Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Transkrypt

1 Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki Przedmiot: Badania nieniszczące metodami elektromagnetycznymi Numer Temat: Badanie materiałów kompozytowych z ćwiczenia: wykorzystaniem fal elektromagnetycznych o częstotliwości w pasmie THz 1 I. Wprowadzenie Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą terahercową badań nieniszczących oraz z analizą uzyskanych tą techniką wyników pomiarowych. II. Przebieg ćwiczenia Prezentacja terahercowego systemu terahercowego i wykonanie pomiarów Pierwsza część ćwiczenia obejmuje wizytę w Laboratorium Badań Nieniszczących znajdującym się w Katedrze Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki ZUT. W trakcie zajęć przedstawiony jest system do terahercowych badań NDT (Rys. 1) oraz wykonywane są pomiary materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknem szklanym i bazaltowym. Wyniki tych pomiarów są przetwarzane w dalszej części ćwiczenia. głowica nadawcza głowica odbiorcza spektroskop terahercowy TRay 4000 badany materiał układ pozycjonujący Rysunek 1. Terahercowy system pomiarowy. Przetwarzanie otrzymanych wyników pomiarowych Pierwszym materiałem poddawanym badaniu jest 6-warstwowy kompozyt bazaltowy zawierający defekt w postaci rozwarstwienia. Pomiary przeprowadzone zostały w układzie odbiciowym z zastosowaniem zwierciadła jednostronnie przepuszczającego (Rys. 2). Na rys. 3 schematycznie przedstawiono formowanie się odpowiedzi materiału wielowarstwowego na pojedynczy impuls wzbudzający. Amplituda poszczególnych impulsów zaleŝy od róŝnicy współczynników refrakcji n na granicy ośrodków, natomiast odstęp pomiędzy nimi zaleŝy od grubości poszczególnych warstw. Wybrane parametry sygnału umoŝliwiające wykrycie ukrytych defektów przedstawione są na rys. 4.

2 I 1 I 2 Rysunek 2. Schemat układu wykorzystywanego do inspekcji terahercowej oraz zasada pomiaru grubości materiału. Rysunek 3. Schematycznie przedstawienie formowania się odpowiedzi materiału wielowarstwowego na pojedynczy impuls wzbudzający. Rysunek 4. Przykładowe parametry sygnału w dziedzinie czasu i częstotliwości.

3 Inspekcja próbki z kompozytu bazaltowego zawierającej rozwarstwienie: 1. Wczytać dane pomiarowe z pliku BASALT_Delamination.mat (znajdującego się na stronie 2. Wyświetlić sygnał typu A dla róŝnych obszarów próbki, zaobserwować róŝnice. 3. Wyświetlić sygnał typu B wzdłuŝ i w poprzek próbki. 4. Dokonać wizualizacji sygnału typu C dla róŝnych głębokości. 5. Na podstawie uzyskanych sygnałów terahercowych i obserwacji wizualnej próbki oszacować miejsce występowania defektu - delaminacji. 6. Określić w jaki sposób obecność defektu wpływa na zmierzony sygnał. Inspekcja próbek z plexi: 1. Wykorzystując funkcję vvfastloadpicotd.m wczytać dane pomiarowe z pliku PLEXI2mm_PCA8i9mm_a20.picotd (znajdującego się na stronie W pliku zapisany jest sygnał typu A zarejestrowany podczas odbiciowej inspekcji terahercowej płyty o grubości d=2 mm wykonanej z plexi. 2. Wyświetlić sygnał typu A. 3. Obliczyć opóźnienie czasowe t w pomiędzy dwoma pierwszymi impulsami wywołanymi przez odbicie impulsu źródłowego od obu granic materiału. Opóźnienie to odpowiada dwukrotnemu "przejściu" impulsu przez grubość materiału d. 4. Obliczyć prędkość v propagacji fali EM w danym ośrodku. 5. Wczytać dane pomiarowe z pliku PLEXIXmm_PCA8i9mm_a20.picotd zarejestrowanego podczas inspekcji płyty z plexi o nieznanej grubości. 6. Obliczyć opóźnienie czasowe t b pomiędzy dwoma pierwszymi impulsami wywołanymi przez odbicie impulsu źródłowego od obu granic materiału. 7. Na podstawie obliczonej wcześniej prędkości v propagacji fali EM w badanym ośrodku oraz uzyskanego opóźnienia t b oszacować grubość materiału. Inspekcja próbki z kompozytu bazaltowego zawierającej wtrącenie materiału obcego: 1. Wczytać dane pomiarowe z pliku BASALT_Incl_4.mat (znajdującego się na stronie 2. Wyświetlić sygnał typu A dla róŝnych obszarów próbki, zaobserwować róŝnice. 3. Wyświetlić sygnał typu B wzdłuŝ i w poprzek próbki.

