Фазовий метод ультразвукової товщинометрії виробів з багатошарових матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 620.179.16

ФАЗОВИЙ МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОЇ ТОВЩИНОМЕТРІЇ ВИРОБІВ З БАГАТОШАРОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Монченко Олена Володимирівна

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інформаційно-вимірювальних систем в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: КУЦ Юрій Васильович

доктор технічних наук, професор,

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри інформаційно-вимірювальних систем

Офіційні опоненти: НІЖЕНСЬКИЙ Анатолій Данилович

доктор технічних наук, професор

Інститут електродинаміки НАНУ, провідний науковий співробітник

Бондаренко Олександр Гнатович

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Інститут елекрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, старший науковий співробітник

Захист відбудеться «22» квітня 2010 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.01 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, Київ 680, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, Київ 680, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий «____» березня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої радиВ. С. Єременко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна частина задач ультразвукового неруйнівного контролю пов'язана з визначенням геометричних розмірів (товщини, довжини) об'єктів контролю (ОК). Традиційним методом ультразвукової товщинометрії (УЗТ) є луна-імпульсний метод, який ґрунтується на визначенні часу проходження ультразвукових коливань в ОК. Початково цей метод був розроблений для контролю металевих конструкцій. Саме фізико-механічні властивості металів визначили основні напрями розвитку цього методу, зокрема розробку різних типів перетворювачів ультразвукових коливань, удосконалення апаратурної реалізації та способів вимірювання параметрів та характеристик сигналів. Значний внесок в розвиток УЗТ зробили відомі українські та закордонні вчені: Альошин Н. П., Білокур І. П., Гурвіч А. К., Доммаркас В. І., Єрмолов І. М., Кажис Р-І. Ю., Карпаш О. М., Карпельсон А. Є., Ки- сіль І.С., Клюєв В. В., Корольов М. В., Крауткремер Г., Крауткремер Й., Луцен -

ко Г. Г., Мозговий О. В., Сухоруков В. В., Троїцький В. О. та ін.

Останнім часом широкого розповсюдження набувають нові конструкційні матеріали, номенклатура яких стрімко зростає. До таких матеріалів належать композиційні матеріали, багатошарові матеріали і т.п. Такі матеріали порівняно з металами характеризуються більшим загасанням ультразвукових коливань та розкидом фізико-механічних характеристик. Контроль товщини виробів з таких матеріалів традиційними способами ускладнюється суттєвим зменшенням відношення сигнал-шум, що не дозволяє досягнути високих рівнів чутливості, розрізнюючої здатності та інших метрологічних характеристик. Крім того, в багатошарових структурах можливі перевідбиття і суміщення в часі відбитих сигналів, що також ускладнює процес визначення товщини ОК.

Відзначені особливості задач контролю товщини сучасних конструкційних матеріалів висувають підвищені вимоги до методів та систем обробки інформаційних сигналів. Слід зазначити, що в більшості луна-імпульсних товщиномірів обробка сигналів була орієнтована на використання їх амплітудних характеристик. В той же час закладена в фазових характеристиках сигналів інформація не використовувалась. Таким чином задача удосконалення методу УЗТ на основі використання особливостей фазової структури інформаційних сигналів є актуальною, а її вирішення дозволяє розширити функціональні можливості луна-імпульсного методу та підвищити точність вимірювання товщини нових конструкційних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана на кафедрі інформаційно-вимірювальних систем Національного авіаційного університету і пов'язана з науково-дослідними темами:

НДР № 144-ДБ-04. Розробка основ наукової концепції статистичного аналізу функціонування динамічних систем. Номер державної реєстрації 0101U003741.

НДР № 382-ДБ-07. Розробка методів та методик статистичної діагностики виробів. Номер державної реєстрації 0107U002736.

НДР № 499-ДБ-08 Розробка методології безеталонної дефектоскопії композиційних матеріалів авіаційної техніки. Номер державної реєстрації 0108U004064.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є підвищення точності та розрізнювальної здатності вимірювання товщини багатошарових об`єктів контролю. Досягнення поставленої мети ґрунтується на результатах розв'язання таких наукових задач:

1) розробити новий метод фазової УЗТ для визначення товщини шарів багатошарових ОК та середовищ;

2) сформувати вимоги до характеристик вимірювального каналу фазового ультразвукового товщиноміра для контролю багатошарових ОК;

3) на основі комп'ютерного моделювання провести аналіз вимірювальних інформаційних сигналів та можливостей методу УЗТ щодо контролю багатошарових ОК в умовах часткового суміщення в часі досліджуваних сигналів;

4) експериментально дослідити розроблений метод фазової УЗТ та провести порівняльний аналіз отриманих результатів з теоретичними;

5) розробити методику оцінки методичної складової невизначеності вимірювання товщини шарів ОК для розробленого методу товщинометрії.

Об'єкт дослідження - процес поширення ультразвукових сигналів у виробах з багатошаровою структурою.

