РАЗДЕЛ 2
СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЙ ЭМА МЕТОДОМ
В этом разделе исследованы существующие способы обработки измерительных сигналов, используемые как в радиолокации, так и реализованные в оконечных устройствах (ОУ) акустических промышленных толщиномеров. Исследована возможность адаптации радиолокационных способов обработки к акустической толщинометрии. При проведении анализа особое внимание обращено на источники методической погрешности, помехоустойчивость и простоту реализации способов. Выполнены теоретические исследования способа спектральной обработки корреляционной функции при измерении толщины металлических изделий ЭМА методом. Получено уравнение измерений и проведено имитационное моделирование указанного способа.
2.1. Допущения, принятые в работе
В акустической толщинометрии чаще применяют не непрерывные (монохроматические) колебания, а радиочастотные импульсы, форму огибающей которых при распространении в объекте контроля обычно можно приблизительно полагать колоколообразной. Такой импульс описывается формулой (без учета изменения по координате) [11]
,(2.1)
где А - максимум амплитуды радиоимпульса;
- показатель длительности импульса;
- круговая частота;
- частота заполнения радиоимпульса;
t - время;
t0 - время, при котором достигается максимум амплитуды.
Иногда, вместо используют число nи периодов колебаний с амплитудами, превышающими 0,1 (20 дБ) от максимального значения. Эта величина связана с зависимостью [11]
.(2.2)
В дальнейших рассуждениях будем полагать форму огибающей радиоимпульса прямоугольной. Такое допущение не нарушит основных соотношений и вместе с тем значительно упростит математическое представление рассматриваемых зависимостей.
В объеме твердого тела могут распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. В продольной волне колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной - перпендикулярны к нему. Формула, связывающая соотношение скоростей продольных (спр) и сдвиговых (ссдв) волн, имеет вид [11]
,(2.3)
где - коэффициент Пуассона (величина безразмерная и определяется только свойствами материала).
При ЭМА толщинометрии в изделии возбуждаются, как правило, поперечные волны [1], поэтому далее целесообразно использовать соответствующие значения скорости распространения упругих колебаний. При этом все соотношения будут в такой же степени справедливы и для продольных волн, за исключением случаев, когда применение тех или иных выражений четко оговорено и ограничено. В дальнейших рассуждениях для скорости распространения УЗК будем пользоваться обобщенным обозначением с.
При измерении толщины [1] важной характеристикой приборов является время наблюдения (длина реализации) Tr, т.е. время, в течении которого регистрируют отраженные от дна изделия (донные) импульсы. Во многих случаях [1] этот параметр определяет диапазон измеряемых толщин. На практике часто имеет место многократное переотражение зондирующего импульса от дна и поверхности изделия. Это свойство волны часто используется для повышения точности измерения толщины [11].
2.2. Непосредственное определение временных интервалов между зондирующим и донным сигналом
Анализ работ [79-100] показал, что в толщинометрии применяют способы обработки, взятые из радиолокации. ЭМАП [4, 11, 37-52] достаточно хорошо приспособлены к использованию этих способов. Они позволяют возбуждать и принимать УЗ импульсы практически любой длительности с заданной формой огибающей и оптимальным частотным спектром.
Как было показано выше, наиболее распространенные акустические толщиномеры (в том числе, ЭМА толщиномеры) - эхо-импульсные. Идея эхо-импульсного метода измерения толщины изделия чрезвычайно проста и наглядна [12]. При передаче толщиномер излучает кратковременные импульсы высокочастотных колебаний, которые, распространяясь, достигают дна изделия и отражаются им. Отраженный сигнал принимается приемным устройством толщиномера и после усиления и детектирования подается на ОУ, позволяющее измерить запаздывание принятого сигнала относительно излученного.
В самом простом варианте в качестве ОУ используется осциллограф. При этом толщина изделия "переводится" во временную диаграмму на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Скорость развертки осциллографа прямо пропорциональна пути, пройденному упругими колебаниями в материале. Если настроить осциллограф на скорость УЗК в контролируемом материале, то местоположение донного импульса на экране ЭЛТ укажет на толщину изделия. Толщину изделия определяют по формуле (1.1).
При таком способе погрешность обусловлена неточностью отсчета временного интервала на экране ЭЛТ, вызванной особенностями применяемого осциллографа и субъективными факторами (неправильным отсчетом долей шкалы, установкой развертки и т.д.).
Другой вариант реализации данного способа - использование измерительного триггера.
Факторы, влияющие на погрешность измерения толщины при этом следующие:
а) колебания выходного напряжения приемника, что приводит к перемещениям по временной оси точки пересечения сигнала с уровнем срабатывания измерительного триггера;
б) погрешность индикаторного устройства, зависящая от класса точности примененного стрелочного или цифрового устройства.
Значительным недостатком описанных подходов является их низкая помехозащищенность. При высоком уровне акустических шумов использование этих способов становится невозможным. Тем более это важно для ЭМА толщиномеров, чувствительность которых считается ниже, чем у контактных приборов.
2.3. Корреляционная обработка отраженных сигналов
Несмотря на ряд преимуществ эхо-импульсного метода измерения толщины ему свойственны и некоторые недостатки.
Прежде всего, необходимо отметить, что дл