МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ДЕФЕКТОСКОП Российский патент 1998 года по МПК G01N29/00 G01N29/04 

Изобретение относится к области ультразвуковой дефектоскопии и может найти применение для неразрушающего контроля качества многослойных полимерно-композиционных материалов.

Полимерно-композиционные материалы (ПКМ), благодаря возможности синтезирования априорно заданных характеристик и свойств: упругости, твердости, звукопоглощения, демпфирования, нашли широкое применение в ракетно-космической и авиационной технике. Технология изготовления таких материалов и конструкционных элементов такова, что не удается избежать появления ряда дефектов: неоднородность, непроклей, несплошность, трещины, которые существенно снижают надежностные характеристики материалов и требуют постоянного неразрушающего контроля на этапе производства.

Традиционные амплитудно-временные ультразвуковые методы и средства контроля не обеспечивают высокую точность и достоверность контроля материалов и изделий из них.

Известен способ контроля многослойных конструкций, получивший название метода свободных колебаний. Он основан на возбуждении в контролируемом изделии колебаний и регистрации изменения их спектров в зоне дефектов (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник / Под ред. Клюева В. В., т.2. -М.: Машиностроение, 1986, с. 303, рис. 104. Структурная схема дефектоскопа АД-60С - аналог). Разрешающая способность метода свободных колебаний по минимально обнаруживаемой площади дефекта составляет единицы см², что недопустимо для конструкционных материалов, используемых в ракетно-космической технике.

Наиболее близким аналогом по технической сущности с заявляемым многопараметрическим дефектоскопом является специализированный для контроля многослойных материалов низкочастотный дефектоскоп УД-22 УМ, реализующий ультразвуковой эхо-метод контроля ("Структурная схема ультразвукового дефектоскопа", рис. 43, с. 229 в справочнике Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий./ Под редакцией Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1986 - ближайший аналог).

Информационными параметрами, по которым принимают решение о наличии и координатах дефекта являются амплитуда акустического эхо-сигнала и время пробега импульса до отражателя и обратно. Устройство ближайшего аналога содержит генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, генератор развертки - синхронизатор, индикатор расстояния, сигнализатор.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- невысокая достоверность контроля вследствие использования одного информативного признака,
- необходимость использования контрольных образцов с заранее смоделированными дефектами,
- субъективность определения границ и размеров дефекта, связанных с субъективностью и квалификацией инженера-дефектоскописта,
- ограниченность метода при контроле многослойных, армированных ПКМ вследствие сложности аппаратурного разрешения отраженных от различных слоев эхо-сигналов,
- недостаточная производительность измерений.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении достоверности и оперативности неразрушающего контроля путем использования дополнительных информативных признаков сигнала и автоматизации процесса измерений путем представления сигнала в цифровой форме и его программной обработке на персональной ЭВМ.

Это достигается тем, что многопараметрический дефектоскоп, включающий ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов, канал приема и обработки сигнала по амплитуде и времени запаздывания, дополнительно содержит тракт обработки сигнала по форме, состоящий из интерфейсного блока, в составе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и буфера хранения кода, оперативного запоминающего устройства, вычислителя, системы визуализации и графического отображения, а также постоянного запоминающего устройства хранения пакета программ и эталонных сигналов и устройства ввода информации, подключенных к вычислителю.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения как:
- высокую вероятность обнаружения аномалии за счет многопараметрической обработки сигнала и суммирования информационных признаков;
- автоматизацию процесса обработки сигнала, анализа результатов и принятия решения путем алгоритмизации и программного расчета всей последовательности операций.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого решения, и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем.

В традиционных эхо-импульсных дефектоскопах вследствие аномально высокого затухания ультразвуковых колебаний в материале полимерной матрицы и на границах различных слоев отраженный сигнал находится на уровне собственных шумов приемной части дефектоскопа. Это затрудняет селекцию сигналов по амплитуде. В то же время вследствие различной упругости и диссипативности слоев в местах дефектов из-за дифракции и отражений фазовый фронт сигнала искажается. Групповая скорость сигнала не совпадает с фазовой, что приводит к искажению формы сигнала, а следовательно, к изменению его амплитудного спектра.

