Совершенствование методов ультразвуковой дефектоскопии многослойных конструкций воздушных судов

- шумы преобразователя, возникающие при его работе по совмещенной схеме. Непосредственно после излучения зондирующего импульса чувствительность усилителя резко ослабляется в связи с сильным динамическим воздействием на него мощного сигнала генератора. Вследствие этого в указанной зоне резко возрастает граничное значение регистрируемого прибором сигнала наличие многократных отражений в протекторе, призме преобразователя, контактной жидкости создает помехи, затягивающие действие зондирующего импульса. Эти помехи быстро исчезают;

- ложные сигналы, возникающие в результате отражения от выступов или выточек и других неровностей поверхности. Эти помехи мешают выявлению дефектов на отдельных участках объекта контроля;

- помехи, связанные с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала, т.е. структурной реверберацией. Сигналы от неоднородностей в зависимости от фазы ослабляют или усиливают друг друга. Они носят статистический характер.

Если дефект находиться в дальней зоне, то для улучшения выявляемости дефекта в дальней зоне целесообразно увеличивать размеры преобразователя. При увеличении диаметра преобразователя улучшается направленность излучения. В ближней зоне увеличение диаметра преобразователя оказывает отрицательное влияние на отношение сигнал-шум, приводит к ухудшению направленности преобразователя.

Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп: Ультразвуковой эхо-дефектоскоп - это прибор, предназначенный для обнаружения несплошностей и неоднородностей в изделии, определения их координат, размеров и характера путем излучения импульсов ультразвуковых колебаний, приема и регистрации отраженных от неоднородностей эхо-сигналов. Рассмотрим его составляющие [31].

Рис.14. Блок схема импульсного ультразвукового дефектоскопа [31]

На рисунке 14 приведена принципиальная схема импульсного ультразвукового дефектоскопа. Генератор радиоимпульсов 3 возбуждает, пьезопластину передающей искательной головки 1. Ультразвуковые колебания распространяются в контролируемой детали, отражаются от ее противоположной стенки ("донный сигнал") и попадают на пьезопластину приемной искательной головки 2. Отраженные ультразвуковые колебания возбуждают колебания пьезопластины приемной искательной головки 2. При этом на гранях пьезопластины возникает переменное напряжение, которое детектируется и усиливается в усилителе 4, а затем поступает на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 5 осциллографа. Одновременно генератор горизонтальной развертки 6 подает пилообразное напряжение на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ 5. Генератор радиоимпульсов 3 возбуждает пьезопластину передающей.

Определение образа выявленного дефекта: Целью НК является не только обнаружение дефектов, но и распознавание их образа для оценки потенциальной опасности дефекта. Методы визуального представления дефектов эффективны, когда размеры объектов (дефекта в целом или его фрагментов) существенно превышают длину волны УЗК, Кроме того, эти методы требуют применения довольно сложной аппаратуры.

Рис. 15. Виды преобразователи [14]

Преобразователи на эхо-импульсных дефектоскопах: Преобразователи может быть, прямые, наклонные или разделано совмещенные (Рис.13).

Дефектоскопы: UD2-12, УД4-Т "ТОМОГРАФИК-Россия", EPOCH XT “Olympus NDT-USA”

Различные виды сканеров: Ультразвуковые эхо-сигналы с помощью электронных средств преобразуются визуальное представление на экране. Существует три основных способа представления, которые называются А- сканирование, В- сканирование и С сканирование.

Наиболее распространенным способом представления является А-сканирование. В этом способе горизонтальная линия на экране служит для обозначения времени работы системы, а вертикальное отклонение показывает амплитуду эхо-сигнала. По местоположение и амплитуде эхо-сигнала на экране можно определить глубину дефекта в материале и оценить размера дефекта. Типичная система А сканирование показано на рис 14.



Рис.16. Блок схема получения изображения с помощью А-сканирования [36]

В-сканирование дает вид тестирование образца в разрезе, показывает ширину и глубину залегания дефекта в тестируемом материале. На экране выводится отражения передней и задней поверхностей материала и от дефекта. Типичная система В-сканирование показана на рис. 17.

Рис. 17. Блок схема получения изображения с помощью В-сканирования [36]

Главным достоинством В-сканирование является возможность получать на экране поперечный разрез тестируемого образца и дефектов в нем. поскольку изображение сохраняется в течение времени, достаточно для того, что бы полностью оценить образец, можно не фотографировать картину на экране ЭЛТ для получения постоянной записи.

Недостатки В-сканирования заключаются в следующем:

1) Области за отражающей поверхностью находятся в тени, поэтому получить их изображение не представляется с возможным.

2) Ширина дефекта в направлении, перпендикулярном УЗ лучу и направлению движения зонда, не регистрируется, кроме тех случаев, когда она влияет на эхо-сигнал, усиливая или ослабляя его интенсивность, и тем самым изменяет яркость изображения.

3) Вследствие органичности ширины луча и эффекта дивергенции дефекты вблизи задней поверхности образца кажутся больше, чем дефекты вблизи передней поверхностей.

