Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния средств и методов УЗ НК g
1.1. Исходные данные 8
1.2. Вопросы теории методов УЗ НК 19
1.3. Преобразователи и антенны 25
1.4. Аппаратура акустического контроля 30
1.4.1. Толщиномеры 30
1.4.2. Дефектоскопы 34
1.4.3. Томографические средства контроля металлов 37
1.4.4. Средства волноводного контроля 42
1.4.5. Специализированные системы акустического контроля 44
1.5. Выводы 47
Глава 2. Теоретические исследования свойств малоапертурных преобразователей и антенных систем 51
2.1. Малоапертурные преобразователи 51
2.2. Точечные источники на поверхности полупространства 54
2.2.1. Случай нормальной силы 55
2.2.2. Случай касательной силы 61
2.2.3. Теоретический анализ поведения модулей смещения волн для точечных источников 66
2.3. Прямоугольный источник на поверхности полупространства 69
2.3.1. Случай нормальной силы 70
2.3.2. Теоретический анализ поведения модулей смещения волн для прямоугольного источника 74
2.4. Вопросы построения и оптимизации параметров АР на основе малоапертурных преобразователей 78
2.4.1. Матричные АР на базе СТК 78
2.4.2. Линейные АР с жидкостным контактом 83
2.4.3. Обработка сигналов от АР 87
2.5. Выводы 89
Глава 3. Экспериментальные исследования малоапертурных преобразователей и антенных систем 91
3.1. Аппаратурное и метрологическое обеспечение экспериментальных исследований 91
3.2. Свойства преобразователей СТК 94
3.3. Контроль бетона 101
3.4. Волноводный контроль рельсов 111
3.5. Высокочастотные АР для контроля сварных швов 120
3.6. Исследование метрологических характеристик одноканаль-
ных систем 127
3.7. Выводы 135
Глава 4. Аппаратурные средства УЗ-контроля на базе информационных технологии с антенными системами и малоапертуриыми преобразователями 137
4.1. Анализ процедур НК и ТД 137
4.2. Принципы построения и разработки средств УЗ НК 142
4.3. Разработка средств УЗ НК 150
4.3.1. УЗ-толщиномеры для контроля металлов и пластиков . 150
4.3.2. УЗ-дефектоскопы для контроля металлов 168
4.3.3. УЗ-приборы для контроля бетона 184
4.3.4. УЗ-дефектоскоп волноводного контроля 195
4.4. Результаты выпуска и внедрения разработанных средств УЗНК 198
4.5. Выводы 202
Заключение 203
Литература
- Преобразователи и антенны
- Теоретический анализ поведения модулей смещения волн для точечных источников
- Свойства преобразователей СТК
- Принципы построения и разработки средств УЗ НК
Введение к работе
Актуальность темы
Обеспечение безопасной эксплуатации техногенных объектов является сложной и важной проблемой в промышленности нашей страны. Значительный вклад в решение этой проблемы вносят технологии и средства неразру-шающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД), основанные на различных физических принципах взаимодействия полей и веществ.
Одним из самых широко распространенных видов контроля является акустический (ультразвуковой), основанный на применении упругих колебаний, возбуждаемых или возникающих в объекте контроля (ОК).
К положительным отличительным свойствам ультразвукового (УЗ) вида контроля можно отнести: возможность контроля при одностороннем доступе к ОК; относительно высокую дефектоскопическую чувствительность; возможность дефектоскопии многих материалов в широком диапазоне толщин; малые массогабаритные характеристики аппаратуры и низкое энергопотребление; санитарную и экологическую безопасность; относительно невысокую стоимость процедур контроля.
В то же время используемым сегодня средствам и методам УЗ контроля присущи определенные недостатки: непрямой характер методов определения размеров дефектов; относительная сложность выполнения процедур контроля и интерпретации результатов; высокая степень влияния человеческого фактора; относительно невысокая производительность.
Необходимость решения проблемы максимального продления сроков безаварийной работы основных производственных ресурсов привела к активизации использования в промышленности средств и методов УЗ НК как наиболее экономичных и эффективных. Сформировалась объективная потребность как в расширении внедрения типовых, так и в развитии новых средств и методов УЗ НК.
