фиг. 2 - блок схема процесса обработки данных.
На фиг. 3 показана схема эксперимента на модели четырехэтажного здания (симметричная часть конструкции не показана).
На фиг. 4 приведены графики количества сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных в процессе нагружения конструкции при проведении эксперимента. Для указания элементов устройства использованы следующие обозначения позиций:
1 - датчик акустической эмиссии (датчик АЭ);
2 - блок согласования (БС);
3 - аккумуляторная батарея (АКБ);
4 - плата аналого-цифрового преобразования (АЦП);
5 - канал измерительный (КИ);
6 - канал синхронизации (КС);
7 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
8 - центральный процессор (ЦП);
9 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
10 - линия высокочастотной синхронизации (ЛВС);
11 - линия низкочастотной синхронизации (ЛНС);
12 - ведущий компьютер;
13 - ведомый компьютер.
Устройство состоит из ведущего компьютера 12, ведомого компьютера 13, соединенных линией 11 низкочастотной синхронизации (сеть Ethernet). В PCI разъем материнской платы каждого компьютера 12 и 13 установлено по две платы 4 аналого-цифрового преобразования. Платы 4 объединены линиями 10 высокочастотной синхронизации, подключенными к каналам синхронизации 6. Датчики 1 АЭ коаксиальный кабелем соединены с блоками согласования 2, электрическое питание которых обеспечивают аккумуляторные батареи 3. Блоки согласования 2 подключены к измерительным каналам 5 плат аналого-цифрового преобразования 4.
Работает устройство следующим образом.
Электрический сигнал с датчика 1 акустической эмиссии поступает на блок 2 согласования, затем на измерительный канал 5 платы 4 АЦП, где преобразуется в цифровую форму и записывается в оперативное запоминающее устройство 7.
Центральный процессор 8 получает сигнал от платы 4 АЦП о готовности данных и выполняет их обработку и сохранение в постоянное запоминающее устройство 9.
Процесс сбора, обработки и сохранения данных осуществляется с помощью программ, установленных на компьютерах 12 и 13. Программа на компьютере 12 является "ведущей", а на компьютере 13 - "ведомой". Запуск сбора данных выполняется в "ведущей" программе. При запуске сбора данных "ведущая" программа отправляет по линии низкочастотной синхронизации 11 (Ethernet) команду на запуск сбора "ведомой" программе. После этого все платы 4 АЦП переходят в режим непрерывного сбора данных. Платы 4 АЦП производят преобразование аналогового сигнала в цифровой, предварительно сохраняют данные в свой буфер, параллельно идет выгрузка этих данных из буфера в оперативную память 7 компьютера, когда в оперативной памяти компьютера накопятся очередные 500000 отсчетов, передается сигнал центральному процессору 8 о готовности данных и он приступает к их обработке. В это время плата 4 передает в оперативную память 7 компьютера следующую серию из 500000 отсчетов.
Сбор данных осуществляется блоками по 500000 отсчетов, поэтому единицей обработки данных является блок. Для одновременного сбора, обработки и сохранения данных эти задачи реализованы в разных потоках программы. Для каждой платы 4 АЦП создаются свои наборы потоков. Процессы сбора, обработки и сохранения взаимодействуют через буферы для обеспечения стабильной работы при возможных задержках на этапах сохранения на постоянное запоминающее устройство 9 и первичной обработки. Процесс взаимодействия между потоками для одной платы 4 показан на фигуре 2.
"Поток сбора" данных ожидает готовность платы 4 выгрузить очередной блок. После этого "поток сбора" берет блок из начала буфера А и загружает в него данные из платы 4. Затем блок с данными помещается в начало буфера Б и "поток сбора" переходит к ожиданию следующего блока.
"Поток сохранения" берет блок из конца буфера Б и сохраняет его на ПЗУ 9. После этого блок перемещается в начало буфера В.
"Поток обработки" берет блок из конца буфера В, определяет наличие сигналов в этом блоке и их параметры. Затем этот блок помещается в конец буфера А.
Описанный алгоритм работы устройства позволяет достигнуть технического результата, а именно регистрации сигналов акустической эмиссии, непрерывной записи измеряемых данных, обработки этих данных в режиме реального времени в соответствии с запрограммированной методикой.
Преимущества изобретения, обусловленные отличительными признаками, следующие.
1) Обеспечивает доступ к измеряемым данным (виброграммы сигналов АЭ), как следствие позволяет обрабатывать сигналы с помощью различных методик.
Функция реализуется платами 4 АЦП и центральными процессорами 8, которые получают данные с плат 4 и выполняют обработку в соответствии с разработанной программой.
2) Обеспечивает возможность обработки сигналов АЭ в реальном времени. Функция реализуется многоядерными центральными процессорами 8, каждый из которых обрабатывает по четыре измерительных канала 5.
3) Позволяет осуществлять запись в непрерывном режиме. Функция реализуется тем, что платы 4 и ПЗУ 9 объединены высокоскоростными средствами обмена данных (PCI и SATA).
4) Позволяет создавать многоканальные синхронизованные измерительные системы. Функция реализуется средствами высокочастотной 10 и низкочастотной 11 синхронизаций.
5) Возможность построения на основе заявляемого устройства автоматизированной системы мониторинга (позволяющей оценивать состояние объекта исследования на данный момент и осуществлять прогноз наступления разрушения, а также предоставлять информацию пользователю с помощью Web интерфейса). Обеспечивается центральными процессорами 8, обрабатывающими данные в соответствии с разработанной программой и передающими обработанные данные на сервер для дальнейшего представления пользователям системы.
6) Позволяет исключить шумовые сигналы, обусловленные технологическими режимами функционирования конструкции. Например, иногда включается установка производящая ударные воздействия на конструкцию. Эти вибрации не обусловлены образованием и развитием дефектов. Поэтому, во время работы установки следует прекратить сбор данных либо использовать фильтрацию таких сигналов. Данная функция обеспечивается центральными процессорами 8, которые, обладая информацией о технологическом состоянии конструкции, прерывают сбор данных или анализируют характерные особенности сигналов и осуществляют их фильтрацию.
7) Позволяет реализовать контроль внешних ударных воздействий (на основе определения места и энергетики удара с последующей оценкой возможных повреждений). Функция обеспечивается центральными процессорами 8, которые, выделяют ударное воздействие из потока данных, анализируют пространственное распределение вибрационных сигналов по конструкции и на основе этих данных определяют место и энергетику удара. Затем, на основе математической модели механического поведения конструкции, осуществляется оценка ее повреждения.
Пример применения изобретения.
Тестирование системы выполнено на четырехэтажном монолитном здании построенном в масштабе 1:2 (фиг. 3). Его общая высота составляет 6 м, длина 9 м, и ширина 6 м. Здание нагружается с помощью гидравлического домкрата, установленного в распор между плитами перекрытий. Силы от домкрата показаны стрелками и обозначены символом Fs. Это нагружение обеспечивает поэтапный переход конструкции от упругой стадии к накоплению дефектов и разрушению. Регистрация сигналов акустической эмиссии выполняется шестью датчиками (1.1-1.6), их расположение показано на фиг. 3. Датчики 1.1 и 1.2 расположены вблизи мест приложения сил (мест образования повреждений). Датчики 1.3 и 1.4 необходимы для анализа изменения сигналов АЭ при удалении от точки приложения силы в пределах одной плиты, а датчики 1.5 и 1.6 отслеживают эволюцию сигналов АЭ при распространении между плитами.
В процессе нагружения был зафиксирован процесс накопления микроповреждений в окрестностях датчиков 1.1 и 1.2, а также образование макроповреждений в виде трещин в бетоне.
Графики количества сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных заявляемым устройством в процессе нагружения конструкции показаны на фиг. 4.
Этот эксперимент направлен на изучение процесса образования и развития повреждений в сложных строительных конструкциях, а также методов их контроля.