Устройство ультразвукового контроля состояния изделий

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества ультразвуковыми методами и может быть использовано для обнаружения дефектов изделий, в том числе крупногабаритных.

Известно устройство ультразвукового контроля, состоящее из генератора зондирующих импульсов, электроакустического преобразователя, входного усилителя и устройства индикации [Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение. 1981, с. 95].

Недостатком данного устройства является низкая достоверность результатов и невысокая пороговая чувствительность контроля, обусловленная неполнотой используемой информации при обработке сигналов акустического отклика на зондирующий импульс.

Известен «Способ ультразвуковой дефектоскопии изделий и устройство для его реализации», устройство которого содержит генератор импульсов возбуждения, выход которого подключен к пьезоэлектрическому преобразователю, а последний подключен к первому входу усилителя информативных сигналов, отличающееся тем, что введены амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП), ко входу которого подключен выход усилителя информативных сигналов, выход АЦП подключен к первым входам введенных блока строба рабочей зоны и блока строба контроля акустического контакта, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами формирователя амплитудной характеристики соответственно, введены также первая и вторая схемы сравнения, входы которых соединены с выходом блока строба контроля акустического контакта, выходы первой схемы сравнения подключены к входам формирователя амплитудной характеристики, третий выход которого подключен ко входу цифроаналогового преобразователя (ЦАП), четвертый выход подключен ко входу генератора импульсов возбуждения, выход ЦАП соединен со вторым входом усилителя информативных сигналов, а выход строба рабочей зоны и выходы второй схемы сравнения соединены с первым, вторым и третьим входами персонального компьютера, (патент RU №2270998, МПК G01N 29/04)

Недостатком устройства является ограниченность возможностей применения лишь узкой сферой контроля акустического контакта пьезоэлектрических преобразователей с поверхностью изделия.

Известен «Способ контроля дефектности изделия», заключающийся в том, что в контролируемом изделии ударом возбуждают упругие колебания в одной и той же точке с постоянной силой и длительностью воздействия, принимают собственные колебания изделия в двух различных точках и измеряют амплитуды колебаний в этих точках на собственных частотах, а по величине отношений амплитуд определяют дефектность изделия. В бездефектных изделиях при ударе в одну и ту же точку с одинаковой силой и длительностью воздействия отношение амплитуд колебаний на собственных частотах в двух различных точках будет постоянным, а при наличии дефекта изменится, что является признаком дефектности изделия, (патент RU №2111485, МПК G01N 29/04).

Недостатком является невысокая достоверность диагностики дефектов для изделий сложной геометрии и объектов больших размеров.

Известен способ контроля дефектности изделия, заключающийся в том, что в контролируемом и эталонном изделиях ударом возбуждают упругие колебания, принимают собственные колебания этих изделий, измеряют параметры колебаний и с учетом этих параметров определяют дефектность изделия, возбуждения упругих колебаний в обоих изделиях осуществляют одновременно, регистрируют колебания обоих изделий, измеряют период биений результирующего колебания, а дефектность изделия определяют по уменьшению измеряемого периода биений относительно эталонного периода биений.

Недостатком этого способа является невысокая достоверность контроля и необходимость использования эталонного изделия.

Наиболее близким по технической сущности к данному устройству (прототипу) является «Вибрационная система диагностики и предупреждения аварийной ситуации на эксплуатируемом объекте», сущность которого заключается в том, что вибрационная система диагностики и предупреждения аварийной ситуации на эксплуатируемом объекте состоит из двух или более одинаковых датчиков вибрации, выходы которых подключаются к входам фильтров, которые выделяют из сигналов датчиков частоты, несущие информацию об изменениях вибрационных колебаний после появления трещин в контролируемом месте, а выходы фильтров подключаются к входам любого исполнения, с помощью которых, при исправном состоянии контролируемого элемента конструкции объекта, выравниваются между собой сигналы датчиков посредством умножения каждого сигнала на свой поправочный «весовой» коэффициент, а выходы компенсаторов подключаются к блоку сравнения любого исполнения, который в любом порядке сравнивает между собой сигналы датчиков вибраций, возникающих в результате функционирования объекта или воздействия независимого источника вибрационных колебаний. (Патент RU №2288470, МПК G01N 29/04).