Это потребовало решения самостоятельной научно-технической проблемы по развитию существующих и разработке новых методов и средств акустического НК, обеспечивающих повышение производительности и упрощение методологии процедур контроля, решение новых задач НК и расширение области применения метода при улучшении метрологических и эргономических характеристик аппаратуры.
В рамках данной диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, выполненных в ЗАО «МНПО «СПЕКТР», ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» и ООО «Акустические Контрольные Системы» в период с 1987 по 2003 год. Результаты получены в процессе выполнения научно-исследовательских работ, проводившихся на основе решений правительства и правительственных комиссий, указаний ГКНТ, Госплана, и в рамках инициативных НИОКР, выполненных на основании внутренних самофинансируемых планов исследований. Цель работы
Целью работы является комплексное исследование процессов возбуждения и приема продольных, поперечных и нормальных волн d случаїнс исполь-
; fOC. НАЦИОНАЛЬНАЯ!
I СПетербург/,,/ 5
_ оэ тЗжЬЗІ |
зования малоапертурных преобразователей (МАП) и образуемых на их основе антенных решеток (АР), направленное на создание новых и развитие известных методов и средств НК, обеспечивающих повышение объективизации результатов ультразвукового контроля, упрощение процедур и технологии контроля, улучшение метрологических характеристик аппаратуры, повышение производительности метода, уменьшение влияния человеческого фактора при условии удешевления процедур разработки и производства новых средств НК.
Для решения научно-технической проблемы потребовалось:
теоретически и экспериментально исследовать акустические поля, формируемые в твердом полупространстве малоапертурными источниками нормальной и касательной сил, с целью определения условий эффективности излучения продольных и поперечных волн;
экспериментально исследовать свойства эхосигналов продольных и поперечных волн, получаемых с помощью МАП в различных материалах;
3) на базе полученных теоретических и экспериментальных результатов
сформулировать требования к многоэлементным антенным системам различ
ного назначения и экспериментально оценить их дефектоскопические воз
можности;
с использованием методов системного анализа и информационного подхода разработать принципы построения аппаратных средств ручного УЗ НК с различными уровнями функциональных возможностей;
на основе найденных решений разработать и обеспечить широкое внедрение в промышленность комплексов аппаратных средств УЗ контроля различного назначения, а именно:
ряда универсальных одноканальных средств для ручного акустического контроля типовых ОК с повышенным потенциалом по преобразованию информации на базе цифровых технологий;
ряда универсальных и специализированных многоканальных средств ручного контроля на базе многоэлементных антенных систем, в том числе с когерентной обработкой сигналов, применительно к задачам НК металлических конструкций и сварных швов, рельсов, бетона и композиционных материалов.
Методы исследований
Теоретические исследования осуществлялись с привлечением методов математического анализа, интегрального исчисления, корреляционного анализа. Математическое моделирование проводилось на базе вычислительных средств общего применения с использованием математических пакетов MathCad и MathLab. Экспериментальные исследования проводились с использованием установки, обеспечивающей регистрацию УЗ сигналов, их оцифровку и передачу в компьютер для дальнейшего документирования и обработки. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов решения обратных задач, когерентного накопления, корреляционного и статистического анализа. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований обеспечивалось через использование сертифицированных и поверенных образцов, мер, а также метрологически поверен-
ной аппаратуры. Научная новизна
Развита согласующаяся с экспериментом теория, описывающая трехмерные акустические поля продольных и поперечных волн в твердом полупространстве, формируемые малоапертурными преобразователями.
Установлено, что МАП с сухим точечным контактом (СТК) и МАП с жидкостным контактом обеспечивают в твердых средах большую эффективность излучения и приема поперечных волн по сравнению с продольными волнами.
Установлена целесообразность и экспериментально оценена эффективность использования поперечных волн для эхоконтроля бетонных конструкций. Предложен способ и показана эффективность построения дефектоскопической и томографической аппаратуры для бетонных ОК с использованием АР на базе преобразователей с СТК с касательными колебаниями протектора относительно поверхности ОК.
Предложен способ томографического контроля сварных швов в реальном масштабе времени с использованием продольных и поперечных волн, формируемых одной АР, совместно с когерентной обработкой эхосигна-лов. Определены теоретически и подтверждены практически условия эффективности работы на продольных и поперечных волнах для АР, построенной на базе МАП прямоугольной апертуры с жидкостным контактом.
