Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії

Описані структура та принципи побудови основних блоків комп’ютеризованої системи, яка призначена для відбору та обробки інформації, представленої сигналами магнітопружної акустичної емісії. Розроблено системне програмне забезпечення. Наведені основні технічні характеристики системи....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Почапський, Є.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Назва видання:	Наука та інновації
Теми:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116069
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії / Є.П. Почапський // Наука та інновації. — 2012. — Т. 8, № 1. — С. 51-60. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-116069
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1160692017-04-20T03:02:24Z Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії Почапський, Є.П. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Описані структура та принципи побудови основних блоків комп’ютеризованої системи, яка призначена для відбору та обробки інформації, представленої сигналами магнітопружної акустичної емісії. Розроблено системне програмне забезпечення. Наведені основні технічні характеристики системи. Описаны структура и принципы построения основных блоков компьютеризированной системы, которая предназначена для отбора и обработки информации, представленной сигналами магнитоупругой акустической эмиссии. Разработано системное программное обеспечение. Приведены основные технические характеристики. The structure and construction principles of basic blocks of the computerized system designed for selection and processing of information presented by magnetoelastic acoustic emission signals is described. The system software is developed. Its main technical characteristics are presented. 2012 Article Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії / Є.П. Почапський // Наука та інновації. — 2012. — Т. 8, № 1. — С. 51-60. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin8.01.051 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116069 uk Наука та інновації Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
spellingShingle	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Почапський, Є.П. Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії Наука та інновації
description	Описані структура та принципи побудови основних блоків комп’ютеризованої системи, яка призначена для відбору та обробки інформації, представленої сигналами магнітопружної акустичної емісії. Розроблено системне програмне забезпечення. Наведені основні технічні характеристики системи.
format	Article
author	Почапський, Є.П.
author_facet	Почапський, Є.П.
author_sort	Почапський, Є.П.
title	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії
title_short	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії
title_full	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії
title_fullStr	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії
title_full_unstemmed	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії
title_sort	комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116069
citation_txt	Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії / Є.П. Почапський // Наука та інновації. — 2012. — Т. 8, № 1. — С. 51-60. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.
series	Наука та інновації
work_keys_str_mv	AT počapsʹkijêp kompûterizovanasistemadlâvídborutaobrobkisignalívmagnítopružnoíakustičnoíemísíí
first_indexed	2025-07-08T09:49:14Z
last_indexed	2025-07-08T09:49:14Z
_version_	1837071760783048704
fulltext	51 Наука та інновації. 2012. Т. 8. № 1. С. 51—60. © Є.П. ПОЧАПСЬКИЙ, 2012 Є.П. Почапський Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів КОМП’ЮТЕРИЗОВАНА СИСТЕМА ДЛЯ ВІДБОРУ ТА ОБРОБКИ СИГНАЛІВ МАГНІТОПРУЖНОЇ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ Описані структура та принципи побудови основних блоків комп’ютеризованої системи, яка призначена для відбо- ру та обробки інформації, представленої сигналами магнітопружної акустичної емісії. Розроблено системне про- грамне забезпечення. Наведені основні технічні характеристики системи. К л ю ч о в і с л о в а: неруйнівний контроль, магнітопружна акустична емісія, комп’ютеризована система, програм- не забезпечення. СТАН ПРОБЛЕМИ Забезпечення неруйнівного контролю (НК) елементів