Способ ультразвукового контроля объектов в охраняемой зоне
Изобретение относится к средствам контроля охраняемых объектов. Технический результат заключается в обеспечении высокой точности определения присутствия или отсутствия контролируемых объектов на определенном месте и возможности выявления перемещения контролируемых объектов в охраняемой зоне. Результат достигается при последовательном излучении акустического зондируещего сигнала через среду в виде твердого тела к контролируемым объектам, регистрации отраженного эхо-сигнала в виде временной развертки пиковых импульсов, а полезную информацию получают при сравнении зарегестрированных эталонного и контрольного эхо-сигналов. 8 з.п. ф-лы. 6 ил.
Изобретение относится к средствам контроля охраняемых объектов, в частности к средствам, обеспечивающим дистанционное слежение за наличием или отсутствием объекта в установленном месте, а также за попыткой его перемещения или повреждением.
Для того чтобы обеспечить дистанционный контроль за одним или несколькими объектами, помещенными в охраняемую зону, в которую ограничена возможность доступа, как правило, используют различные виды излучения, реагирующие на наличие или отсутствие объекта в зоне контроля. Наиболее часто используют ультразвуковое излучение.
Известен способ контроля вторжения, заключающийся в излучении ультразвуковых импульсов в охраняемую зону, приеме отраженных сигналов, анализе спектра частот принятых сигналов и выявление частот, отличных от частот излучаемого сигнала, появление которых вызвано перемещением объекта в зоне контроля (заявка Франции №2096792, МПК G 08 B 13/00, опубл. 1972).
Недостаток заключается в необходимости использования сложной анализирующей аппаратуры и в невозможности определения конкретного места произошедшего воздействия при наличии нескольких контролируемых объектов.
Известен способ контроля распространения звуковых волн в акустической среде, заключающийся в формировании несущей частоты волновых колебаний, модулировании несущей с целью получения частотно-модулированного сигнала, определении временного сдвига между переданным и принятым модулированным сигналами, регистрации изменений полученного таким образом временного интервала с целью оценки различных скоростей распространения волнового сигнала в акустической среде и формировании предупредительного сигнала при превышении указанным временным интервалом заданного значения (патент США №3946377, МПК G 08 B 13/08, публикация 1976). Такое превышение может быть вызвано произошедшим вмешательством в акустическую среду, например появлением постороннего объекта в зоне контроля.
Недостаток заключается в пониженной точности контроля при не ярко выраженных нарушениях, например, при перемещении объекта в пределах зоны контроля.
В качестве прототипа выбран способ обнаружения изменений в охраняемой зоне, заключающийся в излучении импульса акустической энергии, например, ультразвуковой, от источника через среду, передающую это излучение по направлению к месту размещения контролируемого объекта, и анализе контрольной зарегистрированной информации, причем этот анализ включает в себя измерение интервала времени между моментом излучения и моментом поступления отраженного эталонного импульса на приемник, а также измерение интервала времени между моментом излучения контрольного импульса и моментом поступления отраженного импульса на приемник, сравнение указанных интервалов путем вычисления разности между ними и генерирование предупредительного сигнала (патент США №4242743, МПК G 08 B 13/16, публикация 1980).
Недостатком является то, что отраженный сигнал, как правило, содержит множественные гармоники, затрудняющие определение точного момента времени отражения, что вносит определенную погрешность в результат контроля. Кроме того, с течением времени параметры среды, через которую передается ультразвуковое излучение, могут меняться и это также вносит дополнительную погрешность в результат контроля.
Задача стоит в создании способа, обеспечивающего высокую точность определения присутствия или отсутствия контролируемых объектов на определенном месте с учетом изменения или флуктуации параметров среды с течением времени, а также в возможности выявления попытки перемещения контролируемых объектов в охраняемой зоне.
Поставленная задача решается тем, что в способе ультразвукового контроля объектов в охраняемой зоне, заключающемся в излучении акустического зондирующего сигнала от источника через среду, передающую это излучение по направлению к контролируемым зонам, регистрации отраженного эхо-сигнала и анализе контрольной зарегистрированной информации, согласно изобретению в качестве передающей среды используют звукопровод в виде твердого тела, передающего последовательно звуковое или ультразвуковое излучение от одной контролируемой зоны к другой, которыми служат места контактов контролируемых объектов с указанным твердым телом, при этом иные звукоотводящие контакты со звукопроводом исключают, а полезную информацию извлекают из разности отраженного эхо-сигнала, соответствующего моменту контроля, и отраженного эхо-сигнала, принятого за эталон.