С-сканирующее оборудование обеспечивает постоянную запись результатов тестирования в высокоскоростном автоматическом режиме. Картина С- сканирование показывает дефекты в горизонтальной проекции, но не дает информации о глубине или ориентации. Система С- сканирования показана на Рис. 18

Рис.18. Блок-схема устройства для С- сканирования [36]

А-Скан

B-Скан



C-Скан

Рис. 19-a. A, B, C Сканирование от дефектоскопа УД4-Т [41]

А-Скан

В-Скан

Рис. 19-б . A, B Сканирование от дефектоскопа EPOCH XT [42]

Рис. 19-в. Дефектоскоп EPOCH XT “Olympus NDT-USA [42]

На рис. 19-а показаны A,B,C сканирование, полученные с помощью дефектоскопов УД4-Т и на рис. 19-б A и B сканирование EPOCH XT (Рис. 19-в) использующихся в ГТК «РОССИЯ».



4. Проблемы, возникающие ПРИ Ультразвукавом эхо контроле многослойных композитных материалОВ

Среди многообразная свойств композитов, определяющих требования к УЗ контролю, выделены основе, высоко затухание ультразвука и сложная структура. При УЗ контроле протяженных изделий из композитов интегральное затухание ультразвука становится столь высоким, что отраженные от одна изделия, а также от дефектов эхо-сигналы находятся ниже порогового уровня приемного тракта дефектоскопа и не обнаруживается. Это правило к появлению новой для УЗ контроля проблеме обнаружения эхо-сигналов, находящихся в смеси со случайным, белым шумом.

Проблема обнаружения близка к существующей в традиционной дефектоскопии проблеме повышения чувствительности эхо контроля. Однако, существующие методы повышения чувствительности не решают проблемы обнаружения эхо-сигнала, замаскированного шумом, и выделения его из случайного шума. В традиционной аппаратуре УЗ эхо контроля диапазон чувствительности ограничивается снизу уровнем шума приемной части дефектоскопа. Увеличение чувствительности за счет увеличения амплитуды зондирующего сигнала имеет придел, определяемый выходным каскадом генератора или допустимым напряжением на преобразователе [12].

Таким образом, при контроле изделий с большим затуханием ультразвука появляется принципиально новая проблема обнаружении эхо-сигнала, находящегося ниже порогового уровня шумоприемной части дефектоскопа к целесообразно поэтому ввести новое понятие - чувствительности должна характеризироваться соотношением уровней эхо-сигнала и белого шума (соотношением сигнала/шум).

Как будет показано ниже, выделение эхо-сигнала из белого шума зависит не от амплитуды, а от энергии зондирующего сигнала. Очевидно, что выделить эхо сигнал из шума можно при уменьшении частоты зондирующего сигнала, так как в композитах затухание ультразвук зависит от частоты- чем ниже частота, тем ниже затухание. Отсюда следует, что введенное понятие чувствительности к обнаружению прямо пропорционально энергии зондирующего сигнала и обратно пропорционально частоте сигнала, и тем самым отличается от традиционного понятия чувствительности.

Введенное понятие чувствительности к обнаружению находится в противоречии с разрешающей способностью по дальности . Действительно, чем ниже частота сигнала, тем больше его длительность и тем ниже разрешающая способность , где - скорость ультразвука.

Особенно указанное противоречие сказывается при контроле многослойных композитов, применяемых в космической и авиационной отраслях, где, как правило, возможен только односторонний контроль изделий и где наряду с высокой чувствительностью к обнаружению требуется высокая разрешающая способность. Пример контроля такого изделия приведен на рис.20, где необходимо обнаружить эхо-сигналы, отраженные от границ многослойной конструкции .

Рис.20. Схема ультразвукового эхо-контроля многослойного изделия [12]



Обобщенная для многих полимерных композитов частотная зависимость коэффициента затухания приведена на рис. 21.

Рис. 21 . Обобщения зависимость затухания ультразвука в композитных материалах [12]

На рис. 22 условно показаны зондирующие сигналы длительностью в первый период колебаний на частотах 100, 200, 400 кГц и эхо-сигналы от границ слоев 1 и 2.

Рис. 22. Иллюстрация противоречия между чувствительностью к обнаружению и разрешающей способностью ультразвукового эхо-контроля многослойного изделия с большим затуханием УЗ при использовании зондирующих сигналов с разделными несущими частотами кГц: =100, =200, =400 [12]

Видно, что при частоте 100кГц () эхо-сигналы находятся выше уровня порогового шума приемной части электроакустического тракта дефектоскопа (обычно значение составляет единицы мкВ ), сигналы выделяются из шума, но не разрешаются во времени. На частоте 400кГц (c) эхо-сигналы разрешаются во времени, но находятся ниже порога и порога и поэтому не обнаруживаются. На рис.22-б показан промежуточный случай. Таким образом, очевидна ситуация, когда обеспечить одновременно высокие значение чувствительности к обнаружению и разрешающей способности традиционный эхо-импульсный метод контроля не может и возникает необходимость разработки новых способов УЗ эхо-импульсного контроля, обеспечивающих выделение эхо-сигналов, замаскированных шумами приемника дефектоскопа (белым шумом). Одновременно можно перечислить еще ряд проблем, возникающих при УЗ эхо-дефектоскопии или эхо-толщинометрии многослойных композитов с большим затуханием ультразвука:

Неоднозначность контроля, которая может возникнуть из-за резонансных явлений в слоях, когда могут возникать стоячие волны и амплитуда отраженных сигналов не будет соответствовать реальной величине;

Рис. 23. Образование погрешности измерения толщины изделия с большим затуханием УЗ за счет искажения формы эхо-сигнала [12]

Искажения переднего фронта эхо-сигнала, приводящие к ошибке в изменении временного положения эхо-сигнала (рис. 23), что особенно сказывается в УЗ эхо-импульсной толщинометрии, где измерении эхо сигнала производится автоматически по переднему фронту эхо-сигнала и по мере затягивания фронта увеличивается ошибка измерения ();

Изменение начальной фазы эхо-сигнала на границах слоев , что может привести к ошибке измерения толщины слоя на величину, ровную половине переда несущей частоты, при изменениях фазы отраженного сигнала на . это проблема особенно актуальна при толщинометрии многослойных композитов, так как из-за многообразия материалов, из которых могут быть изготовлены слои , в одном случае коэффициента отражения от границ слоя может быть положительным , а в другом случае - отрицательным . Соответственно эхо-сигналы от границ слое а имеют различные начальные фазы (рис. 24, б, в). Если при этом измерение производится по переднему фронту эхо-сигнала, то возникает ошибка в измерениях .

Рис. 24. Образование погрешности измерения толщины первого слоя (а) при различных акустических сопротивлениях второго слоя (б, в) [12]



5. Совершенствование Ультразвуковой дефектоскопии с помощью фазоманипулирования сигнала

Как известно из радиотехники, оптимальным фильтром (ОФ) называется линейный частотный фильтр, обеспечивающий на выходе максимально возможное отношение сигнал/шум [12]. Если на входе линейного фильтра с коэффициентом передачи поступает сигнал , то на выходе его в любой момент времени сигнал равен:

. (16)

Если одновременно на входе фильтра поступает сигнал помехи типа белого шума, имеющий энергетический спектр , не зависящий от частоты, то дисперсия шума на выходе линейного фильтра будет определяться так [1]:

. (17)

Отношение сигнал/шум на выходе фильтра записать как отношение модуля мгновенного значения полезного сигнала к среднеквадратическому уровню шума :

(18)

Подробный анализ, проведенный в работе [1] показывает, что отношение (18) будет максимальным при выполнении двух условий:



; (19)

; (20)

где

из (19) следует, что фазовая характеристика ОФ должна быть такой, чтобы в нем происходила компенсация начальных фаз всех гармоник сигнала. В момент все гармоники должны иметь одинаковую нулевую фазу, что обеспечивает их синфазное суммирование с образованием пика сигнала на выходе ОФ в этот же момент времени . форма выходного сигнала при этом будет отличаться от формы входного. Из (20) следует, что модуль передаточной функции ОФ отличается от модуля спектральной характеристики сигнала только на постоянную . Следовательно, ОФ пропускает спектральные составляющие сигнала практически без искажений, а входной шум ограничивается в ОФ. В сочетании с фазовой компенсацией сигнала это приводит к максимизации отношения сигнал/шум на выходе ОФ. Причем это отношение при данном уровне входного шума определяется только энергией входного сигнала :

. (21)

С учетом (4) и (5) коэффициент передачи ОФ можно представить в виде:

(22)

И сигнал на выходе ОФ теперь запишется:



; (23)

где, (24)

является автокорреляционной функцией (АКФ) сигнала. Другими словами ОФ устанавливает степень соответствия входного сигнала ожидаемому. Сигнал на выходе ОФ не соответствует временному изображению входного сигнала, а имеет вид АКФ сигнала.

Подставляя (22) в (18) с учетом (20) и (21), получаем:

(25)

Из (25) становится ясным, что ОФ обеспечивает максимально возможное соотношение сигнал/шум на выходе и это отношение зависит от энергии выходного сигнала , пропорциональной энергии зондирующего сигнала. Таким образом, можно сделать вывод, что при УЗ дефектоскопии изделий с большим затуханием ультразвука для повышения чувствительности к обнаружению следует увеличивать энергию зондирующего сигнала. При этом численно чувствительность к обнаружению эхо-сигналов в шуме определяется выражением (25) и показывает, во сколько раз следует увеличить энергию сигнала для обеспечения соотношения сигнал/шум больше единицы. Увеличение энергии зондирующего сигнала за счет увеличения амплитуды возбуждающего сигнала имеет, как было отмечено выше, придел. Поэтому для увеличения чувствительности обнаружения следует увеличивать длительность зондирующего сигнала . Однако, это приводит, что также отмечалось выше, к ухудшению разрешающей способности по дальности.

Как известно, разрешающая способность эхо-контроля по дальности характеризуется минимальной разностью разрешающих эхо-сигналов [1]. Различие сигналов будет тем больше, чем меньше значение среднего квадрата разности:

; (26)

где энергии сигналов, взаимо-корреляционная функция (ВКФ) сигналов .

В том случае, когда приходится разрешать во времени два одинаковых сигнала, то ВКФ становится их АКФ. Для высокого такими, чтобы их АКФ была минимальной на возможно большем протяжении АКФ и была бы максимальной только в коротком интервале в области высокой корреляции . При можно получить высокую разрешающую способность по дальности.

(27)

Корреляция, это математическая операция которая использует два сигнала и преобразует третий. Получивший третий сигнал называется кросс-корреляция (cross-correlation). Если сигналы корролизирует собой, то результат называется автокорреляцией [15].

Потенциальная точность измерения временного положения эхо-сигнала тем выше, чем больше отношение сигнал/шум и чем больше эффективная ширина спектра сигнала. Как будет показано ниже, применение широкополосных сложно-модулированных сигналов о последующей оптимальной фильтрацией решает проблему точного определения положения эхо-сигнала как в дефектоскопии, а так и в толщинометрии.

