Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий
Владельцы патента RU 2300761:
ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина" (RU)
Использование: для неразрушающего контроля изделий. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу первого цифрового мультиплексора, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления, выходы первого цифрового мультиплексора подключены к двум оперативным запоминающим устройствам, выходы которых соединены с входами второго цифрового мультиплексора, а управляющие входы оперативных запоминающих устройств объединены и подключены ко второму выходу устройства управления, третий выход устройства управления подключен к управляющему входу второго цифрового мультиплексора, а в каждом канале выход пикового детектора соединен с неинвертирующим входом компаратора, а к инвертирующему входу компаратора каждого канала подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей объединены и соединены с первым выходом микропроцессора, выходы компараторов соединены с входами микропроцессора, шина ввода-вывода которого соединена с первой шиной ввода-вывода устройства управления, вторая шина ввода-вывода устройства управления объединена с выходной шиной второго мультиплексора и соединена с шиной компьютера. Технический результат: повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей устройства. 1 ил.
Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при прочностных испытаниях конструкций.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий (пат. РФ №1589204, G01N 29/04, приоритет от 4.10.88 г.), содержащее идентичные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из последовательно соединенных пьезоэлектрического акустического преобразователя, предусилителя, фильтра, основного усилителя, к выходу которого подключен пиковый детектор и формирователь строба, а также цифроаналоговый преобразователь и регистратор. Кроме того, в каждом канале устройство содержит компаратор, элемент памяти, а также соединенные последовательно генератор, счетчик, блок памяти, причем в каждом канале выход пикового детектора соединен с инвертирующим входом компаратора, выход формирователя строба соединен со стробирующим входом компаратора, выход которого соединен со входом сброса пикового детектора и входом элемента памяти каждого канала. Выход элемента памяти каждого канала соединен с соответствующим входом коммутатора. Блок памяти имеет задающий режим вход, а второй вход его соединен с выходом счетчика и вторыми входами формирователя строба элемента памяти каждого канала. Выход блока памяти соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующими входами компараторов каждого канала. Выход коммутатора соединен с входом регистратора. Выход элемента ИЛИ-НЕ формирователя строба соединен с первым входом элемента И и первым входом второго элемента И, второй вход первого элемента И соединен с выходом третьего элемента И, а выход первого элемента И - с входом первого триггера, неинвертирующий выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и с выходом формирователя, а инвертирующий выход соединен с вторым входом третьего элемента И. Выход усилителя соединен с входом компаратора, вход которого соединен с входом элемента задержки. Выход последнего соединен с S-входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И. Входы сброса первого и второго триггеров объединены и соединены с выходом второго элемента И.
Недостаток данного устройства - низкое быстродействие и ограниченность функциональных возможностей, поскольку оно позволяет регистрировать только дискретные сигналы акустической эмиссии, изменяющиеся в большом динамическом диапазоне и возникающие, например, при усталостном разрушении конструкции. При этом непрерывные сигналы акустической эмиссии, возникающие при регистрации сквозных дефектов (течей), устройством не регистрируются.
Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий (пат. РФ №2150698, G01N 29/14, 29/04 от 10.06.2000 г., приоритет от 25.11.1997 г.), состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящие 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.
Недостатком данного устройства является низкое быстродействие, поскольку в оперативном запоминающем устройстве невозможно одновременно осуществлять запись и считывание информации, а также ограниченные функциональные возможности, поскольку устройство может обрабатывать только дискретные сигналы.
При разработке многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля изделий была поставлена задача повышения быстродействия и расширения его функциональных возможностей. Предлагаемое устройство позволяет обрабатывать как дискретные сигналы акустической эмиссии (например, от развивающихся усталостных трещин), так и непрерывные сигналы акустической эмиссии (например, от сквозных дефектов (течей)) и определять координаты как сквозных дефектов (течей), так и несквозных дефектов (например, от развивающихся усталостных трещин).
При работе данного устройства в режиме регистрации дискретных сигналов определяется время их прихода на акустические преобразователи. Затем по определенным временам прихода сигналов акустической эмиссии и определенным ранее скорости распространения акустического сигнала по конструкции, координатам акустических преобразователей рассчитываются координаты источников сигналов акустической эмиссии (Акустико-эмиссионная диагностика конструкций - /А.Н.Серьезнов, Л.Н.Степанова, В.В.Муравьев и др. - // Под ред. Л.Н.Степановой - М.: Радио и связь, 2000, с.99-101).
