Алгоритмическое и программное обеспечение измерительного комплекса для определения параметров распространения различных типов акустических волн в твердых средах

На правах рукописи

Король Андрей Александрович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ

05.11.16 – информационно-измерительные

и управляющие системы (техника и технология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Хабаровск - 2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (г. Хабаровск)

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Кондратьев Александр Иванович
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор
	Касаткин Борис Анатольевич
	кандидат технических наук, доцент
	Овчарук Валерий Николаевич
Ведущая организация:	УРАН Институт автоматики и
	процессов управления ДВО РАН

Защита состоится 1 июня 2011 года в 15-00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.294.05 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136, ауд. 315л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского государственного университета

Автореферат разослан: «___»___________2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бурдинский И.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время теоретические и экспериментальные исследования во многих областях науки проводятся с использованием современных информационных технологий. Применение цифровой техники позволяет значительно повысить качественные показатели измерений, такие как точность и скорость обработки данных. Другой важный аспект внедрения информационных технологий – автоматизация – позволяет упростить проведение трудоемких экспериментов, снизить влияние человеческого фактора на результаты, а также снизить сопутствующие материальные затраты.

На данный момент большинство современных рабочих средств измерений, служащих для определения параметров распространения ультразвуковых (у.з.) колебаний, является полностью или частично автоматизированными. Это обусловлено, в первую очередь, относительной простотой используемых в них методов измерений и алгоритмов обработки данных.

Однако уровень автоматизации эталонных установок в данной области является крайне низким. Основной причиной этого является высокая сложность методик и необходимость учета множества различных факторов в процессе проведения измерений, что в свою очередь влечет за собой необходимость предъявления очень высоких требований к операторам эталонных установок. В рамках данной работы было разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее использовать существующие и разрабатываемые эталонные установки в совокупности с современными цифровыми приборами с целью образования информационно-измерительного комплекса по определению параметров распространения различных типов акустических волн в твердых средах. Актуальность данной работы также обусловлена необходимостью использования ряда методик измерений, реализация которых затруднена или невозможна без использования современных информационных технологий.

Разработанное программное обеспечение (ПО) предусматривает работу как в режиме полной, так и частичной автоматизации, что позволяет значительно сократить нагрузку на операторов измерительных установок, сохранив при этом возможность контроля процесса проведения измерений. При использовании разработанного ПО все методы измерения соответствующих физических величин могут быть реализованы одновременно.

В рамках настоящей работы также предложен ряд методик измерений. Для импульсного режима предложены методики нахождения скорости сдвиговой составляющей импульса при наличии помехи, методика определения частотной зависимости скорости распространения и коэффициента затухания у.з. колебаний. Для резонансного режима предложена методика определения дополнительной дифракционной поправки при нахождении коэффициента затухания, а также методика определения коэффициента затухания и скорости ультразвуковых колебаний при наличии помехи, зависящей от частоты (при значениях коэффициента затухания до 2000 дБ/м). Предложенные методики позволяют повысить точность, а также расширить диапазон измерений соответствующих физических величин.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка алгоритмического и программного обеспечения измерительного комплекса для определения параметров распространения различных типов акустических волн в твердых телах.

Решаемые задачи

1. Анализ методов измерения акустических величин и методов возбуждения и приема у.з. колебаний.
2. Разработка алгоритмов измерения скорости распространения и коэффициента затухания у.з. колебаний, а также скорости сдвиговой составляющей при измерениях импульсным методом.
3. Разработка алгоритмов измерения фазовой скорости распространения и коэффициента затухания у.з. колебаний при измерениях резонансным методом.
4. Разработка программных библиотек численной обработки данных и взаимодействия с пользователем для построения программного обеспечения с учетом требований, предъявляемых к программным комплексам средств измерений в процессе их метрологической аттестации.
5. Разработка программного обеспечения измерительного комплекса, реализующего предложенные алгоритмы.
6. Исследование метрологических характеристик информационно-измерительного комплекса с учетом разработанных алгоритмов и программного обеспечения.

