КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

ВЕСТНИК ТСГУ. 2023. № 2 (69)

УДК 620.179.17

К. А. Драчёв, В. Н. Овчарук, К. С. Пошарникова

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Драчёв К. А. - канд. техн. наук, доцент кафедры «Физика» (ТСГУ), e-mail: 007504@pnu.edu.ru; Овчарук В. Н. - канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматика и системотехника»(ТОГУ), e-mail: 005044@pnu.edu.ru;_ Пошарникова К. С. -студент группы ИСФ(б)-91, e-mail: 2019102328@pnu.edu.ru (ТСГУ)

В статье рассматривается разработка и результаты тестирования виртуального прибора «Анализатор спектра», реализованного в среде программирования LabVIEW 2020. Построение спектра сигнала базируется на основе расчета интеграла Фурье в комплексной форме для дискретного сигнала. Сигналы были получены при обработке ультразвуковыми методами образцов смолы ЭД-20, содержащей примеси отвердителя и пластификатора. Обработка сигналов была произведена на автоматизированной измерительной системе, оснащенной пьезоэлектрическими датчиками, осциллографом и генератором.

Ключевые слова: акустические измерения, амплитудно-частотная характеристика, измерительная система, анализатор спектра, акустический сигнал, Фурье преобразование.

Введение

Мир стремительно сдвигается в сторону интенсивного использования автоматизированных систем, что связано с появлением новых цифровых технологий. Взаимодействие пользователей с реальными системами уменьшается день ото дня. При этом все более важное место в инженерной практике занимают автоматизированные измерения. Распространенной измерительной задачей является наблюдение и анализ сигнала во временной и частотной областях. Временная составляющая сигнала анализируется с помощью осциллографов и требует особых методов обработки. При этом часто

© Драчёв К. А., Овчарук В. Н., Пошарникова К. С., 2023

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 2 (69)

более информативной и чувствительной оказывается спектральная форма представления сигнала.

Измерения в частотной области возможны с помощью анализаторов спектра [8-9]. Анализатор спектра - это устройство, которое позволяет измерить и визуализировать спектр сигнала. Спектр сигнала представляет собой набор синусоидальных волн в определенный момент времени и отображает распределение энергии сигнала по частотам. Данный прибор регистрирует амплитудно-частотную характеристику сигнала.

Целью настоящей работы является разработка и тестирование виртуального прибора «Анализатор спектра», разработанного и реализованного в среде программирования LabVIEW 2020. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет анализировать частотный спектр акустического сигнала одновременно по нескольким каналам.

Описание установки

Экспериментальные исследования акустических свойств образцов, проведены на автоматизированной многоканальной измерительной системе для изучения акустических свойств различных материалов. Более подробно структура и работа системы описана в работах [1-2]. При создании измерительной системы в ее основу был положен автоматизированный измерительный комплекс для изучения физических свойств полимеризую-щихся композиционных составов.

Для изготовления образцов материалов использовалась смола ЭД-20, а качестве отвердителя - полиэтиленполиамин (ПЭПА) и пластификатор (ДБФ). На необходимый объем эпоксидной смолы, требуется определенное количество пластификатора (на 100 гр. смолы расходуется около 10 гр. пластификатора). Следует учитывать, что количество пластификатора влияет на прочность изделия - чем больше пластификатора, тем меньше его прочность. Смола нагревается до 50°С, пластификатор добавляется частями. Полученная масса перемешивается до однородной консистенции.

После остывания смолы, в нее добавляется отвердитель ПЭПА, который смешивается в соотношении 10:1 (то есть на 10 единиц смолы добавляем 1 единицу отвердителя). Приготовленным составом заливаются формы и производится маркировка образцов. Так как в качестве отверди-теля используется ПЭПА, то смола отвердевает за сутки при комнатной температуре.

Измерительная система была разработана с использованием специально подобранной аппаратной базы, обеспечивающей высокую точность и унифицированность. Блок-схема установки представлена на рис. 1.

