Метод акустической эмиссии в задачах исследования трещинообразования в среде LabVIEW

Термином акустическая эмиссия (АЭ) обозначают процессы излучения волн напряжений, вызванных внутренними источниками, расположенными в толще исследуемого тела. Источниками АЭ могут быть процессы возникновения и развития трещин под влиянием внешней нагрузки, деформации или разрушения материала, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций. Акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля основан на излучении и регистрации волн напряжений при быстрой локальной перестройке структуры материала, поэтому этот метод применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий (например, при гидроиспытаниях) и диагностики во время эксплуатации. Его важным преимуществом перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков, или даже всего изделия, без сканирования его преобразователем.

Практическое применение метода АЭ для решения задач технической диагностики сопряжено с определенными трудностями. Распространяющийся в объекте акустический сигнал претерпевает существенные искажения под действием системы "объект-преобразователь". Эти искажения настолько значительны, что практически не представляется возможным восстановить истинную форму исходного сигнала. По этой причине, параметры акустического сигнала определяются путем обработки электрического сигнала с выхода преобразователя. Потому в настоящее время весьма актуальна задача поиска корреляционных связей между параметрами состояния конструкции и характеристиками сигналов, а так же идентификации акустических сигналов от различных источников.

В ходе выполнения курсовой работы должна быть спроектирована компьютеризированная система, обобщенная схема которой приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Обобщенная схема компьютеризированной системы контроля состояния промышленного объекта с помощью метода акустической эмиссии.

На рисунке 1 введены следующие обозначения: 1 - исследуемый образец; 2 - развивающийся в образце дефект, являющийся источником АЭ; 3 - датчики; 4 - центр обработки акустических данных со всех каналов на базе современной ЭВМ.

Программный комплекс для управления установкой

Программный комплекс предназначен для анализа сигналов акустической эмиссии и управления акустико-эмиссионной установкой. Временная диаграмма работы устройства отображена на рисунке 2.

Рисунок 2 Временная диаграмма работы программы.

Средой для разработки служит комплекс программно-аппаратного обеспечения компании National Instruments. Интерфейс пользователя и программная часть реализованы в среде программирования NI LabView 7.1. Обработка данных осуществляется при помощи платы ввода вывода NI-6014 совместно с устройством согласования NI BNC-2110. Данный программно-аппаратный комплекс рассчитан на работу с 8-ми канальной установкой, реализующей параллельный анализ акустических сигналов в полосе от 0,1 до 1,2 МГц. Сигналы регистрируется датчиком, состоящим из пьезокерамического преобразователя, схемы предварительного усилителя, фильтра и компаратора, для ввода датчика в режим имитации. Передача зарегистрированного сигнала и питание предварительного усилителя осуществляется через коаксиальный кабель длиной до 15м.

Рисунок 3 Обобщенная схема обработки данных в программе

При разработке структуры программы (рис.3) учитывались следующие факторы: эмиссия акустический напряжение

1) Количество аналоговых и цифровых входов, которые необходимо обрабатывать в реальном времени;

2) Количество управляющих цифровых сигналов, принцип формирования и управления ими;

3) Последовательность обработки поступающих данных;

4) Время, необходимое для считывания информации с платы ввода/вывода и время, необходимое для обработки данных;

5) Минимальное количество необходимых данных для сохранения в файл и возможности последующей загрузки без потери информации.

Так как обнаружение наличия на входе устройства амплитуд акустического импульса реализовано программно, то сбор данных и их обработка происходит непрерывно. При выполнении условия выбранного критерия АЭ-сигнала, происходит буферизация данных и выдача управляющего сигнала для сброса элементов памяти.

Обобщенная схема обработки программой поступающих данных, содержит следующие ключевые блоки:

1) Входные данные могут быть получены как непосредственно с устройства сопряжения, так и из предварительно записанного файла путем выборки соответствующего блока;

2) Блок "Коррекция АЧХ датчика" - в случае включения блока на всех частотах вводятся поправочные множители для корректировки влияния нелинейности передаточной функции системы "объект-преобразователь". АЧХ соответствующих систем берутся из общего банка данных;

3) Блок "Нормирователь" предназначен для нормирования данных по максимальному значению усредненной спектральной функции входного сигнала;

4) Блок "Обнаружитель" - пороговое устройство, предназначенное для обнаружения и идентификации сигналов АЭ по спектральным признакам. Выбор критериев для идентификации задается оператором;

5) "Критерий АЭ-сигнала" - блок проверки соответствия параметров сигнала АЭ заданным условиям. Содержит банк данных для сигналов разного типа. Выбор критериев осуществляется оператором.

Рисунок 4 Лицевая панель виртуального прибора.

Лицевая панель пользователя показана на рис.4. Центральное место на нем отводиться графику, отображающему уровни сигнала на каждом из каналов анализа системы акустико-эмиссионного контроля. Остальное пространство отведено для органов управления, индикации и настройки. На лицевой панели слева (рис.4) расположены следующие элементы:

1) Блок "Коэффициент усиления", влияющий на динамический диапазон системы;

2) Блок "Параметры осей" показывающий текущие настройки масштаба по обеим осям;

3) Блок "Представление графика", содержащий настройки способа представление информации на графике;

4) Блок "Аппроксимирование", влияющий на способ сглаживания данных.

На лицевой панели справа (рис. 3) расположены следующие элементы:

1) Управляющие кнопки;

2) Индикаторы состояния;

3) Блок "Обнаружитель", устанавливает порог срабатывания схемы обнаружения входного сигнала;

4) Блок "Идентификатор" Проверяет сигнал на соответствие заданной области допустимых граничных значений по всем спектральным составляющим.

В нижней части лицевой панели располагаются органы управление режимами записи или чтения поступающих данных из файла, а так же блок коррекции АЧХ датчика. Поправочные коэффициенты хранятся в отдельном файле, который может быть предварительно создан для каждого датчика в отдельности.

Рисунок 5 Создание файла коррекции АЧХ датчика.

На рис.5 показан пример создания такого файла для 8-и канальной системы. Запись сигналов осуществляется блоками по количеству анализируемых каналов. При воспроизведении программа отображает количество блоков в файле и позволяет перемещаться по ним в обоих направлениях.

Рисунок 6 Блок-диаграмма обработки сигналов.

Программная часть, связывающая интерфейс пользователя и процедуры обработки данных, представляет собой блок-диаграмму, написанную на языке LabView . Вся программа размещена в структуре последовательности состоящей из трех кадров. Во время запуска программы выполняется первый кадр, в котором осуществляется инициализация переменных и настроек программы в начальное состояние. В следующем кадре (рис.6) осуществляется работа основной части программы. Она условно разбита на три потока с помощью бесконечных циклов, этим достигается независимая работа потоков: обработка данных с устройства сбора данных, событийной структуры и изменения вида отображения информации.

Рисунок 7 Подсистема обработки поступающих данных

Поток обработки данных (рис. 7) состоит из следующих основных операций:

1) Ввод оцифрованного сигнала

2) Выбор динамического диапазона сигнала (рис. 8)

3) Коррекция АЧХ датчика (рис. 9)

4) Нормализация (рис. 10)

5) Идентификация сигналов АЭ (рис. 11).

а) б)

Рисунок 8 ВП "Поправочные множители выбранного коэффициента усиления": а) значок ВП; б) блок-диаграмма.

а) б)

Рисунок 9 ВП "Коррекция АЧХ датчика": а) значок ВП; б) блок-диаграмма.

а) б)

Рисунок 10 ВП "Нормализация": а) значок ВП; б) блок-диаграмма.

а) б)

Рисунок 11 ВП "Идентификация АЭ-сигнала по критерию": а) значок ВП; б) блок-диаграмма.

Рисунок 12 Подпрограмма обработки событий.

Поток обработки событий (рис. 12) выполняет следующие действия:

1) Обработка изменения значения коэффициента усиления системы, с целью изменения показаний индикаторов на лицевой панели и выдачи управляющего сигнала на устройство сбора данных;

2) Обработки изменения состояния элемента управления "Критерий";

3) Обработка нажатия управляющих кнопок;

4) Обработка изменения режима работы программы, возникающего при манипуляции с записанными АЭ-сигналами;

5) Обработка событий, возникающих при изменении режима отображения информации на графике;

6) Создание или изменение коэффициентов коррекции АЧХ датчика.

Рисунок 13 Настраиваемые свойства визуального компонента XY Graph

Поток изменения вида отображения информации предназначен для изменения представления графика с помощью основного визуального компонента программы для отображения данных "XY Graph". Достигается это за счет применения ВП Property Node (рис. 13), в котором настроены, необходимые свойства XY Graph.

Для проверки работоспособности системы необходимо сгенерировать образцовый сигнал схожий по форме с сигналом АЭ. Для этого была использована следующая модель:

,

где - минимальная амплитуда сигнала, T - интервал квантования, - время задержки до появления импульса, - максимальная амплитуда сигнала, ,, - продолжительность переднего фронта, интервала постоянства и заднего фронта, и - константы. Данная модель является сильно упрощенной, на практике форма АЭ-сигналы зависит от структуры и формы материала, положения источника, характеристик преобразователя и д.р.

Вся программа генерации сигнала разбита на 3 блока выполняющихся последовательно. Первый блок формирует массив отсчетов дискретного времени на основе введенных пользователем значений желаемого времени анализа и частоты дискретизации, второй блок вычисляет необходимые коэффициенты и, наконец, третий вычисляет значения функции . Сгенерированный сигнал записывается в файл, и в дальнейшем через плату ввода вывода National Instruments при необходимости подается на устройство АЭ-анализа, позволяя таким образом производить тестирование всей системы.

Заключение