Основные Принципы Работы Оборудования

Во время АЭ испытаний на выходе датчиков формируются переходные (импульсные) сигналы. Сигнал от единичного акта дискретной деформации известен как сигнал взрывного (импульсного) типа. Такой сигнал обладает резким передним фронтом и медленным затуханием, как это изображено на рис. 7. 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 (см. разделы "Механизмы АЭ Источников" и "Контроль Течей" данной статьи).

Аппаратура, использующаяся при АЭ контроле, должна обеспечивать возможность регистрации непрерывной эмиссии или сигналов импульсного типа. Обычно оборудование должно удовлетворять следующим требованиям:

• Обеспечивать измерение определенных количественных характеристик эмиссии для получения связи с параметрами времени/нагрузки с целью оценки условий проведения испытаний.

• Обеспечивать проведение статистической обработки зарегистрированных сигналов для проведения более подробной диагностики механизмов излучения и оценки значимости сигналов.

• Желательно, чтобы система имела возможность локации источников импульсных сигналов по разности времен приходов сигналов на различные датчики, т.к. локация является важнейшим элементом контроля как малых, так и больших конструкций.

• Обладать средствами дискриминации полезных сигналов от акустических помех. К помехам относятся такие источники, как трение, удары и электромагнитные наводки и другие.

АЭ оборудование варьируется в широких пределах и по форме, и по функциональному назначению, и по цене. Некоторые типы оборудования разрабатываются с целью функционирования в автоматическом режиме в производственном цикле работы. Другие предназначаются для исследовательских целей и потому должны быть достаточно гибкими и обладать разнообразными средствами обработки информации. И, наконец, третья категория АЭ приборов разрабатывается для технических работников и инспекторов, работающих в области НК и проводящих стандартные (в соответствии с кодами ASME или стандартами ASTME) испытания.

Регистрация Сигналов Акустической Эмиссии. После того, как сигнал был принят датчиком и усилен предусилителем, он поступает в основную систему, где вновь усиливается и фильтруется. На следующем важном этапе происходит непосредственно выделение сигнала. Этап заканчивается тем, что когда сигнал превышает установленный порог, в компораторной цепи в цифровом виде генерируется выходной импульс. Связь между сигналом, порогом и импульсом с компаратора проиллюстрирована на рис. 8. Уровень порога обычно регулируется оператором; этот параметр является ключевой переменной, которая определяет чувствительность АЭ метода при испытании. Кроме того, в зависимости от типа АЭ оборудования, чувствительность можно контролировать путем регулирования усиления основного усилителя.

Наиболее простой и испытанный способ оценки активности эмиссии заключается в подсчете числа осцилляций (counts) - числа пересечений импульсом, выданным компаратором, установленного порога, (рис.8).

Параметр осцилляции представляется в виде функции времени/нагрузки. Это представление может носить характер накопленного числа осцилляций от соответствующего аргумента, либо даваться в дифференциальном виде (гистограммы). Такой способ представления информации об АЭ испытании характерен и для 70-х годов и даже для более раннего периода. На рис.9 проиллюстрирована зависимость такого типа, дающая функцию кумулятивного распределения числа осцилляций от нагрузки и полученная в результате нагружения образца из прочной стали с пророщенной трещиной. Максимальное значение по вертикальной оси составляет 10 000 осцилляций. Ступеньки функции на начальной стадии графика представляют собой индивидуальные события эмиссии. Ступеньки при дальнейшем нагружении включают сотни событий каждая. К моменту достижения нагрузки 35 кН, было зарегистрировано 10 000 осцилляций, после чего перо упало до нуля по вертикальной оси (произошел сброс) и продолжило рисование с нулевой отметки. Как следует из представленного графика, по мере роста нагрузки, растет и скорость эмиссии, в результате чего отдельные события становятся неразличимыми. К моменту окончательного разрушения, произошло несколько сбросов пера, каждый из которых соответствовал достижению 10000 осцилляций, начиная с момента нулевой отметки графика.

Нагрузка, тонны

О 90 180 270 360 450

Нагрузка.KN

Рис.9 АЭ, полученная при трехточечном изгибе сварного стального образца.

