Устройство контроля качества изделий Советский патент 1987 года по МПК G01N29/04 

1

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при прочностных испытаниях материалов и конструкций и при диагностике механического состояния изделий В процессе эксплуатации,

Цель изобретения - повьшение достоверности контроля з.а счет учета непрерывно следующих сигналов акустической эмиссии.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства контроля качества изделий; на фиг. 2 - эпюры сигналов, иллюстрирующие независимость времени достижения видеоимпульсом своего максимального значения от амплитуды возмущающего воздействия на фиг. 3- 5 - эпюры сигналов, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь 1, усилитель 2, формирователь 3 огибающей и первый компаратор 4, последовательно соединенные блок 5 выделения экстремума, первый формирователь 6 импульсов и триггер 7, второй компаратор 8, первый вход которого соединен с выходом усилителя 2, реверсивный счетчик 9, блок 10 измерения скорости счгта, суммирующий вход которого объединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 9, и регистратор 11 амплитуды. Вход блока 5 выделения экстремума соединен с выходом формирователя 3 огибающей, а выход первого компаратора 4 соединен с входом Сброс триггера 7.

Устройство также содержит синхронизатор 12, выход которого соединен с входом стробирования блока 10 измерения скорости счета, первую схему ИЛИ 13, последовательно соединённые первый масштабный усилитель 14, третий компаратор 15, второй формирователь 16 импульсов и первый блок 17 задержки, последовательно соединенные второй масштабный усилитель 18, четвертый компаратор 19, третий формирователь 20 импульсов , и второй блок 21 задержки, последова тельно соединенные третий масштабный усилитель 22, пятый компаратор 23, четвертьй формирователь 24 импульсов и третий блок 25 задержки.

Выходы первого 17, второго 21 и третьего 25 блокоп задержки соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим вхо,п-чми первой схемы ИЛИ

10

50606

13,выход которой соедир1ен с вычитающими входами блока 10 измерения скорости счета и реверсивного счетчика 9.

5 Устройство содержит также первый электронный ключ 26, управляющий вход которого соединен с выходами триггера 7 и синхронизатора 12, а информационный вход соединен с выходом формирователя 3 огибающей, первую схему НЕ 27, входом соединенную с выходом синхронизатора 12, второй электронный ключ 28, управляющим входом соединенный с выходом первой схемы НЕ 27i а информационным входом - с выходом формирователя 3 огибающей, первый операционный .усилитель 29, первым входом соединенный с выхода первого электронного ключа и объединенный с входами первого

14,второго 18 и третьего 22 масштабных усилителей, подключенные к выходу первого операционного усилителя 29 последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь 30, первую схему И 31, вторую схему ИЛИ 32 и генератор 33 импульсов, выход которого соединен с четвертым входом первого элемента

15

20

25

30

ИЛИ 13, подключенный к выходу второго электронного ключа 28 второй операционный усилитель 34, второй вход которого объединен с пороговыми входами компараторов 4, В, 15, 19

и 23 и с вторым входом первого операционного усилителя 29 и предназначен для подключения к источнику опорного напряжения Uj,n подключенные к выходу второго операционного усилителя

34 последовательно соединенные второй аналого-цифровой преобразователь 35 и вторую схему И 36, выход которой подключен к второму входу второй схемы ИЛИ 32, вторую схему НЕ 37,

Выход первого аналого-цифрового преобразователя 30 соединен с входом регистратора 11 амплитуды, выход первой схемы НЕ 27 - с вторыми входами первой 31 и второй 36 схем И,

а третий вход последней объединен с входами второй схемы НЕ 37.и соединен с выходом первого компаратора 4. Выход второй схемы НЕ 37 соединен с третьим входом первой схемы И 31,

а вьрсод второго компаратора 8 - с

суммирующим входом реверсивного счетчика 9.

Устройство работает .следующим образом.

