CC BY
118
оптимальности методов совмещения смежных по пространству кадров.
В то же время, реализация обобщенного метода бинокулярного обнаружения КО в условиях, когда объект находится вне зоны стереоскопичес-Зона перекрытия (в полях зрения), *1Е-1 кого НабЛЮдения, позволяет реализовать принцип бинокулярного обнаружения. Оценка поисковых возможностей ОЭС, при ответственности оЭс от размеров усёовии, нго об -перекрытия смежных полей зрения ласть жрекриши
составляет 1/3
кадра, показала, например, что область стационарных орбит в зоне действия ОЭС может быть проконтролирована комплексом ОЭС с полями зрения 32'
• Поле зрения ОЭС 12'
—■— Поле зрения ОЭС 24'
—■— Поле зрения ОЭС 32' Рис.2. Зависимость времени просмотра контролируемой зоны
УДК.621.791:534.6
ЛОКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ РАЗВИВАЮЩИХСЯ ДЕФЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
БАБАКВ.П, ФИЛОНЕШО С.Ф., ГАЛАЙЧУКГ.Л.
Рассматривается система локации источников развивающихся дефектов по сигналам акустической эмиссии на базе персонального компьютера.
При использовании метода акустической эмиссии (АЭ) в решении научных и прикладных задач можно выделить два основных направления: исследование физико-химических процессов, происходящих в структуре материала под воздействием внешних факторов, с разработкой методов контроля и диагностики состояния изделий; локация источников развивающихся дефектов. В основе первого направления лежит определение первичных и вторичных параметров регистрируемых сигналов и их потоков, связанных с параметрами протекающих физических процессов, с последующим использованием соответствующего математического аппарата для установления основных закономерностей излучения и разработка на их основе методов контроля, оценки и прогнозирования состояния изделий. Локация источников развивающихся дефектов базируется на определении разности времени прихода (РВП) сигнала АЭ на антенну (датчики), установленную на объекте, с последующим использованием соответствующего математического аппарата и вычислительных алгоритмов определения пространственных координат источника излучения. При этом второе направление является преобладающим, так как АЭ системы, как правило, ориентированы на
РИ, 1999, № 2
и базовым расстоянием 800 км за 37 минут. Это в сравнении с традиционными методами обнаружения КО по скорости в 11 раз быстрее.
Литература. 1. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988. 527с. 2. Даник Ю.Г. Обнаружение стационарных и дальних космических объектов комплексами узкополосных оптико-электронных средств с большой базой // Сб. нучн. тр. ХВУ. 1998. №16. С. 49-56.
Поступила в редколлегию 12.06.99 Рецензент: канд. техн. наук Круглов А.В.
Даник Юрий Григорьевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ХВУ. Научные интересы: оптикоэлектронные информационные системы. Адрес: Украина, 61077, Харьков, пр. Свободы, 6, тел.40-41-41(2-87).
Рыбачук Олег Игоревич, канд. техн. наук, преподаватель ХВУ. Научные интересы: обработка информации. Адрес: Украина, 61077, Харьков, пр. Свободы!, 6, тел.40-41-41(2-87).
Кондрат Виктор Витальевич, преподаватель ХВУ. Научные интересы: зенитные ракетные комплексы и зенитные артиллерийские комплексы ПВО сухопутных войск. Адрес: Украина, 61077, Харьков, пр. Свободы, 6, тел.40-41-41(2-87).
Дяченко Дмитрий Владимирович, адъюнкт ХВУ. Научные интересы: оптико-электронные наблюдения объектов. Адрес: Украина, 61077, Харьков, пр. Свободы, 6, тел.40-41-41(2-87).
решение прикладных задач, а в основе их построения лежит локация источников развивающихся дефектов, с дополнительным расширением возможного количества анализируемых параметров.
