Способ определения координат источника акустической эмиссии и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01N29/14 

A3 с помощью двух антенн; на фиг. 3 - временные диаграммы принимаемого сигнала АЭ одной из антенн; на фиг. 4 - структурная схема устройства; на фиг. 5 - функциональная схема блока определения квадранта прихода сигнала АЭ; на фиг. 6 - функциональная схема измерителя временных интервалов; на фиг. 7 - функциональная схема линии задержки; на фиг. 8 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для определения координат источника акустической эмиссии (фиг. 4) содержит две группы блоков, каждая из которых состоит из четырех параллельных каналов, включающих последовательно соединенные преобразователь 1 (2, 3, 4). усилитель 5 (6, 7, 8) и формирователь 9 (10, 11, 12), измерителя 13 временных интервалов, последовательно соединенных схемы ИЛИ 14 и линии 15 задержки, последовательно соединенные вычислительный блок 16 и регистратор 17, блок 18 памяти. В каждом канале устройство содержит блок 19 (20, 21, 22) обнаружения сигнала, вход которого подключен к выходу усилителя, и триггер 23 (24, 25, 26), синхровход которого подключен к выходу формирователя 9 (10, 11, 12), в каждой группе блоков - схему И 27 и блок 28 определения квадранта прихода сигнала, первые четыре входа которого подключены к соответствующим входам измерителя 13 временных интервалов и выходам триггеров 23т26, пятый вход - к пятому входу измерителя 13 временных интервалов и выходу линии 15 задержки, первый выход - к второму входу линии 15 задержки, второй выход - к первому входу схемы ИЛИ 14. Входы схемы И 27 подключены к соответствующим выходам блоков 19-22 обнаружения сигнала, выход - к информационным входам триггеров 23-26. Второй вход схемы ИЛИ 14 подключен к первому выходу измерителя 13 временных интервалов, выход- к входам Сброс триггеров 23-26. Информационные входы блока 18 памяти подключены к соответствующим второму и третьему выходам измерителя 13 временных интервалов и третьему выходу блока 28 определения квадранта прихода сигнала обеих групп блоков, входы Запись - к соответствующим четвертым выходам измерителя 13 временных интервалов каждой группы блоков, а выход- к вычислительному блоку 16.

Блок 28 определения квадранта прихода сигнала (фиг. 5) выполнен из четырех схем И 29-32, последовательно соединенных схемы ИЛИ 33 и регистра 34, выход которого является третьим выходом блока

28 определения квадранта прихода сигнала, схемы ИЛИ 35 и последовательно соединенных схемы ИСКЛЮЧАЮ 1ЕЕ ИЛИ 36. линии 37 задержки, триггера 38 и формирователя

39 импульсов, выход которого подключен к первому входу схемы ИЛИ 33. Одноименные входы схем И 29-32, схемы ИЛИ 35 и схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 36 объединены и являются первым, вторым, третьим и

0 четвертым входами блока 28 определения квадранта прихода сигнала, выходы схем И 29-32 подключены к соответствующим информационным входам регистра 34 и второму, третьему, четвертому и пятому входам

5 схемы ИЛИ 33. Выход схемы ИЛИ 35 и прямой выход триггера 38 являются первым и вторым выходами блока 28 определения квадранта прихода сигнала. Вход Сброс регистра 34 является его пятым входом.

0 Измеритель 13 временных интервалов (фиг. 6) выполнен из двух групп блоков, включающих последовательно соединенные схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 (41), схему И 42 (43) и счетчик 44 (45), выход кото5 рого является вторым (третьим) выходом измерителя 13 временных интервалов, последовательно соединенных схемы И 47, схемы И 47 и схемы ИЛИ 48, выход которой является первым выходом измерителя 13

0 временных интервалов, генератора 49, выход которого подключен к вторым входам схем И 42 и 43, и формирователя 50 импульсов, выход которого подключен к второму входу схемы ИЛИ 48. Второй вход схемы И

5 47 объединен с входом Сброс счетчика 44 и является пятым входом измерителя 13 временных интервалов. Входы схемы И 46 объединены с соответствующими входами схем ИСКПЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 и 41 и явля0 ются первым, вторым, третьим и четвертым входами измерителя 13 временных интервалов, выход схемы И 46 подключен к выходу формирователя 50 импульсов и является четвертым выходом измерителя 13 времен5 ных интервалов.

