СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и диагностики металлических деталей и конструкций методом акустической эмиссии и может быть использовано для прогнозирования остаточного ресурса изделий или времени эксплуатации при периодической диагностике их технического состояния.

Известен способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акустоэмиссионного излучения, включающий анализ физико-механических свойств исходного эталонного металла, таких как временный предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное сужение, относительное удлинение, плотность, скорости продольной и поперечной ультразвуковых волн, затем испытания в ритме быстрой вибрации с частотой более 100 Гц и последующего анализа изменения акустико-эмиссионных частот в диапазонах частот 1600…2800 Гц и 14…440 Гц, после чего по характерному смещению откликов резонансной частоты сдвига-отрыва, смещению отклика релаксационно-модулирующей частоты при мягком нагружении и смещении релаксационно-модулирующей частоты при жестком нагружении по эмпирическим формулам определяют время остаточного ресурса (Пат. РФ №2191377, G01N 29/14, 3/32, 29/00. Способ прогноза остаточного ресурса механических систем при неразрушающем анализе отклика акустоэмиссионного излучения / Берман А.В., Берман Д.В., Артеменко А.И. и др. - приоритет от 12.09.2000 г., Бюл. №29, 2002 г., принятый за аналог).

Недостатком данного способа является применение специальных нагружающих устройств, обеспечивающих вибрационные нагрузки, которые не могут использоваться для крупногабаритных конструкций или изделий сложной формы. Кроме того, данный способ не позволяет разделять потенциально опасные участки изделий по степени их деградации и определять их координаты, что не позволяет оценивать их состояние другими методами неразрушающего контроля.

Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя и предварительного усилителя, фильтра, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, устройство управления, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера, два ключа, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, с выхода предварительного усилителя через замкнутые второй и двухпозиционный ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Кроме того, выход программируемого усилителя соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления, а управляющие входы программируемых усилителей объединены и соединены с четвертым входом устройства управления (Пат. РФ №2296320, МКИ 5 G01N 29/14, принятый за аналог).

К недостаткам устройства следует отнести низкое быстродействие, обусловленное отсутствием предварительной обработки сигналов акустической эмиссии в канале. При обработке сигналов оцифрованная форма сигнала акустической эмиссии предварительно записывается в память компьютера, после чего происходит анализ сигнала. На это устройством тратится дополнительное время, существенно снижающее быстродействие устройства.

Известен способ прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий, заключающийся в том, что на изделие устанавливают акустические преобразователи, изделие нагружают до испытательной нагрузки, выдерживают изделие под постоянной испытательной нагрузкой, регистрируют сигналы акустической эмиссии, измеряют их параметры, вычисляют по ним спектр акустических сигналов, их предварительную обработку, осуществляют регистрацию времени прихода сигналов на акустические преобразователи и вычисление по нему координат развивающихся дефектов. По этому способу изделие разбивают на n секторов, содержащих не менее трех акустических преобразователей, в каждом из которых дополнительно устанавливают тензодатчик, изделие нагружают статической нагрузкой, превышающей рабочую на (20-25)%, локализуют сигналы акустической эмиссии в каждом секторе и для каждого из локализованных источников определяют интегральные характеристики (Пат. РФ №2361199, G01N 29/14. Способ прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий / Бобров А.Л. - приоритет от 02.04.2007 г., Бюл. №19, 2009 г.), принятый за прототип.

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость способа, требующая совместных акустико-эмиссионных и тензометрических измерений. Кроме того, такой способ имеет невысокую точность, так как оценивает остаточный ресурс изделий относительно заданного максимального времени допустимой эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство, состоящее из К каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, выход которого цифровой шиной соединен с входом оперативного запоминающего устройства, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом устройства управления, выход которого двунаправленной шиной соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором. Кроме того, в каждый канал дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь, аналоговый компаратор, оперативное запоминающее устройство кода диапазонов, а также n узкополосных фильтров, n аналоговых интеграторов, n аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов, при этом выход основного усилителя соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого соединен с первым выходом устройства управления каналом, а выход аналогового компаратора соединен с первым входом устройства управления каналом, второй выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, третий выход устройства управления каналом двунаправленной шиной соединен с вторым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, а выход основного усилителя соединен с входами (1…n) параллельных цепей, состоящих из последовательно соединенных узкополосного фильтра, первым входом аналогового интегратора, аналого-цифрового преобразователя частотных диапазонов, выходы которых цифровой шиной соединены с третьим входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, а четвертый выход устройства управления каналом соединен со вторым входом аналогового интегратора (Патент РФ №2379677, МПК G01N 29/14), принятый за прототип.

