Модель емісійного діагностичного світлового сигналу
Емісійні сигнали різної фізичної природи запропоновано розглядати в межах спільної узагальненої моделі випадкового імпульсного потоку. Розглянуто алгоритм виявлення та виділення інформативної складової емісійного світлового сигналу за наявності завад під час фотоелектричної реєстрації. Наведено стру...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2013
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136833 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу / В.Р. Скальський, Є.П. Почапський, Б.П. Клим, О.Г. Сімакович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 4. — С. 109-118. — Бібліогр.: 42 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859901403327102976 |
|---|---|
| author | Скальський, В.Р. Почапський, Є.П. Клим, Б.П. Сімакович, О.Г. |
| author_facet | Скальський, В.Р. Почапський, Є.П. Клим, Б.П. Сімакович, О.Г. |
| citation_txt | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу / В.Р. Скальський, Є.П. Почапський, Б.П. Клим, О.Г. Сімакович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 4. — С. 109-118. — Бібліогр.: 42 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| description | Емісійні сигнали різної фізичної природи запропоновано розглядати в межах спільної узагальненої моделі випадкового імпульсного потоку. Розглянуто алгоритм виявлення та виділення інформативної складової емісійного світлового сигналу за наявності завад під час фотоелектричної реєстрації. Наведено структурну схему пристрою для відбору сигналу cвітлової емісії, який реалізує запропонований алгоритм.
Эмиссионные сигналы различной физической природы предложено рассматривать в рамках обобщенной модели случайного импульсного потока. Рассмотрен
алгоритм обнаружения и выделения информативной составляющей эмиссионного светового сигнала при наличии помех во время фотоэлектрической регистрации. Приведена
структурная схема устройства для отбора сигнала световой эмиссии, реализующего предложенный алгоритм.
It is proposed to consider the emission signals of different physical nature
within the generalized model of a random pulse stream. By specifying the model for the case of
the light signal emission, the algorithm of detection and selection of informative component in
the presence of interference during its photovoltaic registration is proposed. The block diagram
of the selection of the light emission signal, which uses the proposed algorithm, is given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:57:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
109
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2013. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 681.78:620.179.1
МОДЕЛЬ ЕМІСІЙНОГО ДІАГНОСТИЧНОГО
СВІТЛОВОГО СИГНАЛУ
В. Р. СКАЛЬСЬКИЙ, Є. П. ПОЧАПСЬКИЙ, Б. П. КЛИМ, О. Г. СІМАКОВИЧ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Емісійні сигнали різної фізичної природи запропоновано розглядати в межах спіль-
ної узагальненої моделі випадкового імпульсного потоку. Розглянуто алгоритм ви-
явлення та виділення інформативної складової емісійного світлового сигналу за на-
явності завад під час фотоелектричної реєстрації. Наведено структурну схему прист-
рою для відбору сигналу cвітлової емісії, який реалізує запропонований алгоритм.
Ключові слова: емісійні низькоенергетичні сигнали, модель сигналу, імпульсний
потік, виявлення та виділення емісійного сигналу.
Деформація та руйнування твердих тіл збуджує в них низку нерівноважних
процесів, а саме: випромінювання пружних хвиль – акустичну емісію (АЕ); елек-
тромагнетне випромінювання – радіочастотного, інфрачервоного та оптичного
діапазонів, а також рентгенівське; випромінювання нейтральних та заряджених
частинок – атомів, електронів, іонів тощо [1–12]. Емісія кожної фізичної природи
зумовлена певним механізмом генерування, а відповідний їм електричний сигнал
має свої інформаційні параметри.
Виходячи з цього, емісійні сигнали часто слугують основою високоефектив-
них методик і засобів комплексного неруйнівного контролю та діагностування
стану різних елементів конструкцій і виробів, які працюють в умовах промисло-
вого виробництва [2]. Особливо важливим є їх використання на етапах зароджен-
ня і ранніх стадіях розвитку тріщин.
Стан проблеми. Вимірювання інформаційних параметрів потоку актів емісії
різної фізичної природи дасть змогу кількісно дослідити кінетику процесів струк-
турних перетворень, в тому числі оцінити параметри протікання мікродеформації
та накопичення мікропошкоджень, а відтак, і діагностувати ранні стадії розвитку
руйнування конструкційних матеріалів.
Серед відомих праць, де досліджували емісійні процеси частинок за механіч-
них впливів на тверде тіло, вагоме місце займають дослідження Дікінсона [8–11].
Зокрема, він вивчав емісію позитивних іонів за руйнування оксидних покривів,
іонних кристалів, полімерів та ввів поняття “фрактоемісія”. У літературі часто
зустрічається також термін “механоемісія” [12] і “трибоемісія”.
Важливе місце серед емісійних явищ займає емісія світла. Френсіс Бекон
вперше спостерігав триболюмінесценцію (ТЛ) в експериментах з цукром близько
400 років тому і дійшов висновку, що випромінювання світла зумовлене тертям.
Широкий огляд досліджень ТЛ до 1977 року здійснив Уолтон [13].
Далі відзначимо праці Чандра і Цінка [14] та Світінга [15] з вивчення харак-
теристик триболюмінесцентних матеріалів та механізмів ТЛ, а також низки ін-
ших дослідників, які спрямовані на використання ТЛ як індикатора напружень та
руйнування [16, 17].