Анализ взаимовлияющих факторов, проведенный в работе [1], показывает, что разделение АЭ систем является наиболее целосообразным, поскольку они направлены не только на решение самостоятельных задач разного класса, но и имеют различные методологические подходы в обработке принимаемой информации, хотя получение двух результатов в одном эксперименте, с экономической точки зрения, является достаточно выгодным. При обнаружении трещин и оценке состояния изделий эффективным является использование исследовательских систем [2, 3]. В то же время локация источников развивающихся дефектов или определение местоположения дефектов является важной задачей, особенно с точки зрения проведения работ по ремонту конструкций больших габаритов.
Рассматривая концепции построения систем регистрации и обработки сигналов АЭ [1], можно отметить, что они базируются на определенных методологиях, которые включают: применение (создание) первичных преобразователей; прием, усиление и выделение сигналов АЭ; измерение и обработку параметров сигналов и импульсных потоков АЭ; вывод и представление результатов анализа; управление процессами измерения, обработки и контроля. Основные различия в концепциях построения АЭ относятся к методологиям: измерения и обработки параметров индивидуальных сигналов и импульсных потоков АЭ; вывода и представления результатов анализа; управления процессами измерения, обработки и контроля. Данные методологии тесно взаимосвязаны между собой. При построении систем на базе технологии “PCLabcard” [1] производится структурирование информации и распределение функций по назначению и работе устройств.
13
Порты ввода-вывода аналоговой и цифровой информации, выпускаемые различными фирмами, являются мощными инструментальными измерительными средствами, предназначенными для создания измерительных систем. Их функциональные возможности обеспечивают организацию входного аналогового и цифрового измерительных интерфейсов, а также выходного цифрового интерфейса с непосредственной передачей данных по шине компьютера. При этом обеспечиваются: высокая скорость, высокая разрешающая способность и точность измерений. Например, для порта ввода-вывода типа PCL-718, изготавливаемого фирмой Advantech (США), погрешность измерения по аналоговому каналу составляет ± 0,01% (± 1 бит) с нелинейностью ± 1 бит, а для цифро- аналогового преобразования — ± (0,002 — 0,004) %. Порт построен по модульному принципу с организованной структурой внутренней шины обмена и пересылки данных на шину компьютера, с использованием быстродействующих регистров управления. Для возможности обмена данными по шине компьютера в портах обеспечивается последовательная адресация программно доступных регистров, фиксируемая относительно начального базового адреса, размещаемого в адресном пространстве компьютера. При некоторых фиксированных начальных установках (фиксированной конфигурации установок), таких как: базовый адрес, диапазон измеряемых напряжений по аналоговому каналу, частота работы внутреннего тактового генератора, уровень прерываний, диапазон выходных напряжений и другие, управление режимами работы порта осуществляется программным путем, через программно доступные регистры. Следует отметить, что для ускорения процесса работы портов по обмену и пересылке данных возможно использование специального конфигурирования ПЭВМ. Это связано с тем, что современные компьютеры имеют возможность программно, через конфигурацию машины, изменять параметры шины. Например: повышать скорость работы шины; запрещать установление дополнительной временной задержки на обращение к шине; устанавливать нулевую задержку для всех обращений к 16-битной шине и некоторые другие.
Как отмечалось выше, локация источников развивающихся дефектов базируется на определении разности времен прихода сигнала АЭ на антенну (датчики), установленную на объекте. Алгоритмы решения задачи определения координат источников излучения рассмотрены в работах [4, 5]. В общем случае задача решается для плоскости. Введем обозначения: Х1, Х2 — координаты источника излучения соответственно по оси х и по оси у, которые находим из системы уравнений
(Хг Хи)2 + (Х - Хі )2 = (д + <Дс)2, (1)
где Хц, Х2і — координаты i-го приемного преобразователя; rk — расстояние от источника излучения до k-го приемного преобразователя; xik = ti—tik—разности времени прихода сигнала на i-й и k-й приемные преобразователи; с — скорость звука в материале.