К числу основных недостатков устройства относится невозможность проведения кластеризации источников сигналов акустической эмиссии в реальном времени, а также отсутствует возможность фильтрации сигналов акустической эмиссии по параметрам, что снижает быстродействие и достоверность контроля и приводит к потере информации.

При разработке способа прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий была поставлена задача повышения достоверности определения остаточного ресурса, т.е. времени допустимой эксплуатации изделий, определяемого по результатам анализа параметров сигналов акустической эмиссии при механическом нагружении изделия.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом акустико-эмиссионном способе прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий их разбивают на n-секторов, содержащих не менее трех акустических преобразователей, изделие нагружают, регистрируют сигналы акустической эмиссии, измеряют их параметры, осуществляют регистрацию времени прихода сигналов на акустические преобразователи и вычисление по ним координат развивающихся дефектов. Кроме того, предварительно изделие нагружают до 0,5 рабочей нагрузки, при этом определяют максимальную активность сигналов, превышающих пороговый уровень U_пор больше U_ш (где U_ш - уровень шума), и задают скорость подачи нагрузки в зависимости от этой активности, после этого проводят нагружение, превышающее на 10-15% рабочую нагрузку, затем проводят нагружение до максимальной рабочей нагрузки с заданной скоростью подачи нагрузки, регистрируют сигналы акустической эмиссии этих этапов нагружения, проводят кластеризацию сигналов акустической эмиссии по коэффициенту взаимной корреляции сигналов, а остаточный ресурс металлических изделий определяют по формуле

,

где N - допустимое число циклов эксплуатации изделия; К_ин - коэффициент, учитывающий величину относительных напряжений в зоне локализации источника сигналов акустической эмиссии; F(E_Σ) - функциональная зависимость, отражающая влияние на долговечность изделия суммарной энергии сигналов акустической эмиссии в зоне локализации; P - доверительная вероятность безотказной работы изделия; α - корреляционный коэффициент, определяемый как

где k_cp - средний коэффициент корреляции между всеми сигналами источника; k_i,i+1 - коэффициент корреляции между двумя соседними по времени прихода сигналами от источника; m - общее число сигналов от источника; λ - коэффициент активности дефекта, определяемый по формуле

где K₁ - коэффициент, определяемый экспериментально по времени работы до разрушения; А_Δt - активность источника сигналов акустической эмиссии в интервале времени Δt; t_к - время окончания испытаний; A_max - максимальная активность источника за время испытаний; F(A_max) - нагрузка при максимальной активности источника; F_max - максимальная нагрузка за время испытания.

Поставленная задача решается также за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования остаточного ресурса металлических изделий, состоящее из 1…k каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора и входом аналого-цифрового преобразователя, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, устройство управления каналом, выход которого соединен с шиной компьютера, связанной с центральным процессором компьютера. Кроме того, согласно изобретению в каждый канал дополнительно введены узкополосные полосовые фильтры, аналоговые интеграторы, аналого-цифровые преобразователи частотных диапазонов, оперативное запоминающее устройство кода диапазонов, оперативное запоминающее устройство корреляционной матрицы, микропроцессор, таймер-счетчик временных интервалов, при этом в каждом канале выход основного усилителя соединен с 1…n входами узкополосных фильтров, выходы которых соединены с первыми входами 1…n аналоговых интеграторов, вторые входы которых объединены и соединены с первым выходом таймер-счетчика временных интервалов, а выходы 1…n аналоговых интеграторов соединены с первыми входами 1…n аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов, вторые входы которых объединены и соединены со вторым выходом таймер-счетчика временных интервалов и первым аналоговым входом микропроцессора, цифровые выходы аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов объединены и соединены с входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, а его выход двунаправленной шиной соединен со вторым входом микропроцессора, аналоговый выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, выход оперативного запоминающего устройства корреляционной матрицы двунаправленной шиной соединен с третьим входом микропроцессора, второй аналоговый выход которого соединен с входом таймер-счетчика временных интервалов, а выход аналого-цифрового преобразователя акустического сигнала шиной соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства акустического сигнала, второй вход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления каналом, а его третий вход двунаправленной шиной соединен с четвертым входом микропроцессора, первый выход устройства управления каналом соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства акустического сигнала, его второй выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора, выход которого соединен с четвертым входом устройства управления каналом.