Коли триболюмінесцентний матеріал руйнується, електрони відриваються
від своїх атомів, що й спричинює появу заряджених поверхонь в області зламу [18].
Контактна особа: Є. П. ПОЧАПСЬКИЙ, e-mail: pochapskyy@ipm.lviv.ua
110
Це призводить до статичного розряду через утворену щілину. Світло випроміню-
ється кількома різними механізмами. Спектр ТЛ цукру [15] показує, що світло
зумовлене випромінюванням атмосферного азоту, який заповнює тріщину під час
руйнування, тобто джерело світла аналогічне до розряду блискавки – електролю-
мінесцентне. Спектри для зразків з низки інших матеріалів містять поряд з лінія-
ми азоту також випромінювання самого матеріалу. Для певної групи матеріалів
спектр ТЛ характеризується випромінюванням лише матеріалу [13, 14].
Розглядають [19] три механізми ТЛ: електричний, тепловий та хімічний. Ді-
кінсон зі співавторами [20] встановив кореляцію емісії фотонів та АЕ з процеса-
ми, що супроводжують деформування і руйнування композитів. Однонапрямлені
композити, що містили від 1 до 300 волокон, напружували розтягом. Фотонну і
акустичну емісію спостерігали до, під час і після руйнування.
Через складну мікроструктуру композиційних матеріалів виявлення й іден-
тифікація різноманітних подій під час руйнування навантаженого зразка є неод-
нозначними. На відміну від гомогенних матеріалів, в яких руйнування протікає
через поширення тріщини, композитні матеріали володіють декількома механіз-
мами пошкодження, які можуть прогресувати самостійно або у взаємодії один з
одним. Ці механізми включають в себе обрив волокна, міжповерхневе розшару-
вання, тріщиноутворення в матриці і волокнах [20, 21]. Внаслідок руйнування
композитів, де кожна його подія має свій механізм, використання сигналів акус-
тичної і фотонної емісій дало можливість точніше описати процеси, що призво-
дять до утворення тріщин, а також досягнути глибшого розуміння властивостей
композитних матеріалів [21].
Емісійні процеси, які супроводжують деформацію та руйнування твердих
тіл, найменше вивчені в металах [22]. Дослідження механолюмінесценції металів
за їх статичного навантаження описані, зокрема, в праці [22]. Як детектор вико-
ристовували фотопомножувач ФЕУ-136 (∆λ = 300…820 nm) в режимі підрахунку
фотонів. Ретельне світлове екранування, охолодження фотокатода до –20°С, фік-
сування його температури з похибкою 0,1°С, спеціальний захист від завад дали
можливість знизити шумовий фон до ≤2 s–1. Зчитувати і записувати імпульси апа-
ратура дозволяла практично необмежено довго, причому інтервал зчитування міг
змінюватися на десять порядків – від години до одиниць мікросекунд. Зразки для
випроб вирізали з металевих стрічок товщиною 0,1 mm, одержаних методом хо-
лодної прокатки з міді марки М1, сталі 4X13 і титану ВТ-1-0. Автори показали,
що квазістатичне навантаження металу при Fload < Fdestr. супроводжується люмі-
несценцією у видимому діапазоні довжин хвиль, яка виникає окремими спала-
хами; за зняття навантаження випромінювання зникає, а за повторного наванта-
ження поновлюється; кількість спалахів випромінювання за інших рівних умов
більша під час навантаження крихких металів порівняно з кількістю спалахів, за-
реєстрованих за навантаження пластичних металів.
Кожен такий спалах складається з 3…7 імпульсів, що випромінюються впро-
довж 5…10 µs. Збудження окремих пакетів випромінювання може бути пов’язане
з виникненням окремих короткоіснуючих вогнищ незворотної деформації. Фено-
менологічно явище нагадує люмінесценцію, що виникає у видимій частині спек-
тра за механічного впливу на діелектрик, де появу імпульсу механолюмінесцен-
ції також пов’язують з первинними актами руйнування, хоча механізм збудження
люмінесценції діелектриків і металів не обов’язково один і той же [23].
Відомі експериментальні результати дали змогу запропонувати механізм ме-
ханолюмінесценції металів [1, 24], суть якого полягає у тому, що під час руйну-
вання поблизу вершини тріщини утворюються пластичні зони з високою концен-
трацією дислокацій. Після зняття навантаження відбувається дислокаційне по-
вернення деформівного шару, пов’язане з анігіляцією пар дислокацій протилеж-
111
ного знака і з виходом рухливих дислокацій на поверхню. Реальні дислокації в
металах мають складну структуру і тому їх повна анігіляція малоймовірна. У
кожній дислокаційній реакції можлива анігіляція тільки окремих паралельних
відрізків. Вона супроводжується виділенням значної енергії, що досягає декіль-
кох електрон-вольт на одну міжатомну відстань уздовж осі. За анігіляції дислока-
цій у благородних металах можливий перетин термів внутрішніх d-електронів,
локалізованих в області ядра дислокацій, зі станами вільних s–p зон. Неадіаба-
тичні переходи, що виникають під час таких перетинів, призводять до появи ді-
рок у квазілокальних d-станах поблизу дислокацій, що утворюються в результаті
дислокаційних реакцій. Звідси випливає, що інтенсивність люмінесценції повин-
на бути пов’язана з концентрацією дислокацій у приповерхневому деформівному
шарі, а її динаміка – з динамікою руху дислокацій або напружень.