Предметом дослідження є методи підвищення точності та розрізнювальної здатності фазової ультразвукової товщинометрії.

Методи дослідження включають: теоретичні основи ультразвукового НК, методи цифрової обробки сигналів, теорії сигналів, спектрального аналізу та теорії інформаційно-вимірювальних систем, теорію імовірності і математичної статистики. Експериментальні дослідження виконувались шляхом комп'ютерного моделювання з використанням сучасних інформаційних технологій.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Розроблено новий метод ультразвукової товщинометрії, який ґрунтується на визначенні та аналізі фазових характеристик сигналів (ФХС) луна-імпульсної товщинометрії і виявленні стрибків ФХС в моменти суміщення в часі відбитих сигналів, що необхідно для визначення товщини шарів ОК.

2. Запропоновано математичну модель сигналів ультразвукової луна-імпульсної товщнометрії, яка дозволяє врахувати властивості фазової характеристики при накладанні сигналів, відбитих від границь поділу середовищ з різними акустичними характеристиками.

3. Запропоновано метод обробки ФХС для визначення середини її стрибків, який ґрунтується на використанні способу низькочастотної фільтрації, що забезпечує підвищення точності визначення часового положення стрибків ФХС.

4. Розроблено рекомендації до вибору параметрів вимірювального каналу фазового ультразвукового товщиноміра в задачах контролю багатошарових ОК та середовищ, що забезпечує підвищення ймовірності виявлення стрибків ФХС.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновано методику визначення товщини шарів двошарових ОК, яка ґрунтується на аналізі фазових характеристик сигналів УЗТ.

2. Запропоновано методику способу підвищення ймовірності виявлення стрибка ФХС шляхом варіації робочої частоти.

3. Розроблено інформаційне забезпечення для ультразвукового товщиноміра, який реалізує розроблений метод фазової УЗТ.

4. Розроблено методику оцінки невизначеності вимірювання товщини шарів ОК для запропонованого фазового методу товщинометрії.

Впровадження результатів роботи.

Результати досліджень впроваджені в ТОВ «Науково-технічний центр «Монтажспецтехніка» (м. Київ) та в навчальному процесі у Національному авіаційному університеті на кафедрі інформаційно-вимірювальних систем (м. Київ).

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В наукових роботах, опублікованих у співавторстві, дисертантом виконано: в роботі [1] - використання перетворення Гільберта для задач фазової обробки сигналів УЗТ, [2] - дослідження медіанної фільтрації кутових даних, [3] - розробка програмного забезпечення інформаційно-діагностичної системи, в роботах [4, 6, 9] - розроблено ультразвуковий спосіб визначення товщини багатошарових ОК та проведено комп'ютерне моделювання процесу обробки сигналів луна-імпульсної товщинометрії, в роботах [5, 8] - моделювання процесу обробки сигналів у прецизійних фазовимірювальних засобах та аналіз методичної похибки оцінки ФХС, [10] - аналіз статистичних характеристик розсіювання випадкових кутів, [11] - експериментальне дослідження фазового способу ультразвукової товщинометрії, [13] - запропоновано варіант підвищення променевої розрізнювальної здатності ультразвукових дефектоскопів на основі аналізу ФХС, [14] - проаналізовано чутливість запропонованого способу ультразвукової товщинометрії двошарових середовищ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на міжнародних і національних наукових конференціях і семінарах, зокрема: Національній науково-технічній конференції «Неруйнівний контроль та технічна діагностика» (м. Київ, 2005 р.), VI міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених «ПОЛІТ» (м. Київ, 2006 р.), VII науково-технічній конференції «Авіа-2006» (м. Київ, 2006 р.); сьомій міжнародній науково-практичній конференції «Современные информационные и электронные технологи» (м. Одеса, 2006 р.), науково-практичній конференції «Актуальні проблеми експлуатації, ремонту, розробки та модернізації авіаційної техніки» (м. Київ, 2006 р.), VII науково-технічній конференції «Інформаційна техніка та електромеханіка» (м. Луганськ, 2007 р.); VIIІ науково-технічній конференції «Авіа-2007» (м. Київ, 2007 р.), науково-практичній конференції молодих учених та аспірантів «Інтегровані інформаційні технології та системи» (м. Київ, 2007 р.), VII міжнародній науково-технічній конференції «Приладобудування 2008: стан і перспективи» (м. Київ, 2008 р.), Review of Progress in Quantitative NDE University of Illinois - (м. Чікаго, США, 2008 р.), а також наукових семінарах кафедри інформаційно-вимірювальних систем та Інституту інформаційно-діагностичних систем НАУ протягом 2005 - 2009 рр.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 14 наукових робіт, у тому числі 5 статей у фахових науково-технічних виданнях, що входять до переліку ВАК України [1-5], 8 тез доповідей [7-14] та 1 патент України [6].