Согласно (19) суть оптимальной фильтрации заключается в накоплении и суммирования составляющих сигнала в течение длительности импульса. Использование оптимальной фильтрации одиночного видеоимпульса или радиоимпульса хотя и необходимо, но не дает большего выигрыша в отношении сигнал/шум. Использование накопление периодических импульсов, легко реализуемое сегодня в цифровых вычислительных устройствах, обеспечивает выделение сигнала из шума, увеличивает чувствительность дефектоскопа к обнаружению, но и не решает одновременно задачи разрешения эхо-сигналов и задачи точного измерения параметров сигнала. С этой целью наиболее целесообразно использовать фазоманипулированные (ФМ) сигналы с последующей оптимальной фильтрацией - внутриимпульсным накоплением. В результате оптимальной фильтрации эти сигналы длительностью (сжимаются во времени) - сигнал на выходе оптимального фильтра имеет очень четко выраженный максимум длительностью , амплитуда которого значительно превышает уровень боковых лепестков сигнала. За счет увеличения амплитуды главного максимума увеличивается чувствительность контроля, короткий сжатый максимум определяет высокую разрешающую способность по дальности

Качанов В. А. был первым, который предложил тот метод для УЗ дефектоскопии в 1974 г [3]. Затем Чен В. Х., Чунг И. С. Динг С. Х. предложили модификации этого метода. Метод уже применяется на УЗ дефектоскопах в аэрокосмических отраслях. Разработки еще продолжаются в Московском энергическом институте.

Как известно, чем сложнее сигнал, тем большим набором он обладает, тем больше новых методов УЗ контроля возможно создавать на основе использования этих свойств.

В этом дипломном работе ФМ сигналы строится путем модуляции фазы несущего колебания на двоичными кодовыми Баркера.

Каждый код, а значит и соответствующий ему ФМ сигнал имеет свою индивидуальность. Это означает, что ОФ для конкретного сигнала выделит его из смеси с другими ФМ сигналами, а также из помех и шумов.

Рис.25-a. Фазоманипулированный сигнал Баркера N=13: а= видеосигнал, б= ФМ сигнал. [12]

Рис. 25-б. Автокорреляционная функция видео кода Баркера [12]

На рис. 25-a изображен видеокод Баркера с индексом N=13 (), соответствующий ему ФМ сигнал (б), в котором фаза несущего колебания меняется согласно коду на . на рис. 25-b показана огибающая этого же сигнала после ОФ - т.к. его АКФ. Длительность ФМ сигнала , где длительность элементарного импульса () с одним главным максимумом и малым уровнем боковых лепестков - главный максимум в N раз превышает уровень боковых лепестков. Длительность главного максимума на уровне Ѕ составляет , именно на интервале находится область высокой корреляции АКФ, благодаря чему выполняется уровне (27) и обеспечивается высокая разрешающая способность

Важный параметр сложно-модулированных сигналов, характеризующий их помехоустойчивость, а также чувствительность к обнаружению - база сигнала Б - определяется как произведение ширины спектра сигнала на его длительность . Для рассматриваемого сигнала ,

.

У сложно-модулированных сигналов Б>>1 в отличие от немодулированных сигналов, у которых .

Рис. 26. Разрешение сжатых ФМ эхо-сигналов и выделение их из шума [12]

Преимущество использования ФМ сигналов при УЗ контроле поясняется рис.26, где показана структурная схема эхо-контроля многослойного изделия (), излучаемый длинный (следовательно, высокоэнергетичный, обеспечивающий высокую чувствительность контроля) ФМ сигнал (б), отраженные от границ раздела слоев эхо-сигналы до оптимальной фильтрации (в) и после (г). Видно, что отраженные не отфильтрованные эхо-сигналы находятся, во-первых, ниже порогового уровня шума приемника из-за высокого затухания УЗ в изделии, а во-вторых, не разрешаются во времени. Однако после снижения в ОФ все сигналы выделяются из шума и различаются во времени (рис.26, г). Таким образом обеспечиваются одновременно высокая чувствительность и разрешающая способность УЗ эхо-контроля.

На этом же примере рассмотрим еще одно преимущество использования оптимальной фильтрации сигналов в УЗ дефектоскопии. В традиционных УЗ дефектоскопах эхо-сигналы представляют собой временную копию зондирующего сигнала, искаженную в электроакустическом тракте, в силу чего возникают проблемы с определением временного положения эхо-сигнала. При использовании оптимальной фильтрации индикация производится по максимуму АКФ, положение же максимума, как это видно из рис. 25-b, в практически не меняется. Именно в этом проявляется требование (28).

Еще одно преимущество ФМ сигналов сказывается при контроле многослойных материалов. Как известно, в традиционных устройствах УЗ эхо-импульсного контроля используются максимально короткие импульсы не только с целью обеспечения высокой разрешающей способности, но и из-за интерференционных явлений. Использование относительно длинных зондирующих сигналов при контроле многослойных материалов из-за возникновения стоячих волн приводит к неоднозначным результатам контроля- амплитуды эхо-сигналов таких слоев не соответствуют реальным значениям коэффициентов отражения. При отражении от слоя радиоимпульса длительностью возникает известная зависимость амплитуды эхо-сигнала от соотношения длины волны и толщины слоя (рис. 27, кривая ).

