На что влияет длительность зондирующего импульса
Импульсный радиолокатор
Рисунок 1. Измерение времени запаздывания в радиолокаторе
Рисунок 1. Измерение времени запаздывания в радиолокаторе
Рисунок 1. Измерение времени запаздывания в радиолокаторе
Импульсный радиолокатор
Рисунок 2. Параметры импульсов в радиолокаторе
Рисунок 2. Параметры импульсов в радиолокаторе
Важной отличительной особенностью по сравнению с другими методами радиолокации является необходимость синхронизации во времени всех процессов, происходящих в импульсном радиолокаторе. Передний фронт излучаемого импульса определяет начало отсчета для измерения запаздывания эхо-сигнала. Концом интервала запаздывания является момент достижения нарастающим фронтом эхо-сигнала своей вершины. Задержки, возникающие при обработке сигнала, являются систематическими и должны учитываться при расчете дальности цели. Случайные отклонения времени запаздывания влияют на точность импульсного радиолокатора.
Зондирующий сигнал
Форма зондирующего сигнала может быть математически описана следующим выражением:
| s(t) = A(t)· sin[ 2πf(t)·t + φ(t) ] | (1) |
Рисунок 3. Частотный спектр последовательности прямоугольных импульсов вблизи несущей частоты ftx
Рисунок 3. Частотный спектр последовательности прямоугольных импульсов вблизи несущей частоты ftx
Чем короче зондирующий сигнал, тем ближе друг к другу могут находиться два отражателя, которые тем не менее будут обнаруживаться как два отдельных объекта, а не как один протяженный объект. Ширина спектра BHF зондирующего сигнала увеличивается по мере уменьшения длительности импульса:
В случае простой модуляции импульса уменьшение его длительности ограничивает максимальную дальность действия радиолокатора. В этих условиях энергия зондирующего сигнала Ep может быть увеличена только за счет импульсной мощности PS при заданном разрешении по дальности. Для максимальной дальности определяющим фактором является энергия импульса, а не импульсная мощность:
| Ep = Ps· τ = Pav· Τ = | Pav | где | Ep = энергия импульса; PS = излучаемая импульсная мощность; Pav = средняя мощность (за период зондирования). | (4) |
| fPRF |
Значительное улучшение в такой ситуации может быть достигнуто за счет внутренней модуляции зондирующего импульса (внутриимпульсной модуляции). Соотношение между длительностью зондирующего импульса и длительностью импульса на выходе приемника определяется сжатием импульсов в приемнике. Измерение координат нескольких отражателей, в том числе определение дальности до каждого из них, может быть выполнено в течение длительности зондирующего импульса.
Функция φ(t) в выражении (1) описывает фазовый сдвиг всего сигнала. Радиолокатор, в котором начальная фаза зондирующего сигнала известна или может быть вычислена, называют полностью когерентным. Если же известно текущее значение фазы, но начальное ее значение не известно, то радиолокатор относят к одному из видов псевдокогерентных радиолокаторов. Если начальная фаза полностью неизвестна (меняется хаотически), радиолокатор является некогерентным. Функция φ(t) приобретает большое значение для случаев внутриимпульсной модуляции с кодированием (манипуляцией) фазы.
Эхо-сигнал (отраженный сигнал)
Обычно предполагают, что длительность зондирующего импульса и длительность отраженного эхо-сигнала равны. Поэтому при расчетах, где фигурируют излучаемая мощность и мощность принятого сигнала (что имеет место в фундаментальном уравнении радиолокации), длительность этих сигналов можно опустить.
В итоге эхо-сигнал подвергается такому большому количеству влияний, что его форма рассматривается как неизвестная. Тем не менее, оптимальные согласованные приемники или согласованные фильтры создаются путем использования нескольких параллельных каналов, учитывающих возможные деформации сигнала. Эти устройства обеспечивают максимально возможное отношение «сигнал — (шум + помеха)» (В англоязычных источниках: Signal to Noise Plus Interference Ratio, SNIR ). С их выхода сигнал поступает на дальнейшую обработку. При этом запоминается момент (положение на оси времени) максимального превышения сигналом шума как важный параметр, идентифицирующий этот сигнал среди сигналов, принятых от других целей.
Влияние длительности зондирующего сигнала
В зависимости от амплитудно-частотной характеристики кабеля, определяемой его типом (погонным затуханием) и длиной, параметры отраженного сигнала при одинаковых параметрах зондирующего сигнала могут существенно отличаться друг от друга.
Единообразный характер амплитудно-частотных характеристик кабельных линий (АЧХ КЛ) обеспечивает возможность согласования частотного спектра зондирующего импульса, определяемого длительностью, с АЧХ КЛ. Задача согласования сводится к подбору длительности зондирующего импульса, при которой основная часть амплитудного спектра отраженного импульса по основной части энергии (90%) расположена в той же полосе частот, что и спектр зондирующего импульса.
