ШИРОКОДИАПАЗОННАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ Российский патент 2002 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения физико-механических параметров среды и для неразрушающего контроля диагностируемых объектов.

Известна система диагностики для определения молекулярных характеристик вещества, которая содержит приспособление для помещения груза на исследуемый образец, источник инфракрасного излучения, приемник акустического излучения образца, а также процессор, который по принятому акустическому излучению и частоте инфракрасного излучения вычисляет молекулярные характеристики диагностируемого объекта (Патент США 5036708 МКИ G 01 N 29/04, 1991).

Недостатком системы диагностики является низкая чувствительность, что не позволяет провести достоверное вычисление характеристик зондируемого объекта.

Известно устройство для диагностики, содержащее управляемый генератор импульсов, подключенный к приемопередающему блоку, выполненному в виде обратимого электроакустического преобразователя, блок сопряжения, блок регистрации, датчик температуры, преобразователь температуры в частоту, причем блок регистрации выполнен в виде ПЭВМ (Патент РФ 2080593, МКИ G 01 N 29/00, 1997).

Недостатком известного устройства является низкая чувствительность, что не позволяет прослушивать как собственные шумы диагностируемого объекта, так и шумы, инициированные внешним воздействием, то есть система диагностики работает только с отраженными эхо-сигналами.

Кроме того, низкая чувствительность не позволяет выявить микроструктурные нарушения диагностируемого объекта.

Известна система диагностики, включающая акустический преобразователь зондирующих импульсов, канал приема и обработки сигнала по амплитуде и времени запаздывания и тракт обработки сигнала по форме, состоящий из интерфейсного блока и ПЭВМ (Патент РФ 2123687, МКИ G 01 N 29/00, G 01 N 29/04, 1998).

Недостатком известной системы диагностики также является низкая чувствительность, что не позволяет прослушивать как собственные шумы диагностируемого объекта, так и шумы, инициированные внешним воздействием, то есть система диагностики работает только с отраженными эхо-сигналами.

Известно устройство для диагностики, которое содержит датчик, принимающий звуковой сигнал, генерируемый в диагностируемом объекте. В блоке сравнения звуковой сигнал сравнивается с опорным сигналом, а затем в интеграторе определяется длительность, в течение которой звуковой сигнал превышает значение опорного сигнала на различных временных интервалах (Патент Японии 2839623, МКИ G 01 N 29/14, 1998).

Недостатком устройства для диагностики является его малая эффективность и низкая чувствительность при диагностировании.

Известна система диагностики, которая содержит электромагнитоакустические измерительные преобразователи и ультразвуковой генератор, посылающий импульсный сигнал к электромагнитоакустическому передатчику, приемник, принимающий ультразвуковой сигнал и сигнал, отраженный от дефектных участков диагностируемого объекта. Процессор принимает ультразвуковой сигнал, обрабатывает его и, определив местоположение дефекта относительно приемника, отображает результат диагностирования (Патент США 5907100, МКИ G 01 N 29/06, 1999).

Недостатком известной системы диагностики является низкая чувствительность, что не позволяет прослушивать как собственные шумы диагностируемого объекта, так и шумы, инициированные внешним воздействием, то есть система диагностики работает только с отраженными эхо-сигналами, при этом система неадаптивна как к уровню, так и к спектру входного акустического сигнала.

Кроме того, низкая чувствительность не позволяет выявить микроструктурные нарушения диагностируемого объекта.

В публикациях середины 90-х годов описано конструктивное выполнение емкостных датчиков (Mastrangelo C.H. et al. Surface - Micromachined Capacitive Differential Pressure Sensor with Litographically Defined Silicon Diaphragm. Journal of Micromechanical Systems, vol. 5, 2, 1996, р. 98-105) и туннельных датчиков (Kenny T.W. et al. Wide - Bandwidth Electromechanical Actuators for Tunneling Displacement Transducers. Journal of Micromechanical Systems, vol. 3, 3, 1994, р. 97-104).

Однако известные варианты выполнения датчиков не обеспечивают необходимой сверхвысокой чувствительности и постоянства коэффициента передачи в широком диапазоне энергий акустических колебаний. Кроме того, такие датчики малопригодны для восприятия гравитационных воздействий.

