СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлических конструкций с использованием метода акустической эмиссии.

Известен способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции, включающий установку n акустических преобразователей на конструкции, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат источника сигналов акустической эмиссии. Кроме того, в зону, ограниченную пьезоантенной, устанавливается акустический преобразователь имитатора, а расчет времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, составляющие пьезоантенну, производится по отфильтрованным с использованием вейвлет-фильтрации сигналам, рассчитывается погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора, подбираются пороговые значения по амплитуде коэффициентов для вейвлет-фильтрации, при которых погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора принимает минимальное значение, изменяется частотный диапазон вейвлет-фильтрации до тех пор, пока погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора не примет минимальное значение, после чего металлическая конструкция нагружается, а по полученным параметрам вейвлет-фильтрации производится фильтрация сигналов акустической эмиссии и определение их координат (Пат. РФ №2 356 043, МПК G01N 29/14 приоритет от 27.06.2007 г., БИ №14, 2009 г.), принятый за аналог.

К числу основных недостатков данного способа следует отнести большой объем необходимых вычислений. Кроме того, способ вариации частотного диапазона вейвлет-фильтрации применим только при условии использования широкополосных акустических преобразователей. Также следует учитывать, что вейвлет-фильтрация изменяет форму регистрируемого сигнала акустической эмиссии, в связи с чем невозможно полностью исключить риск подавления таких «дополнительных» (по отношению к имеющей наибольшую зарегистрированную амплитуду) частотных составляющих сигнала, которые могут содержать важную информацию о типе источника сигналов акустической эмиссии.

Известно 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, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, компаратор, оперативное запоминающее устройство, шину компьютера, последовательно соединенные коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходом фильтров каналов. Кроме того, в устройстве выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу первого цифрового мультиплексора, управляющий вход которого соединен и первым выходом устройства управления, выходы первого цифрового мультиплексора подключены к двум оперативным запоминающим устройствам, выходы которых соединены с входами второго цифрового мультиплексора, а управляющие входы оперативных запоминающих устройств объединены и подключены ко второму выходу устройства управления, третий выход устройства управления подключен к управляющему входу второго цифрового мультиплексора, а в каждом канале выход пикового детектора соединен с неинвертирующим входом компаратора, а к инвертирующему входу компаратора каждого канала подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей объединены и соединены с первым выходом микропроцессора, выходы компараторов соединены с входами микропроцессора, шина ввода-вывода которого соединена с первой шиной ввода-вывода устройства управления, вторая шина ввода-вывода устройства управления объединена с выходной шиной второго мультиплексора и соединена с шиной компьютера (Пат. РФ №2300761, МПК G01N 29/04, приоритет от 21.10.2004, Бюл. №16. 2007), принятый за аналог.

К числу недостатков данного устройства следует отнести низкое быстродействие при обработке сигналов, так как обработка осуществляется в центральном процессоре компьютера. За счет этого временные затраты по пересылке информации возрастают. Кроме того, в данном устройстве практически невозможно аппаратно определять основные параметры сигналов акустической эмиссии и осуществлять дальнейшую фильтрацию сигналов по этим параметрам.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции, включающий установку n акустических преобразователей, образующих пьезоантенну, на конструкцию и акустического преобразователя имитатора в зону, ограниченную пьезоантенной, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат дефектов. Кроме того, после установки пьезоантенны осуществляется калибровка конструкции для определения оптимальной длительности двух временных «окон» по минимальному разбросу времен прихода, затем с датчика имитатора снимается напряжение и конструкция нагружается, а времена прихода сигналов акустической эмиссии на датчики пьезоантенны определяются по максимальному значению отношения энергии сигнала во втором временном «окне» к энергии сигнала в первом временном «окне» (Пат. РФ №2 633 002, МПК G01N 29/14, приоритет от 04.07.2016, БИ №29, 2017), принятый за прототип.

К числу недостатков данного способа следует отнести необходимость применения датчика-имитатора при калибровке объекта контроля для определения времени прихода сигнала акустической эмиссии на датчик, что увеличивает время контроля. Кроме того, в способе, принятом за прототип, фильтрация осуществляется по амплитуде, поэтому помимо полезных сигналов акустической эмиссии регистрируются помехи, амплитуда которых больше порогового значения. Это приводит к снижению достоверности записанной информации и точности локации дефектов.

