Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор акустических и оптических методов исследования процессов деформаций и разрушения нагруженных материалов 20
1.1. Акустические методы 21
1.1.1. Вибрация 24
1.1.1.1. Понятие вибрации, основные характеристики, способы измерения 24
1.1.1.2. Требования, предъявляемые к виброанализаторам. Конструкция датчиков вибрации 28
1.1.1.3. Обзор существующих на рынке виброанализаторов и датчиков вибрации, их преимущества и недостатки 30
1.1.1.4. Актуальность задачи измерения вибрации 35
1.1.2. Акустоэмиссия 37
1.1.2.1. Акустоэмиссия, основные характеристики, способы измерения.37
1.1.2.2. Требования, предъявляемые к устройствам для измерения акустоэмиссии. Конструкция датчиков акустоэмиссии 43
1.1.2.3. Обзор существующих на рынке акустоэмисионных анализаторов, их преимущества и недостатки 46
1.1.2.4. Актуальность задачи проектирования измерительного комплекса акустоэмиссии 50
1.2. Оптические методы 51
1.2.1. Характеристики изображений. Обзор видео и фотокамер 54
1.2.2. Обоснование необходимых требований к видеокамере 61
1.2.3. Обзор существующих на рынке видеокамер, их преимущества и недостатки
1.3. Комбинированные методы исследования деформаций и разрушения нагруженных материалов 75
1.4. Выводы 75
Глава 2. Реализация аппаратно-программного комплекса акустического контроля 78
2.1. Введение 78
2.2. Аппаратная часть - вибрация
2.2.1. Структурная схема аппаратной части 84
2.2.2. Акселерометр 87
2.2.3. Процессорное устройство для сбора данных с акселерометров и первичной обработки полученной информации 90
2.3. Программная часть 93
2.3.1. Диалоговая программа и интерфейс пользователя 94
2.3.2. Компенсация ошибки измерения 96
2.4. Проведение тестовых измерений и практическое применение 100
2.4.1. Практическое применение - ИФПМ СО РАН 104
2.4.2. Практическое применение - 15 ЦАРЗ 107
2.5. Адаптация комплекса для регистрации АЭ 111
2.5.1. Аппаратная часть 113
2.5.1.1. Структурная схема аппаратной части 114
2.5.1.2. Акусто-эмиссионный преобразователь 115
2.5.1.3. Малошумящий широкополосный усилитель 117
2.5.1.4. Устройство ввода аналоговых сигналов в персональный компьютер 120
2.5.2. Программная часть 121
2.5.2.1. Структурная схема программной части 123
2.5.2.2. Алгоритм взаимодействия программных модулей 126
2.5.2.3. Компонент селекции полезного сигнала 128
2.6. Проведение тестовых измерений 128
2.6.1. Моделирование источника сигнала АЭ путем его формирования резонансным датчиком 128
2.6.2. Моделирование источника сигнала АЭ путем разрушения графитного грифеля 131
2.6.3. Моделирование источника сигнала АЭ при падении стального шарика 133
2.6.4. Полученные результаты 134
2.7. Выводы 135
Глава 3. Реализация аппаратно-программного комплекса оптического контроля 137
3.1. Введение 137
3.2. Аппаратная часть 140
3.3. Программная часть 153
3.4. Проведение тестовых измерений
3.4.1. Описание эксперимента 159
3.4.2. Полученные результаты 160
3.5. Адаптация комплекса для реализации оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера 161
3.6. Выводы 162
Глава 4. Совместное применение акустического и оптического комплексов в решении задач диагностики разрушения нагруженных материалов 164
4.1. Введение 164
4.2. Результаты исследований при испытаниях образцов алюминиевого сплава Д16АТ
4.2.1. Описание эксперимента 165
4.2.2. Полученные результаты 166
4.3. Результаты исследований при испытаниях по контролю высоконагруженных агрегатов планера на датчика-фольгах 173
4.3.1. Описание эксперимента 173
4.3.2. Полученные результаты 174
4.4. Выводы 178
Заключение 180
Список использованных источников
- Требования, предъявляемые к виброанализаторам. Конструкция датчиков вибрации
- Структурная схема аппаратной части
- Моделирование источника сигнала АЭ путем разрушения графитного грифеля
- Результаты исследований при испытаниях по контролю высоконагруженных агрегатов планера на датчика-фольгах
Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие методов неразрушающего контроля немыслимо без создания новых аппаратно-программных средств для его проведения, а также поиска новых путей получения достоверной информации о механическом состоянии деталей машин и элементов конструкций. В первом случае основное внимание исследователей сосредоточено на использовании возможностей микропроцессорной и вычислительной техники для обработки большего объема информации, использовании методов и средств цифровой фильтрации и анализа сигналов, а также реализации экспресс оценки на месте и детального анализа в лабораторных условиях. Для второго случая характерна разработка новых видов датчиков, а также комбинирование известных и распространенных на сегодняшний день методов, что позволяет в полной мере использовать их достоинства и компенсировать недостаток информации, получаемой с их помощью.