АЭ Системы Контроля Хитов. Вершины своего развития полностью аппаратные системы достигли в конце 70-х годов, однако впоследствии они были вытеснены системами, базирующимися на использовании компьютеров. Развитие АЭ технологии совпало с развитием компьютерной техники и следует отметить тот факт, что АЭ контроль был одним из первых методов НК, который начал использовать преимущества использования компьютеров. Сначала возможности компьютера использовались в многоканальных АЭ системах, для решения задачи локации источников сигналов, затем компьютеры стали применяться в более широких целях: хранение, анализ и отображение данных. Одновременно персонал, занимающийся проведением АЭ испытаний, начал интересоваться другими параметрами эмиссии, помимо осцилляций, которые позволяла получать АЭ аппаратура (см. раздел "Измеряемые Параметры Сигнала" данной статьи).

Это привело к появлению новых принципов разработки АЭ оборудования, которые до сих пор являются доминирующими в технологии. Эти принципы заключаются в измерении основных параметров каждого хита или каждого события, превышающего порог. После оцифровки информация передается в компьютерную систему, обеспечивающую хранение, графического представления и последующего анализа данных.

На рис.10 и 11 виде представлены блок-схема и внешний вид типичной современной системы, соответственно. В более крупных многоканальных системах происходит распределение задач обработки сигналов между несколькими микропроцессорами. Например, на рис.11 отдельный микропроцессор обслуживает пару измерительных акустических каналов. Наивысший приоритет относится к задаче считывания результатов измерения по каналам непосредственно после окончания каждого измерения таким образом, что измерительная система оказывается готовой к принятию следующего события. Оконечный микропроцессор позволяет быстро запоминать в своем буфере информацию о нескольких сотнях хитов, приступая к ожиданию дальнейшей обработки. В рамках такой архитектуры параллельной обработки, добавление каналов автоматически усиливает мощь системы обработки. С помощью использования оконечных буферов, дополненных и другими, еще большими буферами, система становится способной справляться с внезапным ростом АЭ активности и оптимально функционировать в условиях быстро меняющихся скоростей потоков данных [22].

Измеряемые Параметры Сигналов. Существует пять наиболее широко используемых параметров. К ним относятся число осцилляций (рис.8), амплитуда, длительность, время нарастания сигнала и площадь под огибающей сигнала (MARSE), представляющая собой аналог энергии (рис.12). В некоторых тестах используется меньшее количество параметров, в других - дополнительные параметры, например, реальная энергия, число осцилляций до пиковой амплитуды, средняя частота, спектральный момент. Однако 5 основных параметров, приведенных вначале, являются стандартными для АЭ контроля и применяются в этой области неразрушающего контроля на протяжении более 10 лет.

При описании хита помимо параметров сигнала в память компьютера записывается также время регистрации хита и информация о внешних параметрах процесса, например, текущее значение нагрузки (деформации), число циклов при усталостных испытаниях, текущий уровень фонового шума и другие. Описание одного хита обычно занимает от 20 до 40 байт.

Амплитуда (А) представляет собой максимальное значение напряжения сигнала измеряющееся в вольтах. Этот важнейший параметр определяет возможность регистрации АЭ события. Амплитуды сигналов прямо связаны с магнитудами событий в источнике и варьируются в широких пределах от микровольт до вольт. Среди других стандартных параметров, амплитуда является наиболее пригодной для проведения статистической обработки данных АЭ путем получения функций распределения процесса [23]. Амплитуды АЭ принято выражать в децибельном (логарифмиче6ском) масштабе, при этом 1 мкВ на выходе датчика принимается за 0 дБ, 10мкВ - 20 дБ, 100мкВ - 40 дБ и

т.д.

Число осцилляции представляет собой число превышений сигналом установленного порога. Измерение числа осцилляций представляет собой простейший способ количественной оценки сигнала. Этот параметр зависит от магнитуды источника сигналов, а также от акустических и резонансных свойств среды и датчика.

MARSE - параметр, известный также как число осцилляций энергии, вычисляется по площади под огибающей сигнала. Параметр MARSE является чувствительным и к амплитуде, и к длительности сигнала, поэтому в последнее время он стал очень распространенным. Кроме того, он менее зависим от установленного порога и рабочей частоты. Суммарная АЭ активность должна измеряться путем суммирования магнитуд всех зарегистрированных сигналов; среди всех измеряемых параметров, MARSE наилучшим образом подходит для этих целей.

Длительность (D) - это полное время, начиная от пересечения сигналом порога, заканчивая уходом его под порог. Измеряемый в микросекундах, этот параметр зависит от магнитуды источника, а также акустических и резонансных свойств среды и датчика (как и число осцилляций). Параметр используется при идентификации процессов, имеющих характерные большие длительности сигналов, например процессы расслаивания композитных материалов [24]. Кроме того, данный параметр является полезным при отфильтровывании различных шумов (по длительности) или других типов источников.

