УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01N29/04 G01N29/00 

Изобретение относится к технике неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и может быть использовано в различных областях машиностроения для контроля материалов и изделий, преимущественно крупногабаритных и с большим затуханием ультразвука.

Известно устройство ультразвукового контроля, состоящее из генератора зондирующих импульсов, электроакустического преобразователя, входного усилителя и устройства индикации [1].

Недостатком данного устройства является низкая пороговая чувствительность контроля, обусловленная ограниченной импульсной мощностью генератора зондирующих импульсов. Повышение чувствительности возможно за счет увеличения длительности зондирующего сигнала и, соответственно, его энергии и адекватной потери в разрешающей способности.

Наиболее близким по технической сущности является устройство ультразвукового контроля материалов и изделий, которое содержит последовательно соединенные генератор синусоидальных сигналов, формирователь прямоугольных импульсов, генератор псевдослучайной кодовой последовательности, формирователь периода последовательности, аналоговый ключ, усилитель мощности и излучающий преобразователь, балансный модулятор, первым входом подключенный к генератору синусоидальных сигналов, вторым - к второму входу генератора псевдослучайной кодовой последовательности, выходом - к управляющему входу аналогового ключа, последовательно соединенный входной усилитель, демодулятор, фильтр низких частот и оптимальный фильтр и измеритель временных интервалов, входной преобразователь, соединенный с входным усилителем, подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные вторые демодулятор, фильтр низких частот, оптимальные фильтры, сумматор, входами подключенный к выходам оптимальных фильтров, а выход которого является выходом устройства, фазовращатель, входом подключенный к выходу генератора синусоидальных сигналов, выходом - к второму входу второго демодулятора, и блок питания [2].

Данное устройство вследствие применения в качестве зондирующего сложномодулированного высокоэнергетичного сигнала с хорошими корреляционными свойствами обладает высокой пороговой чувствительностью, а следовательно, и высокой помехоустойчивостью при сохранении высокой разрешающей способности.

Однако при формировании фазоманипулированного сигнала методом бифазной модуляции амплитудный спектр зондирующего сигнала в частотной области занимает чрезмерно широкую полосу частот, в два и более раза превышающую, в случае применения многофазной модуляции, полосу, достаточную для обеспечения требуемой разрешающей способности. Следствием этого является необходимость использования чрезмерно широкополосного электроакустического преобразователя с низким значением коэффициента электромеханического преобразования, а применение высокоэнергетичных фазоманипулированных сигналов целесообразно прежде всего для контроля изделий из материалов с большим затуханием ультразвука. Известно в [3] , что в ультразвуковой дефектоскопии большую роль, отрицательно влияющую на качество контроля, играет чрезвычайно сильная зависимость затухания ультразвука от частоты, достигающая 100 дБ и более на октаву, что вызывает сильную зависимость формы эхо-сигнала как от значения коэффициента затухания, так и от глубины расположения дефекта, т.е. оптимальные фильтры в квадратурных каналах перестают быть согласованными, отношение сигнал/шум по сравнению с теоретически возможным уменьшается, искажается форма "сжатого" сигнала, что в свою очередь уменьшает чувствительность и достоверность контроля.

Указанные недостатки ухудшают эксплуатационные характеристики и ограничивают область применения известного технического решения, принятого в качестве прототипа.

Техническая задача изобретения направлена на улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет повышения чувствительности и достоверности контроля.