В общем случае использование каждого из методов неразрушающего контроля (НК) требует привлечения прямого метода выявления дефектов в объекте контроля (ОК), поэтому оптический метод, как правило, всегда используется для проверки работоспособности, чувствительности и разрешающей способности. При этом оптический метод при всей очевидности и достоверности получаемой информации не слишком часто используется сам по себе, что определяется локальностью анализа, необходимостью подготовки поверхности, требованием к обеспечению доступа к ОК, возможностью выявления дефектов только на поверхности и рядом других факторов. Несмотря на данное лимитирующее обстоятельство, использование оптических средств неразрушающего контроля является наиболее убедительным и достоверным с точки зрения контроля работы методов НК, поэтому разработка методов комбинированного использования нескольких методов диагностики состояния, включающих оптический, является актуальным направлением научно-технических исследований.
Акустические методы мониторинга состояния и неразрушающего контроля получили широкое практическое распространение и на сегодняшний день уровень их приборной реализации очень высок. Неоспоримыми достоинствами акустических методов являются невысокие затраты, высокая разрешающая способность, оперативность контроля, широкий диапазон размеров ОК, а также возможность автоматизации измерений и привлечение современных методов обработки и анализа сигналов для интерпретации результатов. Одним из наиболее распространенных подходов к оценке целостности конструкций и контроля их работоспособности является вибродиагностика, в основе проведения которой лежит частотный анализ сигналов, реализуемый с использованием аппарата Фурье спектрального преобразования. Другим акустическим методом, применяемым для контроля состояния изделий ответственного назначения, является акустическая эмиссия (АЭ), выявление которой на ранних стадиях нарушения сплошности материала позволяет предотвратить быстропротекающие процессы катастрофического разрушения. Известными специалистами в данной области являются ТэтроК.А., ГринА.Т., ДанеганХ., ДроботЮ.Б., Иванов В.И., Степанова Л.Н., Ермолов И.Н и др.
Основной недостаток акустического метода - невозможность визуального выявления и контроля дефектов и оценки величины деформации, в работе предлагается компенсировать привлечением оптического метода, в частности, подхода, основанного на расчете оптического потока. В литературе по экспериментальной механике получил распространение метод корреляции цифровых изображений (DIC), основанный на анализе последовательности изображений поверхности нагруженного материала, построении полей векторов перемещений и получении оценки деформации путем численного дифференцирования последнего. Существенный вклад в развитие этих подходов внесли акад. А.А. Красовский, Б.К.П. Хорн, У.К. Прэтт, М. Саттон и др. Залогом успешного использования данного подхода является развитие аппаратных средств регистрации изображений высокого разрешения и с высокой частотой кадров, особенно при анализе быстропротекающих процессов разрушения.
Таким образом, актуальной научно-технической проблемой является разработка аппаратно-программных средств комбинированного акустико-оптического контроля, позволяющих проводить одновременно регистрацию данных вибродиагностики, акустической эмиссии и изображений поверхности с последующей компьютерной обработкой и анализом результатов испытаний.
Целью настоящей работы является разработка, тестирование и исследование совместного функционирования аппаратных и программных средств сбора, обработки и анализа данных мониторинга состояния акустическим (вибродиагностика и акустическая эмиссия) и оптическим (корреляция цифровых изображений) методами для проведения контроля механического состояния нагруженных образцов материалов и деталей машин.
Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи:
Разработать аппаратно-программные средства регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (вибродиагностика), обеспечивающие путем применения вейвлет-спектрального анализа и выбора соответствующих информативных параметров, получение компьютерной оценки состояния механических систем;
Адаптировать разработанный акустический комплекс для регистрации, обработки и анализа данных акустической эмиссии и реализовать методики его калибровки и контроля работоспособности;
Разработать аппаратно-программные средства регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающие за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;
Путем совместного использования акустического (АЭ) и оптического (корреляция цифровых изображений) метода оценки деформации провести экспериментальное исследование и выделить характерные стадии изменения информативных параметров при растяжении образцов алюминиевого сплава Діб;
Адаптировать аппаратно-программные средства регистрации оптических изображений для реализации оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера.
Научную новизну работы определяют:
Результаты экспериментальных исследований функционирования аппаратно-программного комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ, позволившие выявлять наступление критического состояния образца (стадии предразрушения) на основании выделения характерных стадий изменения информативных параметров - активности АЭ в сопоставлении со стадиями интенсивности деформации сдвига;
Выявлена и реализована возможность получения оценки состояния нагруженных частей механических систем в процессе вибродиагностики, обеспеченная за счет использования спектрального вейвлет-анализа и компьютерного расчета информативных параметров, недостижимая при использовании традиционных методик акустической диагностики;
Результаты тестирования аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающего за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем.
Практическую ценность работы составляет:
Аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ (включая варианты реализации методик фильтрации АЭ-сигналов с привлечением аппарата свертки) совместно с оптическим комплексом оценки деформации на базе цифровой видеокамеры реализованы в соавторстве в виде лабораторного стенда в ИФПМ СО РАН и в настоящее время используются для проведения экспериментальных исследований;
Разработанный аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа акустических (вибро) сигналов был успешно применен при диагностике состояния коробки передач автомобиля «Урал» на ЦАРЗ 15 (г. Новосибирск);
Аппаратно-программный комплекс регистрации и анализа оптических изображений был адаптирован для реализации концепции встроенного контроля оптическим методом для диагностики усталостного разрушения высоконагру-женных узлов планера самолета. Метод включает в себя регистрацию, обработку и анализ оптических изображений чувствительного элемента (фольги). Работа выполнена в рамках проекта между ИФПМ СО РАН и ОАО «ОКБ Сухого».
Методы исследования. В качестве основных методов исследований в работе использованы методы цифровой обработки и анализа сигналов и изображений, теории вероятности, математической статистики, теории оптимизации, теории принятия решений, физического моделирования.
Внедрение работы. Разработанные аппаратно-программные комплексы и способ их совместного применения используются для проведения исследований конструкционных материалов и сплавов в рамках различных госбюджетных и внебюджетных программ и проектов в ИФПМ СО РАН. На программы обработки оптических изображений поверхности с помощью вейвлет-преобразования, а также регистрации и обработки данных АЭ получены акты о регистрации программного обеспечения в Роспатенте.
Автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя в работах по договору «Разработка оптического метода встроенного контроля высокона-
груженных агрегатов планера» (№ БТ-ОНМК-01-08 от 23 июня 2008 г.) между ОАО «ОКБ Сухого» и Учреждением Российской академии наук «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН. Полученные результаты подтверждены соответствующим актом внедрения.
Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 30 публикациях: 6 статей в рецензируемых журналах, 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, 21 статья и тезисы докладов в сборниках конференций. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления», 2-4 октября, 2002 г., Томск; Всероссийская конференция "Современные средства и системы автоматизации", 21-23 октября, 2003 г., Томск; Всероссийская конференция молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2004, 2006, 2008», 18-20 мая, 2004 г., 4-5 мая, 2006 г., 5-8 мая, 2008 г., Томск; XII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2006», 27-31 марта, 2006 г., Томск; 7-я Международная научно-практическая конференция «Средства и системы автоматизации», 25-27 октября, 2006 г., Томск; Third International Forum on Strategic Technologies (IFOST), June 23-29, 2008 Novosibirsk-Tomsk, Russia; Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», 9-12 сентября, 2008 г., Томск; Всероссийская конференция «Новые материалы и технологии» НМТ-2008», 11-12 ноября, 2008 г., Москва; IV Международная конференция «Современные проблемы машиностроения», 26-28 ноября, 2008 г., Томск; VII Всероссийская конференция «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике», 27-28 ноября, 2008 г., Оренбург; XIV, XV Международные конференции молодых ученых «Современные техника и технологии», 2008-2009 гг., Томск; «Mesomechanics 2009. Dissipation and Damage across Multiple Scales in Physical and Mechanical Systems», 24-26 June, 2009, Oxford, UK; International Forum on Strategic Technologies (IFOST), October 21-23, 2009, Ho Chi Minh, Vietnam; Международная конференция «Повреждение материалов при эксплуатации, методы его диагностики и прогнозирования», 21-24 сентября 2009 г., Тернополь, Украина; Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 7-11 сентября, 2009 г., Томск. Основное содержание диссертации приведено в работах [1-16].
Личный вклад. Автором разработана аппаратная и программные части внешнего блока регистрации и преобразования акустических сигналов с применением микропроцессорных компонентов для проведения вибродиагностики состояния механических систем. Разработана, промоделирована и реализована аппаратная и программная части видеокамеры высокого разрешения для регистрации видеопотока и изображений с целью проведения оптического контроля. Разработаны и созданы аппаратные и в соавторстве программные части комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ и реализованы методики фильтрации сигналов АЭ. С использованием акустического и оптического методов в соавторстве проведены экспериментальные исследования стадийности изменения информативных параметров при растяжении образцов алюминиевого сплава
Д16АТ с концентраторами напряжений. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. В составе авторского коллектива разработана методика диагностики усталостного разрушения авиационных материалов по данным изменения рельефа поверхности чувствительного элемента (фольги).
Основные положения, выносимые на защиту:
Реализации способа акустического контроля механического состояния, основанного на использовании алгоритмов вейвлет-преобразования и компьютерном расчете и анализе соответствующих информативных параметров, и их последующем сопоставлении с тарировочными данными;
Структурная схема аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений высокого разрешения, позволяющего за счет использования сжатия видеопотока повысить частоту получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;
Совместное использование аппаратно-программных комплексов регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (АЭ) и оптических изображений, обеспечивает возможность выявлении стадии предразрушения образца путем выделения характерных стадий изменения информативных параметров: активности АЭ и интенсивности деформации сдвига;
Разработанный оптический комплекс позволяет проводить встроенный контроль механического состояния тяжело нагруженных деталей машин оптическим методом, что достигается путем использования чувствительного элемента (фольги) и выбором информативных параметров, отражающих изменение состояния его поверхности в процессе циклического нагружения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 227 страницах, содержит 80 рисунков, 15 таблиц, 4 приложения. Список литературы содержит 101 наименование.
Требования, предъявляемые к виброанализаторам. Конструкция датчиков вибрации
Сигнал, полученный от акселерометра (виброускорение), может быть достаточно легко и с большой точностью преобразован в сигнал виброскорости с помощью интегрирования. Эта процедура осуществляется перед проведением частотного анализа для того, чтобы получить спектр виброскорости. Двойное интегрирование виброускорения приводит к получению вибросмещения. Смещения трудно анализировать на высоких частотах, зато высокие частоты хорошо видны на графике ускорения. Лучше всего выбирать такие единицы измерения, для которых частотная кривая выглядит наиболее плоской: тем самым обеспечивается максимум визуальной информации для наблюдателя. Для диагностики наиболее часто применяется виброскорость, так как ее спектр наиболее широк и информативен. Обычно при анализе спектра основной акцент делается на энергию или разности энергий сигнала в образце до и после деформаций. Спектр вибросигнала несет важную информацию, тем не менее, не стоит игнорировать представление сигнала во временной области, так как в ряде случаев информацию, которую может дать такое представление, невозможно получить, рассматривая только спектр вибрации. Например, случайный процесс (непрерывный шум) и переходный процесс, связанный с какими-то нерегулярными событиями, имеют схожие спектры, которые, тем не менее, соответствуют сигналам совершенно разной природы, что отчетливо видно по их временным реализациям. Особенно это касается спектров, полученных с помощью Фурье-анализа. Во временной области можно увидеть одиночные процессы или ассиметричные сигналы.