Предложен способ и показана эффективность эхометода контроля протяженных конструкций (рельсов и трубопроводов) с использованием низших мод поперечных волн, формируемых линейными АР, построенными на базе преобразователей с СТК с касательными колебаниями протектора.
Предложен и экспериментально подтвержден способ измерения толщины на основе корреляционной обработки многократных отражений, обеспечивающий снижение до 10 раз нижней границы метрологического диапазона толщиномеров, использующих совмещенные пьезопреобразователи или ЭМА преобразователи.
Разработана концепция информационного подхода при анализе процедур НК и ТД и на данной основе сформулированы принципы построения средств НК с использованием технологии полного цифрового тракта (ПЦТ), разработаны типовые аппаратные платформы и новые средства НК на базе МАП и АР (новые технические решения защищены патентами РФ).
Защищаемые положения
Теоретическое исследование трехмерных полей малоапертурных преобразователей с жидкостным и сухим точечным контактами.
Принципы построения акустических систем на основе антенных решеток и малоапертурных преобразователей с жидкостным и сухим точечным контактами для контроля структурно-неоднородных сред, волноводных объектов и сварных швов.
Новые способы обработки сигналов и формирования результатов измере-
ний, обеспечивающие расширение диапазона измерений толщины и улучшение метрологических характеристик толщиномеров.
4. Новые технические решения при создании средств УЗ НК на основе пол
ного цифрового тракта.
5. Концепция информационного подхода к НК и ТД.
Апробация полученных результатов
Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на 6 российских научно-технических семинарах и конференциях, 5 международных конференциях и симпозиумах. По результатам выполненных исследований опубликовано более 40 работ, в том числе 2 монографии, приоритет предлагаемых решений подтвержден 9 авторскими свидетельствами и патентами. Практическая значимость
Предложенные подходы и решения реализованы в серийно выпускаемой аппаратуре. Разработано и организовано производство 17 типов ультразвуковой аппаратуры: толщиномеры - 8, дефектоскопы - 5, томографы - 3, измерители физико-механических характеристик - 1. Совокупный производственный выпуск приборов составил более 2000 ед. в объеме около 4 млн. долл. США. Приборы в настоящее время эксплуатируются в нефтегазовой, энергетической, машиностроительной, строительной, транспортной и других отраслях промышленности. Ряд приборов регулярно поставляется на экспорт в промышленно развитые страны. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (202 наименования). Объем диссертации составляет 220 страниц, включая 101 рисунок и 18 таблиц.
Преобразователи и антенны
Неотъемлемой и важнейшей частью любой системы неразрушающего контроля являются электроакустические преобразователи (ранее употреблялись термины датчики, искатели).
Наиболее распространенными являются преобразователи, работающие на основе пьезоэффекта, открытым в 1880 г. П. и Ж. Кюри. Подобные преобразователи обеспечивают ввод и прием УЗ колебаний в ОК через слой контактной жидкости. Устройство и варианты типовых конструкций пьезопре-образователей широко известны из литературы [9]. Основными параметрами преобразователей являются рабочая частота, полоса пропускания, апертура (размеры пьезоэлемента), угол ввода и стрела для наклонных преобразователей. Рабочие частоты могут лежать в диапазоне от единиц килогерц до десятков мегагерц. По ширине полосы пропускания преобразователи различаются
на узкополосные и широкополосные. В зависимости от задачи НК используются прямые, наклонные, совмещенные, раздельно-совмещенные, хордовые иммерсионные, фокусирующие и прочие разновидности исполнений преобразователей. Их основные параметры и характеристики в рамках известных методик и методов нормируются в документах [120 - 122]. Выпуском и поставкой пьезопреобразователей занимается более тридцати фирм [80] по всему миру.
Широчайшее применение нашли преобразователи, формирующие наклонный луч поперечной SV волны в диапазоне углов ввода от 37 до 75. Их работа основана на эффекте преломления и трансформации наклонной продольной волны в поперечную волну на границе раздела двух сред с различными скоростями УЗ.
К недостаткам классических пьезопреобразователей можно отнести невозможность получения оптимальной ДН и оперативного управления углом ввода, что вынуждает использовать при контроле набор преобразователей, каждый из которых предназначен для решения отдельной узкой задачи.
