Введение к работе
Актуальность темы.
Диссертация посвящена разработке многофункционального комплекса помехоустойчивых методов и средств ультразвукового (УЗ) контроля изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), используемых в оборонной и ракетно-космической отраслях промышленности. Актуальность темы определяется тем, что изделия ракетно-космической техники должны иметь 100%-ную гарантию качества как на стадиях изготовления компонентов изделий и сборки готового изделия, так и в процессе переаттестации на стадии боевого дежурства, что является безусловным требованием безопасности страны. Обеспечить надежную эксплуатацию указанных объектов и решить проблему увеличения срока эксплуатации указанных изделий возможно только при использовании средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики, среди которых УЗ методы являются наиболее информативными и экологически безопасными.
При УЗ НК изделий из ПКМ актуальна проблема обнаружения и выделения информационных УЗ эхо-сигналов из смеси с белым шумом и коррелированной с зондирующим сигналом структурной помехой, возникающей из-за сложной гетерогенной структуры и высокого частотно-зависимого затухания УЗ сигналов. Другая особенность изделий из ПКМ – большое разнообразие изделий, разнообразие физико-механических свойств композитов. По этой причине для каждого нового класса изделий необходимо было разрабатывать новое аппаратное средство и алгоритм контроля, что дорого и нерационально.
Эти особенности изделий из ПКМ обусловили актуальность темы и потребовали решения самостоятельной научно-технической проблемы по разработке программно-аппаратного многофункционального адаптивного комплекса помехоустойчивых методов и средств УЗ НК, в котором: -обеспечивается высокая чувствительность УЗ НК; - методы контроля, зондирующий сигнал и его характеристики, алгоритмы обработки эхо-сигналов, характеристики пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) гибко, адаптивно подстраиваются под характеристики каждого нового изделия из ПКМ.
Над проблемами помехоустойчивой дефектоскопии автор работает с 1975 г. В рамках данной диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, выполненных на кафедре Электронные приборы МЭИ в период с1993 по 2007 год. Результаты получены в процессе выполнения НИР по постановлениям Правительства, ГКНТ, АН, программ Минобрнауки РФ, в рамках многочисленных г/б и х/р работ.
Цель работы.
Целью работы является создание аппаратно-программного комплекса средств УЗ многофункционального помехоустойчивого контроля сложноструктурных изделий, состоящего в том числе из:
- нового Сплит-способа УЗ контроля, основанного на применении предложенного автором диссертационной работы нового вида широкополосных адаптивных сложномодулированных Сплит-сигналов,
- нового типа низкочастотных широкополосных мозаичных пьезопреобразователей, у которых возможно программно-аппаратным способом формировать амплитудно-частотные и пространственные характеристики требуемого вида;
- новых пространственно-временных (многоканальных) алгоритмов выделения эхо-сигналов из смеси с белым шумом и коррелированной с зондирующим сигналом помехой;
- программно-управляемой многофункциональной аппаратуры УЗ НК, которая обеспечивает генерацию как простых и сложномодулированных сигналов, так и Сплит-сигнала; реализует разнообразные алгоритмы их обработки (включая алгоритм, реализующий Сплит-способ и его модификации), и осуществляет гибкую адаптацию параметров сигналов под характеристики контролируемого изделия и параметры используемых ПЭП.
- новой интерактивной среды алгоритмического программирования многофункциональной адаптивной аппаратуры УЗ контроля (среда «структурно-модульного проектирования»), основанной на оригинальном графическом интерфейсе, которая позволяет как конструировать новые алгоритмы обработки сигналов, реализуя оригинальные методы УЗ контроля, так и оперативно в процессе контроля модернизировать существующие.
Методы исследования.
Теоретические исследования осуществлялись с помощью методов статистической теории измерительных радиосистем, теории радиотехнических сигналов, теории антенн. Для отладки алгоритмов обработки сигналов применялись методы физического и математического моделирования, корреляционный анализ, спектральный анализ. Для создания аппаратуры использовались современная элементная база цифровой электроники и различные языки программирования.
Экспериментальная проверка работоспособности созданной аппаратуры и методов проводилась путем УЗ контроля имитаторов и реальных изделий из ПКМ, колокольной бронзы и бетона. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований обеспечивалось использованием сертифицированных и поверенных образцов изделий, а также метрологически поверенной аппаратуры.
