МНОГОКАНАЛЬНОЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при прочностных испытаниях конструкций.

Известно устройство для контроля качества изделий [1] , содержащее идентичные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии, имеющие последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь и предварительный усилитель, основной усилитель и последовательно соединенные пиковый детектор и аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь и регистратор. Каждый из каналов снабжен фильтром, включенным между предварительным усилителем и основным усилителем, первым формирователем импульсов, вход которого соединен с выходом основного усилителя, а выход - с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенными элементом памяти, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, блоком возведения двоичного кода в квадрат, счетчиковым делителем, элементарной ячейкой пересчетных схем и коммутатором, соединяющим вход "Сброс" пикового детектора с шиной нулевого потенциала, вторым формирователем импульсов, вход которого соединен с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - с входом управления ключом и вторыми входами элемента памяти и блока возведения в квадрат двоичного числа, выход основного усилителя соединен с входом пикового детектора, общим для N каналов приема и обработки сигналов акустической эмиссии, последовательно соединенными генератором тактовых импульсов, таймером и распределителем импульсов, N выходов которого соединены со стробирующими входами компараторов соответствующего канала, последовательно соединенными первым элементом НЕ, вход которого соединен с выходами коммутаторов всех каналов, и регистром памяти, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, последовательно соединенными элементом И, первый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, двоичным счетчиком, дешифратором, выходы которого соединены с входами управления регистра памяти, вторым элементом НЕ, выход которого соединен с входом "Сброс" элементарной ячейки пересчетных схем каждого канала, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом регистратора, один из выходов дешифратора - с входом второго НЕ и вторым входом элемента И, выход двоичного счетчика - с входами управления коммутаторов каждого канала, выход генератора тактовых импульсов - с третьими входами аналого-цифровых преобразователей и блоком возведения двоичного числа и квадрат каждого канала.

Общими признаками указанного аналога и заявляемого изобретения являются каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии, содержащие последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, усилитель и пиковый детектор, а также коммутатор каналов, генератор, счетчик, элемент памяти, цифроаналоговый преобразователь, таймер и регистратор.

Однако данное устройство не позволяет определять времена прихода сигналов акустической эмиссии на измерительные каналы и, следовательно, не может с достаточной точностью определить координаты источников акустической эмиссии.

Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий (а.с. N 1589204, G 01 N 29/4, приоритет от 4.10.88 г.) содержащее идентичные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из последовательно соединенных пьезоэлектрического акустического преобразователя, предусилителя, фильтра, основного усилителя, к выходу которого подключен пиковый детектор и формирователь строба, а также цифроаналоговый преобразователь и регистратор. Кроме того, в каждом канале устройство содержит компаратор, элемент памяти, а также соединенные последовательно генератор, счетчик, блок памяти, причем в каждом канале выход пикового детектора соединен с инвертирующим входом компаратора, выход формирователя строба соединен со стробирующим входом компаратора, выход которого соединен с выходом сброса пикового детектора и входом элемента памяти каждого канала. Выход элемента памяти каждого канала соединен с соответствующим входом коммутатора. Блок памяти имеет режим вход, а второй вход его соединен с выходом счетчика и вторыми входами формирователя строба и элемента памяти каждого канала. Выход блока памяти соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующими входами компараторов каждого канала. Выход коммутатора соединен с входом регистратора. Выход элемента ИЛИ-НЕ формирователя строба соединен с первым входом элемента И и первым входом второго элемента И, второй вход первого элемента И соединен с выходом третьего элемента И, а выход первого элемента И - с входом первого триггера, неинвертирующий выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и с выходом формирователя, а инвертирующий выход соединен с вторым входом третьего элемента И. Выход усилителя соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом элемента задержки. Выход последнего соединен с S-входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И. Входы сброса первого и второго триггеров объединены и соединены с выходом второго элемента И.

Общими признаками указанного прототипа и заявляемого изобретения являются измерительные каналы, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, пикового детектора, компаратора, коммутатора каналов, а также последовательно соединенных генератора, счетчика, блока памяти, элемента памяти, вход которого соединен с выходом счетчика, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен ко вторым входам компараторов и регистратор.

Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет определять времена прихода сигналов акустической эмиссии на измерительные каналы, а значит - не может с высокой точностью определять координаты источников акустической эмиссии.

При разработке многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля изделий была поставлена задача расширения функциональных возможностей за счет определения координат развивающихся дефектов.

Поставленная задача решается за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий содержит измерительные каналы, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, пикового детектора и компаратора, последовательно соединенные генератор, счетчик и блок памяти, а также коммутатор каналов, элемент памяти, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а второй вход - с выходом коммутатора каналов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен ко вторым входам компараторов, и регистратор. Кроме того, устройство снабжено вторым блоком памяти, вход которого связан с входом счетчика, коммутатором, первый вход которого соединен с выходом второго блока памяти, а выход - со входом цифроаналогового преобразователя, блоком управления, вход которого соединен с выходом коммутатора каналов, а первый вод - с управляющим входом коммутатора каналов, элементом задержки, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и управляющим входом коммутатора, а выход - со входами сброса пиковых детекторов каналов, а также таймером, вход которого объединен со входами блоков памяти, а выход элемента памяти подключен ко входу регистратора.

