Мониторинг изменения спектральных характеристик

Одним из важных этапов производства технических изделий являются испытания на стойкость к воздействию механических факторов. Эти испытания проводятся для выявления конструкционных недостатков, производственных дефектов, определения работоспособности в сложных условиях эксплуатации. Сложность испытаний на воздействие механических факторов заключается в возможности частичного или полного разрушения испытуемого образца. При разрушении испытуемого образца информация о ходе испытаний может оказать помощь при выяснении причин разрушения, и чем детальнее и шире информация, тем лучше. Если разрушение испытуемого образца недопустимо, то необходимо определить момент остановки испытаний.

Во время испытаний на воздействие классического удара к испытуемому образцу прикладывается на короткий промежуток времени значительная сила. Большая часть энергии, передаваемой испытуемому образцу, идёт на перемещение стола вибростенда с закрепленным на нём образцом, оставшаяся энергия поглощается им и идёт на деформацию. Количество энергии, поглощённой телом в ходе виброиспытаний, определяет степень деформации испытуемого образца. Задача состоит в том, чтобы по изменению реакции системы на входное воздействие определить степень деформации испытуемого образца и его динамику без применения дефектоскопов в течение испытаний.

Рисунок 1 — расстановка датчиков при проведении эксперимента

В эксперименте в качестве демпфера использовался кусок пластилина весом 100 грамм, которому была придана форма кубика со сторонами 41×41×41 мм (рисунок 1). Кусок пластилина поместили в центр расширительного стола вибростенда. Первый датчик был установлен рядом с куском пластилина на расширительном столе, второй установлен непосредственно на пластилине. Испытания проводились с помощью ZETLAB система управления вибростендами — программного обеспечения для управления вибростендами на базе анализатора спектра ZET 017, контроллер ZET 024. В ходе виброиспытаний выполнялся классический удар полусинусоидальной формы с амплитудой 1 g и длительностью 4 мс. На вход виброустановки подаётся входной сигнал с таким расчетом, чтобы контрольный акселерометр показал на осциллограмме импульс заданной формы. В данном эксперименте контрольный акселерометр «ВК», требуемая форма ударного импульса — половина синусоиды.

На рисунке 2 в программе «Многоканальный осциллограф» хорошо виден «провал» на пике сигнала, снятого со второго датчика. Этот «провал» связан с демпфирующими свойствами пластилина. Энергия, затрачиваемая на движение штока вибростенда, частично поглощается пластилином, что приводит к его деформации. В программе «Модальный анализ» рассчитываются по сигналам датчиков различные параметры измеряемой системы, в том числе и работа — «Интеграл F*s». По результатам измерений пластилин поглотил:

ΔЕ=Е₁-Е₂=0,0938-0,0510=0,0428 Дж

Эта энергия пошла на деформацию пластилина и рассеялась в виде тепла. При деформации пластилина будет изменяться амплитудно-частотная характеристика. Изменение амплитудно-частотных характеристик хорошо видно на узкополосном спектре.

Рисунок 2 — проведение эксперимента в виртуальной лаборатории ZETLab: программы «Классический удар» (слева вверху), «Модальный анализ» (внизу), «Многоканальный осциллограф» (справа)

На рисунке 3 представлены графики мгновенного спектра в конце виброиспытаний, график усреднённого спектра за первые 100 секунд и график разности первых двух графиков. На рисунке 3 хорошо видно, что наибольшее расхождение между графиками спектров наблюдается в полосе от 110 Гц до 150 Гц. Поскольку воздействующий сигнал представляет собой половину волны синусоиды и имеет длительность 4 мс, то полный период соответственно 8 мс, а частота равна 125 Гц. То есть наибольшие изменения в амплитудно-частотной характеристике куска пластилина произошли в области воздействующей частоты, что говорит о достоверности результатов.

Рисунок 3 — спектры удара: мгновенный, усреднённый и их разность

СКЗ мгновенного спектра составило 0,001316 g, скз усреднённого спектра 0,001293 g, скз разности спектров 0,000075 g, а относительное изменение составляет 5.8%.

При длительных испытаниях деформации в испытуемом образце будут накапливаться постепенно. Для определения величины деформации воспользуемся методом сравнения спектра ударного импульса с образцовым спектром. В качестве образцового спектра возьмём среднее арифметическое спектров первых ударных импульсов. В ходе виброиспытаний датчик, установленный на пластилине, отклонился от вертикального положения, что, несомненно, повлияло на передаточную характеристику.

В ходе испытания требуется контроль над отклонениями от образцового спектра в реальном времени, а не расчёт отклонения по их завершении. Алгоритм работы программы контроля достаточно прост: в течении заданного времени в начале испытаний накапливаются измерения спектра для вычисления образцового спектра, а потом в течении всего времени испытаний сравниваются с ним и строится график отклонений. При превышении заданного порогового уровня отклонений подаётся сигнал оператору.