Предлагаемое устройство по сравнению с существующими устройствами (Акустико-эмиссионный контроль авиационных конструкций /Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. и др./ Под ред. Л.Н.Степановой, А.Н.Серьезнова - М.: Машиностроение. 2008. - 440 с.) обладает рядом преимуществ, заключающихся в том, что микропроцессор, считывая из оперативного запоминающего устройства коды частотных диапазонов, может проводить предварительную фильтрацию сигналов акустической эмиссии. При этом исключаются сигналы, коды частотных диапазонов которых соответствуют помехам, а также повышается быстродействие устройства, так как помеховые сигналы не записываются и не обрабатываются центральным процессором компьютера. Кроме того, использование микропроцессора в устройстве позволяет проводить кластеризацию сигналов акустической эмиссии в реальном времени, рассчитывая коэффициенты корреляции кодов частотных диапазонов. Это повышает достоверность контроля и позволяет проводить оценку остаточного ресурса с более высоким быстродействием.

На приведенном чертеже представлена функциональная схема многоканального акустико-эмиссионного устройства для диагностирования остаточного ресурса металлических изделий.

Устройство, реализующее акустико-эмиссионный способ прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий, содержит:

1…k - каналы;

2 - акустический преобразователь;

3 - предварительный усилитель;

4 - полосовой фильтр;

5 - основной усилитель канала;

6 - аналоговый компаратор;

7 - аналого-цифровой преобразователь акустического канала;

8 - цифроаналоговый преобразователь;

9 - оперативное запоминающее устройство акустического сигнала;

10 - устройство управления каналом;

11 - интерфейсная шина PCI,

12 - центральный процессор компьютера;

13 - узкополосный полосовой фильтр;

14 - аналоговый интегратор;

15 - аналого-цифровой преобразователь сигналов частотных диапазонов;

16 - оперативное запоминающее устройство кода диапазонов;

17 - оперативное запоминающее устройство корреляционной матрицы;

18 - микропроцессор;

19 - таймер-счетчик временных интервалов.

Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:

1. Схема предварительного усилителя 3 приведена в книге (А.Н.Серьезнов, Л.Н.Степанова и др. /под ред. Л.Н.Степановой/ Акустико-эмиссионная диагностика конструкций - М.: Радио и связь, 2000, с.83, рис.3.3).

2. Аналоговый компаратор 6 собран на микросхеме LM311.

3. Полосовые фильтры 4 и 13 выполнены по двухзвенной схеме активных фильтров второго порядка на операционных усилителях МС33282 фирмы «Motorolla», пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.105, рис.3.9).

4. Аналоговые интеграторы 14 выполнены на операционных усилителях МС33282 фирмы «Motorolla», пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.94, рис.3.4).

5. Нормирующий усилитель канала 5 собран на операционном усилителе AD8138.

6. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8 собран на микросхемах AD7545 и МС33272.

7. Устройство управления каналом 10, таймер-счетчик временных интервалов 19 выполнены на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» EPF10K10TC.

8. Аналого-цифровой преобразователь акустического канал 7 выполнен на микросхеме AD9220, аналого-цифровые преобразователи сигналов частотных диапазонов 15 - на микросхемах AD7822 фирмы Analog Devices.