Методы исследования

При выполнении работы использовались: теория и методы неразрушающего контроля, теория дифференциальных уравнений, теория и математический аппарат преобразования Фурье, численные методы интегрирования и дифференцирования, теория объектно-ориентированного программирования; системное программирование для операционных систем (ОС) семейства Microsoft Windows.

Научная новизна

1. Предложены и реализованы алгоритмы измерения скоростей распространения и коэффициента затухания продольных и сдвиговых у.з. волн импульсным и резонансным методами.
2. Разработаны алгоритмы определения времени прихода сдвиговой компоненты сигнала при наличии помехи, основанные на аппроксимации фронта сдвигового импульса различными функциями.
3. Разработана методика оценки дополнительной дифракционной поправки при измерении коэффициента затухания резонансным методом на частотах ниже 5 МГц для твердых сред.
4. Для резонансного режима измерений предложена методика определения коэффициента затухания и скорости распространения у.з. колебаний при наличии помехи, зависящей от частоты (в том числе при больших значениях коэффициента затухания).
5. Установлено, что при величине коэффициента затухания более 1000 дБ/м происходит эффект усиления полезного сигнала, обусловленный наличием помехи от задающего генератора анализатора спектра.

Практическая значимость

1. На основе предложенных алгоритмов разработано программное обеспечение измерительного комплекса для определения параметров распространения различных типов акустических волн в твердых средах, обеспечивающее снижение влияния субъективного фактора и, как следствие, снижение среднеквадратического отклонения (СКО) результатов измерения.
2. Сформирован набор программных библиотек для реализации различных численных методов и взаимодействия с пользователем, позволяющих создавать на их основе программное обеспечение средств измерений, удовлетворяющее требованиям, предъявляемым при метрологической аттестации.
3. Предложенная методика определения коэффициента затухания для резонансного режима позволяет повысить верхнюю границу диапазона измерений до значения 2000 дБ/м.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритмы определения групповой скорости распространения и коэффициента затухания у.з. колебаний импульсным методом, обеспечивающие нахождение частотных зависимостей указанных параметров.
2. Алгоритмы определения скорости распространения сдвиговых у.з. колебаний импульсным методом, обеспечивающие нахождение данной величины при наличии помех.
3. Алгоритмы и методики определения фазовой скорости распространения и коэффициента затухания продольных у.з. колебаний резонансным методом, снижающие систематические погрешности при наличии помех.
4. Структура и состав программного обеспечения измерительного комплекса для определения параметров распространения акустических волн в твердых средах, обеспечивающего заданные метрологические характеристики.

Применение результатов работы

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение применяется в установках высшей точности, разрабатываемых в Дальневосточном филиале ФГУП «ВНИИФТРИ», которые в 2011-2013 годах будут переведены в ранг государственных эталонов.

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующим актом.

На основе разработанных алгоритмов и программных библиотек на базе государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» был реализован и внедрен программный комплекс расчета степени локального разупрочнения контактного провода.

Апробация работы

Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались: на межрегиональной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности» (г. Хабаровск, 2008); на пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2008); на V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008); на XXXIV Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В.Золотова (г. Хабаровск, 2009); на пятой Всероссийской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» ММР-2008 (г. Самара, 2008); на международной научной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур» (г. Хабаровск, 2008); на VI Всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» (г. Владивосток, 2009).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы отражено в 10 публикациях, из них 2 публикации в изданиях из перечня ВАК, 5 докладов на научно-практических конференциях (2 – на международных), 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад соискателя

Личный вклад заключается в разработке и анализе предложенных алгоритмов и их программной реализации, в разработке программно-аппаратных средств автоматизации измерительных процессов. Также при участии автора были проведены экспериментальные исследования.

Структура и объем работы

Диссертационная работа представлена введением, четырьмя главами, заключением, списком использованных литературных источников и приложениями. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста и содержит 6 таблиц, 38 рисунков, 137 наименований литературных источников, 3 приложения.