J 1

Если iia пьезопреобраэователь 1 воздействует одиночный импульс акустической эмиссии (АЭ) (фиг. 2а), отклик пьезопреобразователя на данное возмущение имеет вид, изображенный на фиг. 26. Время у с момента возникновения электрического сигнала пьезопреобразователя до момента достижения огибающей этого сигнала максимума (фиг. 2в) для данного датчика постоянно и не зависит от амплитуды возмущающего воздействия.

В этом случае амплитуда огибающей в любой точке от нуля до макмимума описывается выражением

U(t) ), (1)

где и - максимальная амплитудй огибающей сигнала; сИ - параметр, определяемый

конструкцией пьезопреобразователя.

Если на вход устройства воздействуют сигналы АЭ, частота следования которых соизмерима с резонансной частотой пьезопреобразователя Г (фиг. За), отклик пьезопреобразователя имеет вид, приведенный на фиг. 36. Второй и третий сигналы АЭ вызывают дальнейшее увеличение амплитуды колебаний. В этом случае устройство работает следующим образом.

Сигнал снимается с пьезопреобразователя 1 и усиливается усилителем 2. На выходе формирователя 3 огибающей появляется сигнал, изображенный на фиг. 3г. При превьшении огиб.аю- щей сигнала АЭ порогового уровня напряжения первый компаратор 4 вырабатывает положительный потенциал (фиг. За), который поступает на вход Сброс триггера 7 и разрещает его работу в счетном режиме. Блок 5 выделения экстремума совместно с первым формирователем 6 формирует пря- моугольньй нормированный по амплитуде и длительнос ти импульс (фиг. Зд) , который переводит триггер 7 в единичное состояние (фиг. -Зи) .

Одновременно открывается первый электронный ключ 26 и сигнал с выхода формирователя 3 огибающей, равный по амплитуде максимальному значению огибающей, поступает на входы первого 14, второго 18 и третьего 22 масщтабных усилителей. Коэффици 5(36()С)4

ешы П(: редачп первого 14, второго 18 и третьего 22 масштабных усилителей определяются по формулам соответственно

К„ К,

к.

l-e- - S

l-e- . -eft.

(2) (3) (4)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Таким образом, на выходах первого 14, второго 18 и третьего 22 масштабных усилителей уровни сигналов равны амплитудам первого, второго и третьего колебаний пьезопреобразователя 1 соответственно. Сигналы с выхода усилителя 2 поступают на первый вход компаратора 8 и при превьшении порога дискриминации уже в импульсной форме поступают на суммирующие входы реверсивного счетчика 9 и блока 10 измерения скорости счета (фиг. Зв).

.Если амплитуда первого колебания (фиг. 36) меньше установленного порога дискриминации U, на суммирующие входы реверсивного счетчика 9 и блока. 10 измерения скорости счета

цо достижения огибающей сигнала АЭ максимума поступит пять импульсов. В момент достижения максимума сраба- . тывают четвертый 19 и пятый 23 компараторы, выходные импульсы которых, сформированные по амплитуде и длительности третьим 20 и четвертым 24 формирователями, поступают на входы второго 21 и третьего 25 блоков задержек .

Времена задержек выбираются неодинаковыми, чтобы разделить во времени импульсы третьего 20 и четвертого 24 формирователей (фиг. Зе, ж), которые через первую схему ИЛИ 13 поступают на вычитающие входы реверсивного счетчика 9 и блока 10 измерения скорости счета. В данном случае через первую схему ИЛИ 13 пройдут два импульса и в реверсивном счетчике 9 и блока 10 измерения скорости счета зафиксируется три импульса, но на их суммирующие входы начинают поступать импульсы, соответствующие уменьшающимся по амплитуде колебаниям пьезоэлектрического преобразователя 1.