Линия 15 задержки выполнена из последовательно соединенных триггера 51, S- вход которого является ее вторым входом, схемы И 52 и счетчика 53, выход которого

0 является выходом линии 15 задержки, и генератора 54, выход которого подключен к второму входу схемы И 52. Входы Сброс триггера 51 и счетчика 53 объединены и являются первым входом линии 15 задержки.

5Позициями 55-64 обозначены выходы

сигналов с блоков устройства.

Способ определения координат источника АЭ заключается в следующем.

Сигналы АЭ, генерируемые источником и распространяющиеся по контролируемой

конструкции, принимаются двумя пространственно разнесенными антеннами (фиг. 2), каждая из которых выполнена из четырех преобразователей 1-4, расположенных в вершинах квадрата.

Рассмотрим осуществление способа для случая, когда источник АЭ генерирует непрерывный сигнал частотой М/Т, поступающий на антенну по направлению АВ (фиг. 1). В качестве фиксированных точек сигнала АЭ выбраны точки перехода сигнала через нуль, так как при этом устраняется погрешность измерения временных интервалов, вызванная разбросом коэффициентов преобразования преобразователей и усиления усилителей. Временные диаграммы при приеме сигнала преобразователями 1-4 для данного случая изображены на фиг. 3. При этом моменты времени, соответствующие переходу сигнал АЭ через нуль из отрицательной области его значений в положительную, обозначены точками А, В. С. Д, А , В .С .Д , А, В, С Д и соответствуют истинной ситуации, а именно: первым принимает сигнал преобразователь 1, вторым- преобразователь 4,третьим - преобразователь 3, четвертым - преобпазователь 2.

Однако существует вероятность возникновения ложной комбинации, соответствующей точкам С, Д, А , в . С Д А В (фиг. 3), которые дают ложное направление А7В;при- хода сигнала АЭ (фиг, 1) на антенну. Другие ложные комбинации, например направление СД (фиг. 1), можно отбраковать исходя из очередности приема сигнала АЭ преобразователями антенны. Для исключения возможности принятия ложной комбинации вводится ограничение

Г12 Тмакс,(

где ri2 - интервал времени между моментами приема сигнала АЭ преобразователем, воспринявшим сигнал первым, и преобразователем, воспринявшим сигнал последним;

ТМакс 1/Смин - максимальное врем;- распространения сигнала АЭ между преобразователями диагональной пары антенны;

I - расстояние между преобразователями по диагонали,

Смин-минимальная скорость ультразвуковой волны в испытуемой конструкции.

При этом период принимаемого сигнала АЭ должен отвечать неравенству вида

с+ Т34,

где Гз4 - интервал времени между моментами приема сигнала АЭ преобразователем, воспринявшимсигнал вторым, и преобразователем, воспринявшим сигнал последним.

Данное условие ограничивает верхнюю частоту обрабатываемого сигнала АЭ при заданном расстоянии I между преобразователями диагональных пар и минимальной скорости ультразвука в испытываемой конструкции В зависимости от направления прихода сигнала АЭ интервал времени

/2

г может изменяться от 0 до х- ТМакс . что

соответствует углу прихода сигнала АЭ а -45°, Следовательно, для выполнения условия (2) необходимо соблюдать неравенство вида

Т Тмакс (1 +) .(3)

Поскольку т - 1 - 1

I макс

С-мин мин Тмин

венство 3 приводится к виду I . 1 +4F1- , то нерал«ин

(4)

Зная для данной испытываемой конструкции значения минимальной длины волны Амин , определяют из выражения (4) требуемое расстояние I между преобразователями диагональных пар антенны. Введенные ограничения (1) и (4) позволяют четко определять очередность приема данного сигнала феобразооателями антенны и определить квадрант прихода сигнала АЭ.

По измеренным значениям интервалов времени П2 и Гз4 вычисляют острые углы между направлением прихода сигнала АЭ и осью, соединяющей преобразователи 3-4 и 3 4(фиг. 2), из соотношений:

« arctgg| ;

/ arctg IM

(5)

По полученным значениям углов, взаимному расположению антенн и расстоянию между их центрами вычисляют координаты источника АЭ, который находится в точке пересечения направлений, определенных двумя приемными антеннами.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы АЭ, генерируемые источником, распространяются по испытываемой конструкции, достигают преобразователей 1-4 обеих антенн и преобразуются в электрические сигналы. Последние поступают на входы усилителей 5-8 каждого канала, усиливаются, и затем формирователи 9-12 преобразуют их в прямоугольные импульсы 55-58 (фиг. 8), фронты которых соответствуют моментам перехода электрических сигналов через нуль, причем переднему фронту

сигналов на выходе формирователей 9-12 соответствует момент перехода сигнала АЭ из отрицательной области в положительную, а заднему фронту - момент перехода сигнала АЭ из положительной области в отрицательную.