При работе в режиме регистрации непрерывного сигнала предлагаемое акустико-эмиссионное устройство осуществляет регистрацию амплитуды сигнала с акустического преобразователя и далее рассчитывает координаты источника течи (Комаров К.Л., Серьезнов А.Н., Муравьев В.В., Степанова Л.Н. и др. Акустико-эмиссионный метод контроля нефтеналивных и газовых цистерн - Дефектоскопия, 2001, №3, с.88-95).
Поставленная задача решается за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, компаратор, оперативное запоминающее устройство, шину компьютера, последовательно соединенные коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов. В устройстве выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу первого цифрового мультиплексора, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления, выходы первого цифрового мультиплексора подключены к двум оперативным запоминающим устройствам, выходы которых соединены с входами второго цифрового мультиплексора, а управляющие входы оперативных запоминающих устройств объединены и подключены ко второму выходу устройства управления, третий выход устройства управления подключен к управляющему входу второго цифрового мультиплексора, а в каждом канале выход пикового детектора соединен с неинвертирующим входом компаратора, а к инвертирующему входу компаратора каждого канала подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей объединены и соединены с первым выходом микропроцессора, выходы компараторов соединены с входами микропроцессора, шина ввода-вывода которого соединена с первой шиной ввода-вывода устройства управления, вторая шина ввода-вывода устройства управления объединена с выходной шиной второго мультиплексора и соединена с шиной компьютера.
Предлагаемое устройство по сравнению с существующими акустико-эмиссионными устройствами позволяет значительно повысить быстродействие и существенно расширить функциональные возможности.
Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 13 (чертеж), реализованного на микросхеме AD9220, составляет F=8 МГц. Поскольку в схеме устройства (чертеж) осуществляется последовательный опрос четырех каналов блока и выходы фильтров 4 подключаются к аналого-цифровому преобразователю 13 поочередно, то частота дискретизации одного канала устройства составит
где n - число каналов в блоке устройства.
Информация с четырех каналов блока устройства записывается в оперативную память 8 последовательно. При объеме оперативной памяти 8, равном 16 Кбайт, и при частоте дискретизации аналого-цифрового преобразователя 13, равной F=8 МГц, определим время записи
где V - число ячеек оперативного запоминающего устройства 8 (или 9).
Из формулы (1) время записи сигнала на четырех каналах блока устройства равно tзап=0,125·10-6·16000=2·10-3 с. Быстродействие предлагаемого устройства в режиме приема дискретных сигналов определяется продолжительностью "мертвого" времени, т.е. времени, когда устройство не может осуществлять прием следующего сигнала акустической эмиссии. В устройстве (по патенту РФ №2150698 G01N 29/14, 29/04) "мертвое" время определяется временем считывания информации из оперативного запоминающего устройства. При размере оперативного запоминающего устройства, равном 16 Кбайт, и максимальной частоте считывания данных по шине ISA компьютера, равной 4 МГц, "мертвое" время для устройства-прототипа (по патенту РФ №2150698 G01N 29/14, 29/04 ) составит 
(где Fсчит - частота считывания данных) Тмв=0,25·10-6·16000=4·10-3 с. В предлагаемом устройстве (чертеж) считывание данных о предыдущем сигнале из оперативного запоминающего устройства 8 (или 9) происходит параллельно с записью последующего сигнала и "мертвое" время уменьшится на время записи одного сигнала и составит 2·10-3 с.
Таким образом, в предлагаемом устройстве (чертеж) быстродействие по приему дискретных сигналов акустической эмиссии увеличивается в 
раз. В рассматриваемом примере такой выигрыш по быстродействию равен двум (N=2).
При работе устройства в режиме приема непрерывных сигналов необходимо, чтобы время считывания tсчит не превышало времени записи tзап сигнала. Поэтому следует уменьшить частоту дискретизации аналого-цифрового преобразователя 13 (чертеж) до 4 МГц. При этом время записи сигнала в оперативную память 8 (или 9) и время считывания сигнала из оперативной памяти 8 (или 9) составит 2·10-3 с, а частота дискретизации сигнала по одному каналу составит 1 МГц. Оценим динамическую погрешность измерения амплитуды непрерывного сигнала с помощью предлагаемого устройства (чертеж) при частоте дискретизации, равной 1 МГц, и частоте измеряемого сигнала, равной 100 кГц, как
где fиз - частота измеряемого сигнала; Т0 - период дискретизации
(Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений - Л.: Энергоатомиздат, 1985, с.26).