Структура і зміст роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, що містять основні результати роботи, списку використаних джерел із 101 найменування, трьох додатків, 55 рисунків, 6 таблиць. Основний текст дисертаційної роботи викладено на 125 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, наведено відомості щодо зв'язку дисертації з планами організації, де виконана робота, здійснено огляд використаних методів досліджень, визначено особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві наукових роботах, представлено інформацію щодо апробації та публікації результатів дисертації та впровадження основних положень роботи.

У першому розділі проведено аналіз задач та методів ультразвукового неруйнівного контролю товщини тонких шарів та шарів багатошарових середовищ.

Встановлено, що найбільш інформативним та універсальним методом контролю є луна-імпульсний, оскільки дозволяє проводити вимірювання при доступі до ОК лише з однієї сторони (балони під високим тиском, ємності для зберігання агресивних рідин тощо). Але він має певні обмеження.

Показано, що однією з причин, що обмежує застосування луна-імпульсного методу в задачах контролю тонких та багатошарових ОК, є наявність мертвої зони- ділянки ОК, в межах якої неможливо визначити товщину ОК за амплітудами інформаційних сигналів.

Проаналізовано відомі способи зменшення мертвої зони, серед яких: підвищення частоти заповнення радіоімпульсних ультразвукових зондуючих сигналів і скорочення тривалості радіоімпульсів, застосування ультразвукових ліній затримки та спеціальних способів обробки інформаційних сигналів.

Всі розглянуті способи орієнтовані на використання інформаційних ознак, отриманих з амплітудної характеристики сигналів (АХС). В той же час можливості використання фазової характеристики сигналів в задачах прицезійної товщинометрії залишаються недослідженими.

Аналіз існуючих методів та засобів УЗТ показав доцільність пошуку та розробки нових методів УЗТ та способів обробки сигналів, які забезпечили б можливість контролю багатошарових ОК за умови накладання в часі відбитих сигналів.

Виконаний огляд та аналіз інформаційних джерел дозволив сформувати мету та завдання досліджень, які спрямовані на розробку методу УЗТ, який ґрунтується на використанні амплітудних і фазових характеристик сигналу.

У другому розділі запропоновано використання методу ультразвукової товщинометрії на основі аналізу фазової характеристики сигналів (ФХС) товщинометрії. Досліджено ФХС в умовах накладання відбитих сигналів та визначено можливості вимірювання часу затримки проходження сигналу в ОК за положенням мо-менту спотворення ФХС прийнятого сигналу , що уявляє собою адитивну суміш відбитих сигналів, або суміш зондуючого і відбитого. Спотворення ФХС визначається відносно апріорно відомої фазової характеристики зондуючого сигналу. Часове положення спотворення (стрибок ФХС) відповідає моменту надходження другого відбитого сигналу.

Виконано аналіз стрибків фази на моделі сигналів, утворених адитивною сумішшю кусково-гармонічних функцій виду:

(1)

де - амплітуди сигналів ,

- відповідно початкові фази та частота сигналів ,

- затримка в часі сигналу відносно ,

- функція Хевісайда,

- час аналізу.

Початкова фаза функції (1) визначається як функція часу:

Встановлено, що в момент часу накладання функції на функцію відбувається стрибкоподібна зміна фази . Величина стрибка фази визначається як:

Проведене комп'ютерне моделювання залежності величини стрибка фази від відношення амплітуд гармонічних функцій і початкової фази .

Рис.1 Графік функції

На рис.1 показано графік функції З графіка видно, що величина стрибка лежить в межах .

Виконаний теоретичний аналіз довів можливість використання особливостей ФХС для вирішення задач ультразвукової луна-імпульсної товщинометрії в умовах суміщення досліджуваних сигналів в часі.

Виявлені закономірності ФХС для випадку накладання кусково-гармонічних функцій покладено в основу розробленого методу УЗТ.

Розглянута задача контролю двошарових середовищ луна-імпульсним методом з товщинами шарів при односторонньому доступі до ОК та застосуванні суміщеного п'єзоелектричного перетворювача (ПЕП) з ультразвуковою лінією затримки (УЛЗ) (рис. 2).

а	б
Рис.2 Схема прозвучування двошарового ОК (а) та епюри зондуючого та відбитих сигналів (б)

Зондуючий сигнал формувався у вигляді радіоімпульсу виду:

де - тривалість радіоімпульсу.

Відбиті від -того шару ОК сигнали з урахуванням акустичних властивостей шарів ОК представлені моделлю:

(2)

де - модуль коефіцієнта електроакустичного тракту при відбитті від і-го шару,

- амплітудна характеристика сигналу,

- затримка сигналу при відбитті від -го шару ОК.

Модель (2) дозволяє врахувати інверсію фази при відбитті від акустично «м'якої» границі розділу шарів.

Коефіцієнт електроакустичного тракту при відбитті від -того шару визначається як:

(3)

де - коефіцієнт подвійного електро-механічного перетворення ,

- коефіцієнт проходження ультразвукового сигналу в шарі за інтенсивністю,

- коефіцієнт відбиття за тиском від границі -го та -го шарів,

- коефіцієнт загасання ультразвукової хвилі в -му шарі,

- кількість шарів в акустичному тракті товщиноміра.