Запропонований метод механостимульованої фотоемісії [25, 26] дає можли-
вість оцінити локальне напруження σМ у вершині крихкої тріщини. Експеримен-
ти проводили на гарячекатаній сталі 3. Розтягували гладкі зразки діаметром 8 mm
а також з кільцевими проточками глибиною 2 mm, кутом розкриття надрізу 60°
та U-подібні. Також зразки випробовували на згин з надрізом глибиною 0,5 mm,
кутом розкриття надрізу 45° [25].
Близькі значення σM, знайдені за методикою механостимульованої фото-
емісії [25], і критичних локальних напружень σF, визначені методами механіки
руйнування (відмінність ≈9%), підтверджують інваріантність σF до впливу зов-
нішніх чинників (геометрії зразка, типу надрізу, швидкості і температури випро-
бувань) та дають змогу стверджувати, що σF характеризує конструкційну міц-
ність сталі. Незначне перевищення цієї характеристики, отримане методом меха-
ностимульованої фотоемісії, пояснено його більшою локальністю [25].
Таким чином, спільні ознаки генерування сигналів емісії такі: випадкова по-
ява в часі; обмеження в часі (фінітні); за енергією та потужністю співмірні із шу-
мовим сигналом (низькоенергетичні); випадкова амплітуда. Це дає підставу роз-
глядати їх в межах узагальненої моделі випадкового імпульсного потоку [27–30],
а також виробити спільні підходи до розробки алгоритмів відбору та обробки
емісійних сигналів і на цій основі створити відповідні діагностичні інформацій-
но-вимірювальні системи.
Узагальнена модель емісійного сигналу. Отже, емісійний сигнал зобража-
ється як суперпозиція імпульсів, форму яких описують детермінованою функці-
єю ( )F t , нормованою на одиницю в максимумі, причому імпульси можуть від-
різнятися за амплітудою. Відповідний імпульсний потік записуємо у вигляді
( ) ( )i i
i
X t A F t t= −∑ , (1)
де it – випадковий момент появи i-гo імпульсу, 0,1, ...,i = a iA – його випадкова
амплітуда. Припускаємо, що не обов’язково ( ) 0iF t t− = при it t< . Функція ( )F t
може і не мати початкового значення it , до якого вона дорівнює нулю. Передба-
чаємо лише, що ( )F t досить швидко прямує до нуля при | |t →∞ , а отже,
| ( ) |iF t t dt
∞
−∞
− < ∞∫ . (2)
Моменти часу it можуть бути пов’язані з будь-якою характерною точкою –
з екстремумами ( )F t або з точками переходу через нуль, якщо такі є [27, 28].
Загальніше формулювання задачі полягає в тому, що випадковою передбача-
ємо також форму самих імпульсів, а саме: імпульс описуємо детермінованою
112
функцією ( )F ⋅ від ( )it t− і від сукупності деякого скінченного числа m випадко-
вих параметрів, тобто від m–мірної випадкової величини 1 2{ , ,..., }i i i imµ = µ µ µ :
( ) ( , )i i i
i
X t A F t t= − µ∑ . (3)
Випадкові значення Ai і ti вважають статистично незалежними, а випадкові
параметри µi характеризуються власними розподілами чи густинами.
Існує декілька способів реєстрації світлового сигналу, де використовують
механізм взаємодії випромінювання з об’єктом [31, 32]. До них належить, зокре-
ма, реєстрація світла за допомогою фотоелектричних перетворювачів, робота
яких ґрунтується на внутрішньому чи зовнішньому фотоефекті.
Як фотоелектричний перетворювач широко використовують фотоелектрон-
ний помножувач (ФЕП), який є високочутливим перетворювачем світла в елект-
ричний сигнал [33]. Підсилення потоку фотоелектронів, вибитих з фотокатода
ФЕП, розглянуто в працях [33–35]. Зокрема показано, що кількість електронів в
імпульсі струму на виході помножувача, який відповідає вибитому фотоелектро-
ну, є випадковою величиною, що описується гіперпуассонівським законом
1 2
1 2 1
1 2 1 1
1 20 0 0
1 2 1 1
[ ] ([ ] ) ...([ ] )
...
! ! ... !
exp( [ ] [ ] ... [ ] ) ,
m
m
m
NN N
m m
N
mN N N
m m
N N
P
N N N
N N
−
∞ ∞ ∞
−
= = =
−
α α α
= ×
× − α − α − − α
∑ ∑ ∑ (4)
де Nm – кількість електронів в імпульсі струму після останнього m-го динода;
[αm] – математичне сподівання ефективності m-го динода.
Форма ( )h t імпульсу струму (близька до дзвоноподібної) на виході ФЕП,
який відповідає акту результативної взаємодії світла з фотокатодом, визначається
конструкційними особливостями ФЕП, характеризує його роботу і є неінформа-
тивною ознакою сигналу. Для сучасних швидкодіючих ФЕП вихідні імпульси
струму можна вважати за незначної інтенсивності вихідного потоку нескінченно
короткими. Тобто потоку актів результативної взаємодії світла і речовини відпо-
відає потік нескінченно коротких імпульсів струму на виході фотопомножувача
[36]. Фотоелектронне підсилення супроводжується явищем термоелектронної
емісії з анода та динодної системи ФЕП [33]. Це призводить до появи власного
шумового імпульсного потоку ФЕП, динодна складова якого може бути відфіль-
трована за амплітудною ознакою, а анодна – за амплітудою та формою не відріз-
няється від імпульсів, зумовлених явищем фотоемісії [33, 36]. Експериментальні
та теоретичні дослідження показують, що власний шумовий потік ФЕП необхід-
но вважати пуассонівським [33]. Його інтенсивність значною мірою залежить від
температури.