Как показали многочисленные эксперименты, даже легкий контакт, типа касания, тел из звукопроводящего или незвукопроводящего материала с твердым телом, по которому распространяется акустический, как правило, ультразвуковой сигнал, вызывает изменение отраженного эхо-сигнала настолько выраженное, что оно вполне может служить для извлечения информации об исчезновении или изменении одного или нескольких таких контактов в одной или нескольких контролируемых зонах. Это позволяет использовать единый твердотельный звукопровод для контроля за наличием нескольких объектов, обеспечив их контакт с этим звукопроводом в разных его точках, так называемых контролируемых зонах.
Для ввода зондирующего излучения в твердое тело используют продольную ультразвуковую или звуковую волну. При продольной волне эффект проявляется на больших расстояниях.
В одном варианте твердый звукопровод выполняют протяженным, например, в виде прута, ленты или проволоки, а контролируемые зоны формируют в местах контакта контролируемых объектов с боковой поверхностью соответствующих участков протяженного звукопровода, при этом излучение и съем эхо-сигналов осуществляют с одного из концов протяженного тела.
Контакт между контролируемым объектом и звукопроводом можно организовать как звукоотводящим, т.е. с отведением части зондирующего излучения на контролируемый объект, так и незвукоотводящим, т.е. без отведения зондирующего излучения, но с его отражением.
И в том и в другом случае на зарегистрированном эхо-сигнале место контакта с контролируемым объектом, т.е. контролируемая зона, будет отчетливо просматриваться в виде ярко выраженного пика.
Контакт контролируемого объекта со звукопроводом в виде протяженного тела можно организовать за счет силы тяжести контролируемого объекта. Иными словами, контролируемый объект из звукопроводящего материала можно просто поставить на звукопровод, размещенный на звукоизолирующей подложке.
Также можно организовать контакт контролируемого объекта со звукопроводом в виде протяженного тела при использовании дополнительных элементов зацепления, установленных на контролируемом объекте, например подпружиненных скоб или крепежа. Важно выполнить крепежные элементы таким образом, чтобы они охватывали протяженный звукопровод не полностью, оставляя часть звукопровода свободной для прохождения ультразвуковой (звуковой) волны. Это вызвано тем, что прохождение ультразвуковой волны осуществляется по поверхности твердого тела. Поэтому частичный охват звукопровода не позволит отвести весь ультразвуковой сигнал на объект, стоящий предыдущим в цепи по отношению к последующим объектам, контактирующим с тем же звукопроводом и обладающих собственной звукопроводностью.
Эти элементы могут взаимодействовать с объектами таким образом, что при попытке отделения контролируемого объекта от контролируемой зоны возникают деформации поверхности соответствующего участка протяженного тела, изменяющие контролируемый эхо-сигнал. Это можно обеспечить особым выполнением зажимов, чтобы при их отсоединении возникала бы дополнительная деформация или повреждение, изменяющие эхо-сигнал.
Звукоотражающий контакт со звукопроводом можно обеспечить, например, через клейкую полоску, например скотч, бумагу или т.п.
В другом варианте выполнения твердое тело сформировано двумя кольцеобразными деталями, стянутыми между собой крепежными элементами, служащими в данном случае контролируемыми объектами, при этом излучение и съем эхо-сигналов осуществляют, по меньшей мере, с одной из точек поверхности одной из кольцеобразных деталей.
Такой вариант является очень подходящим для контроля болтовых соединений, стягивающих крышку бочкообразного контейнера с обечайкой его корпуса. Сами болты, являясь контролируемыми объектами, одновременно формируют цельный кольцеобразный звукопровод, звукопроводящие параметры которого зависят от величины затяжки каждого из болтовых соединений. При этом, как показали эксперименты, изменение затяжки в одном из болтовых соединений настолько изменяет отраженный эхо-сигнал, что благодаря этому становится возможным установление контролируемой зоны, вызвавшей изменение вида эхо-сигнала, т.е. выявление места изменения затяжки.
Как в том, так и в другом вариантах, в качестве эталона используют сохраняемый в памяти отраженный эхо-сигнал, соответствующий заведомо исходному состоянию контролируемых зон контролируемого объекта. Именно возможность сравнения с эталонным сигналом позволяет оценить не только факт нарушения контролируемой зоны, но и ее местонахождение.