Наиболее близким по технической сущности является 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 и предварительного усилителя, а также фильтра верхних частот, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, цифрового мультиплексора, оперативного запоминающего устройства, шины PCI, центрального процессора компьютера, генератора калибровочных импульсов, двух ключей, 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, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с фильтром верхних частот, а вторые выходы двухпозиционных ключей каналов объединены и соединены с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации, в управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены со вторым выходом устройства управления режимом синхронизации. Кроме того, оно снабжено фильтрами верхних и нижних частот, цифровым сигнальным процессором, устройством управления режимом канала, причем, первый вход фильтра верхних частот соединен с первым выходом двухпозиционного ключа, а второй вход фильтра верхних частот соединен с первым выходом устройства управления режимом канала, выход фильтра верхних частот соединен с первым входом фильтра нижних частот, второй вход фильтра нижних частот соединен со вторым выходом устройства управления режимом канала, выход фильтра нижних частот соединен с первым входом основного программируемого усилителя, второй вход которого соединен с третьим выходом устройства управления режимом канала, выход основного программируемого усилителя соединен с неинвертирующим входом компаратора и входом аналого-цифрового преобразователя, инвертирующий вход компаратора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход цифроаналогового преобразователя соединен с четвертым выходом устройства управления режимом канала, выход компаратора соединен с первыми входами оперативного запоминающего устройства и цифрового сигнального процессора, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен шиной со вторым входом оперативного запоминающего устройства, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом цифрового сигнального процессора, первый выход которого соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства, третьи входы цифровых сигнальных процессоров каналов блока объединены и соединены с третьим выходом устройства управления режимом синхронизации, цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен двунаправленной шиной со входом цифрового мультиплексора для данного канала, второй цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен шиной с цифровым входом устройства управления режимом канала, выход цифрового мультиплексора двунаправленной шиной соединен с шиной PCI, которая соединена с цифровым входом устройства управления синхронизации и входом центрального процессора одноплатного промышленного компьютера, выход которого двунаправленной шиной соединен с сетью Ethernet, которая подключена к главному компьютеру (Пат. РФ №2396557, G01N 29/14, от 10.08.2010, приоритет от 16.12.2008), принятый за прототип.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности аппаратного определения времен прихода сигналов акустической эмиссии на датчики пьезоантенны. Данная операция осуществляется в главном компьютере после передачи в него оцифрованной формы сигналов акустической эмиссии с устройства. Кроме того, запись сигналов акустической эмиссии и шумов выполняется при превышении ими амплитуд установленного порогового значения. Это снижает помехоустойчивость устройства, и приводит к записи шумов.

При разработке заявляемого способа определения координат источников сигналов акустической эмиссии и устройства для его осуществления была поставлена задача повышения достоверности и точности локации дефектов при акустико-эмиссионном контроле.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции, включающем установку n акустических преобразователей, образующих пьезоантенну, калибровку конструкции, регистрацию сигналов акустической эмиссии каждым измерительным каналом, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат дефектов. Кроме того, при калибровке конструкции осуществляется определение порогового значения двухинтервального коэффициента, регистрация сигнала акустической эмиссии производится в момент превышения порогового уровня двухинтервального коэффициента в одном из каналов пьезоантенны, при этом определяется его максимальное значение, а определение времени прихода сигналов на группу каналов, образующих пьезоантенну, осуществляется при условии: , где Δt - разность времен распространения сигнала акустической эмиссии, мкс; 2R - диаметр области контроля, м; С - скорость звука, м/с, после чего производится расчет координат дефектов.

Поставленная задача решается также за счет того, что устройство для реализации способа по п. 1, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, усилителя, фильтров верхних и нижних частот, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства, цифрового сигнального процессора, центрального процессора компьютера, генератора калибровочных импульсов, двух ключей, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного переключателя, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, при этом первый выход двухпозиционного переключателя соединен с первым входом фильтра верхних частот, а вторые выходы двухпозиционных переключателей каналов объединены и соединены с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации, а управляющие входы двухпозиционных переключателей объединены и соединены со вторым выходом устройства управления режимом синхронизации, а первый цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен со входом устройства управления режимом работы канала, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра верхних частот, второй выход устройства управления режимом работы канала соединен со вторым входом фильтра нижних частот, третий выход устройства управления режимом работы канала соединен со вторым входом основного программируемого усилителя. Кроме того, согласно изобретению, оно снабжено блоком расчета двухинтервального коэффициента, шиной данных, логической схемой ИЛИ, при этом цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента, второй цифровой вход которого соединен с входом цифрового сигнального процессора, цифровой выход блока расчета двухинтервального коэффициента соединен с первым цифровым входом оперативного запоминающего устройства, а каждый аналоговый выход соединен с соответствующими входами логической схемы ИЛИ, выход которой соединен с четвертым аналоговым входом устройства управления, цифровой выход оперативного запоминающего устройства связан с цифровым входом цифрового сигнального процессора двунаправленной цифровой шиной, выход которого двунаправленной цифровой шиной связан с шиной данных, которая соединена с устройством управления, третий аналоговый выход устройства управления соединен с аналоговыми входами блока расчета двухинтервального коэффициента, оперативного запоминающего устройства и цифрового сигнального процессора.