конструкцій промислових об’єктів в умовах неперервної їх експлуатації є актуаль- ною технічною задачею сучасності. Засто су ван- ня акустичної емісії (АЕ) як одного із ефек- тивних методів НК у деяких випадках обме- жене, оскільки додаткове навантаження об’єк та конт ролю (ОК), як цього вимагають регла- ментні документи на проведення АЕ-діаг нос- ту вання, може бути недопустимим [1—3]. У таких випадках для діагностування феромаг- нітних елементів конструкцій можна викорис- товувати явище магнітопружної акустичної емісії (МАЕ). Вона виникає за умов перемаг- нічування феромагнітного конструкційного ма- теріалу і пов’язана з ефектом Баркгаузена. Пруж- ні імпульси, що супроводжують процеси стриб- коподібної зміни намагніченості, виходять на поверхню зі значних глибин металу, їх відпо- відним чином реєструють і обробляють вимі- рювальними засобами. Збуджують МАЕ-процеси стрибкоподібної зміни положення 90-градусних доменних сті- нок, якими супроводжуються магнітострикцій- ні ефекти [4]. Перші спроби реєстрації пруж- них коливань, що виникають під час перемаг- нічування, та пояснення фізичної суті явища були зроблені ще в 40-х роках минулого сто- ліття [5], однак свого розвитку такі досліджен- ня набули пізніше [6, 7]. Кількість окремих джерел пружних хвиль в конструкційних ста- лях виявляється настільки великою, що здій- снити реєстрацію одиночних актів зміщення 90-градусних доменних стінок практично не- можливо. Тому навіть для низьких частот пе- ремагнічування сигнал МАЕ є усередненим по всьому об’єму матеріалу, який перемагнічу- ють. Сигнал МАЕ, що формується суперпози- цією великої кількості пружних імпульсів від окремих джерел, викликаних дією на феро- магнетик зовнішнього періодичного в часі пе- ремагнічуючого поля, логічно розглядати як нестаціонарний випадковий процес з періо- дично змінними ймовірнісними характерис- тиками, причому період зміни дорівнює періо- 52 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України ду перемагнічування T. Частота зовнішнього перемагнічуючого поля зазвичай лежить в діа- пазоні від одиниць до десятків Гц [6–8], а час- тотний спектр сигналу МАЕ знаходиться в меж- ах від одиниць кГц до декількох МГц. Але під час експериментальних досліджень, як пра- вило, використовують діапазон 10 КГц ÷ 1 МГц. Такий вибір обумовлений тим, що на низьких частотах наявний високий рівень сторонніх акустичних шумів, а на високих частотах — сильне загасання пружних хвиль в досліджува- них тілах. Магнітопружну акустичну емісію реє- струють високочутливим п’єзоелектричним пе- ретворювачем. Амплітуда вихідних елект рич них імпульсів випадково змінюється в широкому динамічному діапазоні (до 60 дБ). Інфор ма тив- ними параметрами сигналу з виходу перетворю- вача є підсумковий рахунок, сума амп літуд сиг- налу, середньоквадратичне значення, миттєва потужність, амплітудно-час тотний спектр, гус- тина ймовірності розподілу амплітуд тощо [8]. Значення інформативних параметрів сигналу МАЕ залежать від впливу на феромагнетик пе- ремагнічуючого поля різної напруженості та частоти, форми перемагнічуючого імпульсу і чутливі до структурних змін матеріалу ОК, ре- жиму його термообробки, пластичної дефор ма- ції, залишкових напружень, наводнення то що [8– 11]. Здеградований матеріал змінює свою домен- ну структуру, що в свою чергу впли ває на зміну параметрів МАЕ. Експе ри ментально виявлено, що найбільше змінює потужність МАЕ пластич- не деформування матеріалу, а дещо менше — вод- невий чинник, дія якого, в свою чергу, залежить від концентрації у ферромагнетику [8—11]. Зрозуміло, що для ефективного відбору та обробки сигналу МАЕ, а відтак і діагностуван- ня ОК, необхідне відповідне апаратурне за- безпечення методу. Розв’язання цієї задачі дає можливість одержувати додаткову інформацію про стан феромагнітного матеріалу з його ло- кального об’є му в умовах неперервної експлу- атації ОК. Відомі підходи до відбору сигналу АЕ ґрун- туються на амплітудному критерії, коли по- чаток вимірювань співпадає з моментом пере- вищення сигналом наперед заданого порогу, який перевищує рівень шумів [1–3]. Оскільки імпульси АЕ появляються в часі випадково, то, відповідно, початок вимірювань також буде випадковим. Збудження ж сигналів МАЕ відбувається за умови перемагнічення феромагнітного зразка зовнішнім магнітним полем, тому важливо синх- ронізувати перемагнічення з