Рассмотрим основной метод измерения основных вибрационных характеристик тест-удар, который позволяет выявлять частоту резонанса изделия или машины. Тест-удар заключается в том, что по образцу ударяют молотком, записывая при этом вибрационные данные. Если образец имеет резонансы, то в его затухающей вибрации выделятся собственные частоты. Ударное тестирование является упрощенной формой измерения подвижности, при которой не используется динамометрический молоток, и поэтому величина прилагаемой силы не определяется. Получающаяся в результате кривая не будет корректной в точном смысле. Однако пики этой кривой будут соответствовать истинным значениям собственных частот, что обычно достаточно для оценки вибрации образца. Плотность ударов должна быть равномерно распределена во времени, чтобы частота их повторения не появилась в спектре. Если используется трехосевой акселерометр, то будут записываться собственные частоты по всем трем осям.
Случайный характер событий, определяющих сложный физический процесс, заставляет исследователя отказаться от классических «точечных» измерений и перейти к совокупному анализу отдельных событий, устанавливая их причинность и степень взаимосвязи. Важным инструментом извлечения полезной информации из экспериментальных данных и получения необходимых статистических характеристик случайных процессов является аппаратурный корреляционный и спектральный анализ.
Исследование характеристик реальных физических процессов может быть проведено во временной или частотной областях, причем изучение детерминированных и случайных процессов в частотной области может быть осуществлено с помощью одних и тех же приборов, называемых анализаторами спектра. Случайные процессы принято характеризовать энергетическим спектром, определяющим распределение по шкале частот среднеквадратичных значений составляющих исследуемого сигнала. В настоящее время усиленно развивается аппаратурный спектральный анализ, основанный на использовании специализированных статистических анализаторов [6, 72]. Среди всего многообразия применяемых технических средств следует выделить две основные группы: аппаратуру спектрального анализа, действие которой основано на использовании принципа фильтрации, и аппаратуру, непосредственно реализующую преобразование Фурье.
В вибрационной технике и в технике измерения и воспроизведения акустических шумов одними из важнейших технических средств являются устройства формирования возбуждающего сигнала.
Формирование возбуждающего сигнала может быть осуществлено аналоговыми устройствами и цифровыми управляющими системами, работа которых основана на использовании метода быстрого преобразования Фурье. К числу аналоговых устройств формирования возбуждающего сигнала относят генераторы электрических колебаний, фильтры, устройства сжатия динамического диапазона, выравниватели спектра, программные устройства. В технике испытаний изделий на воздействие вибрации и удара наиболее широкое распространение получили испытания на воздействие синусоидальной вибрации в режиме плавной развертки частоты и на фиксированных частотах; широкополосной и узкополосной случайной вибрации; многократных и одиночных ударов различной формы.
Многообразие функциональных назначений устройств формирования в виброметрии, широкий частотный диапазон колебаний (от сотых долей герца до сотен килогерц), разнообразие форм колебаний определяют большую номенклатуру этих устройств.
Как правило, большинство ведущих зарубежных фирм применяют в виброметрии специальные генераторы, разработанные для формирования возбуждающего сигнала и измерения параметров механических колебаний. Однако в ряде случаев, например, в системах для испытания изделий на воздействие синусоидальной вибрации на фиксированных частотах, при измерении амплитудных и фазочастотных характеристик аппаратуры могут быть использованы генераторы общего назначения.
Структурная схема аппаратной части
Разрабатываемый измеритель вибрации предназначен для динамического измерения ускорения вибраций, обработки, преобразования, сбора, а также дальнейшего частотного, спектрального и других видов анализа полученной информации в составе аппаратно-программного измерительного комплекса для изучения прочностных и деформационных свойств материалов. В задачи измерителя входит также отображение результатов работы в удобной для понимания форме.
Модульный принцип построения аппаратной и программной частей комплекса позволяет, применяя различные модули, получать необходимые технические характеристики каналов измерения и предобработки. Была предложена и реализована схема измерителя вибрации на базе цифрового акселерометра.
Рассматриваемый анализатор включает в себя следующие основные блоки: первичный преобразователь, блок преобразования и обработки данных, центральный блок обработки, хранения и отображения данных, реализованный на базе персонального компьютера. Первичный преобразователь представляет собой микросхему акселерометра ADXL210 фирмы Analog Devices. Измеряемые значения ускорения поступают на выходы микросхемы в виде сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Блок преобразования и обработки данных реализован на базе восьмиразрядного микроконтроллера ATmegal28 от фирмы Atmel. В функции блока первичной обработки данных входит преобразование входного сигнала с широтно-импульсной модуляцией в цифровую форму, а также вычисление измеренных значений ускорения по обоим каналам и выдачу измеренной информации в последовательный порт микроконтроллера.
Персональный компьютер осуществляет дальнейшую математическую обработку, требующую вычислительных ресурсов, превосходящие возможности микроконтроллера, а также отображение информации в графическом виде.
В ходе дальнейшей разработки комплекса и после создания акустоэмиссионного измерителя, было принято решение о совместном использовании платы приема данных Руднев-Шиляев для вибрационных и акустоэмиссионных измерений. Такое объединение позволило упростить программное обеспечение комплекса, за счет отказа от использования СОМ-порта компьютера.
Первичный преобразователь представляет собой микросхему аналогового акселерометра ADXL320 фирмы Analog Devices. При отсутствии вибрации напряжения на каждом из выходов микросхемы равно 1,5В и отклонение от этого значения прямо пропорционально ускорению, которому подвергается микросхема [77].
Аналоговый усилитель предназначен для усиления сигнала с выхода преобразователя до необходимого уровня, и передачи усиленного сигнала на вход платы сбора данных.
В качестве платы сборов данных используется плата ЛА-НІ50-14 PCI производства ЗАО «Руднев-Шиляев». Даная плата имеет два канала аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и позволяет одновременно принимать сигналы от измерителя вибрации по осям X и Y. Техническое описание платы представлено в пункте 2.2.3.
Персональный компьютер осуществляет прием данных с платы сбора данных и производит дальнейшую математическую обработку, а также сохранение полученных данных и отображение информации в графическом виде. В качестве персонального компьютера могут быть использованны компьютеры, имеющие разъем РСІ и позволяющие устанавливать плату сбора данных.
Для аппаратной реализации устройства требуется выбрать функциональные элементы, осуществляющие преобразование вибросигнала, его первичную обработку, передачу на устройство, осуществляющее вторичную обработку и анализ полученных данных. Для этого необходимо выбрать акселерометр, процессорные устройства для сбора, передачи и обработки данных. На рынке присутствует множество компонентов, позволяющих реализовать аппаратную архитектуру устройства.
Была предложена схема аппаратной части измерителя вибрации на базе микроконтроллера Atmega (рис. 2.4).
Рассматриваемый анализатор включает в себя следующие основные блоки: первичный преобразователь, блок преобразования и обработки данных, центральный блок, включающий в себя центральный блок обработки информации, блок хранения информации, блок отображения информации в визуальном виде и интерфейс связи.
Моделирование источника сигнала АЭ путем разрушения графитного грифеля
Алгоритм был реализован программно и опробован на действующем макете. Проведенные испытания показали отсутствие всплесков в измеряемых значениях, которые могли быть вызваны несинхронностью фронтов. Применение такого алгоритма позволяет экономить ресурсы микроконтроллера, что в сумме удешевляет схему при неизменном качестве результата.