Время полного затухания колебаний, а следовательно, и их количест5

во для данного пьезопреобразователя определяется амплитудой входного возмущения. Таким образом, каждой амплитуде входного возмущения можно привести в соответствие количество экспоненциально затухающих колебаний пьезопреобразователя. Сигнал, соответствующий максимуму огибающей в момент достижения этого максимума, поступает на первый операционный усилитель 29, на выходе которого фор мируется разность меж,п;у абсолютными значениями максимума огибающей-и уровня порогового напряжения U . Чем меньше эта разность, тем меньше экспоненциально затухающих колебаний вызовет срабатывания второго компаратора 8, тем меньше импульсов посту пит на суммирующие входы реверсного счетчика 9 и блока 10 измерения скорости счета.

Экспериментально устанавливается зависимость количества затухающих колебаний от этой разности и через первый аналого-цифровой преобразователь 30 осуществляется управление количеством выработанных генератором 33 импульсов, которые через первую схему ИЛИ 13 поступают на вычитающие входы реверсивного счетчика 9 и блока 10 измерения скорости счета, т.е. количество импульсов генератора 33 равно количеству экспоненциально затухающих колебаний пьезопреобразователя .

Информация с выхода первого аналого-цифрового преобразователя 30 поступает также на регистратор 11 амплитуды, который В цифровой форме регистрирует уровень превышения сигналом АЭ установленного порога дискриминации. Первая схема И 31 пропускает информацию, записанную в первом аналого-цифровом преобразователе 30, через вторую схему ИЛИ 32 на вход генератора 33 при условии, что на втором и третьем ее входах присутствуют логические единицы. Это условие выполняется во время пересечения огибающей сигнала АЭ порогового уровня дискриминации при условии, что триггер 7 находится в нулевом состоянии.

Таким .образом, в момент времени t( генератор 33 вырабатывает серию импульсов (фиг. Зк), количество которых равно количеству экспоненциально затухающих колебаний сигнала, снимаемого с пьезопреобразователя 1

10

506066

Эти импульсы и импульсы, снимаемые с блоков 21 и 25 задержки, являются вычитаемыми. Следовательно, реверсивный счетчик 9 и блок 10 измерения

5 скорости счета зафиксируют реальное количество импульсов АЭ. В приведенном примере их количество равно трем. На фиг. 3л изображено количество зафиксированных импульсов после окончания измерения.

Возможен случай, когда на вход устройства воздействуют, например, два сигнала АЭ (фиг. Аа) таким образом, что отклик пьезопреобразова теля 1 соответствует приведенному

на фиг. 4б. В данном случае количество экспоненциально затухающих колебаний после первого максимума меньше по сравнению с их количеством

20 при одиночном возмущении той же амплитуды.

Следовательно, в данном случае для того, чтобы генератор 33 выработал правильное количество импульсов, необходимо учитывать уровень огибающей сигнала A, (фиг. 4в) при вы- делении второго экстремума. Для этого огибающая сигнала A3 поступает на информационный вход второго элек тронного ключа 28, который открывается в момент сброса триггера 7 в нулевое состояние (фиг. 4 д).. Это может произойти или при срабатывании первого компаратора 4 (при уменьшении

35 уровня огибающей ниже порога срабатывания), или при выработке блоком 5 выделения экстремума и первьгм мирователем 6 импульса, соответствующего по времени второму экстремуму

40 (фиг. 4 г), так как триггер 7 работает в счетном режиме (первый импульс переводит его в единичное состояние, второй - в нулевое).

Если второй электронный ключ 28

45 откроется при срабатывании первого компаратора 4, на выходе второго операционного усилителя 34 сигнал будет отрицательным, так как пороговое напряжение будет больше уровня оги-

50 бающей. При этом на выходе второго аналого-цифрового преобразователя 35 будут нули, которые через открытую в данном случае вторую схему И 36 и вторую схему ИЛИ 32 поступают

gg на вход генератора 33, который не вырабатывает ни одного импульса для вычитания.