Принципиально новым шагом в области преобразователей с жидкостным акустическим контактом является использование многоэлементных преобразователей или антенных решеток (АР), которые состоят из двумерного или одномерного (линейчатого) набора электрически несвязанных дискретных пьезоэлементов. На рис. 1.1 приведено условное изображение одномерной (линейной эквидистантной) АР. Акустическая связь между отдельными элементами может присутствовать, т.к. они имеет общий протектор. Каждый элемент АР имеет независимый вывод для подключения к соответствующим электронным схемам. Важнейшим свойством многоэлементных преобразователей при решении задач НК является возможность электронного управления углом ввода, положением точки фокусировки и типом волн через использование для каждого элемента индивидуальной задержки при возбуждении и приеме акустических сигналов. функций - преобразовательной и фокусирующей, которые реализуются в системах, построенных на данной основе. Понятие «антенная решетка» однозначно связано с функцией акустоэлектрического преобразования - как правило, это набор независимых приемопередающих элементов, определенным образом расположенных в пространстве и имеющих идентичные характеристики. Понятие «фазированная» отражает реализацию принципа согласованного (когерентного) возбуждения и приема сигналов, в нашем случае акустических, получаемых со всех элементов АР.
Во второй половине 1990-х годов был освоен промышленный выпуск пассивных многоэлементных антенных решеток [123 — 125] и появились первые изделия на их основе [126,127]. Лидером в производстве ультразвуковых антенных решеток является французская компания «Imasonic», производящая как типовые, так и заказные АР различных конфигураций [128].
Антенные решетки строятся на основе композитной пьезокерамики, обеспечивающей акустическую развязку между соседними элементами до величины - 40 дБ. Выпускаются различные типы АР: прямоугольные, круглые, линейчатые, двумерные, для метода TOFD и пр. На рис. 1.2 приведены примеры вариантов исполнения АР. Все вышеупомянутые конструкции являются пассивными, т.е. АР рассчитана на подключение к многоканальному электронному блоку через многоконтактный разъем и многожильный кабель, причем каждый элемент АР должен иметь отдельный экранированный кабель.
Существующие АР обеспечивают работу в диапазоне частот от 2 до 15 МГц и имеют число элементов от 8 до 128 при шаге расположения элементов от 0,25 до 2,5 мм. Тип колебаний, непосредственно возбуждаемый и принимаемый АР, - только продольные волны. Для получения поперечных волн используются дополнительные призмы или иммерсионная среда.
Теоретический анализ поведения модулей смещения волн для точечных источников
На основе МАП возможно создание специализированных антенных систем, оптимизированных к различным задачам НК.
Как показано в работах [26, 27], особенности НК ряда пластиков, композитов, структурно-неоднородных сред, в том числе и бетона, вынуждают работать на частотах ниже 100 кГц. Для волноводных методов контроля рельсов и трубопроводов важным является использование SH-волн в диапазоне частот ниже 300 кГц. Наиболее оптимальным источником первичной измерительной информации в этих случаях являются АР на базе МАП с СТК. Их использование позволит обеспечить необходимые дефектоскопическую чувствительность, точность измерений координат, пространственное разрешение дефектов [164,165, 166].
Решение проблемы томографии контроля металлических конструкций требует использования высоких частот (более 1 МГц). В этом диапазоне работоспособными являются АР на основе МАП типа прямоугольный источник нормальной силы. Формирование АР при этом возможно как двумерной, с возможностью управления лучом в двух плоскостях, так и линейчатой — с фиксированной ДН в одной плоскости. С точки зрения практических задач НК представляется целесообразным рассмотреть второй случай.
Построение оптимальных АР различного назначения на базе МАП требует рассмотрения вопросов выбора и оптимизации параметров антенных систем, которые можно решить, используя аналитические выражения, полученные выше и применяя методы моделирования и численного расчета.