відбором сигна- лів. Це дасть змогу виявити, на якій ділянці кривої перемагнічення ми реєструємо сигнал МАЕ з тими чи іншими значеннями його пара- метрів, та ідентифікувати механізм його гене- рування [6, 7]. Врешті-решт такий підхід умож- ливлює точніше пов’язати інформативні пара- метри сигналу з механічними та магнітними параметрами феромагнітного матеріалу для інтерпретації результатів діагностування, під- вищити інформативність обстежень ОК. Для розв’язання заданої задачі синхронізації в ро- боті запропоновано застосувати цифровий ге- нератор сигналу перемагнічення, що дасть змо- гу точно прив’язати початок вимірювань до від- повідної ділянки кривої перемагнічення. Таким чином, якщо узагальнити вищесказа- не, то можна стверджувати, що на відміну від акустико-емісійних вимірювальних систем за- соби відбору та обробки сигналів МАЕ пови- нні мати у своєму складі блок збудження маг- нітного поля на ОК із забезпеченням необхід- ної сили струму на накладному електромагні- ті, а також мати можливість змінити його фор- му та частоту. Іншою особливістю систем для діагностування ОК за сигналами МАЕ є необ- хідність синхронізації вимірювань. Окрім то- го, динамічний діапазон сигналів МАЕ дещо менший від аналогічного для сигналів АЕ (до 120 дБ), проте робоча смуга частот в обох ме- тодах задається вибором типу первинного пе- ретворювача. Вхідні ланки розроблюваної сис- теми повинні мати високий вхідний опір, ни- зь ку вхідну ємність, частотні фільтри з високою крутизною зрізу верхніх і нижніх частот, висо- ку швидкодію каскадів підсилення у поперед- 53ISSN 1815-2066. Наука та інновації. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України ньому підсилювачі. Слід зауважити, що на вході системи сигнали здебільшого не переви- щують десятків-сотень мікровольт. Дуже важ- ливим питанням при їх розробленні є також забезпечення такого зворотного зв’язку з вхід- ними електричними ланками системи, за яко- го вдалося б уникнути обмеження сигналу на вході аналого-цифрового перетворювача [12]. З урахуванням існуючого стану вимірюва- ль них АЕ-засобів і засобів для діагностування феромагнітних елементів конструкцій метою даної розробки є створення комп’юте ри зованої системи для відбору і обробки сигналів МАЕ на основі сучасних електротехнічних рішень та нових методів обробки інформаційних сиг- налів. Також з метою універсалізації доцільно реалізувати в розроблюваній системі обидва підходи до відбору сигналу, що розширить сферу її використання для діагностування ОК методами АЕ чи МАЕ. ОПИС РОЗРОБЛЕНОЇ КОМП’ЮТЕРИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ МАЕ-1Л Структурна схема розробленої комп’юте ри- зо ваної системи МАЕ-1Л для відбору та оброб- ки сигналу АЕ чи МАЕ наведена на рис. 1. Ви- мі рювальний аналоговий канал системи вклю- чає в себе п’єзоелектричний перетворювач, ви- хід якого з’єднаний з входом 1 попереднього підсилювача 2, смуговий фільтр 3, основний підсилювач з програмно керованим коефіці- єнтом підсилення 4. Блоки аналого-цифрового перетворювача (АЦП) 5, дискримінації та від- стежування сигналу АЕ 6, управління 7 ста- новлять цифрову частину. Для збудження сиг- налу МАЕ у феромагнітних матеріалах додатко- во розроблені відповідні технічні вузли, які ви- конані як генератор сигналу перемагнічення 8, вихідний силовий блок генератора 9 з виходами 10, 11. Зв’язок з персональним комп’ю тером (ПК) здійснюється через інтерфейс 12, а зов- нішня синхронізація системи — через вхід 13. У блоці 2 електричний сигнал МАЕ підси- люється, а потім фільтрується з використан- ням смугового активного фільтра Баттерворта другого порядку 3, налаштованого на діапазон робочих частот у смузі від fН = 10 кГц до fB = = 500 кГц. Такий вибір обумовлений тим, що на низьких частотах до 10 кГц наявний висо- кий рівень фонових акустичних завад, а на високих частотах — сильне загасання пружних хвиль у досліджуваних об’єктах. Далі відфільтрований сигнал надходить на вхід основного підсилювача 4, де остаточно підсилюється до необхідного амплітудного рів- ня. Блок 4 побудований на мікросхемі AD604 фірми Analog Devices, яка має два незалежні лінійні керовані напругою підсилювачі з дина- мічним діапазоном підсилення 6÷54 дБ кожен. Для формування керуючої напруги в діапазоні 0÷2,5 В використано 4-канальний 8-бітний циф ро-аналоговий перетворювач AD7305 цієї ж фірми. Керуючий код