В приложениях представлены: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, акт внедрения результатов диссертационной работы, фрагменты исходного кода основного программного модуля.

Краткое содержание диссертационной работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен анализ существующих методов измерения акустических величин. Рассмотрены методы измерения групповых и фазовых скоростей распространения у.з. колебаний, а так же приведены факторы, оказывающие влияние на точность измерений.

Подробно рассмотрены методы измерения коэффициента затухания у.з. колебаний и источники возникновения погрешности измерений. Приведены формулы для оценки погрешностей, обусловленных различными факторами. В частности, приведены существующие расчетные выражения для учета дифракционной расходимости волн.

Приведен анализ методов возбуждения и приема у.з. колебаний, сделан вывод о перспективности использования бесконтактных методов. Приведены особенности оптических и емкостных методов возбуждения и приема у.з. колебаний, проанализированы основные достоинства и недостатки рассмотренных методов.

Представлены блок-схемы установок (в том числе установок высшей точности), использующихся для проведения измерений параметров распространения различных типов акустических волн, приведены их характеристики и рассмотрены особенности проведения измерений.

Во второй главе приведены алгоритмы и методики измерения следующих акустических величин для импульсного метода:

1. Групповая скорость распространения продольных у.з. колебаний.
2. Скорость распространения сдвиговых у.з. колебаний.
3. Скорость распространения и коэффициент затухания продольных у.з. колебаний в зависимости от частоты.

При построении информационно-измерительного комплекса (ИИК) для определения параметров распространения у.з. колебаний в импульсном режиме может использоваться как оптическая установка УВТ 39-А-86, так и установка ИЗУ-1, в которой в качестве излучателей и приемников у.з. колебаний используются емкостные преобразователи.

При измерении групповой скорости распространения в импульсном методе за основу принято следующее выражение:

(1)

где d – толщина образца; 1 и 2 – времена, соответствующие особым точкам первого и второго рассматриваемых импульсов соответственно; k = (2m-1) – (2n-1); n, m – номера «переотражений» первого и второго рассматриваемых импульсов.

Для повышения точности измерений непосредственно за значение времени берется не фактическое значение времени искомой точки импульса, а временная точка, лежащая на квадратичной функции, интерполирующей дискретный сигнал в анализируемой области.

В разработанном ПО ИИК реализованы следующие способы определения искомой величины:

По «пикам» импульсов. В данном случае за 1 и 2 в выражении (1) принимаются времена, соответствующие максимумам первого и второго рассматриваемого импульсов.

По переднему фронту на заданном уровне. Данный случай аналогичен случаю с измерением «по пикам», за исключением того, что в формуле (1) за 1 и 2 берутся времена, соответствующие приходу заранее заданного уровня переднего фронта рассматриваемых импульсов. Таким образом, для каждого из двух импульсов определяется время, когда на осциллографе фиксируется значение , где umax – максимум соответствующего импульса.

По центрам тяжести импульсов. Поиск центров тяжести импульсов производится по формуле:

(2)

где ta и tb – границы интегрирования, которые соответствуют границам появления импульса на осциллограмме. Считается, что функция сигнала u(t) за пределами границ интегрирования равна нулю. Формула вычисления групповой скорости совпадает с формулой (1), при этом за 1 и 2 принимаются значения цт1 и цт2, полученные путем нахождения центров тяжести первого и второго рассматриваемого импульса соответственно.

По локальному максимуму автокорреляционной функции на заданном интервале. Предложенная в настоящей работе методика основывается на понятии автокорреляционной функции:

(3)

где – аргумент функции F, задающий временной сдвиг в сигнале. При вычислении данного интеграла используется факт ограниченности импульсов во времени, т.е. границы интегрирования определяются временем отображения импульсов на осциллограмме. Особенностью методики является поиск локального максимума автокорреляционной функции на определенном ограниченном интервале [1; 2], при этом значения 1 и 2 выбираются таким образом, чтобы функция вычислялась для наложения двух рассматриваемых импульсов друг на друга. Значение параметра макс, на котором достигается искомый максимум, подставляется в выражение (1) в качестве знаменателя.