Построение АР с использованием МАП на базе СТК имеет ряд особенностей. Принципиальным моментом является выбор типа преобразователя с СТК - с нормальным или касательным смещением протектора, что определяет типы используемых колебаний и ДН, как одиночного преобразователя, так и АР в целом. На рис. 2.16 приведены трехмерные ДН МАП СТК с нормальным смещением протектора, а на рис. 2.17 - с касательным смещением протектора, полученные на основании выражений (15, 20, 26). Учитывая свойства пространственной симметрии функций, образы диаграмм построены в одном квадранте полупространства как модуль нормированного смещения. Можно отметить осевую симметричность для всех типов волн у МАП с нормальным смещением относительно оси OZ и отсутствие этого свойства у МАП с касательным смещением. Очевидно, что трехмерная характеристика направленности АР, заданная для точки полупространства, будет являться суперпозицией в трехмерном пространстве полей от одиночных МАП при условии фазировки в эту точку колебаний поперечной или продольной волны.
АР можно представить в виде двухмерной матрицы элементарных точечных преобразователей Et , расположенных с шагом Л1 (рис. 2.18) на поверхности объекта в пределах апертуры А [167]. Рабочей частоты, размера апертуры АР, количества элементов и шага их расположения определяется задачей НК, для решения которой предназначена АР. Диапазон рабочих частот определяется акустическими свойствами контролируемого материала и составляет для случая контроля бетона от 10 до 100 кГц. Можно принять 50 кГц как центральную частоту при контроле бетонов. Шаг АР выбирается исходя из требований обеспечения минимальной степени гсог — радиуса корреляции сигналов (не более 0,25), получаемых от двух ближайших элементов. При низком уровне структурных помех минимальное значение шага элементов АР соответствует четверти длины волны используемого типа колебаний. Максимально допустимое значение шага АР определяется из допустимого уровня боковых лепестков ДН. В работе автора [119] показана связь радиуса корреляции и геометрических параметров материала структурных неоднородностей ОК и установлено, что для бетона его величина составляет от 20 до 50 мм.
Трехмерная ДН МАП СТК с нормальным смещением протектора: а - для продольной волны; б - для поперечной волны Схема многоэлементного преобразователя Размер апертуры АР определяет поперечное разрешение антенной системы. Известно, что поперечное разрешения антенной системы, сфокусированной в точку, не зависит от способа создания такой фокусировки и определяется углом 0, под которым видна апертура А системы из точки геометрического фокуса [168,169]: где df— диаметр фокального пятна системы, работающей на излучение и приём, по уровню минус 6 дБ от максимума; ZQ — расстояние от края апертуры до точки фокуса. Задав требуемое разрешение и выбрав шаг равным радиусу корреляции, можно определить размер апертуры. После выбора размера апертуры очевидно решение задачи определения количества элементов АР:
Следует различать реальную и синтезированную апертуры, соотношение которых рассмотрено в работе [168]. Если количество элементов становится значительным и трудно реализуемым практически, но имеется необходимость использования максимального количества некоррелированных реализаций для повышения соотношения сигнал - шум, то следует формировать АР исходя из принципа реализуемости, а разрешение обеспечивать путем синтезированной апертуры. С учетом использования алгоритма SAFT-C, обеспечивающего наилучший выигрыш в соотношении сигнал - помеха и минимальный уровень боковых лепестков при ограниченной апертуре, расчет характеристики направленности АР обычно производится численными методами при заданной конфигурации АР, известных свойствах ОК и для конкретных точек фокуса, что обычно выполняется на этапе практической реализации антенных систем.
Свойства преобразователей СТК
В ходе выполнения работы для решения задач контроля бетона и природных минералов, развития волноводного метода контроля, контроля композитных материалов были разработаны несколько модификаций МАП с СТК [156-158], отличающихся конструктивным исполнением (рис. 3.2, от), электроакустическими параметрами, типом возбуждаемых колебаний, описанными ниже.
В рамках существующей классификации [120] подобные преобразователи являются прямыми, без линии задержки, с диаметром рабочей области акустического контакта на два порядка меньше длины волны (точечными), широкополосными. Их основными характеристиками являются центральная частота, ширина спектра, коэффициент двойного электроакустического преобразования, реверберационно-шумовая характеристика (РШХ), ДН. Для оценки реальных характеристик преобразователей с СТК были выполнены экспериментальные измерения параметров и ДН с учетом импульсного режима работы преобразователей. Измерялись параметры преобразователей СТК типа TD20 производства АКС, с поперечным вектором смещения, и предназначенных для контроля бетонных конструкций и использующихся в составе томографических и дефектоскопических АР. На рис. 3.2, б приведена форма эхосигнала преобразователя и его спектральная характеристика. Сигнал получен методом сквозного прозвучивания фторопластовой пластины толщиной 40 мм с помощью пары преобразователей СТК типа TD20 расположенных на одной оси с разных сторон ОК и сориентированных вектором смещения согласно. Выбор фторопласта обусловлен тем, что у этого материала низкая скорость УЗ-волн и затухание эквивалентное бетону, что упрощает методику измерений.