Решение системы уравнений (1) является громоздким. Упростить его можно применением приближенных алгоритмов расчетов, увеличением числа приемных преобразователей, упорядочением их расположения на объекте, а также за счет особенностей геометрии объекта контроля.
В случае линейной локации, когда один из линейных размеров объекта значительно превосходит остальные, используется двухканальная система. Датчики АЭ располагаются на прямой линии, а задача сводится к линейной (рис.1). Если базовое расстояние между датчиками равно 2Д источник излучения находится на
14
линии базы, то измерение временной задержки т прихода сигнала к датчикам позволяет определить координату Х\ расположения источника излучения: Х = 0,5сх. (2)
Величина задержки t имеет знак плюс, если отсчет задержки произошел по первому каналу Д1. При фиксации временной задержки только в диапазоне t<2B/c осуществляется пространственная селекция, т.е. для источников с координатами Хі>=В и Хі<=В.
При увеличении числа приемных преобразователей возможно осуществлять пространственную локацию на плоскости (х1, х2). Приемные преобразователи располагаются определенным упорядоченным образом. Для антенн, как отмечено в работе [5], алгоритм расчета координат источника излучения упрощается вследствие избыточности получаемой информации и определенной симметрии расположения преобразователей. При этом для группы n приемных преобразователей РВП xik=li — Д обладают свойствами, следующими из их определения:
ik ki
Tik - Tjk = Tij ;
% + Д = д ;
n n
22 Xik = °.
i=1 k=1
Рассматривая антенны из четырех приемных преобразователей, расположенных в виде квадрата и треугольника с базовым размером 2В, ориентированных относительно координатных осей (рис.2), в работе [5] выведены следующие соотношения для определения координат источников излучения:
— антенна в виде квадрата (рис.2, а)
с2
Х1 =
4B
с2
Х2 = ■
Т21Т23 + Т41Т43 " Т31 ;
Т32 — Т41
Т31(х23 + Т41) — 2т21Х41
(3)
4B
М2
Х1
34 21
антенна в виде треугольника (рис.2, б)
B 1,732 т41т43 + т21т23 — (4B2/ с2)
-+-
-с2х.
1,732 4B
31
ЗТ31 Т41 Т21
(4)
с2
3х3](х23 +х41) - 2х2]х4] - (4B2/ с2)
Х2 = ■
4B
42
3т31 Т41 Т21
Рис. 1. Схема определения линейных координат источников излучения АЭ: Д1, Д2 — датчики АЭ; 2В — базовое расстояние между датчиками; И — место расположения источника излучения; Х1 — расстояние до источника излучения относительно начала координат
РИ, 1999, № 2
Из выражений (2)-(4) видно, что при известной скорости звука в материале с, известном базовом размере антенны 2 В задача сводится к определению РВП сигналов на приемные преобразователи.
Общая концепция построения системы локации источников развивающихся дефектов на базе технологии “РСЬаЪсагб” рассмотрена в работе [1]. Как отмечалось, функциональные возможности портов ввода-вывода по скорости обработки и передачи данных имеют два интерфейса: относительно низкоскоростной — аналоговый, и быстродействующий — цифровой. Поэтому при построении систем локации и обработке сигналов АЭ производится распределение прохождения информации по аналоговому и цифровому интерфейсам, причем распределение информации осуществляется по ее назначению. Структурная схема каналов приема и формирования информации при локации источников излучения приведена на рис.3. Для проведения линейной локации используются два канала приема и обработки информации (базовый вариант), а для проведения пространственной локации подключается дополнительное число каналов, в зависимости от используемого алгоритма локации источников развивающихся дефектов.
