КОНТРОЛЛЕР ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОХРАНЯЕМОСТИ ОБЪЕКТОВ СО СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ Российский патент 2018 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к устройствам, использующим бесконтактный способ контроля материала на основании данных от лазерного сканера поверхности, может быть использовано для создания устройств неразрушающего контроля материалов.

Известен патент РФ МПК G01N 29/04, №2232983 «Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство его осуществления». Данное устройство состоит из: импульсно-модулированного лазера, соединенного с оптическим волокном, торец которого направлен в сторону исследуемого твердого материала, и расположенный над поверхностью исследуемого твердого материала пьезоприемник, расширяющей линзы и акустически прозрачного распределенного оптико-акустического преобразователя, излучающего акустический сигнал со своих обеих поверхностей, и расположенного над поверхностью исследуемого материала, причем торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а пьезоприемник помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером. Принцип работы данного устройства заключается в генерации оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в среду исследуемого твердого материала и приеме пьезоприемником отраженного от исследуемого твердого материала акустического сигнала, при этом генерированный оптический импульс передается на преобразование в акустический сигнал через расширяющую линзу, а само преобразование осуществляется акустически прозрачным распределенным оптико-акустическим преобразователем, излучающим акустический сигнал со своих обеих поверхностей, первично сгенерированный опорный и отраженный от исследуемого твердого материала акустические сигналы принимают пьезоприемником, выполненным в виде решетки из локальных пьезоэлементов, расположенным либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, при этом сигнал, поступающий с пьезоприемника, на основании которого судят о наличии структурных неоднородностей в исследуемом твердом материале, обрабатывают в реальном масштабе времени.

Наиболее близким техническим решением является патент США: МПК G01R 31/02, 6528985 B1 "Non - destructive testing of passive components". Данное устройство состоит из объекта исследования, микрофона, запоминающего устройства, измерительного усилителя, фильтра, запоминающего устройства максимальной амплитуды сигнала, спектрального анализатора, компаратора и выходного интерфейса. Микрофон соединен с деталью и от микрофона идут связи на запоминающее устройство, измерительный усилитель и фильтр. Измерительный усилитель и фильтр связаны общей шиной с запоминающим устройством максимальной амплитуды сигнала и спектральным анализатором, запоминающее устройство максимальной амплитуды и спектральный анализатор связаны с компаратором, компаратор соединен с выходным интерфейсом.

Принцип работы устройства по патенту МПК G01R 31/02, 6528985 В1 следующий - с помощью микрофона снимаются параметры поверхности детали. Далее параметры поверхности пропускаются через измерительный усилитель и фильтр, параллельно этому эталонные параметры и данные о фильтрации подаются с запоминающего устройства. Параметры поверхности от фильтра и измерительного усилителя подаются на спектральный анализатор и запоминающее устройство максимальной амплитуды, где они проходят предобработку для анализа компаратором. Далее с устройства максимальной амплитуды сигнала и спектрального анализатора данные подаются на компаратор, который производит сравнительный анализ. После чего данные с компаратора подаются на выходной интерфейс, который выдает результат работы устройства.

Общий недостаток устройств, применяемых для анализа дефектоскопических и металлографических снимков в промышленности, в том, что в них применяют методы, которые не позволяют выполнить детальный разбор линейчатых по форме дефектов и всегда достоверно с заданной точностью определить геометрические характеристики дефектов. В связи с этим уровень автоматической обработки и анализа дефектоскопических изображений очень низок. Также нет возможности прогнозировать оставшийся ресурс детали.

Задача - разработка устройства неразрушающего контроля материала, способного прогнозировать долговечность материала.

Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение точности диагностических показателей контроля дефектов материала и определение геометрических характеристик дефектов.

Технический результат достигается тем, что в контроллере оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью, содержащем фильтр, запоминающее устройство, компаратор, выходной интерфейс, второй выход компаратора связан со вторым входом выходного интерфейса, дополнительно введены лазерный сканер, аналого-цифровой преобразователь, входной интерфейс, при этом выход лазерного сканера связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со вторым входом фильтра, первый выход входного интерфейса связан с первым входом фильтра, второй выход входного интерфейса связан с первым входом запоминающего устройства, первый выход фильтра связан с третьим входом запоминающего устройства, второй выход фильтра связан со вторым входом компаратора, первый выход запоминающего устройства связан с первым входом выходного интерфейса, второй выход запоминающего устройства связан с первым входом компаратора, первый выход компаратора связан со вторым входом запоминающего устройства.