Как видно из результатов измерений, спектр имеет максимум на частоте 55 кГц и ширину спектральной характеристики 65 кГц на уровне -6 дБ, что соответствует относительной полосе пропускания 118 %. Аналогичные ха 95 рактеристики имеют МАП СТК как с продольным (LD20) вектором смещения, что обусловлено их сходной конструкцией и высокоэффективным демпфированием. Данные свойства очень важны при контроле бетона, так как короткий импульс обеспечивает лучшее осевое разрешение и меньший уровень структурных шумов.
Коэффициент двойного электроакустического преобразования (КДЭП) МАП СТК TD20 составляет -70 дБ. Он измерялся как отношение амплитуды электрического импульса на приемном преобразователе к амплитуде зондирующего сигнала, для двух преобразователей TD20, непосредственно контактирующих своими рабочими точками протекторов. Этот параметр на 30 50 дБ ниже, чем у преобразователей с жидкостным контактом, что усложняет применение преобразователей с СТК и требует использования специальных схемотехнических решений при проектировании аппаратуры.
При реализации эхометода, за счет наличия акустической связи между приемными и передающими преобразователями через поверхность ОК и других механизмов, в приемном тракте возникают помехи, обусловленные собственными реверберационными колебаниями передающего преобразователя после окончания действия возбуждающего импульса. В совмещенном режиме реверберационный шум блокирует возможность приема сигналов на некоторое время, которое иногда обозначают термином «мертвая зона». Поэтому важным является знание зависимости уровня реверберационных колебаний как функции времени РШХ преобразователя. На рис. 3.3 приведена экспериментально полученная РШХ преобразователя СТК TD20. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной - уровень собственных колебаний преобразователя, находящегося в воздухе, после его возбуждения прямоугольным однополярным электрическим импульсом длительностью в полпериода основной частоты. Уровень измеренных реверберационных колебаний нормирован к амплитуде зондирующего импульса и выражен в децибелах. Соотнося значения КДЭП и РШХ, можно оценить, что протяженность мертвой зоны МАП СТК TD20 составляет порядка 100 мкс, что затрудняет его использование в совмещенном режиме при эхометоде контроля в диапазоне толщин менее 300 мм.
В разделе 2.2.2 данной работы было теоретически показано, что МАП СТК с касательным направлением смещения протектора имеет несимметрич 97 ную ДН в ортогональных плоскостях. Анализируя выражение (26), можно сделать вывод, что в направлении действия вектора силы МАП будет формировать продольную подповерхностную (иногда используется термин «головную») волну и волну Рэлея, а в направлении, перпендикулярном вектору силы, будет формироваться SH-волна. Подтверждением этих выводов явились результаты экспериментов, приведенные на рис. 3.4. Использовалась пара идентичных преобразователей TD20 (приемный и передающий) с касательным смещением протектора, которые устанавливались на расстоянии 100 мм на поверхности капролонового блока толщиной 150 мм. Толщина блока выбиралась из условия отсутствия донных сигналов в области наблюдения. Из рис. 3.4 видно, что в случае ориентации вектора смещения преобразователей вдоль соединяющей их линии (верхний рисунок), регистрируется сигнал продольной волны (L) и сигнал волны Рэлея (R). Амплитуда сигнала продольной волны в три раза меньше амплитуды волны Рэлея и поперечной волны. При согласованном повороте преобразователей на 90 вокруг своей оси (нижний рисунок), так что векторы их смещений стали параллельны, регистрировался только сигнал поперечной SH-волны. Как известно [7] SH-волна имеет скорость на 3-6 % выше, чем волна Рэлея, а их амплитуды соизмеримы, что и видно из сравнения приведенных осциллограмм. Эти свойства преобразователя с СТК с горизонтальным вектором смещения протектора, можно использовать для измерения скорости распространения продольных и поперечных волн при одностороннем доступе. Кроме того, возможность формирования SH-волны целесообразно использовать при создании антенных систем для волноводного контроля.