Визначення ФХС виконано за допомогою перетворення Гільберта. ФХС прийнятого сигналу , що є адитивною сумішшю зондуючого та відбитих сигналів, визначається через аналітичний сигнал , утворений вихідним сигналом і його Гільберт-образом. Дробова частина ФХС має вигляд:

Ця характеристика за наявності накладання двох радіоімпульсів з однаковою частотою заповнення містить два типи стрибків, які відрізняються за величиною: І тип - стрибки величиною, близькою до , ІІ тип - стрибки, які не перевищують за абсолютною величиною значення . Перші не містять інформацію про товщину шарів ОК і використовуються для розгортання ФХС в часі. Другі утворені за рахунок накладання радіоімпульсів, тобто є інформативними для УЗТ.

Розгортання ФХС за стрибками І типу здійснюється за допомогою ступінчастої функції :

,

де

Аналіз різниці ФХС прийнятого та несучої зондуючого сигналу виду

(4)

дозволяє виявити стрибки ФХС другого типу і визначити за їх часовим положенням затримку розповсюдження відбитого сигналу в ОК.

Запропоновано визначення товщини шарів ОК шляхом оцінки часових затримок (рис. 2) між сигналами , , та , Проведено моделювання задачі визначення товщини шарів двошарових середовищ в умовах накладання відбитих імпульсів при використанні зондуючого радіоімпульсного сигналу з гауссівською обвідною. Результати моделювання представлено на рис.3, де позначено - прийнятий сигнал, - гільберт-образ прийнятого сигналу, - його обвідна. Як видно з рис. 3, а, амплітудна характеристика не дозволяє гарантовано виявити наявність другого відбитого сигналу. На рис.3, б наведено дробову частину ФХС, яка містить стрибки ФХС обох типів, на рис.3, в - різниця ФХС (4).

На графіку (рис. 3, в) чітко видно стрибок ФХС ІІ типу величиноюрад. Його часове положення дозволяє визначити затримку як часовий інтервал між обвідною відбитих сигналів та стрибком їх фазової характеристики. Час розповсюдження сигналу в першому шарі визначається за АХС, з урахуванням затримки в УЛЗ, як величина (рис. 3). Товщина кожного шару визначається відповідно як:

(5)

де - швидкості розповсюдження ультразвукових хвиль в матеріалі 1-го та 2-го шарів ОК відповідно,

- час розповсюдження ультразвукової хвилі в УЛЗ (рис. 2).

Рис.3 Графіки функцій: - прийнятий сигнал, - гільберт-образ сигналу , - АХС прийнятого сигналу (а) , - дробова частина фазової характеристики прийнятого сигналу (б), - різниця ФХС (в)

Наведено результати розробки способу підвищення точності визначення часового положення стрибка ФХС, який передбачає використання фільтрації функції за допомогою ковзного середнього з різними постійними часу з наступним їх порівнянням. Розглянутий спосіб дозволяє зменшити похибку визначення часового положення стрибка ФХС на 20%.

У третьому розділі проаналізовано чутливість методу фазової товщинометрії та сформульовано вимоги до вимірювального каналу. Під чутливістю розуміється модуль величини стрибка ФХС , що залежить від відношення амплітуд та різниці ФХС відбитих сигналів (рис.4).

Встановлено, що чутливість в залежності від збільшується при . Аналіз по фазі показав, що в точках , величина стрибка ФХС досягає мінімуму. Для підвищення чутливості запропоновано використати варіацію робочої частоти, що приводить до зміни довжини хвилі в ОК і, відповідно, до зміни фазових співвідношень відбитих сигналів.

Рис.4. Графік чутливості стрибка ФХС від співвідношень амплітуд і фаз

Встановлено, що для переходу із зони з мінімальною чутливістю в зону з максимальною чутливістю достатньо перестроїти робочу частоту на величину

,

де - робоча частота яка відповідає зоні мінімальної чутливості,

- робоча частота після підстроювання,

- кількість довжин хвиль, які вкладаються в досліджуваному шарі ОК.

Обґрунтовано вимоги до вимірювального каналу фазових ультразвукових товщиномірів, до складу якого входять ПЕП, з'єднувальний кабель та електронний тракт товщиноміра. Найбільший інтерес представляє вплив обмеження смуги пропускання сигналу елементами каналу на величину і форму стрибка ФХС.

Для з'ясування такого впливу розглядалась модель сигналів, яка уявляє адитивну суміш двох послідовностей радіоімпульсів з прямокутними обвідними виду , де

(6)

де - обвідна сигналу ,

,

- частота несучого коливання,

- часова затримка радіоімпульсу.

Комплексні коефіцієнти ряду Фур'є для сигналу (6) визначаються як:

,

де - шпаруватість обвідної радіоімпульсів ,

- частота повторення зондуючих сигналів.

