Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы ультразвукового низкочастотного контроля крупногабаритных изделий из бетона. обзор методов и устройств ультразвукового эхо-контроля строительных конструкций из бетона 14
1.1. Проблема выделения УЗ эхо-сигнала из шумов и помех 14
1.2. Проблемы УЗ низкочастотного контроля изделий из бетона 18
1.3. Пути решения проблемы чувствительности УЗ НК. Выделение УЗ эхо-сигналов из белого шума 20
1.4. Пути решения проблемы чувствительности при УЗ контроле изделий с высоким уровнем структурного шума 23
1.4.1. Понятие о пространственно-временной обработке сигналов при УЗ контроле изделий из сложноструктурных материалов 23
1.4.2. Обобщенный алгоритм ПВОС при УЗ контроле 27
1.4.3. Алгоритм ПВОС при выделении сигнала на фоне белого шума... 29
1.4.4. Пространственно-временная обработка сигналов в случае стационарной помехи 29
1.4.5. Алгоритм ПВОС при УЗ толщинометрии 31
1.4.6. Алгоритм ПВОС «фокусировка в точку» 33
1.5. Применение фазированных антенных решеток при УЗ неразрушающем контроле 34
1.5.1. УЗ фазированные антенные решетки для медицинских исследований 35
1.5.2. УЗ приборы с фазированными антенными решетками для УЗ НК изделий из металла 37
1.5.3. УЗ приборы с фазированными антенными решетками для томографии крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона 39
1.5.4. Особенности работы УЗ ФАР, используемых для томографии крупногабаритных изделий из бетона. Метод синтезированной апертуры (САФТ) 41
1.5.5. Особенности УЗ преобразователей фазированных антенных решеток, используемых для томографии крупногабаритных изделий из бетона 43
1.5.6. Обработка сигналов при использовании УЗ НЧ ФАР в задаче контроля крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона... 45
1.6. Выводы по главе 1. Направление развития эхо-импульсной дефектоскопии бетона с использованием SAFT применительно к задаче контроля крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона 49
2. Выбор оптимальных алгоритмов обработки сигналов при ультразвуковой томографии конструкций из бетона 52
2.1. Определение частотной зависимости коэффициента затухания ультразвуковых сигналов в СК из бетона. Выбор оптимальной частоты УЗ зондирующих сигналов 52
2.2. Результаты контроля бетонного изделия толщиной 150 мм с наполнителем D ~ 3-5 мм на частоте 500 кГц 55
2.3. Использование нелинейных обработок УЗ сигналов для увеличения чувствительности томографии СК из бетона 58
2.3.1. Алгоритм «вычитание наводки» 58
2.3.2. Алгоритм «коррекция затухания» 59
2.4. Результаты контроля бетонного изделия толщиной 300 мм с наполнителем D ~ 3—5 мм на частоте 500 кГц 60
2.5. Контроль бетонного изделия толщиной 300 мм с наполнителем D ~ 3-5 мм на частоте 200 кГц с использованием ФАР с синтезированной апертурой 62
2.6. Контроль бетонного изделия трапециевидной формы толщиной 175 мм с крупным наполнителем D ~ 10-15 мм на частоте 200 кГц 64
2.6.1. Алгоритм «фильтрация нижних частот» 64
2.6.2. Алгоритм «оконная фильтрация» 67
2.6.3. Алгоритм «фазового перекоса» 67
2.7. Выводы по главе 2 69
3. Синтез алгоритмов формирования изображения отражающих плоскостей при ультразвуковой томографии изделий из бетона 71
3.1.Особенности применения метода «фокусировка в точку» при УЗ томографии изделий из сложноструктурных материалов 71
3.2. Применение алгоритма «фокусировка в точку» для построения изображения отражающей плоскости 76
3.3. Обнаружение отражающих плоскостей при ультразвуковой томографии изделий из бетона с помощью алгоритма «фокусировка на плоскость» 79
3.3.1. Синтез алгоритма «фокусировка на плоскость» 79
3.3.2. Обнаружение отражающих плоскостей при контроле изделий с мелкоструктурными неоднородностями 82
3.3.3. Обнаружение наклонных плоскостей с помощью алгоритма «фокусировка на плоскость» 84
3.3.4. Построение профилей отражающих поверхностей 84
3.3.5 Мультипликативный метод обработки изображений при линейном перемещении антенны 85
3.3.6. Мультипликативный метод обработки изображений при угловом перемещении антенны 86
3.3.7. Аддитивный метод обработки изображений при линейном перемещении антенны. Сравнение мультипликативного метода обработки томограмм с адаптивным методом 87
3.3.8. Сравнение по чувствительности алгоритма «фокусировка на плоскость» и алгоритма «фокусировка в точку» 89
3.4. Контроль изделий из бетона с неоднородностями большого размера 91
3.4.1.Результаты сравнительных испытаний низкочастотной и высокочастотной ФАР на бетонном изделии с мелкоструктурными отражателями 91
3.4.2.Результаты сравнительных испытаний низкочастотной и высокочастотной ФАР на бетонном изделии с крупноструктурными отражателями 93
3.5. Возникновение погрешностей определения расстояния до плоскости при использовании алгоритма «Фокусировка на плоскость».. 94
3.5.1 Влияние значения скорости УЗ на результат 95
3.5.2. Определение погрешности измерений при использовании высокочастотной ФАР. :... 97
