СИСТЕМА ДАТЧИКОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОДУКЦИИ

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.372.54
П.А. ЛЕВИН, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
СИСТЕМА ДАТЧИКОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОДУКЦИИ
Ключевые слова: ультразвук, дистанционный контроль, обработка сигналов, конвейерные технологические процессы.
Предложена система дистанционного контроля положения объекта (продукции на конвейере) на основе нескольких ультразвуковых (УЗ) датчиков. Импульсные УЗ сигналы, рассеиваемые на объекте, одновременно распространяются по нескольким траекториям, что позволяет увеличить разрешение и чувствительность системы к случайным изменениям положения рассеивающего объекта. Приведена форма экспериментально полученных ультразвуковых сигналов и дан анализ возможности их цифровой обработки.
P.A. LEVIN, L.A. SLAVUTSKIY SYSTEM OF SENSORS FOR REMOTE ULTRASONIC TESTING PROVISIONS
OF PRODUCTION
Key words: ultrasonic, remote control, signal processing, conveyor technological process.
The article proposes a system for remote control of objects (products on a conveyor) on the basis of several ultrasonic sensors. Pulsed ultrasonic signals scattered at the obbect, while spread over multiple trajectories, thus increasing the resolution and sensitivity of the system to the random positions of the scattering object. The form of the experimental ultrasonic signals is presented and the possibilities of digital processing are analyzed.
В современной промышленности часто возникает необходимость пространственного контроля положения механических объектов, в частности положения продукции на конвейере. Чаще всего для этих целей используются оптические ИК датчики [3, 5]. Эти датчики имеют довольно высокую стоимость. В отличие от оптического ультразвуковой (УЗ) контроль во многих случаях дешевле и надёжнее. Основной проблемой УЗ дистанционного контроля объектов является большая ширина диаграммы направленности преобразователей. Поэтому при достаточно высоком разрешении по дальности [1] достижение необходимого разрешения по углу в таких системах контроля вызывает затруднения.
В настоящей работе для ультразвукового импульсного контроля рассматривается возможность использования системы УЗ датчиков, каждый из которых работает в режиме приёмо-передачи. При этом регистрируются сигналы как прямого, так и обратного рассеяния, что позволяет увеличить пространственное разрешение при регистрации положения объекта.
Для изучения возможности применения ультразвукового контроля применительно к конвейерному виду технологических процессов проведены моделирование и экспериментальные исследования УЗ-сигнала по схеме на рис. 1. Каждый преобразователь Д работал как излучатель и приёмник УЗ, исследовались сигналы, отражённые от объекта по разным траекториям при изменении его положения. Показанные координатные оси использовались для проведения математического моделирования и расчёта возможных погрешностей при определении положения объекта.
На рис. 2 представлены примеры экспериментальных осциллограмм сигналов, принятых по прямой и обратной траекториям для разных положе-
ний объекта. Сигналы с датчиков имеют нерегулярную форму, и их регистрация и идентификация требуют цифровой обработки и анализа. В случае прямого распространения принятый сигнал, отражённый от ленты конвейера и объекта на ней, может иметь различную форму и амплитуду в зависимости от положения объекта, угла наклона преобразователей, их положения.
При обратном распространении сигнала возможно обнаружение объектов на довольно широком участке поверхности, хотя амплитуда полезного сигнала при этом и ниже, чем в случае прямого распространения сигнала. При этом гораздо сильнее изменяется задержка сигнала (по сравнению с прямым распространением) [2].
Рис. 1. Расположение УЗ-преобразователей А и объекта на экспериментальном стенде: распространение УЗ-сигнала: 1-3 — прямое; 1-2 — обратное для положений А и Б
п
I I
А
I I
Б
1,25
1,8
г
2,4-10-3, с
Рис. 2. Примеры принятых сигналов, отражённых от ленты конвейера и объекта на ней. Отражение сигнала: прямое (преобразователи Д1 и Д3 - а, б) и обратное (Д1 и Д2 - в, г)
б
а
в
В силу широкой диаграммы направленности УЗ сигнал, рассеянный в прямом направлении, захватывает как объект, так и площадку возле него. Поэтому форма прошедшего в прямом направлении сигнала меняется в зависимости от положения объекта. А его задержка по переднему фронту меняется незначительно. При обратном рассеянии меняется в основном задержка сигнала, а его форма меняется незначительно. Используя для идентификации положения оба сигнала, можно увеличить точность измерений.
