Акустоэмиссионный измерительный комплекс
Разработка и изготовление акустоэмиссионного измерительного комплекса проводились в рамках выполнения договора с ИТЭС РАН по теме "Разработка технологии искусственной разрядки тектонических напряжений в земной коре и снижения сейсмической опасности".
Акустоэмиссионный измерительный комплекс разработан и изготовлен по заказу лаборатории моделирования энергонасыщенных сред (ЛМЭС) и предназначен для исследования процессов происходящих в глубинах земной коры методом физического моделирования с использованием акустической эмиссии (АЭ) нагруженных образцов горных пород при слабых внешних энергетических воздействиях. На рис. 7 схематично изображена структура разработанного и изготовленного измерительного комплекса.
Рис. 7
ПП1÷ПП7 - первичные пьезопреобразователи сигналов АЭ;
ПУ1÷ПУ7 - предварительные усилители АЭ сигналов;
LVDT1÷LVDT2 - датчики линейного перемещения;
БПУ LVDT - блок преобразования и усиления сигналов датчиков LVDT;
БШУ - блок широкополосных усилителей;
БР(АЦП) - блок регистрации (аналого-цифровые преобразователи);
БС - блок синхронизации;
ПК IBM PC - персональный компьютер;
ИЭВ - источник электрических воздействий;
Г - низкочастотный генератор;
В - вибратор (буззер);
Измерительный комплекс состоит из семи каналов для регистрации сигналов акустической эмиссии образцов горных пород, пяти измерительных каналов для регистрации составляющих их деформации и одного канала для регистрации и контроля величины главной нагрузки (сжимающей силы). Измерительная аппаратура комплекса может быть размещена на различных установках (специальных реологических прессах). Для проведения таких испытаний в НС РАН используются пружинная реологическая установка длительных испытаний (УДИ) конструкции А.Н. Ставрогина (ВНИМИ, С.- Петербург) с максимальной сжимающей нагрузкой до 100 тонн, реологический стенд с длинноходовой пружиной, обеспечивающей сжатие образца с усилием до 20 тонн и рычажный пресс с максимальным усилием сжатия около 60 тонн. Две последние установки были спроектированы и изготовлены в НС РАН.
Для обнаружения, регистрации и дальнейшего вычисления параметров потока сигналов АЭ в измерительном комплексе используются два измерительных канала, состоящие из первичных преобразователей АЭ сигналов (ПП6, ПП7), предварительных усилителей (ПУ6, ПУ7), блока синхронизации (БС), а также двух высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав блока регистрации (БР) акустических сигналов. Блок синхронизации (рис. 8) обеспечивает усиление, частотную фильтрацию и обнаружение поступающих на его вход сигналов от первичных преобразователей АЭ сигналов (ПП6, ПП7) усиленных предварительными усилителями (ПУ6, ПУ7). Предварительные усилители располагаются в непосредственной близости от первичных пьезопреобразователей и обеспечивают первичное усиление (≈ 20 дБ) АЭ сигналов и их передачу на значительное расстояние (до 20 м) без потерь и искажений, значительно снижая влияние внешних паразитных электромагнитных помех и наводок.
Рис. 8 Блок синхронизации с выносными предварительными усилителями и подключенными первичными пьезопреобразователями акустической эмиссии.
В качестве ПП6 и ПП7 использовались широкополосные пьезопреобразователи акустических сигналов (SE2MEG) фирмы DECI (США), которые закреплялись на боковой поверхности исследуемого образца. Один из измерительных каналов является опорным, с помощью которого осуществляется обнаружение АЭ сигналов. Для улучшения характеристик обнаружения сигналов, таких как вероятность ложной тревоги и вероятность правильного обнаружения, а также с целью снижения влияния помех и паразитных наводок полоса пропускания в этом канале была выбрана согласованной с ожидаемым спектром АЭ сигналов (100 ÷ 900 кГц).
При локации источников АЭ в измерительном комплексе используются пять измерительных каналов, состоящие из пяти разнесенных в пространстве датчиков АЭ (ПП1, ПП5, ПУ1, ПУ5) и шестиканального (один канал резервный) блока широкополосных малошумящих усилителей (БШУ).
Локация источников АЭ осуществляется по временным задержкам между зарегистрированными АЭ сигналами. Для обеспечения режима локации АЭ разработаны и изготовлены специальные широкополосные датчики акустической эмиссии со встроенными предварительными усилителями, представляющие собой акустическую антенную решетку и конструктивно размещенные в нижней опорной плите пресса, имеющей хороший акустический контакт с исследуемым образцом. Отличительной особенностью этих датчиков является то, что первичный преобразователь является гальванически развязанным от несущей конструкции испытательной установки, а предварительный усилитель выполнен в едином конструктиве с первичным преобразователем и не требует отдельных шин для питания схемы (шины питания объединены с линиями выходного сигнала). Это позволило значительно снизить влияние внешних электромагнитных наводок и помех.
Шестиканальный блок широкополосных усилителей (БШУ, рис. 9) предназначен для дальнейшего усиления и фильтрации сигналов, поступающих с выходов предварительных усилителей (ПУ1 ¸ ПУ5). Отличительной особенностью блока является наличие трех выходов у каждого усилителя, различающихся по усилению (20 дБ между соседними выходами), что позволяет увеличить динамический диапазон регистрируемых сигналов до 80 дБ.