После преобразования значение вибрации передается в персональный компьютер для измерения параметров вибросигналов. Для этого используется математическая обработка полученных данных от акселерометров. В пункте 1.1.1.4 перечислены параметры, которые должные определяться виброанализатором, среди которых СКЗ, СКО, размах и пик-фактор. СКЗ определяется формулой: м (2.8) Е СКЗ(х) М Выражение для определения размаха: Пик - пик(х) = \МАХ(х,)\ - \MIN(x,)\ (2.9) СКО определяется формулой: СКО(х) = \\ К Л \ м Выражение для определения пик-фактора: _ . , . пик-пик(х) Пик - фактор(х) = g (2.11) В программе применятся Фурье- вейвлет- преобразования в реальном времени. Для реализации Фурье-анализа в соответствии с формулой (2.6) разработан алгоритм прямого Фурье-преобразования. Вейвлет-преобразование в реальном времени реализовано по алгоритму, представленному блок-схемой на рисунке 2.12. Инициализация
Для проверки работоспособности и соответствия заявленным параметрам были проведены тестовые измерения с использованием разработанного аппаратного и программного комплекса на модельных и реальных сигналах.
Внешний вид аппаратно-программного комплекса вибродиагностики представлен на рис. 2.13.
Рис. 2.13 - Внешний вид аппаратно-программного комплекса виброанализатора Известно что, вейвлет-преобразования локализует все процессы в сигнале по осям время/масштаб. Таким образом, без внесения дополнительных искажений, в сигнал можно добавить начальную априорную информацию (рис 2.14, а). Смоделируем сигнал состоящий из последовательности двух синусоид добавленных в начало реального вибросигнала. Как видно из рисунка 2.14, б на вейвлет спектре модельного сигнала четко видны добавленные гармоники на различных масштабах. Таким образом, реализованный в комплексе алгоритм вейвлет-преобразования работает и способен выделять частотные составляющие сигнала.
Модельный сигнал с добавлением гармонических составляющих к реальному вибросигналу, б) Вейвлет-спектр модельного сигнала с использованием вейвлета Morlet Более того, при известных параметрах добавленного сигнала можно сделать оценку анализируемого.
Как показано, метод добавления сигналов с известными свойствами позволяет делать не только качественную, но количественную оценку анализируемого сигнала в масштабной сетке частот, при использовании различных вейвлет-функций. Введенный сигнал можно использовать, как контрольные точки для сопоставления спектров. Он также, позволяет оценить амплитуду составляющих вейвлет-спектра. Данный метод может быть реализован в приборах использующих вейвлет-анализ [28].
Тестирование комплекса на реальных сигналах. Получим сигналы регистрируемые комплексом с помощью двух видов воздействия: а) гармонические колебания заданной частоты, б) короткий удар. Покажем сигнал и его спектры, получаемые при гармоническом воздействии на комплекс: а) непосредственно вид сигнала во временной области (рис. 2.15, а); б) Фурье-спектр сигнала (рис. 2.15, б); в) вейвлет-спектр выборка по одному масштабу (рис. 2.15, в). На рисунке видно, что при колебании акселерометра, на графике Фурье-преобразования выделяется гармоника периодического сигнала.
Из рисунка 2.15 видно, выделение заданной гармоники на фурье и вейалет-спектрах. Таким образом, комплекс успешно регистрирует гармонические упругие акустические волны и определяет численные значения частоты воздействия. Далее, моделируем кратковременный импульс, посредством короткого удара по испытуемому образцу (рис. 2.16).
Хорошо видно, что комплекс регистрирует единичный всплеск, имеющий вид затухающего гармонического воздействия (рис.2.16, а), спектр такого согнала (рис.2.16, б) не должен быть четко локализован, что мы и наблюдаем на графике. Вейвлет-спектр (рис.2.16, в) единичного воздействия должен повторять вид вейвлет-функции, что мы и видим - базисный гауссов вейвлет первого порядка.
Комплекс успешно справился с тестовыми сигналами и дальнейшее изучение функционирование комплекса будет осуществляться при проведении реальных экспериментов.
Применение комплекса при триботехнических испытаниях образцов. Проводилось тестирование разработанного аппаратно-программного комплекса вибродиагностики для получения в режиме реального времени оценки характера изнашивания поверхности образцов конструкционных материалов при проведении триботехнических испытаний. Датчик ускорения был установлен на держателе образцов машины трения СМТ-1 и позволял регистрировать акустические колебания, возникающие в зоне трибонагружения в процессе взаимодействия контртела, изнашивающего поверхность образцов в режиме трения скольжения (рис. 2.17).