Для вычисления скорости распространения сдвиговых колебаний используется следующее выражение:

(4)

где d – толщина образца, – время между приходом первого и второго импульсов, tS – время между приходом первого импульса и появлением на осциллограмме сдвиговой составляющей (рис. 1).

При вычислениях по формуле (4) время между импульсами L1 и L2 определяется по локальному максимуму автокорреляционной функции, получаемому при определении скорости продольных волн.

Основная задача вычисления CS сводится к нахождению точки S прихода сдвиговой компоненты. Ввиду наличия помех, в ИИК необходимо было реализовать отказоустойчивый алгоритм поиска S. В работе предлагается использование следующих способов.

Линейное приближение. В данном способе происходит построение линейного приближения переднего фронта сдвигового импульса. За точку S берется точка пересечения построенной прямой с нулевым уровнем.

Квадратичное приближение. В данном случае происходит построение квадратичной функции, аппроксимирующей передний фронт сдвигового импульса. За точку S берется точка пересечения построенной функции с нулевым уровнем.

Приближение с помощью сглаживающей функции. Данный способ подразумевает приближение фронта сдвигового импульса следующей функцией G(t):

(5)

где a, b – границы изменения функции, k – масштабирующий коэффициент, определяемый минимумом функции сигнала на участке со сдвиговым импульсом. Для определения искомой точки S происходит перебор значений a и b, для каждой пары которых вычисляется сумма вида

(6)

Среди всех сумм выбирается минимальная Wab_min, а соответствующие значения amin и bmin используются для построения функции Gmin(t). Пересечение полученной функции с нулевым уровнем считается за искомую точку S.

Приближение с помощью специально сконструированной функции. В процессе обработки экспериментальных данных была построена функция, с помощью которой можно аппроксимировать не только непосредственно фронт сдвигового импульса, но и весь импульс в целом. Функция имеет следующий вид:

(7)

где a,b – коэффициенты, влияющие на форму кривой графика функции. В нашем случае в выражение (7) добавляется множитель h(t) – функция Хэвисайда, т.к. t 0. Поиск искомой точки S аналогичен предыдущему варианту. Происходит перебор параметров a и b с построением сумм вида (6), где в качестве функции G(t) выступает функция вида (7), умноженная на масштабирующий коэффициент и смещенная в окрестность искомой точки.

Для определения скорости распространения и коэффициента затухания продольных у.з. колебаний в зависимости от частоты были получены соотношения:

; (8)

, (9)

где U1(), U2() – спектральные характеристики двух наблюдаемых импульсов; d – толщина образца; D(, x) – коэффициент, учитывающий дифракционные искажения сигнала;

- АЧХ, ФЧХ и времена прихода первого и второго импульсов соответственно; D(,х) - фаза D(,х); = 2f.

Для определения D(, x) использовалось следующее соотношение (полученное в работе Гитиса М.Б., Химунина А.С.):

, (10)

где х – путь, пройденный у.з. импульсом; J0(), J1() – функции Бесселя; ; r – радиус пятна лазера (или радиус преобразователя в случае использования емкостной установки).

Во второй главе также приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных с целью подтверждения функциональных характеристик ИИК с учетом предложенных алгоритмов. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений импульсным методом

(оптическая установка, измерения проведены по уровню)

Материал образца	Толщина образца, мм	CLгр, м/с	CS, м/с	,дБ/м*
40Х13	10,84	5999±1	3261±5	20±2
Д16Т	9,89	6420±1	3111±10	50±4
пл. кварц	19,949	5959,5±0,2	3749,8±1,4	1,2±0,5

* измерения проведены на установке ИЗУ, на частоте 20 МГц.