Вышеуказанные технические решения имеют существенные недостатки и предназначены для диагностирования только одного вида диагностируемых объектов, поэтому не могут быть использованы как близкие аналоги.

Техническим результатом изобретения является создание принципиально новой широкодиапазонной многофункциональной системы диагностики, позволяющей обеспечить тысячекратное повышение чувствительности системы по сравнению с известными системами диагностики, увеличить на порядок разрешающую способность при ультразвуковом исследовании человека и снизить уровень излучения до безопасных значений, обеспечить адаптивность системы диагностики как к уровню, так и к спектру входного акустического или гравитационного сигнала, поступающего с диагностируемого объекта, а также обеспечить возможность выявления микроструктурных нарушений в любых (энергетика, машиностроение, строительство) диагностируемых объектах.

Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики - относится к классу микросистем нового поколения, использующих квантовые эффекты нанотехники (Вернер В.Д. и др. Микросистемы и биочипы - трансфер технологии микроэлектроники. "Электронные компоненты", 1, 2000, с. 3-5).

Сущность изобретения заключается в том, что широкодиапазонная многофункциональная система диагностики содержит нанодатчик, включающий чувствительный элемент и преобразователь напряжение-перемещение, воздействующий на чувствительный элемент, токовый выход чувствительного элемента нанодатчика соединен через последовательно соединенные усилитель тока, преобразователь ток-напряжение, перестраиваемые полосовой фильтр и аттенюатор с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом формирователя опорных напряжений, выход компаратора через первый формирователь напряжения обратной связи соединен с первым входом аналогового сумматора. Емкостной выход чувствительного элемента нанодатчика соединен через генератор текущей частоты с первым входом частотного дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом формирователя опорных частот, выход частотного дискриминатора соединен через второй формирователь напряжения обратной связи со вторым входом аналогового сумматора, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-перемещение нанодатчика, выход управляемого задающего генератора соединен с первым входом формирователя опорных частот. Выходы преобразователя ток-напряжение, аналогового сумматора и второго формирователя напряжения обратной связи через соответствующие первый, второй и третий аналогово-цифровые преобразователи соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами интерфейсного преобразователя, первый - шестой выходы которого соединены соответственно со вторым входом перестраиваемого полосового фильтра, со вторым входом перестраиваемого аттенюатора, с входом формирователя опорных напряжений, с входом управляемого задающего генератора и с входом генератора стимулирующих воздействий.

Входы-выходы интерфейсного преобразователя соединены с входами-выходами персонального компьютера.

Генератор стимулирующих воздействий воздействует на диагностируемый объект, а на чувствительный элемент нанодатчика поступают сигналы с диагностируемого объекта.

Чувствительный элемент нанодатчика содержит иглу, выполненную в изоляторе, над которой на расстоянии около 5 ангстрем расположена мембрана, являющаяся одной из обкладок конденсатора, параллельно которой расположена вторая обкладка конденсатора.

Мембрана и изолятор соединены с корпусом через гибкие подвесы, причем выходы с иглы и с обкладки конденсатора чувствительного элемента являются соответственно токовым и емкостным выходами нанодатчика.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена функционально-структурная схема широкодиапазонной многофункциональной системы диагностики; на фиг.2 - конструктивная схема нанодатчика.

На фиг. 1 обозначены: нанодатчик 1, чувствительный элемент 2, преобразователь 3 напряжение-перемещение, усилитель 4 тока, преобразователь 5 ток-напряжение, перестраиваемый полосовой фильтр 6, перестраиваемый аттенюатор 7, компаратор 8, формирователь 9 опорных напряжений, первый формирователь 10 напряжения обратной связи, аналоговый сумматор 11, генератор 12 текущей частоты, частотный дискриминатор 13, формирователь 14 опорных частот, второй формирователь 15 напряжения обратной связи, управляемый задающий генератор 16, первый - третий АЦП 17-19, интерфейсный преобразователь 20, генератор 21 стимулирующих воздействий и персональный компьютер 22.

На фиг. 2 обозначены: мембрана (первая обкладка конденсатора) 23, игла 24, обкладка 25 конденсатора, изолятор 26, гибкий подвес 27, преобразователь 3 напряжение-перемещение.

