многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций

Формула изобретения

Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, состоящая из 1...n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, компаратор, выход которого соединен с таймером, устройство сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также содержит аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства, отличающаяся тем, что в системе основной усилитель программируемый, а его выход подключен к инвертирующему входу компаратора и аналого-цифровому преобразователю, выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом сигнального процессора, выход которого подключен к устройству сопряжения, а выход устройства сопряжения соединен с локальной сетью, которая, в свою очередь, соединена с компьютером, выход таймера подключен ко входу устройства управления, причем первый выход устройства управления соединен со входом генератора, выход которого через ключ соединен с акустическим преобразователем, второй выход устройства управления соединен с управляющим входом оперативного запоминающего устройства, третий выход устройства управления соединен со вторым входом сигнального процессора, при этом устройство управления также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение порога срабатывания, который с помощью цифроаналогового преобразователя устанавливается на входе компаратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической диагностике и неразрушающему контролю и может быть использовано при прочностных испытаниях крупногабаритных конструкций типа цистерн, сосудов давления, емкостей, самолетных конструкций, судов и т.д.

Известна многофункциональная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций (Патент РФ 2141655, МКИ 6 G 01 N 29/14, приоритет от 24.11.98 г. ), включающая акустические приемники-преобразователи, последовательно соединенные с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями многоканального модуля регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором, связанного с модулем анализа акустических сигналов с процессором.

Кроме того, система дополнена, по крайней мере, одним многоканальным модулем регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором и, по крайней мере, одним модулем анализа акустических сигналов с процессором, причем, каждый многоканальный модуль регистрации и предварительной обработки акустических сигналов имеет связанное с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями устройство синхронизации их работы, процессоры многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и процессоры модулей анализа акустических сигналов снабжены сетевой операционной системой реального времени, при этом все процессоры посредством соединенных с ними сетевых карт связаны между собой, совместно, образуя многопроцессорную локально-вычислительную сеть распределенной параллельной обработки акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени.

Недостатков данного устройства является то, что каналы внутри модуля регистрации и предварительной обработки сигналов не являются функционально независимыми и не могут быть разнесены на большие расстояния для контроля протяженных объектов. Длинный кабель, по которому передается аналоговый сигнал акустической эмиссии (АЭ) с акустических приемников-преобразователей, является причиной наводок и помех на входе измерительной цепи. Параллельная работа процессоров в многопроцессорной локально-вычислительной сети требует сложного программного обеспечения и не позволяет полностью загрузить вычислительные мощности каждого процессора.

Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий (Патент РФ 2150698, МКИ 7 G 01 N 29/14, 29/04, приоритет от 25.11.1997 г.), состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и таймер.

Кроме того, в устройстве последовательно соединены коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения, выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства, второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера.

Однако данное устройство обладает рядом недостатков:

- невозможность контроля протяженных и крупногабаритных объектов, так как измерительные блоки находятся в одном корпусе с центральным процессором, поскольку связаны с ним единой шиной и датчики подключаются к блокам отдельным кабелем ограниченной длины. Длинный кабель, по которому передается аналоговый сигнал, является причиной наводок и помех на входе измерительной цепи;

- низкое быстродействие, обусловленное невысоким быстродействием коммутирующих устройств, что приводит к погрешностям в измерении амплитуды, времени прихода и спектра сигналов АЭ;

- взаимное влияние каналов, вызванное прохождением паразитных сигналов через коммутирующие устройства на соседний канал;

- большое число соединительных кабелей между местом установки датчиков на конструкции и диагностической аппаратурой;

- невозможность определения в реальном масштабе времени спектральных характеристик сигналов АЭ, а следовательно, и типа дефекта, поскольку вся обработка и расчет производятся в одном центральном процессоре.

Техническая задача, решаемая в предлагаемой акустико-эмиссионной системе диагностики конструкций, заключается в расширении зоны контроля для крупногабаритных изделий с одновременным повышением точности определения координат развивающихся дефектов.

Поставленная задача решается за счет того, что многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, состоит из 1...n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, компаратор, выход которого соединен с таймером, устройство сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также содержит аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства. Кроме того, в системе основной усилитель программируемый, а его выход подключен к инвертирующему входу компаратора и аналого-цифровому преобразователю, выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом сигнального процессора, выход которого подключен к устройству сопряжения.