Исследования показали, что алгоритм вычисления CLгр по центрам тяжести переотраженных импульсов для ряда образцов «получает» меньшее значение скорости, чем другие алгоритмы. Так, для образца из алюминия Д16Т среднее значение групповой скорости для рассматриваемого алгоритма составило = 6412 м/с, в то время как значения, полученные по другим алгоритмам, были не ниже 6418 м/с. Данный факт говорит о необходимости более подробного рассмотрения алгоритма и условий его применения.

Во второй главе также приводятся полученные графики зависимостей CL и от частоты. Графики для образца из кварца (см. табл. 1) приведены на рис. 2.

Точки на образцах, в которых проводились измерения параметров CL и, выбирались следующим образом. Точка «0» - центр образца. Точки «1», «2», «3» - расположены по вершинам равностороннего треугольника с центром в точке «0» на расстоянии 15 мм от нее.

Проведенные экспериментальные исследования показывают взаимосвязь между измеряемыми величинами и структурой материалов образцов. Так, для образца из кварца получили = 0,006%, в то время как для образца из алюминия Д16Т = 0,041%, что говорит, в частности, о сравнительно высокой структурной неоднородности последнего.

В третьей главе рассматривается резонансный режим измерений. При построении ИИК для резонансного метода в качестве основы используется установка ИЗУ-1. Для оцифровки сигналов предлагается использование цифрового анализатора спектра GSP-827, а также предложено использование аналогового прибора СК4-59 с последующей оцифровкой спектрограммы цифровым осциллографом.

В главе приведены методики определения скорости распространения и коэффициента затухания у.з. колебаний, приведена методика оценки дополнительной дифракционной поправки при измерениях коэффициента затухания на частотах ниже 5 МГц. Также приведена методика определения коэффициента затухания и скорости распространения ультразвуковых колебаний при наличии помехи, зависящей от частоты.

Измерение скорости продольных колебаний в ИИК может быть произведено двумя способами. Первый способ основан на следующем выражении:

(11)

где fn, fm - частоты акустических спектральных линий с номерами n и m соответственно.

Также в работе предложена методика, основанная на следующем выражении:

, (12)

где fn – частота максимума акустической спектральной линии (АСЛ) с номером n. При определении CL по формуле (12) методика измерений упрощается и снижается СКО результата измерения.

При малых значениях коэффициента затухания используется следующее соотношение:

(13)

где F – ширина акустической спектральной линии по уровню 0,7071. При измерении F на уровне от максимума:

(14)

где = F/CL.

Для резонансных методов известно, что на частотах менее 5 МГц точностные характеристики снижаются вследствие значительного влияния дифракционных эффектов и искажения спектральной картины наложением «боковых» переотражений у.з. колебаний от ограничивающих поверхностей образца. Так, дифракционная расходимость проявляется в уменьшении амплитуды и увеличении ширины акустической спектральной линии, а также ее незначительном смещении в область низких частот. Переотражения приводят к появлению дополнительных спектральных линий. В работе приведена разработанная методика оценки дополнительной дифракционной поправки при измерении коэффициента затухания резонансным методом на частотах ниже 5 МГц, позволяющая повысить точность измерений при величине коэффициента затухания менее 5 дБ/м.

Для определения дополнительной дифракционной поправки были проведены эксперименты, на основе которых было получено следующее соотношение:

(15)

где А = 0,971 ± 0,001 кГц; b = ; g = 10 ± 0,1; d – толщина образца; a – радиус преобразователей; k =/CL.

При этом коэффициент затухания рассчитывается по формуле:

(16)

где - измеренная ширина акустической спектральной линии; F0 – ширина спектральной линии, определенная теоретически при «нулевом» значении коэффициента затухания.

Предложенный подход позволяет существенно снизить погрешности измерения коэффициента затухания у.з. колебаний резонансным методом на частотах ниже 5 МГц и тем самым способствует расширению возможностей методов акустической структуроскопии.