В блоке расчета двухинтервального коэффициента, первый цифровой вход соединен с ячейками буфера памяти оперативного запоминающего устройства ОЗУ1, выход каждой ячейки соединен с первым входом каждого из четырех регистров отсчета Рг, второй вход каждого регистра соединен с выходом регистра хранения кода среднего значения РгС измерений аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен со вторым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента, выходы регистров Рг1 и Рг65 соединены с первыми входами сумматоров См1, См2, выходы регистров Рг64, Рг128 соединены со вторыми входами сумматоров См1, См2, выходы сумматоров См1 и См2 соединены с первым и вторым входами делителя кодов сумм Д, первый вход компаратора К соединен с выходом регистра хранения кода порога двухинтервального коэффициента РгП, вход которого соединен со вторым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента, выход делителя кодов сумм Д соединен со вторым входом цифрового компаратора кодов К и первым цифровым входом блока определения максимума двухинтервального коэффициента со счетчиком номера отсчета М, выход компаратора К соединен с входом логической схемы ИЛИ, второй вход блока определения максимума двухинтервального коэффициента со счетчиком номера отсчета М соединен с выходом логической схемы ИЛИ, цифровой выход которого соединен с входом цифрового сигнального процессора.

Предлагаемая система по сравнению с существующими акустико-эмиссионными системами (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. и др. Акустико-эмиссионный контроль авиационных конструкций - / под ред. Л.Н. Степановой, А.Н. Серьезнова - М.: Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2008 - 440 с.) позволяет снизить влияние шумов на достоверность определения времени прихода сигнала акустической эмиссии на акустические датчики и повысить точность локации сигналов акустической эмиссии.

На фиг. 1 представлена схема подключения предварительных усилителей и акустических преобразователей к блоку обработки информации, на фиг. 2 - функциональная схема многоканальной акустико-эмиссионной системы, на фиг. 3 - функциональная схема цифрового блока расчета двухинтервального коэффициента, на фиг. 4 - график зависимости изменения амплитуды сигналов акустической эмиссии и двухинтервального коэффициента от времени.

Устройство, реализующее способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии (фиг. 2), содержит:

1 - измерительный блок;

2 - акустический преобразователь;

3 - предварительный усилитель;

4 - фильтр верхних частот;

5 - фильтр нижних частот;

6 - основной программируемый усилитель;

7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

9 - цифровой сигнальный процессор;

10 - центральный процессор компьютера;

11 - генератор калибровочных импульсов;

12, 13 - ключи для переключения режима работы предварительного усилителя;

14 - двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием»;

15 - устройство управления режимом синхронизации;

16 - устройство управления режимом работы канала;

17 - блок расчета двухинтервального коэффициента;

18 - шина данных;

19 - логическая схема ИЛИ.

20 - контроллер сети Ethernet;

21 - сеть Ethernet.

Блок расчета двухинтервального коэффициента (фиг. 3) содержит:

22 - регистр РгС хранения кода среднего значения измерений аналого-цифрового преобразователя;

23 - ячейка 1 буфера памяти с адресом 1;

24 - ячейка 64 буфера памяти с адресом 64;

25 - ячейка 65 буфера памяти с адресом 65;

26 - ячейка 128 буфера памяти с адресом 128;

27 - регистр Рг1 отсчета 1 первого «окна»;

28 - регистр Рг64 отсчета 64 первого «окна»;

29 - регистр Рг65 отсчета 1 второго «окна»;

30 - регистр Рг128 отсчета 64 второго «окна»;

31 - регистр РгП хранения кода порога двухинтервального коэффициента;

32 - сумматор См1 кодов отсчетов первого «окна»;

33 - сумматор См2 кодов отсчетов второго «окна»;

34 - делитель Д кодов сумм;

35 - цифровой компаратор К кодов;

36 - блок определения максимума М двухинтервального коэффициента со счетчиком номера отсчета.

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

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

2. Фильтры верхних и нижних частот реализуются на динамически программируемых аналоговых сигнальных процессорах типа AN231E04. Пример их реализации приведен на сайте www.anadigm.com.

3. Цифровой сигнальный процессор выполнен на микросхеме фирмы «Analog Devices» ADSP-BF537.

4. Устройство управления, выполнено на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» семейства Cyclone V - 5CEBA4F17C8N.

5. Аналого-цифровой преобразователь акустического канала выполнен на микросхеме AD9649 фирмы «Analog Devices».

6. Оперативное запоминающее устройство выполнено на микросхемах статического ОЗУ AS7C1026.

7. Одноплатный промышленный компьютер выполнен на основе платы фирмы «Fastwel» CPU686EC-104 в стандарте РС/104.

8. Генератор калибровочных импульсов 7 собран по схеме, приведенной в книге (А.Н. Серьезное, Л.Н. Степанова, В.В. Муравьев и др. Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии / под редакцией Л.Н. Степановой, В.В. Муравьева. - М.: Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2004, с. 56, рис 3.6).

9. Блок расчета двухинтервального коэффициента выполнен на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» семейства Cyclone V - 5CEBA4F17C8N.

Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Motorolla, Altera, Texas Instruments (Motorolla - www.moto.com; фирмы ALTERA - www.altera.com; фирмы Analog Devices - www.ad.com, фирмы Texas Instruments - www.ti.com, www.anadigm.com, www.prosoft.ru).