Задача достигается тем, что известное устройство ультразвукового контроля материалов и изделий, содержащее электроакустически последовательно соединенные генератор синусоидальных сигналов, формирователь прямоугольных импульсов, первый генератор псевдослучайной кодовой последовательности, формирователь периода, первый электронный ключ, усилитель мощности, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, входной усилитель и первый демодулятор, второй демодулятор, первым входом соединенный с выходом входного усилителя, первый фазовращатель, входом соединенный с выходом генератора синусоидальных сигналов, первый и второй фильтры низких частот, первый и второй оптимальные фильтры, первый сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго оптимального фильтров, а выход является выходом устройства, снабжено последовательно соединенными первым инвертором, входом соединенным с выходом первого генератора псевдослучайной кодовой последовательности, первой схемой И, вторым электронным ключом и вторым сумматором, последовательно соединенными вторым генератором псевдослучайной кодовой последовательности, вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов, и вторым инвертором, выход которого соединен с вторым входом первой схемы И, последовательно соединенными второй схемой И, второй вход которой соединен с выходом второго генератора псевдослучайной кодовой последовательности, и третьим электронным ключом, включенными между выходом первого инвертора и вторым входом второго сумматора, последовательно соединенными третьей схемой И, второй вход которой соединен с выходом первого генератора псевдослучайной кодовой последовательности, и четвертым электронным ключом, включенными между выходом второго инвертора и третьим входом второго сумматора, последовательно соединенными четвертой схемой И, второй вход которой соединен с выходом первого генератора псевдослучайной кодовой последовательности, и пятым электронным ключом, включенными между выходом второго генератора псевдослучайной кодовой последовательности и четвертым входом второго сумматора, последовательно соединенными вторым фазовращателем, вход которого соединен с выходом первого фазовращателя, и третьим фазовращателем, вторые входы второго электронного ключа, третьего электронного ключа, четвертого электронного ключа и пятого электронного ключа соединены соответственно с выходами первого фазовращателя, третьего фазовращателя, второго фазовращателя и генератора синусоидальных сигналов, последовательно соединенными четвертым управляемым фазовращателем, вход которого соединен с выходом генератора синусоидальных сигналов, пятым фазовращателем, шестым фазовращателем и седьмым фазовращателем, первым и вторым детекторами, включенными между соответственно выходами первого и второго демодуляторов и входами первого и второго фильтров низких частот, последовательно соединенными третьим инвертором, вход которого соединен с выходом первого фильтра низких частот и третьим сумматором, выход которого соединен с входом первого оптимального фильтра, последовательно соединенными четвертым инвертором, вход которого соединен с выходом второго фильтра низких частот и четвертым сумматором, выход которого подключен к входу второго оптимального фильтра, последовательно соединенными третьим демодулятором, вход которого соединен с выходом входного усилителя, третьим детектором, третьим фильтром низких частот и пятым инвертором, выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого сумматоров, последовательно соединенными четвертым демодулятором, вход которого соединен с выходом входного усилителя, четвертым детектором и четвертым фильтром низких частот, выход которого соединен с третьими входами третьего и четвертого сумматоров, выход четвертого управляемого фазовращателя соединен с вторым входом четвертого демодулятора, выход пятого фазовращателя соединен с вторым входом третьего демодулятора, выход шестого фазовращателя соединен с вторым входом второго демодулятора, выход седьмого фазовращателя соединен с вторым входом первого демодулятора, четвертый вход третьего сумматора соединен с выходом второго фильтра низких частот, а четвертый вход четвертого сумматора соединен с выходом первого фильтра низких частот.

На фиг.1 показан вид бифазномодулированного сигнала; на фиг.2 приведена огибающая амплитудного спектра сигнала при бифазной (а) и четырехфазной (б) модуляции; на фиг.3 представлена структурная схема устройства ультразвукового контроля материалов и изделий; на фиг.4 показаны временные диаграммы в различных точках передающего тракта; на фиг.5 приведены временные диаграммы сигналов в различных точках приемного тракта.

Устройство ультразвукового контроля материалов и изделий содержит электроакустически последовательно соединенные генератор 1 синусоидальных сигналов, формирователь 2 прямоугольных импульсов, первый генератор 3 псевдослучайной кодовой последовательности, формирователь 4 периода, первый электронный ключ 5, усилитель 6 мощности, излучающий преобразователь 7, приемный преобразователь 8, входной усилитель 9 и первый демодулятор 10, второй демодулятор 11, первым входом соединенный с выходом входного усилителя 9, первый фазовращатель 12, входом соединенный с выходом генератора 1 синусоидальных сигналов, первый 13 и второй 14 фильтры низких частот, первый 15 и второй 16 оптимальные фильтры, первый сумматор 17, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого 15 и второго 16 оптимального фильтров, а выход является выходом устройства, последовательно соединенные первый инвертор 18, входом соединенный с выходом первого генератора 3 псевдослучайной кодовой последовательности, первую схему И 19, второй электронный ключ 20 и второй сумматор 21, последовательно соединенные второй генератор 22 псевдослучайной кодовой последовательности, вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов 2, и второй инвертор 23, выход которого соединен с вторым входом первой схемы И 19, последовательно соединенные вторую схему И 24, второй вход которой соединен с выходом второго генератора 22 псевдослучайной кодовой последовательности, и третий электронный ключ 25, включенные между выходом первого инвертора 18 и вторым входом второго сумматора 21, последовательно соединенные третью схему И 26, второй вход которой соединен с выходом первого генератора 3 псевдослучайной кодовой последовательности, и четвертый электронный ключ 27, включенные между выходом второго инвертора 23 и третьим входом второго сумматора 21, последовательно соединенные четвертую схему И 28, второй вход которой соединен с выходом первого генератора 3 псевдослучайной кодовой последовательности, и пятый электронный ключ 29, включенные между выходом второго генератора псевдослучайной кодовой последовательности и четвертым входом второго сумматора 21, последовательно соединенные второй фазовращатель 30, вход которого соединен с выходом первого фазовращателя 12, и третий фазовращатель 31, вторые входы второго электронного ключа 20, третьего электронного ключа 25, четвертого электронного ключа 27 и пятого электронного ключа 29 соединены соответственно с выходами первого фазовращателя 12, третьего фазовращателя 31, второго фазовращателя 30 и генератора синусоидальных сигналов 1, последовательно соединенные четвертый управляемый фазовращатель 32, вход которого соединен с выходом генератора 1 синусоидальных сигналов, пятый фазовращатель 33, шестой фазовращатель 34 и седьмой фазовращатель 35, первый 36 и второй 37 детектор, включенные между соответственно выходами первого 10 и второго 11 демодуляторов и входами первого 13 и второго 14 фильтров низких частот, последовательно соединенные третий инвертор 38, вход которого соединен с выходом первого фильтра 13 низких частот и третий сумматор 39, выход которого соединен с входом первого оптимального фильтра 15, последовательно соединенные четвертый инвертор 40, вход которого соединен с выходом второго фильтра низких частот 14, четвертый сумматор 48, выход которого подключен к входу второго оптимального фильтра 16, последовательно соединенные третий демодулятор 41, вход которого соединен с выходом входного усилителя 9, третий детектор 42, третий фильтр 43 низких частот и пятый инвертор 44, выход которого соединен с вторыми входами третьего 39 и четвертого 48 сумматоров, последовательно соединенные четвертый демодулятор 45, вход которого соединен с выходом входного усилителя 9, четвертый детектор 46 и четвертый фильтр 47 низких частот, выход которого соединен с третьими входами третьего 39 и четвертого 48 сумматоров, выход четвертого управляемого фазовращателя 34 соединен с вторым входом четвертого демодулятора 45, выход пятого фазовращателя 33 соединен с вторым входом третьего демодулятора 41, выход шестого фазовращателя 34 соединен с вторым входом второго демодулятора 11, выход седьмого фазовращателя 35 соединен с вторым входом первого демодулятора 10, четвертый вход третьего сумматора 39 соединен с выходом второго фильтра низких частот, а четвертый вход четвертого сумматора 48 соединен с выходом первого фильтра низких частот 13.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 синусоидальных сигналов формирует непрерывные гармонические колебания с частотой F_н равной рабочей частоте дефектоскопа. Формирователь 2 прямоугольных импульсов формирует из гармонического сигнала непрерывные колебания типа "меандр", которые поступают на входы первого 3 и второго 22 формирователей псевдослучайных кодовых последовательностей. Так как периоды повторения псевдослучайных последовательностей, формируемых первым и вторым формирователями, равны, то формирователъ 4 периода, определяющий период следования зондирующих импульсов и подключенный к выходу первого формирователя 3, может быть подключен и к выходу второго формирователя 22. Работоспособность устройства при этом не нарушится. Первый 18 и второй 23 инверторы формируют инверсные псевдослучайные последовательности. Четыре двухвходовых схемы И 19, 24, 26 и 28 образуют кодер, формирующий четыре последовательности управляющих сигналов, поступающих на первые входы электронных ключей 20, 25, 27 и 29, на вторые входы которых поступают гармонические колебания одинаковой частоты, и отличающиеся лишь относительным фазовым сдвигом с шагом 900. Фрагменты фазоманипулированного сигнала с выходов электронных ключей 20, 25, 27 и 29 собираются воедино вторым сумматором 21, на входы которого они поступают. Первый электронный ключ 5, управляемый импульсами с выхода формирователя 4 периода, формирует импульсный четырехфазный фазоманипулированный сигнал, который после соответствующего усиления усилителем 6 мощности возбуждает излучающий преобразователь 7.

Принимаемые ультразвуковые сигналы, преобразованные приемным преобразователем 8, после усиления входным усилителем 9 поступают на входы первого 10, второго 11, третьего 41 и четвертого 45 демодуляторов, на вторые входы которых поступают опорные гармонические сигналы одинаковой частоты F_н, отличающиеся относительным фазовым сдвигом (фазовый сдвиг последовательно нарастает и принимает значения 00, 900, 1800 и 2700) и формируемые соответственно фазовращателями 32, 33, 34 и 35. Управляемый фазовращатель 32 позволяет подобрать требуемое соотношение фаз несущей сложномодулированного эхо-сигнала и опорных гармонических сигналов. После выделения детекторами 36, 37, 42 и 46 из последовательности демодулированных псевдослучайных сигналов импульсов положительной полярности и фильтрации огибающей фильтрами 13, 14, 43 и 47 низких частот последовательности видеоимпульсов в каждом из четырех каналов поступают на входы инверторов 38, 40 и 44, третьего 39 и четвертого 48 сумматоров, которые образуют демодулятор, выделяющий исходные псевдослучайные последовательности в виде дополнительных кодов. Каждый из дополнительных кодов фильтруется согласованным с ним оптимальным фильтром 15 и 16, после чего "сжатые" сигналы суммируются первым сумматором 17, с выхода которого сигнал может быть подан на индикатор (на фиг.3 не показан).

Известно, что увеличение числа фаз у фазоманипулированного колебания уменьшает в такое же количество раз ширину амплитудного спектра при сохранении длительности элементарного импульса модулирующей последовательности, как показано на фиг.2[4]. Однако непременным условием уменьшения ширины спектра является отсутствие изменения фазы на протяжении всей длительности сигнала на угол, больший чем 90 град (для четырехфазного фазоманипулированного сигнала). Появление скачков фазы, равных 180 град, приводит к пропорциональному расширению спектра. Для формирования четырехфазного сигнала выбирают две двоичных последовательности одинаковой длины и каждой комбинации двоичных нулей или единиц на соответствующей позиции в первой и второй последовательности, присваивают определенное значение фазы в соответствии с заданной наперед таблицей истинности, которую конструируют исходя из условия отсутствия 180 градусных скачков фазы. Использование нами в качестве модулирующих последовательностей пары дополнительных кодов Фрэнка позволяет кроме уменьшения ширины амплитудного спектра использовать еще одно их замечательное свойство: равенство нулю временных боковых лепестков суммы автокорреляционных функций дополнительных кодов. На фиг.4 на диаграммах 1 и 2 показаны первая и вторая дополнительные псевдослучайные последовательности длиной 8 элементарных импульсов каждая, на диаграммах 3 и 4 - автокорреляционные функции каждой, а на диаграмме 5 - сумма их автокорреляционных функций. В таблице показана возможная таблица истинности, ставящая в соответствие определенной комбинации логических нулей и единиц в первой и второй псевдослучайной последовательности (ПСП) значение фазы несущей.