3.5.3. Определение погрешности измерений при использовании низкочастотной ФАР 98
3.6. Выводы по главе 3 101
4. Разработка широкополосных мозаичных низкочастотных малоапертурных преобразователей для ультразвуковых фазированных антенных решеток с ограниченными габаритами 103
4.1. УЗ мозаичные широкополосные преобразователи 103
4.2. УЗ малоапертурные широкополосные мозаичные ПЭП для ФАР со средней частотой о~200кГц 105
4.3. УЗ малоапертурные широкополосные мозаичные поперечно возбуждаемые ПЭП для ФАР со средней частотой-90 кГц 108
4.4. УЗ малоапертурные широкополосные мозаичные ПЭП для ФАР со средней частотой—120 кГц 112
4.4. Выводы по главе 4 114
5. Программно-аппаратные средства ультразвукового измерительного комплекса 115
5.1. Принцип построения гибкого адаптивного многофункционального компьютерного комплекса 115
5.2. Устройство и программное обеспечение многофункционального адаптивного компьютерного комплекса 116
5.2.1. Режим «Дефектоскоп» 117
5.2.1.1. Выбор зондирующего сигнала 118
5.2.1.2. Возможности просмотра осциллограмм 119
5.2.1.3 Запуск измерительного цикла 121
5.2.1.4. Анализ и обработка принятых сигналов 122
5.2.2 Режим «Сканер» 124
5.2.2.1 Настройка параметров ФАР и коммутатора 124
5.2.2.2 Выбор зондирующего сигнала 125
5.2.2.3 Запуск измерительного цикла 125
5.2.3 Режим «Графер» 126
5.3 Использование комплекса для УЗ контроля бетонных изделий 128
5.3.1 Автоматический расчет скорости ультразвука и задержки сигнала
в акустическом тракте 128
5.3.1.1 Расчет скорости звука в изделии при известном значении задержки в акустическом тракте 129
5.3.1.2 Расчет скорости звука в изделии при неизвестном значении задержки в акустическом тракте 130
5.3.2 Накопление сигналов для вьщеления полезного сигнала из шумов. 131
5.3.3 Использование режима «Томограф» при УЗ контроле 134
5.3.3.1 Адаптация параметров сигнала к контролируемому изделию 135
5.3.3.2 Мультипликативная обработка томограмм 137
5.3.3.3 Аддитивная обработка томограмм 138
5.3.3.4 Вывод двумерных графиков при поиске отражающих плоскостей, параллельных плоскости измерения 140
5.3.3.5 Вывод профилей отражающих плоскостей контролируемого изделия 141
5.3.3.6 Вывод трехмерного изображения изделия, контролируемого изнутри технологического отверстия 142
5.4 Выводы по главе 5 143
Заключение 145
Литература 146
Приложения 153
- Понятие о пространственно-временной обработке сигналов при УЗ контроле изделий из сложноструктурных материалов
- Контроль бетонного изделия толщиной 300 мм с наполнителем D ~ 3-5 мм на частоте 200 кГц с использованием ФАР с синтезированной апертурой
- Применение алгоритма «фокусировка в точку» для построения изображения отражающей плоскости
- УЗ малоапертурные широкополосные мозаичные поперечно возбуждаемые ПЭП для ФАР со средней частотой-90 кГц
Введение к работе
Актуальность темы
При построении ультразвуковой (УЗ) системы мониторинга защитной бетонной оболочки АЭС проводится сверление канала в оболочке и закладка УЗ преобразователей внутрь канала. При этом особое место занимает проблема измерения толщины бетона, окружающего канал, изнутри данного канала и определения пространственной ориентации канала относительно плоских границ бетонной оболочки АЭС.
Описанная задача по определению пространственной ориентации канала относительно плоских границ бетонного изделия решается в данной диссертации для каналов (или технологических отверстий) диаметром от 50 мм при измерении толщин бетонных изделий до 500 мм. В случае сверления протяженного канала использование контактной смазки затруднительно, и зачастую допускается производить подобный УЗ контроль только с применением сухого контакта преобразователей с поверхностью бетона.
Большое затухание УЗ сигналов в бетоне и большая толщина изделий, тяжелые сорта бетона с наполнителем крупного размера и условие сухого контакта предопределяют выбор низкой частоты УЗ контроля (порядка 100 кГц). В свою очередь, в области низких частот контроль с высокой разрешающей способностью возможен лишь с применением коротких и, следовательно, широкополосных сигналов, что определяет требования к полосе частот используемых пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Кроме того, размер преобразователей при контроле изнутри каналов не может превышать диаметр канала. Но малоапертурный УЗ низкочастотный (НЧ) преобразователь обладает широкой диаграммой направленности (ДН), вследствие чего увеличивается уровень структурного шума, маскирующего и искажающего эхо-сигналы. А следствием низкой частоты и ограниченной апертуры преобразователя является малая направленность излучения (приема) УЗ сигнала, что приводит к росту погрешности определения азимутальных координат акустических неоднородностей, невозможности точного построения графиков образов отражающих плоскостей (или профиля) бетонных конструкций. Известные ультразвуковые томографы не позволяют решать подобные задачи ввиду громоздкости и ограничений, связанных с особенностью программного обеспечения.