Последовательность импульсов с формирователей 9-12 каждого качала непрерывно поступает на соответствующие синхровходы триггеров 23-26. Одновременно электрические сигналы с выходов усилителей 5-8 каждого канала поступают на соответствующие входы блоков 19-22 обнаружения сигналов. При превышении выходным сигналом усилителя заданного порога обнаружения на выходе блока обнаружения сигнала вырабатывается сигнал, поступающий на входы схемы И 27. При превышении сигналом АЭ порогов обнаружения во всех каналах данной группы на выходе схемы И 27 вырабатывается сигнал, который, поступая на информационные входы триггеров 23-26, разрешает работу устройства. Описываемая рабочая ситуация для сигнала АЭ, поступающего со стороны второго квадранта (направление СД на фиг. 1), соответствует моменту ti (фиг. 8), когда с выхода схемы И 27 поступает сигнал разрешения работы устройства, При этом первым сигнал АЭ воспринимает первый преобразователь, вторым - третий преобразователь, третьим - четвертый преобразователь, последним - второй преобразователь. В момент t2 (фиг. 8) триггер 25 третьего канала устанавливается в единичное состояние и сигнал 61 с его выхода поступает на блок 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ. Выходной сигнал последнего поступает далее на линию 15 задержки, которая осуществляет задержку сигнала на время Тмакс, что необходимо для уточнения квадранта прихода сигнала АЭ. При этом предполагается, что первым примял сигнал АЭ не первый преобразователь, а третий, и далее проверяется эта версия. Вслед за установкой триггера 25 третьего канала в момент t3 в единичное состояние устанавливается триггер 26 четвертого канала (фиг. 8, сигнал 62). С выхода последнего сигнал 62 поступает на четвертый вход блока 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ. Поскольку вслед за третьим преобразователем сигнал АЭ не может быть принят четвертым преобразователем, а может приниматься либо первым, либо вторым преобразователями (фиг. 1), то блок 28 определения квадранта прихода сигнала выдает импульс 63 сброса, который через схему ИЛИ 14 поступает на сброс триггеров 23-26 и останавливает работу линии 15 задержки. Таким образом, отвергается предположение о том, что третий преобразователь принял сигнал АЭ первым. В момент t4 триггер 24 второго канала устанавливается в единичное состояние.

Сигнал 60 с его выхода подается на блок 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ, который запускает линию 15 задержки. Последняя через промежуток времени Тмчкс вырабатывает сигнал 64, который подается

на пятые входы блока 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ и измерителя 13 временных интервалов, устанавливая их в исходное состояние. Триггеры 23-26 сбрасываются и тем самым отвергается предположение, что первым сигнал АЭ принял второй преобразователь. В момент t5 триггер 23 сигналом 55 с выхода формирователя 9 первого канала устанавливается в единичное состояние, запускается линия 15 задержки, и далее в моменты te, t и ta триггеры 25, 26 и 24 третьего, четвертого и второго каналов соответственно устанавливаются в единичное состояние. Поскольку время между срабатыванием триггера 23 первого

канала, воспринявшего сигнал АЭ первым, и срабатыванием триггера 24 второго канала, воспринявшего сигнал АЭ последним, меньше времени Тмакс, линия 15 задержки не выдаёт сигнал сброса. Блок 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ в соответствии с очередностью поступления сигнала АЭ на каналы антенны определяет квадрант его прихода, а измеритель 13 временных интервалов измеряет интервалы

времени т . Гз4 (фиг. 8), где , тзл - интервалы времени распространения сигнала АЭ между преобразователями диагональных пар первой антенны при l-м измерении. Далее с выхода блоков 28 и 13 код номера

квадранта прихода сигнала АЭ и коды соответствующих интервалов времени передаются в блок 18 памяти. После этого (в момент tg) устройство возвращается в исходное состояние (сбрасываются триггеры

23-26 по всем каналам и запрещается работа линии 15 задержки). Далее устройство ожидает прихода следующего периода колебаний сигнала АЭ. В блок 18 памяти записываются результаты п измерений.