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЬШ МОДУЛЬ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ НЕ-РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 2 (69)

Рис. 1. Блок-схема автоматизированной системы

В качестве излучающих (И) и принимающих (П) элементов автоматизированной системы использовались прямые совмещенные пьезоэлектрические датчики (ПЭП) с резонансной частотой 1,25МГц.

ПЭП устанавливаются на торец или поверхность образца (ТМ) с использованием специальной акустической контактной жидкости. В качестве возбуждающего сигнала использовался импульс длительностью 1 мкс, амплитудой 10 В и частотой повторения 100 Гц, который формируется генератором ГСПФ-20. С помощью встроенного осциллографа Bordo B-222 производилась регистрация сигнала, поступающего с выходов широкополосного усилителя сигнала УЗ-29 и его запись в память компьютера (ПК). Для контроля работы системы использовался осциллограф АКИП4115 [34].

На рис. 2 приводится внешний вид и состав оборудования унифицированной установки. Установка собрана в стойке на мобильном шасси в стандарте КАМАК.

Рис.2. Автоматизированная измерительная система

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 2 (69)

Для каждого образца были получены серии усредненных цифровых осциллограмм акустических сигналов, зарегистрированных приемным преобразователем. Образец такой осциллограммы приведен на рис. 3.

и (В)

л

0,000005 0,

1 0,000015 0,00002 0,000025 0,00003

1,5 1 0,5 0

-0,5 -1 -1,5

1 (сек)

Рис. 3. Осциллограмма акустического сигнала

Разработка измерительной системы

Ряд Фурье связывает периодическую функцию с периодическими гармониками её составляющими. Используя интеграл Фурье, непериодическая функция представляется суммой периодических составляющих, таким образом сумма не обладает существенными свойствами своих слагаемых

[5].

Любой периодический сигнал с периодом Т раскладывается в ряд Фурье по кратным частотам:

х(Ь + пТ) = х(0, —то < С < то, п= 1,2,3,... (1)

Формулу (1) для процесса, ограниченного во временных рамках можно представить [6], как

~ 2

5(/)=--[

¿2 — ¿1 )

(2)

где Ь2 - границы интервала времени сигнала, для которого определяется спектр; и (С) - мгновенное значение сигнала в момент времени С; f - текущая частота, для которой рассчитывается спектр.

Лицевая панель содержит графическое изображение временной формы сигнала приёмника и его спектр, а также кнопки и др. переключатели органов управления. Конструирование лицевой панели из различных типовых элементов, находящихся в меню, позволяет адаптировать системы для решения конкретных задач и создает комфортные условия для проведения эксперимента.

В процессе анализа сигнал отображается во временной и частотной составляющих. Построение спектра осуществляется после выбора частотного диапазона. Для этого на панель были добавлены шесть тумблеров, которые

с

1

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЬШ МОДУЛЬ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ НЕ-РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 2 (69)

переключают между собой частотный диапазон, а также шесть раздельных регулировок [7].

Основное окно виртуального прибора «Анализатор спектра» приведено на рис.4.

Рис.4. Окно виртуального прибора "Анализатор спектра". 1 - чтение текстового файла, 2 - выбор спектра, 3 - 4 - тумблеры, регулировка частотного диапазона

Для отображения сигнала с приемника, необходимо подключение режима чтения текстового файла, приведенного в таблице 1.

Таблица 1

Фрагмент результатов измерений акустических сигналов

и, В £^=0 час. £2=1час. £3=2час. £4=3час. £5=4час. £13=720час.

0 -0,04263 -0,0504 -0,0555 -0,0320 -0,03205 0,193019

5,00Е-08 -0,05828 -0,0504 -0,0476 -0,0551 -0,05551 -0,19017

1,00Е-07 -0,0661 -0,0582 -0,0555 -0,0555 -0,04769 0,060077

1,50Е-07 -0,0582 -0,0504 -0,0476 -0,0398 -0,0398 -0,21363

2,00Е-07 -0,0504 -0,0504 -0,0476 -0,0398 -0,0398 -0,13543

2,50Е-07 -0,0582 -0,0504 -0,0555 -0,0476 -0,0476 -0,13543

Основным параметром анализа является задание диапазона анализируемых частот (рис.5).