Время нарастания сигнала (R) - это время от первого пересечения сигналом порога до достижения максимальной амплитуды сигналом. Данный параметр в сильной степени зависит от функции распространения и передаточных свойств датчика. Он может использоваться для определения типа некоторых источников сигналов и при отфильтровывании шумов.

Многоканальные системы. Измерение сигнала происходит одновременно на каждом канале, который его регистрирует. Акустико-эмиссионные системы могут включать в себя от 1 до более 100 каналов, в зависимости от потребностей проводимых испытаний. Обычно в лабораторных условиях используется 2 - 6 каналов, в то время как при контролировании конструкции задействуются 12 - 32 каналов.

В зависимости от мощности индивидуального сигнала, характеристик затухания волн и расстояния между датчиками, регистрация сигнала может привести к возникновению как одного хита, т.е. одного сигнала (на одном канале), так и нескольких хитов (на нескольких каналах). В связи с этим первой и основной задачей при использовании многоканальных систем является определение того, можно ли группу хитов, зафиксированных различными датчиками в течение малого промежутка времени, отнести к одному АЭ событию. В зависимости от типа системы, эта проблема решается либо на аппаратном уровне, либо средствами программного обеспечения. Второй, третий и последующие хиты, относящиеся к одному событию эмиссии, могут либо использоваться для решения задачи локации, либо вовсе не записываться системой. После выполнения задания определения события/хита, система работает с событиями аналогичным образом, как и с хитами. Описание события включает в себя информацию о каналах и времени прихода всех хитов, входящих в состав данного события, а также о параметрах хита, пришедшего на датчик первым (иногда включаются и параметры остальных хитов события).

Последовательность таких описаний сигналов поступает на центральный процессор, координирующий выполнение задач хранения, отображения и обработки данных. В сложных системах эти задачи могут выполняться несколькими процессорами. В большинстве систем такая последовательность описаний сигналов хранится на диске, что дает неограниченные возможности для проведения последующей обработки информации. Хранение всех данных, зарегистрированных во время испытаний, является одним из важнейших достоинств метода АЭ. Эта возможность снижает зависимость окончательных результатов от действий оператора, позволяя последнему сосредоточиться непосредственно на корректном выполнении задания по сбору данных [11].

Duration (D) —

Рис.12 Стандартный набор параметров, измеряемых системой

Отображение Данных. АЭ система контроля, основанная на использовании развитого программного обеспечения, позволяет получать большое число типов графиков. Оператор не ограничен в выборе способов графического отображения данных во время сбора, поскольку после проведения послетестовой обработки результаты экспрессной обработки могут быть пересмотрены, отфильтрованы и отображены в другом виде. Приведем общую классификацию способов отображения:

• "Исторический" график, отображающий весь процесс испытаний от начала до конца в зависимости от времени.

• Функции распределения, предназначенные для демонстрации статистических свойств сигналов эмиссии.

• Графики по отдельным каналам, показывающие распределения сигналов по каналам.

• Графики локации для отображения расположения источников сигналов.

• Точечные графики корреляции межу различными АЭ параметрами.

• Диагностические диаграммы, демонстрирующие степень опасности различных частей конструкции (в соответствии с результатами АЭ анализа).

АЭ Системы Специального Назначения. Такая система АЭ контроля имеет архитектуру и ПО, позволяющие использовать ее и в лабораторных целях и в специальных приложениях. Однако не все задачи и соответственно используемые системы нуждаются в мощном ПО и разнообразии графиков. В связи с этим перед тем, как приступать к работе следует предварительно определить требования к системе, обусловленные предполагаемыми испытаниями, и лишь затем использовать подходящее и часто не очень сложное оборудование.

Тестирование продукции иногда может производиться на базовом чисто аппаратном оборудовании, позволяющем измерять простейшие параметры АЭ, например, энергию или число осцилляций и выдавать сигнал тревоги в случае, если эти параметры превышают предельные заранее установленные значения.

Автоматический самоконтроль качества установки датчика может быть включен в функционирование такого прибора.

Мониторинг сварки и контроль трения оборудования производится на полностью аппаратном оборудовании, оснащенном специальными вентилями, таймерами и интерфейсами, обеспечивающими синхронизацию АЭ мониторинга с аппаратурой контроля сварки. Существуют и другие типы АЭ оборудования для мониторинга процесса сварки, которые включают в себя программно реализованную опцию распознавания образов, предназначенную для автоматической классификации специфических типов сварных дефектов.