В приборе предусмотрена возможность такого согласования посредством автоматического изменения длительности зондирующего импульса при переключении диапазона измерения расстояния. Имеется также возможность ручной установки длительности.
Чем короче зондирующий импульс, тем выше разрешающая способность.
Чем шире зондирующий импульс, тем больше дальность обнаружения повреждения.
С ростом длительности зондирующего импульса при постоянной амплитуде повышается перекрываемое затухание, т.е. дальность измерений, так как увеличивается амплитуда отраженного импульса. Одновременно уменьшается разрешающая способность, так как отраженный импульс расширяется и отражения от соседних неоднородностей накладываются друг на друга.
Режимы работы прибора
А) Режим работы с памятью.
Запоминание и чтение информации осуществляется в пункте “Память” основного меню. В верхней строке отображается информация о наличии свободной памяти в процентах (рис. 27).
В режимах “Чтение” и “Удаление” можно выбрать файл соответственно для чтения или стирания информации (рис. 28).
В режиме “Запись” можно записать РФГ с дополнительной растяжкой 1…64 раз (рис. 29). При этом максимальное значение возможной растяжки зависит от объема свободной памяти и установленного диапазона.
Запись можно производить с усреднением от 1 до 255 раз (рис. 30). При необходимости считывание с линии с усреднением можно прервать нажатием на любую кнопку и записать результат с усреднением, полученным до момента прерывания (рис. 31).
Новое имя присваивается РФГ аналогично записи коэффициента укорочения (рис. 32).
Без растяжки можно записать более 200 РФГ с установленными и измеренными параметрами.
Б)При рассмотрении и анализе сложных РФГ, когда требуется локализация (выделение) повреждения на фоне помех различного происхождения, можно установить различные режимы работы прибора.
Меню режимов и рефлектограммы на экране прибора
Рис. 27 Рис. 28 Рис. 29
Рис. 30 Рис. 31 Рис. 32
Рис. 33 Рис. 34 Рис. 35
Рис. 36 Рис. 37 Рис. 38
Режимы “Разность Пам.-Пам. (Лин.-Пам.)” и “Сравнение Пам.-Пам. (Лин.-Пам.)” устанавливаются в пункте “Режимы” основного меню (рис. 33), используются при необходимости подавления синхронных помех (переотражений от входа прибора, отражений от муфт, вставок, ответвлений), при которых амплитуда отражения от удаленного повреждения линии меньше амплитуды синхронных помех.
Эти режимы наиболее эффективны в тех случаях, когда на одной трассе с поврежденной линией есть и неповрежденная линия, или если в памяти прибора хранится РФГ, снятая до повреждения.
Для работы в режимах “Разность Лин.-Пам.” и “Сравнение Лин.-Пам.” предусмотрена возможность настройки параметров прибора по параметрам РФГ, выбранной из памяти прибора (рис. 34).
В этих режимах можно смещать курсоры, устанавливать растяжку (но не более той, с которой хранится записанная в памяти РФГ), смещать по вертикали (рис. 36) и по горизонтали РФГ с линии, просматривать параметры настройки, оставить настройку параметров из памяти при выходе в нормальный режим измерения (рис. 35).
В режимах “Разность Пам.-Пам.” и “Сравнение Пам.-Пам.” выдается сообщение о несовместимости РФГ, если они записаны памяти с разными параметрами.
В приборе имеется режим “Компенсация затухания” сигналов при их распространении в линии. Характеристики затухания рассчитываются автоматически по величине указанного отраженного сигнала.
Для перехода к режиму «Компенсации затухания» нулевой курсор нужно установить на верхнюю точку зондирующего импульса, ближе к срезу, а измерительный – на верхнюю точку отраженного импульса, затухание которого нужно скомпенсировать (рис. 37). Затем переходят к режиму “Компенсация затухания”.
При некорректной установке курсоров выдается сообщение о неправильности установки курсоров.
При работе в режиме “Компенсация затухания” в правом верхнем углу экрана индицируется значок в видеуголка (рис. 38).
В) Режим “Усреднение” используется при наличии в измеряемой линии несинхронных помех, наводок, импульсных, а также для подавления внутренних шумов при большом усилении.
Количество усреднений устанавливается после выбора пункта “Усреднение” в основном меню (рис. 39).
При увеличении количества усреднений время обновления РФГ соответственно возрастает. Максимальное количество усреднений – 255.
Г) Режим работы с компьютером.
