СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2006 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения амплитуды ультразвуковых колебаний, и может быть использовано для настройки ультразвуковых технологических и медицинских аппаратов при их разработке и эксплуатации.

Ультразвуковые аппараты, основанные на использовании колебаний большой амплитуды (до 100...200 мкм), широко используются для интенсификации процессов в различных отраслях промышленности (эмульгирование, диспергирование, размерная обработка и др.) и медицине (липосакция, деструкция и др.). В качестве источников высокоамплитудных ультразвуковых колебаний при обработке жидких и твердых сред используются колебательные системы с пьезоэлектрическими или магнитострикционными преобразователями.

Эффективность технологических процессов, осуществляемых под действием ультразвуковых колебаний, зависит от амплитуды этих колебаний. В связи с необходимостью оптимизации ультразвукового воздействия на различные технологические среды возникает необходимость в измерении амплитуды колебаний излучающей поверхности колебательной системы.

Наибольшее распространение в измерительной технике получили способы измерения амплитуды механических колебаний с помощью контактных датчиков [1, 2], механически прикрепляемых или акустически соединяемых с излучающей поверхностью и осуществляющих преобразование энергии механических колебаний в электрический сигнал. Наряду с простотой реализации и доступностью эти способы имеют существенный недостаток, обусловленный влиянием присоединенного контактного датчика на параметры колебательной системы (его амплитудно-частотную характеристику), приводящие к зависимости величины измеряемой амплитуды от формы и материала колебательной системы, частоты колебаний, типа и состояния среды, окружающей колебательную систему, а также от силы прижима датчика к излучающей поверхности.

Рассмотренный существенный недостаток не позволяет использовать известные способы измерения амплитуды без предварительной калибровки оборудования для конкретной колебательной системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы, принятый за прототип [3] и заключающийся в том, что колебательную систему располагают так, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источника светового излучения, совмещают с ней неподвижно установленную излучающую поверхность колебательной системы, освещают колеблющуюся поверхность и по ширине зоны частичной тени визуально измеряют амплитуду колебаний, например, через микроскоп с окулярной шкалой или сеткой.

Сущность известного способа заключается в том, что при работе ультразвуковой колебательной системы излучающая поверхность движется по гармоническому закону (обусловлено высокой колебательной добротностью ультразвуковых колебательных систем). Исходя из этого, положение границы раздела освещенной зоны и зоны перекрытия светового потока (зоны тени) изменяется также по гармоническому закону. Регистрируемое изображение оказывается разбитым на три зоны (см. фиг.1). В зоне х<-А (освещенная зона) свет не перекрывается колебательной системой в течение всего периода. В зоне х>А (зона полной тени) свет перекрывается колебательной системой в течение всего периода колебаний. В зоне х∈[-А, А] свет перекрывается колебательной системой в течение части периода колебаний - это зона называется «зоной частичной тени».

Возможность непрерывного наблюдения зоны частичной тени обусловлена тем, что частота колебаний (составляющая более 22 кГц) излучающей поверхности колебательной системы значительно превышает предельную частоту восприятия глаза человека и отдельные колебания глазом не различаются. Яркость света в зоне частичной тени непрерывно убывает от значения яркости света в освещенной зоне до значения яркости света в зоне тени (которая близка к нулевому значению). График распределения яркости света в поле наблюдения вдоль оси х показан на фиг.2. Ширина зоны частичной тени соответствует удвоенной амплитуде (размаху) колебаний 2А, и ее измерение позволяет определить амплитуду колебаний.

Известный способ обеспечивает измерение в широком диапазоне амплитуд колебаний и не нуждается в предварительной калибровке.

Вместе с тем способ, принятый за прототип, имеет существенные недостатки, обусловленные особенностями человеческого зрения:

1. низкую точность определения границы зоны частичной тени со стороны зоны полной тени (правой границы). Обусловлено это тем, что в процессе измерения ширины зоны частичной тени (амплитуды колебаний) порог чувствительности глаза определяется яркой частью поля наблюдения (это происходит подсознательно) и яркость света вблизи правой границы (х=А) оказывается ниже порога чувствительности, который на фиг.2 показан горизонтальной линией Е=Е₁. При этом объекты, яркость которых ниже порога чувствительности глаза, не различаются. Вследствие этого положение правой границы глазом определяется не правильно;

2. не позволяет точно определить левую границу (х=-А) зоны частичной тени из-за свойства глаза различать градации яркости только выше определенной величины.