Данная программа была реализована в SCADA-системе ZETVIEW. На рисунке 4 приведён проект, реализующий описанный выше алгоритм. В левом верхнем углу проекта находится элемент «входной канал», из него сигнал (голубые кружочки и соединительные линии) поступает на вход «узкополосного спектра». На выходе «узкополосного спектра» формируются массивы спектра и частотной полосы (фиолетовые кружочки и соединительные линии) и отображаются на «графике спектра». Массив спектра также поступает на элемент «суммирование массивов», который поэлементно суммирует массив спектра с результатом предыдущего суммирования в течении первых 100 секунд. Количество секунд установлено в элементе «количество усреднений», отсчитывает их элемент «инкрементирование» (в левом нижнем углу). Через указанное количество времени «мультиплексор» будет переключен на первый канал, по которому передаётся из элемента «массив нулей» нулевой массив того же размера, что и спектр. После деления массива поэлементно на количество усреднений в элементе «усреднённый спектр» получается массив усреднённого за 100 секунд спектра, который подаётся на «график спектра» и вычитается из мгновенного спектра. Из массива на выходе элемента «вычитания спектров» вычисляется среднеквадратичное значение (зелёные кружочки и соединительные линии), которое сравнивается с «пороговым значением», выводится на индикатор «скз разности» и записывается по сигналу «таймера графиков» (красные кружочки и соединительные линии) в конец массива «отклонение». Одновременно, по сигналу «таймера графиков» в элементе «инкрементирование» (справа) считается прошедшее с начала эксперимента время, которое выводится на элемент «счётчик измерений» и записывается в конец массива «время». Массивы «отклонение» отображается на «графике скз разности» по оси заданной массивом «время».

Рисунок 4 — SCADA-проект ZETView регистрации отклонений от усреднённого спектра

SCADA-проект ZETView состоит из двух частей: вида проектирования (рисунок 4) и вида оператора (рисунок 5). Оператор видит только необходимую ему информацию о ходе выполнения проекта в виде графиков, цифровых индикаторов и кнопок управления проектом. Проект запускается нажатием кнопки «Включить» (при этом кнопка изменяет название на «Влючено»), для перезапуска измерений есть кнопка «Сброс». После превышения указанного «времени накопления» цветовой индикатор изменил цвет на красный. На нижних цифровых индикаторах отображается текущее «скз отклонения» мгновенного спектра от среднего и текущее время испытаний. При превышении «порогового значения отклонения» цветовой индикатор меняет цвет на красный. На верхнем графике отображён усреднённый спектр и мгновенный спектр. На нижнем графике отображено отклонение мгновенного спектра от среднего в течении времени испытаний.

На нижнем графике хорошо заметно, что разность между усреднённым спектром в начале испытаний и мгновенным спектром с течением времени увеличивается. Случайные внешние воздействия иногда дают «всплеск» на графике, но минимальные значения разности постоянно возрастают. Постоянный рост минимальных значений отклонения говорит о появлении в пластилине необратимых деформаций и об их накоплении. При более длительных и интенсивных испытаниях деформации пластилина станут заметными даже невооружённым глазом.

Поскольку пластилин материал пластичный, то накопление деформаций не приведёт к его разрыву. Изделия из более ломких материалов (таких как закалённая сталь, стекло и прочих) при накоплении определённого количества деформаций раскалываются на куски полностью или частично. Поэтому наблюдение за изменением амплитудно-частотных характеристик позволит определить момент разрушения испытуемого изделия. При накоплении достаточного объёма статистки спектральных характеристик и результатов дефектоскопии можно уверенно определять степень деформации по изменению спектральных характеристик.

Рисунок 5 — SCADA-проект ZETView регистрации отклонений от усреднённого спектра, вид оператора

SCADA-система ZETView позволяет легко и быстро (описываемый проект был реализован за 1 час) реализовывать алгоритмы любой сложности и представить результаты в удобном для работы оператора виде. Выполнение всех операций обработки сигналов представляется в наглядной форме, на которой видна последовательность выполнения действий. SCADA-система ZETView очень простая и интуитивно понятная система. Неискушённый пользователь, не являясь программистом, за сравнительно короткое время (от нескольких минут до нескольких часов) способен создать сложную программу для сбора данных и управления объектами, обладающую красивым и удобным человеко-машинным интерфейсом.

Задачи контроля спектральных характеристик возникают не только при виброиспытаниях, но и во многих других областях науки и техники. Аналогичные задачи возникают также при контроле деформации зданий (изменения собственных частот колебания зданий), обнаружении дефектов в машинах и прочих. Приведённый выше алгоритм и его реализация в SCADA-система ZETView могут быть легко применены для решения прочих подобных задач.