Повышение точности диагностических показателей контроля и прогнозирование долговечности материала достигается тем, что в контроллер оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью введены лазерный сканер, аналого-цифровой преобразователь, входной интерфейс, модифицирован принцип работы запоминающего устройства, а также введены соответствующие связи.

В качестве исследуемого объекта может выступать широкий класс структурно неоднородных материалов: поликристаллические металлы и сплавы, металлокерамические композиты, пористые керамики, материалы с покрытиями и сварными соединениями и др.

Лазерный сканер предназначен для сканирования поверхности объекта исследования и получения изображения поверхности на микро-, мезо- и наноуровнях, для определения геометрических размеров дефектов, при этом количество изображений поверхности задается оператором. Диапазон волн должен быть соизмерим с шириной дефекта на разных уровнях. Диапазон представлен в таблице №1.

Аналого-цифровой преобразователь предназначен для преобразования аналогового сигнала лазерного сканера в цифровой.

Фильтр предназначен для фильтрации шумов в изображениях поверхности объекта исследования.

Запоминающее устройство предназначено для хранения информации об отсканированных исследуемых объектах и поиску исследуемого объекта по присвоенному оператором номеру.

Входной интерфейс предназначен для ввода информации о новом исследуемом объекте или ввода информации о повторном сканировании.

Компаратор предназначен для сравнения текущего состояния объекта исследования и первоначального, а также для прогнозирования оставшегося ресурса.

Выходной интерфейс предназначен для вывода информации от компаратора или запоминающего устройства.

Таким образом, совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, позволяет достигнуть поставленную задачу.

На фиг. 1 изображена схема контроллера оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью.

Контроллер оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью состоит из нескольких структурных компонентов: лазерного сканера 1, аналого-цифрового преобразователя 2, фильтра 3, запоминающего устройства 4, входного интерфейса 5, компаратора 6, выходного интерфейса 7.

Также в системе присутствуют следующие связи - выход лазерного сканера 1 и вход аналого-цифрового преобразователя 2 соединены по связи 8, выход аналого-цифрового преобразователя 2 и второй вход фильтра 3 соединены по связи 9, первый выход входного интерфейса 5 соединен с первым входом фильтра 3 по связи 10, второй выход входного интерфейса 5 соединен с первым входом запоминающего устройства 4 по связи 11, запоминающее устройство 4 соединено первым выходом с первым входом выходного интерфейса 7 по связи 12 и вторым выходом с первым входом компаратора 6 по связи 13. Фильтр 3 соединен первым выходом с третьим входом запоминающего устройства 4 по связи 15 и вторым выходом со вторым входом компаратора 6 по связи 16, выход компаратора 6 соединен со вторым входом выходного интерфейса 7 по связи 17.

Контроллер оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью работает следующим образом:

I.) В случае подвода нового исследуемого объекта (для формирования базы данных изображений объектов исследования для последующего сравнения и прогнозирования долговечности):

1. К контроллеру оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью подводится объект исследования, который сканируется лазерным сканером 1.

2. Полученные данные с лазерного сканера 1 передаются по сигналу 8 на аналого-цифровой преобразователь 2, в котором преобразуется аналоговый выходной сигнал лазерного сканера 1 в цифровой формат.

3. После обработки информации аналого-цифровой преобразователь 2 передает данные об исследуемом объекте по сигналу 9 в фильтр 3, который производит очистку сканированного изображения от зашумлений.

4. Фильтр 3 передает обработанное изображение в запоминающее устройство 4 по сигналу 15, которое сохраняет изображение исследуемого объекта. Также с входного интерфейса 5 по сигналу 11 в запоминающее устройство 4 вводится номер исследуемого объекта (номер исследуемого объекта может присваиваться в автоматическом режиме). Таким образом, формируют базу данных изображений различных объектов исследования.

II.) В случае повторного подвода объекта исследования для обнаружения изменений в структуре материала:

1. С входного интерфейса 5 на запоминающее устройство 4 передается сигнал 11 о повторном подводе исследуемого объекта, содержащий информацию о номере исследуемого объекта (если нет номера, то по связи 11 подается сигнал об автоматическом поиске похожего изображения).