9. Оперативное запоминающее устройство акустического канала 9 и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) корреляционной матрицы 17 выполнено на микросхемах статического ОЗУ AS7C1026, оперативное запоминающее устройство кода диапазонов 16 выполнено на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» EPF10K10TC.

Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Motorolla, Altera (Motorolla - www.moto.com; фирмы ALTERA - www.altera.com; фирмы Analog Devices - www.ad.com, фирмы Burr-Brown Corporation - www.burr-brown.com).

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования остаточного ресурса металлических изделий, состоящее из 1…K каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, предварительного усилителя 3, фильтра 4, основного усилителя 5, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора 6 и входом аналогово-цифрового преобразователя 7, а также содержит цифроаналоговый преобразователь 8, оперативное запоминающее устройство 9, устройство управления каналом 10, выход которого соединен с шиной компьютера 11, связанной с центральным процессором 12. Кроме того, в каждый канал дополнительно введены узкополосные полосовые фильтры 13, аналоговые интеграторы 14, аналого-цифровые преобразователи сигналов частотных диапазонов 15, оперативное запоминающее устройство кода диапазонов 16, оперативное запоминающее устройство корреляционной матрицы 17, микропроцессор 18, таймер-счетчик временных интервалов 19. При этом в каждом канале выход основного усилителя 5 соединен с 1…n входами узкополосных фильтров 13, выходы которых соединены с первыми входами 1…n аналоговых компараторов 6, вторые входы которых объединены и соединены с первым выходом таймер-счетчика временных интервалов 19, а выходы 1…n аналоговых интеграторов 14 соединены с первыми входами 1…n аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов 15, вторые входы которых объединены и соединены со вторым выходом таймер-счетчика временных интервалов 19 и первым аналоговым входом микропроцессора 18, цифровые выходы аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов 15 объединены и соединены с входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов 16, а его выход двунаправленной шиной соединен со вторым входом микропроцессора 18, аналоговый выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов 16, выход оперативного запоминающего устройства корреляционной матрицы 17 двунаправленной шиной соединен с третьим входом микропроцессора 18, второй аналоговый выход которого соединен с входом таймер-счетчика временных интервалов 19, а выход аналого-цифрового преобразователя акустического канала 7 шиной соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства акустического сигнала 9, второй вход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления каналом 10, а его третий вход двунаправленной шиной соединен с четвертым входом микропроцессора 18, первый выход устройства управления каналом 10 соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства акустического сигнала 9, а его второй выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора 6, выход которого соединен с четвертым входом устройства управления каналом 10.

Предложенный способ и устройство работают следующим образом. На предварительной стадии из материала, из которого изготовлен объект диагностики, изготавливают не менее пяти плоских образцов для механических испытаний и проводят измерения параметров сигналов акустической эмиссии при их растяжении до разрушения. Из полученных результатов определяют корреляционную экспоненциальную зависимость суммарной энергии излучения источника от относительной величины нагрузки как:

,

где В и С - коэффициенты, полученные из эксперимента; - относительная величина максимальной испытательной нагрузки для каждого оцениваемого участка, приведенная к ее максимальному значению, полученному при разрушении.

Из этого соотношения выражается обратная зависимость F(E_Σ), используемая для дальнейших расчетов.

Изделие разбивают на n секторов, в зависимости от величины механических напряжений, возникающих под воздействием рабочей нагрузки и определенных на предварительной стадии экспериментально. Кроме того, на предварительной стадии определяют величину механических напряжений, возникающих в каждом секторе объекта, исходя из чего определяют коэффициент нагруженности каждого сектора за период времени между повторными испытаниями для продления ресурса К_ин:

,

где σ_-1 - предел выносливости материала; σ_р - рабочая нагрузка в секторе.