Выход устройства сопряжения соединен с локальной сетью, которая, в свою очередь, соединена с компьютером. Выход таймера подключен ко входу устройства управления. Причем первый выход устройства управления соединен со входом генератора, выход которого через ключ соединен с акустическим преобразователем. Второй выход устройства управления соединен с управляющим входом оперативного запоминающего устройства. Третий выход устройства управления соединен со вторым входом сигнального процессора. При этом устройство управления также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение порога срабатывания, который с помощью цифроаналогового преобразователя устанавливается на входе компаратора.

Предлагаемая система по сравнению с существующими акустико-эмиссионными системами позволяет значительно расширить область контроля протяженных объектов с одновременным повышением точности локализации дефекта. Использование унифицированной сетевой шины дает возможность подключать на вход системы как параметрический канал, так и исполнительное устройство. Кроме того, каждый измерительный канал системы имеет собственный аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет оцифровку сигнала АЭ, что исключает коммутацию каналов, а следовательно, паразитные влияния одного канала на другой. Каждый измерительный канал имеет свой сигнальный процессор, который производит предварительную обработку сигнала, цифровую фильтрацию от помех, вычисляет спектр сигнала, регистрирует абсолютное время прихода, длительность и другие характеристики. Небольшая длина аналогового тракта позволяет сократить до минимума влияние внешних электромагнитных помех. Использование встроенного имитатора сигналов АЭ позволяет автоматически определять размеры зон локализации, что необходимо при контроле объектов сложной формы.

В предлагаемой многоканальной акустико-эмиссионной системе диагностики частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя составляет 8 МГц, а в прототипе - 1,25 МГц. Поскольку в предлагаемой системе время прихода сигналов АЭ находится по оцифровке, то максимальная точность определения времени прихода сигналов АЭ составит 0,12510^-6 с, т.е. выигрыш в точности определения разности времен прихода сигналов (по сравнению с прототипом) равна:

N=0,810^-6/0,12510^-6=6,4 раза.

На фиг. 1 показана функциональная схема многоканальной акустико-эмиссионной системы диагностики конструкций. На фиг.2 приведена временная диаграмма, поясняющая процесс синхронизации работы каналов АЭ-системы.

Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций содержит:

1...n - каналы приема и обработки измерительной информации;

2 - пьезоэлектрический преобразователь;

3 - предварительный усилитель;

4 - фильтр;

5 - программируемый усилитель;

6 - компаратор;

7 - таймер;

8 - устройство сопряжения;

9 - цифроаналоговый преобразователь;

10 - аналого-цифровой преобразователь;

11 - оперативное запоминающее устройство;

12 - сигнальный процессор;

13 - сеть Ethernet;

14 - компьютер;

15 - устройство управления;

16 - генератор;

17 - ключ.

18₁, 18₂, ...18_n - матрица резисторов цифроаналогового преобразователя 9;

19₁, 19₂, ...19_n - входы управления цифроаналогового преобразователя 9;

20 - перемычка;

21 - общая шина;

22 - операционный усилитель.

Практическая реализация предлагаемой схемы выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:

1. Сигнальный процессор TMS320LC548; программируемая логическая интегральная схема семейства МАХ7000 ЕРМ7192SQC 160-7; оперативное запоминающее устройство UM628100; цифроаналоговый преобразователь TLC7528; операционные усилители AD797, МС33282; аналого-цифровые преобразователи AD9260; память UM62100; интерфейс ETHERNET NE8392C. Их основные характеристики изложены в следующих источниках.

2. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. - М.: ДОДЭКА, 2000, с.18.

3. Интернет-сайты фирмы Texas Instruments - www/ti/com, фирмы Analog Devices - www.ad.com; фирмы Motorolla- www.motco.com; фирмы Altera - www.altera.com.

4. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP 5. - М.: СОЛОН, 1997.

5. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. - М.: ДОДЭКА, 1996, вып.1, с.214.

6. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Советское радио, 1980, с.57-70.

7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, c. 234, рис. 9.4б.

Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, состоящая из 1...n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь 2, предварительный усилитель 3, фильтр 4, основной усилитель 5, компаратор 6, выход которого соединен с таймером 7, устройство сопряжения 8, цифроаналоговый преобразователь 9, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора 6, а также содержит аналого-цифровой преобразователь 10, выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства 11.

Кроме того, в системе основной усилитель 5 программируемый, а его выход подключен к инвертирующему входу компаратора 6 и последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем 10, выход оперативного запоминающего устройства 11 соединен с первым входом сигнального процессора 12, выход которого подключен к устройству сопряжения 8, а выход устройства сопряжения соединен с локальной сетью 13, которая, в свою очередь, соединена с компьютером 14. Выход таймера 7 подключен ко входу устройства управления 15. Причем первый вход устройства управления 15 соединен со входом генератора 16, выход которого через ключ 17 соединен с акустическим преобразователем 2. Второй вход устройства управления 15 соединен с управляющим входом оперативного запоминающего устройства 11. Третий выход устройства управления 15 соединен со вторым входом сигнального процессора 12. При этом устройство управления 15 также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение порога срабатывания, который с помощью цифроаналогового преобразователя 9 устанавливается на входе компаратора 6.