Однако в качестве эталона можно использовать отраженный эхо-сигнал, являющийся контролируемым в одном из предыдущих циклов контроля. Это позволит определить не только факт изъятия контролируемого объекта, но и попытку его изъятия, которая в ином случае могла оказаться незамеченной.
На фиг.1 схематически приведен вариант реализации способа с единым протяженным звукопроводом, контактирующим с несколькими контролируемыми объектами, последовательно установленными вдоль него, и позволяющий выявить изъятие или перемещение объекта относительно звукопровода. При этом показаны различные варианты касания этими объектами поверхности звукопровода. Еще один вариант касания контролируемым объектом поверхности протяженного звукопровода, не охваченный фиг.1, приведен на фиг.2. На фиг.3 и 4 показаны варианты контакта контролируемых объектов со звукопроводом через двухсторонний скотч. На фиг.5 показан вариант реализации способа с кольцеобразным звукопроводом. На фиг.6 (а, б) приведены примеры зарегистрированных эталонного и контрольного эхо-сигналов.
Приведенный на фиг.1 вариант реализации способа содержит протяженный звукопровод 1 в виде изогнутого металлического прута или ленты, к разным участкам которого так или иначе примыкают с касанием контролируемые объекты 2, 3, 4. К одному из концов звукопровода подсоединен приемопередатчик ультразвукового сигнала 5, соединенный с блоком 6 обработки эхо-сигналов. Второй конец звукопровода 1 оставлен свободным. Расстояние от последней контролируемой зоны до конца составляет примерно несколько длин волн зондирующего сигнала. На фиг.1 приведены несколько вариантов касания контролируемыми объектами звукопровода. Объект 2 установлен непосредственно на звукопровод 1, который в свою очередь покоится на звукоизолирующей подложке 7, выполненной, например, из текстолита. Объект 3 имеет петлеобразный зацеп 8 и находится в подвешенном состоянии относительно звукопровода 1, в свою очередь опирающегося на звукоизоляционные опоры 9. Объект 4 закреплен относительно звукопровода с помощью шайбы 10 и болта 11. Во всех случаях касания, с фиксированием или без него, часть поверхности звукопровода 1 в контролируемых зонах остается не охваченной самими контролируемыми объектами или вспомогательными элементами, что позволяет зондирующему сигналу свободно идти мимо контролируемых зон по направлению к последующим. Примерно такой же принцип касания звукопровода 1 с контролируемым объектом 12, но с технологическими отличиями, предложен в варианте на фиг.2, где головки болтов 13 выполнены с пружинящими частями 14, позволяющими зафиксировать их относительно звукопровода 1.
На фиг.3 и 4 показаны варианты контакта контролируемых объектов 15 и 16 со звукопроводом 1 через двухсторонний скотч 17 с частичным охватом звукопровода. Такой очень легкий контакт, тем не менее, характеризуется возникновением заметного эхо-импульса, возникающего при отражении акустической волны от клея.
Вариант, приведенный на фиг.5, показывает принципиально иной вид звукопровода и принципиально иное назначение его. Звукопровод образован двумя кольцеобразными деталями 18 и 19 и крепежными элементами 20. Детали 18 и 19 по сути являются крышкой и обечайкой корпуса бочкообразного контейнера 21, для которого необходимо осуществлять контроль несанкционированного вскрытия крышки.
Приемопередатчик 5 с помощью гибкого звукопровода 1 подсоединяют к одной или двум точкам поверхности детали 18.
Способ реализуют следующим образом.
Рассмотрим случай протяженного звукопровода. В качестве звукопровода берут обычный протяженный прут или проволоку из металла, обладающего хорошими звукопроводящими свойствами, например, из стали или сплава алюминия, длину которого выбирают исходя из количества контролируемых объектов. К одному из концов звукопровода 1 подсоединяют приемопередатчик 5 продольной ультразвуковой волны. Выход приемопередатчика 5 соединяют с блоком 6 обработки эхо-сигналов. Затем вдоль звукопровода 1 устанавливают контролируемые объекты с обеспечением контакта тем или иным способом, из тех, что показаны на фиг.1, 2, 3 или 4. Второй конец звукопровода оставляют.
