Электронно-измерительная схема

Компенсационный импульсно-фазовый метод.

Расчет скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердом теле методом вариации частоты.

Для измерения акустических параметров в твердых телах приемлемы методы только фиксированной акустической базы. Компенсационный импульсно-фазовый метод вариации частотыфиксированной акустической базы основан на принципе импульсного интерферометра с электрической интерференцией двух когерентных волн - акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения. Условие когерентности частоты заполнения акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения обеспечивается тем, что зондирующий радиоимпульс и опорное напряжение формируются на выходе одного и того же высокочастотного генератора, что делает возможным фазовую компенсацию интерферирующих сигналов. Сущность метода заключается в обеспечении режима фазовой компенсации интерферирующих волн, то есть равенства нулю амплитуд суммарного сигнала и поддержания компенсации в процессе измерения акустических параметров и , как функции изменения - параметров состояния исследуемой среды. Полная фазовая компенсация акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения достигается при условии равенства их амплитуд и сдвига по фазе на 180°. Изменение амплитуды и фазы акустического импульса, вследствие изменения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвуковых волн в исследуемой среде вызывает изменение амплитуды суммарного сигнала. Перестраивая несущую частоту ВЧ-генератора и изменяя амплитуду акустического радиоимпульса, устанавливаетсяновое условие фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Изменение амплитуды акустического радиоимпульса осуществляется изменением величины затухания, вносимого аттенюатором, включенного последовательно в цепь пьезоэлектрического излучателя ультразвуковых волн. Измерение скорости ультразвуковых волн при изменении - параметров состояния исследуемой среды сводится при этом к измерению изменения несущей частоты задающего генератора , которое измеряется электронным частотомером с высокой точностью или путем подсчета числа интерференционных минимумов (или максимумов) при фиксированной частоте.

Рассмотрим подробнее процесс установления режима фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Импульсно-модулированное высокочастотное синусоидальное напряжение на выходе пьезоприемника ультразвуковых волн, прошедших через исследуемую среду при выполнении условия (где - длительность акустического импульса, Т - период ультразвуковой волны), можно считать непрерывным и выразить уравнением:

(1)

где - амплитуда акустического радиоимпульса, прошедшего через исследуемую среду, - амплитуда синусоидального напряжения несущей частоты ВЧ-генератора, - время задержки в звукопроводе акустической камеры, являющееся функцией Р , Т -параметров; - постоянный коэффициент, равный произведению коэффициентов преобразования пьезоэлектрических излучателя и приемника ультразвуковых волн и коэффициента усиления импульсного модулятора, - текущее время, - фазовый сдвиг в пьезопреобразователях, являющийся функцией несущей частоты, - постоянный фазовый сдвиг.

Опорное синусоидальное напряжение на выходе ВЧ-генератора выразится известным уравнением для гармонических колебаний:

(2)

где - некоторый постоянный коэффициент, определяемый величиной сопротивления делителя, последовательно включенного в цепь канала опорного напряжения.

Тогда, при равенстве амплитуд акустического и опорного сигналов уравнение для суммарного сигнала примет вид:

(3)

где - амплитуда акустического и опорного сигналов.

Фазовая компенсация акустического и опорного сигналов, то есть равенство нулю амплитуды суммарного сигнала будет выполняться при условии:

(4)

где

где - время задержки в исследуемом образце. Тогда условие фазовой компенсации примет вид:

. (5)

Время задержки в звукопроводах можно определить из условия:

, или . (6)

Решая совместно уравнения (6), получим

. (7)

Аналогично, находим и время задержки с исследуемым образцом

. (8)

Решая совместно уравнения (8), получим

. (9)

Тогда ; или . (10)

Тогда скорость в исследуемом образце определится:

. (11)

Подставляя (10) в (11), для скорости , окончательно получим:

. (12)

Здесь, величина времени задержки в звукопроводах УЛЗ-1 и УЛЗ-2 для всех измерений является постоянной вели чиной, которая определяется методом вариации частоты фазовой кмпенсации акустического сигнала при отсутствии исследуемого образца.

Как видно из приведенной формулы (12) точность измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердом теле определяется только точностью определения длины исследуемого образца и частоты непрерывного синусоидального сигнала высокой частоты.