Рассмотренные выше проблемы и особенности делают невозможным применение известных технических решений, что определяет необходимость разработки новых алгоритмов и устройств УЗ толщинометрии указанных изделий. Устройство для контроля бетона изнутри каналов должно обладать высокой чувствительностью и помехоустойчивостью контроля, иметь возможность определять пространственные координаты искомых отражающих плоскостей, иметь преобразователи малого размера для размещения внутри каналов, адаптироваться к различным видам бетонов в плане гибкой настройки
параметров зондирующих сигналов и широкого выбора способов обработки принятых сигналов.
В связи с изложенными требованиями возникла необходимость создания гибкой многофункциональной измерительной аппаратуры, позволяющей в процессе контроля адаптировать зондирующие сигналы под характеристики изделия и параметры УЗ преобразователей с фазированной антенной решеткой (ФАР), и использовать разнообразные способы обработки сигналов.
Эти обстоятельства определили актуальность создания новых методов УЗ томографии строительных конструкций из бетона, обеспечивающих высокую чувствительность и разрешающую способность УЗ НК и выделение УЗ эхо-сигналов из шумов и помех; разработки устройств УЗ НК, основанных на применении УЗ ФАР, имеющих ограниченные размеры и позволяющих измерять координаты и строить профиль изделий в большом диапазоне толщин. Настоящая работа посвящена разработке программно-аппаратных средств ультразвукового томографии крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона, предназначенных для толщинометрии строительных конструкций, в том числе изнутри каналов ограниченных размеров.
В рамках диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области создания УЗ НЧ программно-аппаратных средств ультразвуковой томографии крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона, выполненных на кафедре Электронные приборы МЭИ (ТУ) с 2005 по 2011 гг. Результаты получены при выполнении НИР по программам Минобрнауки РФ и Минобороны РФ.
Цель работы
Цель работы заключается в разработке и создании УЗ высокочувствительных устройств и алгоритмов УЗ томографии для толщинометрии крупногабаритных изделий из бетона в условиях ограничения на габариты измерительного модуля ФАР.
Для достижения поставленной цели необходимо:
Исследование и разработка новых модификаций УЗ НЧ малоапертурных широкополосных высокочувствительных преобразователей с ограниченными размерами для работы в составе УЗ НЧ ФАР.
Создание новых алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, позволяющих повысить достоверность обнаружения плоскостей, образующих контролируемое изделие; повысить чувствительность контроля с целью увеличения контролируемой толщины изделий; повысить точность определения координат образующих контролируемое изделие плоскостей.
Разработка новых методов обработки УЗ НЧ широкополосных сложномодулированных сигналов, направленных на улучшение качества томограмм бетонных изделий, повышения точности определения координат отражающих плоскостей и повышение отношения сигнал/шум при томографии.
Создание алгоритмически гибкой многофункциональной измерительной аппаратуры, позволяющей в процессе УЗ томографии строительных конструкций из бетона адаптировать параметры зондирующего сигнала под
характеристики УЗ ФАР и характеристики контролируемого изделия, реализовать разнообразные алгоритмы обработки УЗ эхо-сигналов, различные алгоритмы построения образов образующих контролируемое изделие плоскостей.
Научная новизна
Исследования показали, что при ультразвуковой томографии бетона для получения качественных изображений отражающих плоскостей изделия необходимо: использовать низкочастотные зондирующие сигналы (длина волны сигнала должна быть в 2-3 раза больше размера структурных неоднородностей); использовать короткие (широкополосные) сигналы протяженностью не более 1-2 периода несущей частоты; использовать высокочувствительные сложномодулированные сигналы, для каждого конкретного изделия подбирать оптимальные параметры зондирующего сигнала (частота, база, вид модуляции); использовать различные виды линейных и нелинейных обработок принятых сигналов, в т.ч. предложенные в диссертации.
Разработаны принципы построения многофункциональной измерительной аппаратуры для контроля бетонных изделий, использующей высокочувствительные сложномодулированные сигналы, комплексные временные, частотные и пространственно-временные обработки принятых сигналов, с возможностью адаптации параметров зондирующих сигналов и типов и параметров обработки принятых сигналов к характеристикам контролируемых изделий.
Предложен и реализован новый алгоритм пространственно-временной обработки сигналов "Фокусировка на плоскость" для ультразвуковой низкочастотной широкополосной томографии изделий, определяющий пространственные координаты формирующих бетонное изделие плоскостей и обеспечивающий повышение чувствительности, помехоустойчивости и точности измерений.
4. Разработаны принципы построения ультразвуковых низкочастотных
малоапертурных мозаичных преобразователей с сухим плоским контактом с
поверхностью контролируемого изделия, предназначенных для работы в
составе малогабаритной ультразвуковой фазированной антенной решетки при
УЗ контроле изнутри канала малого диаметра (50 мм).