Устройство работает следующим образом.

Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, функциональная схема которой приведена на фиг.1, представляет собой распределенную систему сбора информации с пьезоэлектрических преобразователей, каждый канал которой является законченным функциональным узлом, который размещается непосредственно на объекте контроля. Каждый канал системы позволяет регистрировать и оцифровывать форму акустического сигнала, производить фильтрацию помех, вычислять спектр, регистрировать абсолютное время прихода, длительность, скорость нарастания переднего фронта и другие характеристики. Затем вся эта информация через устройство сопряжения по сети Ethernet передается в компьютер, который систематизирует всю информацию от измерительных каналов и по этим данным вычисляет координаты источников АЭ и выдает заключение о степени опасности дефектов.

Электрический сигнал с выхода пьезоэлектрического преобразователя 2 поступает на вход предварительного усилителя 3 и фильтра 4, где осуществляется его предварительное усиление с коэффициентом усиления К=40 дБ и частотная фильтрация. Фильтр 4 осуществляет подавление низкочастотных паразитных сигналов, и затем сигнал проходит на вход основного усилителя 5 с программируемым коэффициентом усиления.

Схема программируемого усилителя 5 показана на фиг.3 и состоит из следующих элементов: набора резисторов 18₁,... 18_n цифроаналогового преобразователя; входов управления 19₁,... 19_n цифроаналоговым преобразователем; набора перемычек 20; общей шины 21; операционного усилителя 22. Коэффициент усиления программируется путем установки набора перемычек 20 между общей шиной 21 и соответствующими входами управления 19_i цифроаналогового преобразователя. При этом набор перемычек 20 соответствует коду, поступающему на входы управления 19₁,... 19_n цифроаналогового преобразователя. Коэффициент усиления определяется подключением соответствующих резисторов 18₁, ... 18_n цифроаналогового преобразователя к операционному усилителю 22 и находится по формуле: К= -N_max/N, где N - управляющий код цифроаналогового преобразователя; N_max - максимальное значение этого кода.

После усиления сигнал поступает на вход компаратора 6, на второй вход которого подается пороговое напряжение. Если уровень сигнала превышает пороговый уровень, то компаратор 6 срабатывает и запускает таймер 7, который определяет время оцифровки сигнала. Оцифровка сигнала производится непрерывно до момента появления сигнала на выходе таймера 7. Одновременно с запуском таймера 7 сигнал с его выхода поступает через устройство управления 15 на сигнальный процессор 12, который регистрирует время прихода сигнала АЭ. Регистрация времени прихода сигнальным процессором 12 происходит за счет считывания значения внутреннего таймера, частота счета которого кратна частоте дискретизации аналого-цифрового преобразователя 10. Сигнальный процессор через устройство сопряжения 8 подключен к линии связи 13 с центральным процессором 14 компьютера.

Центральный процессор 14 производит общую синхронизацию всех каналов путем периодической подачи команды синхронизации одновременно на все каналы системы. Команда синхронизации предваряет кадр пересылки информации из канала в центральный процессор 14. При поступлении команды синхронизации формируется сигнал прерывания центрального процессора 12, по которому сбрасывается внутренний таймер процессора, инкрементируется счетчик кадров синхронизации и снова запускается таймер процессора. Генераторы, используемые в каналах системы, выполнены на основе кварцевых резонаторов, обладающих погрешностью =0,003%. Поэтому погрешность определения абсолютного времени прихода сигнала (если интервал кадровой синхронизации составит Т_кадр) не превысит (Т_кадр) с (фиг.2).

Если допустимая погрешность определения времени должна составлять не более 1 мкс, то максимальная длительность кадра будет равна 33 мс. Устройство сопряжения 8 позволяет подключить канал в локальную сеть типа Ethernet. Скорость передачи информации в такой сети составляет 10 Мбит в секунду, следовательно, за время кадра канал может передать около 30 кбайт результатов измерений. После команды синхронизации выбранный для обмена канал передает по линии связи центральному процессору 14 обработанную сигнальным процессором 12 информацию, а именно: время прихода сигнала АЭ, амплитуду, энергию, длительность сигнала, спектральные характеристики, скорость нарастания переднего фронта и т.д. Причем длительность передачи не должна превышать размеров кадра синхронизации. В следующем кадре происходит обмен со следующим каналом. Порядок опроса каналов определяет центральный процессор 14.