Проведенное на ЭВМ моделирование прохождения через слой ФМ сигнала Баркера длительностью показывает, что стоячих волн в слое не возникает (рис. 27, кривая б). Аналогичные результаты дали эксперименты по прохождению радиоимпульсов и ФМ сигналов через слой оргстекла, помещенного в воду. Такой эффект нерезонансного прохождения ФМ сигнала через слой означает что амплитуды эхо-сигналов показанных на рис. 25, г соответствуют реальным значениям коэффициентов отражения.



Рис. 27. Зависимость амплитуд через прошедших через слой ФМ сигнала [12] (после сжатие в ОФ и одинакового с ним по длительности гармонического сигнала )

В качестве ОФ для ФМ сигнала может быть предложена линия задержки на время с отводами, фазоинверторами, сумматором и оптимальным фильтром ОФ для элементарного импульса. На рис. 28 приведен такой ОФ для ФМ сигнала Баркера с индексом .

Рис. 28. Оптимальный Фильтр видео кода Баркера N=13 [12]

На практике удобнее производить сжатие не радиоимпульсного ФМ сигнала, а соответствующего его видеокода, получаемого путем предварительного переноса в области нулевых частот спектра ФМ сигнала[3]. Процесс сжатия видеокода в ОФ показан на рис. 28. На рис. 29 показаны сжатие сигналы после сумматора (сплошной линией) и после ОФ для элементарного импульса (пунктирной линией).



Рис. 29. Процесс сжатия ФМ сигнала в оптимальном фильтре (а) и сжатый ФМ сигнал на выходе фильтра [12]

В ОФ для ФМ сигнала происходит геометрическое сложение составляющих некоррелированного входного шума и арифметическое сложение элементарных составляющих ФМ сигнала, в результате чего на выходе ОФ отношение сигнал/шум возрастает в раз:

; (28)

где коэффициенты передачи отводов линий задержки (см. рис. 26).

Таким образом, ОФ для ФМ сигнала подобен накопителю для сигналов длительностью с периодом следования . Аналогичен и результат: при накоплении одинночных импульсом с периодом следования и при сжатии ФМ сигнала быстродействие выше в раз. Этот факт также показывает преимущество использования оптимальной фильтрации ФМ сигналов при УЗ дефектоскопии по сравнению с накоплением пачки из немодулированных сигналов.

Перенесение спектра эхо-сигнала из области радиочастот в область видеочастот следует производить не только из-за удобства обработки, но и из-за целого ряда других эффектов. В частности при индикации видеосигналов удается увеличить разрушающую способность по дальности в 2-3 раза.

В большинстве УЗ эхо- импульсных дефектоскопов реальных зондирующий сигнал приставляет собой импульс, длительность которого составляет 1-2 периода. Очевидно, что разрешающая способность по дальности ограничена такой длительностью. Получить более высокое разрешение за счет частотного перекрытия двух соседних радиоимпульсов не удается, т.к. за счет фазовых эффектов при суммировании этих сигналов результирующий сигнал может имеет различный вид (при суммирование фазе и противофазе), что приводит к неоднозначному результату.

Рассмотрим как этот метод можно представит как математический модель который показывает свойства дефектоскопа и материала.

5.1 Простая математическая модель предлагаемого дефектоскопа

Для разрешения частично перекрывающихся импульсов предлагается использовать комплексную радиотехническую обработку эхо-сигналов, включающую в себя оптимальную фильтрацию.

Еще больший эффект для разрешения частично перекрывающихся сигналов получается при использовании ФМ сигналов за счет того, что ФМ сигнал ортогонален своей копии, сдвинутой относительно его самого [2].

При комплексной обработке эхо-сигнала устраняется так же информация о наличной фазе эхо-сигнала. В результате отраженные от границ раздела сред с различными акустическими сопротивлениями эхо-сигнал не будут зависеть от начальной фазы эхо-сигналов, тем самым решается проблема точности измерения временного положения эхо-сигнала при дефектоскопии и толщинометрии слоистых изделий.



Рис. 30. Структурная схема УЗ эхо контроля дефектоскопа с использованием ФМ сигнала и его оптимальной обработки

Структурная схема УЗ эхо-импульсного дефектоскопа с использованием ФМ сигнала и оптимальной обработкой эхо-сигналов в каждом из квадратурных каналов приведена на рис.30. Опорные сигналы в каждом из квадратурных каналов сдвинуты на 90^о, после возведения в квадрат и суммирования на выходе сумматора эхо сигнал не зависит от начальной фазы. После операции извлечения квадратного контроля амплитуды эхо-сигналов соответствуют реальным размерам дефектов.

Главная цель модели является предсказывать ответные измерение от системы характерная аномалия материала. Таким образом в модели должно быть, преобразователь, Геометрия материала, Затухание, Помехи, Обработка сигнала. Однако саамы важный часть модели, это взаимодействие УЗ с дефектом.

Простой математический модель представлена на рис. 32. c использованием компьютерная программа Simulink в программе Matlab. С моделью автор пытался показать, действия дефектоскопа создавая искусственный дефект, границу и соответственно помехи и затухание на многослойных ПМК. Материал имеет 2 слоя сделано из углепластика и стеклопластика. Дефект на втором слое как показано на рис 31.

