Разработка анализатора спектра ультразвукового сигнала

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет   -   Электрофизический

Специальность – Приборы и методы контроля качества и диагностики

Кафедра   -  Физические методы и приборы контроля качества

        Разработка анализатора спектра ультразвукового сигнала.

Выпускная квалификационная работа

на соискание квалификации бакалавр

Студент    гр.  1Б41            ___________________              В.В. Голов

                                                                                  (подпись)

                                                                ___________________

              (дата)

Руководитель                        ____________________          В.В. Шестаков

Ст. преподаватель                                    (подпись)

                                                                   ___________________

                                                                                                       (дата)

Консультант                          ____________________          А.И.Гуляев.

По норомоконтролю                                    (подпись)

                                                                  ___________________

Допустить к защите:

Заведующий кафедрой

д-р техн. наук, проф.              __________________            О.А. Сидуленко

                                                                              (подпись)

                                                                   _________________

                (дата)

Томск -  2008

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

              «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»             

Кафедра   ФМПК ЭФФ       

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. Кафедрой                        О.А. Сидуленко

                                                                                                  (Подпись, дата)

ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы

Студенту  гр.        1Б41           Голову Василию Витальевичу_________                          

                                    (номер группы)              (Фамилия..     имя ,    отчество)

1 Тема выпускной квалификационной работы. Разработка анализатора спектра ультразвукового сигнала.

(утверждена приказом ректора (распоряжением декана) от 15.04.2008 №1074

2 Срок сдачи студентом готовой работы  15.06.2008   

3 Исходные данные к работе Учебная литература по курсу, Материалы периодической печати, Техническое описание ультразвукового акустического тракта «ТРАК», Интернет-ресурсы.

4 Содержание текстового документа

Краткое описание общего принципа работы ультразвукового акустического тракта «ТРАК»; общие принципы ультразвуковой дефектоскопии; области применения; Краткое описание языка программирования Delphi;

5 Перечень графического материала

5.1    Слайд 1 – тема ВКР

5.2__Слайд 2 – цель ВКР

5.3__Слайд 3 – ультразвуковой акустический тракт «ТРАК»

5.4    Слайд 4 – интерфейс программы «ТРАК»

5.5    Слайд 5 – описание элементов управления

5.6__Слайд 6 – задача ВКР 

5.7__Слайд 7 – интерфейс программного модуля

5.8__Слайд 8 – описание элементов управления

5.9__Слайд 9 – спасибо за внимание   

6 Консультант по нормоконтролю                   ________________ А.И.Гуляев

                  (подпись, дата)

7 Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы

              1.03.2008                                                                                      .                                                                   

Руководитель                            Шестаков В.В. 

(подпись, дата)

Задание принял к исполнению:

                                                             Голов В.В.

(подпись, дата)

Реферат

  Выпускная квалификационная работа 86 с., 7 рисунков, 6 таблиц,

25 формул, 19 программ, 11 источников, 2 приложения, 9 слайдов графического материала.

            Ключевые слова: спектр, преобразование Фурье, ультразвук, дефектоскопия, анализатор, программирование, порт.

              Объектом исследования - является ультразвуковой акустический тракт «ТРАК».

              Цель работы - разработать программу на языке Delphi, для управления прибором «ТРАК», обмена данными и их последующего анализа: получение спектра – сигнала.

          В процессе работы проводились изучение работы ультразвукового акустического тракта «ТРАК».  

          В результате работы были расширены функциональные возможности «ТРАКа», в частности, разработан анализатор спектра сигнала.

          Область применения заключается в использовании данных  для учебного процесса обучающихся. 

Выпускная квалификационная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2003 и представлена на  CD-диске (в конверте на обороте  обложки).

Содержание

Введение

Спектральный анализ - это один из методов обработки сигналов, который позволяет охарактеризовать частотный  состав измеряемого сигнала. Преобразование Фурье является математической основой, которая связывает временной или пространственный сигнал (или же некоторую модель этого сигнала) с его представлением в частотной области. Методы статистики играют важную роль в спектральном анализе, поскольку сигналы, как правило, имеют шумовой или случайный характер. Если бы основные статистические характеристики сигнала были известны точно или же их можно было бы без ошибки определить на конечном интервале этого сигнала, то спектральный анализ представлял бы собой отрасль точной науки. Однако в действительности  по одному-единственному отрезку сигнала можно получить только некоторую оценку его спектра.