Если второй электронный ключ 28 откроется в момент второго экстрему7

ма, сигнал Dp на выходе второго операционного усилителя 34 будет равен разности между уровнем огибают щей в момент перехода через минимум и пороговым напряжением U (фиг. 2в) Чем больше эта разность, тем меньшее количество импульсов вычитания нужно выработать генератору 33,

На выходе второго аналого-цифрового преобразователя 35 информация в цифровом коде (число) обратно пропорциональна входному напряжению. Таким образом, фактически осуществляется автоматическое слежение за разностью .величин, и ив зависимости от этой разницы генератор 33 вырабатывает разное количество вычитаемых импульсов, В данном случае после первого максимума это количество равно двум (фиг, 4 е), В остальном работа устройства аналогична описанному выше.

Возможен случай, когда на вход устройства поступают импульсы АЭ (фиг, 5а)- и отклик пьезопреобразова- теля 1 имеет вид, приведенный на фиг, 56, т,е, сигнал на выходе пьезо преобразователя 1, а следовательно, и усилителя 2 какое-то конечное время представляет собой незатухающие колебания, И в этом случае работа устройства аналогична описанному выше. На фиг, 5в приведено истинное количество зарегистрированных импульсов. Положение этих импульсов на временной оси не соответствует времени.их прихода на реверсивньй счетчик 9 и блок 10 измерения скорое ти счета. Из фиг, 5в видно, что истинное количество актов АЭ фиксируется в вьшеуказанньгх регистрирующих приборах после момента времени t, который определяется временем выработки генератором 33 нужного количества импульсов вычитания.

Время t может быть достаточно мало при большой частоте импульсов генератора 33, но необходимо учитывать тот факт, что измерение скорости счета и суммарного счета АЭ осуществляется не в реальном масштабе времени. При измерении суммарного счета АЭ это обстоятельство несущественно, а при измерении скорости счета АЭ оно может внести значительную погрешность в результат измерения Скорость счета АЭ - это отношение суммарного счета АЭ к интервалу вре20

506068

мени наблюдения, В качестве интервала времени наблюдения чаще всего принимается одна секунда (фиг, 5г).

В интервале времени t происходит сброс счетчика, входящего в состав блока 10 измерения скорости счета, в нулевое состояние. При сопоставлении фиг, 5а и 5г видно, что в течение

.Q первой секунды происходит накапливание числа в счетчике (счетчик зарегистрирует семь импульсов), а в течение второй секунды счетчик зарегистрирует восьмой и девятый импульс сы, после чего на его вычитающий вход поступят импульсы, количество которых равно числу экспоненциально затухающих колебаний. Следовательно, в течение второй секунды измерение скорости счета будет произведено .с ошибкой.

Для уменьшения данной погрешности измерения в устройстве используется синхронизатор 12, который искусствен25 но затягивает сброс счетчика, входящего в состав блока 10 измерения скорости счета, до момента времени t, если по истечении одной секунды на его входе присутствует высокий потенциал, т,е, огибающая сигнала АЭ вьше порога амплитудной дискриминации Uf, (фиг, 5д) , Так„ осуществляется работа синхронизатора при условии, что 4t «: Т,

Когда отклик пьезопреобразовате 5 ля представляет собой незатухающие колебания в течение времени, соизмеримого с одной секундой (например, сигналы АЭ, генерируемые истекающей жидкостью при образовании течи), описанный режим работы синхронизатора 12 может привести к большой разнице интервалов времени наблюдения, что недопустимо. Поэтому, если в течение одной миллисекунды после дости- жения огибающей сигнала АЭ максимума потенци.1л на входе синхронизатора отличён от нуля (длительность импульса триггера 7 больше одной миллисекунды) , синхронизатор 12 вьщает раз решение на сброс счетчика - блока 10 измерения скорости счета. Значение времени одна миллисекунда принято условно и может быть изменено в зависимости от конструкции и материала

5 конкретных контролируемых изделий.

Таким образом, за счет введеАш в устройство новых элементов обеспечивается измерение суммарного счета.