Рис. 31. Двухслойная конструкция, использованная в модели

Присутствие хорошей модели позволяет представить конструкцию затем оптимизация диагностирование и интерпретация результаты от эксперименты. Кроме того с хорошей модели гораздо просто и дешевле изучить характеристики метода, чем экспериментально. Каждая компьютерная программа работает благодаря микропроцессор который находится внутри компьютера. Процессор имеет определенная частота, и он выполняет команды от процессора и манипулирует частоты на диапазоне 0-максималная частота, еще амплитуда сигнала. То ест как результат получается сигнал во времени которые представляет информации которые на самом деле изменении электрические напряжении во времени. На данном программе “Simulink”, есть определенные блоки, которые совершает определенные функции (блок генератор сигнал, генератор баркер коды и т.д.). Дальше у нее ест блоки для манипулирования сигналы и экраны (Scope), для смотрения, получивши результаты. С использованием “Simulink”, можно моделировать комплексные системы с минимальной затраты времени.

Рис. 32-а . Математическая модель работы дефектоскопа с помощью Matlab's (Simulink)



Рис. 32-б . Фазоманипулирование сигнала в Matlab

Barker Code Generator : Генератор кода Баркера. Длинна кода Баркера может быт 1,2,3,4,5,7,11 или 13. На этой модели автор использовал код с индексом 13. То ест сообщение [-1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1].

Signal Generator: Генератор сигнала. под этой модели, создает, повторяющегося синусоидального сигнала. То ест носитель = .

Product : Выполняют вычисление произведения текущих значений сигналов. Используется для того что бы смешать сообщение и носитель.

Band-Limited White Noise: Генератор белого шума с ограниченной полосой частот (генератор случайных сигналов с равномерным распределением верятностей)

Gain: Выполняет умножение входного сигнала на постоянный коэффициент. На данной модели Attenuation: затухание, когда коэффициент k, 0<k<1.

Transport Delay: Блок временной задержка сигнала. Обеспечивает задержку входного сигнала на заданное время.

Блок Subsystem 1,2,3: ФМ обработка сигнала как показано на рис. 28-a для того что бы получит импульс от сигнала.

Блок Subsystem 4,5,6: обработка сигнала для получения один пик от импульса.

Sum: суммирует разные сигналы

Dot Product: Скалярное умножение, вычисляет скалярное произведение двух векторов соответствие с выражением:

; (29)

где u1 и u2- входные векторы; conj- операция вычисления комплексно-сопряженного числа; Sum- операция вычисления суммы

Scope: Графопостроитель переменных во времени. Позволяет наблюдать за изменениями сигналов в процессе моделирования.

Рис. 33. Результат (А скан) математической модели

В результате, графики (А скан), автор хотел показать высокое затухание ПМК. Кроме того показывает, что ФМ сигналы действительно выше помехи (от белого шума). То есть предлагаемый метод, обладает хорошей разрешающей способностью.

Опробования характеристики дефектоскопа и материалы проведено на выше сказанном модели.

Прежде всего эксперимента модель идет путем изменения привели белый шум материалов. Теоретически, непрерывный белый шум, время корреляции 0, плоская спектральной плотности мощности (PSD) и ковариационной бесконечности. На практике, физические системы никогда не нарушается белого шума, хотя белый шум является полезным теоретические приближения, когда шум нарушение временем корреляции, что очень мало по сравнению с природным пропускную способность system. In Simulink, можно моделировать эффект белый шум с помощью случайной последовательности с временем корреляции значительно меньше, чем короткое время постоянной системы. Ограниченный по полосе Белый шум блока производит такую последовательность. Время корреляции шумов Sample Rate блока. Для точного моделирования, использовать время корреляции значительно меньше, чем самый быстрый динамику системы.

По сравнению с нормальным (по отношению к соответствующей модели) 100 кГц ультразвуковые волны с коэффициентом помехи (К) 0,0000007 ( мощность помехи).

Ситуация №1;

K= 0.0000007; нет дефектов;

Рис. 34. Ситуация №1

Ситуация №2;

K= 0.0000007; с дефектом во 2-й слой;

Рис. 35. Ситуация №2

Ситуация №3;

K>K1= 0.0000003; с дефектом во 2-й слой;

Рис. 36. Ситуация №3

Ситуация №4;

K>>K2= 0.00000001(почти нет помехи); с дефектом во 2-й слой;

Рис. 36. Ситуация №4

Ситуация №5;

K<K3= 0.0000009; с дефектом во 2-й слой;

Рис. 37. Ситуация №5

Ситуация №6;

K<<<K4= 0.0000019 (очень высокая уровень помехи); с дефектом во 2-й слой;



Рис. 38. Ситуация №6

Обратим внимание, что сигнал от дефекта теряется в шуме, когда шум коэффициента достигает более 0,0000018. Такая модель работает в этом пределе шумов 0…0.0000018. Баркер закодированы оптимального фильтра не эффективно в высших этих приделы. Для того что бы повышать чувствительность надо использовать другие коды (например М-коды) и соответственный оптимальный фильтр.

Теперь рассмотрим характеристики ФМ сигнала на среде, где 2 тонки слои из композитов.

Ситуация 7; K= 0.0000007; 2 тонкие слои, дефект на втором слое;

Рис.39. Ситуация №7

Заметим что дефект трудно обнаруживать в среде помехи.