Защищаемые положения
1. Алгоритм пространственно-временной обработки сигналов «Фокусировка на плоскость», основанный на принципах фокусировки апертуры на плоскость «САФП-К», обеспечивающий повышение чувствительности, помехоустойчивости и точности определения координат отражающих
плоскостей при ультразвуковой низкочастотной широкополосной томографии (толщинометрии) крупногабаритных бетонных изделий.
2. Алгоритмы обработки сигналов в ультразвуковой томографии
бетонных изделий «Вычитание электроакустической наводки», «Фазовый
перекос», «Мультипликативная обработка», «Аддитивная обработка»,
обеспечивающие возможность повышения чувствительности.
3. Принципы построения измерительной многофункциональной
аппаратуры ультразвукового неразрушающего контроля; алгоритмы и
программное обеспечение, позволяющие адаптировать параметры
зондирующего сигнала под характеристики электроакустических
преобразователей фазированной антенной решетки и характеристики
контролируемого изделия, обеспечивающие возможность использовать
разнообразные обработки ультразвуковых эхо-сигналов и различные алгоритмы
построения и обработки результатов контроля бетонных изделий.
4. Принципы построения ультразвуковых низкочастотных
малоапертурных мозаичных преобразователей с сухим плоским контактом,
предназначенных для работы в составе малогабаритной ультразвуковой
фазированной антенной решетки при УЗ контроле изнутри канала малого
диаметра (50 мм).
Практическая значимость и внедрение результатов работы
Разработан действующий макет многофункциональной измерительной аппаратуры УЗ НК с измерительным модулем ограниченного размера, созданы алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие производить томографию строительных конструкций из бетона изнутри каналов. С помощью разработанного УЗ НЧ многофункционального измерительного комплекса проконтролированы изнутри каналов малого диаметра (диаметр отверстия 50 мм) специальные строительные конструкции из бетона.
Результаты исследований были использованы при выполнении шести НИОКР (шифр "Каравелла"), 2005-2011гг. (Гособоронзаказ), а также финансируемых из Госбюджета:
НИР ««Создание теории и методики высокоточного ультразвукового контроля протяженных изделий из сложноструктурных материалов» Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» (проект №8830).
НИР «Исследование и разработка нового класса мозаичных многоканальных помехоустойчивых ПЭП с заданными частотными и пространственными характеристиками для УЗ НК крупногабаритных сложноструктурных изделий». ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-13 гг. (проект № Ш137).
Апробация работы
По результатам исследований было опубликовано 15 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях из списка ВАК: «Измерительная техника», 2009,
№11, «Дефектоскопия»: № 12, 2008 г.; № 12, 2009 г.; № 4, 2010г.; № 5, 2010г.; №9, 20Юг.; .№10, 20Юг.
Получены положительные решения о выдаче двух патентов РФ на изобретения: рег.№ 2010149295 (2010 г.), рег.№ 2010149296 (2010 г.).
Результаты исследований были доложены на 8-ми научно-технических конференциях: 7-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 11-13 марта 2008 г; 18-й Всероссийской конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». Н.Новгород, 29.09-03.10. 2008 г.; 8-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 18-20.03.2009 г.; а также на пяти ежегодных НТ конференций студентов и аспирантов.
Структура диссертации
Материал диссертации, состоящий из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, изложен на 164 страницах, включая 163 рисунка. Список использованной литературы включает 92 источника.
Понятие о пространственно-временной обработке сигналов при УЗ контроле изделий из сложноструктурных материалов
Проблемами выделения УЗ сигналов из структурного шума занимались многие российские ученые [11,25-31]. В основе методов выделения сигналов из СШ, сформулированных в работах И.Н.Ермолова [6,25], В.Н.Данилова [26], лежат очевидные идеи, заключающиеся в необходимости использования коротких импульсов, обеспечения узкой диаграммы направленности УЗ преобразователей. В работах Ямщиков B.C. [20], Коряченко В.Д. [21] показывается необходимость использования статистических методов обработки сигналов. В работах А.А.Самокрутова, В.Г. Шевалдыкина, Ковалева А.В., Козлова В.Н. [27-28] используются пространственные методы селекции для выделения УЗ эхо-сигналов из СШ при контроле изделий из бетона.
В МЭИ в работах Качанова В.К., Карташева В.Г., Соколова И.В. разрабатываются многочисленные методы выделения УЗ эхо-сигналов из СШ, основанные на использовании радиотехнических методов обработки сигналов. В работах [4,13, 32-36] показывается, что СШ порождается зондирующим сигналом и поэтому его спектр подобен спектру зондирующего сигнала, т.е. СШ коррелирован с зондирующим сигналом. Тем самым, в основе выделения информационного акустического сигнала из коррелированной с ним помехи (структурного шума) лежит необходимость разделения (декорреляции) сигнала и помехи. Такую декорреляцию возможно осуществить с помощью временного или частотного (одноканального) разделения сигналов [34], однако наиболее перспективные результаты получаются при использовании пространственного разделения сигналов (при использовании многоканальных методов контроля) [35-36].
