CC BY
34
УДК 519.71:583.3
В. О. ПАЩЕНКО, Н. О. МАТВееВА (ДНУ iM. О. Гончара, Дшпропетровськ)
НЕЙРОМЕРЕЖНЕ ОЦ1НЮВАННЯ ОБСЯГУ ДЕФЕКТУ ЗА ПРИРОЩЕННЯМИ ПЛОЩ1 ЗОНДУВАЛЬНОГО 1МПУЛЬСУ
Запропоновано використовувати нейромереж1 з асощативною пам'яттю для оцшювання обсягу поверх-невого дефекту сущльносп струмопроввдного матер1алу (виробу) за прирощеннями площ1 (середньою амп-лпудою) 1мпульсу електромагштного зондування.
Предложено использовать нейросети с ассоциативной памятью для оценивания величины поверхностного дефекта сплошности токопроводящего материала (изделия), исходя из приращений площади (средней амплитудой) импульса электромагнитного зондирования.
The neural networks with associative memory have been proposed to estimate the size of surface solidness defect of current-conducting material (article) with the help of the increases of electromagnetic probing impulse area (average amplitude).
Постановка проблеми
Оператившсть i безнаслщковють проведен-ня та точшсть оцшювання параметрiв, властивi електромагштному зондуванню, забезпечують його обгрунтоване застосування при неруйшв-ному контролi цiлiсностi виробiв[1 - 3], зокре-ма, з широко використовуваних волокнистих композитiв: металевих, евтектичних, вуглеце-вих [4 - 6], котрi володiють помiтною струмо-провiднiстю. Внаслiдок скiн-ефекту виявляють-ся лише поверхневi дефекти суцiльностi, котрi створюють найбiльшу загрозу конструкцiйнiй щлюносп - саме з !хнього зростання почина-еться руйнування [7].
Шорстюсть контрольовано! поверхнi спри-чиняе перекоси та вiдводи датчика, що поро-джуе адитивний шум змшно! iнтенсивностi. В таких умовах ефектившсть цифрових систем електромагнiтного зондування визначаеться як здатшстю здiйснювати складну лопко-обчи-слювальну обробку даних у найкоротший тер-мiн, так i високою завадостшюстю.
Адекватною мiрою обсягу трiщини е площа 11 проекцii на направляючу площину, оскiльки величина цiеi площi пропорцiйна впливу дефекту на зондувальне електромагнiтне поле. З ш-шого боку, ступiнь впливу дефекту вщобража-еться обсягом зондувального iмпульсу, зокре-ма, тривалiсть взаемодii датчика з дефектом визначае протяжнють бази формованого iмпу-льсу, а його площа вардаеться вiд мiнiмального значення Qmm >> 0 (для точкових дефекпв) до максимального Qmax (для дефекпв, якi переб> льшують зону контролю) залежно вiд геомет-ричних розмiрiв трiщини, орiентацii 11 направ-ляючо1 площини - по вщношенню до траекторii сканування - тощо.
Внаслiдок вiдсутностi всебiчноi математич-но! теорii виявляеться невiдомим i, мабуть, не-однозначним вплив указаних чинниюв на зм> нення площi iмпульсу зондування, а тому, з метою оцшювання обсягу поверхневого дефекту, дощльне залучення штучних нейронних мереж [8 - 12], причому таких, як швидко навчають-ся, використовуючи непредставницью вибiрки даних експерименту.
Метою статтi е залучення штучних нейро-мереж iз асоцiативною пам'яттю, зокрема, мереж Гопфiлда для оцiнювання геометричних розмiрiв поверхневого дефекту суцiльностi струмопровiдного матерiалу чи виробу за при-рощенням площi (середньою амплiтудою) iм-пульсу електромагнiтного зондування.
Основна частина
У процес неруйнiвного контролю електро-магштний датчик, зокрема, накладний вихоро-струмовий перетворювач (ВСП) покроково ска-нуе поверхню виробу, формуючи дискрети Sj (i = -N, ..., N) iмпульсу у разi взаемодii з дефектом. Унаслiдок адитивного шуму змшно! ш-тенсивностi вiдлiки викривляються: Sj + ej, де {ej} - компоненти вектора похибки (i = = -N, ..., N). Отриманi в такий спошб вхiднi змiннi Xj (i = —N,..., N) подаються на входи про-поновано! нейромережi, котра узагальнюе в> домi мереж з асощативною пам'яттю, зокрема, мережу Гопфшда.