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, усилителя 3, фильтров верхних 4 и нижних 5 частот, программируемого основного усилителя 6, аналого-цифрового преобразователя 7, оперативного запоминающего устройства 8, цифрового сигнального процессора 9, центрального процессора компьютера 10, генератора калибровочных импульсов 11, двух ключей 12, 13, причем первый вход первого ключа 12 соединен с выходом акустического преобразователя 2, а второй вход первого ключа 12 соединен со вторым входом второго ключа 13 и входом двухпозиционного переключателя 14, первый вход второго ключа 13 соединен с выходом предварительного усилителя 3, при этом первый выход двухпозиционного переключателя 14 соединен с первым входом фильтра верхних частот 4, а вторые выходы двухпозиционных переключателей 14 каналов объединены и соединены с выходом генератора калибровочных импульсов 11, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации 15, а управляющие входы двухпозиционных переключателей 14 объединены и соединены со вторым выходом устройства управления режимом синхронизации 15, а первый цифровой выход цифрового сигнального процессора 9 соединен со входом устройства управления режимом работы канала 16, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра верхних частот 4, второй выход устройства управления режимом работы канала соединен со вторым входом фильтра нижних частот 5, третий выход устройства управления режимом работы канала 16 соединен со вторым входом основного программируемого усилителя 6, блок расчета двухинтервального коэффициента 17, шину данных 18, логическую схему ИЛИ 19, причем, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 7 соединен с первым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента 17, второй цифровой вход которого соединен двунаправленной шиной с входом цифрового сигнального процессора 9, цифровой выход блока расчета двухинтервального коэффициента 17 соединен с первым цифровым входом оперативного запоминающего устройства 8, а каждый аналоговый выход (Y1-Y4) блока расчета двухинтервального коэффициента 17 соединен с соответствующими входами логической схемы ИЛИ 19, цифровой выход оперативного запоминающего устройства 8 связан с цифровым входом цифрового сигнального процессора 9 двунаправленной цифровой шиной, выход которого двунаправленной цифровой шиной связан с шиной данных 18, которая соединена с устройством управления режимом синхронизации 15, третий аналоговый выход которого соединен с аналоговыми входами блока расчета двухинтервального коэффициента 17, оперативного запоминающего устройства 8 и цифрового сигнального процессора 9, выход логической схемы ИЛИ 19 соединен с четвертым аналоговым входом устройства управления режимом синхронизации 15.

В устройстве для реализации способа определения координат источников сигналов акустической эмиссии соединение четырехканальных измерительных блоков осуществляется сетью Ethernet 21. При этом счетчики времени каждого блока синхронизируются с точностью до 1⋅10^-6 сек.

Акустико-эмиссионное устройство позволяет реализовать следующие режимы работы:

- режим калибровки с имитатором;

- режим отстройки от шумов;

- прием дискретных сигналов акустической эмиссии при превышении ими порогового уровня двухинтервального коэффициента.

Устройство для осуществления способа определения координат источников сигналов акустической эмиссии работает следующим образом.

Вначале производится тестирование конструкции, состоящее в измерении скорости звука и определении разности времен прихода сигнала на акустические преобразователи 2 и порогового значения двухинтервального коэффициента 17, а также отстройки от шумов. На испытываемый объект устанавливаются акустические преобразователи 2 и воспроизводится штатный режим работы без испытательного нагружения. Тестирование конструкции осуществляют с использованием режима калибровки. При этом выбранный измерительный канал блока переводится в режим имитатора сигналов акустической эмиссии. Для этого подается команда от центрального процессора компьютера 10 через устройство управления режимом синхронизации 15. На двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14 соответствующего канала подается сигнал, отключающий питание с предварительного усилителя 3, а на его вход подключается выход генератора калибровочных импульсов 11. При этом ключи 12, 13 предварительного усилителя 3 переключаются в режим имитатора, при котором ключ 12 замкнут, а ключ 13 - разомкнут. Затем подается команда от центрального процессора компьютера 10 через устройство управления 15 на запуск генератора калибровочных импульсов 11. Высоковольтный импульс через двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14 поступает на предварительный усилитель 3 и через замкнутые контакты ключа 12 - на вход акустического преобразователя 2. При этом остальные каналы устройства работают в режиме приема сигналов акустической эмиссии. Далее все каналы устройства поочередно переключаются в режим имитатора, и производится полная калибровка зон контроля по временам распространения сигналов и по качеству установки акустических преобразователей на объекте контроля.

Перед началом работы в блок расчета двухинтервального коэффициента и времен прихода 17 записываются значения кодов пороговых двухинтервальных коэффициентов и кодов средних значений измерений аналого-цифрового преобразователя 7. Запись осуществляется при подаче команды от центрального процессора компьютера 10 через устройство управления 15 и шину данных 18 в цифровой сигнальный процессор 9. Цифровой сигнальный процессор 9 передает код порогового двухинтервального коэффициента и код среднего значения в блок расчета двухинтервального коэффициента 17. Затем устанавливается режим работы аналоговой части канала и определяется коэффициент усиления основного программируемого усилителя 6, частоты среза фильтров верхних 4 и нижних 5 частот. Для этого подаются команды от центрального процессора компьютера 10 через устройство управления 15 и шину данных 18 в цифровой сигнальный процессор 9.