Перед началом испытаний устанавливают уровни порогов селекции аналоговых компараторов 6 каналов устройства выше уровня шумов и задают время измерения для одного сигнала. Для формирования напряжения порога селекции канала системы центральный процессор компьютера 12 через шину PCI 11 подает в устройство управления канала 10 команду записи порогового значения. При этом устройство управления каналом 10 по последовательной линии посылает код порогового напряжения в цифроаналоговый преобразователь 8, на выходе которого формируется пороговое напряжение. Пороговое напряжение поступает на инвертирующий вход аналогового компаратора 6. На неинвертирующий вход аналогового компаратора 6 поступает напряжение с выхода основного усилителя 5. Для записи в устройство управления каналом 10 значения времени измерения, центральный процессор компьютера 12 через шину PCI 11 подает в устройство управления каналом 10 команду записи значения времени измерения и код времени измерения. Для запуска процесса измерения акустических каналов компьютер через шину PCI 11 подает в устройство управления акустического канала 10 команду на запуск измерения. При этом счетчики времени в устройстве управления каналом 10 начинают синхронно по всем акустическим каналам отсчет общего времени эксперимента. Синхронизация работы счетчиков обеспечивается тактовой частотой шины PCI 11.

Нагружение проводится в три стадии. На первой стадии проводится нагружение до значения половины рабочей нагрузки. Затем определяется общая активность источников сигналов акустической эмиссии со всех диагностируемых участков объекта и для последующих нагружений задается скорость подачи нагрузки по формуле:

где F_I - величина нагрузки первого этапа; - средняя активность сигналов акустической эмиссии, полученная со всего объекта за время этого этапа.

Затем проводят второй этап нагружения до нагрузки, на 10…15% превышающей рабочую, и записывают сигналы, регистрируемые акустическими преобразователями 2. На последнем этапе объект нагружают до максимальной рабочей нагрузки с регистрацией сигналов акустической эмиссии акустическими преобразователями 2.

В процессе нагружения и контроля объектов возникают акустические сигналы, поступающие на вход акустического преобразователя 2. Затем электрические сигналы с выхода акустического преобразователя 2 поступают на предварительный усилитель 3, где усиливаются на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 сигналы поступают на вход полосового фильтра 4, обеспечивающего подавление паразитных сигналов за пределами полосы пропускания. С выхода фильтра 4 сигналы поступают на вход основного усилителя 5, где усиливаются до уровня, необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя акустического канала 7. Затем сигналы подаются на вход аналого-цифрового преобразователя акустического канала 7, где происходит дискретизация сигналов акустической эмиссии с частотой 4 МГц. Выходная шина аналого-цифрового преобразователя акустического канала 7 подключена к входу оперативного запоминающего устройства акустического сигнала 9, на котором организован циклический буфер для сохранения результатов измерений. Сигналы акустической эмиссии с выхода основного усилителя 5 одновременно поступают на неинвертирующие входы аналоговых компараторов 6 и на ходы узкополосных полосовых фильтров 13, настроенных на смежные полосы частот. При этом сигналы на выходах аналоговых интеграторов 14 по окончании интервала времени измерения пропорциональны энергии акустических сигналов в соответствующем частотном диапазоне. В случае превышения сигналом на входе порогового значения аналоговый компаратор 6 выдает сигнал на устройство управления каналом 10, запуская таймер-счетчик временных интервалов 19 и одновременно регистрируется время прихода сигнала в счетчике общего времени эксперимента. Также устройство управления каналом 10 подает сигнал превышения порога на микропроцессор 18, который дает команду запуска на таймер-счетчик временных интервалов 19, который обнуляет выходы аналоговых интеграторов 14. По окончании заданного интервала таймер-счетчик временных интервалов 19 подает на аналого-цифровой преобразователь частотных диапазонов 15 и в микропроцессор 18 команду измерения, по которой происходит аналого-цифровое преобразование напряжений с выходов аналоговых интеграторов 14 с записью цифровых кодов аналого-цифровых преобразователей 15 сигналов частотных диапазонов в оперативное запоминающее устройство кодов диапазонов 16. Следующим тактом таймер-счетчик временных интервалов 19 сбрасывает аналоговые интеграторы 14 для подготовки к записи следующего временного интервала. В то же время микропроцессор 18 считывает из оперативного запоминающего устройства кодов диапазонов 16 измеренные значения для расчета коэффициента корреляции сигналов. Таким же образом происходит запись значений кодов частотных диапазонов для следующих временных интервалов.