Контроль протечек представляет собой одно из важнейших приложений метода АЭ, которое легко реализуется на практике. (см. раздел "Структурные Приложения Контроля" ). Контроль течей обеспечивается при помощи оборудования, которое измеряет только среднеквадратичное значение

(RMS) напряжения, связанное с непрерывной эмиссией течи. Возможность обнаружения течи возрастает при возникновении импульсной эмиссии, вызванной ударами частиц, присутствующих в вытекающих материалах, или непосредственно с деградацией вытекающих материалов.

Специальные Приложения. Производители оборудования, кроме всего прочего, разработали специальную аппаратуру, предназначенную для специфических и уже изученных унифицированных приложений, например, для контроля платформ и передвижных цистерн. Такого типа оборудование базируется на стандартных процедурах проведения испытаний и является сравнительно не дорогостоящим. Изготовленное по заказу программное обеспечение предоставляет оператору ограниченное, но необходимое число опций, обеспечивая, таким образом, надежное и экономичное проведение работ.

Шумы.

Одной из важнейших проблем АЭ технологии является предохранение от шумов. Огромный прогресс наблюдается с тех пор, когда в начале 70-х для избежания регистрации помех от уличного транспорта и работающего в дневное время технологического оборудования, АЭ эксперименты проводились по ночам в подземных лабораториях на малошумящих испытательных машинах. Использование современных технологий АЭ контроля сегодня позволяет проводить измерения также и на шумных объектах.

Первый шаг АЭ контроля заключается в выборе подходящего частотного диапазона тестирования. Акустический фоновый шум, как известно, является более высоким на низких частотах. Практически для 90% испытаний подходящий частотный диапазон заключен между 100 и 300 кГц. В шумящей среде (например, на электрических силовых станциях) для снижения шумов, исходящих от потоков жидкости, необходимо работать на более высоких частотах, в районе 500 кГц. Вследствие того, что использование высоких частот приводит к снижению диапазона обнаружения (расстояния между приемными датчиками уменьшается), между частотным диапазоном и ограничением шумов существует взаимооднозначная связь.

К источникам акустических шумов относятся потоки жидкости в насосах и задвижках; процессы трения, например, трение конструкций в местах опор; процессы, связанные с ударами, например, капли дождя или биение кабеля о конструкцию под воздействием порывов ветра. К источникам электрических и электромагнитных шумов можно отнести земляные контуры, включенные силовые цепи, радио и навигационные передатчики, а также электрические штормы.

Существуют различные пути решения проблемы снижения шумов. Во-первых, иногда шум можно снизить или даже прервать непосредственно в источнике. Во-вторых, воздействие акустического шума можно ограничить путем создания демпфирующих барьеров в стратегических точках конструкций. Проблема снижения электрических шумов, которая возникает в основном в связи с недостаточным заземлением и экранированием, решается при помощи использования правильных технологий, например, за счет применения дифференциальных датчиков или совмещенных датчиков со встроенными предусилителями. Если использование таких датчиков не позволяет окончательно решить данную проблему, ее приходится решать уже на программном и/или аппаратном уровне. Для получения удовлетворительной чувствительности часто используется технология плавающего порога, которая является весьма эффективной при условии, что не происходит существенной потери АЭ данных. Развиваются методы выборочного отбора и записи данных, базирующиеся на факторах времени, нагрузки или местоположения в пространстве. Кроме того, в связи с тем, что источники шумов по характеристикам формы сигналов отличаются от настоящей эмиссии, связанной с дефектами, их отделяют путем реализации и использования математических методов дискриминации на компьютере [25]. Такую машинную обработку можно проводить и сразу же после измерения, и во время процесса отображения информации (графического фильтрования), и уже после испытаний в процессе послетестовой обработки, используя программы послетестовой фильтрации или специального пакета, предназначенного для анализа формы сигналов. Благодаря развитию и использованию этих методик, АЭ контроль внедрился в разнообразные сферы производства и в дальнейшем можно ожидать продолжение этого процесса. В качестве примеров приложений, в которых снижение шума являлось ключом к успешному использованию АЭ контроля, можно назвать мониторинг в процессе сварки [1, 26] и обнаружение усталостных растущих трещин в конструкции летящего самолета [7].