В [13,36] показывается, что при контроле сложноструктурных изделий с большим затуханием УЗ сигналов наряду с проблемой выделения «полезных» УЗ эхо-сигналов из структурного шума присутствует также проблема выделения УЗ эхо-сигналов из белого шума. В этом случае требуется разработка специфических алгоритмов пространственно-временной обработки акустических сигналов с использованием одновременно сложномодулированных сигналов. В [32] показывается, что параметры структурного шума для различных сложноструктурных материалов различаются. Поэтому для выделения информационного эхо-сигнала из структурного шума необходимо исследовать статистические характеристики СШ для каждого нового материала. После этого следует определять конкретные алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС) для каждого случая контроля с учетом статистических характеристик для данного материала. При этом различные материалы (различные параметры структурного шума) требуют создания своих алгоритмов обработки сигналов (своих методов контроля) [32-36]. В [4] отмечено, что одноканальные способы декорреляции эхо-сигнала и структурного шума позволяют улучшить отношение сигнал/структурный (С/СШ) шум не более чем в 1,5-2 раза. Чтобы получить необходимое число статистически независимых реализаций эхо-сигналов (N 10) и тем самым обеспечить значительное выделение эхо-сигнала из СШ, необходимо использование многоканальных методов ПВОС, основанных на пространственном разделении (декорреляции) эхо-сигнала от дефекта и СШ. На рис. 1.10 показана упрощенная схема ПВОС, поясняющая алгоритм выделения «полезного» эхо-сигнала (эхо-сигнала от дефекта или донного сигнала) из СШ в изделии с относительно небольшим уровнем затухания и со случайным распределением структурных неоднородностей. Средний размер акустических неоднородностей D « X. Контроль производится или с помощью N приемных пьезопреобразователей lllli-llllN, пространственно разнесённых на расстояние d, или одним пьезопреобразователем 1111, последовательно перемещаемым в положения lllli-llllN. На рис. 1.10 и рис Л. 11,а штриховкой показано сечение изделия плоскостью, проходящей через приёмные преобразователи ШІ1ДШ2ДШ3, При НЧ контроле изделий из бетона 1111 имеют широкие ДН, поэтому акустические поля соседних преобразователей пересекаются и дефект находится в области акустических полей преобразователей HllrllllN. Тем самым реализации СШ в соседних каналах частично коррелированны друг с другом. При этом часть акустических неоднородностей «попадает» как в поле зрения ППЬ так и в поле зрения ПП2 (эхо-сигналы от одного и того же элемента структуры, попавшие в соседние А-сканы на рис. 1.11,6 и рис. 1.11,в, выделены тонировкой). Большое число совпадающих во времени отражений от одних и тех же структурных неоднородностей приводит к увеличению «шумового» фона. При сравнении эхо-сигналов на двух соседних А-сканах (б и в) видно, что они во многом тождественны друг другу, т.к. в каждом А-скане присутствуют отражения от одного и того же элемента структуры. Временные задержки эхо-сигналов от дна изделия и от дефекта на диаграммах б,в,г одинаковы, а временные задержки эхо-сигналов от неоднородностей структуры имеют случайную величину. Для выделения «полезных» эхо-сигналов из СШ сигналы соседних пространственных каналов суммируются. Если эхо-сигнал от дефекта (от дна) присутствует в каждом из пространственных каналов, то при сложении (накоплении) N реализаций амплитуда «полезного» эхо-сигнала возрастает в N раз, а уровень СШ возрастает только не более чем в л/ЇУраз.
Т.к. СШ в соседних ПЭП сильно коррелирован, то и после накопления СШ может оказаться столь большим, что будет маскировать и эхо-сигналы от дефекта, и донный эхо-сигнал от поверхности П (рис.1.11,д). Степень взаимной корреляции структурного шума в соседних реализациях зависит от значений X, d, и D. Для задачи УЗ дефектоскопии (для того, чтобы эхо-сигналы в двух соседних положения ПЭП были не коррелированны), желательно выбирать d rk, где rk - радиус корреляции. Радиус корреляции rk определяется [32,33] как некое минимальное расстояние, при котором значение коэффициента корреляции эхо-сигналов в двух соседних положениях ПЭП не превышает 0,1.
Контроль бетонного изделия толщиной 300 мм с наполнителем D ~ 3-5 мм на частоте 200 кГц с использованием ФАР с синтезированной апертурой
Таким образом, из литературного обзора можно сделать следующие выводы: - контроль крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона является сложной комплексной задачей, при которой необходимо одновременно решать задачу повышения чувствительности контроля и разрешающей способности, задачу выделения УЗ эхо-сигналов из белого и структурного шума. - из-за аномально высокого затухания УЗ сигналов в крупногабаритных изделиях из бетона необходимо осуществлять контроль таких изделий на низкой частоте ( 100кГц). - УЗ НЧ эхо-контроль (дефектоскопия, толщинометрия) крупногабаритных изделий из бетона невозможно осуществлять с использованием классического одноканального метода УЗ эхо-контроля. УЗ эхо-контроль изделий из бетона следует осуществлять методами УЗ томографии с использованием УЗ НЧ ФАР. -УЗ НЧ томография крупногабаритных изделий из бетона является универсальным методом контроля, т.к. позволяет одновременно обеспечить как УЗ дефектоскопию, так и УЗ толщинометрию изделий из бетона. При УЗ томографии крупногабаритных изделий из бетона методом SAFT осуществляется также выделение УЗ сигналов из белого и структурного шума.