Целью является расширить функциональные возможности ультразвукового акустического тракта «ТРАК», посредством разработки программного модуля, реализующего обмен данными с IBM PC и анализ спектра получаемого сигнала.

Задачей является разработать программу на языке Delphi, для управления прибором «ТРАК», обмена данными и их последующего анализа: получение спектра – сигнала при помощи БПФ (быстрого преобразования Фурье).

1 Ультразвуковая дефектоскопия

При обработке сигналов обычно приходится решать задачи двух типов - задачу обнаружения и задачу оценивания. При обнаружении нужно дать ответ на вопрос, присутствует ли в данное время на входе некоторый сигнал с априорно известными параметрами. Оценивание - это задача измерения значений параметров, описывающих сигнал.

Сигнал часто зашумлен, на него могут накладываться мешающие сигналы. Поэтому для упрощения указанных задач сигнал обычно разлагают по базисным составляющим пространства сигналов. Для многих приложений наибольший интерес представляют периодические сигналы. Вполне естественно, что используются Sin и Cos. Такое разложение можно выполнить с помощью классического преобразования Фурье.

При обработке сигналов конечной длительности возникают интересные и взаимозависимые вопросы, которые необходимо учитывать в ходе гармонического анализа. Конечность интервала наблюдения влияет на обнаружимость тонов в присутствии сильных шумов, на разрешимость тонов меняющейся частоты и на точность оценок параметров всех вышеупомянутых сигналов.

              Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

              При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает от 8 до 10 метров. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты до 10-6мм.

              Ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

              Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, резонансный, эхо - импульсный метод.

1.1 Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии

              Теневой метод основан на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их, как показано на рисунке 1. Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить, если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее от 15 до 20 %. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить, на какой глубине находится дефект.

Рисунок 1 -  Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии

1.2 Эхо - импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии

Один из наиболее распространённых методов является эхо - импульсный метод ультразвукового неразрушающего контроля. Это объясняется тем, что этот метод, в отличии от других, – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить размеры дефекта, его координаты, характер. В эхо - импульсном методе ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) используются те же принципы, что и в радио - и акустической локации.

Эхо-метод УЗД основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов упругих колебаний от 0,5 до 10 мкс и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов отражателей.

Эхо - Импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рисунке 2.

Рисунок 2  - Принцип действия УЗ дефектоскопа, основанный на

эхо  - импульсном методе

Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса.             

Эхо - импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1 % ультразвуковой энергии будет замечено. Преимущество эхо - импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить, на какой глубине находится дефект.

Эхо - импульсный - метод позволяет решать следующие задачи дефектоскопии:

-обнаружение и определение координат дефектов, представляющих собой нарушения сплошности и расположенных как на поверхности, так и внутри металлических и неметаллических изделиях и в сварных соединениях;

-определение размеров дефектов и изделий;

-обнаружение зон крупнозернистости в металлических изделиях и заготовках.

Аппаратура, реализующая данный метод, позволяет определить характер дефектов, идентифицировать их по размерам, формам, ориентации.

1.2.1 Характеристики

К основным характеристикам метода относятся:

-чувствительность;

-максимальная глубина прозвучивания;

-минимальная глубина ("мертвая" зона);

-разрешающая способность;

-точность измерения расстояния;

-производительность контроля.

Под чувствительностью понимают минимальный размер дефекта, находящийся на максимальной глубине и четко регистрируемый прибором. Количественно ее определяют порогом чувствительности. Для эхо - метода -это минимальная площадь искусственного дефекта типа плоскодонного отверстия, который обнаруживается при контроле. Ее можно определить по отражателям другого типа, выполняя пересчет на площадь плоскодонного отверстия по формулам акустического тракта. Порог чувствительности ограничивается двумя главными факторами: чувствительностью аппаратуры и уровнем помех. В зависимости от структуры материала будет и изменяться порог чувствительности. Максимальная глубина прозвучивания определяется максимальным расстоянием от дефекта (отражателя) заданного размера, на котором он уверенно выявляется. Она ограничивается условием, чтобы сигнал от дефекта был больше минимального сигнала, регистрируемого прибором и уровня помех. Она также определяется параметрами аппаратуры. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глубины прозвучивания указывают максимальную длительность развертки дефектоскопа. Достижение максимальной глубины прозвучивания ограничивается теми же факторами, которые препятствуют повышению чувствительности.

Минимальная глубина или "мертвая" зона - минимальное расстояние от преобразователя или от поверхности изделия до дефекта, на котором он четко выявляется, не сливаясь с зондирующим импульсом или импульсом от поверхности ввода ультразвука.

Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором они регистрируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности метода.

Лучевая разрешающая способность - минимальное расстояние в лучевом направлении, при котором сигналы от дефектов видны на экране как два раздельных импульса.

Фронтальная разрешающая способность по перемещению - минимальное расстояние между дефектами в направлении перпендикулярном лучевому. Точность измерения расстояния до дефекта определяется погрешностью в процентах от измеряемой величины.

Производительность контроля определяется шагом и скоростью сканирования (перемещения) преобразователя. При оценке времени контроля учитывается и время на исследование дефекта.

1.2.2 Условия выявления дефектов при эхо - импульсном методе

Для обеспечения надежного выявления дефектов необходимо выполнение двух условий:

-сигнал от дефекта должен превосходить минимальный сигнал, регистрируемый регистратором прибора по формуле 1.

Vд >V min ,              (1)

где Vд - сигнал от дефекта,;

V min - минимальный сигнал, регистрируемый регистратором прибора,.

-сигнал от дефекта должен быть больше сигнала помех по формуле 2.

Vд >V пом ,              (2)

где Vд - сигнал от дефекта, ;

V пом - сигнал помех, .

1.2.3 Условия получения максимального сигнала от дефекта

Для оптимального выполнения первого условия выявления дефекта величина, представленная в формуле 3.

Vд/V0 = max ,                                                        (3)

где Vд – сигнал от дефекта,;

V0 – сигнал, посылаемый преобразователем, .

должна иметь максимальное значение. Также, зачастую от правильного выбора частоты ультразвуковых колебаний зависит мощность получения сигнала от дефекта, и как следствие, точность определения дефекта. Можно сказать, что частота является одним из главных параметров, от выбора которых зависит выявление. Остановимся подробно на её выборе. Как известно, частота зависит от коэффициента затухания. Для большинства материалов в диапазоне частот, применяемых в дефектоскопии, эта зависимость приближенно выражается формулой 4.

,              (4)

где δ – коэффициент затухания;

и - коэффициенты, не зависящие от частоты;

ƒ - частота, Гц.

Первый член связан с поглощением, второй - с рассеянием ультразвука мелкими зернами (кристаллитами) металла. При малых расстояниях от преобразователя до дефекта влияние затухания ультразвука невелико, поэтому в ближней зоне целесообразно применение высоких частот. В дальней зоне затухание имеет очень большое значение для рационального выбора частоты.

Оптимальная частота ультразвуковых колебаний определяется формулой 5.

,              (5)

где ƒopt - оптимальная частота, Гц;

С1 - коэффициент, связанный с поглощением ультразвука, ;

r - Расстояние от преобразователя ультразвуковых волн до дефекта

для мелкозернистых материалов, мм.

Для крупнозернистых оптимальная частота находится по формуле 5.

,               (6)

где С2 - коэффициент, связанный с поглощением ультразвука, ;

r – Расстояние от преобразователя ультразвуковых волн до дефекта, мм.

Таким образом, в обоих случаях с увеличением толщины изделия следует понижать частоту.

1.2.4 Виды помех, появляющихся при эхо - импульсном методе

При ультразвуковой дефектоскопии материалов и изделий, как и при других видов дефектоскопии, наблюдается помехи. Их делят на виды:

- помехи усилителя дефектоскопа;

Эти помехи препятствуют беспредельному увеличению коэффициента усиления приемного тракта дефектоскопа и определяют граничное значение регистрируемого прибором сигнала .

- шумы преобразователя, возникающие при его работе по совмещенной схеме;

Непосредственно после излучения зондирующего импульса чувствительность усилителя резко ослабляется в связи с сильным динамическим воздействием на него мощного сигнала генератора. Вследствие этого в указанной зоне резко возрастает граничное значение регистрируемого прибором сигнала . Наличие многократных отражений в протекторе, призме преобразователя, контактной жидкости создает помехи, затягивающие действие зондирующего импульса. Эти помехи быстро исчезают.

- ложные сигналы, возникающие в результате отражения от выступов или выточек и других неровностей поверхности;

Эти помехи мешают выявлению дефектов на отдельных участках объекта контроля.

- помехи, связанные с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала, т.е. структурной реверберацией;

Сигналы от неоднородностей в зависимости от фазы ослабляют или усиливают друг друга. Они носят статистический характер.

Если дефект находиться в дальней зоне, то для улучшения выявляемости дефекта в дальней зоне целесообразно увеличивать размеры преобразователя. При увеличении диаметра преобразователя улучшается направленность излучения, однако граница ближней зоны удаляется от преобразователя и при условии, описанном формулой 7,

,                                                                      (7)

где  rд - расстояние до дальней зоны, мм;

а – геометрические размеры преобразователя, мм;

λ – длина волны, мм.

дефект попадает в ближнюю зону. В ближней зоне увеличение диаметра преобразователя оказывает отрицательное влияние на отношение сигнал-шум, приводит к ухудшению направленности преобразователя. Одним из путей устранения указанных явлений является применение фокусирующих преобразователей.

              1.3 ''ТРАК'' Акустический модуль

"ТРАК" представляет собой универсальный ультразвуковой акустический тракт, выполненный в виде отдельного модуля, подключаемого к компьютеру через LPT порт по стандарту IEEE Std 1284.Непосредственно в модуле ТРАК реализован только программно-управляемый приемник, генератор и обменный буфер (т.е. акустический тракт). Блок схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок схема

На управляющей PC, при помощи прикладного ПО (поставляемого в комплекте), оператор формирует необходимые параметры контроля и производит настройку акустического тракта: по частоте, амплитуде и форме зондирующего сигнала. Затем подготовленные данные передаются в "ТРАК" в виде алгоритмической инструкции по контролю, или набора инструкций. В этом смысле, "ТРАК" является универсальным акустическим прибором НК, который позволяет создавать собственные типы ультразвуковых приборов: Дефектоскопы, Структуроскопы или Толщиномеры, реализуя известные методы УЗ контроля:

-эхо;

-эхо-теневой;

-эхо-зеркальный;

-теневой;

-зеркально-теневой;

-резонансный и др.

              Наличие документированного протокола взаимодействия с PC предоставляет пользователю возможность разрабатывать собственные приложения и методики контроля.

              "ТРАК" позволяет использовать любые типы преобразователей: раздельно-совмещенные, совмещенные, со встроенными катушками индуктивности и без них.

              Благодаря возможности гибкой настройки параметров зондирующего импульса и приемника, "ТРАК" обладает уникальными возможностями для применения в научно-исследовательских работах при исследовании характеристик сигналов, ПЭП, акустических свойств материалов и разработке специализированных методик контроля. Для управления внешним технологическим оборудованием на переднюю панель прибора выведен разъем с сигналами TTL-уровня.

              Совместно с "ТРАКом" используется "СК2 - Слайдер" - механическая система двухмерной привязки координат (специализированное координатное устройство), предназначенное для автоматического определения координат дефектной области (X,Y).

1.3.1 Основные области применения

-УЗ звукография, УЗ структурометрия, УЗ тензометрия;

-научно-исследовательские работы;

-разработка методик неразрушающего контроля;

-учебный процесс.

              Функциональные особенности

Синтезатор зондирующего импульса:

-программно изменяемая амплитуда зондирующего импульса;

-программно синтезируемая частота зондирующего импульса;

-управляемый электрический демпфер выходного каскада.

Приемник:

-программно изменяемая длительность и задержка зоны контроля (включая возможность начала сбора данных, до возбуждения зондирующего импульса);

-программно изменяемая кривая ВРЧ до 256 точек;

-АЦП 12 разрядов 40 МГц;

-измерение входных сигналов в широком динамическом диапазоне.

Координатное устройство:

-двухмерное акустическое координатное устройство для отслеживания положения ПЭП на объекте контроля с точностью до 0.5 мм.

Программное обеспечение:

-управление параметрами генератора и приемника;

-управление параметрами развертки и отображения информации;

-отображение радио или видеосигнала;

-управление параметрами двух независимых стробов;

-отображение параметров сигналов (амплитуды и времени распространения), превышающих стробы, отношение амплитуд и временной интервал между ними;

-определение координат дефекта;

-накопление, обработка и визуализация информации о различии акустических свойств в объеме материала, на том участке объекта контроля, который покрывается координатным устройством.

              Взаимодействие с управляющим компьютером по протоколу EPP1.9 или USB 1.1.