Вся информация из памяти прибора РЕЙС-105Р может быть переписана в память компьютера по интерфейсу RS-232. В компьютере может быть произведена дополнительная обработка или создана «библиотека» рефлектограмм обслуживаемых линий.
Созданная «библиотека» обслуживаемых линий позволяет ускорить и упростить поиск места повреждения путем сравнения поврежденной линии с этой же линией из «библиотеки». Обеспечиваются равные условия сравнения за счет автоматической установки параметров прибора по «библиотечным» данным.
Специальное программное обеспечение для компьютера позволяет считать данные из памяти прибора, записать данные в память прибора, растянуть или сжать рефлектограмму на экране компьютера, отображать таблицу коэффициентов укорочения, распечатать рефлектограмму и установленные в приборе параметры на принтере и т.д.
Описание работы прибора РЕЙС-105Р с компьютером приведено в следующем разделе.
Методическое пособие на тему “Физические основы ультразвукового метода НК” Специальность: дефектоскописты вагонных, локомотивных депо (стр. 4 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 |
Падение волны на границу двух твёрдых сред при наличии жидкостной прослойки.
14. Энергетические соотношения (при нормальном падении волн).
Коэффициентом прозрачности границы называют – соотношение интенсивности или амплитуды волны прошедшей через границу раздела сред, к волне падающей на границу, соответственно коэффициентом отражения – отражённой волны к падающей.
= 
от 0 до 1;
=
от 0 до l ;
На отражении упругих волн от несплошностей основана выявляемость дефектов при эхо-дефектоскопии, так как по своим акустическим свойствам несплошности (трещины, поры, шлаковые включения и др.) отличаются от основного материала.
Коэффициент отражения от трещин и пор близок к единице, если величина раскрытия больше 0,0001 мм.
Зеркальное отражение – возникает в том случае, когда высота неровностей поверхностей во много раз меньше длины волны.
Дефекты с зеркальными поверхностями эхо импульсным методом выявляются плохо. Угол отражения от таких поверхностей равен углу падения.
Диффузное отражение – возникает, если высота неровностей поверхностей соизмерима с длиной волны.
При наклонном падении коэффициенты отражения и прозрачности зависят как от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред, так и от угла падения. На графике показана зависимость коэффициентов прозрачности по энергии при падении продольной волны из оргстекла на сталь (толщина контактного слоя масла близка к нулю).
При увеличении прослойки, становиться меньше коэффициент прозрачности.
Газообразный слой в твёрдом теле, даже при минимальной толщине обладает очень хорошей отражающей способностью. Например для 
при толщине газообразного слоя порядка 
, где 
— длина волны в слое (при 
). Для 
при нормальном падении, коэффициент отражения R=1, независимо от толщины слоя.
Коэффициент отражения границы стали с другим материалом
Коэффициент отражения по интенсивности, R,%
Из таблицы видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением. Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном УЗ лучу, значительно меньше длины волны, то волны огибают ее без существенного отражения. Для получения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны.
ПРИМЕЧАНИЕ: Правила и законы, описанные выше справедливы только в определённых рамках или при определённых условиях говорят, что это верно если, действуют законы геометрической акустики (лучевой теории распространения волн).
Основные условия применимости законов геометрической акустики
1. Размеры отражателя более 2-3х длин волн (2в> (2-3)
, в противном случае геометрическая акустика не действует, так как велик вклад рефракционных поправок.
2. Расстояние то излучателя до отражателя и от отражателя до приёмника много больше длины волны 
, так как фронт волны можно считать плоским, только при значительных расстояниях.
3. Отражающие поверхности, имеющие незначительные неровности, т. е. являются зеркальными 2h* cosb 
l/4. Остальные поверхности диффузные.
14. Импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний
В современных дефектоскопах в основном используют импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний. При этом периодически излучают кратковременные импульсы с высокочастотным (ВЧ) заполнением. Импульсы ультразвуковых колебаний, излучаемые в контролируемое изделие, называются зондирующими.
Основные параметры упругих волн.
— длительность зондирующего импульса
— Высокочастотное заполнение импульса
— амплитуда размаха
Длительность зондирующих импульсов
Длительность зондирующих, импульсов измеряют обычно на уровне 0,1 от максимального значения U. В зондирующем импульсе, как правило, содержится от 4 до 12 периодов колебаний с ультразвуковой частотой f. Период этих колебаний, То для традиционной в дефектоскопии частоты ультразвуковых колебаний fо = 2,5 МГц равен:
То =1/fо = 1/2 Гц = 0,0000004 с = 0,4 мкс.
В практике используется длительность зондирующих импульсов tи = 1,6-5,0 мкс.