Электронно-измерительная схема

Функциональная электронно-измерительная блок-схема акустической установки, реализующая метод импульсного интерферометра и компенсационный импульсно-фазовый метод вариации частоты показан на рис.3.6. Данная блок-схема позволяет проводить измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых телах заданной геометрической формы в диапазоне частот от 1,0 до 10 МГц. На рис. 3.7 приведены эпюры напряжений сигналов, поясняющие принцип работы электронной блок-схемы.

Принцип работы электронно-измерительной схемы следующий. С выхода ВЧ-генератора I (см.рис.3.6) непрерывное синусоидальное напряжение (см.рис.3.7а) частотой (где - период колебаний), соответствующей одной из нечетных гармоник пьезоэлектрического излучателя и приемника ультразвуковых волн, подается на вход модулятора радиоимпульсов 2. На управляющий вход модулятора с выхода генератора импульсов 3 подаются прямоугольные строб-импульсы (см.рис.3.76) длительностью и скважностью . Модулятор обеспечивает усиление и импульсную модуляцию непрерывных синусоидальных электрических колебаний. На выходе модулятора из непрерывных синусоидальных колебаний выделяется короткий зондирующий радиоимпульс - цуг волн (см.рис.3.7в) длительностью , который через ВЧ-кабель 4 (см.рис.3.6), на пьезоэлектрический излучатель , закрепленного на торцевой поверхности ультразвуковой линии задержки УЛЗ-1, выполненной в виде акустической ячейки, которая механически прижимается к торцевой поверхности исследуемого образца. Ультразвуковая линия задержки (УЛЗ) выполнена в виде металлического цилиндра с компланарными торцами. Исследуемый образец выполнен в виде параллелепипеда или цилиндра с плоскопараллельными торцами. Для обеспечения акустического контакта акустической ячейки с исследуемым образцом используется машинное масло. Пьезоэлектрический излучатель за счет электрострикционного эффекта преобразует электрические колебания в продольные механические колебания той же частоты, которые в виде пакета ультразвуковых волн нормально к плоскости пьезоизлучателя излучаются в УЛЗ-1. Продольные колебания, распространяясь в УЛЗ-1, образуют в зависимости от длительности модулированного ВЧ-радиоимпульса "бегущую" или "стоячую" ультразвуковые волны. Пройдя через исследуемый образец, ультразвуковые волны нормально падают на боковую грань (см.рис.3.3) второго звукопровода - ультразвуковой линии задержки УЛЗ-2. На границе раздела двух сред (т.е. исследуемый образец и звукопровод) ультразвуковая волна частично отражается и проходит в звукопровод. В звукопроводе ультразвуковые волны, отразившись от противоположных торцов, распространяясь вдоль вертикальной оси волновода образуют серию монотонно убывающих акустических эхо-импульсов. Длина звукопровода выбрана такой, чтобы выполнялось условие:

, (3.31)

где - скорость распространения ультразвуковых волн в звукопроводе; - максимальная величина длительности акустического импульса.

Выполнение этого условия необходимо для предотвращения наложения заднего и переднего фронтов монотонно убывающих акустических эхо-импульсов (см.рис.3.7г), возникающих в результате многократных отражений проходящего акустического импульса от противоположных торцов звукопровода. Приемный пьезопреобразователь, закрепленный на свободном торце звукопровода, за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует механические колебания в электрические, которые через коаксиальный ВЧ-кабель поступают на вход частотно-избирательного селективного ВЧ-усилителя 6. Усилитель 6 дополнительно снабжен управляющим входом и схемой импульсно-временного стробирования, обеспечивающей работу усилителя в режиме временного селектора.

Управляющие строб-импульсы (см.рис.3.76) длительностью поступают на управляющий вход усилителя 6 с выхода блока задержки прямоугольных импульсов 8, которые по времени следования и длительности совпадают с первым акустическим радиоимпульсом. На вход усилителя 6 через делитель 7 и выключатель "ВК" с выхода ВЧ-генератора I одновременно с акустическим радиоимпульсом подается непрерывное синусоидальное (опорное) ВЧ-напряжение высокой частоты. Контакты выключателя "ВК" замкнуты только в режиме измерения компенсационным импульсно-фазовым методом вариации частоты.