После подстановки указанных параметров в формулу (2) получим погрешность γ=9,85·1·10-12·1010/2=4,92%. Следует отметить, что для реальных непрерывных сигналов, характерных для сквозных дефектов конструкции, частоты не превышают 100 кГц и полученная погрешность вполне допустима для устройств диагностики конструкций.
На чертеже показана функциональная схема многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля изделий. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий содержит
1...n - блоки приема и обработки измерительной информации;
1...4 - измерительные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии в блоке;
2 - акустический преобразователь;
3 - предварительный усилитель;
4 - полосовой фильтр;
5 - пиковый детектор;
6 - цифроаналоговый преобразователь;
7 - компаратор;
8, 9 - оперативное запоминающее устройство;
10 - шина стандарта ISA;
11 - аналоговый коммутатор;
12 - основной усилитель;
13 - аналого-цифровой преобразователь;
14 - первый цифровой мультиплексор;
15 - устройство управления;
16 - второй цифровой мультиплексор;
17 - микропроцессор.
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящие из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, предварительного усилителя 3, фильтра 4, пикового детектора 5, а также содержит цифроаналоговый преобразователь 6, компаратор 7, оперативные запоминающие устройства 8, 9, шину компьютера 10, последовательно соединенные коммутатор каналов 11, основной усилитель 12, аналого-цифровой преобразователь 13. Причем четыре входа коммутатора каналов 11 соединены с выходами фильтров 4 каналов. В устройстве выход аналого-цифрового преобразователя 13 подключен к входу первого цифрового мультиплексора 14, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления 15. Выходы первого цифрового мультиплексора 14 подключены к двум оперативным запоминающим устройствам 8, 9, выходы которых соединены с входами второго цифрового мультиплексора 16, а входы оперативных запоминающих устройств 8, 9 объединены и подключены ко второму выходу устройства управления 15. Третий выход устройства управления 15 подключен к управляющему входу второго цифрового мультиплексора 16. В каждом канале выход основного усилителя 5 соединен с неинвертирующим входом компаратора 7, а к инвертирующему входу компаратора 7 каждого канала подключен выход цифроаналогового преобразователя 6. Входы цифроаналоговых преобразователей 6 объединены и соединены с первым выходом микропроцессора 17, выходы компараторов 7 соединены с входами микропроцессора 17, шина ввода-вывода которого соединена с первой шиной ввода-вывода устройства управления 15, вторая шина ввода-вывода устройства управления 15 объединена с выходной шиной второго мультиплексора 16 и соединена с шиной компьютера 10.
Практическая реализация предлагаемого устройства осуществлена по известным схемам с использованием отечественных и зарубежных микросхем, а также с использованием программируемых логических устройств фирмы "ALTERA". Основные характеристики использованных микросхем приведены в следующих источниках:
1. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа - М.: ДОДЭКА, 1996, вып.1, с.214.
2. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, 1988.
3. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALNERA: проектирование устройств обработки сигналов - М.: ДОДЭКА, 2000.
4. Официальный сайт фирмы ALTERA - http:/www.altera.com.
5. Официальный сайт фирмы Analog Devices - http:/www.ad.com.
В качестве акустических преобразователей 2 используются широкополосные микрообъемные пьезоэлектрические преобразователи, выполненные из пьезокерамики типа ЦТС-19. Предварительный усилитель 3 выполнен с использованием операционных усилителей 1407УД1. Фильтр 4 представляет собой активные звенья, собранные по схеме Сален-Ки с использованием операционных усилителей типа МС33272. Пиковый детектор 5 собран на операционном усилителе МС33282 по неинвертирующей схеме. Цифроаналоговые преобразователи 6 выполнены на микросхемах AD7528, компараторы 7 собраны на микросхемах LM311. Оперативные запоминающие устройства 8, 9 выполнены на микросхемах К6Т4016С3С. Аналоговый коммутатор 11 собран на ключах К590КН8, основной усилитель 12 выполнен на операционном усилителе AD8138. Аналого-цифровой преобразователь 13 выполнен на микросхеме AD9220, а устройство управления 15, цифровые мультиплексоры 14, 16 выполнены на программируемой логической микросхеме ЕРМ9320 фирмы "ALTERA". Микропроцессор 17 выполнен на микросхеме AT89S8252.