Отже, робимо висновок, що модель вихідного сигналу ФЕП можна записати
у вигляді
( ) ( ) ( ) ( )i i j j kl kl
i j k l
X t A h t t A h t t A h t t= − + − + −∑ ∑ ∑∑ . (5)
Перша сума (i = 0, 1, ...,) залежності (5) відповідає власним шумам ФЕП,
друга (j = 0, 1, ...,) – неперервній оптичній заваді каналу передачі. Третій доданок
( )kl kl
k l
A h t t−∑∑ – інформативний і відповідає емісійному імпульсному світлово-
му сигналу (1) чи (3) з формою імпульсу (2), причому індекс k = 0, 1, ..., нумерує
імпульси емісійного світлового сигналу, а індекс l = 0, 1, ..., – вихідні імпульси
ФЕП, які є результатом реєстрації k-го імпульсу емісії. Фактично інформативна
складова потоку (5) є випадковою послідовністю груп імпульсів. Також А – амп-
113
літуда вихідних імпульсів ФЕП, розподілена за гіперпуассонівським законом (4),
( )h ⋅ – форма імпульсів.
Для розв’язання різних задач статистичного аналізу ефективним є апарат по-
токів групованих точок [29, 30]. При цьому вводять поняття внутрішньо- і загаль-
ногрупових параметрів. Внутрішньогрупові відповідають моментам настання
подій it , які належать окремій групі, яку називають також вторинним потоком.
Загальногрупові параметри характеризують групу в цілому, наприклад, визнача-
ють початок j-ї групи τj, її протяжність, кількість подій у групі тощо. У розгляду-
ваному випадку кількість груп є випадковою величиною, а загальногрупові пара-
метри (наприклад, початок групи) утворюють випадковий потік. Його називають
первинним.
Відбір емісійного імпульсного світлового сигналу. Згідно з виразом (5),
моделлю вихідного сигналу ФЕП є імпульсний потік. Кількість електронів iN в
імпульсі струму на виході ФЕП є випадковою величиною внаслідок випадковості
самого процесу множення електронів [33, 36] і описується гіперпуассонівським
законом (4). Відповідно кількість заряду в імпульсі буде i ieNρ = , де e – заряд
електрона.
Для математичного сподівання заряду одержуємо вираз
1
[ ] [ ]
m
i
i
e
=
ρ = α∏ . (6)
Тут iα – ефективність динодів, i = [1, m].
Для сучасних швидкодіючих ФЕП вихідні імпульси струму є дуже короткі, а
тому, практично, їх амплітуда пропорційна до заряду в імпульсі.
Математичне сподівання заряду в імпульсі струму на виході ФЕП, зумовле-
ного шумами першого динода (окремий акт термоелектронної емісії з динода
вважають одиночною подією), запишемо у вигляді
1
2
[ ] [ ]
m
i
i
e
=
ρ = α∏ . (7)
Із виразів (6) і (7) бачимо, що 1 1 1[ ] [ ][ ] [ ]ρ = α ρ > ρ . Це означає, що існує прин-
ципова можливість відфільтровування за амплітудною ознакою шумів динодної
системи (імпульси, зумовлені шумами решти динодів, за амплітудою ще слабші).
Щоб уникнути помилок другого роду (пропусків корисних імпульсів) [37,
38], амплітудний поріг Un пристрою відбору (дискримінатора імпульсів), приве-
дений до виходу ФЕП, повинен вибиратися з умови
[ ]пU k Dρ= ρ − , (8)
де коефіцієнт k = const визначає імовірність помилки. Оскільки кількість електро-
нів в імпульсі є великою, то закон розподілу заряду ρ наближається до нормаль-
ного і для k = 1 імовірність пропуску дорівнює P ≈ 0,16.
Відфільтрувати за амплітудною ознакою складові сигналу (5), які відповіда-
ють шумам катода ФЕП, а також оптичній заваді каналу передачі, неможливо, а
отже, стоїть задача виявлення та виділення інформативної складової, яка відпові-
дає емісійному імпульсному світловому сигналу на фоні завад.
За найпростішого випадку можлива стрибкоподібна зміна відомої інтенсив-
ності інформативної складової в залежності (5) у деякий невідомий момент часу
спостереження. Задача виявлення такої зміни інтенсивності та оцінки самого мо-
менту зміни розглядалася раніше [39]. Припущено [40], що невідомий також
стрибок інтенсивності. Однак для повного оперативного контролю властивостей
114
потоку необхідно виявити зміну його інтенсивності, оцінити її до і після зміни, а
також сам момент зміни.
У більшості практичних задач апріорні розподіли інтенсивностей і момент їх
зміни, а також апріорні ймовірності відповідних гіпотез невідомі. Це не дозволяє
застосовувати байєсівські алгоритми. Щоб виявити та оцінити момент зміни не-
відомої інтенсивності, використали метод максимальної правдоподібності [41,
42], який дає можливість подолати труднощі, пов’язані з апріорною невизначені-
стю. Тут вважався відомим інтервал часу, протягом якого можлива зміна, а також
припускалося, що інтенсивність потоку до і після зміни постійна.