4 4. Dokonać wizualizacji sygnału typu C dla róŝnych głębokości. 5. Na podstawie uzyskanych sygnałów terahercowych i obserwacji wizualnej próbki oszacować miejsce występowania defektu - delaminacji. 6. Określić w jaki sposób obecność defektu wpływa na zmierzony sygnał. 7. Dokonać konwersji sygnału trójwymiarowego S3D(x,y,t d ) na sygnał dwuwymiarowy S2D(x,y) poprzez wyznaczenie wybranych parametrów sygnału typu A dla kaŝdej pozycji x,y. W celu wykrycia ukrytych defektów wyznaczane i wizualizowane są rozkłady wybranych parametrów sygnału, takich jak: maxval - wartość maksymalna sygnału A-scan w danym punkcie (x,y), minval - wartość minimalna, maxmin - wartość międzyszczytowa sygnału, sum - całka z wartości sygnału, sumabs - całka z modułu wartości sygnału, maxpos- połoŝenie wartości maksymalnej sygnału A- scan w danym punkcie (x,y), minpos- połoŝenie wartości minimalnej sygnału A- scan w danym punkcie (x,y), 8. Dokonać obliczeń i wizualizacji parametrów z punktu 7 dla obszarów znajdujących się na róŝnych głębokościach próbki (Wskazówka: wyznaczyć połoŝenie mint minimalnej wartości sygnału typu A, następnie do obliczeń wykorzystywać okno czasowe sygnału odniesione do połoŝenia mint). 9. Wykonać transformację FFT na sygnale S3D, następnie dokonać wizualizacji sygnału dla róŝnych częstotliwości. II. Uwagi do sprawozdania Na podstawie przeprowadzonych pomiarów naleŝy wykonać sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia. W sprawozdaniu naleŝy zawrzeć: 1. Cel i metodykę ćwiczenia. 2. Schemat systemu pomiarowego wraz z dokładnym opisem elementów układu i parametrami urządzeń pomiarowych. 3. Przedstawić wyniki pomiarowe. 4. Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników. 5. Sformułować i przedstawić wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. IV. Zagadnienia teoretyczne 1. Omówić przebieg ćwiczenia: a. cel ćwiczenia, b. jakie wielkości i w jaki sposób są mierzone podczas ćwiczenia,

5 c. jakie metody przetwarzania sygnału pomiarowego są uŝywane podczas ćwiczenia, d. układy pomiarowy wykorzystane podczas ćwiczenia (system do badań terahercowych). 2. Elektromagnetyczna fala płaska (równanie, właściwości), 3. Przenikalność elektryczna i magnetyczna, 4. Impedancja falowa próŝni i materiałów dielektrycznych, 5. Fala na granicy ośrodków - odbicie proste i ukośne, współczynnik transmisji i odbicia, 6. Zasada działania metody mikrofalowej/terahercowej, 7. Sposoby prezentacji sygnałów: A-, B-, C-scan, 8. Sposoby wykrywania niejednorodności materiału na podstawie sygnału czasowego uzyskanego za pomocą metody terahercowej, 9. Obliczanie grubości materiału (lub prędkości rozchodzenia się fali EM w materiale) na podstawie sygnału czasowego A-scan uzyskanego za pomocą metody terahercowej,. V. Literatura 1. Pliński E. F., Światło czy fale? Wybrane aspekty techniki terahercowej od elektroniki do biomedycyny, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Szóstka J., Fale i anteny, WKŁ, Warszawa 2001