Выбор в соответствии с таблицей истинности одной из четырех возможных комбинаций осуществляется схемами И 19, 24, 26 и 28, которые вместе образуют кодер. При совпадении логических единиц на первом и втором входе одной из схем И, положительный импульс на выходе открывает один из четырех электронных ключей 20, 25, 27 и 29, который в свою очередь пропускает на выход фрагмент несущей с определенным значением фазы. Временные диаграммы импульсных последовательностей на выходах схем И 19, 24, 26 и 28 приведены соответственно на диаграммах 6-8 фиг.4. Фрагменты синусоид, отличающихся значением фазы на выходах электронных ключей 20, 25, 27 и 29, приведены соответственно на диаграммах 10-13 фиг.4, а диаграмме 14 - сигнал на выходе усилителя 6 мощности.

Принятый приемным преобразователем 8 эхо-сигнал после усиления входным усилителем 9 поступает на входы первого 10, второго 11, третьего 41 и четвертого 45 демодуляторов, которые могут быть выполнены на базе четырехквадрантных аналоговых перемножителей. На временной диаграмме 1 фиг. 5 показан входной сигнал с произвольными амплитудой и начальной фазой. Временные диаграммы 2 - 5 фиг. 5 представляют опорные сигналы единичной амплитуды и относительным фазовым сдвигом, нарастающим с шагом 900. После соответствующего выбора относительного фазового сдвига у принятого эхо-сигнала и опорного сигнала в канале 00, осуществляемого перестройкой управляемого фазовращателя 32 (как показано на диаграмме 2 фиг. 5), в каждом из четырех каналов приемного тракта детекторами положительных амплитуд выделяются импульсы положительной полярности, соответствующие той или иной комбинации двоичных символов в соответствии с таблицей. Эти импульсы декодируются дешифратором, образованным инверторами 38, 40, 44 и сумматорами 39 и 48. После дешифрации на выходе последних формируются две дополнительные, псевдослучайные последовательности, которые фильтруются соответствующими оптимальными фильтрами 15 и 16. Сжатые сигналы суммируются сумматором 17 и поступают на вход индикатора.

Источники информации.

1. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение. 1981, с. 95.

2. Авторское свидетельство N 1397830, кл G 01 N 29/04. Б.И.N 19, 1988 (прототип).

3. Качанов В.К. Применение методов оптимальной фильтрации сигналов при ультразвуковом контроле полимерных композиционных материалов / Тр.Моск. энерг. ин-та, 1991, вып.642
4. Диксон Р.К. Широкополосные системы: Перев. с англ. /Под ред. В.И.Журавлева.-М.: Связь, 1979.

Устройство ультразвукового контроля материалов и изделий относится к технике неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и направлено на улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет повышения чувствительности и достоверности контроля. Устройство содержит электроакустически последовательно соединенные генератор 1 синусоидальных сигналов, формирователь 2 прямоугольных импульсов, первый генератор 3 псевдослучайной кодовой последовательности, формирователь 4 периода, первый электронный ключ 5, усилитель 6 мощности, излучающий преобразователь 7, приемный преобразователь 8, входной усилитель 9 и первый демодулятор 10, второй демодулятор 11. Генератор 1 формирует непрерывные гармонические колебания с частотой F_н, равной рабочей частоте дефектоскопа. Формирователь 2 прямоугольных импульсов формирует из гармонического сигнала непрерывные колебания типа "меандр", которые поступают на входы первого 3 и второго 22 формирователей псевдослучайных кодовых последовательностей. Первый 18 и второй 23 инверторы формируют инверсные псевдослучайные последовательности. Четыре двухвходовых схемы И 19, 24, 26 и 28 образуют кодер, формирующий четыре последовательности управляющих сигналов, поступающих на первые входы электронных ключей 20, 25, 27 и 29, на вторые входы которых поступают гармонические колебания одинаковой частоты, отличающиеся лишь относительным фазовым сдвигом. Каждый из дополнительных кодов фильтруется согласованным с ним оптимальным фильтром 15 и 16. После чего сжатые сигналы суммируются первым сумматором 17 и подаются на индикатор . 5 ил., 1 табл.