40

45

скорости счета и амплитуды tienpepiiiB- ной АЭ. Следовательно, многие критические с точки зрения прочности контролируемого изделия ситуации, возникающие при испытаниях или эксплуатации изделий и сопровождающиеся лавинообразным нарастанием количества дефектов или их размеров, что соответствует возникновению непрерывной АЭ, могут быть своевременно предотвращены, а достоверность контроля в устройстве существенно повышается.

Формула-изобретения

Устройство контроля качества изделий, содержащее последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, усилитель, формирователь огибающей и первый компаратор, последовательно соединенные блок выделения экстремума, первьй формирователь импульсов и триггер, второй компаратор, первый вход которо- го соединен с выходом усилителя, реверсивный счетчик, блок измерения скорости счета, суммирующий вход которого объединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, и регистратор амплитуды, йход блока выделения экстремума соединен с выходом формирователя огибающей, а выход первого компаратора соединен с входом Сброс триггера, отличающееся тем, что, с целью повы- щения достоверности контроля, оно снабжено синхронизатором, выход которого соединен с входом стробирова- ния блока измерения скоррсти счета, первой схемой ИЛИ, последовательно соединенными первым масщтабным усилителем, третьим компаратором, вторым формирователем импульсов и первым блоком задержки, последовательно соединенными вторым масштабным усилителем, четвертым компаратором, третьим формирователем импульсов и вторым блоком задержки, последовательно соединенными третьим масштабным усилителем, пятым компаратором, четвертым формирователем импульсов и третьи блоком задержки, выходы первого, второго и третьего блоков заде.ржки сое

5

0

5

0

5

0

5

0

динерны соочпетг пи. HHt-i : IICJIUHIM, mo- рым и третьим нхоламн перпон схемы ИЛИ, а ее выход соединен с вычитающими входами блока измерения скорости счета и реверсивного счетчика, первым электронным ключом, управляющий вход которого соединен с выходами триггера и синхронизатора, а информационный вход соединен с выходом формирователя огибающей, первой схемой НЕ, входом соединенной с выходом синхронизатора, вторым электронным ключом, управляющим входом соединенным с выходом первой схемы НЕ, а информационным входом - с вы ходом формирователя огибающей, первым операционным усилителем, первым входом соединенным с выходом первого электронного ключа и объединенным с входами первого, второго и третьего масштабных усилителей, подключенными к выходу первого операционного усилителя последовательно соединенными первым аналогоцифровым преобразователем, первой схемой И, второй схемой ИЛИ и генератором импульсов , выход которого соединен с четвертым входом первого элемента ИЛИ, подключенным к выходу второго электронного ключа вторым операционным усилителем, второй вход которого объединен с пороговыми входами всех компараторов и с вторым входом первого операционного усилителя и предназначен для подключения к источнику опорного напряжения, подключенными к выходу второго операционного усилителя последовательно соединенными вторым аналого-цифровым преобразователем и второй схемой И, выход которой подключен к второму входу второй схемы ИЛИ, второй схемой НЕ выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с входом регистратора амплитуды, выход первой схемы НЕ соединен с вторыми входами первой и второй схем И, а третий вход последней объединен с входом второй схемы НЕ и соединен с выходом первого компаратора, выход второй схемы НЕ соединен с третьим входом первой схемы И, а выход второго компаратора соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика.

сриг.З

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при прочностных испытаниях материалов и конструкций и при диагностике механического состояния изделий в процессе эксплуатации. Цель изобретения - повышение достоверности контроля за счет учета непрерывно следукнцих сигналов акустической эмиссии. В устройстве анализируется форма огибающей серии сигналов акустической эмиссии, выделяемой формирователем 3, и с помощью реверсивного счетчика 9, блока 10 измерения скорости счета и генератора 33 импульсов определяется число импульсов акустической эмиссии, образовавших серию непрерывно следующих сигналов. 5 ил. (/) СО СП О а о о: