RU2123687C1 - Multivariate flaw detector - Google Patents

Abstract

FIELD: ultrasound flaw detection, in particular, for testing quality of multilayer polymer composites. SUBSTANCE: device has ultrasound converter of sounding pulses, channel for receiving and processing of signal with respect to amplitude and delay time. In addition device has signal processing channel with respect to signal shape. It has interface unit comprised in serial circuit of analog-to-digital converter and code storage buffer, memory unit, calculation unit, visualization and graphic display system, as well read-only memory unit for storage of software libraries and reference signals and information input unit which are connected to calculation unit. EFFECT: increased validity and speed of flaw detection due to use of additional information characteristics of signal and automatic reading procedure. 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области ультразвуковой дефектоскопии и может найти применение для неразрушающего контроля качества многослойных полимерно-композиционных материалов. The invention relates to the field of ultrasonic inspection and can find application for non-destructive quality control of multilayer polymer composite materials.

Полимерно-композиционные материалы (ПКМ), благодаря возможности синтезирования априорно заданных характеристик и свойств: упругости, твердости, звукопоглощения, демпфирования, нашли широкое применение в ракетно-космической и авиационной технике. Технология изготовления таких материалов и конструкционных элементов такова, что не удается избежать появления ряда дефектов: неоднородность, непроклей, несплошность, трещины, которые существенно снижают надежностные характеристики материалов и требуют постоянного неразрушающего контроля на этапе производства. Polymer-composite materials (PCM), due to the possibility of synthesizing a priori specified characteristics and properties: elasticity, hardness, sound absorption, damping, are widely used in rocket and space and aviation technology. The manufacturing technology of such materials and structural elements is such that it is not possible to avoid the appearance of a number of defects: heterogeneity, glueing, discontinuity, cracks, which significantly reduce the reliability characteristics of materials and require constant non-destructive testing at the production stage.

Традиционные амплитудно-временные ультразвуковые методы и средства контроля не обеспечивают высокую точность и достоверность контроля материалов и изделий из них. Traditional amplitude-time ultrasonic methods and means of control do not provide high accuracy and reliability of control of materials and products from them.

Известен способ контроля многослойных конструкций, получивший название метода свободных колебаний. Он основан на возбуждении в контролируемом изделии колебаний и регистрации изменения их спектров в зоне дефектов (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник / Под ред. Клюева В. В., т.2. -М.: Машиностроение, 1986, с. 303, рис. 104. Структурная схема дефектоскопа АД-60С - аналог). Разрешающая способность метода свободных колебаний по минимально обнаруживаемой площади дефекта составляет единицы см², что недопустимо для конструкционных материалов, используемых в ракетно-космической технике.A known method of controlling multilayer structures, called the method of free vibrations. It is based on the excitation in a controlled product of oscillations and registration of changes in their spectra in the defect zone (Devices for non-destructive testing of materials and products. Handbook / Ed. Klyuev V.V., vol. 2.-M .: Engineering, 1986, p. 303, Fig. 104. Block diagram of the AD-60C flaw detector - analogue). The resolution of the free oscillation method over the minimum detectable defect area is units cm ² , which is unacceptable for structural materials used in space rocket technology.

Наиболее близким аналогом по технической сущности с заявляемым многопараметрическим дефектоскопом является специализированный для контроля многослойных материалов низкочастотный дефектоскоп УД-22 УМ, реализующий ультразвуковой эхо-метод контроля ("Структурная схема ультразвукового дефектоскопа", рис. 43, с. 229 в справочнике Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий./ Под редакцией Клюева В.В. М.: Машиностроение, 1986 - ближайший аналог). The closest analogue in technical essence to the claimed multi-parameter flaw detector is a UD-22 UM low-frequency flaw detector specialized for controlling multilayer materials, which implements an ultrasonic echo inspection method ("Structural diagram of an ultrasonic flaw detector", Fig. 43, p. 229 in the directory Non-destructive testing devices materials and products. / Edited by Klyuev VV M .: Mechanical engineering, 1986 - the closest analogue).

Информационными параметрами, по которым принимают решение о наличии и координатах дефекта являются амплитуда акустического эхо-сигнала и время пробега импульса до отражателя и обратно. Устройство ближайшего аналога содержит генератор зондирующих импульсов, приемно-усилительный тракт, генератор развертки - синхронизатор, индикатор расстояния, сигнализатор. The information parameters used to decide on the presence and coordinates of the defect are the amplitude of the acoustic echo signal and the travel time of the pulse to the reflector and vice versa. The device of the closest analogue contains a probe pulse generator, a receiving-amplifying path, a sweep generator — a synchronizer, a distance indicator, and a signaling device.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- невысокая достоверность контроля вследствие использования одного информативного признака,
- необходимость использования контрольных образцов с заранее смоделированными дефектами,
- субъективность определения границ и размеров дефекта, связанных с субъективностью и квалификацией инженера-дефектоскописта,
- ограниченность метода при контроле многослойных, армированных ПКМ вследствие сложности аппаратурного разрешения отраженных от различных слоев эхо-сигналов,
- недостаточная производительность измерений.The disadvantages of the closest analogue are:
- low reliability of control due to the use of one informative feature,
- the need to use control samples with pre-simulated defects,
- the subjectivity of determining the boundaries and dimensions of the defect associated with the subjectivity and qualifications of the flaw detector engineer,
- the limitations of the method in the control of multilayer reinforced PCM due to the complexity of the hardware resolution reflected from different layers of echo signals,
- insufficient measurement performance.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении достоверности и оперативности неразрушающего контроля путем использования дополнительных информативных признаков сигнала и автоматизации процесса измерений путем представления сигнала в цифровой форме и его программной обработке на персональной ЭВМ. The problem solved by this invention is to increase the reliability and efficiency of non-destructive testing by using additional informative features of the signal and automating the measurement process by presenting the signal in digital form and its software processing on a personal computer.

Это достигается тем, что многопараметрический дефектоскоп, включающий ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов, канал приема и обработки сигнала по амплитуде и времени запаздывания, дополнительно содержит тракт обработки сигнала по форме, состоящий из интерфейсного блока, в составе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и буфера хранения кода, оперативного запоминающего устройства, вычислителя, системы визуализации и графического отображения, а также постоянного запоминающего устройства хранения пакета программ и эталонных сигналов и устройства ввода информации, подключенных к вычислителю. This is achieved by the fact that a multi-parameter flaw detector, including an ultrasonic transducer of probing pulses, a channel for receiving and processing a signal by amplitude and delay time, additionally contains a signal processing path in the form of an interface unit, consisting of an analog-to-digital converter and a code storage buffer connected in series , random access memory, calculator, visualization system and graphic display, as well as read-only memory is stored I software package and reference signals, and input devices are connected to the calculator.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения как:
- высокую вероятность обнаружения аномалии за счет многопараметрической обработки сигнала и суммирования информационных признаков;
- автоматизацию процесса обработки сигнала, анализа результатов и принятия решения путем алгоритмизации и программного расчета всей последовательности операций.The newly introduced elements and relationships allow us to implement such new properties of the claimed technical solution as:
- high probability of detecting anomalies due to multi-parameter signal processing and summation of information signs;
- automation of the signal processing, analysis of results and decision making by means of algorithmization and software calculation of the entire sequence of operations.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого решения, и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень". Analysis of the known technical solutions in the studied and related fields allows us to conclude that there are no signs in them that coincide with the essential features of the proposed solution, and that the latter meets the criterion of "inventive step".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. The technical essence of the invention is as follows.

В традиционных эхо-импульсных дефектоскопах вследствие аномально высокого затухания ультразвуковых колебаний в материале полимерной матрицы и на границах различных слоев отраженный сигнал находится на уровне собственных шумов приемной части дефектоскопа. Это затрудняет селекцию сигналов по амплитуде. В то же время вследствие различной упругости и диссипативности слоев в местах дефектов из-за дифракции и отражений фазовый фронт сигнала искажается. Групповая скорость сигнала не совпадает с фазовой, что приводит к искажению формы сигнала, а следовательно, к изменению его амплитудного спектра. In traditional echo-pulse flaw detectors due to an abnormally high attenuation of ultrasonic vibrations in the material of the polymer matrix and at the boundaries of various layers, the reflected signal is at the level of the intrinsic noise of the receiving part of the flaw detector. This makes it difficult to select signals in amplitude. At the same time, due to the different elasticity and dissipativity of the layers in the places of defects due to diffraction and reflections, the phase front of the signal is distorted. The group velocity of the signal does not coincide with the phase, which leads to a distortion of the waveform and, consequently, to a change in its amplitude spectrum.

Таким образом, наиболее информативным параметром дефектоскопа является измерение фазового портрета сигнала от аномалии (дефекта), проявляющееся в изменении пропорции амплитудных соотношений между гармониками - спектральными составляющими сигнала. Спектральный анализ сигнала осуществляется последовательностью математических операций в вычислителе. Из математики известно (Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т. 2. М. : Наука, 1964, с. 240 - 242), что любая кусочно-гладкая функция может быть разложена по гармоническим составляющим в ряд Фурье. По определению частотный спектр G(f) временной функции f(t) вычисляется как

Данная операция реализуется на основе алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) (Марпл С.А. Цифровой спектральный анализ. Пер. с англ. -М.: Мир, 1990, с. 77 - 79, алгоритм БПФ). Программный расчет спектра Фурье входит в комплект программного обеспечения MATHCAD (Дьяконов В.П. Справочник. Система МАТНCAD. -М.: Радиосвязь, 1993, с. 61).Thus, the most informative parameter of a flaw detector is to measure the phase portrait of a signal from an anomaly (defect), which manifests itself in a change in the proportion of amplitude relationships between harmonics - the spectral components of the signal. Spectral analysis of the signal is carried out by a sequence of mathematical operations in the computer. From mathematics it is known (Piskunov NS Differential and integral calculus. T. 2. M.: Nauka, 1964, pp. 240 - 242) that any piecewise smooth function can be expanded in harmonic components in a Fourier series. By definition, the frequency spectrum G (f) of the time function f (t) is calculated as

This operation is implemented on the basis of fast Fourier transform (FFT) algorithms (Marple S. A. Digital spectral analysis. Transl. From English. –M.: Mir, 1990, p. 77 - 79, FFT algorithm). Software calculation of the Fourier spectrum is included in the software package MATHCAD (Dyakonov VP Reference. System MATNCAD. -M.: Radio communication, 1993, p. 61).

В качестве дополнительного информативного признака спектрального анализа сигналов используется значение спектра в нулевой точке (Залмазон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении связи и других областях. -М.: Наука, 1989, с. 38 - 40). As an additional informative feature of the spectral analysis of signals, the value of the spectrum at the zero point is used (Zalmazon L.A. Fourier, Walsh, Haar transforms and their application in communication control and other fields. -M .: Nauka, 1989, p. 38 - 40) .

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Многопараметрический дефектоскоп содержит ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов 1, интерфейсный блок 2, в составе аналого-цифрового преобразователя 3 и буферах хранения кода 4, последовательно присоединенных оперативного запоминающего устройства 5, вычислителя (процессор) 6, системы визуализации и графического отображения 7, а также постоянного запоминающего устройства (винчестер) 8 и устройства ввода информации (клавиатура) 9, подключенных к вычислителю 6. In FIG. 1 shows a functional diagram of the device. A multi-parameter flaw detector contains an ultrasonic transducer of probing pulses 1, an interface unit 2, comprising an analog-to-digital transducer 3 and code storage buffers 4, sequentially connected random access memory 5, a computer (processor) 6, a visualization and graphic display system 7, as well as read-only memory devices (Winchester) 8 and information input devices (keyboard) 9 connected to the calculator 6.

Динамика взаимодействия элементов и процедура измерений осуществляются в следующей последовательности. Исследуемая поверхность при измерениях ориентируется по нормали относительно распространения зондирующих волн. При измерениях исследуемая поверхность ПКМ разбивается на последовательность участков, образующих поле дефектоскопии. Задается порядок сканирования по координатам поверхности (x, y), что отображается на экране ПЭВМ. Ультразвуковой преобразователь 1 генерирует зондирующие импульсы, которые, пройдя сквозь многослойную структуру ПКМ и отражаясь, принимаются приемным трактом преобразователя 1 и в виде аналогового сигнала сложной формы λ(t) поступают на вход интерфейсного блока 2. Интерфейсный блок 2 представляет собой универсальную плату 3 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) типа ПА.32-12 (или П.1205) и буфера хранения кода 4 типа контроллера, совмещаемого со стандартными шинами ОЗУ 5 ПЭВМ. Режим запуска АЦП - программный, от программируемого ПЭВМ таймера, по команде оператора или программно, при использовании режима автоматического контроля. The dynamics of the interaction of elements and the measurement procedure are carried out in the following sequence. The measured surface during measurements is oriented normal to the propagation of the probe waves. During measurements, the investigated surface of the PCM is divided into a sequence of sections that form the field of flaw detection. The scan order by the coordinates of the surface (x, y) is set, which is displayed on the PC screen. Ultrasonic transducer 1 generates probe pulses, which, passing through the multi-layer PCM structure and reflected, are received by the receiving path of the transducer 1 and received in the form of an analog signal of complex shape λ (t) to the input of interface unit 2. Interface unit 2 is a universal analogue board 3 a digital converter (ADC) of type PA.32-12 (or P.1205) and a buffer for storing a controller type 4 code, compatible with standard PC RAM buses. The ADC start-up mode is software, from a programmable PC timer, at the command of an operator or programmatically, using the automatic control mode.

Цифровой двоичный код из буфера 4 принимается на шину данных ПЭВМ и считывается программой обработки в виде файла. Полученный файл представляет собой двумерный массив цифровых пар данных, где первый элемент - моменты времени (t_i), когда осуществляется аналого-цифровое преобразование, а второй - амплитуда сигнала (A_i) в эти моменты времени. Число уровней квантования сигнала по амплитуде стандартной платой АЦП (ПА. 32-12) составляет 2¹², а дискретизация по времени соответствует тактовой частоте ПЭВМ, суммарное время аналого-цифрового преобразования не превышает 3 мкс, а разрешение по глубине обнаружения дефекта порядка 0,5 мм. После получения цифровой последовательности данных в виде измерительного файла последний подвергается программной обработке в вычислителе 6, который вычисляет информативные параметры: амплитуду сигнала (A_i), время прихода отраженного сигнала T_i, спектр сигнала.The digital binary code from buffer 4 is received on the PC data bus and is read by the processing program as a file. The resulting file is a two-dimensional array of digital data pairs, where the first element is the time instants (t _i ) when the analog-to-digital conversion is performed, and the second is the signal amplitude (A _i ) at these time instants. The number of amplitude quantization levels of the signal by the standard ADC board (PA. 32-12) is 2 ¹² , and the time sampling corresponds to the PC clock frequency, the total analog-to-digital conversion time does not exceed 3 μs, and the resolution over the defect detection depth is about 0.5 mm After receiving a digital sequence of data in the form of a measuring file, the latter is subjected to software processing in calculator 6, which calculates informative parameters: signal amplitude (A _i ), arrival time of the reflected signal T _i , signal spectrum.

Вычисление максимума амплитуды проводится на основе перебора элементов двумерного массива - файла, полученного как результат оцифровки в виде пар значений (время такта АЦП, амплитуда такта). Отыскание локального максимума представляется стандартной операцией и входит в комплект программного обеспечения MATHCAD Ver 2.08 и NUMERI Ver 1.0, которое записывается на винчестере 8. В качестве результата выводится цифровое значение максимальной амплитуды. The maximum amplitude is calculated based on the enumeration of the elements of a two-dimensional array — a file obtained as a result of digitization in the form of pairs of values (ADC clock time, clock amplitude). Finding a local maximum is a standard operation and is included in the software package MATHCAD Ver 2.08 and NUMERI Ver 1.0, which is recorded on the hard drive 8. As a result, the digital value of the maximum amplitude is displayed.

Алгоритм нахождения времени прихода отраженного сигнала построен по принципу отыскания максимума амплитуды. В данном случае необходимо определять время посылки зондирующего сигнала и время прихода отраженного сигнала, а их разность дает искомый результат. Обработку цифровой последовательности ведут в данном случае на поиск двух максимальных значений, сортируя массив (T_изм, A_сигн) по A_сигн, выделяют два последовательных элемента с максимальной амплитудой и вычисляют разность индексов времени T_{изм 2} - T_{изм 1} = ΔT. Время прихода отраженного сигнала для данного дефекта вычислено при условии, что период следования зондирующих импульсов меньше времени запаздывания отраженного сигнала. Ситуация упрощается при использовании преобразователей 1 с синхронизацией начала посылки зондирующего импульса. Тогда в оцифрованном массиве вычисляется максимум амплитуды и время этого максимума считается временем прихода отраженного сигнала. Алгоритм нахождения ΔT двух возможных режимов работы устройства иллюстрируется диаграммами фиг. 2, где а - способ определения времени прихода отраженного сигнала при синхронизации, б - без синхронизации.The algorithm for finding the arrival time of the reflected signal is built on the principle of finding the maximum amplitude. In this case, it is necessary to determine the time of sending the probe signal and the time of arrival of the reflected signal, and their difference gives the desired result. In this case, the digital sequence is processed in order to search for two maximum values, sorting the array (T _ISM , A _signal ) by A _signal , select two consecutive elements with the maximum amplitude and calculate the time index difference T _{ISM 2} - T _{ISM 1} = ΔT. The arrival time of the reflected signal for this defect is calculated provided that the period of probing pulses is less than the delay time of the reflected signal. The situation is simplified when using converters 1 with synchronization of the beginning of the sending of the probe pulse. Then the amplitude maximum is calculated in the digitized array and the time of this maximum is considered the arrival time of the reflected signal. The algorithm for finding ΔT of two possible modes of operation of the device is illustrated by diagrams of FIG. 2, where a is the method for determining the time of arrival of the reflected signal during synchronization, b is without synchronization.

Отлаженный пакет сервисных и стандартных IBM программ для вычисления информативных параметров сигнала: амплитуды, времени запаздывания и его спектра (Комаров Е.М. Диссертация к.т.н. Приложения 2, 3. -М.: МГУЛ, 1996). A debugged package of service and standard IBM programs for calculating informative parameters of a signal: amplitude, delay time and its spectrum (Komarov EM, Thesis, Candidate of Engineering, Applications 2, 3. -M .: MGUL, 1996).

Результаты расчета информативных параметров отражаются системой 7, включающей стандартное оборудование ПЭВМ - дисплей и принтер. Все новые элементы устройства, за исключением интерфейсного блока 2, реализованы на базе персональной ЭВМ типа IBM PC/AT 386/387. The results of the calculation of informative parameters are reflected by system 7, which includes standard PC equipment - a display and a printer. All new elements of the device, with the exception of interface unit 2, are implemented on the basis of a personal computer such as IBM PC / AT 386/387.

Решение по результатам измерений принимается путем сравнения измеренных информационных признаков с признаками эталонных сигналов от испытываемых образцов, хранящихся в ПЗУ. The decision on the measurement results is made by comparing the measured information signs with the signs of the reference signals from the test samples stored in ROM.

Вероятность обнаружения дефекта в полимерном композиционном материале при использовании комбинаций информационных признаков и их суммы характеризуется данными, приведенными в таблице. The probability of detecting a defect in the polymer composite material when using combinations of information features and their sum is characterized by the data given in the table.

Таким образом, вероятность недобраковки при использовании трех информационных признаков не превышает 0,3%. Эффективность устройства характеризуется минимально разрешимой величиной обнаруживаемого дефекта. Thus, the probability of a defect when using three information signs does not exceed 0.3%. The effectiveness of the device is characterized by the minimum solvable value of the detected defect.

На графиках фиг. 3 представлены зависимости величины информативного признака от размера дефекта (см) в виде аппроксимирующего полинома второго порядка, построенного по критерию минимума среднеквадратической ошибки. Чувствительность различных признаков к размерам дефектов для заявляемого дефектоскопа приведена на графиках фиг. 4, что значительно упрощает процедуру контроля и позволяет выбрать наиболее оптимальный участок измерений каждого информативного признака. In the graphs of FIG. Figure 3 shows the dependences of the value of the informative feature on the defect size (cm) in the form of an approximating second-order polynomial constructed by the criterion of the minimum mean square error. The sensitivity of various features to the size of defects for the inventive flaw detector is shown in the graphs of FIG. 4, which greatly simplifies the control procedure and allows you to choose the most optimal measurement area for each informative feature.

Изобретение позволяет повысить достоверность и оперативность неразрушающего контроля дефектов в полимерном композиционном материале. The invention improves the reliability and efficiency of non-destructive testing of defects in a polymer composite material.

Claims (1)

Многопараметрический дефектоскоп, включающий ультразвуковой преобразователь зондирующих импульсов, канал приема и обработки сигнала по амплитуде и времени запаздывания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тракт обработки сигнала по форме, состоящий из интерфейсного блока в составе последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и буфера хранения кода, оперативного запоминающего устройства, вычислителя, системы визуализации и графического отображения, а также постоянного запоминающего устройства хранения пакетов программ и эталонных сигналов и устройства ввода информации, подключенных к вычислителю. A multi-parameter flaw detector including an ultrasonic transducer of probing pulses, a channel for receiving and processing a signal in terms of amplitude and delay time, characterized in that it further comprises a signal processing path in shape, consisting of an interface unit consisting of an analog-to-digital converter and a code storage buffer connected in series, random access memory, calculator, visualization and graphic display system, as well as read-only memory storage I have software packages and reference signals and information input devices connected to a computer.

Images