2. К устройству подводится исследуемый объект, который сканируют лазерным сканером 1.

3. Полученные данные (изображения поверхности) с лазерного сканера 1 передаются по сигналу 8 на аналого-цифровой преобразователь 2, в котором преобразуется аналоговый выходной сигнал лазерного сканера 1 в цифровой формат.

4. С аналого-цифрового преобразователя 2 подается сигнал 9 на фильтр 3 для фильтрации зашумлений.

5. Фильтр 3, очистив изображения от шумов, передает обработанное изображение в компаратор 6 по сигналу 16.

6.а. Запоминающее устройство 4, получив сигнал 11 от входного интерфейса 5 о поиске изображения, производит поиск изображения по номеру. После нахождения изображения данные о нем передаются по сигналу 13 на компаратор 6. Если изображение не найдено по номеру, то выдается сигнал 12 на выходной интерфейс 7 об отсутствии изображения запрашиваемого объекта исследования.

6.b. Если на запоминающее устройство 4 подан сигнал об автоматическом поиске похожего изображения объекта исследования, то запоминающее устройство 4 производит поиск изображений объектов исследования, идентичных с заданной погрешностью (погрешность задается оператором) изображениям, переданным от компаратора 6 по связи 14. При этом вначале запоминающее устройство 4 подает сигнал 13 на компаратор 6 о запросе изображений объекта исследования, которые необходимо искать, а затем компаратор 6 передает по сигналу 14 в запоминающее устройство изображения поверхности текущего объекта исследования. После нахождения изображения данные о нем передаются по сигналу 13 на компаратор 6. Если изображение не найдено по номеру, то выдается сигнал 12 на выходной интерфейс 7 об отсутствии запрашиваемого изображения.

7. Компаратор 6, получив сигнал 16 от фильтра 3 и сигнал 13 от запоминающего устройства 4, сравнивает два изображения путем математической обработки изображений. Формула расчета остаточного ресурса:

где n⁰ - вектор текущего значения количества дефектов на каждом масштабном уровне; - исходное значение вектора количества дефектов на соответствующих уровнях материала объекта исследования; I - единичный вектор; n_* - вектор предельного количества дефектов, при котором дальнейшая эксплуатация объекта исследования невозможна (рассчитывается и вводится экспертом). После расчета компаратор 6 передает данные расчета по связи 17 на выходное устройство 7.

На фиг. 2 представлено изображение поверхности конструкционной стали, полученное с помощью электронного микроскопа, увеличенное в 100 раз.

На фиг. 3 представлено изображение, полученное с помощью контроллера оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью.

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам бесконтактной дефектоскопии. Контроллер оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью содержит фильтр, запоминающее устройство, компаратор, выходной интерфейс. Второй выход компаратора связан со вторым входом выходного интерфейса, дополнительно в него введены лазерный сканер, аналого-цифровой преобразователь, входной интерфейс. Выход лазерного сканера связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со вторым входом фильтра, первый выход входного интерфейса связан с первым входом фильтра, второй выход входного интерфейса связан с первым входом запоминающего устройства, первый выход фильтра связан с третьим входом запоминающего устройства, второй выход фильтра связан со вторым входом компаратора, первый выход запоминающего устройства связан с первым входом выходного интерфейса, второй выход запоминающего устройства связан с первым входом компаратора, первый выход компаратора связан со вторым входом запоминающего устройства. Технический результат - повышение точности диагностических показателей контроля дефектов материала и определение геометрических характеристик дефектов. 3 ил., 1 табл.

Контроллер оценки и прогнозирования сохраняемости объектов со структурной неоднородностью, содержащий фильтр, запоминающее устройство, компаратор, выходной интерфейс, второй выход компаратора связан со вторым входом выходного интерфейса, отличающийся тем, что в него введены лазерный сканер, аналого-цифровой преобразователь, входной интерфейс, при этом выход лазерного сканера связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя связан со вторым входом фильтра, первый выход входного интерфейса связан с первым входом фильтра, второй выход входного интерфейса связан с первым входом запоминающего устройства, первый выход фильтра связан с третьим входом запоминающего устройства, второй выход фильтра связан со вторым входом компаратора, первый выход запоминающего устройства связан с первым входом выходного интерфейса, второй выход запоминающего устройства связан с первым входом компаратора, первый выход компаратора связан со вторым входом запоминающего устройства.