Для моделі (5) інтенсивності перших двох складових потоку, які відповіда-
ють власним шумам ФЕП nn(t) та оптичній заваді каналу передачі nd(t), відповід-
но, апріорі невідомі, проте часто на практиці їх можна вважати постійними, а
самі потоки – пуассонівськими. Тоді сумарний фоновий потік буде також пуассо-
нівським з інтенсивністю constb n dn n n= + = .
Інформативна складова відповідає емісійному імпульсному світловому сиг-
налу, є випадковою послідовністю груп імпульсів з інтенсивністю імпульсів у
групі ( )n t , що є випадковою функцією часу.
Щоб розробити принципи відбору інформативного сигналу на фоні сумарно-
го шумового потоку, використаємо адаптивний підхід, тобто попередньо оцінимо
апріорі невідому інтенсивність фонової складової і на цій основі обчислимо зна-
чення порогу, яке забезпечить необхідну імовірність помилки першого роду.
Математичне сподівання кількості імпульсів N(T) фонового потоку, зареєст-
рованих за час спостереження T, дорівнює [ ( )] bN T n T= , а дисперсія 2
N ND = σ =
bn T= . Поріг можна подати у вигляді
( )([ ( )] ) ( )th N T b bN Ent N T k Ent n T k n T= + σ = + , (9)
де безрозмірний коефіцієнт k = const задає перевищення порогу над математич-
ним сподіванням, а ( )Ent • – оператор виділення цілої частини числа.
Імовірність того, що за час спостереження зареєструємо кількість імпульсів
фонового потоку N(T) > Nth (імовірність помилки першого роду) така:
0
( )
( ( ) ) 1 exp( )
!
th iN
b
th b
i
n T
P N T N n T
i=
> = − −∑ . (10)
Наведено (рис. 1) залежності ймовірності (10) перевищення порогу N(T) > Nth
від математичного сподівання кількості зареєстрованих імпульсів фонового пото-
ку за різних значень коефіцієнта k.
Використовуючи ці залежності і задавшись імовірністю помилки першого
роду, можна знайти відповідне значення порогу для прийняття рішення про наяв-
ність чи відсутність інформативної складової в потоці.
На практиці відбувається заміна невідомого істинного значення інтенсив-
ності фонового потоку у виразі (9) на її оцінку ˆbn .
Пристрій прийняття рішення про наявність чи відсутність інформативної
складової в потоці повинен поточно нагромаджувати імпульси випадкового
потоку (5)
( , ) ( )
t T
t
N T t dN t
+
= ∫ . (11)
Тут N(T, t) – кількість імпульсів потоку, нагромаджених за інтервал часу T, який
починається в момент часу t; N(t) – реалізація потоку у вигляді ступінчастої
функції.
Якщо N(T, t) > Nth – кількість нагромаджених імпульсів перевищить значен-
115
ня порогу, то приймаємо, що в момент часу t виник інформативний сигнал (група
імпульсів).
Припустимо, що інтенсивність імпульсів у групі змінюється за експоненцій-
ним законом 0( ) exp( )n t n t= −α (α – стала загасання). Тоді максимальне значен-
ня математичного сподівання кількості нагромаджених імпульсів сумарного по-
току таке:
0
0
0
[ ( )] [ exp( )] [1 exp( )]
T
b b
n
N T n n t dt n T T= + −α = + − −α
α∫ . (12)
Прирівнявши значення порогу (9) з результатом нагромадження (12), для
мінімальної початкової інтенсивності 0n інформативного імпульсу експоненцій-
ної форми, який буде виявлений на фоні сумарного шумового потоку інтенсив-
ністю bn , одержимо:
0 [1 exp( )] b
kn n T
T
α
=
− −α
. (13)
Рис. 1. Fig. 1. Рис. 2. Fig. 2.
Рис. 1. Залежність імовірності Р(N(T) > Nth) перевищення порогу від математичного
сподівання кількості зареєстрованих імпульсів фону: 1 – k = 0,5; 2 – k = 1; 3 – k = 2.
Fig. 1. Dependence of the probability Р(N(T) > Nth) of exceeding the threshold on the
expectation of the number of registered pulses background: 1 – k = 0.5; 2 – k = 1; 3 – k = 2.
Рис. 2. Залежність мінімальної інтенсивності n0 інформативного імпульсу, який буде
виявлений, від інтенсивності фонової складової nb: 1 – α = 1/T; 2 – α = 2/T; 3 – α = 3/T.
Fig. 2. Dependence of the minimum intensity n0 of informative pulse to be detected
on the intensity of the background component nb: 1 – α = 1/T; 2 – α = 2/T; 3 – α = 3/T.
Наведено (рис. 2) залежності мінімальної інтенсивності n0 інформативного
імпульсу від інтенсивності фонової складової nb за різних значень сталої α (ви-
значає тривалість імпульсу); k = 1; T = 0,01 s.
Розроблення пристрою для реалізації алгоритму відбору. Наведено (рис. 3)
схему пристрою для відбору сигналу світлової емісії, який реалізує запропонова-
ні принципи.
