2797.Метод регистрации сигналов акустической эмиссии применительно к иссл
..pdf
11
LiuP. F. et al. [26]
Углеродные волокна
BarreS. et al. [20]
Стеклянные волокна
Czigany T. et al. [21]
Базальтовые волокна
Czigany T. et al. [22]
Льняные волокна
Рис. 4. Связь пиковых амплитуд сигналов АЭ с основными механизмами разрушения композиционных материалов на основе разных типов наполнителей
11
2.2. Частотный анализ сигналов
Анализ пиковых частот сигналов позволяет более точно разобраться в основных механизмах разрушения композиционных материалов. Основу главных методов спектрального анализа составляют метод Фурье и вейвлет-преобразование.
Преобразование Фурье представляет собой интегральное преобразование, раскладывающее исходную функцию по базисным функциям, в качестве которых выступают синусоидальные функции (или мнимые экспоненты), т.е. представляет исходную функцию в виде интеграла синусоид (мнимых экспонент) различной частоты, амплитуды и фазы:
|
|
|
|
|
F f x exp i x dx, |
(2) |
|
|
|
|
|
где F |
– функция Фурье; f x |
– сигнал; – частота. |
|
Основным недостатком такого преобразования является то, что его базисный сигнал отличен от нуля на всей числовой прямой. Поэтому данный метод не подходит для нестационарных сигналов, коими являются сигналы АЭ.
Большей информативностью обладает вейвлет-преобразо- вание, которое позволяет локализовать временные особенности сигналов. Ниже представлена формула непрерывного вейвлетпреобразования:
W |
a,b f |
1 |
|
1 |
|
|
b x f x dx, |
(3) |
|||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
C |
|
a |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где – вейвлет, b – смещение, а – масштаб или шкала, C – нормирующийкоэффициент, которыйрассчитывается поформуле:
С 2 |
|
|
|
2 |
d , |
(4) |
||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где – фурье-образ вейвлета , а условие С является условием существования вейвлета.
12
Подробнее про преобразование Фурье и вейвлет-анализ можно узнать в работах [5, 7, 16].
2.3. Другие виды анализа сигналов
При анализе формы волны рассматриваются такие параметры, как симметричность, скорость затухания и возрастания импульса и др. Ввиду большой трудоёмкости исследования каждого отдельного сигнала данный подход практически не используется.
Классификации сигналов по определённым параметрам позволяет выделить основные закономерности регистрируемых сигналов в кластеры, которые связываются с особенностями процесса разрушения композитов.
Вопросы для самоконтроля
1.Какие основные методы анализа сигналов АЭ?
2.Каковы основные параметры сигнала АЭ?
3.С чем связывают пиковые амплитуды сигналов АЭ?
4.Что характеризует энергия сигнала АЭ?
5.Каковы основные отличия преобразования Фурье и вейв- лет-преобразования?
13
3. РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Регистрация сигналов акустической эмиссии производится с помощью специальной системы. В состав системы входят блок регистрации и обработки сигналов, пьезоэлектрические преобразователи, предусилители сигналов и специализированное программное обеспечение. На рис. 5 представлены фотографии основных составляющих системы регистрации сигналов АЭ
AMSY-6 фирмы Vallen Systeme GmbH.
|
|
|
а |
в |
б |
|
г |
Рис. 5. Состав системы регистрации сигналов АЭ: специализированное программное обеспечение (а), блок регистрации и обработки сигналов (б), предусилительсигналов(в) ипьезоэлектрическиепреобразователи(г)
Рассмотрим подробнее конструкцию датчика АЭ. Основным элементом преобразователя является пьезоэлемент (пьезоэлектрический кристалл), преобразующий механическое движение в электрический сигнал. Пьезоэлемент располагается в специальном защитном корпусе с дном в виде изолирующей пластины. Типичная конструкцияпреобразователя АЭ представленанарис. 6.
14
Рис. 6. Типичная конструкция датчика АЭ
Датчик возбуждается волнами напряжений, попадающими на его донышко, и преобразует их в электрические сигналы. Эти сигналы поступают на расположенный поблизости предусилитель, усиливаются и на конечном этапе регистрации поступают на основную измерительную и обрабатывающую аппаратуру.
Одним из основных требований к преобразователю акустической эмиссии является его высокая чувствительность. И хотя в целом высококачественными датчиками считаются преобразователи, обладающие плоской частотной характеристикой, в большинстве практических случаев наиболее чувствительными, а потому предпочтительными, являются резонансные датчики, которые к тому же являются более дешевыми, чем широкополосные. Эти преобразователи акустической эмиссии имеют сравнительно узкую полосу частот, в которой происходит преимущественное колебание. Частотная полоса определяется в основном размером и формой пьезоэлемента. Частоты, характеризующие датчик, являются доминирующими при образовании формы и спектра акустико-эмиссионного сигнала. Датчики акустической эмиссии подбираются в зависимости от вида объекта контроля [28].
На рис. 7 представлен пример амплитудно-частотной характеристики одного из типов датчиков, производимых фирмой
Vallen Systeme GmbH.