В каждый измерительный канал 1...n распределенной многоканальной акустико-эмиссионной системы встроен генератор сигналов 16. Встроенный генератор 16 по команде с устройства управления 15 через ключ 17 в определенные моменты времени подает калиброванный электрический импульс на вход пьезопреобразователя 2, который начинает работать в режиме излучения акустического сигнала. В это время все другие пьезопреобразователи 2 работают в режиме приема информации. Последовательно подавая электрический сигнал на все подключенные каналы и принимая отклики на это тестовое воздействие, осуществляется автоматическая калибровка качества установки пьезопреобразователей 2, определяется скорость распространения акустической волны в контролируемом изделии, определяется размер зон локализации АЭ-сигналов. После проведения операции калибровки каждый измерительный канал будет обладать своим весовым коэффициентом, на который умножается амплитуда каждого АЭ-сигнала. Таким образом, осуществляется унификация показаний измерительных каналов.

После фильтрации сигнал АЭ поступает на вход программируемого основного усилителя 5 (фиг.3) с переменным коэффициентом усиления 10=1...32. Коэффициент усиления программируется путем установки набора перемычек 20 между общей шиной 21 и соответствующими входами управления 19_i цифроаналогового преобразователя 9. При этом набор перемычек соответствует коду, поступающему на входы управления 19₁....19_n цифроаналогового преобразователя 9. Коэффициент усиления усилителя 5 определяется подключением соответствующих резисторов 18₁....18_n цифроаналогового преобразователя 9 к операционному усилителю 22 и находится по формуле: K=-N_max/N, где N - управляющий код цифроаналогового преобразователя; N_max - максимальное значение этого кода.

Затем сигнал поступает на неинвертирующий вход компаратора 6. На инвертирующий вход компаратора 6 подается пороговое напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 9 и при превышении сигналом порогового уровня компаратор 6 сработает, запуская схему отсечки времени, выполненную на таймере 7. Показания цифроаналогового преобразователя 9, выставляемые на входе компаратора 6, функционально связаны с уровнем помеховой ситуации на входе измерительной системы. Если при приеме АЭ-сигнала компаратор 6 непрерывно находится в сработанном состоянии, то устройство управления 15 дает команду на увеличение порога срабатывания, которое с помощью цифроаналогового преобразователя 9 устанавливается на входе компаратора 6. Подбор необходимого порога селекции позволяет более точно определять разность времен прихода акустических сигналов на пьезопреобразователь 2, что повышает точность локализации источника сигналов АЭ.

С выхода основного усилителя 5 с программируемым коэффициентом усиления сигнал также поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 10, который выполняет непрерывную оцифровку сигнала АЭ с одновременной записью информации в оперативное запоминающее устройство 11. По окончании времени отсечки таймер 7 через устройство управления 15 выдает сигнальному процессору 12 команду на обработку сигнала и в оперативное запоминающее устройство 11 - команду на остановку записи.

АЭ-сигнал, усиленный предварительным усилителем 3 на 40 дБ, поступает на вход фильтра 4 и после фильтрации подается на вход основного программируемого усилителя 5. При этом устройство управления 15 также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение порога срабатывания, который с помощью цифроаналогового преобразователя 9 устанавливается на входе компаратора 6. После усиления сигнал проходит на вход аналого-цифрового преобразователя 10, который осуществляет его непрерывную дискретизацию с частотой f=8 МГц. Сигнальный процессор 12 в каждом канале регистрирует абсолютное (с начала эксперимента) время прихода сигнала АЭ.

Сигнальный процессор 12 осуществляет расчет параметров сигналов АЭ и направляет данные в последовательную линию, связанную с центральным компьютером 14. Общая синхронизация системы обеспечивается центральным процессором компьютера 14 путем подачи команды синхронизации по последовательной линии одновременно на все каналы 1...n системы. Соединение каждого измерительного канала 1...n с центральным процессором компьютера 14 осуществляется по сетевой технологии Ethernet. Сетевая технология Ethernet представляет собой архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей. Это означает, что все узлы сегмента сети получают пакет одновременно. Суть метода передачи состоит в том, что любой абонент может пытаться получить доступ к среде (начать передачу пакета) в любой момент времени. Однако, если в процессе передачи передающий узел обнаруживает столкновение с работой другого передатчика, то он прекратит передачу и будет выжидать случайный интервал времени до возобновления попытки передачи.

Центральный процессор 14 по данным, полученным от каждого измерительного канала, производит идентификацию сигналов от различных источников, проводит расчет координат этих источников и дает заключение о степени опасности того или иного источника.