МНОГОКАНАЛЬНОЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01N29/14 G01N29/04 

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

Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий (А. с.N 1589204, М кл.⁴ G 01 N 29/04, 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 со входом сброса пикового детектора и входом элемента памяти каждого канала. Выход элемента памяти каждого канала соединен с соответствующим входом - коммутатора. Блок памяти имеет задающий режим вход, а второй вход его соединен с выходом счетчика и вторыми входами формирователя строба 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, вход 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.

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.

Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико- эмиссионное устройство для контроля изделий (положительное решение по заявке N 95111759/28(020070) от 19.05.97 г., приоритет от 6.07.95 г.), 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 ко вторым входам компараторов, и регистратор. Кроме того, 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 - со входом цифроаналогового преобразователя блока управления, вход которого соединен с выходом коммутатора каналов, а первый выход - с управляющим входом коммутатора каналов, элементом задержки, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и с управляющим входом коммутатора, а выход - со входами сброса пиковых детекторов каналов, а также таймером, вход которого объединен со входами блоков памяти, а выход - подключен к третьему входу элемента памяти, а выход элемента памяти подключен ко входу регистратора.

Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет осуществлять только последовательный опрос измерительных каналов. Время опроса одного канала при работе устройства с компьютером типа IBM PC/AT 486 составляет порядка 1,4•10^-6 с. Цикл опроса 16-канального акустико- эмиссионного устройства составляет τ₁ = 16 •1,4•10^-6 =22,4•10^-6. Поскольку каналы опрашиваются последовательно, то информация не опрошенных каналов пропадает, что существенно снижает точностные характеристики системы.

При разработке многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля изделий была поставлена задача повышения точности определения координат развивающихся дефектов.

Поставленная задача решается за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий состоит из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и таймер. В устройстве последовательно соединены коммутатор, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь и оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения. Причем четыре входа коммутатора соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения. Выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства. Второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера.

Предлагаемое устройство по сравнению с существующими акустико-эмиссионными устройствами позволяет существенно сократить аппаратные затраты при значительном повышении метрологических характеристик. Информация с каждого канала оцифровывается. Причем в каждом блоке коммутатор последовательно опрашивает только четыре канала, т.е. время опроса четырех каналов одного блока составит: τ₂ = 0,2•10^-6•4 = 0,8•10^-6 с. В прототипе (положительное решение по заявке N 95111759/(020070) от 19.05.97 г., приоритет от 6.07.95 г. ) коммутатор опрашивает последовательно все N каналов системы. Так, если система 16-ти канальная, то время опроса составит τ₁ == 16•1,4•10^-6 = 22,4•10^-6, т. е. выигрыш в точности определения разности времен прихода сигналов АЭ, а, следовательно, и координат источников АЭ составит:
N = 22,4•10^-6/0,8•10^-6 = 28 раз.

На чертеже показана функциональная схема многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля изделий. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий содержит:
1...n - блоки приема и обработки измерительной информации;
1. . . 4 - измерительные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии в блоке;
2 - акустический преобразователь;
3 - предварительный усилитель;
4 - фильтр;
5 - пиковый детектор;
6 - компаратор;
7 - цифроаналоговый преобразователь;
8 - коммутатор;
9 - основной усилитель;
10 - аналого-цифровой преобразователь;
11 - таймер;
12 - оперативное запоминающее устройство;
13 - устройство сопряжения,
14 - шина компьютера.

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, предварительного усилителя 3, фильтра 4, пикового детектора 5, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 6, а также содержит цифроаналоговый преобразователь 7, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора 6, а также коммутатор каналов 8, основной усилитель 9, аналого-цифровой преобразователь 10, таймер 11 и оперативное запоминающее устройство 12. В устройстве последовательно соединены коммутатор 8, основной усилитель 9, аналого-цифровой преобразователь 10, оперативное запоминающее устройство 12, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения 13. Причем четыре входа коммутатора 8 соединены с выходами фильтров 4 каналов и входами пиковых детекторов 5 соответствующих каналов. Входы цифроаналоговых преобразователей 7 четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения 13. Выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера 11, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства 12. Второй выход устройства сопряжения 13 соединен с третьим входом таймера 11, а третий выход устройства сопряжения 13 соединен с шиной компьютера 14.

Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием отечественных (серии 1533, 555) и американских (аналого-цифровые преобразователи AD9220. память UM 62256) микросхем, основные характеристики которых изложены в следующих книгах:
1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1987, с. 19.

2. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. - М.: ДОДЭКА, 1996, вып. 1, с.214.

Предварительный и нормирующий усилители выполнены на операционных усилителях типа К544УД2. В качестве пьезоэлектрических преобразователей 2 используются микрообъемные пьезоэлектрические преобразователи из керамики типа ЦТС-19. Компаратор 6 собран на интегральных микросхемах 554САЗ (Булычев А.Л. , Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. Справочник. - Минск: Белорусь, 1994, с.208 - 210.) Коммутатор каналов 8 выполнен на микросхемах серий 555, 1533, 590КН8. Цифроаналоговый преобразователь 7 выполнен на микросхеме 572ПА1 (Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Справочное пособие. Под ред. С.В.Якубовского. - М.: Радио и связь, 1984).

Устройство работает следующим образом.

Устройство, функциональная схема которого приведена на фиг. 1, выполнено по параллельно-последовательному принципу и содержит N четырехканальных блоков. Причем каждый блок представляет собой функционально законченную четырехканальную систему, конструктивно выполненную в виде платы, которая вставляется в шину ISA компьютера типа IBM PC/AT.

Работа в режиме приема сигналов АЭ происходит следующим образом. Перед началом работы в регистры цифроаналогового преобразователя 7 записываются значения пороговых напряжений U_пор, которые устанавливаются выше аппаратных и акустических шумов в данном канале. Затем программируется таймер 11, записываются времена отсечки приема сигналов АЭ, количество измерений, осуществляемых аналого-цифровым преобразователем 10. При этом компараторы 6 сбрасываются в исходное состояние, разрешается работа счетчика адреса оперативного запоминающего устройства 12. Сигналы акустической эмиссии поступают на пьезоэлектрические преобразователи 2 и преобразуются ими в электрические сигналы. Далее акустический сигнал усиливается предварительным усилителем 3, проходит через фильтр 4 и поступает на вход пикового детектора 5, который выделяет огибающую сигнала акустической эмиссии и запоминает амплитуду сигнала. Выходной сигнал пикового детектора 5 поступает на инвертирующий вход компаратора 6. На неинвертирующий вход компаратора 6 с выхода цифроаналогового преобразователя 7 задается пороговый уровень U_пор, который устанавливается по команде с устройства сопряжения 13 и должен превышать аппаратурные и акустические шумы данного канала. При превышении сигналом с выхода пикового детектора 5 уровня порога обнаружения соответствующего канала компаратор 6 срабатывает и запускается таймер 11 на отсчет времени прихода сигнала АЭ. Компараторы 6 остальных каналов срабатывают при превышении сигналами АЭ их пороговых значений и фиксируют времена прихода сигналов в таймере 11. По окончании времени отсечки таймер 11 вырабатывает сигнал прерывания, по которому процессор считывает значения времен прихода сигналов АЭ. В то же время коммутатором 8 последовательно опрашиваются все каналы (1...4) данного блока N_i. При этом сигнал АЭ данного канала с выхода фильтра 4 через коммутатор 8 поступает на вход основного усилителя 9, усиливается и проходит на вход аналого-цифрового преобразователя 10. Аналого-цифровой преобразователь 10 измеряет уровни сигналов АЭ всех (1...4) каналов данного блока N_i и результаты измерения записываются в буферное оперативное запоминающее устройство 12. По окончании сигнала АЭ с выхода таймера 11 поступает сигнал на остановку счетчика оперативного запоминающего устройства 12. При этом запись информации заканчивается, а процессор компьютера может считывать информацию о предыстории и форме сигнала АЭ из буферного оперативного запоминающего устройства 12. Готовность к приему следующего сигнала АЭ определяет компаратор 6. Как только уровни сигналов станут ниже пороговых, процессор установит устройство в исходное состояние.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при прочностных испытаниях конструкций. Повышение точности определения координат развивающихся дефектов достигается за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий состоит из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора. В устройстве последовательно соединены коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения. Четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения. Выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства. Второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера. 1 ил.

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1 ... n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и таймер, отличающееся тем, что в устройстве последовательно соединены коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения, выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства, второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера.