Устройство для акустико-эмиссионного контроля Советский патент 1989 года по МПК G01N29/04 

lu о со

4

4;

О)

Изобретение относится к технике неразрушаюцего контроля и может быть использовано для определения разви.ваюЕщхся дефектов и трещин в материалах и массивах горных пород. Цель изобретения - повьшение достоверно сти контроля за счет уменьшения погрешностей, связанных с переходными процессами. Это достигается за счет выбора коэффициента усиления усилителя 3 в соответствии с динамическим диапазоном сигнала путем задания определенной длительности выходного импульса одновибратора 11, введения периодического режима работы аналого- цифрового преобразователя 5 и выбора структуры усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления. В блоке IО обработки информации регистрируется макс1&{альное значение сигнала, формируются сигналы запуска аналого-цифрового преобразователя 5 и определяются временные границы импульсов акустической эмиссии. 3 ил. с $ (Л

Фиг. 1

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля и может быть использовано для определения развивающихся дефектов и трещин в материалах и массивах горных пород.

Цель изобретения - повышение достоверности контроля за счет уменьшения длительности переходных процессов ..

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для акустико-эмиссионного контроля; на фиг. 2 - блок-схема усилителя с дискретно изменяемым коэффициентом усиления; на фиг. 3 - блоксхема одного из вариантов блока обработки информации.

Устройство для акустико-эмиссионного контроля содержит последовательно соединенные преобразователь 1, пр.едусипитель 2 и усилитель 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления, пиковый детектор 4, аналого- цифровой преобразователь 5, элемент ИЛИ 6, компаратор 7, источник 8 опорного напряжения, счетчик 9 и блок 10 обработки информации, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ J6 и сбросовому входу счетчика 9, а информационные входы соответствен- но - к выходу счетчика 9, котор соединен также с управляющим входом усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления и выходу ана- ,лого-цйфрювого преобразователя 5, сигнальный вход которого подключен к выходу пикового детектора 4, а сбросовый вход - к выходу элемента ИЛИ 6, пороговьй вход компаратора 7 подключен к источнику 8 опорного на- пряжения, одновибратор 11, вход которого подключен к выходу компаратора 7 , а выход соединен со счетным входом счетчика 9 и вторым входом элемента ИЛИ 6, соединенного выходом со сбросовым входом пикового детектора 4, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора 7, выход усилителя 3 с дискретно изменяемьм коэффициентом усиления соединен с сигнальным входом пикового детек тора 4 и дополнительным входом блока 10 обработки информации, дополнительный выход которого соединен с входом запуска аналого-ци4|рового преобразова-

теля 5.

Один из возможных вариантов реализации усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления (фиг. 2)

содержит последовательно включенные каскады 12-1 - 12-п усиления и аналоговый мультиплексор 13, соединенный с входом усилителя и выходами каскадов 12-1 - 12-п усиления, выход аналогового мультиплексора 13 и его управляющий вход являются соответственно выходом и управляющим входом усилителя 3 с дискретно изменяемьм коэффициентом усиления.

Вариант реализации блока 10 обработки информации (фиг. 3) включает блок 14 цифрового вьзделения максимума сигнала, регистратор 15, блок 16 запуска аналого-цифрового npieo6pa3p- вателя и блок 17 определения временных границ акустического импульса, который состоит из последовательно соединенных: дополнительного компаратора 18, вход которого является до полнительным входом блока 10 обработки информации, детектора 19 прямоугольной огибающей и формирователя 20 импульсов, выход которого соединен с управляющим входом регистратора 15 и является выходом блока 10 обработки информации, блок 18 запуска аналого-цифрового преобразователя состоит из последовательно соединенных генератора 21 импульсов, элемента И 22 и эла 1ента 23 задержки, выход которого является дополнительным вЫ- .ходом блока 10 обработки информации, блок 14 цифрового вьделения максимума сигнала состоит из соединенных друг с другом регистра 24 кода усиления, первого элемента И 15 и элемента 26 сравнения кодов и соединенных друг с другом регистра 27 кода аналого-цифрового преобразователя, второго элемента И 28 и второго элемента 29 сравнения кодов, вторые входы первого 25 и второго 28 элементов И соединены с выходом элемента И 22 блока 16 запуска аналого-цифрового преобразователя, третий вход второго злемента И 28 соединен с выходом первого элемента 26 сравнения кодов, выходы регистра 24 кода усиления и регистра 27 кода аналого-цифрового преобразователя соединены с информационными входами регистра 15, а их входы являются соответственно первым и вторым информационными входами блока 10 обработки информации..

Устройство работает следующим об- .

Сигналом начальной устансвки с выхода блока 10 обработки информации сбрасываются в нулевое состояние счетчик 9 и через элемент 6 ИЛИ аналого-цифровой преобразователь 5 и пиковый детектор 4, Нулевому коду счетчика 9 соответствует максимальный коэффициент усиления усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления. Сигнал с выхода преобразователя 1 проходит через предусили- тель 2, усилитель 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления и поступает на пиковый детектор 4. Выходное напряжение пикового детектора 4 преобразуется в код аналого-цифровым преобразователем 5 и вводится в блок 10 обработки информации совместно с выходным кодом счетчика 9. Одновременно выходное напряжение пикового детектора 4 сравнивается в компа

Если t уст.у « t с.пА то время установления устройства t,jcT tt.nfl при указаьшом способе задания длительности выходного импульса одновибратора 1 является минимальным. Если t 7 tc,, то длительность импульса одновибратора 11 должна быть увеличена

раторе 7 с напряжением Е источни- до значения t C.T.V Фиксация остаточка 8 опорного напряжения, соответст-ного напряжения пикового детектора 4 вующим верхней границе динами- 25 на уровне (или несколько меньшем

35

ческого диапазона аналого-цифрового преобразователя 5 и усипителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления. При превьппении сигналом напряжения Едп. 1 происходит срабатыва- 30 ние компаратора 7, в результате которого на выходе одновибратора 1I формируется импульс определенной длительности, вызывающий увеличение на единицу кода счетчика 9 и уменьшение на один шаг коэффициента усиления усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления. Одновременно через элемент ИЛИ 6 этим же импульсом производится сброс (прекращение цик- 40 ла преобразования) аналого-цифрового преобразователя 5 и пикового детектора 4, Длительность импульса одновибратора 11 выбирается из условия уменьшения напряжения на выходе пико вого детектора 4 от значения U g р до значения , которое соответствует нижней границе рабочего динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя 5 и находится из ус45

50

при t.juT.. рд) способствует ускорению отслеживания им выходного напряжения усипителя на участке нарастания после снятия импульса броса. Время установления усилителя 3 с дис;;ретно изменяемым коэффициентом усиления зависит от структуры усилителя. Наибольшее время установления имеет место в структуре с последовательно включенным управляемым аттенюатором и усилителем с максимально возможным коэффициентом усиления. №ньшее гремя установления может быть получено в усилителе с дискретно изменяемой глубиной обратной связи, однако управление усилением связано здесь с внедрением во внутреннюю структуру усилителя. На1меньшее время установления может быть получено в структуре из п последовательно включенных каскадов 12-1, 12-2,.., , 1 2-п с усилением, равньи 2, подключенных выходами к аналоговому мультиплексору 13, который упр 1вляет- ся выходньм кодом счетчика 9 .(фиг. 2), Время установления в та- . кой структуре определяется временем переключения мульт1шлексора 13, которое при выполнении его на быстродействующих элементах (например, ключах типа 590КН8) может составлять десятки наносекунд, Кеобходшшя развязка выходов каскадов 12-1 ,..., 1 2-п уси-.; лителя может быть обеспечена путем

ловия: и„ гр мин U грК ,ч,/К,-, где К,, К ;+, - ближайшие дискретные коэффициенты усиления усипителя -3, Обычно отношение К. /,. постоянно и равно целой степени двойки, т,е, 2 , где 1 1, 2, 3,,,,, что облегчает представление результата измерения в двоичной системе исчисления. В этом случае U ц гр 2 U g гр- В результате

время сброса пикового детектора 4 устанавливается минимально необходимой величины. Длительность переходного процесса в данном устройстве, связанная с перекллченнем коэффициента усиления, определяется большей.из двух наиболее существенных составля- сцих - времени сброса пикового детек- тора р и по времени установления усилителя 3 с дискретно изменяемым

коэффициентом усиления t

jcT.y f

т.е.

макс

с. П4

уст.-аЕсли t уст.у « t с.пА то время установления устройства t,jcT tt.nfl при указаьшом способе задания длительности выходного импульса одновибратора 1 является минимальным. Если t 7 tc,, то длительность импульса одновибратора 11 должна быть увеличена

до значения t C.T.V Фиксация остаточного напряжения пикового детектора 4 на уровне (или несколько меньшем

до значения t C.T.V Фиксация остаточного напряжения пикового детектора 4 25 на уровне (или несколько меньшем

35

30 40

5

0

5

при t.juT.. рд) способствует ускорению отслеживания им выходного напряжения усипителя на участке нарастания после снятия импульса броса. Время установления усилителя 3 с дис;;ретно изменяемым коэффициентом усиления зависит от структуры усилителя. Наибольшее время установления имеет место в структуре с последовательно включенным управляемым аттенюатором и усилителем с максимально возможным коэффициентом усиления. №ньшее гремя установления может быть получено в усилителе с дискретно изменяемой глубиной обратной связи, однако управление усилением связано здесь с внедрением во внутреннюю структуру усилителя. На1меньшее время установления может быть получено в структуре из п последовательно включенных каскадов 12-1, 12-2,.., , 1 2-п с усилением, равньи 2, подключенных выходами к аналоговому мультиплексору 13, который упр 1вляет- ся выходньм кодом счетчика 9 .(фиг. 2), Время установления в та- . кой структуре определяется временем переключения мульт1шлексора 13, которое при выполнении его на быстродействующих элементах (например, ключах типа 590КН8) может составлять десятки наносекунд, Кеобходшшя развязка выходов каскадов 12-1 ,..., 1 2-п уси-.; лителя может быть обеспечена путем

соответствующего построения мультиплексоров 13, например с использованием последовательно-параллельных ключей. Для ускорения разряда запоминающего конденсатора пикового детектора 4 целесообразно на время сброса отключать его от входного сигнала с помопцзю последовательного ключа, также управляемого сигналом сброса.

Следовательно, данная структура устройства позволяет получить минимальное время переключения усиления при соответствующей реалр зации его элементов.

После завершения нарастания входного сигнала на выходе детектора 4 установится напряжение, пропорциональное максимальному значению сигнала .-jcT ., „„«, а в счетчике 9 будет зафиксирован код усиления Ко. Напряжение , преобразованное аналого-цифровым преобразователем 5 в цифровой код, вместе с кодом

тора 19 формируется прямоугольная огибающая сигнала по уровню, опреде- ляeмo ry напряжением порога U, подаваемого на компаратор 18, на сиг нальный вход которого поступает сигнал с выхода усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления. Величина порога выбирается меньшей

0 напряжения нижней гранииэ динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя, т.е. UPJ, « Ъ цгр. Детектор 19 прямоугольной огибакяцей может быть вьтолнен либо в виде простейшего

5 диодного импульсного детектора, либо на основе цифровых элементов. Выходной сигнал детектора прямоугольной огибакйцей 19 разрешает запуск аналого-цифрового преобразователя 5 через

20 элемент И 22 блока 16 запуска аналого-цифрового преобразователя и ввод кодов максимального значения сигнала из регистров 24, 27 в регистратор 15. По заднему фронту этого импухсьса на

усиления заносится в блок 10 обработ- 2Ь йыходе формирователя 20 импульсов

ки информации. Преобразование напряжения пикового детектора 4 в код целесообразно производт-ь периодически в течение всего измерительного цикла с относительно низкой частотой с це- зо лью исключения влияния погрешности хранения пик ового детектора. Это позволяет уменьшить необходимую емкость запоминающего конденсатора пикового детектора 4 и тем самым ещ более со- g кратить время его сброса. Максимальное значение сигнала выявляется в блоке 10 обработки информации.

В одном из возможных вариантов реализации блока 10 обработки инфор- Q мации (фиг. 3) эта задача решается блоком 14 цифрового вьщелеиия максимума сигн ала с помощью элементов 26, 29 сравнения кодов, элементов И 25,

формируется импульс, соответствующий концу измерительного цикла. Этот импульс поступает на выход блока 10 обработки информации и сбрасывает счетчик 9, регистры 24, 27, а также пиковьй детектор 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 (через элемент ИЛИ 6), подготавливая устройство к новому измерительному циклу.

Реально устройство является составной частью сложных многоканальных систем обработки сигналов акустической эмиссии, содержащих специализированные или универсальные микро-ЭВМ, с помощью которых ряд функций блока 10 обработки информации могут выполняться на программном уровне, например выделение максимального значения сигнала, адаптивное управление поро28 и регистров 24, 27, в которые за- 45гом компаратора 18, определяющим вреписываются текущие значения кодовменные границы импульса; с помощью

сигнала, если они превьшают ранеемикро-ЭВМ также возможна коррекция

записанные максимальные значения этихпогрешностей измерения максимальных

кодов. Управление записью производит-значений сигнала, в том числе за

ся сигналом с блока 16 запуска анало- счет неточной установки и изменения

го-цифрового преобразователя (генера-коэффициентов усиления каскадов уси тор 21 импульсов, элемент Я 22 и элемент 23 задержки), опережающим сигнал запуска на время цифрового вьщеления.максимума сигнала. упростить их реализацию.

Конец измерительного цикла.выявля-Все узлы устройства реализуются на ется с помощью блока 17 определения временных границ акустического импульса. В этом блоке с помощью детеклителя 3 с дискретно изменлемьм коэффициентом усиления. Это позволяет снизить требования к параметрам элесерийных аналоговых и цифровых интегральных микросхемах. Их. быстродействие определяется параметрами обрабатора 19 формируется прямоугольная огибающая сигнала по уровню, опреде- ляeмo ry напряжением порога U, подаваемого на компаратор 18, на сигнальный вход которого поступает сигнал с выхода усилителя 3 с дискретно изменяемым коэффициентом усиления. Величина порога выбирается меньшей

напряжения нижней гранииэ динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя, т.е. UPJ, « Ъ цгр. Детектор 19 прямоугольной огибакяцей может быть вьтолнен либо в виде простейшего

диодного импульсного детектора, либо на основе цифровых элементов. Выходной сигнал детектора прямоугольной огибакйцей 19 разрешает запуск аналого-цифрового преобразователя 5 через

элемент И 22 блока 16 запуска аналого-цифрового преобразователя и ввод кодов максимального значения сигнала из регистров 24, 27 в регистратор 15. По заднему фронту этого импухсьса на

йыходе формирователя 20 импульсов

формируется импульс, соответствующий концу измерительного цикла. Этот импульс поступает на выход блока 10 обработки информации и сбрасывает счетчик 9, регистры 24, 27, а также пиковьй детектор 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 (через элемент ИЛИ 6), подготавливая устройство к новому измерительному циклу.

Реально устройство является составной частью сложных многоканальных систем обработки сигналов акустической эмиссии, содержащих специализированные или универсальные микро-ЭВМ, с помощью которых ряд функций блока 10 обработки информации могут выполняться на программном уровне, например выделение максимального значения сигнала, адаптивное управление порокоэффициентов усиления каскадов уси

лителя 3 с дискретно изменлемьм коэффициентом усиления. Это позволяет снизить требования к параметрам элеВсе узлы устройства реализуются на

серийных аналоговых и цифровых интегральных микросхемах. Их. быстродействие определяется параметрами обрабатьшаемых сигналов акустической эмис сии, которые в зависимости от области применения устройства могут иметь :яастоты заполнения от сотен герц до единиц мегагерц и длительности от до- пей до сотен миллисекунд. В качестве аналого-цифрового преобразователя можно использовать микросхемы К572ПВ1 К1ПЗПВ1 ИК111811В1, а для сигналов ;большой длительности его можно реали- зовать на дискретных элементах по .простейшей последовательной схеме с Jединичные приближением. Регистратор 15 может представлять собой как про- стейший цифровой индикатор, так и более слсжное устройство, сопрягаемо с микро-ЭВМ, например оперативное запоминаклдее устройство. Пиковый де- Iтектор 4 выполняется по типовьм dke- мам.

Таким образом, благодаря минимизации длительности переходньк процессов, связанных с переключением коэффициента усиления усилителя, повьша- ется достоверность результатов измерения максимальных значений сигналов акустической эмиссии и, следовательно, общая достоверность результатов контроля.

Формула изобретения

Устройство для акустико-эмиссион- ного контроля, содержащее последовательно соединенные преобразователь,

Фу«.2

g 5

0

5

0

,предусилитель и усилитель с дискретно изменяемым коэффициентом усиления, пиковьш детектор, аналого-цифровой преобразователь, элемент ИЛИ, компаратор, источник опорного напряжения, счетчик и блок обработки информации, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ и сбросовому входу счетчика, а информационные входы соответственно - к выходу счетчика, который соеда нен также с управляющим входом усилителя с дискретно изменяемым коэффициентом усиления, и выходу аналого-цифрового преобразователя, сигнальный вход которого подключен к выходу пикового детектора, а сбросовый вход - к выходу элемента ИЛИ, порог овый вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повьшения достоверности контроля, в него введен одновибратор, вход которого подключен к выходу -компаратора, а выход соединен со счетньм входом счетчика и вторым входом элемента ИЛИ, соединенного выходом со сбросовым входом пикового детектора, выход которого соединен с сигнальным ВХОДОМ компаратора, выход усилителя с дискретно изменяемым коэффициентом усотения соединен с сигнальным входом пикового детектора и дополнитель- Hbw входом блока обработки информации, дополнительный выход которого соединен с входом запуска аналого- щфрового преобразователя.

ТУп./г.

-ю

фиг. 3