Таким образом, наиболее информативным параметром дефектоскопа является измерение фазового портрета сигнала от аномалии (дефекта), проявляющееся в изменении пропорции амплитудных соотношений между гармониками - спектральными составляющими сигнала. Спектральный анализ сигнала осуществляется последовательностью математических операций в вычислителе. Из математики известно (Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т. 2. М. : Наука, 1964, с. 240 - 242), что любая кусочно-гладкая функция может быть разложена по гармоническим составляющим в ряд Фурье. По определению частотный спектр G(f) временной функции f(t) вычисляется как

Данная операция реализуется на основе алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) (Марпл С.А. Цифровой спектральный анализ. Пер. с англ. -М.: Мир, 1990, с. 77 - 79, алгоритм БПФ). Программный расчет спектра Фурье входит в комплект программного обеспечения MATHCAD (Дьяконов В.П. Справочник. Система МАТНCAD. -М.: Радиосвязь, 1993, с. 61).

В качестве дополнительного информативного признака спектрального анализа сигналов используется значение спектра в нулевой точке (Залмазон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении связи и других областях. -М.: Наука, 1989, с. 38 - 40).

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Многопараметрический дефектоскоп содержит ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов 1, интерфейсный блок 2, в составе аналого-цифрового преобразователя 3 и буферах хранения кода 4, последовательно присоединенных оперативного запоминающего устройства 5, вычислителя (процессор) 6, системы визуализации и графического отображения 7, а также постоянного запоминающего устройства (винчестер) 8 и устройства ввода информации (клавиатура) 9, подключенных к вычислителю 6.

Динамика взаимодействия элементов и процедура измерений осуществляются в следующей последовательности. Исследуемая поверхность при измерениях ориентируется по нормали относительно распространения зондирующих волн. При измерениях исследуемая поверхность ПКМ разбивается на последовательность участков, образующих поле дефектоскопии. Задается порядок сканирования по координатам поверхности (x, y), что отображается на экране ПЭВМ. Ультразвуковой преобразователь 1 генерирует зондирующие импульсы, которые, пройдя сквозь многослойную структуру ПКМ и отражаясь, принимаются приемным трактом преобразователя 1 и в виде аналогового сигнала сложной формы λ(t) поступают на вход интерфейсного блока 2. Интерфейсный блок 2 представляет собой универсальную плату 3 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) типа ПА.32-12 (или П.1205) и буфера хранения кода 4 типа контроллера, совмещаемого со стандартными шинами ОЗУ 5 ПЭВМ. Режим запуска АЦП - программный, от программируемого ПЭВМ таймера, по команде оператора или программно, при использовании режима автоматического контроля.

Цифровой двоичный код из буфера 4 принимается на шину данных ПЭВМ и считывается программой обработки в виде файла. Полученный файл представляет собой двумерный массив цифровых пар данных, где первый элемент - моменты времени (t_i), когда осуществляется аналого-цифровое преобразование, а второй - амплитуда сигнала (A_i) в эти моменты времени. Число уровней квантования сигнала по амплитуде стандартной платой АЦП (ПА. 32-12) составляет 2¹², а дискретизация по времени соответствует тактовой частоте ПЭВМ, суммарное время аналого-цифрового преобразования не превышает 3 мкс, а разрешение по глубине обнаружения дефекта порядка 0,5 мм. После получения цифровой последовательности данных в виде измерительного файла последний подвергается программной обработке в вычислителе 6, который вычисляет информативные параметры: амплитуду сигнала (A_i), время прихода отраженного сигнала T_i, спектр сигнала.

Вычисление максимума амплитуды проводится на основе перебора элементов двумерного массива - файла, полученного как результат оцифровки в виде пар значений (время такта АЦП, амплитуда такта). Отыскание локального максимума представляется стандартной операцией и входит в комплект программного обеспечения MATHCAD Ver 2.08 и NUMERI Ver 1.0, которое записывается на винчестере 8. В качестве результата выводится цифровое значение максимальной амплитуды.