Вследствие этого результаты фиксирования положения левой границы также будут неточными (заниженными);

3. подсознательный процесс адаптации глаза человека, выражающийся в том, что чувствительность глаза изменяется в зависимости от яркости света и определяется наиболее яркими объектами в поле зрения. Однако чувствительность глаза может несколько повыситься, если человек сознательно переведет зрительное внимание с яркого объекта на неяркий. Поэтому оператору, проводящему измерения, приходится сознательно концентрировать зрительное внимание на неяркой части поля наблюдения для определения положения границы зоны частичной тени. Перевод зрительного внимания с яркого на неяркий объект и адаптация чувствительности глаза к неяркому объекту требуют некоторого времени (0,4-2 с у разных людей). При этом повышение точности определения одной границы приводит к снижению точности определения другой;

4. высокую погрешность определения положения границы зоны частичной тени со стороны зоны полной тени, поскольку разрешающая способность зрения при рассматривании неярких объектов значительно ниже, чем при рассматривании ярких;

5. Появление погрешности измерений при выполнении серии измерений, поскольку необходима многократная частая переадаптация глаза от ярких объектов к неярким, что вызывает зрительное утомление.

Таким образом, недостатки прототипа снижают точность измерения амплитуды колебаний.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующего способа измерения, создание способа, позволяющего устранить погрешности измерений, обусловленные субъективными факторами, уменьшить время, необходимое на выполнение одного измерения.

Технический результат выражается в повышении точности и скорости выполнения измерений амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковых колебательных систем без предварительной калибровки средства измерения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном способе измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы, при котором колебательную систему располагают так, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источника светового излучения, совмещают с ней неподвижно - установленную излучающую поверхность колебательной системы, освещают колеблющуюся поверхность и по ширине зоны частичной тени визуально измеряют амплитуду колебаний через микроскоп с окулярной шкалой или сеткой. Освещение излучающей поверхности осуществляют от источников формирующих в цилиндрический пучок импульсное световое излучение различных длин волн (цветов). При этом длительность импульсов устанавливают равной тысячной доле периода рабочих колебаний колебательной системы, а частоту следования импульсов устанавливают так, что моменты формирования импульсов светового излучения одной длины волн (цвета) совпадают с моментом максимального смещения излучающей поверхности в одном направлении, а момент формирования импульсов светового излучения другой длины волн (цвета) - с моментом максимального смещения в другом направлении. Амплитуду колебаний определяют по относительному смещению изображений излучающей поверхности в моменты формирования импульсов светового излучения различных длин волн (цветов).

Сущность изобретения поясняется на фиг.3 - 6.

На фиг.3. показана блок-схема оборудования (установки), реализующего предлагаемый способ измерения. Оборудование состоит из следующих основных частей:

1. микроскоп;

2. фиксатор колебательной системы;

3. исследуемая колебательная система;

4. осветительная система;

5. электронный блок.

Важнейшим узлом оборудования является осветительная система, в состав которой входят два источника светового излучения. В качестве источников светового излучения используются полупроводниковые светоизлучающие диоды высокой яркости свечения и оптическая система. Источники создают световое излучение различных длин волн (цветов), причем цвет излучения источников не содержит общих цветовых компонент. В связи с тем, что наибольшая чувствительность глаза соответствует длинноволновой части спектра видимого излучения, цвет свечения одного из светоизлучающих диодов выбирается красным, а другого - зеленым. Оптическая система формирует световое излучение от источников в цилиндрический пучок, оптическая ось которого совпадает с главной оптической осью объектива микроскопа.

Питание источников светового излучения осуществляется от электронного блока, структурная схема которого представлена на фиг.4. В состав электронного блока входят: устройство выделения сигнала синхронизации (УВСС) поз.1, синхронизируемый задающий генератор (СЗГ) поз.2, фазовый регулятор (ФР) поз.3, счетный триггер (СТ) поз.4, формирователь стробирующего импульса (ФСИ) поз.5, элементы «И» поз.6, поз.7, выходные ключи (ВК1, ВК2) поз.8, поз.9, которые управляют светоизлучающими диодами поз.10 и поз.11 осветительной системы. Буквами А-И обозначены контрольные точки.