Устройство работает следующим образом.
Устройство, функциональная схема которого приведена на чертеже, выполнено по параллельно-последовательному принципу и содержит n четырехканальных блоков. Каждый блок представляет собой функционально законченную систему, конструктивно выполненную в виде платы, которая вставляется в шину ISA 10 компьютера.
Работа устройства в режиме приема дискретных сигналов происходит следующим образом. Перед началом работы в регистры цифроаналогового преобразователя 6 через устройство управления 15 путем подачи команды в микропроцессор 17 записываются значения кодов пороговых напряжений, превышающих значения шумов в каждом канале. Затем в таймер времени отсечки, находящийся в устройстве управления 15, записывается код, соответствующий времени записи цифрового эквивалента сигнала (оцифрованного сигнала по количеству записанных отсчетов аналого-цифрового преобразователя 13), и подается разрешение от устройства управления 15 в оперативное запоминающее устройство 8 на запись кодов результатов измерений аналого-цифровым преобразователем 13.
Акустический сигнал с объекта контроля преобразуется акустическим преобразователем 2 в электрический сигнал, поступающий на вход предварительного усилителя 3, где он усиливается на 40 дБ. С выхода предварительного усилителя 3 сигнал поступает на вход полосового фильтра 4 для фильтрации шумов и помех. С выхода фильтра 4 сигнал поступает на вход пикового детектора 5, где он усиливается и поступает на положительный вход компаратора 7. На отрицательный вход компаратора 7 подается пороговый уровень напряжения, формируемый цифроаналоговым преобразователем 6 под управлением кода микропроцессора 17. При превышении сигналом порогового уровня на выходе компаратора 7 появляется сигнал высокого логического уровня, который поступает на микропроцессор 17, а от него - в устройство управления 15. В устройстве управления 15 запускается таймер времени отсечки и по окончании этого времени останавливается запись кодов цифрового эквивалента сигнала акустической эмиссии в оперативное запоминающее устройство 8. В то же время сигнал акустической эмиссии с выхода фильтра 4 через аналоговый коммутатор 11 поступает на вход основного усилителя 12 и далее на вход аналого-цифрового преобразователя 13, где происходит дискретизация аналогового сигнала. Аналоговый коммутатор 11 последовательно подключает один из четырех выходов фильтров 4 к входу основного усилителя 12. С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 цифровой код через мультиплексор 14 поступает на вход оперативного запоминающего устройства 8, где он запоминается. Устройство управления 15 в этом режиме подает на мультиплексоры 14 и 16 управляющие сигналы, по которым мультиплексор 14 подключает вход оперативного запоминающего устройства 8 к аналого-цифровому преобразователю 13, а мультиплексор 16 подключает выход оперативного запоминающего устройства 9 к шине данных ISA 10. После окончания времени отсечки устройство управления 15 переключает мультиплексор 16 к оперативному запоминающему устройству 8, центральный процессор компьютера через шину 10 ISA получает возможность считывать через мультиплексор 16 предварительно записанную в оперативном запоминающем устройстве 8 измерительную информацию. Готовность к приему следующих сигналов акустической эмиссии определяет микропроцессор 17, непрерывно считывая значения выходов компараторов 7. Как только на всех выходах компараторов 7 появятся сигналы низкого логического уровня, микропроцессор 17 выдаст в устройство управления 15 сигнал, по которому начинается запись оцифрованного сигнала через мультиплексор 14 в оперативное запоминающее устройство 9, и устройство готово к приему следующего сигнала акустической эмиссии. При превышении следующим сигналом порогового уровня на выходе компаратора 7 формируется сигнал высокого логического уровня, поступающего на вход микропроцессора 17, а от него - в устройство управления 15. В устройстве управления 15 запускается таймер времени отсечки, и по окончании этого времени устройство управления 15 останавливает запись кодов цифрового эквивалента сигнала в оперативное запоминающее устройство 9. В то же время сигнал акустической эмиссии с выхода фильтра 4 через аналоговый коммутатор 11 поступает на основной усилитель 12 и далее на вход аналого-цифрового преобразователя 13, где происходит дискретизация аналогового сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 цифровой код через мультиплексор 14 поступает на вход оперативного запоминающего устройства 9, где он запоминается. В это время устройство управления 15 подает на мультиплексоры 14 и 16 управляющие сигналы, подключающие выход оперативного запоминающего устройства 8 к шине данных ISA 10, а вход оперативного запоминающего устройства 9 - к выходу аналого-цифрового преобразователя 13. После окончания времени отсечки устройство управления 15 переключает мультиплексор 16 к выходу оперативного запоминающего устройства 9 и центральный процессор компьютера через шину ISA 10 получает возможность считывать измерительную информацию. Таким образом, происходит поочередная запись информации в оперативное запоминающее устройство 8 и оперативное запоминающее устройство 9, что позволяет увеличить быстродействие.