Рис.3.6

Блок-схема электронно-измерительной системы акустической установки: 1 - генератор синусоидальных ВЧ-колебаний, 2 -модулятор, 3 - генератор прямоугольных импульсов, 4 - аттенюатор, 5 - акустическая камера, - пьезоэлектрический излучатель и приемник соответственно, 6 - усилитель, 7 - делитель, 8 - блок задержки, 9 - осциллограф, 10 – частотомер

На входе усилителя в зависимости от разности сдвига фаз происходит сложение ( ) или вычитание ( ) амплитуд когерентных акустического и опорного синусоидальных электрических колебаний. С выхода усилителя, усиленный по амплитуде, результирующий сигнал (см.рис.3.7е) подается на вход осциллографа 9. Селективный режим работы усилителя 6 позволяет наблюдать, на экране осциллографа только первый акустический радиоимпульс. Измерение частоты заполнения акустических импульсов осуществляется электронным частотомером 10, подключенным к выходу ВЧ-генератора I.

Рис.3.7

Эпюры напряжений сигналов в контрольных точках электронной блок-схемы: а) синусоидальное напряжение на выходе ВЧ-генератора, б) строб-импульс на управляющем входе модулятора, в) зондирующий радиоимпульс на пьезоизлучателе, г) акустические эхо-импульсы на выходе пьезоприемника, д) строб-импульс на управляющем входе усилителя, е) результирующий сигнал на выходе усилителя

Основным элементом акустической установки являются акустические ячейки излучателя и приемника ультразвуковых волн в исследуемом образце. Акустические ячейки УЗЛ-1 и УЗЛ-2 представляют собой идентичные ультразвуковые линии задержки – образованные пьезоэлектрическим преобразователем и звукопроводом, выполненным в виде металлического цилиндра с компланарными торцами.

Конструктивная схема УЗЛ-1 и УЗЛ-2 приведена на рисунке 3.2.3.

Рис. 3.2.3. Конструкция УЗЛ-1 и УЗЛ-2.

УЛЗ-1,2 образован пьезоэлектрическим излучателем (приемником) продольных ультразвуковых волн ( ) и звукопроводом, которые собраны в одном цилиндрическом корпусе 4 – акустической ячейке, диаметром 28 мм и длиной 75 мм (рисунок 7а). В качестве пьезоэлектрического излучателя используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь – пьезокерамика, ЦТС, с резонансной частотой 7,01 МГц, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки 6 прижимается к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода 2, снабженного резьбовой крышкой, в которой закреплен ВЧ-разъем 7, типа СР-50.

Исследуемый образец механически прижимается непосредственно к торцевой поверхности звукопровода и фиксируется прижимными гайками 8. Звукопровод обеспечивает акустический контакт между исследуемым образцом и пьезопреобразователем и одновременно исключает нежелательное явление интерференции при наложении переднего и заднего фронтов ультразвукового импульса. Для обеспечения надежного акустического контакта в зазор между исследуемым образцом и звукопроводом вводится небольшое количество смазочной жидкости – машинного масла.

Данная конструкция УЛЗ обеспечивает надежный акустический контакт пьезопреобразователя с исследуемым образцом и одновременно механическую и электрическую экранировку пьезопреобразователя от внешних механических воздействий и электромагнитных полей, что в конечном счете повышает чувствительность пьезопреобразователей, снижает уровень собственных шумов и повышает надежность конструкции.

В качестве применяемых в электронно-измерительной схеме генератора электрических синусоидальных ВЧ-колебаний (см.рис.3.6) используется серийный генератор сигналов типа Г4-18А; генератора прямоугольных импульсов 3 и блока задержки прямоугольных импульсов 8 - генераторы импульсом типа Г5-54; осциллографа 9 — высокочастотный осциллограф типа C1-78; частотомер 10 -электронно-цифровой частотомер типа Ч3-33.

В качестве формирователя зондирующих радиоимпульсов используется специально разработанный импульсный модулятор, снабженный электронным коммутатором напряжения. Модулятор выполнен в виде двухкаскадного резонансного усилителя мощности радиочастоты. Принципиальная схема электронного модулятора ВЧ-радиоимпульсов показана на рисунке 3.3.

Предварительный каскад собран на полупроводниковом ВЧ-транзисторе, типа КТ-315 И. Оконечный каскад собран по однотактной схеме на ВЧ-транзисторе КТ-604 БМ. В качестве резонансных элементов используются колебательные контуры, параллельно включенные в коллекторные цепи транзисторов через разделительные конденсаторы. В качестве коммутатора напряжения используется полупроводниковый транзистор типа КТ-315 И, последовательно включенный в цепь эмиттера выходного транзистора оконечного каскада модулятора, по схеме с общим эмиттером. Импульсная работа модулятора осуществляется подачей управляющих прямоугольных импульсов положительной полярности на базу транзистора коммутатора напряжения.