4 периода колебаний с частотой f0 9 периодов колебаний с частотой f0
Частоту заполнения fо зондирующих колебаний, как уже отмечалось выше, выбирают, исходя из минимальных размеров требующих выявления дефектов, с одной стороны, и максимальных размеров зерен материала, из которого изготовлено контролируемое изделие — с другой.
Размеры зерен, в свою очередь, влияют на коэффициент затухания ультразвуковых волн в материале изделия. Необходимо, чтобы длина ультразвуковой волны λ была сравнима с минимальным размером обнаруживаемого дефекта и намного больше размера зерна металла.
Не путайте частоту f0 ультразвуковых колебаний, которая составляет миллионы колебаний в секунду (1—10,0 МГц), и частоту посылок зондирующих импульсов F, составляющую всего лишь сотни и тысячи импульсов в секунду (100—4000 Гц).
Частота следования зондирующих импульсов
Частота следования зондирующих импульсов, используемая в различных дефектоскопических средствах, зависит от скорости перемещения ультразвукового преобразователя по контролируемому изделию. Таким образом, чем быстрее перемещаются ультразвуковые преобразователи по контролируемому изделию, тем чаще должны посылаться ультразвуковые колебания.
В связи с тем, что зондирующий импульс не всегда имеет симметричную форму относительно горизонтальной (временной) оси, для характеристики амплитудного параметра импульса используют величину размаха Uр первого периода колебаний. В радиотехнике импульс напряжения с высокочастотным заполнением называют радиоимпульсом. Таким образом, электрические колебания, подаваемые для возбуждения пьезопластины, то есть зондирующий импульс, представляют собой радиоимпульс. При выделении амплитудной огибающей этого импульса образуется видеоимпульс. Дефектоскопист на экране дефектоскопа наблюдает в виде видеоимпульсов эхо-сигналы, которые формируются при выделении огибающих радиоимпульсов с помощью амплитудного детектора.
 |
15. Акустическое поле наклонного преобразователя
Поле излучения-приема наклонного преобразователя
Особенность акустического поля наклонного ПЭП состоит в том, что УЗ волны излучаются в материал призмы, а затем, испытав преломление на границе, попадают в изделие. Это сильно изменяет ближнее поле преобразователя. Распределение энергии в ближнем поле становится равномерным, отсутствуют четко выраженные максимумы и минимумы.
Поле в дальней зоне образуют лучи диаграммы направленности, которые возникли уже в призме ПЭП, а затем преломились на границе призмы с изделием. При этом ослабление каждого луча определяется коэффициентом прозрачности для данного угла падения.
 | |
граница раздела сред |
 |
; где
В сечении плоскостью, проходящей через преломленную акустическую ось и перпендикулярной плоскости падения, поле остается симметричным. Диаграмма направленности будет такой же, как если бы поперечные волны непосредственно излучались в изделие мнимым источником с центром в точке, расположенной на расстоянии г» от точки О’:
r» = 
С/С,
Плоскость падения волны – называется основной плоскостью, также имеет место быть дополнительная плоскость падения волны.
Размер мнимого излучателя и его место положения не сложно находится в тригонометрических отношениях, в частности в плоскости падения имеет место связь:
, где
— размер мнимого излучателя
Ясно, что 
, а значит дальняя зона ДН в плоскости падения волны при наклонном вводе – шире, чем при нормальном, причём, чем больше b, тем больше a.
В дополнительной плоскости угол b не меняется, а значит в дополнительной плоскости, размер мнимого излучателя равен: 
.
Форма мнимого излучателя – эллипс. Таким образом Диаграмма направленности (ДН) наклонного ПЭП – различна в основной и дополнительной плоскости.
16. Расчет акустического тракта прямого контактного преобразователя
Естественные дефекты могут иметь самую различную форму, ориентацию и акустические свойства, которые заранее не известны. Поэтому уравнение акустического тракта решается обычно для искусственных дефектов, то есть полых отражателей достаточно простой геометрической формы.
Для анализа уравнений акустического тракта важное, значение имеют понятия полей излучения и приема ПЭП УЗ дефектоскопа. Поле излучения ПЭП определяется амплитудой сигнала, действующего на элементарный приемник, помещаемый в различные точки пространства. Поле приема определяется амплитудой сигнала приемного ПЭП при действии на него малого сферического излучателя, помещаемого в различные точки пространства.
В практике дефектоскопии часто ПЭП служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. Для определения его приемно-излучающих характеристик целесообразно проанализировать акустический тракт при отражении ультразвука от сферы, диаметр которой значительно меньше длины волны. Такую сферу можно рассматривать как вторичный сферический излучатель, амплитуда сигнала которого пропорциональна амплитуде падающей волны. В результате амплитуда отражения от такого дефекта пропорциональна С(г)*С(г’), то есть произведению полей излучения и приема.