15
Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика преобразователей марки AE 105A фирмы Vallen Systeme GmbH
Предусилитель обладает широким динамическим диапазоном и, усиливая сигнал, создаёт возможность передачи его по длинным кабелям таким образом, что приёмная аппаратура может располагаться на расстоянии в сотни метров от места проведения контроля. С целью достижения больших удобств при установке и одновременно снижения чувствительности к электромагнитным наводкам, предусилитель может быть размещён непосредственно в корпусе датчика.
Обычно предусилитель имеет усиление в 100 раз (40 дБ) и включает фильтр низких частот или полосовой фильтр для снижения механических и акустических фоновых шумов, преобладающих на низких частотах. На низких частотах появляются проблемы, связанные с ростом механических шумов, а высокие частоты сильнее затухают, что приводит к уменьшению расстояния между датчиками. Таким образом, выбор рабочей частоты ограничен сверху и снизу. Обычно низкие частоты используются при контроле трубопроводов, где критичным является выбор больших расстояний, а также при проведении геологических работ в связи с сильным затуханием волн в горных породах. Более высокие частоты используются в проводах электропередачи, где уровень фонового шума чрезвычайно высок, а также для объектов контроля небольшого размера (образцы) [28].
16
Методика проведения испытаний включает в себя несколько этапов. На подготовительном этапе происходят сборка системы, установка датчиков на образец и калибровка. Система собирается согласно схеме на рис. 8.
Рис. 8. Схема регистрации сигналов акустической эмиссии: 1 – исследуемый образец; 2 – источник акустической эмиссии; 3 – волны, испускаемые источником; 4 – преобразователь акустической эмиссии; 5 – предусилитель сигнала; 6 – блок регистрации и обработки сигналов
Датчики устанавливаются на образец через слой специального контактного геля. В процессе калибровки подбирается оптимальное расстояние между датчиками. С помощью излома карандашного грифеля толщиной 0,5 мм и твёрдостью 2Н (источник Су-Нильсена) последовательно возле каждого датчика генерируются упругие волны. Во избежание удара корпуса о поверхность исследуемого объекта карандаш снабжён специальной конической насадкой, которая также устанавливает угол между грифелем и поверхностью (рис. 9). Пиковая амплитуда регистрируемых сигналов от излома карандаша для каждого датчика не должна отличаться более чем на 3 дБ (ASTM E 976-10). На следующем этапе проводится механическое испытание образца с регистрацией сигналов акустической эмиссии. Заключительный этап включает в себя постобработку полученных данных.
17
Рис. 9. Источник Су-Нильсена (а) и расположение конической насадки (б)
Во время АЭ-испытаний на выходе датчиков формируются переходные (имульсные) сигналы. По типу регистрируемых сигналов АЭ делится на дискретную и непрерывную. Сигнал дискретной АЭ обладает резким фронтом и быстрым затуханием. Импульсные сигналы варьируются в широких пределах по форме, размеру и скорости генерации в зависимости от типа структуры и условий испытаний. При большой скорости генерации сигналов индивидуальные импульсные сигналы могут перекрываться и формировать так называемую непрерывную эмиссию. В некоторых случаях метод АЭ основывается на регистрации такой непрерывной эмиссии.
18
Вопросы для самоконтроля
1.Что входит в состав системы регистрации сигналов АЭ?
2.Вчём заключаетсяпринципработы преобразователя АЭ?
3.Для чего применяют источник Су-Нильсена?
4.Какова методика проведения испытаний с регистрацией сигналов АЭ?
5.В чём заключается отличие АЭ импульсного типа от непрерывной АЭ?
19
4. РАБОТА С СИСТЕМОЙ AMSY-6
Многоканальная акустико-эмиссионная система AMSY-6 фирмы Vallen Systeme GmbH предназначена для изучения роста трещин, фазовых переходов, пластических деформаций, коррозии, износа, нарушения связей в материалах и т.д., позволяет обнаружить и локализовать развивающиеся дефекты.
В состав системы входят: блок регистрации и обработки сигналов с частотой дискретизации данных 10 МГц; набор пьезоэлектрических преобразователей с различными диапазонами рабочих частот; предусилители сигналов с коэффициентом усиления 34 дБ; специализированное программное обеспечение
Visual AE и Visual TR.
Рассмотрим основные настраиваемые параметры системы.
4.1. Параметры регистрации данных
Sample Rate (частота дискретизации) определяет временное разрешение для АЭ-данных. Производительность системы AMSY-6 оптимизирована для частоты дискретизации 10 МГц. Более высокие частоты дискретизации снижают максимальную скорость регистрации данных в том случае, если используется большое количество каналов.
TR Sample Rate (частота дискретизации TR-данных – данных записи формы волны) задаёт частоту дискретизации TRданных. В общем случае может быть назначена независимо от частоты дискретизации АЭ-данных.
Sample per set (выборки на набор) определяет количество выборок, которые могут быть сохранены на один запуск регистрации: от 256 (28) до 524288 (219) выборок. Увеличение количества выборок на набор приводит к большему размеру файла регистрируемых данных.
Resulting page length (длина страницы) показывает время, приходящееся на одну страницу (набор) TR-данных.
20