Устройство ультразвукового контроля материалов и изделий, содержащее электроакустически последовательно соединенные генератор синусоидальных сигналов, формирователь прямоугольных импульсов, первый генератор псевдослучайной кодовой последовательности, формирователь периода, первый электронный ключ, усилитель мощности, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, входной усилитель и первый демодулятор, второй демодулятор, первым входом соединенный с выходом входного усилителя, первый фазовращатель, входом соединенный с выходом генератора синусоидальных сигналов, первый и второй фильтры низких частот, первый и второй оптимальные фильтры, первый сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго оптимального фильтров, а выход является выходом устройства, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными первым инвертором, входом, соединенным с выходом первого генератора псевдослучайной кодовой последовательности, первой схемой И, вторым электронным ключом и вторым сумматором, соединенным с вторым входом первого электронного ключа, последовательно соединенными вторым генератором псевдослучайной кодовой последовательности, вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов и вторым инвертором, выход которого соединен с вторым входом первой схемы И, последовательно соединенными второй схемой И, второй вход которой соединен с выходом второго генератора псевдослучайной кодовой последовательности, и третьим электронным ключом, включенными между выходом первого инвертора и вторым входом второго сумматора, последовательно соединенными третьей схемой И, второй вход которой соединен с выходом первого генератора псевдослучайной кодовой последовательности и четвертым электронным ключом, включенными между выходом второго инвертора и третьим входом второго сумматора, последовательно соединенными четвертой схемой И, второй вход которой соединен с выходом первого генератора псевдослучайной кодовой последовательности, и пятым электронным ключом, включенными между выходом второго генератора псевдослучайной кодовой последовательности и четвертым входом второго сумматора, последовательно соединенными вторым фазовращателем, вход которого соединен с выходом первого фазовращателя и третьим фазовращателем, вторые входы второго электронного ключа, третьего электронного ключа, четвертого электронного ключа и пятого электронного ключа соединены соответственно с выходами первого фазовращателя, третьего фазовращателя, второго фазовращателя и генератора синусоидальных сигналов, последовательно соединенными четвертым управляемым фазовращателем, вход которого соединен с выходом генератора синусоидальных сигналов, пятым фазовращателем, шестым фазовращателем и седьмым фазовращателем, первым и вторым детекторами, включенными между соответственно выходами первого и второго демодуляторов и входами первого и второго фильтров низких частот, последовательно соединенными третьим инвертором, вход которого соединен с выходом первого фильтра низких частот, и третьим сумматором, выход которого соединен с входом первого оптимального фильтра, последовательно соединенными четвертым инвертором, вход которого соединен с выходом второго фильтра низких частот, и четвертым сумматором, выход которого подключен к входу второго оптимального фильтра, последовательно соединенными третьим демодулятором, вход которого соединен с выходом входного усилителя, третьим детектором, третьим фильтром низких частот и пятым инвертором, выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого сумматоров, последовательно соединенными четвертым демодулятором, вход которого соединен с выходом входного усилителя, четвертым детектором и четвертым фильтром низких частот, выход которого соединен с третьим входами третьего и четвертого сумматоров, выход четвертого управляемого фазовращателя соединен с вторым входом четвертого демодулятора, выход пятого фазовращателя соединен с вторым входом третьего демодулятора, выход шестого фазовращателя соединен с вторым входом второго демодулятора, выход седьмого фазовращателя соединен с вторым входом первого демодулятора, четвертый вход четвертого сумматора соединен с выходом первого фильтра низких частот, а четвертый вход третьего сумматора соединен с выходом второго фильтра низких частот.