Каналы приема и усиления сигналов АЭ однотипны. Сигналы с выхода пъезокерамического датчика (Д, рис.3) усиливаются предварительным усилителем (ПУ) и после амплитудного детектора (АД) по линии связи передаются в формирователь сигналов. Проведение измерений по огибающим регистрируемых сигналов с разделением функций измерения и обработки имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, резко сокращаются габариты аналогового тракта из-за конструктивного совмещения предварительного и основного усилителя (габариты усилительного тракта не превышают габаритов предварительно -го усилителя). Во-вторых, повышается помехозащищенность усилительного тракта. Кроме конструктивной помехозащищенности отсутствуют длинные линии связи для передачи высокочастотного сигнала, а наличие низкочастотной составяляющей позволяет осуществлять передачу сигнала без потерь по длинным линиям с высокой помехозащищенностью.
При этом не требуется каких-либо специальных мер защиты. Для обеспечения идентичности каналов усиления их настройка производится с учетом чувствительности применяемого датчика. В формирователе сигналов производится измерение и распределение информации. По аналоговому интерфейсу передаются значения пиковых амплитуд сигналов с выхода пикового детектора (ПД), а в режиме настройки подключается дополнительный канал — канал измерения уровня шума (выход усилителя в формирователе сигналов). По цифровому интерфейсу
РИ, 1999, № 2
передаются значения логической единицы, которые формируются на выходе компаратора (К), после сравнения усиленного сигнала со значением порога ограничения. Порог ограничения устанавливается программным путем, через порт ввода-вывода информации (канал цифроаналогового преобразования) . Дальнейшая обработка информации осуществляется с использованием программного математического обеспечения, причем первичной является информация, поступающая по цифровому интерфейсу (скоростной интерфейс), а вторичной — информация, поступающая по аналоговому интерфейсу (низкоскоростной интерфейс). Измерение пиковых значений амплитуд принятых сигналов обеспечивается большим значением постоянной времени разряда пикового детектора (порядка 1 секунды), а сброс последнего осуществляется только программным путем, через цифровой интерфейс порта ввода-вывода.
Обработка информации по цифровому интерфейсу позволяет непосредственно определять задержки прихода сигналов АЭ на приемные датчики. При этом возможно использование двух режимов: расчет временной задержки с использованием внутреннего таймера порта ввода-вывода с тактовой частотой 2з-10 МГц; расчет временной задержки по скорости программной обработки операций чтения и записи цифрового канала для данного типа используемого персонального компьютера (ПК). Скорость программной обработки операций чтения и записи цифрового канала определяется
Рис.2. Схемы расположения преобразователей: а — антенна в виде квадрата; б — антенна в виде центрированного треугольника; 1, 2, 3, 4 — приемные преобразователи; И — источник излучения сигналов; гх, г2, г3, г4 — соответственно расстояние от источника излучения до приемного преобразователя
Рис.3. Структура каналов приема и формирователя информации:
Д — датчик АЭ; ПУ — предварительный усилитель; АД — амплитудный детектор; ПД — пиковый детектор; У— усилитель; К — компаратор; ДВ — датчик
возбуждения
15
с помощью тестирования системы — формирование тестовой посылки сигналов в материал, их прием и обработка с подключением внутреннего таймера порта ввода-вывода. Результаты обработки тестовых измерений для антенны в виде квадрата с базой 0,22 м и расположением датчика возбуждения на расстоянии Х\=1,0 м, Х2=0,75 м показали, что погрешность измерения не превышает 0,08 %. Это позволяет применять любой из данных режимов обработки, хотя с точки зрения программной реализации более простым является режим с использованием скорости обработки для данного типа ПК. Информация по цифровому каналу позволяет также определять длительность сигнала, поскольку сигнал на выходе компаратора существует в течение времени превышения полезного сигнала значения порога ограничения. Последний является обязательным условием работы системы. Это вызвано тем, что при значительных величинах коэффициента усиления (порядка 2-10N3-105) резко возрастает уровень шума на выходе усилителя (У), расположенного в формирователе сигналов.
