АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ АКУСТООПТОВОЛОКОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОЧНОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

Рожков Е.В., Акопьян В.А.

 

Ростовский госуниверситет НИИ механики и прикладной математики

 

344090, Россия, Ростов-на-Дону, пр. Стачки 200/1

 

Рассмотрены алгоритм и программа приема и обработки параметров сигналов акустооптоволоконной системы диагностики прочности материалов и тонкостенных конструкций. Прикладная программа написана на языке Паскаль в системе DOS, так и с использованием пакета Delphi в среде Windows 95. Прием сигналов осуществляется с помощью акустических и оптоволоконных преобразователей. Первичная обработка параметров сигналов производится с помощью акустических и оптических трактов и формирователей.

Результаты работы могут быть использованы для отработки критериев диагностики технического состояния тонкостенных конструкций акустооптоволоконным методом.

  Системы технической диагностики конструктивных элементов и узлов авиакосмической техники в основном построены на основе приема и обработки параметров сигналов, связанных с деформированным состоянием материала. Достоверность технической диагностики повышается при использовании многопараметрических методов контроля, в частности, акустооптоволоконного метода.

Комплексный акустооптоволоконный способ исследования механического состояния элементов конструкций позволяет определять моменты зарождения и развития дефектов и локальные критические деформации с высокой степенью надежности, в том числе и в элементах конструкций сложной конфигурации [1].

Алгоритм акустооптоволоконного метода сводится к приему и анализу параметров сигналов акустической эмиссии и деформации материала, регистрируемых с помощью оптоволоконных преобразователей.

Программное обеспечение позволяет управлять приемом и обработкой параметров акустооптоволоконных сигналов при помощи РС компьютера. Прикладная программа написана на языке Паскаль как в системе DOS, так и с использованием пакета Delphi 4, предназначенной для работы в среде Windows-95.

Применение интерфейса, написанного при помощи пакета Delphi 4, под управлением оболочки Windows-95, позволило сделать управление процессом сбора и обработки измерительной информации наглядным и понятным для оператора, однако производительность по сбору информации в системе DOS выше. Программа имеет возможность использовать базу данных, полученной в системе DOS при постобработке результатов испытаний в среде Windows.

Управляющая процедура сбора информации обеспечивает инициализацию платы АЦП и режим ввода аналоговых сигналов и создает буфер данных. Работа с регистрами персонального компьютера производится путем включения ассемблерных вставок в тело основной программы, написанной на Objet Pascal. Программа обработки использует все преимущества системы Windows, например, возможность использования стандартных средств для индивидуальной постобработки, а также возможность использования многооконного интерфейса для графического и текстового представления полученных данных на экране монитора как в процессе эксперимента, так и при постобработке. Кроме того программа предоставляет удобное управляющее меню для установления параметров графического отображения: форма отображения информации, цветовая палитра, автоматическое или фиксированное масштабирование осей, настройка сетки и позволяет легко создавать графические зависимости любых параметров оптических и акустических сигналов друг от друга, времени и параметрических данных, строить различные гистограммы распределения.

Аппаратная часть содержит акустический и оптический приемный тракты, блоки формирователей и специализированную плату АЦП. Акустический тракт состоит из преобразователя акустических сигналов, выносного предварительного усилителя, блока фильтров, основного усилителя и блока формирователей. Акустические сигналы, возникающие в момент образования или развитии дефекта, принимаются преобразователем АЭ, где преобразуются в электрический сигнал. С выхода датчика сигнал напряжения АЭ поступают на вход предварительного усилителя, и далее подается на вход фильтра и основного усилителя для выделения и усиления сигналов АЭ, с выхода которого сигналы поступают на вход блока формирователей и аналого-цифрового преобразователя, где оцифровываются, передаются в буфер данных и далее с помощью прикладной программы подвергаются дальнейшей обработке согласно соответствующим алгоритмам и производится формирование протокола испытаний.

Оптический тракт представляет собой подсистему, включающую в себя волоконно-оптические датчики (ВОД) и оптоволоконный шлейф, схема соединений которых варьируется в зависимости от количества ВОД. В описываемой системе диагностики были применены датчики пропускательного типа, приклеиваемые к поверхности образца в местах концентраций напряжений [2]. С оптических датчиков сигналы поступают в согласующее устройство, в котором имеется генератор питания датчика и нормирующий усилитель. С выхода согласующего усилителя оптические сигналы, пропорциональные величине деформации образца, поступают на один из каналов АЦП, где оцифровываются и поступают в буфер данных и далее обрабатываются программным путем по соответствующему алгоритму. В модернизированной системе диагностики ВОД установлены на образце с равномерным шагом для регистрации поля деформаций на его поверхности.

