УДК 620.179.17:681.518
АКУСТИКО-ЭМИССИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕПРЕРЫВНЫХ И ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
А. Н. Серьезнов, Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов
Рассмотрена работа микропроцессорной акустико-эмиссионной (АЭ) системы СЦАД-16.10, регистрирующей и обрабатывающей дискретные и непрерывные сигналы в процессе прочностных испытаний конструкций. Для устранения потери информации при увеличении уровня шумов измерительных каналов предложено использовать "плавающие" пороги селекции. Приведена схема и проанализирована работа устройства, реализующего "плавающий" порог селекции. Показан практический пример использования АЭ-системы СЦАД-16.10 для контроля процесса сварки стальных образцов.
Ключевые слова: микропроцессорная система, "плавающий" порог селекции, акустическая эмиссия, диагностика, конструкция, локализация, дискретный и непрерывный сигналы, сварка и остывание, сварной шов.
Среди методов неразрушаю-щего контроля все большее распространение получает метод акустической эмиссии (АЭ). Он основан на регистрации упругих волн, излучаемых дефектами, развивающимися в нагруженных конструкциях. На распространение акустической волны в конструкции влияют микроструктура материала, неоднородности, а также условия нагружения объекта контроля (ОК). Структурные изменения в материале конструкции происходят в результате образовавшихся внутри либо приложенных извне механических или температурных напряжений.
При нагружении металлических конструкций образуются прерывистый и непрерывный акустические сигналы. Прерывистые сигналы указывают на возникновение усталостной трещины и появляются в результате выделения энергии упругой волны в разрушающемся материале. Непрерывная эмиссия — это результат перемещений дислокаций в материале в процессе микродеформаций [1—2].
При построении аппаратуры, предназначенной для регистрации сигналов АЭ, решаются технические задачи, связанные
с их обнаружением на фоне помех, с измерением, преобразованием и локализацией с оценкой степени опасности дефектов [1—4].
На современном этапе проектирования диагностических комплексов создаются быстродействующие, высокостабильные и надежные микропроцессорные АЭ-системы, в которых может гибко изменяться алгоритм обработки сигналов за счет перепрограммирования процессоров.
Большинство известных микропроцессорных АЭ-систем осуществляют регистрацию только дискретных сигналов, возникающих при разрушении конструкции [2]. При этом полоса пропускания измерительного канала составляет 0,1...1,0 МГц. Данные системы могут использоваться и для регистрации непрерывных сигналов, но при этом необходима перестройка полосы пропускания предварительного и основного усилителей, а также фильтров канала в сторону низких частот — от 10...20 до 250...500 кГц.
Практика прочностных испытаний конструкций показала, что необходимы системы с расширенными функциональными
возможностями, в которых предусмотрена регистрация и обработка как дискретных, так и непрерывных сигналов АЭ.
Цель работы — разработка микропроцессорной АЭ-систе-мы, позволяющей производить регистрацию дискретных и непрерывных сигналов АЭ, а также их автоматическую калибровку.
Решение одной из главных задач АЭ-диагностики связано с определением координат развивающихся дефектов. Однако решение задач локализации затруднено из-за большого объема сигналов, излучаемых конструкцией, находящейся под нагрузкой, а также высокого уровня шумов и помех. Локализация сигналов АЭ осуществляется по разности времен прихода сигналов на датчики пьезоантенны. Погрешности, с которыми определяются времена прихода, приводят к разбросу точек локализации на развертке ОК, что затрудняет поиск и подтверждение дефектов другими методами НК.
На рис. 1 показана функциональная схема АЭ-системы СЦАД-16.10, в которой предусмотрена автоматическая работа в двух режимах. Первый режим работы соответствует регистра-
ции дискретных сигналов АЭ по превышению порогового уровня. Работа АЭ-системы во втором режиме связана с регистрацией непрерывных сигналов АЭ [3].
Система содержит n четы-рехканальных блоков. Каждый блок представляет собой четы-рехканальное устройство, которое в виде платы вставляется в шину ISA 18 компьютера.
При работе АЭ-системы в режиме приема дискретных сигналов акустический сигнал с ОК поступает на преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ) 2, осуществляющий его преобразование в электрический сигнал. Затем сигнал проходит на вход предварительного усилителя 3, где усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 сигнал поступает на вход полосового фильтра шумов
и помех 4. С выхода фильтра АЭ-сигнал приходит на вход основного программируемого усилителя 5 с изменяемым коэффициентом усиления.
В основном усилителе 5 сигнал усиливается до необходимого уровня и затем приходит на положительный вход компаратора 8. При этом в регистры цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 7 через устройство управления 17 записываются значения кодов пороговых напряжений, устанавливаемых выше уровня шумов в каждом канале. В таймер времени отсечки, находящийся в устройстве управления 17, центральный процессор компьютера 19 записывает код, соответствующий количеству записанных отсчетов аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 6. Затем
от устройства управления 17 подается разрешение в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12 на запись кодов результатов измерений АЦП 6.