Система диагностики обладает недостатками. Главный из них заключается в том, что для анализа состояния объекта контроля устройство использует только малую часть информации, содержащейся в принятых сигналах, а именно лишь информацию об амплитудах сигналов. И, вследствие этого, может не отреагировать на опасные изменения состояния объекта, которые приводят к существенным изменениям формы принимаемых сигналов, но слабо изменяют их амплитуды. По той же самой причине системе требуется большое количество датчиков вибраций, особенно в случае разветвленной структуры объекта, когда датчики необходимо располагать на концах всех ответвлений контролируемого объекта.

Техническим результатом изобретения является увеличение достоверности результатов контроля, получаемое при уменьшенном количестве используемых акустических излучающих и приемных преобразователей. А также расширение области контроля.

Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое ультразвуковое устройство контроля состояния изделий, состоящее из генератора зондирующего импульса, соединенного с размещенным на поверхности изделия одним или несколькими излучающими акустическими преобразователями, имеющее один или несколько приемных акустических преобразователей, каждый из которых соединен с полосовым частотным фильтром, снабжено последовательно соединенными предварительным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, компьютером с монитором отображения выходных данных, блоком записи акустических сигналов, блоком вычисления взаимно корреляционных функций, блоком вычисления коэффициентов корреляции, амплитудным дискриминатором по уровню коэффициента корреляции и генератором сигнала опасности.

В основу изобретения положен известный физический эффект, заключающийся в том, что в любом твердотельном акустическом волноводе при возбуждении акустических волн коротким импульсом силы, сосредоточенной в малой окрестности внутри или на поверхности волновода, возникает реверберационный акустический сигнал. Сигналы такого типа образуются в результате многократных отражений от внутренних неоднородностей материала и границ изделия и имеют длительность, во много раз превышающую длительность исходного возбуждающего импульса. Примерами такого типа сигнала могут быть акустические отклики, приходящие от кратковременно действующего внешнего источника, или хорошо известные сигналы акустической эмиссии, генерируемые при развитии трещин внутри изделия. Реверберационные сигналы имеют свойства широкополосных сигналов с большой базой (база - величина, равная произведению частотной полосы сигнала на его длительность). Следствием указанного свойства является возможность проведения эффективной классификации сигналов по форме с использованием метода вычисления взаимно корреляционной функции. При изменении геометрии изделии (появлении изгибов, вмятин), возникновении внутренних напряжений, ослаблении натяжения в болтовых соединениях, появлении трещин в материале и в других подобных случаях форма реверберационного сигнала претерпевает изменения. Эти даже едва заметные вариации формы легко зафиксировать, вследствие большой базы реверберационных сигналов, по изменениям величины коэффициента корреляции между изменяющимися со временем реверберационными сигналами. Важно отметить, что реверберационный сигнал несет информацию об изменении состояния не только той части изделия, которая расположена между точками источника и приемника сигналов, но и всех других частей изделия, откуда приходят отраженные сигналы, формирующие полный сигнал акустического отклика на кратковременное силовое воздействие. На этом факте основана возможность уменьшения количества используемых излучающих и приемных акустических преобразователей по сравнению с прототипом, где используемая методика сравнения амплитуд чувствительна к изменениям в изделии только в пространстве между точками излучения и приема.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема предлагаемого устройства, соответствующая одной паре излучающего и приемного акустических преобразователей.

Устройство содержит генератор зондирующих импульсов 1, один или несколько излучающих акустических преобразователей 2, размещенных на поверхности контролируемого изделия, один или несколько приемных акустических преобразователей 3, имеющих акустическую связь через тело контролируемого изделия с излучающими акустическими преобразователями, и каждый из которых последовательно соединен с полосовым частотным фильтром 4, с предварительным усилителем 5, аналого-цифровым преобразователем 6, блоком записи акустических сигналов 7, блоком вычисления взаимно корреляционной функции 8, блоком вычисления коэффициента корреляции 9, амплитудным дискриминатором по уровню коэффициента корреляции 10, генератором сигналов опасности 11 и монитором отображения выходных данных 12, на который подаются также сигнал отклика с выхода аналого-цифрового преобразователя 6, сигнал взаимно корреляционной функции с выхода блока 8 и значение коэффициента корреляции с выхода блока 9, причем выход амплитудного дискриминатора по уровню коэффициента корреляции 10 соединен с входом блока записи акустических сигналов 7, а выход генератора зондирующего сигнала 1 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6.