На фиг. 1 показана функциональная схема многоканального акустико-эмиссионного устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий содержит (фиг. 1): 1..... N - измерительные каналы приема и обработки сигнала акустической эмиссии; 2 - акустический преобразователь; 3 - предварительный усилитель; 4 - фильтр; 5 - основной усилитель; 6 - пиковый детектор; 7 - компаратор; 8 - генератор; 9 - счетчик; 10 - блок памяти; 11 - коммутатор каналов; 12 - элемент памяти; 13 - цифроаналоговый преобразователь; 14 - регистратор; 15 - второй блок памяти; 16 - второй коммутатор; 17 - блок управления; 18 - элемент задержки; 19 - таймер.

Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием отечественных интегральных схем серий 1355, 555, 561 (В.Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы. - М: Радио и связь, 1987- с. 19). Предварительный 3 и основной 5 усилители выполнены на операционных усилителях типа КР1407УДI. В качестве пьезоэлектрических преобразователей 1 используются микрообъемные пьезоэлектрические преобразователи из керамики типа ЦТС-19. Компаратор 7 собран на интегральных микросхемах 521СА2 (А.Л. Булычев, В. И. Галкин, В. А. Прохоренко. Аналоговые интегральные схемы. Справочник. - Минск: Беларусь, 1994, с. 208-210). Блоки памяти 9, 13, 14 выполнены на микросхемах 541РУI. Коммутатор каналов 8 и второй коммутатор 16 выполнены на микросхемах серий 555, 1355, 561КП1. Генератор 11 представляет собой мультивибратор, собранный на логических элементах И-НЕ, в обратную связь которых включен кварцевый резонатор. Линия задержки 17 собрана на цифровых элементах 555. Блок управления 10 реализуется программно, либо аппаратно на цифровых микросхемах серий 1355, 555 (Цифровые интегральные схемы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1994 - П.П Мальцев, Н.С. Долидзе и др. ). В качестве регистратора 14 используется принтер и жесткий диск ПЭВМ 386ДХ. Цифроаналоговый преобразователь 13 выполнен на микросхеме 1118ПА2 (Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Справочное пособие. - Под ред. С. В. Якубовского - М.: Радио и связь, 1984).

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий содержит 1. ...N измерительных каналов, состоящих и из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, предварительного усилителя 3, фильтра 4, основного усилителя 5, пикового детектора 6 и компаратора 7, последовательно соединенные генератор 8, счетчик 9 и блок памяти 10, а также коммутатор каналов 11, элемент памяти 12, первых вход которого соединен с выходом счетчика 9, а второй вход - с выходом коммутатора каналов 11, цифроаналоговый преобразователь 13, выход которого подключен ко вторым входам компараторов 7, и регистратор 14. Кроме того, устройство снабжено вторым блоком памяти 15, вход которого связан с выходом счетчика 9, коммутатором 16, первый вход которого соединен с выходом первого блока памяти 10, второй вход - с выходом второго блока памяти 15, а выход - со входом цифроаналогового преобразователя 13, блоком управления 17, вход которого соединен с выходом коммутатора каналов 11, а первый выход - с управляющим входом коммутатора каналов 11, элементом задержки 18, вход которого соединен со вторым выходом блока управления 17 и у управляющим входом коммутатора 16, а выход - со входами сброса пиковых детекторов 6, а также таймером 19, вход которого объединен со входами блоков памяти 10, 15, а выход - подключен к третьему входу элемента памяти 12, а выход элемента памяти 12 подключен ко входу регистратора 14.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы в блок памяти 10 записывается информация о порогах селекции сигналов акустической эмиссии по каждому каналу измерения, которые устанавливаются выше аппаратурных и акустических шумов в данном канале, а в блок 15 памяти записывается информация о едином для всех каналов типа аналого-цифрового преобразования (может задаваться линейное, логарифмическое или функциональное преобразование в зависимости от динамического диапазона обрабатываемых сигналов акустической эмиссии и требуемой скорости преобразования).