На отрицательный вход компаратора 8 подается пороговый уровень напряжения, формируемый ЦАП 7 по команде центрального процессора компьютера 19. При превышении сигналом, поступающим на вход компаратора 8, порогового уровня на его выходе появляется сигнал высокого логического уровня, который подается в устройство управления 17 и запускает таймер времени отсечки. По окончании этого времени останавливается запись кодов в ОЗУ 12. В то же время аналоговый сигнал Uj с выхода /-го измерительного канала поступает на вход АЦП 6, где происходит его дискретизация. С выхода АЦП 6 цифровой код через цифровой коммутатор 9 и цифровой мультиплексор 10 приходит на вход ОЗУ 12, где запоминается.
Устройство управления 17 в режиме приема дискретных сигналов подает на мультиплексоры 10 и 11 управляющие сигналы, по которым первый мультиплексор 10 подключает вход первого ОЗУ 12 к АЦП 6, а второй мультиплексор 11 подключает выход второго ОЗУ 13 к шине данных ISA 18. После окончания времени отсечки центральный процессор 19 компьютера через шину ISA 18 получает возможность считывать через цифровой мультиплексор 11 предварительно записанную в ОЗУ 12 измерительную информацию. Готовность к приему следующих сигналов определяет устройство управления 17. Как только на всех выходах компараторов 8 появляются сигналы низкого логического уровня, устройство управления 17 выдает сигнал, по которому разрешается запись информации в ОЗУ 13 и АЭ-сис-
56
Sensors & Systems • № 8.2010
тема готова к приему следующего сигнала.
При работе АЭ-системы в режиме регистрации непрерывных сигналов аналогичным образом осуществляется преобразование акустических непрерывных сигналов в электрические с последующим усилением в предварительном усилителе на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя сигнал подается на вход полосового фильтра 4 для фильтрации шумов и помех. Далее сигнал усиливается основным программируемым усилителем 5 с изменяемым коэффициентом усиления. Затем подается разрешение в ОЗУ 12 от устройства управления 17 на запись кодов результатов измерений АЦП 6, в которых происходит дискретизация непрерывных аналоговых сигналов. С выхода АЦП 6 цифровой код через цифровой коммутатор 9 и цифровой мультиплексор 10 поступает на вход первого ОЗУ 12, где он запоминается. При заполнении ОЗУ 12 устройство управления 17 формирует сигналы управления мультиплексорами 10 и 11. При этом выход первого ОЗУ 12 через мультиплексор 11 подключается к шине данных ISA 18, а выход АЦП 6 через цифровой коммутатор 9 и мультиплексор 11 — ко второму ОЗУ 13. Таким образом, текущая измерительная информация записывается во второе ОЗУ 13, а предварительно записанная информация оказывается доступна для чтения центральному процессору 19 компьютера.
При заполнении второго ОЗУ 13, устройство управления 17 производит обратное переключение цифровых мультиплексоров 10 и 11. При этом выход АЦП 6 через цифровой коммутатор 9 и мультиплексор 10 подключается к входу первого ОЗУ 12, а выход второго ОЗУ 13 через мультиплексор 11 подклю-
чается к шине данных ISA 18. В дальнейшей работе циклы переключения повторяются.
Данное построение АЭ-сис-темы позволило существенно увеличить ее быстродействие и регистрировать непрерывные сигналы. Следует отметить, что скорость записи информации в ОЗУ не должна превышать скорости ее считывания. В системе можно:
— изменять частоту дискретизации;
— увеличивать число измерительных каналов до 32 и более;
— производить автоматическую калибровку каналов.
Практическая реализация системы осуществлена с использованием программируемых логических устройств фирмы "ALTERA". Цифровая часть выполнена на программируемых логических схемах и позволяет перепрограммировать алгоритм работы системы для приема как дискретных, так и непрерывных сигналов АЭ. Кроме того, частота дискретизации АЦП может изменяться в диапазоне 0,06...8 МГц. Для работы с непрерывными сигналами используются низкочастотные ПАЭ, а также реализуется низкая частота дискретизации сигналов АЭ.
Известно, что перед проведением испытаний проводится калибровка АЭ-системы. Для этого на датчик имитатора подается импульс, переводящий ПАЭ в режим излучения акустического сигнала. При этом по конструкции распространяется звуковая волна со скоростью с, которая измеряется системой и затем эта информация записывается в память компьютера.
Датчики пьезоантенны, работающие в режиме приема, преобразуют акустическую волну в электрические сигналы, поступающие в измерительные каналы системы. Автоматическая калибровка системы выпол-
няется по программе, переводящей последовательно каждый из датчиков в режим излучения акустического сигнала. Автоматическая калибровка конструкции сокращает время прове
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.