записується програмно у відповідні внутрішні регістри мікросхеми. Функціонування системи забезпечує блок управління 7, побудований на мікросхемі про- грамованої логіки EPM9320ALC84-10 фірми Altera. Основні режими та параметри роботи системи задаються програмно з ПК шляхом запису в блок 8 відповідної управляючої ін- формації. У залежності від вибору вимог опе- ратора система може функціонувати у двох Рис. 1. Структурна схема комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л: 1 – вихід з п’єзоелектричного перетворювача; 2 – попередній підсилювач; 3 – смуговий фільтр; 4 – основний підсилювач з програмно керованим коефіцієн- том підсилення; 5 – блок АЦП, 6 – блок дискримінації та відстежування сигналу АЕ; 7 – блок управління; 8 – ге- нератор сигналу перемагнічення; 9 – вихідний блок гене- ратора; 10, 11 – виходи генератора перемагнічення; 12 – інтерфейс 54 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України режимах: асинхронному та синхронному. Асин- хронний режим відповідає ситуації, коли про- водяться експериментальні дослідження в об- ласті фізики та механіки руйнування конст- рук ційних матеріалів методами АЕ, тоді мо- мен ти появи окремих імпульсів АЕ випадково розподілені у часі [1, 2], внаслідок чого вини- кає задача виявлення сигналу на фоні завад. Діаграма імпульсів в окремих точках під час функціонування комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л в асинхронному режимі наведена на рис. 2. У цьому режимі система працює так. Підсилений сигнал (рис. 2, а) з виходу осно- вного підсилювача 4 (рис. 1) поступає на вхід 1 блока дискримінації та відстежування сигна- лу АЕ 6, структурна схема якого зображена на рис. 3. Вона містить амплітудний дискриміна- тор 3, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) 4, основний 5 і додатковий 6 блоки ковзного порівняння часових інтервалів. У амплітудному дискримінаторі 3 блока від- бувається порівняння амплітуди сигналу з по- рогом Un дискримінації, який задається про- грамно подачею на групу входів 2 цифро-ана- ло гового перетворювача 4 відповідного коду, найчастіше виходячи з умови перевищення по- рогом рівня акустичних та електричних шу- мів. Для дискримінації використовується ком- паратор AD8561 фірми Analog Devices. В мо- мент перевищення сигналом встановленого рів- ня дискримінації під дією переднього фронту сигналу (рис. 2, б) на виході 7 дискримінатора запускається блок АЦП 5 (рис. 1) і тим самим розпочинається процес реєстрації сигналу з від- повідним записом результату перетворення ви- мірюваного інформативного сигналу АЕ в опе- ративно-запам’ятовуючий пристрій. Одно час но сигнал з виходу дискримінатора 3 поступає на входи основного 5 і додаткового 6 блоків ков- зного порівняння часових інтервалів (рис. 3). На виході первинного перетворювача сигнал АЕ складається з двох частин. Перша зумовле- на реєстрацією прямого сигналу АЕ від джере- ла; вона є найбільш інформативною і має ви- гляд короткого згасаючого радіоімпульсу. Друга частина формується внаслідок багатократного відбивання від бокових поверхонь сигналом та накладання нових типів хвиль, які виникають при цьому. Тому з часом зареєстровані сигнали АЕ відрізняються від первинних, що несуть ін- формацію про джерело і зазвичай мають вигляд довгих радіоімпульсів зі загасаючою за експо- нентою амплітудою [1, 2]. Тривалість інформа- тивної частини Ti набагато менша від тривалос- ті неінформативної Tr (рис. 2, a). Ураховуючи вищесказане, після виділення моменту появи імпульсу АЕ важливо встано- вити момент закінчення інформативної части- ни сигналу, щоб виключити можливість реє- страції неінформативної частини. З цією ме- тою в блоці порівняння часових інтервалів 6 відбувається додаткове порівняння періоду по- точного коливання ϑi (інтервалу часу (рис. 2, б) між двома послідовними спрацюваннями компаратора 3 в АЕ-імпульсі) з величиною mϑi-1, Рис. 2. Часова діаграма імпульсів керування в окремих точках комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л (в асин- хронному режимі) 55ISSN 1815-2066. Наука та інновації. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України яка є значенням попереднього періоду, помно- женим на коефіцієнт m, котрий приймає зна- чення в інтервалі 1,5 < m < 2. Порівняння від- бувається до моменту перевищення періодом ϑi величини mϑi-1, який приймається за кінець реєстрації інформативної частини сигналу (рис. 2, в). Заднім фронтом сигналу на виході 9 блока 6 (рис. 3) здійснюється зупинка роботи блока АЦП та блокування його запуску, а та- кож запуск роботи основного блока порівнян- ня часових інтервалів 6. Важливо також встановити момент закін- чення імпульсу АЕ, щоб виключити можли- вість реєстрації хибних імпульсів внаслідок вимірювання коливань всередині окремого ім- пульсу [13]. З цією метою в основному блоці порівняння часових інтервалів 6 (рис. 3) від- бувається порівняння періоду поточного ко- ливання ϑi+N (інтервалу часу між двома послі- довними спрацюваннями компаратора 3) в АЕ-імпульсі зі значенням попереднього періо- ду, помноженого на коефіцієнт k, який біль- ший за одиницю kϑi+N-1 (із фізичних міркувань доцільно задаватися значеннями коефіцієнта з інтервалу 2 < k < 10), до моменту його пере- вищення, який приймається за кінець дано- го імпульсу і початок очікування наступного (рис. 2, г). Заднім фронтом сигналу на виході 8 блока 5 здійснюється розблокування запуску блока АЦП. Схема готова до реєстрації нас туп- ного імпульсу. Таким чином, запропонований підхід, який ґрунтується на додатковому відслідковуванні величини періоду біжучого коливання в імпу- льсі АЕ, забезпечує реєстрацію тільки інфор- мативної частини сигналу АЕ з метою змен- шення об’єму збережуваних АЕ-даних та опе- ративності їх обробки. З метою узгодження частоти дискретизації та швидкості вводу даних в ПК через його па- ралельний порт дані, що оцифровують, попе- редньо записують в оперативну пам’ять блока АЦП. З блока 5 дані з меншою швидкістю че- рез інтерфейс 12 поступають в оперативну па- м’ять комп’ютера. Ознакою факту реєстрації системою сигналу АЕ і його дискретизації для комп’ютера є одиничний стан тригера «Data» у блоці управління 7. Синхронний режим роботи системи застосо- вується у випадках, коли для експерименталь- них досліджень використовується метод МАЕ, що виникає під час перемагнічення феромагне- тиків. Перемагнічення здійснюється періодич- но в часі, а тому апріорі відомий інтервал часу, протягом якого можлива поява сигналу МАЕ. Діаграми імпульсів в окремих точках за умо- ви функціонування комп’ютеризованої систе- ми МАЕ-1Л в синхронному режимі для висо- ких частот перемагнічення, коли період пере- магнічення менший від часу, протягом якого відбувається дискретизація сигналу T < Δts, наведені на рис. 4. У цьому режимі система пра- цює синхронно з роботою генератора сигналу перемагнічення 8, який генерує сигнал сину- соїдної форми (рис. 4, а). Рис. 3. Структурна схема блока дискримінації та відсте- жування сигналу АЕ Рис. 4. Часова діаграма імпульсів керування в окремих точках комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л у синхрон- ному режимі для високих частот перемагнічення 56 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Для розробки генератора використано мі- кроконтролер MSP430F2619T компанії Texas Instruments. Він містить 16-розрядний цент- ра льний процесор архітектури RISC, різнома- нітні периферійні модулі, зокрема два таймери А і В, два 12-розрядні ЦАП, використовувані для побудови генератора. Структурна схема розробленого генератора сигналу перемагнічення наведена на рис. 5. 12- розрядним кодом на цифрових входах першо- го ЦАП 1 задається опорна напруга другого ЦАП 5 в діапазоні 0÷2,5 В. Це забезпечує змі- ну напруги на виході другого ЦАП, який є од- ночасно виходом 8 сигналу перемагнічення ге- нератора, у цьому ж діапазоні зафіксованого максимального коду на його входах. За такого підключення ЦАП для генерування сигналу достатньо зберігати в оперативній пам’яті 4, під’єднаній до цифрових входів другого ЦАП 5, наперед обчислені значення генерованого сигналу довільної форми (напр., синусоїдно- го) на періоді в певній кількості точок Ng. Похибка відтворення форми сигналу визнача- ється кількістю цих точок (у розробленому ге- нераторі Ng = 256) і розрядністю ЦАП. Частота генерування сигналу f = 1/T визна- чається частотою зміни адреси оперативної пам’яті, який задається лічильником адреси 3, на лічильний вхід якого поступає тактовий сигнал з частотою ft з виходу таймера 2. Вона дорівнює f = ft /Ng, тобто задається в кінцево- му рахунку частотою тактового сигналу тай- мера ft, яку можна змінювати у широкому діа- пазоні записом у таймер 2 відповідного коду. Для синхронізації відбору сигналу МАЕ з про- цесом перемагнічення