Плата АЦП устанавливается в ISA шине персонального компьютера JBM PC, а остальные аппаратные части выполнены в отдельном автономном корпусе совместно с источником питания и органами управления. Преобразователи выполнены в выносных малогабаритных корпусах и устанавливаются на объекте испытаний. Акустический преобразователь подсоединяется к выносному предусилителю с фиксированным коэффициентом усиления. Оптический преобразователь подсоединяется к согласующему устройству.

Датчики АЭ регистрируют начало развития пластических деформаций образца и моменты зарождения трещин, их развитие и накопление, одновременно с этим оптоволоконные преобразователи (ОВП) фиксируют местоположение зоны разрушения по величине локальной деформации, развивающейся в зоне установки преобразователя в элементе конструкции.

В целом система работает следующим образом. Сигналы АЭ с акустического преобразователя поступают на предусилитель, усиливаются и далее поступают в акустический блок предварительной обработки и формирователей сигналов: амплитуды АЭ и прерывания IRQ. Выделенная амплитуда сигнала АЭ поступает на один из каналов АЦП, а сигнал IRQ поступает в соответствующий формирователь. Оптический сигнал с преобразователя поступает в согласующее устройство и далее на один из каналов АЦП. Сигнал с тензометрического датчика деформаций поступает в согласующее устройство и далее на один из каналов АЦП. Сигнал с тензометрического датчика силы поступает на согласующее устройство и далее на канал АЦП. Аналогично сигнал с датчика температуры поступает на согласующее устройство и далее на измерительный канал АЦП. Всего имеется восемь измерительных каналов АЦП. Три канала являются резервными и могут быть использованы для расширения системы. Оцифрованные сигналы АЦП с помощью портов ввода-вывода поступают на шину персонального компьютера.

 Измеряемые параметры:

- амплитуда сигналов АЭ;

- число импульсов АЭ;

- деформация в локальной зоне образца;

- суммарная деформация образца;

- механическое усилие на образце (напряженное состояние);

- время испытаний и время съема информационных сигналов.

 Вычисляемые параметры:

- число импульсов АЭ за время испытаний;

- активность сигналов АЭ;

- сумму амплитуд сигналов АЭ;

- энергия сигналов АЭ;

- локальная деформация образца;

- механическое напряжение в локальной зоне образца.

  Описываемая система в момент проведения испытаний позволяет показывать на экране монитора в реальном масштабе времени до 4-х графиков, а в постобработке позволяет строить любые зависимости параметров друг от друга, строить гистограммы распределения количества событий по любому из параметров. Система позволяет строить отчет испытаний с распечатками соответствующей графической информации в выбранном пользователе виде.

 Технические характеристики:

 - количество измеряемых каналов -8:

- акустический - 1;

- оптический - 1;

- параметрических - 4;

- зарезервированных -3;

- фильтрация сигналов - аналоговая;

- максимальный коэффициент усиления АЭ канала - 500;

- уровень шума, приведенного ко входу,

акустического канала - 5 мкВ;

- динамический диапазон обрабатываемых сигналов - 60 Дб;

- диапазон регулировки уровня порога - 60 Дб;

- максимальная измеряемая величина активности сигналов АЭ - 5000 соб./с;

- разрядность АЦП -12 бит;

- частота оцифровки -500 кГц;

- обработка сигналов - цифровая.

  С помощью описанной системы были проведены испытания, которые показали, что использование комплексного акустооптоволоконного метода повышает информативность и достоверность исследования процессов деформирования в элементах конструкций различных материалов.

 ЛИТЕРАТУРА

 1. Акопьян В.А. Рожков Е.В. Исследование процессов разрушения элементов конструкций акустооптоволоконным методом // Совр. пробл. мех. сплошной среды. Труды 2-й Международной конференции /г. Ростов-на-Дону, т.1, 1997, С. 5-9.

2. Акопьян В.А. Рожков Е.В. Исследование характеристик нескольких типов волоконно-оптических датчиков смещений // Совр. пробл. мех. сплошной среды. Труды 3-й Международной конференции /г. Ростов-на-Дону, т.1, 1997, с. 21-25.

The algorithm and programme for treatment of signals for sistem of acoustic-optic-fiber diagnostics of strength for thin -wall constructions. The algorithm and programme for treatment of signals for sistem of acoustic-optic-fiber diagnostics of strength for materials and thin -wall constructions, are considered. The applied Paskal programme into DOS system DOS and also Delphi packet and Windows 95 envelope are used. The signal reception is carried out using acoustic and optical-fiber transformers. The initial treatment of the signal parameters is fulfiled using acoustic and opic routes. These results can be used for forming criteria of of technical statement diagnostics for thin-wall constructions.