Цифровой сигнальный процессор 9 записывает в устройство управления режимом канала 16 соответствующие коды управления. Затем в счетчик числа отсчетов, находящийся в оперативном запоминающем устройстве 8, который является счетчиком адреса, записывается код, соответствующий времени записи оцифрованного сигнала и равный количеству записанных отсчетов аналого-цифрового преобразователя 7. После этого подается команда разрешения от цифрового сигнального процессора 9 в оперативное запоминающее устройство 8 на запись кодов результатов измерений аналого-цифрового преобразователя 7.

Шумовой электрический сигнал регистрируется акустическими преобразователями 2 и с их выхода поступает на вход предварительного усилителя 3, где он усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 через замкнутый ключ 13 и двухпозиционный переключатель режима 14 «имитатор-прием», находящийся в режиме приема, сигнал поступает на последовательно включенные управляемые фильтры верхних 4 и нижних 5 частот. С выхода фильтра нижних частот 5 сигнал поступает на вход основного программируемого усилителя 6. В основном усилителе 6 сигнал усиливается до необходимого уровня и затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7, где происходит дискретизация аналогового шумового сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 7 цифровой код через блок расчета двухинтервального коэффициента 17 поступает на вход оперативного запоминающего устройства 8, где он запоминается. Цифровой сигнальный процессор 9 в каждом канале непрерывно считывает из оперативного запоминающего устройства 8 измерительную информацию, производит ее обработку (спектральный анализ) и если в спектре появляются шумовые сигналы, то изменяет полосу пропускания канала, управляя фильтрами низких 5 и верхних 4 частот через устройство управления режимом канала 16. В случае высокого уровня шума цифровой сигнальный процессор 9 уменьшает коэффициент усиления основного программируемого усилителя 6. Таким образом, после тестовой процедуры, устройство готово к проведению испытательного нагружения с максимальным подавлением паразитных шумов. Кроме того, после тестовой процедуры цифровой сигнальный процессор 9 в каждом канале рассчитывает среднее значение кодов измерения аналого-цифрового преобразователя 7 для работы блока расчета двухинтервального коэффициента 17. Информация о настройках каналов и средние измеренные значения кодов аналого-цифровых преобразователей 7 считываются по шине данных 18, через устройство управления 15 в центральный процессор компьютера 10.

При нагружении объекта контроля акустический сигнал преобразуется акустическим преобразователем 2 в электрический сигнал, поступающий на вход предварительного усилителя 3, где он усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 через замкнутый ключ 13 и двухпозиционный переключатель режима «имитатор-прием» 14, находящийся в режиме приема, сигнал поступает на последовательно включенные управляемые фильтры верхних 4 и нижних 5 частот, которые выполняют фильтрацию помех и шумов. С выхода фильтра нижних частот 5 сигнал поступает на вход основного программируемого усилителя 6 с изменяемым коэффициентом усиления, где он усиливается до необходимого уровня и затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7, осуществляющего дискретизацию аналогового сигнала и преобразование его в цифровой эквивалент. С выхода аналого-цифрового преобразователя 7 цифровой код поступает на вход блока расчета двухинтервального коэффициента 17 и далее проходит в оперативное запоминающее устройство 8, где он запоминается.

В блоке расчета двухинтервального коэффициента 17 в цифровом виде осуществляется расчет текущего значения двухинтервального коэффициента. При превышении величины порогового уровня, записанного в регистре кода порога двухинтервального коэффициента, на выходе Y1 блока 17 появляется сигнал высокого логического уровня, который поступает на логическую схему ИЛИ 19. Если хотя бы в одном из четырех каналов блока будет превышен порог двухинтервального коэффициента, то на выходе логической схемы ИЛИ 19 появляется сигнал высокого логического уровня, поступающий на вход устройства управления 15. По этому сигналу устройство управления 15 формирует управляющий сигнал в оперативном запоминающем устройстве 8, по которому запускается таймер времени отсечки (счетчик адреса), и по окончании этого времени запись кодов аналого-цифрового преобразователя 7 в оперативное запоминающее устройство 8 останавливается. По сигналу превышения порога селекции сбрасывается счетчик номера отсчета в блоке расчета двухинтервального коэффициента и времен прихода 17, а в устройстве управления 15, по сигналу превышения порога регистрируется общее для всех четырехканальных блоков время прихода первого сигнала.

После окончания времени измерения цифровой сигнальный процессор 9 получает возможность считывать предварительно записанную в оперативном запоминающем устройстве 8 измерительную информацию. Для определения времени прихода акустических сигналов цифровой сигнальный процессор 9 считывает с выхода блока расчета двухинтервального коэффициента 17 код времени прихода сигнала относительно времени превышения порога.