Проводя п измерений временных интервалов распространения сигналов АЭ между преобразователями диагональных пар антенны, можно уточнить угол прихода сигнала АЭ из соотношенияА

(2I Ч

о

сзч

А1 Ь 1-2.

u

(6)

где a, ft- острые углы между направлением прихода сигнала A3 и осью, соединяющей преобразователи 3-4 и 3-4(фиг. 2);

тЬ . тЬ - интервалы времени распространения сигнала АЭ между преобразователями диагональных пар второй антенны при 1-м измерении.

Аналогично обрабатываются сигналы АЭ с второй антенны. Результаты всех измерений с выхода блока 18 памяти поступают в вычислительный блок 16, в котором осуществляется вычисление и уточнение углов прихода сигнала АЭ на первую и вторую антенны, а также вычисление коЬрдинат источника АЭ, которые передаются на регистратор 17.

По известному взаимному расположению антенн и вычисленным углам а и/5 определяют координаты источника АЭ. При этом последний находится в точке пересечения направлений, определенных двумя приемными антеннами.

В случае использования устройства для контроля дискретных сигналов АЭ время существования последних должно соответствовать нескольким периодам сигнала АЭ.

Блок 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ работает следующим образом (фиг. 5).

Номер квадранта прихода сигнала АЭ определяется по номерам двух преобразователей, принявших сигнал АЭ первыми. Сигналы с триггеров 23-26 соответствующих каналов измерения поступают на входы схем И 29-32, на выходе которых формируется код номера квадранта прихода сигнала АЭ. По сигналу с выхода схемы ИЛИ 33 этот код записывается в регистр 34. На схеме ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 36, линии 37 задержки, триггере 38 собрана схема блокировки для исключения ложной комбинации очередности прихода сигнала АЭ на измерительные каналы. По второму принятому сигналу, поступающему с каналов измерения, триггер 38 (через схему ИСКЛЮ - АЮ- ЩЕЕ ИЛИ 36, линию 37 задержки) устанавливается в единичное состояние. При этом через схему ИЛИ 14 подается сигнал на сброс триггеров 23-26 и сброс линии 15 задержки. Если же очередность прихода сигнала АЭ на преобразователи - истинная, то на выходе одной из схем И 29-32 появляется сигнал, который через схему ИЛИ 33 подается на вход сброса триггера 38. Схема ИЛИ 35 осуществляет запуск линии 15 задержки (фиг. 5), который производится по первому сигналу, поступившему с выхода триггеров 23-26.

На фиг. 6 показана функциональная схема измерителя временных интервалов. Сиг- чалы с выхода триггеров 23-26 соответствующих каналов измерения поступают на схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 и 41, с выхода которых сигналы с длительностью, равной интервалам времени Г12 . 34 распространения сигнала АЭ между преобразователями диагональных пар,

разрешают прохождение импульсов с генератора 49 через схемы И 42 и 43 на счетные входы счетчиков 44 и 45. С выхода последних кодовый эквивалент временных интервалов передается в блок 18 памяти. В случае

невыполнения равенства вида

Г12 Тмакс

Смин

(т.е., когда с выхода линии 15 задержки сигнал поступил, а с выхода триггера 23 (24-26)

какого-либо канала не поступил), схемами И 46 и 47 осуществляется сброс триггеров 23- 26 и линии 15 задержки

Линия 15 задержки (фиг. 7) состоит из триггера 51. устанавливаемого в единичное

состояние сигналом запуска с первого выхода блока 28 определения квадранта прихода сигнала АЭ. При этом разрешается прохождение импульсов с генератора 54 через схему И 52 на счетный вход счетчика 53,

который отсчитывает интервал времени Тмэкс. При обнаружении ложной комбинации очередности прихода сигнала АЭ на преобразователи 1-4 счетчик 53 и триггер 51 сбрасываются сигналом с выхода схемы

ИЛИ 14.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить точность определения координаты как дискретного, так и непрерывно действующего источника АЭ.