Спектри сигналів є лінійчастими, мають однакові гармоніки, які приймають максимальне значення за умови , а -ті гармоніки зсунуті одна відносно другої на кут .

Оскільки залежність між смугою пропускання та спотворенням стрибка ФХС дослідити аналітично досить складно, така залежність розглядалась в модельному експерименті, який полягав у обмеженні спектра аналізованого сигналу за допомогою прямокутного частотного вікна, відновленні цього сигналу у часовій області, визначенні його фазової характеристики та її порівнянні з фазовою характеристикою вихідного сигналу.

Результати визначення ФХС для різних частотних вікон наведені на рис.5. Зясовано, що обмеження частотної смуги приводить до зменшення крутості ФХС в околі стрибка та появи високочастотних флуктуацій, які ускладнюють виявлення інформаційних стрибків ФХС. Встановлено, що обмеження смуги пропускання вимірювального каналу на 5-6% практично не впливає на виявлення стрибка ІІ типу.

Виконаний спектральний аналіз сигналів підтвердив необхідність забезпечення широкосмуговості вимірювального каналу і дозволив обґрунтувати

Рис.5 ФХС досліджуваного сигналу до обмеження смуги пропускання (1), після обмеження смуги пропускання на 5% (2) та 10% (3) вимогу щодо частотної смуги каналу:

У вимірювальному каналі товщиноміра був використаний і досліджений широкосмуговий ПЕП для задачі вимірювання товщини шарів багатошарових середовищ, який задовольняє сформульованим вимогам. Його АЧХ представлена на рис.6.

Рис.6 АЧХ використаного ПЕП для прймання сигналів зі стрибком фазової характеристики

Смуга пропускання за рівнем 0,7 становила =8 МГц.

У четвертому розділі проведено експериментальне дослідження методу фазової товщинометрії.

Перевірка можливості визначення стрибка ФХС була виконана на прикладі виявлення накладання зондуючого і відбитого сигналів при прозвучуванні алюмінієвої пластини товщиною мм. Для забезпечення умов накладання в проведеному експерименті тривалість зондуючого сигналу була обрана більшою за час його розповсюдження в ОК.

Структурна схема макету досліджень представлена на рис.7.

Рис. 7 Структура макету для експериментальних досліджень

Для досліджень використовувався керований генератор PCGU, з'єднаний з ПК через USB-порт. Амплітуда зондуючого сигналу становила 25 В, =1,25 МГц. Сформований сигнал поступав через підсилювач потужності на випромінюючий перетворювач ZQ1. Прийнятий перетворювачем ZQ2 сигнал надходив на аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) типу ACUTE DS-1202, який здійснював дискретизацію сигналів з частотою 100 МГц. Для візуального контролю прийнятого сигналу використано цифровий осцилограф GDS-840S. З АЦП через USB-порт сигнал надходив у ПК. Цифрова обробка сигналів здійснювалась у програмному середовищі MATLAB.

Рис.8 ФХС прийнятого сигналу

Для визначення товщини багатошарових ОК та середовищ розроблена методика обробки вимірювальних сигналів, яка ґрунтується на визначенні часу розповсюдження сигналів в ОК через аналіз їх фазових характеристик. Вона передбачає: 1) отримання вибіркових значень зондуючого і відбитого сигналів; 2) передачу даних до ПК; 3) виконання перетворення Гільберта вибірки; 4) обчислення та розгортання ФХС; 5) виявлення стрибка ФХС ІІ типу та визначення його часового положення; 6) визначення товщини шару за формулою (5).

У виконаному експерименті було виявлено стрибок ФХС у місці накладання зондуючого і відбитого сигналів. На рис. 8 показано графік функції зі стрибком в момент часу мкс. Абсолютна похибка визначення часового інтервалу склала мкс, що відповідає відносній похибці . Наявність стрибка свідчить про накладання у часі зондуючого і відбитого сигналів, що відповідає прийнятим вхідним умовам та попереднім розрахункам.

Було проведено експеримент по перевірці надійності виявлення інформаційного стрибка ФХС ІІ типу. З повторених 1000 разів експериментів по визначенню товщини ОК у 910 випадках інформаційний стрибок був надійно виявлений, що дозволило оцінити ймовірність їх виявлення на рівні 0,9.

Розроблено методику оцінювання невизначеності результатів вимірювання товщини ОК для розробленого методу.

Значення часової затримки оцінювалось за стрибком ФХС, що визначило основні фактори впливу на точність оцінки величину та крутість стрибка ФХС, які, в свою чергу, залежать від амплітуд накладених сигналів. На основі виконаного моделювання встановлено, що часове положення стрибка ФХС змінюється в залежності від відношення амплітуд, тобто виникає методична похибка вимірювання . Цю складову похибки можна частково компенсувати, якщо визначити орієнтовне відношення амплітуд, виходячи з апріорної інформації про акустичні властивості ОК.