Определение времен прихода сигналов на группу каналов, образующих пьезоантенну, осуществляется при условии:

где Δt_доп - допустимое время распространения сигнала акустической эмиссии в области контроля, мкс; 2R - диаметр области контроля, м; С - скорость звука м/с.

Полученные разности времен прихода Δt сигналов акустической эмиссии цифровой сигнальный процессор 9 записывает в устройство управления 15, где производится их сравнение с допустимыми значениями, определяемыми по формуле (1).

Если значения разностей времен прихода находятся в допускаемом интервале, то информация о сигнале акустической эмиссии записывается в контроллер сети Ethernet 20, а далее по сети Ethernet 21 - в центральный процессор компьютера 10, где производится расчет координат источника сигналов акустической эмиссии. Готовность к приему следующих сигналов определяет устройство управления 15, считывая значения выходных сигналов логической схемы ИЛИ 19. Как только на выходе логической схемы ИЛИ 19 появится сигнал низкого логического уровня заранее заданной определенной длительности, то устройство управления 15 выдаст в оперативное запоминающее устройство 9 сигнал, по которому разрешается запись информации. При этом устройство готово к приему следующего сигнала. При этом центральный процессор компьютера 10 через равные интервалы времени генерирует широковещательные синхронизирующие пакеты данных, а каждый измерительный блок при получении такого пакета сбрасывает внутренний счетчик времени и регистрирует номер синхронизирующего пакета. Полученные данные о временах прихода акустических сигналов центральный процессор компьютера 10 использует для расчета координат дефектов с использованием данных режима калибровки. Цифровые сигнальные процессоры 9 каждого канала измерительного блока, кроме управления режимом работы канала, обрабатывают зарегистрированные сигналы с целью отнесения их к группе сигналов, зарегистрированных до этого момента от того же источника акустической эмиссии, методом сравнения цифровой формы и параметров сигнала. Для этого необходимо реализовать алгоритмы обработки сигналов с использованием методов вейвлет-анализа (Степанова Л.Н., Серьезнов А.Н., Кабанов С.И., Рамазанов И.С Использование вейвлет-преобразований для локации сигналов акустической эмиссии // Контроль. Диагностика, 2017, №10, С. 18-26). При выполнении быстрого вейвлет-преобразования выбирается его уровень, содержащий максимальный коэффициент вейвлет-детализации:

где d_max - максимальный коэффициент вейвлет-детализации; j_max - номер уровня вейвлет-разложения, на котором найден максимальный коэффициент вейвлет-детализации; i_max - его индекс, соответствующий времени; d_i,j 0<i<N^(j); j≤K - детализирующие коэффициенты уровня j; N^(j) - длина вектора коэффициентов вейвлет-детализации уровня j; K - параметр максимального уровня вейвлет-преобразования, ограниченный условием:

K≤log₂N,

где N - число отсчетов в оцифрованной форме сигнала акустической эмиссии.

Порядок работы блока расчета двухинтервального коэффициента 17 состоит в следующем. Двухинтервальный коэффициент рассчитывается как отношение сумм модулей амплитуды сигналов в двух смежных временных «окнах»:

где A(t-Т) - параметр модуля амплитуды, характеризующий энергию сигнала в первом временном «окне», в момент прихода сигнала, соответствующем его предыстории; A(t) - параметр модуля амплитуды, характеризующий энергию сигнала во втором временном «окне» в момент прихода сигнала, соответствующем его переднему фронту (Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии / Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др.; Под ред. Л.Н. Степановой, В.В. Муравьева - М.: Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2004, стр. 86-87).

Для этого в предлагаемом способе рассчитывается двухинтервальный коэффициент, что достигается включением в устройство блока расчета двухинтервального коэффициента, шины данных, логической схемы ИЛИ. При увеличении уровня шума в процессе испытаний компаратор системы срабатывает при определении порога по напряжению. Однако двухинтервальный коэффициент при этом не изменится, так как уровень шума добавляется в оба «окна» и их отношение остается неизменным. В результате этого шумовые сигналы не регистрируются и не будет значительного влияния шума на определение момента прихода сигнала акустической эмиссии, а, следовательно, повысится точность определения координат дефектов.

Зависимость величины двухинтервального коэффициента от времени для двух последовательно зарегистрированных сигналов акустической эмиссии, где два максимума соответствуют времени прихода сигнала акустической эмиссии, вычисляется в блоке расчета двухинтервального коэффициента 17 по номеру отсчета формирования указанных максимумов (см. фиг. 4). Пороговый уровень значения двухинтервального коэффициента, при превышении которого на выходе компаратора К 35 (фиг. 3) формируется высокий логический уровень, инициирует начало регистрации очередного сигнала акустической эмиссии. Падение значения двухинтервального коэффициента до уровня ниже порогового происходит задолго до уменьшения амплитуды сигнала (фиг. 4) и обеспечивает готовность устройства к записи очередного сигнала непосредственно после окончания времени измерения текущего сигнала.