Вместе с тем, из рассмотренных примеров ясно, что методы УЗ НК, основанные на использовании SAFT, требуют дальнейшего развития и совершенствования.
Строительные конструкции из бетона обладают большим разнообразием физико-механических характеристик, которые требуют адаптации параметров УЗ прибора под характеристики каждого конкретного изделия. Существующие технические решения, основанные на использовании методов -ударного возбуждения сигналов, не всегда позволяют гибко адаптивно подбирать для каждого нового изделия свои параметры контроля, свои методы обработки сигналов. В [35,67] делается вывод, что для каждого нового изделия также следует искать свои оптимальные параметры контроля — оптимальную частоту, оптимальные методы повышения отношения сигнал/шум и др. При этом большие возможности заключены в использовании гибких адаптивных методов контроля, позволяющих адаптировать параметры сигналов под характеристики каждого нового объекта контроля. В [13,21,35] отмечается, что для повышения чувствительности контроля следует использовать УЗ широкополосные сигналы с большой базой. Все это требует разработки иного принципа формирования и обработки сигналов, иного принципа построения аппаратуры контроля (адаптивной многофункциональной измерительной аппаратуры), позволяющей осуществлять как адаптацию параметров сигнала поз характеристики изделий, так и реализовывать разнообразные УЗ эхо-сигналов и методы их обработки.
В [30] также отмечается, что одно из направлений в развитии эхо-импульсной томографии бетона должно заключаться в синтезе томограмм с адаптацией алгоритма построения томограммы к форме отражателей (т. е. адаптация на разные типы дефектов: точечные, объёмные, плоские, протяжённые и т.д.).
В [51,52] отмечается, что использование современных методов цифровой обработки сигналов является приоритетным направлением в развитии метода SAFT. Дальнейшее развитие цифровых методов обработки изображений позволит улучшить качество изображений, понизить отношение сигнал/помеха.
В [51,52] также отмечается, что развитие методов SAFT стало возможным только при создании УЗ низкочастотных широкополосных преобразователей (в данном случае, преобразователей с СТК). Однако, очевидно, поиск оптимальных УЗ НЧ преобразователей следует продолжать, т.к. и у преобразователей с СТК имеется недостаток - малая эффективность преобразования (малая чувствительность), возникающая из-за малой площади контакта и относительно большие габариты. Тем самым, для решения задачи УЗ толщинометрии изделий из бетона с ограничениями на габариты измерительной аппаратуры в настоящей диссертации предполагается: 1.Разработка новых алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов исходя из задачи контроля (толщинометрия бетонных изделий), а также для решения задачи выделения УЗ эхо-сигналов из шумов с целью увеличения чувствительности контроля (увеличения толщины контролируемых изделий из бетона) в условиях на ограничения габаритов измерительной аппаратуры. 2.Разработка новых методов обработки сигналов при УЗ томографии (толщинометрии) крупногабаритных изделий из бетона, позволяющих повысить чувствительность и разрешающую способность контроля. 3.Разработка УЗ низкочастотных широкополосных малоапертурных ПЭП с сухим контактом с поверхностью бетона и с ограниченными габаритами для работы в составе УЗ НЧ ФАР. 4.Разработка универсального программно-аппаратного адаптивного многофункционального измерительного комплекса, реализующего любые простые и сложномодулированные сигналы, любые алгоритмы их радиотехнической обработки, любые помехоустойчивые методы акустического контроля. При этом в измерительном устройстве должна обеспечиваться возможность программным образом гибко, адаптивно подстраивать параметры зондирующих сигналов (частота, полоса, база, вид модуляции и т.д.), алгоритмы обработки сигналов под характеристики любого контролируемого изделия.
Применение алгоритма «фокусировка в точку» для построения изображения отражающей плоскости
Было проведено сравнение чувствительности разработанного алгоритма «фокусировка на плоскости» и известного алгоритма «фокусировка в точку» (САФТ-К с фокусировкой сигнала в каждую точку изделия).