Алгоритм нахождения времени прихода отраженного сигнала построен по принципу отыскания максимума амплитуды. В данном случае необходимо определять время посылки зондирующего сигнала и время прихода отраженного сигнала, а их разность дает искомый результат. Обработку цифровой последовательности ведут в данном случае на поиск двух максимальных значений, сортируя массив (T_изм, A_сигн) по A_сигн, выделяют два последовательных элемента с максимальной амплитудой и вычисляют разность индексов времени T_изм2 - T_изм1 = ΔT. Время прихода отраженного сигнала для данного дефекта вычислено при условии, что период следования зондирующих импульсов меньше времени запаздывания отраженного сигнала. Ситуация упрощается при использовании преобразователей 1 с синхронизацией начала посылки зондирующего импульса. Тогда в оцифрованном массиве вычисляется максимум амплитуды и время этого максимума считается временем прихода отраженного сигнала. Алгоритм нахождения ΔT двух возможных режимов работы устройства иллюстрируется диаграммами фиг. 2, где а - способ определения времени прихода отраженного сигнала при синхронизации, б - без синхронизации.

Отлаженный пакет сервисных и стандартных IBM программ для вычисления информативных параметров сигнала: амплитуды, времени запаздывания и его спектра (Комаров Е.М. Диссертация к.т.н. Приложения 2, 3. -М.: МГУЛ, 1996).

Результаты расчета информативных параметров отражаются системой 7, включающей стандартное оборудование ПЭВМ - дисплей и принтер. Все новые элементы устройства, за исключением интерфейсного блока 2, реализованы на базе персональной ЭВМ типа IBM PC/AT 386/387.

Решение по результатам измерений принимается путем сравнения измеренных информационных признаков с признаками эталонных сигналов от испытываемых образцов, хранящихся в ПЗУ.

Вероятность обнаружения дефекта в полимерном композиционном материале при использовании комбинаций информационных признаков и их суммы характеризуется данными, приведенными в таблице.

Таким образом, вероятность недобраковки при использовании трех информационных признаков не превышает 0,3%. Эффективность устройства характеризуется минимально разрешимой величиной обнаруживаемого дефекта.

На графиках фиг. 3 представлены зависимости величины информативного признака от размера дефекта (см) в виде аппроксимирующего полинома второго порядка, построенного по критерию минимума среднеквадратической ошибки. Чувствительность различных признаков к размерам дефектов для заявляемого дефектоскопа приведена на графиках фиг. 4, что значительно упрощает процедуру контроля и позволяет выбрать наиболее оптимальный участок измерений каждого информативного признака.

Изобретение позволяет повысить достоверность и оперативность неразрушающего контроля дефектов в полимерном композиционном материале.

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопии для неразрушающего контроля качества многослойных полимерно-композиционных материалов. Повышение достоверности и оперативности неразрушающего контроля достигается путем использования дополнительных информативных признаков сигнала и автоматизации процесса измерений. Это достигается тем, что многопараметрический дефектоскоп содержит ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов, канал приема и обработки сигнала по амплитуде и времени запаздывания. Дополнительно содержит тракт обработки сигнала по форме, состоящий из интерфейсного блока в составе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и буфера хранения кода, оперативного запоминающего устройства, вычислителя, системы визуализации и графического отображения, а также постоянного запоминающего устройства хранения пакетов программ и эталонных сигналов и устройства ввода информации, подключенных к вычислителю. 1 табл., 4 ил.

Многопараметрический дефектоскоп, включающий ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов, канал приема и обработки сигнала по амплитуде и времени запаздывания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тракт обработки сигнала по форме, состоящий из интерфейсного блока в составе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и буфера хранения кода, оперативного запоминающего устройства, вычислителя, системы визуализации и графического отображения, а также постоянного запоминающего устройства хранения пакетов программ и эталонных сигналов и устройства ввода информации, подключенных к вычислителю.