Полученные результаты. Результаты испытаний на трение образцов стали 20X13 с защитным покрытием на основе порошка нихрома ПХ20Н80, армированного наночастицами ТІВ2 (диборид титана).
Были сняты сигналы (рис.2.19) с образца на начальной стадии проведения эксперимента и затем уже на стадии установившегося изнашивания поверхности образца. Цель эксперимента показать, что выбранный нами информативный параметр - энергия спектра сигнала, зависит от степени разрушения поверхности образаца и может работать в предложенной ранее схеме диагностирования.
Результаты исследований при испытаниях по контролю высоконагруженных агрегатов планера на датчика-фольгах
Программное обеспечение акустоэмиссионного измерителя разработано с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio для работы под управлением ОС Windows. Программная часть состоит из функциональных программных модулей, осуществляющих преобразование акустоэмиссионных данных, их предварительную обработку и передачу блокам, реализующим обработку, анализ, вывод и сохранение полученных результатов.
Реализованы следующие основные функции программы: ввод данных; сохранение данных в звуковом формате, удобном для последующей обработки другими пакетами программ; обнаружение акусто-эмиссионной составляющей в сигнале корреляционным методом (свертка); отображение сигнала в режиме осциллографа; синхронизация времени; запуск/остановка измерения.
В целом программное обеспечение ЭВМ функционально можно разделить на три основные части: функции конфигурации и обмена данными, функции математической обработки данных, функции организации взаимодействия оператора и ЭВМ (пользовательский интерфейс). Функции конфигурации и обмена данными необходимы для сопряжения программного обеспечения с различными видами аппаратных интерфейсов связи (платы АЦП, последовательные и параллельные шины ввода, ранее сохраненные или смоделированные данные с жесткого диска и т.п.). Функции математической обработки данных необходимы для предварительного анализа сигнала, исследование поведения сигнала в режиме осциллографа.
Алгоритм работы программного обеспечения регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ показан в виде структурной схемы на рисунке 2.31.
Модуль обработки и статистики — необходим для предобработки сигнала с целью повышения качества работы следующего за ним основного блока обработки. В частности: фильтрация шумов и исключение «пустого» сигнала, т.е. сигнала не несущего акустико-эмиссионную информацию. PCI драйвер платы ввода — предназначен для передачи данных между платой ввода и ЭВМ. Модуль организации взаимодействия оператора и ЭВМ- необходим для визуального отображения результатов лабораторных исследований и сохранения данных.
Алгоритм взаимодействия программных модулей измерителя акустической эмиссии строится по технологии DirectShow. DirectShow -мультимедийный фреймворк и интерфейс программирования приложений (Application Programming Interface, API), созданный корпорацией Microsoft для разработчиков программного обеспечения, позволяющий Windows-приложениям управлять широким спектром устройств аудио/видео ввода/вывода.
В концепции DirectShow мультимедийные данные - это поток, который проходит через несколько обрабатывающих блоков, которые называются фильтрами. Фильтры передают данные по цепочке друг другу и предназначены для выполнения определенного действия над данными. Цепочка, по которой передаются данные, содержит несколько фильтров, связанных определенным образом. Такие цепочки называются графами фильтров (Filter Graph). Для их создания используется стандартный компонент - менеджер графа фильтров (Filter Graph Manager).
В DirectShow имеются готовые фильтры, из которых программист может выстроить ту или иную цепочку обработки данных. Кроме того, можно создать свои, нестандартные фильтры. Фильтры делятся на три типа: фильтры-источники (Source filters) - эти фильтры просто получают данные из источника: с жесткого диска, с CD или DVD дисковода, с TV- карты или карты, к которой подключена цифровая видеокамера и т.д. фильтры-преобразователи (Transform filters) - эти фильтры преобразуют поток данных, проходящий через них каким-либо образом, например -разделяет поток данных на кадры, производят декомпрессию и др. фильтры вывода (Renderer filters) - фильтры, которые получают полностью обработанные данные и выводят их на монитор, звуковую карту, пишут на диск и т.д.