Загальний вираз для комбінованої невизначеності результату вимірювання товщини ОК:

де - невизначеність вимірювання товщини ОК,

- невизначеність часового інтервалу,

- невизначеність, обумовлена неточністю визначення швидкості проходження ультразвукової хвилі в товщині ОК.

Для невизначеності побудовані діаграми впливаючих факторів (діаграми Ішикави), розглянуто бюджет невизначеності, з якого виведено вираз для оцінювання невизначеності вимірювання часових інтервалів у випадку контролю товщини двошарових ОК:

де - невизначеність виділення часового інтервалу за амплітудною характеристикою,

- невизначеність виділення часового інтервалу за фазовою характеристикою,

- невизначеність, обумовлена дискретизацією АЦП,

- невизначеність, обумовлена відношенням сигнал/шум.

Значення невизначеності оцінюються за стандартними методиками.

В додатках наведений лістинг програм моделювання методу фазової товщинометрії в одно- та двошарових ОК та акти впровадження результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

1. Вперше запрпоновано та досліджено метод фазової ультразвукової луна-імпульсної товщинометрії для визначення товщини шарів багатошарових середовищ, який ґрунтується на оцінці затримки часу розповсюдження сигналів в шарах ОК за результатами аналізу їх фазових та амплітудних характеристик і дозволяє виконувати вимірювання в умовах суміщення в часі відбитих від границь шарів сигналів.

2. Розроблено модель сигналів ультразвукової луна-імпульсної товщинометрії, що враховує властивості їх фазової характеристики при відбитті від границь розділу середовищ з різними акустичними характеристиками, що дозволило використовувати її для визначення затримки розповсюдження сигналів луна-імпульсної УЗТ в шарах ОК.

3. Розроблено способи підвищення точності визначення часу розповсюдження сигналів у шарах ОК за умови суміщення в часі відбитих від границь шарів сигналів, що дозволило зменшити невизначеність вимірювання товщини шару ОК на 20%.

4. Розроблено рекомендації щодо вибору параметрів вимірювального каналу фазового ультразвукового товщиноміра, виконання яких дозволяє формувати і передавати інформаційні сигнали з допустимим спотворенням їх фазової характеристики.

5. Розроблено апаратно-програмний комплекс фазової ультразвукової товщининометрії, що дозволив проводити вимірювання товщини шарів багатошарових ОК в умовах накладання в часі відбитих від границь шарів сигналів.

6. Розроблено інформаційне забезпечення, яке дозволяє виконувати моделювання процесів обробки сигналів луна-імпульсної УЗТ, основаних на фазових методах визначення часових затримок їх розповсюдження у виробах та може бути використане в засобах УЗТ з розширеними функціональними можливостями.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Куц Ю. В. Підвищення точності визначення фазових характеристик сигналів / Ю. В. Куц, І. М. Лапіга, О. В. Монченко // Вісник НАУ. - 2006. - №4. - С.26-29.

Куц Ю. В. Кругова медіана в статистичному аналізі кутових даних / Ю. В. Куц, О. В. Монченко // Вісник НАУ. - 2006. - №1. - С.14-17.

Еременко В.С. Современные информационные технологии в системах неразрушающего контроля / В. С. Еременко, Е. Ф. Суслов, О. В. Монченко, Н. Б. Налесный // Вісник Інженерної академії України. - 2007. - Випуск 3- 4. - С.113-116.

Куц Ю. В. Ультразвуковое измерение толщины многослойных материалов и изделий / Ю. В. Куц, Е. В. Монченко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2008. - №1. - С.35- 38.

Куц Ю. В. Дослідження віконної обробки сигналів в задачах фазометрії / Ю. В. Куц, О. В. Монченко, І. М. Лапіга // Вісник східноукраїнського національного університету ім. В . Даля . - 2008. - №1(119). - С.108 - 113.

Пат.18441 Україна, МПК G01B17/00 Спосіб ультразвукового вимірювання товщини багатошарових матеріалів та виробів / Єременко В.С., Куц Ю.В., Монченко О.В.; заявник та патентовласник Нац. авіац. ун-т . -u200604354; заявл.18.04.2006; опубл.15.11.2006, Бюл. № 11.

Монченко О. В. Фазовий метод прицезійної ультразвукової товщинометрії / О. В. Монченко // ПОЛІТ: VI Міжнар. наук. конф. студентів та молодих учених, 11-12 квіт. 2006 р.: тези доп. - К.,2006. - С. 546.

Еременко В. С. Применение оконной обработки сигналов в задачах анализа их фазовых характеристик / В. С. Еременко, Ю. В. Куц, И. М. Лапига, Е. В. Монченко // Современные информационные и электронные технологии: 7-ая науч.-практ. конф., 22-26 мая 2006 г.: тезисы докл. - Одесса, 2006. - С.229.

Куц Ю. В. Ультразвуковий контроль багатошарових виробів / Ю. В. Куц, О. В. Монченко // Актуальні проблеми експлуатації, ремонту, розробки та модернізації авіаційної техніки, 15-16 черв., 2006 р. : тези доп. та виступів 2006.- С.41.