По окончании времени измерения устройство управления каналом 10 останавливает запись информации в оперативное запоминающее устройство акустического сигнала 9 и подает в микропроцессор 18 команду конца измерения. Микропроцессор 18, в свою очередь, останавливает таймер-счетчик временных интервалов 19. Затем устройство управления каналом 10 выставляет на шину PCI 11 сигнал прерывания, по которому центральный процессор компьютера 12 может считывать из оперативного запоминающего устройства акустического сигнала 9 через устройство управления каналом 10 дискретную реализацию сигнала акустической эмиссии. Также центральный процессор компьютера 12 через шину PCI 11 и устройство управления каналом 10 считывает значение времени прихода сигнала акустической эмиссии. По значениям кодов частотных диапазонов производится расчет коэффициентов корреляции между сигналами и запись его значения в оперативное запоминающее устройство корреляционной матрицы 17.

Таким образом, каждый сигнал представлен вместо полной формы сигнала акустической эмиссии кодами частотных диапазонов в нескольких временных интервалах, что делает возможным расчет коэффициентов корреляции в реальном масштабе времени. После окончания нагружения объекта контроля проводится локализация источников сигналов акустической эмиссии и считывание соответствующих коэффициентов корреляции.

После этого производится расчет остаточного ресурса с использованием корреляционных зависимостей сигналов акустической эмиссии по формуле:

,

где N - допустимое число циклов эксплуатации изделия; К_ин - коэффициент, учитывающий величину относительных напряжений в зоне локализации источника сигналов акустической эмиссии определенный на предварительной стадии; F(E_Σ) - функциональная зависимость, отражающая влияние на долговечность изделия суммарной энергии сигналов акустической эмиссии в зоне локализации, определенная на предварительной стадии испытаний; Р - доверительная вероятность безотказной работы изделия;

где k_cp - средний коэффициент корреляции между всеми сигналами источника; k_i,i+1 - коэффициент корреляции между двумя соседними по времени прихода сигналами от источника, m - общее число сигналов от источника;

где K₁ - коэффициент, определяемый экспериментально по времени работы до разрушения; A_Δt - активность источника сигналов акустической эмиссии в интервале времени Δt; t_к - время окончания испытаний; A_max - максимальная активность источника за время испытаний; F(A_max) - нагрузка, при которой зафиксирована максимальная активность источника в ходе акустико-эмиссионных испытаний; F_max - максимальная нагрузка за время акустико-эмиссионных испытания.

Использование в расчетах остаточного ресурса коэффициента корреляции позволяет более точно определять сигналы акустической эмиссии, относящиеся к данному источнику. Вычисление корреляционных зависимостей в системе на аппаратном уровне позволяет повысить быстродействие и более достоверно осуществлять вычисление остаточного ресурса нагружаемого металлического изделия. Использование кодовых частотных диапазонов позволило повысить качество фильтрации за счет цифровой обработки сигналов, а следовательно, исключать из процесса дальнейшей обработки помехи и паразитные сигналы.