Расчет параметра модуля амплитуды A(t) по цифровой форме сигнала производится по формуле:

где ω_d - частота дискретизации сигнала акустической эмиссии; u_i - отсчеты цифровой формы сигнала акустической эмиссии.

При использовании быстрого вейвлет-преобразования с одновременным поиском уровня j_max, содержащего максимальный коэффициент вейвлет-детализации, рассчитываемый по формуле (2), расчет параметра модуля амплитуды A(t) производится по формуле:

где ceil[t] - операция вычисления ближайшего целого, большего или равного времени t; - начало временного «окна» вычисления двухинтервального коэффициента по уровню вейвлет-разложения с номером j_max, соответствующий времени t; - окончание временного «окна», соответствующего времени (t+T); - детализирующие коэффициенты уровня вейвлет-разложения j_max, вычисляемого из формулы (2).

Поскольку для расчета коэффициентов вейвлет-детализации используется свертка исходного сигнала акустической эмиссии с нормированным цифровым фильтром, вид зависимости величины двухинтервального коэффициента K(t) от времени и его максимальное значение практически не изменяется в зависимости от выбора типа расчета по формулам (4) или (5).

За время прихода сигнала принимается время, когда значение двухинтервального коэффициента K(t), рассчитываемого по формуле (3), максимально.

Код аналого-цифрового преобразователя представляет собой 14-разрядное беззнаковое двоичное число. Для расчета двухинтервального коэффициента среднее значение кодов аналого-цифрового преобразователя в сигнале должно быть равно нулю, поэтому для корректного расчета необходимо считать сумму положительных отклонений кода аналого-цифрового преобразователя от среднего значения. Перед началом измерений в регистр РгС 22 записывается код среднего значения. Для уменьшения числа операций суммирования к текущему значению суммы прибавляется код аналого-цифрового преобразователя начала временного «окна», и вычитается из текущего значения суммы код аналого-цифрового преобразователя конца временного «окна». Таким образом, за две операции сложения, получаем значение суммы. Код аналого-цифрового преобразователя записывается в ячейки оперативного запоминающего устройства: ячейка 1 (24) - начало первого временного «окна»; ячейка 64 (24) - конец первого временного «окна»; ячейка 65 (25) - начало второго временного «окна»; ячейка 128 (26) - конец второго временного «окна».

Коды аналого-цифрового преобразователя из ячеек оперативного запоминающего устройства переписываются в соответствующие регистры: Рг1 (27), Рг64 (28), Рг65 (29), Рг128 (30), где производится операция вычитания среднего значения кода, хранящегося в регистре РгС (22). Причем в регистрах Рг64 (28), Рг128 (30) формируется отрицательное значение отклонения от среднего, а в регистрах Рг1 (27), Рг65 (29) - положительное значение отклонения от среднего. Коды с выходов регистров поступают на сумматоры См1 (32), См2 (33), в которых производится расчет суммы кодов аналого-цифрового преобразователя в соответствующих «окнах». С выхода сумматоров коды, соответствующие суммам отклонений от среднего в двух временных «окнах», поступают на входы делителя Д (34), где производится деление кодов путем двоичного сдвига и сравнения. Код результата деления с выхода делителя Д (34) поступает на вход цифрового компаратора К (35). На другой вход компаратора (35) с выхода регистра порога РгП (31) поступает код двухинтервального порога. Если текущее значение двухинтервального коэффициента больше порогового значения, то на выходе компаратора К (35) формируется высокий логический уровень.

В блоке расчета максимума М (36) двухинтервального коэффициента K(t), определяемого из формулы (3), регистрируется его значение с номером отсчета, при котором он зарегистрирован. Сброс счетчика номера отсчета для всех каналов происходит, когда на выходе логической схемы ИЛИ 19 появляется сигнал высокого логического уровня. Значения номеров отсчетов, на которых зарегистрирован максимум двухинтервального коэффициента в качестве времени прихода, устанавливаются на выходе блока расчета двухинтервального коэффициента 17. После окончания времени измерения цифровые сигнальные процессоры 9 каналов считывают информацию о временах прихода и записывают ее в устройство управления 15. В этом устройстве проверяется условие из уравнения (1). Если оно выполняется, то информация о принятых сигналах считывается из цифровых сигнальных процессоров 9 каналов в центральный процессор компьютера 10 через устройство управления 15 и контроллер сети Ethernet 20 по сети Ethernet 21.

Предложенная схема устройства по сравнению с аналогичными устройствами обладает более высоким быстродействием и помехозащищенностью, так как измерительная информация не вся передается в центральный процессор по шине, а предварительно обрабатывается внутри блока с учетом допустимых разностей времен прихода сигналов. При этом минимизируются временные затраты на передачу данных. Увеличение помехозащищенности связано с алгоритмом определения превышения порогового уровня по двухинтервальному коэффициенту, так как при повышении шума двухинтервальный коэффициент не изменяется. Достоверность контроля повышается за счет улучшенной фильтрации паразитных сигналов и возможностью внутри блока классифицировать сигналы по степени опасности.

