УДК 620.179.16
ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕТРИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.К. Качанов, И.В. Соколов, М.Б. Федоров, Р.В. Концов, М.А. Караваев
Показано, что при контроле крупногабаритных сложноструктурных изделий с большим интегральным затуханием ультразвука целесообразно использовать различные радиотехнические методы обработки сигналов (накопление, нормирование, синхронное детектирование), позволяющие повысить точность измерения толщины изделий из сложноструктурного вермикулярного чугуна с некачественной поверхностью, а при контроле крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов с большим интегральным затуханием у.з. сигналов — не только повысить отношение сигнал/шум, но и точность измерения донного сигнала. Такое комплексное применение разнообразных радиотехнических методов обработки сигналов возможно осуществить при использовании разработанного в МЭИ многофункционального программно-аппаратного измерительного комплекса, в котором для каждого нового изделия имеется возможность подобрать оптимальную совокупность методов обработки сигналов.
Ключевые слова: у.з. толщинометрия, чугун, полимерный композиционный материал, радиотехническая обработка сигналов, накопление, синхронное детектирование.
ВВЕДЕНИЕ
До последнего времени в подавляющем большинстве приборов у.з. эхо-импульсного контроля практически не проводилась какая-либо сложная радиотехническая обработка эхосигналов. В ряде новых приборов (например, в у.з. дефектоскопе А1214 «ЭКСПЕРТ» фирмы ООО «Акустические Контрольные Системы» [1], в измерительной системе «АВГУР» ООО «НПЦ НК «ЭХО+» [2, 3]) используется накопление сигналов, в [4] применяются сигналы с линейной частотной модуляцией, в [5] рекомендуется вейвлет-обработка у.з. сигналов, а в [6] обсуждаются различные варианты обработки (корреляционная обработка, синхронное детектирование и др.) сигналов с разными видами модуляции.
Вместе с тем использование только одного типа сигналов и заранее заданного вида его обработки ограничивает возможности приборов при контроле качественно иного изделия. В свою очередь наличие различных типов сигналов и многочисленных методов их обработки позволяет не только улучшать результаты контроля конкретного изделия, но и дает возможность расширить спектр контролируемых изделий, проводить поиск возможных альтернативных решений и создавать принципиально новые методы контроля.
Это определило необходимость разработки многофункционального адаптивного программно-аппаратного измерительного комплекса (ИК) для у.з. контроля [7], состоящего из процессора (персонального компьютера),
Владимир Климентьевич Качанов, доктор техн. наук, профессор кафедры Электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-72-84. E-mail: kachanovvk@mail.ru
Игорь Вячеславович Соколов, доктор техн. наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник кафедры Электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-72-84. E-mail: sokoloff_igor@mail.ru Максим Борисович Федоров, инженер кафедры Электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (916) 611-23-14. E-mail: makstl@mail.ru
Роман Валерьевич Концов, аспирант, инженер кафедры Электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». E-mail: kontsovrv@mail.ru
Михаил Алексеевич Караваев, аспирант, инженер кафедры Электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-72-84. E-mail: vezd@list.ru
блока аналого-цифрового интерфейса, включающего платы цифро-аналоговой (ЦАП) и аналого-цифровой (АЦП) обработки данных, коммутатора, выходного усилителя мощности, входного усилителя (рис. 1). В нем имеется возможность подсоединения как одиночных у.з. преобразователей (ПЭП) для одноканального контроля, так и многоканальных у.з. преобразователей, в том числе и у.з. фазированных антенных решеток. Благодаря такому построению схемы ИК можно использовать для реализации как одноканальных методов у.з. контроля (дефектоскопия, толщинометрия, структуроскопия), так и многоканальных (томография и др.). Аппаратная составляющая разработанного в МЭИ ИК подобна другим современным цифровым приборам у.з. контроля; отличие заключается в программном обеспечении многофункциональности и адаптивности ИК.
Объект контроля
Рис. 1. Структурная схема у.з. многофункционального адаптивного измерительного
комплекса.
Многофункциональность ИК осуществляется за счет создания банка базовых простых и сложномодулированных сигналов, базовых алгоритмов различных радиотехнических методов обработки сигналов и означает возможность работать в различных качествах (дефектоскоп, толщиномер, томограф и др.) с использованием различных методов у.з. НК, осуществления многочисленных заранее заданных алгоритмов обработки сигналов как во временной, так и частотной областях. В ИК предусмотрена возможность наращивания банка используемых сигналов, алгоритмов обработки сигналов и методов у.з. НК за счет разработанного структурно-модульного проектирования любых сложных алгоритмов формирования и обработки сигналов из набора базовых функций [8].