Сигнал з виходу ФЕП, який реєструє сумарний світловий сигнал, поступає
на вхід 1 дискримінатора 2, в якому за амплітудною ознакою відфільтровуються
шуми динодної системи. Пристрій для оцінки інтенсивності шумової складової
сигналу 5, попередньо оцінює інтенсивність фонової складової ˆbn , значення якої
використовується блоком задання порогу 9 для обчислення порогу прийняття
рішення.
116
Рис. 3. Структурна схема пристрою
для відбору сигналу cвітлової емісії:
1 – вхід пристрою; 2 – дискримінатор;
3 – тактовий генератор; 4 – двійковий
лічильник; 5 – пристрій для оцінки
інтенсивності шумової складової
сигналу; 6 – буфер черги; 7 – схема
ковзного нагромадження; 8 – лічильник
кількості циклів нагромадження;
9 – блок задання порогу; 10 – блок
пам’яті; 11 – блок прийняття рішення.
Fig. 3. The block diagram of the device for the selection of the signal light emission:
1 – input of device; 2 – discriminator; 3 – clock; 4 – binary counter; 5 – a device for estimating
the intensity of signal noise component; 6 – buffer of queue; 7 – sliding storage scheme;
8 – count of the number of accumulation cycles; 9 – block thresholding; 10 – memory block,
11 – decision block.
Момент перевищення кількістю нагромаджених імпульсів (11) значення по-
рогу ( , ) thN T t N> , приймається за момент часу t появи інформативного сигналу.
Очевидно, що при цьому похибка вимірювання часу дорівнює інтервалу нагро-
мадження T .
Для зменшення цієї похибки доцільно розбити інтервал нагромадження на
менші T0 цикли так, щоб T = mT0, де m – ціле число, і порівнювати з порогом піс-
ля закінчення кожного чергового інтервалу T0. Інтервали T0 формує тактовий ге-
нератор 3, він же дає дозвіл двійковому лічильнику 4 на підрахунок кількості ім-
пульсів N(T0) потоку на виході дискримінатора 2 впродовж цього інтервалу. Кіль-
кість циклів m у поточному інтервалі нагромадження задається в лічильнику 8.
Використовуючи дані лічильника 8 і пристрою 5, блок 9 обчислює поріг
0 0ˆ ˆ[ ]th b bN Ent mn T k mn T= + . (14)
Своєю чергою в схемі поточного нагромадження 7 формується величина
0
1
( ) , 1, 2, 3, ...
m
j j k
k
N N T jΣ
+
=
= =∑ , (15)
яка періодично з періодом T0 порівнюється в блоці прийняття рішення 11 з поро-
гом (14). Якщо j thN NΣ < , то нагромадження продовжується далі без змін. В ін-
шому випадку спрацьовує блок 11, що означає виявлення групи імпульсів, яка
відповідає інформативному емісійному імпульсу світла. Одночасно запускається
блок пам’яті 10, в який послідовно записуються з буфера черги 6 результати на-
громадження NJ(T0). Використання буфера черги дає змогу записувати дані, по-
чинаючи з такту (j–m) (j – такт, на якому спрацював блок прийняття рішення), що
забезпечує збереження інформації. Причому за момент виявлення інформативно-
го імпульсу приймається величина jT0. Закінчення запису в пам’ять відбувається
одночасно з переходом блока 11 в початковий стан.
ВИСНОВКИ
Деформація та руйнування твердих тіл збуджує в них низку нерівноважних
емісійних процесів різної фізичної природи. Спільні ознаки сигналів емісії дають
можливість розглядати їх в межах узагальненої моделі випадкового імпульсного
потоку. Для емісійного світлового сигналу модель конкретизують до випадкової
послідовності груп імпульсів. Алгоритм виявлення та виділення інформативної
117
складової емісійного світлового сигналу за наявності власних шумів фотоелект-
ричного перетворювача та неперервної оптичної завади каналу передачі ефектив-
но реалізують, виходячи з попередньої оцінки апріорі невідомої інтенсивності
фонової складової.
РЕЗЮМЕ. Эмиссионные сигналы различной физической природы предложено рас-
сматривать в рамках обобщенной модели случайного импульсного потока. Рассмотрен
алгоритм обнаружения и выделения информативной составляющей эмиссионного свето-
вого сигнала при наличии помех во время фотоэлектрической регистрации. Приведена
структурная схема устройства для отбора сигнала световой эмиссии, реализующего пред-
ложенный алгоритм.
SUMMARY. It is proposed to consider the emission signals of different physical nature
within the generalized model of a random pulse stream. By specifying the model for the case of
the light signal emission, the algorithm of detection and selection of informative component in
the presence of interference during its photovoltaic registration is proposed. The block diagram
of the selection of the light emission signal, which uses the proposed algorithm, is given.
1. Эмиссионные процессы, сопровождающие деформирование и разрушение металлов
/ К. Б. Абрамова, И. П. Щербаков, А. И. Русаков, А. А. Семенов // ФТТ. – 1999. – 41,
Вып. 5. – С. 841–843.
2. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. пос. / Під заг. ред. В. В. Панасюка.
Т. 5: Неруйнівний контроль і технічна діагностика / Під ред. З. Т. Назарчука. – Львів:
Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2001. – 1134 c.
3. Назарчук З. Т., Скальський В. Р. Акустико-емісійне діагностування елементів конст-
рукцій. Т. 1: Теоретичні основи методу акустичної емісії. – К.: Наук. думка, 2009.