Достоверность полученных результатов подтверждается многочисленными актам внедрения результатов исследований.
Научная новизна
1. Показано, что УЗ помехоустойчивый контроль протяженных сложноструктурных изделий (композитных материалов, бетонов, пластиков) возможен на основе комплекса научно-технических решений: -высокочувствительных методов, основанных на Сплит-способе УЗ контроля; -гибких сложномодулированных Сплит-сигналов; -широкополосных мозаичных ПЭП с заданными параметрами; -новой интерактивной среды алгоритмического программирования - «среды структурно-модульного проектирования»; -многофункциональной адаптивной программно- управляемой аппаратуры УЗ контроля.
2. Предложен и реализован новый Сплит-способ УЗ контроля и его различные модификации, основанные на применении нового вида широкополосных адаптивных сложномодулированных высокочувствительных Сплит-сигналов.
3. Определены новые интегральные пространственно-временные (ПВ) характеристики широкополосных преобразователей — корреляционная диаграмма направленности (КДН) и корреляционное распределение поля (КРП), которые в сочетании со Сплит-алгоритмом позволили разработать новые принципы проектирования широкополосных мозаичных ПЭП с заданными амплитудно-частотными и пространственно-временными характеристиками.
4. Разработаны принципы, методика и технология проектирования широкополосных мозаичных ПЭП с заданными амплитудно-частотными и пространственно-временными характеристиками.
5 .Разработаны новые алгоритмы выделения информационных эхо-сигналов из структурного шума, основанные на пространственно-временной обработке сложномодулированных Сплит-сигналов.
6. Разработана новая интерактивная среда алгоритмического «структурно-модульного проектирования» многофункциональной адаптивной аппаратуры УЗ контроля, позволяющая как на этапе проектирования, так и в процессе контроля оперативно конструировать и практически реализовывать новые алгоритмы формирования и обработки сигналов, обеспечивать адаптацию параметров прибора к характеристикам изделия и электроакустического тракта (ЭАТ).
7. Разработан и создан программно-управляемый многофункциональный комплекс технических средств УЗ НК, который обеспечивает генерацию простых и сложномодулированных сигналов (в том числе и Сплит-сигнала), реализует различные алгоритмы их обработки (включая алгоритм, реализующий Сплит-способ), осуществляет гибкую адаптацию параметров сигналов под характеристики контролируемого изделия и используемых ЭАП.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Теоретические основы комплексного многофункционального помехоустойчивого УЗ контроля сложноструктурных изделий с большим затуханием ультразвука и высоким уровнем коррелированных помех.
2.Новый вид широкополосного помехоустойчивого сложномодулированного сигнала (Сплит-сигнал) и различные модификации Сплит-алгоритмов обработки сигналов: -алгоритм динамической оптимальной фильтрации Сплит-сигнала; - алгоритмы пространственно-временного выделения Сплит-сигнала из коррелированной структурной помехи; - алгоритмы пространственно-временного выделения Сплит-сигнала из коррелированной структурной помехи; - квазиоптимальный алгоритм обработки Сплит-сигнала при УЗ контроле материалов с сильным частотно-зависимым затуханием в широком диапазоне соотношений уровней структурного и белого шума; - модифицированный Сплит-алгоритма, обеспечивающий повышенную точность измерения параметров УЗ эхо-сигналов, основанный на компенсации возникающих в ЭАТ искажений его формы; - многоканальный Сплит-способ УЗ контроля, основанный на использовании ансамбля ортогональных Сплит-сигналов, характеризующийся высокой производительностью и достоверностью НК.
4. Методы выделения Сплит-эхо-сигналов из структурной помехи, основанные на оригинальных алгоритмах их пространственно-временной обработки..
5. Принципы и методика проектирования и конструирования широкополосных мозаичных ЭАП с заданными пространственными и временными характеристиками.
6. Интегральные пространственно-временные характеристики широкополосных преобразователей — корреляционная диаграмма направленности (КДН) и корреляционное распределение поля (КРП).