В широкодиапазонной многофункциональной системе диагностики (фиг.1) токовый выход чувствительного элемента 2 нанодатчика 1 соединен через последовательно соединенные усилитель 4 тока, преобразователь 5 ток-напряжение, перестраиваемые полосовой фильтр 6 и аттенюатор 7 с первым входом компаратора 8, второй вход которого соединен с выходом формирователя 9 опорных напряжений. Выход компаратора 8 через первый формирователь 10 напряжения обратной связи соединен с первым входом аналогового сумматора 11.

Емкостной выход чувствительного элемента 2 нанодатчика 1 соединен через генератор 12 текущей частоты с первым входом частотного дискриминатора 13, второй вход которого соединен с выходом формирователя 14 опорных частот. Выход частотного дискриминатора 13 соединен через второй формирователь 15 напряжения обратной связи со вторым входом аналогового сумматора 11, выход которого соединен с входом преобразователя 3 напряжение-перемещение нанодатчика 1.

Выход управляемого задающего генератора 16 соединен с первым входом формирователя 14 опорных частот.

Выходы преобразователя 5 ток-напряжение, аналогового сумматора 11 и второго формирователя 15 напряжения обратной связи через соответствующие первый, второй и третий АЦП 17, 18 и 19 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами интерфейсного преобразователя 20, первый - шестой выходы которого соединены соответственно со вторым входом перестраиваемого полосового фильтра 6, со вторым входом перестраиваемого аттенюатора 7, с входом формирователя 9 опорных напряжений, с входом управляемого задающего генератора 16 и с входом генератора 21 стимулирующих воздействий.

Входы-выходы интерфейсного преобразователя 20 соединены с входами-выходами персонального компьютера 22, управление которым осуществляется соответствующим пакетом пользовательских программ и воздействием оператора, причем генератор 21 стимулирующих воздействий воздействует на диагностируемый объект, а на чувствительный элемент 2 нанодатчика 1 поступают акустический или гравитационный сигналы с диагностируемого объекта.

Чувствительный элемент 2 нанодатчика 1 (фиг.2) содержит иглу 24, выполненную в изоляторе 26, над которой на расстоянии около 5 ангстрем расположена мембрана 23, параллельно которой расположена обкладка 25 конденсатора. Мембрана 23 и изоляторы 26 соединены с корпусом через гибкие подвесы 27. Мембрана 23, игла 24 и гибкие подвесы 27 выполнены из электропроводного материала. Воздействие на чувствительный элемент 2 осуществляется преобразователем 3 напряжение-перемещение.

Выходы с иглы 24 и с обкладки 25 конденсатора чувствительного элемента 2 являются соответственно токовым и емкостным выходами нанодатчика 1.

Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики работает следующим образом.

В исходном состоянии широкодиапазонная многофункциональная система диагностики между мембраной 23 и иглой 24 (фиг.2) нанодатчика 1 протекает некоторое установившееся значение туннельного тока, при этом емкость конденсатора, образованного мембраной 23 и обкладкой 25 конденсатора, также имеет некоторое установившееся значение.

Туннельный ток с нанодатчика 1 усиливается в усилителе 4 тока и преобразуется в соответствующее напряжение в преобразователе 5 ток-напряжение, которое поступает на вход АЦП 17.

Изменение текущего значения емкости конденсатора нанодатчика 1 приводит к соответствующему значению частоты, генерируемой генератором 12 текущей частоты. В частотном дискриминаторе 13 происходит сравнение (вычитание) текущей частоты и опорной частоты, поступающей на частотный дискриминатор 13 с выхода формирователя 14 опорных частот, на тактовый вход которого поступает частота с управляемого задающего генератора 16.

Управление режимами работы формирователя 14 опорных частот и управляемого задающего генератора 16 осуществляется по командам, поступающим с персонального компьютера 22 через интерфейсный преобразователь 20. Разностная частота поступает на вход формирователя 15 напряжения обратной связи, с выхода которого напряжение подается на вход АЦП 19.

При поступлении акустического или гравитационного сигналов с диагностируемого объекта на чувствительный элемент 2 нанодатчика 1 происходит модуляция установившихся значений туннельного тока и емкости, что приводит к изменению значений напряжений на входах АЦП 17 и 19.

Информация с выходов АЦП 17 и 19 через интерфейсный преобразователь 20 поступает в персональный компьютер 22 для анализа, обработки, отображения и запоминания.

Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики адаптивна как к уровню, так и к спектру входного акустического или гравитационного сигнала, поступающего с диагностируемого объекта. Это достигается тем, что персональный компьютер 22, постоянно отслеживая изменения уровня модуляции входного сигнала нанодатчика 1, формирует сигналы управления, которые позволяют удерживать значения выходных сигналов с чувствительного элемента 2 нанодатчика 1 в определенных пределах.

Величина туннельного тока нелинейно зависит от расстояния между мембраной 23 и иглой 24 чувствительного элемента 2 (фиг.2). Преобразователь 3 напряжение-перемещение нанодатчика 1 (фиг.1) осуществляет изменение указанного расстояния в соответствии с уровнем напряжения, поступающего на его вход. При малых расстояниях (порядка нескольких ангстрем) существует туннельный ток. При увеличении расстояния вплоть до малых долей миллиметра туннельный ток прекращается и выходной сигнал нанодатчика 1 формируется только на его емкостном выходе.

Возможность получения и обработки широкодиапазонной многофункциональной системой диагностики сигналов с нанодатчика 1 в широком диапазоне изменения указанного расстояния обеспечивает широкий динамический диапазон уровней акустического и гравитационного входных сигналов.

В широкодиапазонной многофункциональной системе диагностики поддержание среднего значения величины расстояния между мембраной 23 и иглой 24 в пределах нескольких ангстрем осуществляется по сигналам токового выхода нанодатчика 1, которые после предварительного усиления и преобразования в напряжение поступают на вход перестраиваемого полосового фильтра 6. Полоса пропускания фильтра 6 однозначно связана со спектром входных сигналов, поступающих от диагностируемого объекта. Сигналы с фильтра 6 ослабляются в перестраиваемом аттенюаторе 7 и поступают на первый вход компаратора 8, на второй вход которого поступает опорное напряжение с формирователя 9 опорных напряжений.

Выбор полосы пропускания, коэффициента ослабления и уровней опорных напряжений осуществляется по командам, поступающим с персонального компьютера 22 через интерфейсный преобразователь 20 соответственно на входы перестраиваемого полосового фильтра 6, перестраиваемого аттенюатора 7 и формирователя 9 опорных напряжений.

Команды (меньше, равно, больше) с выхода компаратора 8 поступают на формирователь 10 напряжения обратной связи, напряжение с выхода которого через аналоговый сумматор 11 подается на вход преобразователя 3 напряжение-перемещение нанодатчика 1.

Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики при приеме высокоуровневых сигналов функционирует при расстояниях между мембраной 23 и иглой 24 нанодатчика 1, превышающих несколько ангстрем и достигающих малых долей миллиметра. Поддержание расстояния в указанных пределах осуществляется преобразователем 3 напряжение-перемещение по сигналам с выхода формирователя 15 напряжения обратной связи, поступающим через аналоговый сумматор 11.

При обработке сигналов, поступающих одновременно как с токового, так и с емкостного выходов нанодатчика 1, используется информация, поступающая в персональный компьютер 22 через интерфейсный преобразователь 20 с выхода АЦП 18, входным сигналом которого является напряжение, поступающее с выхода аналогового сумматора 11.

Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики осуществляет прием акустических и гравитационных сигналов собственных шумов диагностируемого объекта. Кроме того, система может принимать сигналы шумов релаксации, а также эхосигналы, причем в этих случаях система использует генератор 21 стимулирующих воздействий, вид и параметры выходных сигналов которого определяются сферой применения широкодиапазонной многофункциональной системы диагностики, а также спецификой диагностируемого объекта. Управление генератором 21 стимулирующих воздействий осуществляется по командам, поступающим с персонального компьютера 22 через интерфейсный преобразователь 20. Управление работой персонального компьютера 22 осуществляется соответствующим пакетом пользовательских программ и воздействием оператора.

Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики изготавливается групповым методом по технологии сверхбольших интегральных схем и обладает сверхвысокой чувствительностью от 10⁵ до 10⁸ B/g, большим частотным диапазоном от инфранизких частот, близких к 0, до 150 кГц, выдерживает при эксплуатации широкий температурный интервал от -60^oС до +60^oС, что обеспечивает ей широкую сферу применения. Это позволяет использовать систему диагностики для прогнозирования землетрясений и извержений вулканов, для контроля экологических показателей среды, для предупреждения акустической эмиссии в механических конструкциях, для создания микрофонов с чувствительностью на 2-3 порядка выше существующих и увеличенной дальностью обнаружения сигналов, для мониторинга различных конструкций и сооружений (трубопроводов, оболочек реакторов, зданий), для создания приборов ультразвуковой медицинской диагностики с увеличенной на порядок разрешающей способностью и снижением уровня излучения до безопасных значений.

Высокие технические характеристики и широкая сфера применения широкодиапазонной многофункциональной системы диагностики обеспечивают практическую применимость изобретению.

Использование: для измерения физико-механических параметров среды и для неразрушающего контроля диагностируемых объектов. Система диагностики содержит нанодатчик, включающий чувствительный элемент и преобразователь напряжение - перемещение, воздействующий на чувствительный элемент. Токовый выход чувствительного элемента соединен через последовательно соединенный усилитель тока, преобразователь ток - напряжение, полосовой фильтр и аттенюатор с компаратором, на другой вход которого подается опорное напряжение. Компаратор через формирователь напряжения обратной связи соединен с аналоговым сумматором. Емкостный выход чувствительного элемента соединен через генератор текущей частоты с частотным дискриминатором, другой вход которого соединен с формирователем опорных частот. Дискриминатор соединен через формирователь напряжения обратной связи с аналоговым сумматором, выход которого соединен с преобразователем напряжение - перемещение. Выходы преобразователя, аналогового сумматора и формирователя через соответствующие АЦП соединены соответственно с первым - третьим входами интерфейсного преобразователя, первый - шестой выходы которого соединены соответственно с фильтром, с аттенюатором, с формирователем, с задающим генератором и с генератором стимулирующих воздействий. Входы-выходы интерфейсного преобразователя соединены с входами-выходами персонального компьютера. Генератор стимулирующих воздействий воздействует на диагностируемый объект, а на чувствительный элемент нанодатчика поступают акустический или гравитационный сигнал с диагностируемого объекта. Технический результат: повышение чувствительности (10⁵-10⁸В/g), большой диапазон от инфранизких частот, близких к 0, до 150 кГц. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Широкодиапазонная многофункциональная система диагностики, содержащая нанодатчик, включающий чувствительный элемент и преобразователь напряжение - перемещение, воздействующий на чувствительный элемент, токовый выход чувствительного элемента нанодатчика соединен через последовательно соединенные усилитель тока, преобразователь ток - напряжение, перестраиваемые полосовой фильтр и аттенюатор с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом формирователя опорных напряжений, выход компаратора через первый формирователь напряжения обратной связи соединен с первым входом аналогового сумматора, емкостный выход чувствительного элемента нанодатчика соединен через генератор текущей частоты с первым входом частотного дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом формирователя опорных частот, выход частотного дискриминатора соединен через второй формирователь напряжения обратной связи со вторым входом аналогового сумматора, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение - перемещение нанодатчика, выход управляемого задающего генератора соединен с первым входом формирователя опорных частот, выходы преобразователя ток - напряжение, аналогового сумматора и второго формирователя напряжения обратной связи через соответствующие первый, второй и третий аналого-цифровые преобразователи соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами интерфейсного преобразователя, первый-шестой выходы которого соединены соответственно со вторым входом перестраиваемого полосового фильтра, со вторым входом перестраиваемого аттенюатора, с входом формирователя опорных напряжений, с входом управляемого задающего генератора и с входом генератора стимулирующих воздействий, входы-выходы интерфейсного преобразователя соединены с входами-выходами персонального компьютера, причем генератор стимулирующих воздействий воздействует на диагностируемый объект, а на чувствительный элемент нанодатчика поступают сигналы с диагностируемого объекта. 2. Система диагностики по п. 1, отличающаяся тем, что чувствительный элемент нанодатчика содержит иглу, выполненную в изоляторе, над которой на расстоянии около 5 ангстрем расположена мембрана, являющаяся одной из обкладок конденсатора, параллельно которой расположена вторая обкладка конденсатора, мембрана и изоляторы соединены с корпусом через гибкие подвесы, причем выходы с иглы и конденсатора чувствительного элемента являются соответственно токовым и емкостным выходами нанодатчика.