Использование: для прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий. Сущность заключается в том, что изделие разбивают на n секторов, содержащих не менее трех акустических преобразователей, изделие нагружают, регистрируют сигналы акустической эмиссии, измеряют их параметры, осуществляют регистрацию времени прихода сигналов на акустические преобразователи и вычисление по ним координат развивающихся дефектов, отличается тем, что предварительно изделие нагружают до 0,5 значения рабочей нагрузки, при этом определяют максимальную активность сигналов, превышающих пороговый уровень U_пор>U_ш (где U_ш - уровень шума), и задают скорость подачи нагрузки в зависимости от этой активности, после этого проводят нагружение, превышающее на 10-15% рабочую нагрузку, затем проводят нагружение до максимальной рабочей нагрузки с заданной скоростью подачи нагрузки, регистрируют сигналы акустической эмиссии этих этапов нагружения, проводят кластеризацию сигналов акустической эмиссии по коэффициенту взаимной корреляции сигналов, а остаточный ресурс металлических изделий определяют по определенной математической формуле. Технический результат: повышение достоверности определения остаточного ресурса. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Акустико-эмиссионный способ прогнозирования остаточного ресурса металлических изделий, заключающийся в том, что изделие разбивают на n секторов, содержащих не менее трех акустических преобразователей, изделие нагружают, регистрируют сигналы акустической эмиссии, измеряют их параметры, осуществляют регистрацию времени прихода сигналов на акустические преобразователи и вычисление по ним координат развивающихся дефектов, отличающийся тем, что предварительно изделие нагружают до 0,5 значения рабочей нагрузки, при этом определяют максимальную активность сигналов, превышающих пороговый уровень U_пор>U_ш (где U_ш - уровень шума), и задают скорость подачи нагрузки в зависимости от этой активности, после этого проводят нагружение, превышающее на 10-15% рабочую нагрузку, затем проводят нагружение до максимальной рабочей нагрузки с заданной скоростью подачи нагрузки, регистрируют сигналы акустической эмиссии этих этапов нагружения, проводят кластеризацию сигналов акустической эмиссии по коэффициенту взаимной корреляции сигналов, а остаточный ресурс металлических изделий определяют по формуле
,
где N - допустимое число циклов эксплуатации изделия;
K_ин - коэффициент, учитывающий величину относительных напряжений в зоне локализации источника сигналов акустической эмиссии;
F(E_Σ) - функциональная зависимость, отражающая влияние на долговечность изделия суммарной энергии сигналов акустической эмиссии в зоне локализации;
P - доверительная вероятность безотказной работы изделия;
α - корреляционный коэффициент, определяемый как

где k_cp - средний коэффициент корреляции между всеми сигналами источника;
k_i,i+1 - коэффициент корреляции между двумя соседними по времени прихода сигналами от источника;
m - общее число сигналов от источника;
λ - коэффициент активности дефекта, определяемый по формуле

где K₁ - коэффициент, определяемый экспериментально по времени работы до разрушения;
A_Δt - активность источника сигналов акустической эмиссии в интервале времени Δt;
t_к - время окончания испытаний;
А_max - максимальная активность источника за время испытаний;
F(A_max) - нагрузка при максимальной активности источника;
F_max - максимальная нагрузка за время испытания.

2. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования остаточного ресурса металлических изделий, состоящее из 1…k каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора и входом аналого-цифрового преобразователя, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, устройство управления каналом, выход которого соединен с шиной компьютера, связанной с центральным процессором компьютера, отличающееся тем, что в каждый канал дополнительно введены узкополосные полосовые фильтры, аналоговые интеграторы, аналого-цифровые преобразователи частотных диапазонов, оперативное запоминающее устройство кода диапазонов, оперативное запоминающее устройство корреляционной матрицы, микропроцессор, таймер-счетчик временных интервалов, при этом в каждом канале выход основного усилителя соединен с 1…n входами узкополосных фильтров, выходы которых соединены с первыми входами 1…n аналоговых интеграторов, вторые входы которых объединены и соединены с первым выходом таймера-счетчика временных интервалов, а выходы 1…n аналоговых интеграторов соединены с первыми входами 1…n аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов, вторые входы которых объединены и соединены со вторым выходом таймера-счетчика временных интервалов и первым аналоговым входом микропроцессора, цифровые выходы аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов объединены и соединены с входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, а его выход двунаправленной шиной соединен со вторым входом микропроцессора, аналоговый выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, выход оперативного запоминающего устройства корреляционной матрицы двунаправленной шиной соединен с третьим входом микропроцессора, второй аналоговый выход которого соединен с входом таймера-счетчика временных интервалов, а выход аналого-цифрового преобразователя акустического канала шиной соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства акустического сигнала, второй вход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления каналом, а его третий вход двунаправленной шиной соединен с четвертым входом микропроцессора, первый выход устройства управления каналом соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства акустического сигнала, его второй выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора, выход которого соединен с четвертым входом устройства управления каналом.