Для начала работы устройства блок 17 управления подает сигнал на управляющий вход коммутатора 16, который подключает блок 19 памяти к цифроаналоговому преобразователю 13. При этом под управлением генератора 8 счетчик 9 адресует ячейки памяти 10, из которых на цифроаналоговый преобразователь 13 передается информация. С выхода цифроаналогового преобразователя 13 аналоговый сигнал, равный порогам обнаружения сигналов акустической эмиссии, передается на неинвертирующие входы компараторов 7 всех каналов измерения. Сигналы акустической эмиссии поступают на преобразователи 2 и преобразуются ими в электрические сигналы. Далее акустический сигнал усилителя предварительным усилителем 3, проходит через фильтр 4 и усиливается в основном усилителе 5. С выхода основного усилителя 5 сигнал проходит на вход пикового детектора 6, который выделяет огибающую сигнала акустической эмиссии и запоминает амплитуду сигнала. Выходной сигнал пикового детектора 6 поступает на инвертирующий вход компаратора 7. При превышении сигналом с выхода пикового детектора 6 уровня порога обнаружения соответствующего канала компаратор 7 срабатывает и с его выхода через коммутатор 11 каналов поступает в элемент 12 памяти, где по нему из таймера 19 записывается время прихода сигнала акустической эмиссии на данный канал. На фиг. 2 для примера отмечен момент времени t_обн1 (время обнаружения сигнала акустической эмиссии на первом канале). При этом блок 17 управления посылает сигнал на управляющий вход коммутатора 11 каналов и тем самым обеспечивается подключение необходимого канала к элементу 12 памяти и блоку 17 управления. Далее аналогичным образом происходит запоминание времен прихода сигналов акустической эмиссии на другие каналы. На фиг. 2 для примера отмечен момент времени t_обнN (время обнаружения сигнала на канале N) Блок 17 управления при этом анализирует номера каналов, принявших сигнал. При приеме сигналов необходимыми каналами (определяется конкретным расположением акустических преобразователей на объекте контроля) блок 17 управления выдает сигнал на управляющий вход коммутатора 16, который подключает второй блок 15 памяти к цифроаналоговому преобразователю 13. При этом под управлением генератора 8 счетчик 9 адресует ячейки второго блока 15 памяти, информация о которых через коммутатор 16 поступает на цифроаналоговый преобразователь 13, где преобразуется в аналоговый сигнал в соответствии с записанным во втором блоке 15 памяти типом преобразования. Сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 13 подается на неинвертирующие входы компараторов 7. Далее происходит измерение амплитуд сигналов акустической эмиссии, которые были ранее запомнены в пиковых детекторах 6. При превышении сигналом с выхода цифроаналогового преобразователя 13 сигналов с пикового детектора 6 какого-либо канала, компаратор 7 выдает сигнал, который через коммутатор 11 каналов поступает на вход элемента 12 памяти, где по нему со счетчика 9 записывается значение амплитуды сигнала акустической эмиссии в данном канале. В один цикл преобразования происходит измерение амплитуд сигналов во всех каналах (см. фиг. 2).

После цикла измерения времен прихода сигналов акустической эмиссии и их амплитуд блок 17 управления выдает сигналы на пиковые детекторы 6 и осуществляет из сброс (фиг. 2). Следует отметить, что сброс пиковых детекторов 6 производится и в случае на приема сигналов какими-то каналами. При этом блок 17 управления выжидает определенное время, которое устанавливается исходя из максимального времени распространения сигналов по контролируемому объекту, и осуществляет их сброс.

Устройство возвращается в исходное состояние и цикл измерения начинается снова.

Предлагаемое устройство по сравнению с существующими акустико-эмиссионными системами позволяет существенного сократить аппаратные затраты (при достижении тех же технических характеристик по локализации дефектов). В предлагаемом устройстве обеспечивается простота и высокая надежность за счет того, что практически любую функцию аналого-цифрового преобразования, а также пороги обнаружения можно задавать программно, что позволяет легко адаптировать устройство к различным объектам контроля. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство, кроме того, позволяет легко наращивать или уменьшить количество каналов в зависимости от задач контроля. Данное устройство не требует дорогостоящей комплектации (быстродействующих многоразрядных аналого-цифровых преобразователей, специализированных микросхем импортного производства и т.д.).

Использование: неразрушающий контроль прочности конструкций. Сущность изобретения: в устройстве обеспечивается простота и высокая надежность за счет того, что практически любую функцию аналого-цифрового преобразования, а также пороги обнаружения можно задавать программно, что позволяет легко адаптировать устройство к различным объектам контроля. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство, кроме того, позволяет легко наращивать или уменьшать количество каналов в зависимости от задач контроля. Данное устройство не требует дорогостоящей аппаратурной комплектации (быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, специализированных микросхем импортного производства и т.д.). 2 ил.

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, содержащее измерительные каналы из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, пикового детектора и компаратора, последовательно соединенные генератор, счетчик и блок памяти, а также коммутатор каналов, элемент памяти, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а второй вход с выходом коммутатора каналов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к вторым входам компараторов, и регистратор, отличающееся тем, что оно снабжено вторым блоком памяти, вход которого связан с выходом счетчика, коммутатором, первый вход которого соединен с выходом первого блока памяти, второй вход с выходом второго блока памяти, а выход с входом цифроаналогового преобразователя, блоком управления, вход которого соединен с выходом коммутатора каналов, а первый выход с управляющим входом коммутатора каналов, элементом задержки, вход которого соединен с вторым выходом блока управления и с управляющим входом коммутатора, а выход с входами сброса пиковых детекторов каналов, а также таймером, вход которого объединен с входами блоков памяти, выход подключен к третьему входу элемента памяти, а выход элемента памяти подключен к входу регистратора.