феромагнетика в мо- мент, коли код адресного лічильника 3 порів- няється із кодом, записаним у регістрі номера синхроімпульсу 6 на виході цифрового компа- ратора 7, який є одночасно виходом синхроім- пульсу 9, генерується імпульс синхронізації. Сигнал, згенерований генератором 8, знахо- диться в діапазоні 0÷2,5 В і для підсилення за амплітудою і потужністю поступає на вихід- ний блок 9 (рис. 1). У ньому також відфільтро- вується постійна складова сигналу, а макси- мальне підсилення досягає значення напруги ±36 В, яка подається з блока живлення систе- ми. У блоці 9 використано операційний підси- лювач OPA541 компанії Burr-Brown з напру- гою живлення до ±40 В і вихідним струмом до 10 А. У ньому формуються два синусоїдних сигнали, зміщених по фазі на 90°, які поступа- ють на відповідні виходи 10, 11, а далі – на два виводи обмотки накладного електромагніта. Такий спосіб підключення дає змогу одержати максимальну напругу, прикладену до обмотки, яка дорівнює 2 × 36 В. З виходу 9 (рис. 5) ім- пульси прямокутної форми (рис. 4, б), за фа- Рис. 5. Структурна схема генератора сигналу перемагні- чення: 1 – перший ЦАП; 2 – таймер, 3 – лічильник адреси; 4 – оперативна пам’ять; 5 – другий ЦАП; 6 – регістр номе- ра синхроімпульса; 7 – цифровий компаратор; 8 – вихід сигналу перемагнічення; 9 – вихід синхроімпульса Рис. 6. Часова діаграма імпульсів керування в окремих точках комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л у синхрон- ному режимі для низьких частот перемагнічення 57ISSN 1815-2066. Наука та інновації. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України зою прив’язані до генерованого синусоїдного сигналу, поступають на один із входів блока управління 7 (рис. 1), який дає дозвіл на робо- ту АЦП 5. Довжина вибірки Ns (максимальне значення визначається об’ємом оперативної пам’яті, і в нашому випадку дорівнює Nsmax = = 65536), період дискретизації Ts і, відповідно, час роботи АЦП Δts (рис. 4, в) задаються опе- ратором з міркувань Δts ≥ T і записуються в блок 7 програмно. Тут T – період сигналу, який генерує генератор 8. Після закінчення процесу дискретизації три- гер «Data» блока управління 7 встановлюється в одиничний стан (рис. 4, г). Комп’ютер про- тягом часу Δti вводить дані, які записуються під час дискретизації в блок оперативної пам’яті системи. Після закінчення вводу даних тригер «Data» програмно імпульсом (рис. 4, д) пере- водиться в нульовий стан. Тоді система готова до чергового циклу реєстрації сигналу АЕ. Вигляд імпульсів в окремих точках за функці- онування комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л у синхронному режимі для низьких частот пере- магнічення, коли період перемагнічення біль- ший від часу, протягом якого відбувається дис- кретизація сигналу T > Δts, наведено на рис. 6. У даній ситуації зареєструвати сигнал МАЕ, збуджений під час одного періоду перемагні- чення, неможливо за один цикл вимірювань. Мінімальна кількість циклів вимірювань до- рівнює Nzmin = int [T/(TsNsmax)] + 1, де оператор int[•] дає цілу частину від результату ділення. Розроблений генератор сигналу перемагні- чення дає змогу здійснити потрібну кількість послідовних циклів, зміщених у часі на вели- чину MTg, де M – номер синхроімпульсу гене- ратора, Tg – період виводу значень генератора (рис. 6, б). Блок інтерфейсу 12 забезпечує зв’язок апа- ратної частини системи з ПК, який здійснює управління експериментом, введення та збе- реження даних, їх подальшу обробку за від- повідними алгоритмами та візуалізацію ре- зультатів. Вхід зовнішньої синхронізації 13 використовується, коли перемагнічення фе- ромагнетика здійснюється зовнішнім неза- лежним генератором. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ МАЕ-1Л Структурна схема розробленого системного програмного забезпечення комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л наведена на рис. 7. Блок 1 забезпечує вибір одного із двох осно- вних режимів функціонування системи: а) асинхронний режим, за якого відбір сиг- налу МАЕ не синхронізований з генератором перемагнічення; б) синхронний режим, який забезпечує функ- ціонування системи синхронно з роботою ге- нератора перемагнічення. У випадку першого режиму блок 2 прово- дить планування експерименту, направленого на ефективний відбір сигналу АЕ. При цьому задається ім’я файлу, в якому будуть зберіга- тися дані експерименту, також