В качестве частотно-избирательного усилителя радиочастоты 6 используется специально разработанный трехкаскадный усилитель резонансного типа, дополнительно снабженный управляющим входом и блоком импульсно-временного стробирования. В качестве усилительных элементов используются высокочастотные транзисторы, типа КТ-342 Б и КТ-315 И, а в качестве резонансных элементов - колебательные контуры, параллельно включенные в коллекторные цепи транзисторов через разделительные конденсаторы. Изменение резонансной частоты усилителя осуществляется заменой катушек индуктивности и подстройкой емкостей конденсаторов переменной соответствующих колебательных контуров. Блок импульсно-временного стробирования образован коммутатором напряжения, выполненного на полупроводниковом ВЧ-транзисторе типа ГТ-315 И, последовательно включенного в цепь эмиттера транзистора первого каскада усиления, по схеме с общим эмиттером. Временная селекция осуществляется подачей управляющих прямоугольных импульсов положительной полярности на базу транзистора коммутатора напряжения. В качестве делителя опорного ВЧ-напряжения 7 используется обычный безиндуктивный потенциометр.

Принципиальная электрическая схема частотно-избирательного усилителя радиочастоты приведена на рисунке 3.4.

Порядок измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн методом импульсного интерферометра фиксированной акустической базы и вариацией частоты следующий. После закрепления с помощью специального держателя исследуемого образца между торцами звукопроводов УЛЗ-1 и УЛЗ-2 производится включение и настройка электронно-измерительных электронных блоков на заданную частоту . Затем производится установка длительности зондирующего строб-импульса на входе электронного модулятора до величины, соответствующей режиму "бегущей" волны ультразвуковых эхо-импульсов в исследуемом образце. Такой режим соответствует раздельной последовательности следования акустических эхо-импульсов без наложения задних и передних фронтов, которая непосредственно наблюдается на экране осциллографа.

Длительность задержанного строб-импульса, поступающего на управляющий вход частотно-избирательного усилителя, устанавливается в пределах 50-100 мкс, а время задержки 10 мкс. Данная временная задержка управляющего строб-импульса необходима для подавления в усилительном тракте зондирующего радиоимпульса, обусловленного недостаточной экранировкой входных цепей приеме -усилительного тракта от выходного тракта модулятора. Выключатель "ВК" устанавливается в разомкнутое положение. При этом на экране осциллографа наблюдается проходящий через исследуемый образец и оба звукопровода акустический радиоимпульс, а также последовательность монотонно затухающих во времени радиоимпульсов, обусловленных многократным отражением акустических эхо-импульсов от внутренних торцов образца и звукопроводов. Величина уровня входного сигнала на входе ВЧ-усилителя устанавливается такой, чтобы акустические радиоимпульсы, поступающие на вход резонансного усилителя радиочастоты с выхода пьезоприемника, соответствовали номинальному уровню входного сигнала, при котором усилитель радиочастоты работает в линейном режиме усиления.

Порядок изменения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн компенсационным импульсно-фазовым методом вариации частоты фиксированной акустической базы следующий. Затем, подбирая величину временной задержки и длительности управляющего строб-импульса на выходе резонансного усилителя 6, выделяется только первый акустический радиоимпульс. После этого цепь выключателя "ВК" замыкается и опорное синусоидальное напряжение с выхода ВЧ-генератора I через делитель 7 подается на вход резонансного усилителя 6. На выходе усилителя 6 выделяется результирующий радиоимпульс, амплитуда которого равна векторной сумме амплитуд когерентных волн - акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения. Плавно перестраивая несущую частоту ВЧ-генератора и, изменяя амплитуду акустического радиоимпульса, устанавливается условие фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Полная фазовая компенсация достигается при условии равенства их амплитуд и сдвига по фазе на 180°. При этом на экране осциллографа наблюдается результирующий сигнал "нулевой" амплитуды. Численное значение частоты ВЧ-генератора, соответствующее минимуму результирующего сигнала фиксируется. Затем, изменяя частоту ВЧ-генератора, фиксируются значения частот , соответствующие минимумам результирующего сигнала при различающихся на единицу значениях и . На основании полученных данных по формуле (3.11)

рассчитывается значение скорости распросранения продольных ультразвуковых волн в исследуемом образце.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 166; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!