Рис.5. Блок-диаграмма ВП "Анализатор спектра"

Главным элементом расчета является модуль преобразования Фурье, приведенный на рис.6.

Рис. 6. Расчет спектра сигнала 1 - файловый ввод/вывод, 2 - преобразование Фурье, 3 - 2Б массив, разделение на шестнадцать каналов

При расчете Фурье преобразования для функции задается время начала регистрации сигнала. Параметр йЬ - задает интервал времени в секундах между дискретными точками данных временной формы сигнала; параметр У - задает значения данных формы сигнала.

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЬШ МОДУЛЬ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ НЕ-РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 2 (69)

Программа обеспечивает выполнение следующих функций: загрузка ранее сохраненных осциллограмм акустических сигналов; разложение в спектр; предварительная фильтрация сигналов (при необходимости); возможность выбора нужного сигнала из файла.

Рис. 7. Спектр акустического сигнала с содержанием 1% ДБФ

Заключение

Разработанная программа предназначена для обработки осциллограмм акустических сигналов, поступающих с приемных преобразователей тракта приема автоматизированной измерительной системы и может применяться для спектрального анализа сигналов, а также их предварительной фильтрации.

Библиографические ссылки

1. Драчёв К.А., Римлянд В.И., Сясина Т.В. Измерение скорости звука и коэффициента затухания в композиционных материалах на основе полимерных связующих с различной степенью армирования // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2020 №2 4. С. 47-54.

2. Драчёв К.А., Римлянд В.И., Савченко В.В. Автоматизированная измерительная система для проведения акустических измерений // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2017. № 1. С. 13-20.

3. Драчёв К.А., Пошарникова К.С. Программный комплекс регистрации и постобработки акустических сигналов информационно-измерительной системы // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2022 № 4. С. 17-26.

4. Пошарникова К.С., Драчев К.А. Исследование акустических свойств эпоксидных композиций с добавлением пластификатора ДЭГ1 // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование : материалы XX регион. науч. конф., Хабаровск, 3-7 окт. 2022 г. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2022. С. 121-124.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 2 (69)

5. Козлов В.П., Заревич А.И. Разработка программного анализатора спектра в среде NI DAQ Signal Accessory. 2020. 123 с. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/60848/1/TPU929452.pdf (дата обращения: 24.04.2023).

6. Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа. М. : Горячая линия - Телеком, 2006.

7. Овчарук В.Н. Современные средства автоматизации контроля испытаний : учеб. пособие. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2021. 269 с.

8. Овчарук В.Н. Современные методы измерений в технических системах : учеб. пособие. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2019. 269 с.

9. Христофоров А.В. Методы анализа спектра сигнала : учеб.-метод. пособие к спец. лаб. практикуму для студентов старших курсов и магистрантов кафедр радиофиз. направления. Казань. 2004. URL: https ://kpfu.ru/docs/F 1648752926/METODY.ANALIZA.SPEKTRA. SIGNALA.pdf (дата обращения: 24.04.2023).

Title: Control and Measuring Module for Spectral Analysis of Single Pulsed Signals of a Non-Destructive Testing System

Authors' affiliation:

Drachev K. A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Ovcharuk V. N. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Posharnikova K. S. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation

Abstract: The article deals with the development and testing results of the Spectrum Analyzer virtual instrument implemented in the LabVIEW 2020 programming environment. The construction of the signal spectrum is based on the calculation of the Fourier integral in complex form for a discrete signal. The signals have been obtained by ultrasonic treatment of ED-20 resin samples containing hardener and plasticizer impurities. Signal processing has been carried out on an automated measuring system equipped with piezoelectric sensors, an oscilloscope, and a generator.

Keywords: acoustic measurements, frequency response, measuring system, spectrum analyzer, acoustic signal, Fourier transform.