При измерении коэффициента затухания и скорости распространения у.з. колебаний при наличии помехи, зависящей от частоты, используется выражение, описывающее сигнал на выходе приемного емкостного преобразователя при наличии наводки. Анализ экспериментальных данных показал, что на частотах выше 20 МГц уровень помехи (параметр А) может изменяться в зависимости от частоты:

(17)

где А и - амплитуда и фаза помехи соответственно; B=Ku0.

В настоящей работе предполагается, что параметр А связан с частотой соотношением:

, (18)

где с1, с2, с3 - некоторые константы.

Анализ выражения (17) показывает, что при By >2A и F 0,1f, методика измерения и расчетные соотношения для параметров и CL не изменяются. Если А зависит от частоты, то предлагается несколько модифицированная методика. При этом выбираются АСЛ, для которых третий член в выражении (17) имеет знак “+”, определяется положение максимума АСЛ fmax и ее номер n, далее производится вычисление CL по формуле (12). Для определения предлагается следующая схема (рис. 3, f0 - частота, начиная с которой производится запись спектрограммы).

Для выбранной АСЛ определяются: максимум АСЛ Um; величина первого минимума слева от АСЛ U_; величина первого минимума справа от АСЛ U+; частота f_ (слева от АСЛ), для которой уровень сигнала меньше Um на величину 0,3·(Um – U_); -частота f+ (справа от АСЛ), для которой уровень сигнала меньше Um на величину 0,3·(Um - U+). Далее находится ширина АСЛ F = f+ - f_ и по формуле (16) производится вычисление коэффициента затухания. Проведенные эксперименты показали, что погрешность определения по данной схеме не превышает 0,1· дБ/м при (1 70) дБ/м.

При F > 0,1f и большом уровне наводки форма сигнала в зависимости от уровня помехи и ее фазы может изменяться в значительной степени, при этом реализация выше описанной методики может оказаться затруднительной.

Была предложена следующая методика измерения коэффициента затухания и скорости распространения резонансным методом при наличии значительного уровня помехи ( 70 дБ/м).

Рис. 3 Схема определения F при наличии помехи.

Шаг 1. Определяется параметр В (17), зависящий от характеристик приемного тракта установки ИЗУ, на частотах, для которых помеха отсутствует. В = Um(1-y2)/y, где Um – максимум выбранной АСЛ, y = exp(-d), - измеренное значение коэффициента затухания.

Шаг 2. Осуществляется цифровая запись сигнала UЭ(f) таким образом, чтобы на спектрограмме наблюдалось целое число периодов. Для сокращения времени вычислений делается сдвиг на некоторую частоту f0 начала записи спектрограммы.

Шаг 3. Определяется частотная зависимость уровня помехи. Для этого, в анализируемой области, строится квадратичный тренд и определяются коэффициенты, входящие в выражение (18).

Шаг 4. Производится частичная «компенсация» помехи и «строится» модифицированный сигнал U1Э(f) = UЭ(f) – A(f) = UЭ(f) – (c1f 2+c2f+c3).

Шаг 5. Определяется параметр CL либо по особым точкам (например, по положению максимумов сигнала или по пересечению нуля), либо автокорреляционным методом. CL = d/(nf), где n, f - количество периодов и интервал частот между выбранными точками соответственно.

Если погрешность измерения CL не должна превышать 0,1 %, то погрешность определения частот выбранных точек должна быть не более 200 Гц при толщине образцов менее 0,05 м.

Шаг 6. Производится определение параметра. Для этого с учетом данных, полученных на шагах 1, 4, 5, предположения, что 0 = 0, y0 = (U1Э)max/B ((U1Э)max - максимальный уровень сигнала U1Э в анализируемой частотной области) и выражения (17) строится расчетная зависимость U(f). Далее путем подбора значений параметров y, (при необходимости и параметров B, с1, с2, с3) добиваются того, что бы сумма квадратов разностей экспериментальной и расчетной зависимостей сигнала S(В,, y) = , найденная, по всем точкам спектрограммы, принимала минимальное значение. После этого, по соответствующим значениям y и В, рассчитываются коэффициент затухания и погрешность по формулам:

(19)

где U - погрешность измерения сигнала.