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлических конструкций с использованием метода акустической эмиссии. Способ включает установку n акустических преобразователей, образующих пьезоантенну, калибровку конструкции, регистрацию сигналов акустической эмиссии каждым измерительным каналом, определение скорости распространения сигналов и разности их времен прихода на акустические преобразователи и вычисление по ним координат дефектов. При калибровке конструкции определяется пороговое значение двухинтервального коэффициента, регистрация сигнала производится в момент превышения порогового уровня двухинтервальным коэффициентом в одном из каналов пьезоантенны, определяется его максимальное значение, а время прихода сигналов на группу каналов, образующих пьезоантенну, осуществляется при условии: , где Δt - разность времен распространения сигнала акустической эмиссии, мкс; 2R - диаметр области контроля, м; С - скорость звука, м/с, после чего производят расчет координат дефектов. Устройство для определения координат источников сигналов акустической эмиссии дополнительно содержит блок расчета двухинтервального коэффициента, шину данных, логическую схему ИЛИ. Технический результат заключается в повышении достоверности и точности локализации дефектов при акустико-эмиссионном контроле. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции, включающий установку n акустических преобразователей, образующих пьезоантенну, калибровку конструкции, регистрацию сигналов акустической эмиссии каждым измерительным каналом, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат дефектов, отличающийся тем, что при калибровке конструкции осуществляется определение порогового значения двухинтервального коэффициента, регистрация сигнала акустической эмиссии производится в момент превышения порогового уровня двухинтервального коэффициента в одном из каналов пьезоантенны, при этом определяется его максимальное значение, а определение времени прихода сигналов на группу каналов, образующих пьезоантенну, осуществляется при условии: , где

Δt - разность времен распространения сигнала акустической эмиссии, мкс;

2R - диаметр области контроля, м;

С - скорость звука, м/с,

после чего производится расчет координат дефектов.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, усилителя, фильтров верхних и нижних частот, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства, цифрового сигнального процессора, центрального процессора компьютера, генератора калибровочных импульсов, двух ключей, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного переключателя, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, при этом первый выход двухпозиционного переключателя соединен с первым входом фильтра верхних частот, а вторые выходы двухпозиционных переключателей каналов объединены и соединены с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления режимом синхронизации, а управляющие входы двухпозиционных переключателей объединены и соединены со вторым выходом устройства управления режимом синхронизации, а первый цифровой выход цифрового сигнального процессора соединен со входом устройства управления режимом работы канала, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра верхних частот, второй выход устройства управления режимом работы канала соединен со вторым входом фильтра нижних частот, третий выход устройства управления режимом работы канала соединен со вторым входом основного программируемого усилителя, отличающееся тем, что оно снабжено блоком расчета двухинтервального коэффициента, шиной данных, логической схемой ИЛИ, при этом цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента, второй цифровой вход которого соединен с входом цифрового сигнального процессора, цифровой выход блока расчета двухинтервального коэффициента соединен с первым цифровым входом оперативного запоминающего устройства, а каждый аналоговый выход соединен с соответствующими входами логической схемы ИЛИ, выход которой соединен с четвертым аналоговым входом устройства управления, цифровой выход оперативного запоминающего устройства связан с цифровым входом цифрового сигнального процессора двунаправленной цифровой шиной, выход которого двунаправленной цифровой шиной связан с шиной данных, которая соединена с устройством управления, третий аналоговый выход устройства управления соединен с аналоговыми входами блока расчета двухинтервального коэффициента, оперативного запоминающего устройства и цифрового сигнального процессора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в блоке расчета двухинтервального коэффициента, первый цифровой вход соединен с ячейками буфера памяти оперативного запоминающего устройства ОЗУ1, выход каждой ячейки соединен с первым входом каждого из четырех регистров отсчета Рг, второй вход каждого регистра соединен с выходом регистра хранения кода среднего значения РгС измерений аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен со вторым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента, выходы регистров Рг1 и Рг65 соединены с первыми входами сумматоров См1, См2, выходы регистров Рг64, Рг128 соединены со вторыми входами сумматоров См1, См2, выходы сумматоров См1 и См2 соединены с первым и вторым входами делителя кодов сумм Д, первый вход компаратора К соединен с выходом регистра хранения кода порога двухинтервального коэффициента РгП, вход которого соединен со вторым цифровым входом блока расчета двухинтервального коэффициента, выход делителя кодов сумм Д соединен со вторым входом цифрового компаратора кодов К и первым цифровым входом блока определения максимума двухинтервального коэффициента со счетчиком номера отсчета М, выход компаратора К соединен с входом логической схемы ИЛИ, второй вход блока определения максимума двухинтервального коэффициента со счетчиком номера отсчета М соединен с выходом логической схемы ИЛИ, цифровой выход которого соединен с входом цифрового сигнального процессора.