7. Интерактивная среда алгоритмического «структурно-модульного проектирования» многофункциональной адаптивной аппаратуры УЗ контроля, позволяющая создавать различные алгоритмы формирования и обработки сигналов, адаптацию параметров прибора под характеристики изделия в процессе контроля.
8. Принципы конструирования и функционирования программно-управляемых многофункциональных технических средств УЗ контроля, основанных на применении сложномодулированных (включая Сплит-сигнал) сигналов, пространственно-временной и частотной оптимальной фильтрации (включая динамическую оптимальную фильтрацию Сплит-сигнала) и отображении результатов НК.
Практическая ценность работы и ее реализация.
-Предложен и защищен патентом новый Сплит-способ УЗ НК, позволяющий существенно увеличить чувствительность УЗ НК, повысить производительность многоканального контроля, увеличить достоверность и точность измерения параметров УЗ эхо-сигналов.
-Созданы и защищены авторскими свидетельствами и патентами новые одноканальные и многоканальные способы УЗ контроля изделий сложномодулированными сигналами.
-Создан новый тип низкочастотных широкополосных мозаичных ЭАП с заданными амплитудно-частотными и пространственно-временными характеристиками.
-Разработаны новые пространственно-временные и многоканальные алгоритмы выделения эхо-сигналов из смеси с белым шумом и коррелированной с зондирующим сигналом помехой, обеспечивающие надёжный УЗ контроль изделий, не поддающихся контролю традиционными техническими средствами, основанными на ударном возбуждением зондирующих сигналов
На основании разработок автора был создан новый класс приборов и устройств комплексного УЗ многофункционального помехоустойчивого контроля протяженных сложноструктурных изделий. Были внедрены в опытное производство предприятий ракетно-космической и оборонной отраслей промышленности ряд приборов и средств УЗ НК изделий из ПКМ в том числе новый класс УЗ эхо-импульсных дефектоскопов УЗ-ФМ-1, УЗ-ФМ-3, УЗ-ФМ-5 с использованием ФМ сигналов Баркера, М-последовательностей и ортогональных ФМ-сигналов и согласованной фильтрацией эхо-сигналов; новый класс УЗ эхо-импульсных толщиномеров авиационных ПКМ с измерением толщины по значению максимума АКФ УЗТ-1; эхо-импульсных толщиномеров со спектральной оптимальной фильтрацией ЛЧМ сигналов "СПЕКТР"; автоматизированных адаптивных систем УЗ теневого контроля с использованием ЛЧМ сигналов УЗД-МП-1 и УЗД-МП-2М. , внедренных в опытную эксплуатацию в НПО "СОЮЗ" и принятых к серийному производству.
Достоверность выносимых на защиту научных положений
Достоверность выносимых на защиту научных положений подтверждается многочисленными актам внедрения результатов исследований, проведенных в интересах предприятий оборонной и ракетно-космической промышленности по созданию новых методов и устройств для УЗ контроля изделий из ПКМ; результатами НК специальных конструкций из бетона; результатами НК изделий из колокольной бронзы старинного литья (большие колокола звонницы Московского Кремля и колокола храма Христа Спасителя), проведенного в рамках Государственной экспертизы. Дефектоскопы УЗ-ФМ-1 и УЗ-ФМ-3 награждены бронзовой и серебряной медалями ВДНХ; эхо-импульсный толщиномер "СПЕКТР" занял первое место на Всесоюзном конкурсе средств НК изделий из ПКМ (1989г.); комплекс работ, выполненных при непосредственном участии автора диссертации удостоен премии Гособразования СССР (1990г.); «Универсальный многофункциональный компьютерный комплекс УЗ неразрушающего контроля и диагностики сложноструктурных материалов и изделий» на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций награжден Золотой медалью (2004г.). Разработанные средства УЗ НК используются в учебном процессе МЭИ.
Апробация полученных результатов. Результаты исследований были доложены на 15 Всесоюзных, российских научно-технических конференциях, 5 международных конференциях и симпозиумах. По результатам исследований опубликовано 104 печатных работы, получено 25 авторских свидетельства, патента на изобретение, свидетельства на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из Введения, 7 глав, списка литературы и 2 приложений. Работа содержит 198 рисунков. Список литературы из 162 наименований. Общий объем работы 348 страниц.