Принципы построения и разработки средств УЗ НК
Решая проблему создания ряда мобильных аппаратных средств УЗ НК с использованием новых научных результатов, следует структурировать типы производимой аппаратуры, найдя оптимальное сочетание многообразия решаемых задач и методов НК с ограниченными возможностями по разработке широкой номенклатуры специализированных типов приборов УЗ НК. Сформулировав минимально необходимое количество групп приборов и требования к ним, можно сформировать технические решения применительно для каждой из них. Для этого целесообразно рассмотреть конструктивные, алгоритмические, схемотехнические и интерфейсные требования к средствам ручного УЗ НК.
При разработке приборов, реализующих эхоимпульсный метод НК, актуальным является применение идеологии полного цифрового тракта (ПЦТ). Под этим понимается, что средствами аналоговой электроники решаются задачи согласования сигналов, возбуждающих преобразователь с инициирующими сигналами, а также усиления поступающих с преобразователя электрических сигналов до необходимых уровней. Все остальные задачи: формирования возбуждающих сигналов, аналого-цифровое преобразование, обработка, индикация и визуализация результатов осуществляются цифровыми средствами. Данная концепция позволяет унифицировать решения и узлы преобразования, отображения и ввода информации, а для специфических и новых задач изменять только аналоговые узлы и алгоритмы преобразования информации. О наличии ПЦТ в том или ином приборе можно судить по возможности представления сигнала в недетектированном виде (радиосигнал) в реальном масштабе времени. За счет использования ПЦТ достигаются: высокая линейность измерений амплитуды — исключается нелинейный детектор; реализуется полноценная цифровая фильтрация и обработка сигналов, — следовательно, исключаются аналоговые фильтры, катушки, схемы коммутации; предоставляются дополнительные возможности для анализа за счет оценки фазы эхосигнала и использования режима цифровой лупы. Перенос большинства операций обработки сигналов в область вычислительных процедур в итоге приводит к упрощению схемотехники приборов, стабильности пара 144 метров тракта при любых внешних воздействиях и повышению надежности их работы.
В рамках концепции ПЦТ для средств ручного УЗ НК следует разработать несколько типов цифровых платформ применительно к задачам толщи-нометрии, дефектоскопии и томографии, ориентируясь на требования к интерфейсу и необходимый объем вычислительных ресурсов, характерных для каждого из этих направлений.
Одним из важных аспектов при построении средств НК является выбор средств интерфейса, к которым относятся средства визуализации результатов измерений и управления прибором. Современный уровень развития технологий предлагает широкий выбор вариантов устройств ввода-вывода информации: графические цветные, черно-белые и бинарные дисплеи, встраиваемые в шлемы и очки миниатюрные дисплеи, цифровые и алфавитно-цифровые индикаторы, проекционные системы, синтезаторы речи, средства голосового управления, клавиатуры, тактильные панели, печатающие устройства, джойстики и т.п. Требования мобильности, устойчивости к внешним воздействиям, оперативности визуализации результатов измерений, простоты и надежности работы, предъявляемые к универсальным средствам ручного УЗ НК, ограничивают в выборе вариантов исполнения устройств. Современные типовые требования по устойчивости к внешним воздействиям, предъявляемые к средствам ручного контроля, следующие: Минимальная рабочая температура Ниже -20 С Максимальная рабочая температура Более 50 С Время непрерывной работы от авто- . номного источника Условия внешней освещенности От темных помещений до ярко Желательная степень защиты от пыли и воды Вес электронного блока Менее 2 кг го солнечного дня IP 145
В качестве устройства ввода данных наиболее практичным решением являются пленочные клавиатуры, имеющие высокую степень защиты от механических, химических и климатических внешних воздействий. Они хорошо зарекомендовали себя практически во всех современных приборах НК -от простых однокнопочных толщиномеров до томографических систем. Гибкие и экономичные современные технологии их производства позволяют создать для каждого типа прибора оптимальный и уникальный дизайн клавиатуры.
Похожие диссертации на Развитие методов акустического неразрушающего контроля и создание устройств на базе информационных технологий с антенными системами и малоапертурными преобразователями