Данная методика позволяет определять при y 0,05 и A < 30By при погрешности менее 10%. Для более высокого уровня помехи погрешность измерений увеличивается.

При измерении скорости по «особым точкам» вначале выделяется область, в которой находится эта точка (примерно в середине области), затем для нее строится квадратичный тренд и по его параметрам (в1, в2, в3) определяется положение точки.

При измерении по максимуму: ; при измерении по пересечению нуля: , где i =1 – первая точка; i =2 – вторая точка. Для f0i «-» берется, если в искомой точке < 0 и «+», если в искомой точке > 0. После определения положения точек скорость рассчитывается по формуле СL = , где f = fm1 - fm2 (или f = f01 - f02); n - количество периодов между выбранными точками.

Для автокорреляционного метода процедура та же самая, что и при применении его для импульсного метода, только в качестве параметра сдвига используется не время, а частота. По максимуму функции автокорреляционного метода находится f и рассчитывается значение скорости по вышеприведенной формуле.

В третьей главе также приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных с целью апробации разработанных методик и подтверждения функциональных характеристик ИИК. При проведении экспериментов было установлено, что при величине коэффициента затухания более 1000 дБ/м происходит эффект усиления полезного сигнала, обусловленный наличием помехи от задающего генератора анализатора спектра.

В четвертой главе приведены результаты анализа точностных характеристик ИИК с учетом предложенных алгоритмов и методик, а также его метрологические характеристики (табл. 2). Приведены структура и состав ПО ИИК, обоснован выбор программных и аппаратных средств, проведен анализ нестандартных ситуаций, способных повлиять на работу ИИК в автоматическом режиме.

Таблица 2

Основные метрологические характеристики ИИК

Величина	Диапазон измерений	Погрешность
ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ
Групповая скорость распространения CLгр, м/c	2000 – 15000	<0,05%
Скорость распространения сдвигового импульса CS, м/c	1000 – 8000	<0,5%
Коэффициент затухания, дБ/м	10 – 1000	<20%
РЕЗОНАНСНЫЙ РЕЖИМ
Скорость распространения продольных волн CL, м/c	2000-15000	<0,1%
Коэффициент затухания, дБ/м	0,2 1	20%
	1 5	10%
	5 200	5%
	200 2000	10%

Особое внимание в работе уделено вопросу метрологической аттестации программного обеспечения. Рассмотрены государственные и международные стандарты и руководства, регламентирующие различные аспекты создания и эксплуатации программного обеспечения средств измерений. На всех этапах разработки ПО ИИК учитывались требования рассмотренных нормативных документов и требования к различной создаваемой сопроводительной документации.

Основные результаты работы

1. Разработаны алгоритмы измерения скорости распространения и коэффициента затухания у.з. колебаний импульсным методом. Предложена методика, основанная на автокорреляционной функции.
2. Разработаны алгоритмы и методики измерения скорости сдвиговых у.з. колебаний импульсным методом.
3. Предложены и реализованы методики анализа частотных зависимостей скорости распространения и коэффициента затухания (для импульсного режима), позволяющие оценить величину дисперсии этих параметров.
4. Разработаны алгоритмы определения фазовой скорости распространения у.з. колебаний для резонансного метода.
5. Предложена методика оценки дополнительной дифракционной поправки при измерении коэффициента затухания резонансным методом на частотах ниже 5 МГц.
6. Для резонансного режима предложена и программно реализована методика определения коэффициента затухания и скорости распространения у.з. колебаний при наличии помехи, зависящей от частоты.
7. Установлено, что при величине коэффициента затухания более 1000 дБ/м происходит эффект усиления полезного сигнала, обусловленный наличием помехи от задающего генератора анализатора спектра.
8. С целью подтверждения функциональных характеристик ИИК проведены экспериментальные исследования с использованием оптической и емкостной установок. Сделаны выводы о необходимости дальнейшего изучения условий применения метода определения групповой скорости по центрам тяжести импульсов.
9. Проведена оценка составляющих погрешностей для реализованных алгоритмов и методик измерений.
10. Проведен анализ нестандартных ситуаций, которые могут повлиять на работу ИИК в автоматическом режиме. Программно реализованы механизмы, позволяющие снизить вероятность возникновения грубых промахов.
11. Сформирован набор программных библиотек для реализации различных численных методов, позволяющих создавать на их основе программное обеспечение средств измерений, удовлетворяющее требованиям, предъявляемым при метрологической аттестации.
12. Изучены и учтены требования нормативных документов и международных руководств по программному обеспечению средств измерений. Проведена работа по подготовке программного обеспечения к метрологической аттестации.
13. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение применяется в установках высшей точности, разрабатываемых в Дальневосточном филиале ФГУП «ВНИИФТРИ», которые в 2011-2013 годах будут переведены в ранг государственных эталонов.