– 287 с.
4. Нацик Б. Д. Излучение звука дислокацией, выходящей на поверхность кристалла
// Письма в ЖЭТФ. – 1968. – 8, № 6. – С. 324–328.
5. Hartmann W. P. Acoustic Emission as an Aid in Studying Strain – Hardening Phenomena
// Mater. Eval. – 1973. – № 11. – P. 237–240.
6. Gillis P. P. Dislocation Mechanisms as Possible Sources of Acoustic Emission // MTRSA.
– 1971. – 11, № 3. – P. 11–13.
7. James D. R. and Garpenter S. H. Relationship Between Acoustic Emission and Dislocation
Kinetics in Crystallin Solids // J. Appl. Phys. – 1971. – 42, № 12. – P. 4685–4698.
8. Dickinson J. T., Donaldson E. E., and Park M. K. The Emission of Electrons and Positive
Ions from Fracture of Materials // J. Mater. Sci. – 1981. – 16. – P. 2897.
9. Dickinson J. T., Jensen L. C., and Langford S. C. Recombination on fractal networks: photon and
electron emission following fracture of materials // J. Mater. Res. – 1993. – 8. – P. 2921–2932.
10. Photoluminescence imaging of mechanically produced defects in MgO / J. T. Dickinson,
L. C. Jensen, R. L. Webb, and S. C. Langford // J. of Non-Crystalline Solids. – 1994.
– 177. – P. 1–8.
11. Photoelectron emission studies of cleaved and excimer irradiated single crystal surfaces of
NaNO3 and NaNO2 / C. Bandis, L. Scudiero, S. C. Langford, and J. T. Dickinson // Surf. Sci.
– 1999. – 442. – P. 413–419.
12. Варенцов Е. А., Хрусталев Ю. А. Механоэмиссия и механохимия молекулярных органи-
ческих кристаллов // Успехи химии. – 1995. – 64. – С. 834–849.
13. Walton A. J. Triboluminescence // Adv. Phys. – 1977. – 26. – P. 887–948.
14. Chandra B. P. and Zink J. I. Mechanical characteristics and mechanism of the tribolumi-
nescence of fluorescent molecular crystals // J. Chem. Phys. – 1980. – 73. – P. 5933–5941.
15. Sweeting L. Triboluminescence with and without air // Chem. Mater. – 2001. – 13.
– P. 854–870.
16. Sage I. Embedded triboluminescent structural damage sensors // Proc. SPIE 4104.
– 2000. – P. 1–8.
17. Xu C. N. Enhancement of adhesion and triboluminescence of ZnS:Mn films by annealing
technique // Thin Solid Films. – 1999. – 352. – P. 273–277.
18. Chakravarty A. and Phillipson T. E. Triboluminescence and the potential of fracture
surfaces // J. of physics D: Applied physics. – 2004. – 37. – P. 2175–2180.
118
19. Mechanisms of triboluminescence / S. H. Lin, D. Wutz, Z. Z. Ho, H. Eyringt // Proc.
Natl. Acad. Sci. USA. – 1980. – 77, № 3. – P. 1245–1247.
20. Correlation of Photon and Acoustic Emission with Failure Events in Model Composites
/ A. S. Crasto, R. Corey, J. T. Dickinson, et al. // Composites Science and Technology.
– 1987. – 30. – P. 35–58.
21. Kawazoe S. and Kagawa Y. Application of photon emission technique to the determination
of micro-fracture behavior in glass fiber-reinforced epoxy matrix composite // Science and
technology of advanced materials. – 2001. – 2. – P. 415–431.
22. Абрамова К. Б., Перегуди Б. П., Щербаков И. П. Излучение света нагруженными
металлами // ЖТФ. – 1990. – 60, Вып. 4. – С. 159–161.
23. Струковскис А. А., Крауя У. Э., Фомина Я. Я. X Юбилейный симпозиум по механо-
эмиссии и механохимии твердых тел. – Ростов-на-Дону: Идз-во Ростовск. гос. ун-та,
1986. – С. 54.
24. Люминесценция металлов, возбуждаемая при быстром неразрушающем нагружении
/ К. Б. Абрамова, А. И. Русаков, А. А. Семенов, И. П. Щербаков // ФТТ. – 1998. – 40,
Вып. 6. – С. 957–965.
25. Мишин В. М. Подтверждение инвариантности критерия хрупкости стали σF методом
механостимулированной фотоэмиссии // Материалы XХХIХ НТК профессорско-пре-
подавательского состава СевКавГТУ. – 2010. – 1. – 206 с.
26. Валуев Н. П., Мойш Ю. В. Исследование фотонной эмиссии, возникающей при хруп-
ком разрушении сталей // ФММ. – 1986. – 62, Вып. 4. – С. 724–729.
27. Почапський Є. П. Застосування низькоенергетичних сигналів у технічному діагносту-
ванні // Технологічні комплекси. – 2012. – №1, 2. – С. 79–85.
28. Рытов С. М. Введение в статистическую радиофизику. Случайные процессы. – М.:
Наука, 1976. – 1. – 496 с.
29. Большаков И. А., Ракошиц В. С. Прикладная теория случайных потоков. – М.: Сов.
радио, 1978. – 248 с.
30. Кокс Д., Льюис П. Статистический анализ последовательностей событий. – М.: Мир,
1969. – 312 с.