Узагальнення досягаеться шляхом тдклю-чення додаткового шару вхщних нейронiв Мак-каллоха-Пiттса.
З метою виявлення присутносп зондувального iмпульсу в складi ковзно! вибiрки, оцiнку
© Пащенко В. О., Матвеева Н. О., 2009
А( = 2 - етт (0 < А( < етах - етт) глобального прирощення площi
N
а( = X (5,- + е,-) - й™ =
= ( X - 2тп) + Х
(1)
обчислюе управляючий нейрон iз бiполярною пороговою функщею
р (2) =
1 при 2 > (т -1 при 2 < (т
i опорним сигналом (тт, причому на входи з одиночними вагами подаються змшш х, (. = = - N ..., N).
Вiдповiдно до виразу (1), вiдбуваеться без-посередне згладжування дискрет iмпульсу в межах ковзно! вибiрки шляхом пiдсумування (2N + 1) вiдлiкiв.
Другий i третiй управляючi нейрони вхвдно-го шару тдсумовують дискрети, вiдповiдно, лiво! i право! половин ковзно! вибiрки та в !! межах фшсують центральне положення iмпуль-су в разi рiвностi часткових сум. Остання обу-мовлюе необхiднiсть подальшо! обробки.
Решта нейронiв вхiдного шару фшсуе пере-бiльшення оцiненим значенням прирощення площi iмпульсу експериментально встановле-них величин поропв для рiзних за розмiрами дефектiв. В результатi вхвдний шар нейронiв формуе один iз М можливих векторiв, якi мю-тять N бiнарних символiв «±1».
Приклад. Розглянемо особливостi класиф> кацi! за глибиною довгих поперечних поверх-невих трiщин у композитi типу вуглець-вуглець за допомогою нейромережi Гопфшда, навчання котро! проведено iз залученням результатiв на-ступного експерименту.
Для поперечних трщин прямокутного перетину iз розкриттям 300 мкм та фiксовано! гли-бини А: 1, 2, 3, 4, 5 мм - у процес сканування iз кроком 1 мм за координатою 5 поперек !хшх направляючих площин - експериментально встановлеш модуляцiйнi характеристики вщно-сних (внесених контрольованою дiлянкою композита) активного Я / таЬ0 =¥( 5) й iндуктивно-го Ь /Ь0 =Ф(5) опорiв, де ю = 2л/ - циклiчна частота монохроматичного збудження (при / = = 10 МГц), Ь0 - власна iндуктивнiсть круглого параметричного ВСП. Останнiй мютить фери-тове осердя марки М400НН дiаметром - В =
= 7 мм; висота намотування котушки - Н = = 4.5 мм; кшьюсть виткiв - п = 9; дiаметр мщ-ного дроту - й = 0.6 мм; величина зазору мiж торцем ВСП i поверхнею композиту приймала значення: 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 мм.
При перетинанш траекторiею сканування ВСП направляючо! площини трiщини, формований iмпульс досягае мiнiмуму. При цьому iмпульс модуляцiйно! характеристики Ь /Ь0 = Ф(5) е швертованим унiмодальним за формою, причому ампл^уда мiнiмуму зменшу-еться зi збшьшенням глибини трiщини (змен-шення вщносно! внесено! iндуктивностi тим помiтнiше, чим бшьше порожнини опиняеться в зош контролю).
Модуляцiйна характеристика Я / таЬ0 = ¥(5) мiстить бiмодальнi iмпульси, якi формуються так. При входженш трiщини в зону контролю -внаслщок зменшення в нш частки струмопро-вiдного матерiалу - збшьшуеться внесений вщ-носний отр. Останнiй, згодом, помiтно змен-шуеться, коли трiщина займае центральне положення в зош контролю, зменшуючи перепону розповсюдженню вихорових струмiв за кон-центричними траекторiями. Тому центральний мiнiмум, що вказуе трiщину, необов'язково е глобальним (меншi значення ампл^уди можуть рееструватись iз бокiв обох максимумiв - що вiдповiдае моментам часу до чи шсля входжен-ня трiщини в зону контролю).