Єременко В. С. Статистичні характеристики випадкових величин і випадкових кутів /В. С. Єременко, Ю.В. Куц, Л. М. Щербак, О. В.Монченко // АВІА-2006: VII Міжнар. наук.-техн. конф., 25-27 верес., 2006 р., Т. 2: тези доп. - К.,2006. - С.11.28- 11.32.

Куц Ю. В. Експериментальне дослідження фазового способу ультразвукової товщинометрії / Ю. В. Куц, О. В. Монченко // АВІА-2007: VIII Міжнар. наук.-техн. конф., 25-27 квіт., 2007 р., Т.1: тези доп. - К., 2007. - С.11.33-11.36.

Монченко О. В. Моделювання процесів обробки інформаційних сигналів в ультразвукових товщиномірах / О. В. Монченко // Інтегровані інформаційні технології та системи ІІТС-2007: наук.-практ. конф. молодих учених та аспірантів, 29-31 жовт., 2007 р.: тези доп. - К., 2007. - С.128-129.

Куц Ю. В. Підвищення точності вимірювання товщини в ультразвуковій товщинометрії / Ю. В. Куц, О. В. Монченко, І. М. Лапіга // Леотест 2008. Електромагнітні та акустичні методи неруйнівного контролю матеріалів та виробів. 13-а наук. техн. конф., 18-23 лютого 2008.: тези доп. - Львів, 288 с. - С.161-164.

Kuts Y. V. Ultrasound Method of Multi-Layer Material Thickness Measurement / Y. V. Kuts, V. S. Yeremenko, A. G. Protasov, E. V. Monchenko // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Vol.28, july 20-35, 2008: abstracts. -Chicago, 2008. - P.1115-1120.

АНОТАЦІЇ

сигнал чутливість середовище багатошаровий

Монченко О. В. Фазовий метод ультразвукової товщинометрії виробів з багатошарових матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. -Національний авіаційний університет. - Київ. - 2010.

Дисертація присвячена питанням контролю товщини шарів багатошарових об'єктів та середовищ, таких як композиційні матеріали, біметали тощо.

В дисертації запропоновано новий метод контролю товщини шарів багатошарових середовищ, який ґрунтується на аналізі фазових характеристик сигналів (ФХС). В якості інформативного параметра визначено часове положення моменту спотворення ФХС, що відбувається внаслідок накладання в часі зондуючого і відбитих сигналів, що має місце під час контролю товщини тонких шарів.

Отримано аналітичні вирази процесу визначення товщини шарів багатошарових об'єктів контролю та показників точності вимірювань у запропонованому способі з урахуванням акустичних властивостей середовищ.

Досліджено чутливість фазової характеристики сигналу, як залежність від співвідношення амплітуд і фаз вхідних сигналів, виходячи з якої обґрунтовано вимоги до вимірювальних каналів фазових ультразвукових товщиномірів для реалізації даного способу. Показано, що висока точність вимірювань досягається при широкій смузі пропускання п'єзоелектричного перетворювача, сформовано вимоги до смуги пропускання вимірювального каналу фазового ультразвукового товщиноміра.

Розроблено пакет програмного забезпечення для комп'ютеризованих ультразвукових товщиномірів, який дозволяє суттєво розширити їх функціональні можливості.

Ключові слова: багатошарові матеріали, луна-імпульсна товщинометрія, фазова характеристика сигналів, п'єзоелектричний перетворювач.

Монченко Е. В. Фазовый метод ультразвуковой толщинометрии изделий из многослойных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Национальный авиационный университет. - Киев. - 2010.

Диссертационная работа посвящена вопросам измерения толщины слоев многослойных материалов и изделий ультразвуковым эхо-импульсным методом с использованием фазовой обработки информационных сигналов в условиях частичного наложения отраженных от дна каждого слоя сигналов.

Приведена классификация ультразвуковых методов толщинометрии, которая позволила определить место предложенного и разработанного в работе фазового метода ультразвуковой толщинометрии среди известных методов. Идея предложенного метода состоит в анализе «тонкой» фазовой структуры сигналов, т.е. выявлении особенностей локальных изменений фазы сигнала внутри периода, в то время как другие известные фазовые методы основаны на регистрации фазового сдвига сигналов.

В диссертации проведен анализ существующих способов обработки сигналов и средств ультразвуковой толщинометрии касательно измерения толщины многослойных материалов и изделий. Анализ показал, что существующие толщиномеры калибруются по металлу, в то время, как стремительно развиваются технологии производства различных изделий из многослойных материалов, в том числе композитов. Последние обладают гораздо большим декрементом затухания, коефициентом рассеяния и разбросом физико-механических характеристик. Отсутствие соответствующей аппаратуры для их контроля и привело к необходимости решения задачи измерения толщины композитов.

В работе проведен анализ начальной фазы модели сигналов в виде аддитивной смеси кусочно-гармонических функций одинаковой частоты, что позволило исследовать процесс скачкообразного изменения фазы суммарного сигнала в момент наложения этих функций.