Выполняют с помощью звукоизолирующих подложек 7, 9 звукоизоляцию звукопровода 1 от любых поверхностей, соприкосновение с которыми могло бы вызвать отвод звукового сигнала, поступающего на звукопровод 1 от приемопередатчика 5. Затем с помощью блока 6 обработки эхо-сигнала регистрируют эхо-сигнал (фиг.6а), соответствующий исходному положению контролируемых объектов и запоминают его в качестве постоянного эталона. На эталонном сигнале отчетливо видны пики (например, А, Б, С на фиг.6а), местоположение которых на временной развертке соответствует расстоянию, пройденному зондирующим импульсом по твердотельному звукопроводу до объекта контроля. В процессе контроля периодически регистрируют эхо-сигналы и производят их сравнение с эталоном. Исчезновение контролируемого объекта на отведенном для него месте, соответствующем пику А на фиг.6а, проявится на зарегистрированном в процессе контроля эхо-сигнале в виде отсутствия пика на том месте, на котором он должен был бы находиться (фиг.6б,). Если же исчезновения объекта не было, а просто произошло его смещение, т.е. попытка изъятия, то при сравнении зарегистрированного эхо-сигнала с эталонным пик Б, соответствующий местоположению конкретного объекта, будет смещен относительно своего первоначального положения. Таким образом, единая временная эпюра эхо-сигнала позволяет следить не только за наличием нескольких контролируемых объектов в охраняемой зоне, но и обеспечивает возможность идентификации каждого объекта, находящемся на определенном для него месте. Это в свою очередь позволяет при сравнении зарегистрированного эхо-сигнала с эталонным выявить не только факт произошедшего вмешательства, но и конкретизировать, с каким или какими объектами это произошло.
Аналогичная картина имеет место при регистрации эхо-сигнала, полученного с кольцеобразного звукопровода. Для того чтобы правильно выявить место ослабления болтового соединения в исходную информацию, используемую для сравнения контрольного и эталонного сигналов, добавляют эпюры эхо-сигналов, соответствующие разным ослабленным болтовым соединениям и используют их для сравнения с контрольным сигналом в случае изменения контрольного эхо-сигнала по отношению к эталонному для уточнения места повреждения.
1. Способ ультразвукового контроля объектов в охраняемой зоне, заключающийся в излучении зондирующего сигнала от источника через среду, передающую это излучение по направлению к контролируемым зонам, регистрации отраженного эхо-сигнала и анализе контрольной зарегистрированной информации, отличающийся тем, что в качестве передающей среды используют звукопровод в виде твердого тела, последовательно передающего звуковое или ультразвуковое излучение к контролируемым зонам, которыми служат места контакта контролируемых объектов с указанным твердым телом, при этом регистрацию отраженного эхо-сигнала осуществляют в виде временной развертки пиковых импульсов, соответствующих контролируемым зонам, а полезную информацию получают при сравнении зарегистрированных эталонного и контрольного эхо-сигналов.
2. Способ ультразвукового контроля объектов по п.1, отличающийся тем, что в качестве звукопровода используют протяженное тело, например прут, ленту или проволоку, и образуют контролируемые зоны в местах контакта контролируемых объектов с боковой поверхностью соответствующих участков протяженного тела, при этом излучение и съем эхо-сигналов осуществляют с одного из концов протяженного тела.
3. Способ ультразвукового контроля объектов по п.2, отличающийся тем, что контактирование контролируемого объекта с протяженным звукопроводом организуют за счет силы тяжести контролируемого объекта.
4. Способ ультразвукового контроля объектов по п.2, отличающийся тем, что контактирование контролируемого объекта с протяженным звукопроводом осуществляют при использовании дополнительньх элементов зацепления, закрепленных на контролируемом объекте, например, скоб или крепежа.
5. Способ ультразвукового контроля объектов по п.4, отличающийся тем, что при попытке отделения контролируемого объекта от контролируемой зоны возникают деформации поверхности соответствующего участка протяженного звукопровода, изменяющие контролируемый эхо-сигнал.
6. Способ ультразвукового контроля объектов по п.2, отличающийся тем, что контактирование звукопровода с контролируемым объектом осуществляют через клейкую полоску бумаги.
7. Способ ультразвукового контроля объектов по п.1, отличающийся тем, что звукопровод сформирован двумя кольцеобразными частями звукопроводящих тел, стянутыми между собой крепежными элементами, размещенными в контролируемых зонах, при этом излучение и съем эхо-сигналов осуществляют, по меньшей мере, с одной из точек поверхности одного из кольцеобразных тел.
8. Способ ультразвукового контроля объектов по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталона используют сохраняемый в памяти отраженный эхо-сигнал, соответствующий заведомо исходному состоянию контролируемых зон.
9. Способ ультразвукового контроля объектов по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталона используют отраженный эхо-сигнал, являющийся контролируемым в одном из предыдущих циклов контроля.