Ситуация 8;

K>>K8=0.0000015;

Рис.40. Ситуация №8

Дефект хорошо видно когда помехи меньше,

Теперь рассмотрим, как модель реагирует на композитную конструкцию с тонким слоем и толстым слоем разных материалов, аналогично лонжерона и обшивка на A-400M (рис. 44). На модели толщина представляется как временную задержку. Тем толще материал, чем дальше УЗ волна распространяется, чем выше временная задержка.

Ситуация 9;

K<K9= 0.0000009, высокое уровне помехи.

Рис.41. Ситуация №9

Дефект видно. Но для обнаружения мелкие дефекты лучше использовать высокая частота.

Ситуация 10;

K10=0.0000009, высокие помехи; 1MHz;

Рис. 42.

Ситуация № 10

Дефект видно. Когда частота выше, УЗ затухает больше. Но с ФМ можно сигнал от дефекта обнаружить если бы использовали обычный импульс, то обратный сигнал от дефекта будет ниже порогового белого шума.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как правило, в большинстве ультразвуковых эхо-импульсных дефектоскопов используется ударное возбуждение излучающего преобразователя. Это не позволяет гибко перестраивать частоту зондирующего сигнала, что желательно при контроле изделий с большим затуханием и многослойной структурой для обеспечения оптимального соотношения чувствительности и разрешающей способности. Такое соотношение, как правило, трудно рассчитать для каждого изделия заранее и желательно устанавливать экспериментально в процессе контроля. Из-за того, что в описанном выше УЗ дефектоскопе используется в качестве зондирующего сигнала радиоимпульс (ФМ сигнал), появляется возможность в процессе контроля плавно менять частоту зондирующего сигнала и другие параметры (в первую очередь длительность элементарного импульса, определяющую разрешающую способность контроля и ширину спектра ФМ сигнала). Это в свою очередь позволяет подстраивать параметры зондирующего сигнала под параметры контролируемого изделия- т. е. находить оптимальную частоту сигнала с целью повышения чувствительности к обнаружению и наиболее оптимальную длительность сигнала с целью обеспечения разрешающей способности.

Автор предлагает более общую концепцию создания компьютерно-адаптивных параметров зондирующего сигнала, коэффициент усиления входного усилителя, способ оптимальной обработки переменных сигналов и другие параметры УЗ контроля, исходя из параметров контролируемого изделия.

Результаты от модели показывает, что баркер коды с последствием его оптимального фильтра создают эффективные результаты в многослойных контракциях, которые толще, чем обычные конструкции. Создание компьютерной модели экономили времени и денег, которые требуют реальные эксперименты, открыли окно для рассмотрения характеристики ультразвуковой ФМ волны на композитных материалах. Хотя эксперимент крайний важен перед применением такого метода в ТО, потому что гражданская авиация требует высокого уровня надежности и безопасности.

Таким образом, выше изложены основные проблемы, возникающие при УЗ эхо-импульсом контроле полимерных композитов с большим затуханием ультразвука и многослойной структурой.

Рис. 43. Соединения лонжерон с обшивкой на A400M

Уже на самолете A-400M, лонжероны и обшивки созданы из тонких слоев композитных материалов (рис. 43). Поэтому очень важно совершенствовать методы их дефектоскопии [43].

В настоящей дипломной работе предлагаются методы улучшения ультразвукового контроля, специфичные только для УЗ-дефектоскопии, не имеющие аналогов в радиолокации и технике связи, обеспечивающие одновременно увеличение помехоустойчивости, чувствительности, разрешающей способности, контроля, достоверности и точности измерения параметров эхо-сигналов.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Леин Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. - М.: Радио и связь, 1986.-280 с.

2. Качанов В. К. Применение ортогональных фазоманипулированных сигналов в УЗ дефектоскопии 1990, №9-С. 39-46.

3. Качанов В. К. о возможности применение методов сжатия импульсов в УЗ дефектоскопии. 192, 1974-с. 121-129.

4. Качанов В. К. применения методов сжатия импульсов УЗ дефектоскопии: автореф. Дис… канд. Техн.наук. М.,1979.

5. Furgason E. S., Newhouse Y.L., Bilgutay N. M., Cooper G. R. Application of random signal correlation techniques to ultrasonic flow detection. Ultrasonic, 1975,13.P.11-17.

6. Lam F.K., Szilard I pulse compression techniques in ultrasonic non destructive testing. Ultrasonics 1976, 14.-P.111-114.

7. Chen W. H., Chung I. S. , Ding C. H. ultrasonic non destructive testing using bark code pulse compression techniques. 3^rd europian conference on non destructive testing, Florance, 15-18 october 1984. V. 5.

8. Lam F. K., Huz M. S. An ultrasonic puls compression system for non destructive testing using maximal length sequence. Ultrasonic, 1982, 20-.-P.107-112.

9. Качанов В. К., рапорт Д.К., мозговой А. В. Разработка новых методов ультразвукового контроля полимерных композиционных материалов на основе использование радиолокационных сигналов // дефектоскопия, 1990, № 9. С. 3-20.

10. Разработка ультразвуковых адаптивных методов и устройств для контроля полимерных материалов// В. К. Качанов,. О. А. Канзацев, И. В. Соколов, А. Ю. Завьялоа// Дефектоскопия, 1990, № 9- С. 52-56.

11. Карташев В. Г., Качанов В. К. Оптимальное выделение сигналов на фоне структурного шума в УЗ дефектоскопии// дефектоскопия 1992, №7. - С. 14-24.