В работе предложен и разработан новый метод ультразвуковой толщинометрии для измерения слоев многослойных материалов и изделий, который основывается на анализе фазовых характеристик сигналов (ФХС). Идея метода заключается в следующем. Фазовая характеристика зондирующего сигнала (радиоимпульс с гармонической несущей) представляет линейную функцию времени, в то время как фазовая характеристика принятого сигнала (аддитивная смесь зондирующего и отраженного сигналов) имеет скачек в момент прихода отраженного импульса. В случае двухслойных объектов контроля (ОК) скачек ФХС наблюдается в момент прихода отраженного от второго слоя импульса, который позволяет определить временную задержку между этими сигналами. ФХС определяется с помощью преобразования Гильберта.

Фазовые скачки классифицированы по величине на два типа: первый тип - для развертывания ФХС во времени, второй - информационные, для определения задержки между сигналами.

Предложен вариант определения средины скачка ФХС (второго типа), базирующийся на использовании медианной фильтрации и скользящего среднего, который позволяет повысить точность определения времени распространения сигналов в слоях ОК и их толщины. Предложенный способ позволяет повысить точность измерений временных задержек на 20%.

Приведены схемы и анализ акустических трактов ультразвуковых толщиномеров в случаях одно- и многослойных ОК.

Предложено аналитическое выражение сигналов ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии, которое позволяет учесть изменения фазы сигнала при отражении от акустически «мягкой» границы.

Проведено компьютерное моделирование процесса определения толщины изделий для случаев одно- и двухслойных ОК с учетом коэффициента акустического тракта. Моделирование подтвердило факт искажения ФХС (появление скачков второго типа) в момент наложения отраженного сигнала на зондирующий (в случае тонких однослойных сред), либо двух отраженных (в случае контроля двухслойных сред).

Исследована чувствительность фазовой характеристики сигнала в зависимости от соотношения амплитуд и фаз входящих сигналов, исходя из чего обоснованы требования к измерительному каналу фазового ультразвукового толщиномера для реализации предложенного метода. Показано, что существуют минимумы чувствительности, в связи с чем предложен способ выхода из этих зон с помощью регулировки рабочей частоты в пределах 25%.

Сформулированы требования к характеристикам измерительного канала фазового толщиномера. Показано, что высокая точность измерений достигается при широкой полосе пропускания пьезоэлектрического преобразователя. Добротность пьезоэлектрического преобразователя должна быть не выше 1,2. Экспериментально исследована амплитудно-частотная характеристика использованного в работе широкополосного пьезоэлектрического преобразователя.

Проведен модельный эксперимент на образце из алюминия, который подтвердил работоспособность предложенного в работе способа, основыванного на выявлении момента прихода отраженного импульса по временному положению скачка фазовой характеристики сигнала. Разработана методика и программное обеспечение для реализации фазового метода толщинометрии.

Приведена методика оценки неопределенности результатов измерения толщины одно- и двухслойных объектов контроля. Для неопределенности измерения временного интервала построены диаграммы влияющих факторов (диаграммы Ишикавы) и рассмотрен бюджет неопределенности. Проанализирована методическая составляющая неопределенности измерения временного интервала для разработанного метода. Эта погрешность обусловлена различными акустическими свойствами материалов и изменением амплитуд информационных сигналов. В работе приведены графики, которые позволяют по априорно определенным ориентировочным соотношениям амплитуд оценить среднеквадратическое значение погрешности выделения временного положения скачка фазовой характеристики сигнала.

Ключевые слова: многослойные материалы, эхо-импульсная толщинометрия, фазовая характеристика сигналов, пьезоэлектрический преобразователь.

Monchenko O. V. Phase method ultrasound thikness of multilayer materials products - Manuscript.

Dissertation on the receipt of candidate of technical science degree by speciality 05.11.13 - devices and methods evaluation of materials' structure- National aviation university - Kyiv. - 2010.

The thesis is devoted to issues of control of the thickness of layers of multilayer objects and environments, such as composite materials, etc. bimetals.

In the thesis a new way to control the thickness of layers of multilayer media based on the echo-pulse ultrasonic method thickness measurement, which is based on the analysis phase characteristic of the signals. As an informative parameter determines the time position of the time jump of phase characteristic, which is due to the imposition probing and reflected signals.

If analytical expressions determining the thickness of layers of multilayer objects of control and accuracy of measurement indicators in the proposed method, taking into account the acoustic properties of environments.

Investigated the sensitivity of the method, as the dependence of the ratio of amplitudes and phases of incoming signals based on a claim to the measurement channels thickness devices phase charactiristic to implement this method. Shown that the high measurement accuracy is achieved with a broad band pass piezoelectric transducer.

A software package for computerized ultrasound thickness devices, which can significantly expand their functionality.

Keywords: multilayer material, echo-impulse thickness measurement, phase characteristic of signals, piezoelectric transducer.

Размещено на Allbest.ru

...