Рис. 9
В блоке регистрации для сигналов акустической эмиссии (БР) использован набор быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП) типа ФК4224, ФК4225 и ФК4226, работающих под управлением специального контроллера в стандарте КАМАК. Встроенный в каждый АЦП кольцевой буфер памяти совместно с внешними запуском и тактированием обеспечивают синхронную многоканальную регистрацию импульсных сигналов АЭ с записью предыстории каждого события АЭ. Записанная предыстория событий АЭ при обработке сигналов позволяет определять параметры первого вступления импульсных сигналов АЭ. После завершения цикла записи (заполнение буфера памяти), зарегистрированные данные передаются внешнему компьютеру для дальнейшей обработки. Связь АЦП с внешним компьютером осуществляется через специальный КАМАК- контроллер. В измерительном комплексе реализован ждущий режим регистрации АЭ сигналов. Запись отсчетов АЭ сигналов в буфер АЦП производится до полного его заполнения при условии превышения сигналом уровня заданного порога, удовлетворяющего условиям амплитудного отбора (обнаружения). После заполнения буфера информация считывается во внешний компьютер, далее система снова переходит в режим ожидания АЭ события. Такой режим регистрации позволяет значительно экономить память внешнего компьютера.
Для контроля и измерения величин главного механического напряжения (нагрузки) и составляющих деформации (продольной и поперечной) исследуемых образцов в измерительном комплексе предусмотрены шесть измерительных каналов. В качестве датчиков деформаций и нагрузки в этих каналах используются специальные серийно изготавливаемые фирмой Schaevitz (США) индуктивные датчики перемещения (LVDT) типа 010–MHR (∆S ≈ ± 2,5 мм) и 050–MHR (∆S ≈ ± 12,5 мм), отличающиеся диапазоном измеряемых перемещений. Контроль нагрузки осуществлялся путем измерения укорочения сжимающей пружины пресса, величина которого пропорциональна прикладываемой к образцу нагрузке (датчик LVDT3, рис. 7). Продольная составляющая деформации измеряется датчиком LVDT1, контролирующим изменение расстояния между верхней и нижней опорой нагружающего пресса. Для измерения каждой из ортогональных составляющих поперечной деформации образца используются два датчика LVDT-типа, контролирующих перемещение двух противоположных боковых граней образца по горизонтали относительно неподвижной опоры. Составляющая деформации определяется как разница (с учетом знака) перемещений измеренных указанными датчиками. На рис. 7 условно показан датчик одной из поперечных составляющих деформации (LVDT2), контролирующий разность перемещений боковых граней образца. Сигналы от датчиков деформации и нагрузки поступают на вход специально разработанного и изготовленного шестиканального блока преобразования и усиления БПУ LVDT (рис. 10).
Рис. 10
На рис. 11 приведена структура одного канала БПУ LVDT. БПУ LVDT обеспечивает формирование опорных синусоидальных сигналов заданной частоты и амплитуды, подаваемых на LVDT датчики, преобразование (демодуляцию) выходных сигналов датчиков, а также их усиление и низкочастотную фильтрация. Оригинальные схемотехнические и конструктивные приемы и решения, примененные в процессе разработки, наряду с использованием современной элементной базы и выбором оптимальных параметров измерительной схемы позволили достичь высокой точности измерения контролируемых параметров. Абсолютная погрешность измерения нагрузки составила не более ± 10 кГ, а деформации – не более ± 0,2 мкм.
Рис. 11 Структура измерительного канала БПУ LVDT
В качестве источников дополнительных электромагнитных воздействий на исследуемые образцы в измерительном комплексе были использованы:
1. генератор импульсов Г5-54, формирующий прямоугольные импульсы амплитудой около 50В. Длительность импульсов устанавливалась порядка 5 ,10 микросекунд, частота повторения изменялась в пределах от 1 до 3 кГц;
2. индукционный искровой генератор, формирующий импульсы амплитудой до 10 кВ (без контроля формы импульса);
3. конденсаторный разрядник, создающий электрические импульсы с крутизной фронта порядка 1 мкс и пиковым напряжением порядка 1 кВ.
Сигналы от источников внешних электровоздействий подаются на угольные электроды, закрепленные на поверхности исследуемого образца.
Для вибровоздействий в измерительном комплексе был использован специальный малогабаритный вибратор (В), выполненный в виде пьезокерамического преобразователя (буззер), закрепляемого непосредственно на одной из граней исследуемого образца. На электрические зажимы буззера подавался синусоидальный сигнал заданной частоты и амплитуды от низкочастотного генератора (Г), обеспечивающие необходимый уровень и частоту вибраций.
В период с 2001 года и по настоящее время с помощью разработанного измерительного комплекса проведена большая серия экспериментов по регистрации акустической эмиссии образцов геоматериалов в присутствии дополнительных физических полей, наложенных извне, в которой испытано свыше 20 образцов горных пород, более 10 специально изготовленных образцов из цементно-гранитной смеси, а также несколько образцов из циркониевой керамики. В общей сложности в экспериментах было зарегистрировано свыше 300000 сигналов АЭ. Выполненные измерения подтвердили адекватность аппаратурного комплекса изучаемому явлению отклика АЭ на воздействие физических полей.
Для обработки зарегистрированных сигналов был специально разработан пакет программных средств. Конечным результатом обработки является получение характеристик отдельных сигналов АЭ, а также характеристик потока событий АЭ.
По результатам регистрации и обработки АЭ сигналов создана представительная база акустоэмиссионных данных, отражающих влияние на деформационные процессы электромагнитных полей и вибраций.