Устройство работает следующим образом. На поверхности изделия в удобном и доступном месте располагаются один, а при больших размерах изделия, превышающих характерную длину распространения возбуждаемой акустической волны, несколько равномерно разнесенных излучающих акустических преобразователей 2. На поверхности изделия размещаются в таком же количестве приемные акустические преобразователи 3, каждый из которых отстоит от соответствующих излучающих акустических преобразователей, на расстоянии, меньшем характерной длины распространения акустической волны. Генератор зондирующих сигналов 1 формирует периодическую последовательность коротких электрических импульсов, подаваемых на излучающие акустические преобразователи 2, которые, в свою очередь, возбуждают последовательность зондирующих акустических сигналов длительностью t₀ и шириной полосы W=1/t₀. Возбужденный излучающим акустическим преобразователем зондирующий сигнал, пройдя по изделию и многократно отразившись от внешних поверхностей и внутренних неоднородностей, преобразуется в реверберационный сигнал большой длительности T>>t₀ (сигнал отклика). При этом база сигнала (произведение T*W) оказывается много больше единицы. Этот акустический сигнал отклика преобразуется в электрический сигнал приемным акустическим преобразователем 3. Затем он отфильтровывается полосовым фильтром 4 от низкочастотных и высокочастотных помех. Основные типы механических помех имеют максимум энергии в низкочастотной области спектра. Электромагнитные помехи возможны и в области верхних частот. Полоса пропускания полосового частотного фильтра 4 выбирается так, чтобы оптимальным образом отфильтровать или ослабить эти виды помех. В выборе полосы частот также принимается во внимание имеющаяся предпочтительная полоса частот для проведения корреляционной обработки сигналов. С выхода полосового частотного фильтра 4 аналоговые электрические сигналы усиливаются предварительным усилителем 5 и поступают в устройство аналого-цифрового преобразования 6, где преобразуются в дискретный код (в цифровые сигналы). Все последующие функциональные блоки выполнены в программном виде и реализуются с помощью компьютера. По команде оператора в блоке записи акустических сигналов 7 производится запоминание эталонного акустического сигнала (первого сигнала отклика). Все сигналы отклика несут информацию о состоянии не только той части контролируемого изделия, которая пройдена напрямую зондирующим акустическим импульсом от излучающего акустического преобразователя 2 до приемного акустического преобразователя 3, а также и тех частей изделия, которые были «озвучены» сигналами, отраженными от границ вне указанной прямой зоны прохождения. В блоке 8 производится вычисление нормированной взаимно корреляционной функции между двумя сигналами, один из которых эталонный, записанный в блоке 7, а другой - текущий сигнал, принимаемый приемным акустическим преобразователем 3. Последний сигнал отражает состояние изделия в данный текущий момент времени, а корреляционная функция, вычисляемая в блоке 8, несет информацию об изменении этого состояния с момента записи эталонного сигнала. Количественным параметром, отражающим изменения состояния контролируемого изделия, является коэффициент корреляции - максимальное значение нормированной взаимно корреляционной функции, вычисляемый в блоке 9. Вследствие большой базы (произведения T*W) акустического сигнала отклика обеспечивается высокая чувствительность и большой динамический диапазон корреляционных измерений. Изменения в величине коэффициента корреляции оцениваются амплитудным дискриминатором 10, где производится сравнение измеренных величин коэффициента корреляции с экспериментально установленными допустимыми уровнями, характеризующими ту или иную степень опасности в состоянии контролируемого изделия. Сигналы опасности в соответствие с заранее установленной шкалой формируются в блоке 11 и передаются на монитор отображения выходных данных 12. На мониторе отображения выходных данных 12 с целью контроля работы устройства визуализируются также сигналы акустического отклика, поступающие из блока 6, сигналы взаимно корреляционной функции из блока 8 и изменяющийся во времени коэффициент корреляции, вычисляемый в блоке 9. Блок 9 связан с блоком записи акустических сигналов 7 и по заданной программе дает команду для перезаписи эталонного сигнала. Обновление эталонного сигнала необходимо для восстановления чувствительности и динамического диапазона устройства в случаях больших изменений в состоянии контролируемого изделия. Блок 1, как указывалось выше, является генератором электрических зондирующих импульсов, питающих излучающий акустический преобразователь 2. Он задает временной период зондирования и связан с аналого-цифровым преобразователем 6 для осуществления временной синхронизации процесса генерации и приема.

Изобретение позволяет увеличить достоверность результатов контроля качества изделий в процессе использования, получаемую при уменьшенном количестве акустических излучающих и приемных преобразователей.