З метою стабшзаци умов вимiрювань в об-ластi локалiзацi! трщини шляхом усунення вторинних факторiв, зокрема, вщдаленосп вiд кромки композитного виробу, запропоновано площу iмпульсiв оцiнювати за допомогою !хшх
усереднених амплiтуд Яв / таЬ0 й Ьв / Ь0 . Вщм> тимо, що в процес усереднення здiйснюеться згладжування адитивного шуму з нульовим ма-тематичним очшуванням.
Тодi вiдносний комплексний отр, що хара-ктеризуе трiщину:
2 = Я +
20 Я0 + 7таЬ0
де активний власний отр Я0 ВСП, на декшька порядкiв менший вiд його iндуктивного опору таЬ0, задаеться формулою:
2/20 «Ь/Ь0 -]Я/гаЬ0.
У разi геометричного подання вiдносних внесених комплексних опорiв !хнi модуль i аргумент обчислюеться так:
i=-N
\2/г0\ = д/(Ь/Ь0)2 + (Я/ъЬ0)2 ;
Ф = -агс^-
Я / таЬ„
Ь / Ь
виходячи з усереднених ампл1туд експеримен-тальних 1мпульс1в.
При анал1з1 даних експерименту встановле-но, що складов1 вщносного комплексного опору змшюеться таким чином:
• дшсна частина й модуль - у десят части-ни разу;
• уявна частина - в сот дол1 разу;
• аргумент - у межах 10°.
Тому в якост двовим1рного простору шфо-рмащйних ознак для розр1знення довгих попе-речних трщин за !хньою глибиною дощльно використовувати комплексну площину у раз1 геометричного подання усередненого вщносно-го опору за допомогою модуля й аргументу.
Приклад (продовження). На рис. 1 для трьох значень зазору к: 0.2, 0.5, 1.0 мм наведет зале-жност - обведет штрих-пунктирними овалами - аргументу вщносного (внесеного до ВСП) комплексного опору вщ значень його модуля для трщин глибини А: 1, 2, 3, 4, 5 мм. Анал1з залежностей вказуе на те, що збшьшення зазору попршуе розр1знювальну спроможшсть глибо-ких трщин.
Додатковий шар нейрошв формуе М = 6 комбшащй 1з N = 5 бшарних символ1в, яю вка-зують довжину трщини (мм):
+ + + + +) > 5,
- + + + +) > 4,
- - + + +) > 3,
- - - + +) > 2, ----+) > 1,
----) < 1.
Встановлено, що значення використовува-ного зазору ВСП й частоти монохроматичного збудження дощльно розр1зняти за допомогою тако! шформащйно! ознаки, як аргумент комплексного опору, тод1 як величина його модуля е однозначним класифшатором глибини тр1-щин.
З метою нейромережного ощнювання модуля й аргументу вщносних внесених комплекс-них опор1в в умовах шуму змшно! штенсивнос-т застосовано рекурсивний автоасощативний вар1ант Б8Б мереж1 Гопфшда, реатзований засобами ЫЛТЬЛБ [9].
У початковому сташ Б8Б перебувае в сере-диш одиничного гшеркуба, обмеженого вхщ-
ними бшолярними сигналами, сформованими додатковим шаром вхщних нейрошв. При фун-кщонуванш мережа здшснюе рекурсивну зм1ну сво!х сташв у напрямку граней гшеркуба й ¡з залученням близько 20 1теращй симуляцп опи-няеться в одному ¡з стшких сташв, котрий { ви-значае глибину певно! трщини.
Сфера застосування, а також простота стру-ктури { функщонування використовуваних шту-чних нейтронних мереж роблять дощльною !хню програмну реатзащю за допомогою м1к-ропроцесор1в 1 процесор1в ЦОС.
Висновки
Таким чином, штучш нейрош мереж з асо-щативною пам'яттю, зокрема, мережа Гопфш-да, залучеш для ощнювання геометричних роз-м1р1в поверхневого дефекту сущльност стру-мопровщних матер1ал1в чи вироб1в за приро-щеннями площ1 1мпульсу електромагштного зондування (чи за його середньою ампл1тудою).