31. Клаудер Дж., Сударшан Э. Основы квантовой оптики. – М.: Мир, 1970. – 428 с.
32. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин A. C. Введение в статистическую радиофизику и
оптику. – М.: Наука, 1981. – 640 с.
33. Одноэлектронные приемники / С. С. Ветохин, И. Р. Гулаков, А. Н. Перцев, И. В. Рез-
ников. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 160 с.
34. Young А. Т. The using of photomultipliers for photon-counting // Applied Optics. – 1971.
– 10, № 7. – P. 1681.
35. Гулаков И. Р., Холоднырев С. В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерени-
ях. – Минск: Изд-во Университетское, 1989. – 256 с.
36. Клим Б. П., Почапський Є. П. Слабкі світлові ефекти та можливості неруйнівного
контролю // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 1997. – 33, № 5. – С. 99–106.
(Klym B. P., Pochaps’kyi E. P. Weak light effects and possibilities of nondestructive testing
// Materials Science. –1998. – 33, № 5. – P. 701–710.)
37. Кендалл M., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. – М.: Наука, 1973. – 900 с.
38. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. – М.: Иностранная лите-
ратура, 1963. – 432 с.
39. Галун С. А., Трифонов А. П. Обнаружение и оценка момента изменения интенсивности
пуассоновского потока // Автоматика и телемеханика. – 1982. – № 2. – С. 95–105.
40. Трифонов А. П., Невежин Ю. В. Оптимальный прием оптического импульсного сигна-
ла с неизвестным моментом появления // Известия вузов. Радиофизика. – 1999. – 42,
№ 12. – С. 1201–1212.
41. Овчинникова Т. М., Трифонов А. П. Обнаружение и оценка момента изменения неиз-
вестной интенсивности пуассоновского потока. Сообщ. 1 // Автоматика и телемехани-
ка. – 1999. – № 1. – С. 69–76.
42. Овчинникова Т. М., Трифонов А. П. Обнаружение и оценка момента изменения неиз-
вестной интенсивности пуассоновского потока. Сообщ. 2 // Там же. – 1999. – № 2.
– С. 57–65.
Одержано 16.04.2013
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-136833 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0430-6252 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:57:22Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Скальський, В.Р. Почапський, Є.П. Клим, Б.П. Сімакович, О.Г. 2018-06-16T16:46:33Z 2018-06-16T16:46:33Z 2013 Модель емісійного діагностичного світлового сигналу / В.Р. Скальський, Є.П. Почапський, Б.П. Клим, О.Г. Сімакович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 4. — С. 109-118. — Бібліогр.: 42 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136833 681.78:620.179.1 Емісійні сигнали різної фізичної природи запропоновано розглядати в межах спільної узагальненої моделі випадкового імпульсного потоку. Розглянуто алгоритм виявлення та виділення інформативної складової емісійного світлового сигналу за наявності завад під час фотоелектричної реєстрації. Наведено структурну схему пристрою для відбору сигналу cвітлової емісії, який реалізує запропонований алгоритм. Эмиссионные сигналы различной физической природы предложено рассматривать в рамках обобщенной модели случайного импульсного потока. Рассмотрен алгоритм обнаружения и выделения информативной составляющей эмиссионного светового сигнала при наличии помех во время фотоэлектрической регистрации. Приведена структурная схема устройства для отбора сигнала световой эмиссии, реализующего предложенный алгоритм. It is proposed to consider the emission signals of different physical nature within the generalized model of a random pulse stream. By specifying the model for the case of the light signal emission, the algorithm of detection and selection of informative component in the presence of interference during its photovoltaic registration is proposed. The block diagram of the selection of the light emission signal, which uses the proposed algorithm, is given. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Модель емісійного діагностичного світлового сигналу Модель эмиссионного диагностического светового сигнала Model of emission diagnostic light signal Article published earlier |
| spellingShingle | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу Скальський, В.Р. Почапський, Є.П. Клим, Б.П. Сімакович, О.Г. |
| title | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу |
| title_alt | Модель эмиссионного диагностического светового сигнала Model of emission diagnostic light signal |
| title_full | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу |
| title_fullStr | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу |
| title_full_unstemmed | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу |
| title_short | Модель емісійного діагностичного світлового сигналу |
| title_sort | модель емісійного діагностичного світлового сигналу |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136833 |
| work_keys_str_mv | AT skalʹsʹkiivr modelʹemísíinogodíagnostičnogosvítlovogosignalu AT počapsʹkiiêp modelʹemísíinogodíagnostičnogosvítlovogosignalu AT klimbp modelʹemísíinogodíagnostičnogosvítlovogosignalu AT símakovičog modelʹemísíinogodíagnostičnogosvítlovogosignalu AT skalʹsʹkiivr modelʹémissionnogodiagnostičeskogosvetovogosignala AT počapsʹkiiêp modelʹémissionnogodiagnostičeskogosvetovogosignala AT klimbp modelʹémissionnogodiagnostičeskogosvetovogosignala AT símakovičog modelʹémissionnogodiagnostičeskogosvetovogosignala AT skalʹsʹkiivr modelofemissiondiagnosticlightsignal AT počapsʹkiiêp modelofemissiondiagnosticlightsignal AT klimbp modelofemissiondiagnosticlightsignal AT símakovičog modelofemissiondiagnosticlightsignal |