з урахуванням конкретних умов експерименту задаються та обчислюються значення основних параметрів функціонування системи: коефіцієнт підси- лення підсилювача каналу АЕ – k, величина порога дискримінації Uп сигналу каналу АЕ, період дискретизації сигналу АЕ – Ts, об’єм вибірки сигналу АЕ – Ns. Після закінчення процедури ініціалізації па- раметрів системи в блоці 6 здійснюється запит на запуск роботи системи у заданому режимі. Після запуску системи блок 7 проводить аналіз стану тригера «Data» Td . Встановлення тригера Td в одиничний стан є ознакою того, що виник і був оцифрований сигнал АЕ. Блоком 7 при цьому здійснюється передача управління на блок 8. Цей блок організовує послідовне вве- дення в оперативну пам’ять комп’ютера через паралельний порт Ns значень сигналу МАЕ, взя- тих через період дискретизації Ts. У блоці 9 здійснюється попередня обробка сигналу, а блок 10 забезпечує візуалізацію вве- дених даних на моніторі. У блоці 11 прийма- ється рішення про закінчення експерименту чи перехід на блок 13. У випадку продовження експерименту блоком 13 здійснюється переве- 58 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України дення тригера «Data» в нульовий стан і пере- дача управління знову на блок 7. Система го- това до реєстрації чергового сигналу АЕ. У про- тилежному випадку блок 12 здійснює запис введених даних у файл і вихід з програми. У разі вибору синхронного режиму відбору сигналу МАЕ блок 3 (рис. 7) проводить відпо- відне планування експерименту. При цьому та- кож задається ім’я файлу, в якому будуть збері- гатися дані експерименту, задаються та обчис- люються з урахуванням конкретних умов експе- рименту значення основних параметрів функ- ціо нування системи в цьому режимі, а також блокується робота блока дискримінації та від- стежування сигналу АЕ 6 (рис. 1) Далі відбува- ється перехід на блок 4, в якому приймається рі- шення про задання потрібних робочих парамет- рів генератора перемагнічення. За умов позитив- ного рішення в блоці 5 задаються такі параметри генератора перемагнічення: частота сигналу, ам- плітуда сигналу, номер синхроімпульсу. Після закінчення процедури ініціалізації па- раметрів системи управління передається на блок 6, який програмно здійснює запуск робо- ти системи. Надалі система функціонує поді- бно до асинхронного режиму. Програмне забезпечення системи розробле- но в середовищі швидкого візуального проек- тування DELPHI. Розроблений багатовікон- ний графічний інтерфейс користувача системи включає головне меню, панелі інструментів, стандартні діалогові вікна, спливаючі підказки. Під час проведення експерименту здійсню- ється виведення у реальному масштабі часу в графічній формі сигналу МАЕ на монітор, а також номера зареєстрованої вибірки, періоду дискретизації та масштабу шкали амплітуд. На панелі інструментів знаходяться кнопки: вибору вікон задання коефіцієнта підсилення та рівня дискримінації акустичного каналу Amp; вибору вікон задання частоти дискретизації SF; довжини вибірки SL; параметрів генератора сигналу перемагнічення; імені файла даних. У вікні розміщені також кнопки управління про- цесом проведення вимірювань («Reset», «Start», Рис. 8. Апаратний блок комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л Рис. 7. Структурна схема системного програмного забез- печення 59ISSN 1815-2066. Наука та інновації. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України «Stop», «Close»), управління генератором («Re- set», «Start»), вибору режиму роботи («syn chro- nous», «asynchronous»). Також розроблено програмне забезпечення мікроконтролера MSP430F2619T, на якому створений генератор сигналу перемагнічення. Для цього використано інтегроване середови- ще IDE IAR Embedded Workbench. На рис. 8 наведено загальний вигляд апа- ратного блока розробленої комп’ютеризованої системи МАЕ-1Л. ВИСНОВКИ Розроблена комп’ютеризована система МАЕ- 1Л, яка призначена для відбору та обробки ін- формації, представленої сигналами МАЕ. Вона забезпечує технічне діагностування феромаг- нетних елементів конструкцій в умовах непе- рервної їх експлуатації. Система МАЕ-1Л метрологічно атестована і пройшла випробування у виробничих умовах експлуатації об’єктів контролю. Основні технічні характеристики розробленої системи Коефіцієнт підсилення попереднього підсилювача − 40 дБ. Максимальний коефіцієнт підсилення основного під- силювача