Работа устройства для непрерывной записи сигнала акустической эмиссии происходит следующим образом. Сначала подается разрешение от устройства управления 15 в оперативное запоминающее устройство 8 на запись кодов результатов измерений аналого-цифровым преобразователем 13. Акустические сигналы с объекта контроля преобразуются акустическим преобразователем 2 в электрические сигналы, поступающие на входы предварительных усилителей 3, где они усиливаются на 40 дБ. С выходов предварительных усилителей 3 сигналы поступают на входы полосовых фильтров 4 для фильтрации помех и шумов. С выходов фильтров 4 сигналы поступают на входы пиковых детекторов 5, а также на входы аналогового коммутатора 11. Через аналоговый коммутатор 11 непрерывные сигналы акустической эмиссии подаются на вход основного усилителя 12 и далее на вход аналого-цифрового преобразователя 13, где происходит их дискретизация. Аналоговый коммутатор 11 последовательно подключает каждый из четырех выходов фильтров 4 к входу основного усилителя 12. С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 цифровой эквивалент непрерывного акустического сигнала через первый цифровой мультиплексор 14 подается на вход оперативного запоминающего устройства 8, где он запоминается. По заполнению оперативного запоминающего устройства 8 устройство управления 15 формирует сигналы управления цифровыми мультиплексорами 14 и 16 таким образом, что выход оперативного запоминающего устройства 8 через второй мультиплексор 16 подключается к шине данных ISA 10, а выход аналого-цифрового преобразователя 13 через первый мультиплексор 14 подключается к второму оперативному запоминающему устройству 9. Таким образом, текущая измерительная информация будет записываться в оперативное запоминающее устройство 9, а информация, предварительно записанная в первом оперативном запоминающем устройстве 8, будет доступна центральному процессору компьютера для чтения. При заполнении оперативного запоминающего устройства 9 устройство управления 15 производит обратное переключение цифровых мультиплексоров 14 и 16, а именно: выход аналого-цифрового преобразователя 13 через мультиплексор 14 подключается к входу оперативного запоминающего устройства 8, а выход оперативного запоминающего устройства 9 через второй мультиплексор 16 - к шине данных ISA 10. В дальнейшем циклы переключения повторяются.
Таким образом, повышается быстродействие устройства и реализуется два режима работы: непрерывный (для сквозных дефектов (течей)) и дискретный (для регистрации сигналов, например, от усталостных трещин).
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, состоящее из 1...n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора а также содержит цифроаналоговый преобразователь, компаратор, оперативное запоминающее устройство, шину компьютера, последовательно соединенные коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов, отличающееся тем, что в устройстве выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу первого цифрового мультиплексора, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления, выходы первого цифрового мультиплексора подключены к двум оперативным запоминающим устройствам, выходы которых соединены с входами второго цифрового мультиплексора, а управляющие входы оперативных запоминающих устройств объединены и подключены ко второму выходу устройства управления, третий выход устройства управления подключен к управляющему входу второго цифрового мультиплексора, а в каждом канале выход пикового детектора соединен с неинвертирующим входом компаратора, а к инвертирующему входу компаратора каждого канала подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей объединены и соединены с первым выходом микропроцессора, выходы компараторов соединены с входами микропроцессора, шина ввода-вывода которого соединена с первой шиной ввода-вывода устройства управления, вторая шина ввода-вывода устройства управления объединена с выходной шиной второго мультиплексора и соединена с шиной компьютера.