114
Вестник Чувашского университета. 2011. № 3
N
Поскольку задержки сигналов, рассеянных по разным траекториям, функционально связаны, одновременная регистрация импульсов несколькими преобразователями позволяет в разы уменьшить погрешность определения координат объекта [4]. Для оценки случайных погрешностей проводилось численное моделирование задержки прямого и обратного рассеяния при отклонении координат объекта (х ± Ах, у ± Ау), где х, у - координаты центра объекта, а Ах, Ау - случайные флуктуации, которые задавались нормальным (гауссовым) распределением.
Полученные в результате моделирования относительные изменения задержки приведены в виде гистограмм на рис. 3.
Здесь S = —, где т - задержка т
сигнала, Ат - её случайное изменение. Гистограммы для прямого (рис. 3, а) и обратного рассеяния (рис. 3, б) построены по N = 1000 импульсов.
Как видно из рис. 3, флуктуации задержки при обратном рассеянии значительно выше. Полученные гистограммы хорошо аппроксимируются двухпараметрическим распределением Вейбулла, которое описывается формулой:
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 S
а б
Рис. 3. Гистограммы распределений флуктуаций задержки т для прямого (а) и обратного рассеяния (б) и их аппроксимация распределением Вейбулла
/ (х) =
—1 — 1 е
к-1
, х > 0;
к я!
0, х < 0.
где к - параметр формы; X - параметр масштаба. При к = 2 распределение соответствует реллевскому.
При этом значения к и X распределений для прямого и обратного рассеяния существенно отличаются. На рис. 4 приведены зависимости среднеквадратичного значения флуктуации задержки (ширина гистограммы распре-
деления рис. 3 от координат рассеивающего объекта х, у). Как видно из рис. 4, случайные флуктуации задержки т существенно зависят от координат объекта (угла рассеяния, расстояния до УЗ датчика). Флуктуации т при обратном рассеянии (рис. 4, б) меньше зависят от координат объекта, чем при прямом. Если рассеивающий объект находится в центре между излучающим и приёмным преобразователями (А1 и А3 или А2 и А4), то задержка сигнала прямого рассеяния вообще оказывается малочувствительной к изменению положения объекта. Об этом свидетельствует глубокий провал в центре рис. 4, а.
Полученные статистические распределения (рис. 3) и оценка их ширины (рис. 4) представляются важными для построения алгоритма обработки УЗ сиг-
к
налов, поскольку количество УЗ импульсов для контроля объекта ограничено короткой выборкой. Например, в экспериментальной работе нами использовались УЗ преобразователи с резонансной частотой 50 кГц и длительностью импульса порядка 0,15 мс. Ширина конвейерной ленты порядка 0,5-1 м. Время прохождения сигнала составляет несколько микросекунд. Скорость продвижения конвейерной ленты составляет приблизительно 15 см/с. При размере продукции порядка единиц сантиметров и периоде повторения УЗ импульсов порядка 50 мс. Количество отраженных сигналов от каждого образца продукции, осциллограммы которых показаны на рис. 2, составляет не более 10 [2].
Dt Dt
0,1 1 0,1
а б
Рис. 4. Среднеквадратичный разброс задержки при распространении сигнала: прямом (а) и обратном (б)
В целом дистанционный контроль объектов (продукции) при помощи нескольких ультразвуковых датчиков с разнесённым излучателем и приёмником сигналов позволяет увеличить разрешающую способность и чувствительность системы контроля к случайным изменениям положения объекта.
Литература
1. Костюков А.С., Славутский Л.А. Статистическая погрешность ультразвукового цифрового уровнемера с частотно-фазовой модуляцией сигнала // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 8. С. 35-37.
2. Левин П.А., Славутский Л.А. Система ультразвукового контроля для управления конвейерным технологическим процессом // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы VII Всерос. науч.-техн. конф. «ИТЭЭ-2010». Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. 337 с.
3. Лысенко О. Триангуляционные датчики расстояния // Электронные компоненты. 2005. № 11. С. 1-5.
4. Новицкий П.В., Зограф Э.Н. Оценка погрешностей измерений. Л.: Энергия, 1983. 380 с.
5. Шишмарев В.Ю. Автоматизация технологических процессов: учеб. пособие. М.: ИЦ «Академия», 2005. 352 с.
ЛЕВИН ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ - аспирант кафедры управления и информатики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (konaz-levinson@mail.ru).
LEVIN PAVEL ALECSANDROVICH - post-graduate student of Management and Informatics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры управления и информатики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (las_co@mail.ru).
SLAVUTSKIY LEONID AnAtOLYEVICH - doctor of physical and mathematical sciences, senior scientific worker, professor of Management and Informatics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.