З метою усунення впливу адитивного шуму на результати електромагштно! дефектоскопи за допомогою параметричного накладного ви-хорострумового перетворювача (ВСП) запро-поновано:
• у межах виб1рки здшснювати згладжу-вання дискрет модулящйного 1мпульсу шляхом обчислення прирощення площ1 1мпульсу (чи його середньо! ампл1туди, яка не залежить вщ кшькост дискрет), котре пропорщйне розм1ру трщини;
• модифшувати годографи параметричних ВСП, використовуючи значення комплексного опору, котрий вщповщае не максимальнш, а середнш амплгтуд1 модулящйного 1мпульсу дефекту;
• серед можливих вид1в годограф1в перевагу слщ вщдавати залежносп аргументу вщнос-ного комплексного опору вщ його модуля, коли шформащйними ознаками для розтзнавання служать: а) значення аргументу щодо величини зазору й частоти монохроматичного збудження, б) вар1аци модуля - для класифшацп довгих поперечних трщин за !х глибиною.
З метою нейромережного ощнювання модуля й аргументу вщносних внесених комплекс-них опор1в застосовано рекурсивний автоасощативний вар1ант Б8Б мереж Гопфшда.
Сфера застосування, а також простота стру-ктури { функщонування використовуваних шту-чних нейтронних мереж роблять дощльною !хню програмну реатзащю за допомогою м1к-ропроцесор1в 1 процесор1в ЦОС.
Рис. 1. Залежносп величини аргументу ввдносного (внесеного до ВСП) комплексного опору ввд значень його модуля для трщин глибини Д = 1, 2, 3, 4, 5 мм та зазорiв к = 0.2, 0.5, 1 мм
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИИ СПИСОК
1. Дорофеев, А. Л. Электромагнитная дефектоскопия [Текст] / А. Л. Дорофеев, Ю. Г. Казама-нов. - М.: Машиностроение, 1980. - 232 с.
2. Соболев, В. С. Накладные и экранные датчики (для контроля методом вихревых токов) [Текст] /В. С. Соболев, Ю. М. Шкарлет. - Новосибирск: Наука, 1967. - 144 с.
3. Хандецкий, В. С. Спектральная идентификация сигналов в дефектоскопии композитов с использованием теории статистических испытаний [Текст] / В. С. Хандецкий, В. В. Герасимов // Вкник ДНУ: Фiзика. Радюелектрошка. -2003. - № 10. - Д., 2003. - С. 128-132.
4. Композиционные материалы [Текст] : справочник / под ред. Д. М. Карпиноса. - К.: Наук. думка, 1985. - 591 с.
5. Композиционные материалы [Текст] : справочник / под ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопо-льского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
6. Джур, £. О. Пол1мерш композицшш матерiали в ракетно-космiчнiй техшщ [Текст] : шдручник / £. О. Джур, Л. Д. Кучма, Т. А. Манько. - К.: Вища освта, 2003. - 399 с.
7.
9.
Фудзии, Т. Механика разрушения композиционных материалов [Текст] / Т. Фудзии, М. Дза-ко; [пер. с япон. С. Л. Масленикова]. - М.: Мир, 1982. - 232 с.
Горбаченко, В. И. Нейрокомпьютеры в решении краевых задач теории поля [Текст] / В. И. Горбаченко. -М.: Радиотехника, 2003. - 336 с. Медведев, В. С. Нейронные сети. МЛТЬЛБ 6 [Текст] / В. С. Медведев, В. Г. Потемкин. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. - 496 с.
10. Аксенов, С. В. Организация и использование нейронных сетей (методы и технологии) [Текст] / С. В. Аксенов, В. Б. Новосельцев. - Томск: Изд-во НТЛ, 2006. - 128 с.
11. Барский, А. Б. Нейронные сети: распознавание, управление, принятие решений [Текст] / А. Б. Барский. - М.: Финансы и статистика, 2004. - 176 с.
Муха, Ю. П. Нейросетевые измерительные системы. Диагностика состояния сложных объектов [Текст] / Ю. П. Муха, М. Г. Скворцов. - М.: Радиотехника, 2007. - 336 с.
Надшшла до редколегп 30.03.2009. Прийнята до друку 07.04.2009.
12.