В бетонном изделии толщиной 200мм с диаметром наполнителя D=15 мм с помощью ФАР были проведены измерения толщины по двум алгоритмам при неизменных параметрах сигнала (средняя частота ЛЧМ-сигнал 200 кГц, ширина полосы частот 80%, амплитуда 10 В). Результаты измерения изделия толщиной 200 мм показаны на рис.3.24. В обоих случаях отражающая плоскость обнаруживается. При использовании алгоритма «фокусировка в точку» плоскость видна как пятно на фоне отражений от элементов структуры. При увеличении толщины бетонного изделия до 400 мм при том же диаметре наполнителя D=15 мм использование алгоритма «фокусировка в точку» не позволяет обнаружить плоскость из-за высокого уровня структурного шума (рис.3.25,а).Использование алгоритма «фокусировка наскость» позволяет уверенно обнаружить искомую плоскость, даже несмотря на множество максимумов от «фантомных плоскостей» на «Р-скане».= Таким образом, при обнаружении плоскостей алгоритм «фокусировка на плоскость» имеет большую чувствительность по сравнению с алгоритмом «фокусировка в точку». В процессе выполнения диссертации был проведен контроль крупногабаритных бетонных изделий различных толщин с различной (заранее непредсказуемой) структурой, Анализ рассмотренных выше примеров контроля показывает, что: -контроль таких изделий достаточно трудно спланировать заранее, т.к. параметры сигнала и методы их обработки сильно зависит как от толщины изделия, так и от структуры конкретного материала; -надежный контроль таких изделий возможно обеспечить только при значениях A D. Увеличить чувствительность контроля при D X возможно только счёт снижения частоты зондирующего сигнала (т.е. при обеспечении условия X D), однако при этом снижаются значения разрешающей способности и точность определения положения отражающих плоскостей. Для обеспечения возможности работать на частотах ниже 100 кГц (для обеспечения надежного обнаружения плоскостей в изделиях из бетона с размером акустических неоднородностей ) 20мм) на следующем этапе исследований была изготовлена УЗ ФАР со средней частотой контроля /0 80кГц (см. раздел 5). Особенности контроля протяженных изделий из бетона с крупными акустическими неоднородностями НЧ УЗ ФАР были исследованы при использовании: -НЧ ЛЧМ сигнала со средней частотой f0 = 90 кГц (что соответствует длине волны в бетоне X 45 мм), девиацией частоты 60-120 кГц; -ВЧ ЛЧМ сигнала со средней частотой /0 = 200 кГц (что соответствует длине волны в бетоне X 20 мм), девиацией частоты 80%. В обоих случаях база сигнала составляла Б=140; амплитуда 5В. На рис.3.26,б,в приведены результаты сравнительных испытаний низкочастотной и высокочастотной ФАР на тестовом образце №1 (рис.3.26,а) из пескобетона со средним диаметром наполнителя 3-5 мм. Расстояние от поверхности до" плоскости в тестовом блоке №1 меняется в пределах от 250 до 180 мм. Угол наклона плоскости составляет а=13. Результаты испытаний НЧ и ВЧ ФАР тестового образца "Блок №1" в позиции измерительного модуля с координатой «180 мм». Средняя измеренная скорость ультразвуковых волн составляет величину порядка 4000 м/с. В обоих случаях максимум красного цвета однозначно определяет наличие отражающей плоскости в образце (х = 180 мм, а=13). Однако, как это уже было отмечено выше, с повышением частоты контроля уменьшается размер информационного «пятна», что увеличивает точность измерения толщины изделия (уменьшает погрешность измерения). На ВЧ томограмме наблюдается относительно большое число светло-зеленых «пятен», представляющих собой образы «фантомных плоскостей»; на НЧ томограмме таких помех практически нет. Объясняется это тем, что для сигнала со средней частотой/,=200 кГц длина волны в бетоне X 20 мм (в 5-6 раз больше среднего размера акустических неоднородностей). При таких соотношениях У D с одной стороны формируется интенсивный структурный шум, а с другой стороны формируются многочисленные виртуальные «фантомные плоскости». Для сигнала со средней частотой /,=90 кГц X 45 мм, т.е. X»D. Это означает, что при снижении частоты УЗ сигнал практически «не замечает» элементы структуры, которые и формируют и структурный шум и эти «фантомные плоскости». С другой стороны, На НЧ томограмме (рис.3.26,в) кроме искомого максимума регистрируется и второй (паразитный) максимум. Эксперименты показали, что этот максимум соответствует отражению от двугранного угла объекта. На ВЧ томограмме такого «пятна» нет, т.к. высокочастотный сигнал затухает в сложноструктурном материале сильнее, чем НЧ сигнал, что уменьшает переотражения в компактном изделии, в том числе и отражения от сложных отражателей (двугранных и трехгранных углов).
УЗ малоапертурные широкополосные мозаичные поперечно возбуждаемые ПЭП для ФАР со средней частотой-90 кГц
Технология мозаики позволяет создавать малоапертурные широкополосные ПЭП для УЗ ФАР с ограниченными размерами.
Расстояние d между излучателями в УЗ ФАР должно быть порядка полдлины волны на максимальной частоте спектра зондирующего импульса (d Я/2) для формирования ДН с низким уровнем боковых лепестков. Это условие предполагает, что апертура элемента УЗ ФАР, предназначенной для контроля бетона в диапазоне частот 100 кГц при скорости УЗ волн в бетоне Сзв = 4000 м/сек не должна превышать 14 мм. Однако, если использовать технологию изготовления мозаики, показанную на рис.4.2, то в пределах апертуры 14 мм можно разместить не более четырех разновысоких пьезоэлементов сечением 7х7мм, что недостаточно для формирования широкополосной АЧХ.