Адаптивность ИК означает возможность гибкого изменения параметров зондирующего сигнала (частота, ширина спектра, вид модуляции, база сиг-
3 Дефектоскопия, № 6, 2015
нала и др.) с целью подстройки параметров сигнала под характеристики преобразователей и параметры контролируемого изделия, способов радиотехнической обработки эхосигналов (синхронное детектирование, оптимальная фильтрация, спектральная, кепстральная, вейвлет-обработка и др.), существенного расширения функций прибора за счет синтеза новых алгоритмов обработки сигналов самим оператором непосредственно в процессе контроля.
В данной статье рассматриваются только некоторые простейшие радиотехнические методы обработки у.з. сигналов (синхронное детектирование, нормирование и накопление) применительно к задачам контроля изделий с большим затуханием у.з. сигналов.
СИНХРОННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ, НОРМИРОВАНИЕ И НАКОПЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ПРИ У.З. ТОЛЩИНОМЕТРИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Использование одновременно нескольких видов обработки сигналов с помощью разработанного нами у.з. многофункционального измерительного комплекса покажем на примере измерения толщины изделия из сложно-структурного вермикулярного чугуна с некачественной поверхностью. Отраслевой стандарт ОСТ 5.5550-85 «Ультразвуковой метод измерения толщины» [9], разработанный для измерения толщины металлических изделий эхоимпульсным методом, указывает, что измерение следует выполнять при однократном контакте пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с изделием, а если при однократном измерении допущены ошибки, то «допускается выполнение 2—5 измерений. В этом случае за результат измерения принимается среднеарифметическое значение» [9]. С целью уменьшения погрешности в измерении толщины из-за плохого контакта ПЭП с изделием с некачественной поверхностью (например, с коррозионным повреждением поверхности металла или неровной поверхностью литья) рекомендуется «производить серию из 3—5 измерений в соседних точках с шагом не более 3 мм (что соответствует протяженности 2—3 длин у.з. волн в металле) с последующим усреднением результатов измерений» [10].
Изложенные выше методики актуальны при измерении толщины изделий из чугуна, в котором из-за неравномерного остывания металла физико-механические свойства в объеме изделия распределены неравномерно: значения скорости и амплитуды сигналов в соседних положениях ПЭП имеют разброс, что приводит к погрешности в измерении толщины. На рис. 2 приведены результаты толщинометрии изделия из сложноструктурного вермикулярного чугуна, толщина которого, измеренная линейкой, составляет / = 100 мм. Измерения проводили «поточечно» эхоимпульсным методом в пределах области площадью 25^25 мм с помощью раздельно-совмещенного преобразователя П112-4,0-12/2 фирмы ООО «АКС» со средней частотой / = 4 МГц. Амплитуда зондирующего сигнала составляла 60 В. На диаграмме (см. рис. 2а) изображены донные сигналы, полученные при «ручном» измерении толщины в шести положениях ПЭП, откуда видно, что все эхосигналы имеют достаточно большой разброс и по времени прихода, и по амплитуде.
При использовании стандартной аппаратуры такие результаты измерения не должны фиксироваться, так как при усреднении (сложении) импульсов с частотным заполнением эхосигналы в силу их некогерентности могут складываться не в фазе, что может привести к ложному результату из-за частичной компенсации сигналов парциальных измерений. С целью устранения различия во времени прихода радиоимпульсов нами была осуществлена операция синхронного детектирования (СД) [11], в результате которой уничтожается информация о фазе сигнала, а донные сигналы представлены их огибающими (см. рис. 26). Однако результаты парциальных изме-
Рис. 2. Результаты измерения толщины изделия из вермикулярного чугуна, донные сигналы 1—6: а — в шести положениях ПЭП при использовании импульса ударного возбуждения; б — после синхронного детектирования (СД); в — после СД и нормирования (жирной линией выделен сигнал после суммирования шести парциальных измерений).
рений все равно могут привести к погрешности в измерении толщины из-за существенного разброса амплитуд. Требование выравнивания амплитуд эхосигналов возможно осуществить, используя операцию нормирования сигналов по значению максимума парциальных сигналов посредством суммирования нескольких сигналов и последующего деления результата суммирования на число импульсов [9, 10]. Итоговый результат измерения толщины, полученный после суммирования для шести импульсов, показан на рис. 2в (нижняя зависимость, выделенная жирной линией).
Очевидно, что измерение толщины с «ручным» осуществлением нормирования и суммирования сигналов вызывает затруднение и не всегда возможно. Поэтому эти же операции (синхронное детектирование, нормирование и накопление периодически следующих импульсов) ц
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.