Основные публикации по теме диссертации

1. Король, А.А. Определение дифракционных поправок по коэффициенту затухания ультразвуковых волн для резонансного режима измерений [Текст] / А.А. Король, А.И. Кондратьев, М.С. Жукова // Измерительная техника. – 2010, №4. – С. 29-43.

2. Король, А.А. Динамика дисперсионных характеристик акустических параметров полимеризующихся составов [Текст] / А.А. Король, В.И. Римлянд, В.Н. Старикова, А.И. Кондратьев // Вестник Тихоокеанского государственного университета № 3 (14), 2009. – С. 23-32.

3. Korol, A.A. Determination of the diffraction corrections to the attenuation factor of ultrasonic waves for the resonance method of measurement [Текст] / A.A. Korol, A.I. Kondratiev, M.S. Zhukova // Measurement Techniques – Volume 53, Issue 4 (2010). – P. 431-438.

4. Король, А.А. Программное обеспечение установки для комплексного измерения акустических величин [Текст] / А.А. Король, А.И. Кондратьев // Межрегиональная научно-практическая конференция «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности» (21-23 мая 2008 года), г. Хабарвоск: материалы конференции / под науч. ред. А.И. Мазура. - Хабаровск: изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2008. - 373 с. - С. 298-303.

5. Король, А.А. Подходы к обеспечению необходимой точности при измерениях акустических величин твердых сред [Текст] / А.А. Король, А.И. Кондратьев // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 13: Сборник трудов Пятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 491 с. – С. 202-204.

6. Король, А.А. Автоматизация обработки сигналов с использованием цифровых осциллографов Lecroy [Текст] / А.А. Король // XXXIV Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е.В. Золотова "Фундаментальные проблемы математики и информационных наук". - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2009 - 198 с. - С. 171-172.

7. Korol A.A. Influence of heat treatment of alloy D16 on formation acoustic spectral lines [Текст] / A.A. Korol, A.I. Kondratiev, M.S. Zhukova // Modern materials and technologies 2009: International Xth Russian-Chinese Symposium. Proceedings. – Khabarovsk: Pacific National University, 2009. P. 461-464.

8. Король, А.А. Влияние силы прижатия электрода к образцу на форму у.з. импульсов [Текст] / А.А. Король, А.И. Кондратьев, М.С. Жукова // Физика геосфер: шестой Всероссийский симпозиум, 7-11 сентября 2009 г., Владивосток, Россия: мат-лы докл.- Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2009. – 357 с. – С. 186-190.

9. Король А.А., Ли В.Н., Кондратьев А.И., Титов Е.А. Программный комплекс расчета степени локального разуплотнения контактного провода. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008615538, 19.11.2008 г.

10. Король А.А., Луговой В.А., Кондратьев А.И., Базылев П.В., Нигай В.П. Программно-измерительный комплекс для расчета параметров распространения различных типов акустических волн в твердых средах. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610483, 11.01.2011 г.

Король Андрей Александрович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 25.04.2011. Формат 6084. Гарнитура Times New Roman.

Уч.-изд. л. 1,3. Усл. печ. л. 1,2. Зак. 180. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС

680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.