Формула изобретения

1. Способ определения координат источника акустический эмиссии, заключающийся в том, что принимают сигналы акустической эмиссии двумя антеннами из

четырех преобразователей, расположенных в вершинах квадрата, измеряют разности времен прихода сигнала акустической эмиссии на преобразователи и по ним определяют координаты источника акустической

эмиссии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения координат и расширения функциональных возможностей фиксируют момент прихода сигнала акустическбй эмиссии на все преобразователи каждой антенны, фиксируют моменты перехода сигнала акустической эмиссии через нуль из отрицательной области его значений в положительную для всех преобразователей каждой антенны, измеряют интервал времени Л2 между моментами перехода сигнала акустической эмиссии через нуль из отрицательной области его значений в положительную для преобразователей, принявших сигнал первым и последним, сравнивают его с заданной задержкой Тмакс и при выполнении условия П2 Тмакс определяют очередность прихода сигнала акустической эмиссии на преобразователи каждой из антенн, измеряют интервал времени Гз4 распространения сигнала акустической эмиссии между преобразователями диагональных пар каждой антенны, принявшими сигнал вторым и третьим, определяют углы прихода сигнала акустической эмиссии на антенны и по полученным значениям и местоположению антенн вычисляют координаты источника акустической эмиссии, а расстояние I по диагонали между преобразователями каждой антенны и задержку Тмакс определяют из соотношений:

I - Лмин т I I и макс т

()5МИН

где АМИН и Смин минимально возможные длина и скорость ультразвуковой волны в испытуемой конструкции.

2. Устройство для определения координат источника акустической эмиссии, содержащее две группы блоков, каждая из которых состоит из четырех параллельных каналов, включающих последовательно соединенные преобразователь, усилитель и формирователь, измеритель временных интервалов и последовательно соединенные схемы ИЛИ и линии задержки, и последовательно соединенные вычислительны блок и регистратор, а преобразователи блоков образуют две антенны о тли чающееся тем, что, с целью повышения точности определения координат и расширения функциональных возможностей, оно снабжено блоком памяти, в каждом канале - блоком обнаружения сигнала, вход которого подключен к выходу усилителя, и триггером,

синхровход которого подключен к выходу формирователя, в каждой группе блоков - схемой И и блоком определения квадранта прихода сигнала, первые четыре входа которого подключены к соответствующим входам измерителя временных интервалов и выходам триггеров каждого канала данной группы блоков, пятый вход - к пятому входу измерителя временных интервалов и выходу линии задержки, первый выход- к второму входу линии задержки, второй выход - к первому входу схемы ИЛИ, входы схемы И подключены к соответствующим выходам блоков обнаружения сигнала каждого канала данной группы блоков, выход - к информационным входам триггеров каждого канала данной группы блоков, второй вход схемы ИЛИ подключен к первому выходу измерителя временных интервалов, выход- к входам Сброс триггеров, информационные входы блока памяти подключены к соответствующим второму и третьему выходам измерителя временных интервалов и третьему выходу блока определения квадранта прихода сигнала обеих групп блоков, входы

Запись - к соответствующим четвертым выходам измерителя временных интервалов каждой группы блоков, а выход - к вычислительному блоку.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при акустоэмиссионном контроле для определения местоположения источника сигналов акустической эмиссии (АЭ). Целью изобретения является повышение точности определения координат и расширение функциональных возможностей за счет измерения интервалов времени распространения сигналов АЭ между преобразователями диагональных пар каждой антенны по зафиксированным моментам перехода сигнала через нуль и возможности определения как дискретного, так и непрерывного источника АЭ. Для приема сигналов АЭ используются две пространственно разнесенные антенны, каждая из которых выполнена из четырех преобразователей, расположенных в вершинах квадрата. Введение в устройство блока обнаружения сигнала с триггером в каждом канале приема и блока определения квадранта прихода сигнала АЭ позволяет фиксировать моменты перехода сигнала АЭ через нуль из отрицательной области значений в положительную, производить отбраковку ложных комбинаций очередности прихода сигнала АЭ на преобразователи, определять истинную очередность, измерять по зафиксированным моментам перехода интервалы времени распространения сигнала АЭ между преобразователями диагональных пар каждой антенны, определять углы прихода сигнала АЭ на антенны и по полученным значениям и местоположению антенны вычислять координаты источника АЭ. 2 с.п.ф-лы, 8 ил.

И

Фиг. 2.

Фиг.З

IB

, От линии задержки 15 Э

J

Г

ад

J

/

45

5 Sm линии

Завертки 15

Отблч- ка2В 12.

Лт элемента ПАИ М

К элементу . Mlt Hi

помят IS

К линии задержки К

55

Г

Кэлетнту Мн Н

Фиг. 6

Фиг.7