Общий алгоритм работы системы построен на управлении всеми процессами программным математическим обеспечением (ПМО), которое формирует начальные условия готовности системы к приему информации: измерение и установка требуемого значения порога ограничения; сброс устройств в исходное состояние; переход в режим ожидания срабатывания любого из каналов по цифровомуинтерфейсу. При этом электронные блоки работают в непрерывном режиме, а полный анализ информации (чтение аналоговых и цифровых каналов; фильтрация информации; вычисление координат источника по каждому принятому сигналу, в соответствии с алгоритмами расчета; запись и хранение данных; вывод результатов анализа на экран монитора или печатающее устройство) осуществляется ПМО. Функции, выполняемые электронными блоками и ПМО для систем линейной и пространственной локации, однотипны. Для пространственной локации производится расширение числа анализируемых каналов и модификация структуры записи обработанной информации, что необходимо при выводе результатов анализа и построении карт распределения источников излучения.
Структурная схема четырехканальной системы локации источников развивающихся дефектов преведена на рис.4. Датчики АЭ устанавливаются на объекте контроля; в случае линейной локации — на линии (2 датчика), при пространственной локации—в соответствии с принятой конфигурацией антенны. Информация с датчиков через усилительный тракт поступает в формирователь сигналов и далее, через порт ввода-вывода, обрабатывается ПК Весь процесс измерения осуществляется под управлением ПМО.
Мощности современной вычислительной техники и выпускаемые порты ввода-вывода позволяют не только проводить построение АЭ систем на базе стационарных компьютеров, но и осуществлять построение мобильных систем на базе переносных “Миникомпьютеров” или на базе компьютеров типа “Notebook”. В последнем случае возможно использо-
вание автономного аккумуляторного питания. В зависимости от типа используемого порта ввода-вывода возможно наращивание числа каналов приема и обработки информации (16, 32,...), а для ускорения процессов обработки информации, как отмечалось выше, возможно использование специального конфигурирования ПК. В то же время при минимальном жестком аппаратном алгоритме работы внешних элетронных средств (усиление и формирование информации по аналоговому и цифровому интерфейсам) максимальная нагрузка ложится на программные средства, которые являются основой работы систем локации в целом, т.е. работа систем должна поддерживаться мощным программным математическим обеспечением.
Литература. 1. Филоненко С.Ф. Структурирование в системах регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии // Сб. науч. тр. Гос. аэрокосмического ун-та им.Н.Е.Жуковского “ХАИ”. Открытые информационные и компьютерные интегральные технологии. 1998. №
2. С.145-152. 2. БабакВ.П., Філоненко С.Ф. Вплив порогу обмеження на критеріальну оцінку виділення сигналів акустичної емісії від тріщин //Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. 1998. № 7. С.31-39.
3. Филоненко С.Ф. Критерии состояния изделий с использованием метода акустической эмиссии // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы. 1998. №2. С. 103-113. 4. Грешников В.А., Дробот Ю.В. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М: Изд-во стандартов, 1976. 272 с. 5. Дробот Ю.Б., Лазарев А.М. Неразрушающий контроль усталостных трещин акусто-эмиссионным способом. М: Изд-во стандартов, 1987. 128 с.
Поступила в редколлегию 02.06.99 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Пресняков И.Н.
Бабак Виталий Павлович, д-р техн. наук, профессор, ректор Киевского международного университета гражданской авиации. Научные интересы: оброботка сигналов и ультразвук в технической диагностике.
Филоненко Сергей Федорович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник кафедры научных, аналитических и экологических приборов и систем НТУУ “КПИ”. Научные интересы: акустическая эмиссия в технической диагностике.
Галайчук Григорий Леонидович, старший научный сотрудник КБ “Шторм” при НТУУ “КПИ”. Научные интересы: неразрушающий контроль, электроника в медицине.
Рис.4. Четырехканальная система локации источников развивающихся
дефектов
16
РИ, 1999, № 2