Для решения этой проблемы,, в рамках диссертации была использована технология изготовления мозаичных преобразователей с применением сепарированных пьезоэлементов. Особенностью таких преобразователей является то, что они» выполнены из единого исходного керамического пьезоэлемента, и представляют тем самым механически связанные по основанию разновысокие пьезоэлементы (условно можно рассматривать такой ПЭП как полосовой фильтр с «частично-связанными акустическими контурами»). На рис.4.4,а показан исходный пьезокерамический элемент из относительно низкодобротной пьезокерамики ЦТС-19, представляющий собой- брусок с сечением 7x7 мм. Высота пьезоэлемента /z= 14 мм выбирается исходя из величины нижней частоты широкополосного ПЭП (соответствует резонансной частоте 100 кГц). С помощью тонкого сепарационного алмазного диска (толщина 200 мкм) на ПЭ делались два продольных ортогональных разреза для создания соответствующей конфигурации. Таким образом, были сформированы из одного исходного ПЭ четыре «субпьезоэлемента» одинаковой высоты, механически и акустически связанные в нижней части бруска. Величина акустической связи регулируется в процессе изготовления за счет изменения глубины пропила и может принимать значение от 100% (что соответствует отсутствию пропила) до 0% (что соответствует полностью разрезанному пьезокерамическому элементу). Далее высоты трех субпьезоэлементов. уменьшались до размеров! 2, 10 и 8 мм, что соответствует их резонансным частотам 120 кГц, 140 кГц и 175 кГц. На торцы укороченных субпьезоэлементов наносились отсутствующие сигнальные электроды (рис.4.4,б). После формирования электродов, последние соединяются электрически параллельно, образуя верхний сигнальный вывод мозаичного пьезоэле-мента. При нагруженной механической добротности Q=5 полоса эффективного электроакустического преобразования первого субпьезоэлемента лежит в диапазоне от 90 кГц до 110 кГц, второго - от 108 кГц до 132 кГц, и т.д.
Итоговый малоапертурный элемент ФАР выполнен при объединении четырёх таких образом обработанных пьезоэлементов. Итоговая конструкция представляет собой набор из двух пар сепарированных пьезоэлементов с максимальной высотой в основной паре 14 мм и максимальной высотой в дополнительной паре 13 мм, а общий набор субпьезоэлементов представляется следующим рядом: 2x14 мм, 2x13 мм, 2x12 мм, 2x11 мм, 2x10 мм, 2x9 мм, 2x8 мм. Габаритные размеры элемента ФАР вписываются в куб с величиной ребер 14x14x14 мм (рис.4.4,в). Набор из четырех сепарированных широкополосных, мозаичных пьезоэлементов, электрически соединенных параллельно, с подпаянными электрическими выводами, помещался в разборную литьевую форму и заливался смесью эпоксидной смолы и порошка вольфрама. Смола играет формообразующую роль, а также выступает в роли акустического демпфера (рис.4.4,г) [87,88].
АЧХ итогового элемента ФАР существенно изрезана из-за малой полосы электроакустического преобразования каждого из субпьезоэлементов, а также из-за влияния на АЧХ деталей корпуса датчика. Для уменьшения этого взаимодействия на боковые поверхности малоапертурного ПЭП наклеиваются пластины акустического экрана из трехслойного композитного материала.
106
Средний, основной слой - это пенопласт толщиной порядка нескольких мм, а внешние по отношению к пенопласту слои выполнены из полистирола толщиной 0.1 мм и служат для предотвращения проникновения клея (эпоксидной смолы) в поры Рис.4.5. АЧХ малоапертурного ПЭП. пенопласта и ухудшения акустических изолирующих свойств. Применение даже "тонкого" акустического экрана для преобразователей раздельно-совмещенной конструкции позволяет уменьшить амплитуду паразитных резонансов на 6-7 дБ. На рис.4.5 показана итоговая АЧХ широкополосного, мозаичного, высокоэффективного малоапертурного ПЭП, изготовленного в соответствие с описанной выше технологией.
УЗ фазированная антенная решетка из пяти преобразователей показана на рис.4,6. Итоговая УЗ ФАР, состоящая из пяти излучающих и пяти приемных элементов, помещенных в цилиндрический корпус измерительного модуля, показана на рис.4.7. На торец преобразователей приклеивается мягкий силиконовый протектор толщиной 3 мм, выполненный из материала Пентэласт 750 и обеспечивающий "сухой" акустический контакт с поверхностью исследуемого образца.
Разработанные НЧ широкополосные преобразователи из-за ограниченной апертуры имеют асимметрию в топологии мозаики, что приводит к неоднородному и ассиметричному акустическому полю излучения (приема). Для того, чтобы обеспечить правильную ориентацию такого ассиметричного широкополосного мозаичного преобразователя были измерены акустические поля ПЭП в двух ортогональных плоскостях на частотах 100 кГц и 200 кГц (рис.4.8). Из рис.4.8 видно, что ПЭП в ФАР следует располагать вдоль оси, по которой имеется максимальный раскрыв ДН датчика -60 [89,90].