12. Использование Радиолокационных сигналов и методов их обработки в УЗ дефектоскопии композиционных материалов. В.К. Качанов, The journal “Technical diagnostics and NDT” 1995, №2. С- 3-18

13. Житомирский Г. И., Конструкция самолетов: Учебник для студентов авиационных специальностей вузов.- 3-е изд., перераб. И доп.- М.: Машиностроение, 2005.-406с.:ил.

14. Michael Berke, Basic principles of ultrasonic testing, Krautkramer NDT Ultrasonic Systems, 42p

15. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, 479p

16. T. Stepinski and F. Lingvall, Automatic Defect Characterisation in Ultrasonic NDT Uppsala University, Signals and Systems, Uppsala, Sweden, 10p

17. Ultrasonic NDT in defect detection, Mathematical modeling, Hakan Wirdelius. Chalmers University of technology, division of mechanics, Goteborg, SWEDEN: 1995

18. Конференция DEFEKTOSKOPIE 2008 Brno, 6. 11. 2008, Mehdi HAJIAN, Farhang HONARVAR, Hamid ABRISHAMI-MOGHADDAM,Improving the ultrasonic NDE signals by iterative wiener filtering, 47-54p.

19. Udaya B. Halabe, Ph.D., Hota GangaRao, Ph.D., Hema J. Siriwardane, Ph.D., Powsiri Klinkhachorn, Ph.D., REVIEW OF NONDESTRUCTIVE EVALUATION TECHNIQUES FOR FRP COMPOSITE STRUCTURAL COMPONENTS, Department of Civil and Environmental Engineering, Morgantown, West Virginia, 2007, 225p

20. 15^th world conference on non destructive testing. Rome (Italy), 2000. Paper XCV/904.

21. Potapov A.I., Pakker F.P. Nondestructive testing of structures of composite materials. Leningrad: Mashinostroenie, 1977. 192P

22.http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/composites/Tech40.htm

23. Low-Cost Composite Materials and Structures for Aircraft Applications, Dr. Ravi B. Deo, Dr. James H. Starnes, Jr., Richard C. Holzwarth. 12P: Paper presented at the RTO AVT Specialists' Meeting on “Low Cost Composite Structures”,held in Loen, Norway, 7-11 May 2001, and published in RTO-MP-069(II).

24. NEW MATERIALS FOR NEXT-GENERATION COMMERCIAL TRANSPORTS (Committee on New Materials for Advanced Civil Aircraft,National Materials Advisory Board,Aeronautics and Space Engineering Board,Commission on Engineering and Technical Systems, National Research Council) NATIONAL ACADEMY PRESSm,Washington, D.C. 1996

25. http://www.avias.com/news/2008/10/27/8796093085152.html

26. Van sickele's modern Airmanship, 1999, 991p

27. LATEST DEVELOPMENTS ON INDUSTRIAL ULTRASONIC TESTING OF AIRCRAFT COMPONENTS, W.Haase, A. Maurer, NUTRONIK GmbH, Alzenau, Germany- 7p

28. COMPOSITE MATERIALS REVOLUTIONISE AEROSPACE ENGINEERING, “INGENIA” ISSUE 36 SEPTEMBER 2008 24-28pp

29. Identification of Layered Material Properties Using Wavelet Transform of Ultrasonic Data Timothy C. Hanshawt, Chin S. Hsut, and Michael J. AndersonS

30. Чумичев,А.М. Техника и технология неразрушающих методов контроля деталей горных машин и оборудования: Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Горное дело».- 2-е издание. - М.: МГГУ, 2003.- 379 с.

31. Кривенков С.В., Зайцев Ю.В., Протасов В.Н., Кузьменков П.Г. Выявление скрытых дефектов деталей методом ультразвуковой дефектоскопии, 1999

32. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля. М.:, «Машиностроение» 1991, 240 с

33. N P Avdelidis, A Moropoulou, Z P Marioli-Riga, “Invited Paper: The technology of composite patches and their structural reliability inspection using infrared imaging”, Journal of Progress in Aerospace Sciences, Vol. 39, No 4, pp 317-328, 2003.

34. D Bates, G Smith, D Lu, J Hewitt, “Rapid thermal non-destructive testing of aircraft components”, Journal of Composites Part B: Engineering, Vol. 31, No 3, pp 175-185, 2000.

35. I.N Ermolov, Yu. V. Lange, Nondestructive Testing Handbook, Volume 3, ultrasonic testing-M.:2009.-784p

36. Baldev Raj, V. Rajendran, P. Palanichamy; SCIENCE AND TECHNOLOGY OF ULTRASONICS. New Delhi,2006:.576 c

37. Bassem R. Mahafza, Ph.D.Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB.

COLSA Corporation. Huntsville, Alabama, 2000. 532p

38. Цисарь И. Ф. MATLAB simulink Компьютерное моделирование экономики. -Москва.:СОЛОН-ПРЕСС, 2008. - 256 с.

39. CTMS: Simulink Modeling Tutorial. 14p

40. C.H. Chen, University of Massachusetts, USA.ULTRASONIC AND ADVANCED METHODS FOR NONDESTRUCTIVE TESTING AND MATERIAL CHARACTERIZATION, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2007, 1-217p

41. http://www.votum.ru/ud4_ru/

42. http://www.olympus-ims.com/ru/epoch-xt/

Размещено на Allbest.ru