сигналу МАЕ − 100 дБ. Зміна коефіцієнта підсилення основного підсилювача – здійснюється програмно з кроком 0,4 дБ. Зміна порогу дискримінації підсиленого сигналу МАЕ – здійснюється програмно з кроком 10 мВ. Смуга пропускання пасивного смугового фільтра ка- налу МАЕ − 10…500 кГц. Об’єм однократної вибірки сигналу МАЕ – задається прог рамно з верхньою межею 64 кбайт. Частота дискретизації сигналу МАЕ − задається прог- рам но і може приймати значення 21–N МГц, де N = 0, 1, …, 7. Розрядність АЦП каналу МАЕ − 8. Режими живлення − автономне джерело. Частота сигналу генератора перемагнічення − 0,5…100 Гц. Амплітуда сигналу генератора перемагнічення – 0…2 × × 36 В. Максимальний струм генератора перемагнічення – 2 А. Розрядність ЦАП генератора перемагнічення – 12. ЛІТЕРАТУРА 1. Скальський В.Р., Коваль П.М. Акустична емісія під час руйнування матеріалів, виробів і конструкцій. Методологічні аспекти відбору та обробки інформа- ції. – Львів: Сполом, 2005. – 396 с. 2. Клим Б.П., Микитин Г.В., Почапский Е.П., Бухало О.П. Аспекты отбора сигнала акустической эмиссии // Техническая диагностика и неразрушающий конт- роль. — 2000. — № 3. — С. 17—23. 3. ДСТУ 4227–2003. Настанови щодо проведення акус- тико-емісійного діагностування об’єктів підвищеної небезпеки. – К.: Держспоживстандарт України, 2003. – 26 с. 4. Волков В.В., Кумейшин В.Ф., Черниховский М.Ю. и др. Об акустической эмиссии перемагничиваемых фер- ромагнітиков // Дефектоскопия. — 1986. — № 4. — С. 21—28. 5. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнітизм. – М.–Л.: ОГИЗ, 1948. — 530 с. 6. Оno K., Shіbatа М. Magnetomechanical Acoustic Emis- sion of Iron and Steels // Mater. Evaluation. — 1980. – 38. — P. 55—61. 7. Shіbata M., Ono K. Magnetomechanical Acoustic Emis- si on — a New Method of Nondestructive Stress Mea su re- ment // NDT International. – 1981, October. – P. 227–234. 8. Глухов Н. А., Колмогоров В. Н. Связь параметров акус- тических шумов в перемагничиваемых конструк ци- он ных материалах // Дефектоскопия. – 1988. – № 2. – C. 26—29. 9. Горкунов Э.С, Бартенев О.А., Хамитов В.А. Магни то- упругая акустическая эмиссия в монокристаллах крем- нистого железа // Изв. вузов. Сер. Физика. — 1986. — C. 62—66. 10. Болтачев В.Д., Головщикова И.В., Ермаков А.Е и др. Эффект Баркгаузена и магнитоакустическая эмиссия в сплавах FeAl, FeCo и FeSi // Физ. мет. и металло- вед. — 1992. — № 12. — С. 59—67. 11. Nazarchuk Z.T., Skal’s’kyi V.R., Klym B.P. et al. Influence of hydrogen on the changes in the power of Barkhausen jumps in ferromagnets // Materials Science. — 2009. — 45, № 5. — P. 663—669. 12. Назарчук З.Т., Скальський В.Р. Акустико-емісійне ді- агностування елементів конструкцій. – К.: Наук. дум- ка, 2009. — Т. 3. — 327 с. 13. Пат. №92537 Україна, МПК G01N29/04; G01N29/14. Спосіб відбору інформативного сигналу акустичної емісії. / Скальський В.Р., Назарчук З.Т., Почапсь- кий Є.П. та ін. – Опубл. 10.11.2010, Бюл. № 21. 60 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 1, 2012 Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Е.П. Почапский КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОТБОРА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ МАГНИТОУПРУГОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ Описаны структура и принципы построения основных блоков компьютеризированной системы, которая предна- значена для отбора и обработки информации, представ- ленной сигналами магнитоупругой акустической эмис- сии. Разработано системное программное обеспечение. Приведены основные технические характеристики. Ключевые слова: неразрушающий контроль, магни- тоупругая акустическая эмиссия, компьютеризирован- ная система, программное обеспечение. Ye. Pochapskyy COMPUTERIZED SYSTEM FOR EXTRACTION AND PROCESSING OF MAGNETOELASIC ACOUSTIC EMISSION SIGNALS The structure and construction principles of basic blocks of the computerized system designed for selection and process- ing of information presented by magnetoelastic acoustic emis- sion signals is described. The system software is developed. Its main technical characteristics are presented. Key words: nondestructive testing, magnetoelastic acous- tic emission, computerized system, software. Стаття надійшла до редакції 24.03.11

Комп’ютеризована система для відбору та обробки сигналів магнітопружної акустичної емісії

Репозитарії

Схожі ресурси