На вход устройства выделения сигнала синхронизации поступает опорный электрический сигнал, частота которого совпадает с частотой механических колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. Синхросигналы, вырабатываемые устройством выделения сигнала синхронизации, поступают на вход задающего генератора. Задающий генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых в два раза превышает частоту опорного сигнала. Импульсы, вырабатываемые задающим генератором, поступают на вход фазового регулятора, который задерживает фронт выходного импульса относительно фронта входного импульса на заданный интервал времени. Импульсы с выхода фазового регулятора поступают на вход счетного триггера и формирователя стробирующего импульса. Счетный триггер имеет два противофазных выхода. Формирователь стробирующего импульса формирует короткие импульсы (длительностью менее одной тысячной доли периода опорного сигнала), частота повторения которых совпадает с частотой следования импульсов задающего генератора. На входы схемы «И» поступают сигналы с выходов счетного триггера и формирователя стробирующего импульса. Выходные ключи предназначены для усиления мощности сигналов, вырабатываемых схемами «И», до уровня, достаточного для управления светоизлучающими диодами осветительной системы. Временные диаграммы сигналов в контрольных точках А-И представлены на фиг.5. Буквой К отмечен график колебательного смещения излучающей поверхности.

Согласно предлагаемому техническому решению мгновенная яркость, создаваемая источником светового излучения в течение периода основных колебаний ультразвуковой колебательной системы, описывается выражением

где E₁ - яркость, создаваемая источником;

t₁ - момент формирования импульса;

Δt - длительность импульса.

Если Δt мало по сравнению с периодом колебаний, среднее значение яркости света в точке х может быть описано выражением

где х_A - положение излучающей поверхности в фазе колебаний, с которой синхронизирован импульс светового излучения.

Согласно предлагаемому способу момент формирования импульса первого источника синхронизирован с моментом нахождения излучающей поверхности в позиции х=-А, а момент формирования импульса второго источника с моментом нахождения излучающей поверхности в позиции х=А. Поскольку источники создают излучение различных длин волн (цветов), а зрение человека обладает свойством цветовой селективности, яркость следует представлять в векторной форме, соответствующей аддитивной колориметрической модели. Яркость света, создаваемого первым источником в точке х, записывается выражением

а яркость света, создаваемого вторым источником, - выражением

где , - векторные представления яркостей источников света согласно аддитивной колориметрической модели.

Из выражений (3) и (4) следует, что изображения, создаваемые двумя источниками светового излучения, оказываются смещенными относительно друг друга по оси х на расстояние, равное удвоенной амплитуде колебаний, и сменяют друг друга с частотой, равной удвоенной частоте колебаний.

Благодаря инерционности зрения смена изображений не замечается, а происходит сложение средних значений яркости света в чередующихся изображениях с учетом цветовых составляющих. Распределение яркости света в воспринимаемом глазом изображении записывается выражением

Из выражения следует, что воспринимаемое глазом изображение разбито на три зоны: зона №1 х<-А, окрашена в цвет, обусловленный сложением цвета двух источников. Зона №2 х∈[-А, А], обусловленная относительным смещением двух изображений, окрашена в цвет излучения только одного из источников. Зона №3 х>А - темная. Яркость света в зоне №2 (х∈[-А,А]) постоянна, поэтому обе границы х=-А и х=А могут наблюдаться одновременно, соответственно, не требуется постоянного перевода зрительного внимания и переадаптации глаза, что обеспечивает уменьшение влияния субъективных факторов на точность измерения и уменьшает время, необходимое на выполнение одного измерения.

Измерения выполняются следующим образом: колебательная система устанавливается в фиксаторе таким образом, что ее продольная акустическая ось располагается перпендикулярно главной оптической оси объектива микроскопа, а граница излучающей поверхности наблюдается в середине поля изображения микроскопа. На вход электронного блока подается сигнал синхронизации, в качестве которого может выступать напряжение или ток в цепи колебательной системы. Производится наблюдение через микроскоп. Регулируя фазу формирования импульсов, устанавливается максимальная ширина зоны перекрытия, которая соответствует размаху (удвоенной амплитуде) колебаний.

Фотография изображения (с указанием зон), полученного с помощью измерительной установки, показана на фиг.6.

Практически реализованный в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета способ измерения прошел лабораторные технические испытания. Минимальная измеряемая амплитуда колебаний составляла 10 мкм (определялась разрешением используемого микроскопа), максимальная амплитуда колебаний составляла 350 мкм (предельная амплитуда используемых колебательных систем), время одной процедуры измерения не более 1...3 секунд (вместо нескольких минут).

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведется подготовка к серийному производству измерителей амплитуды, основанных на использовании предложенного способа. Они будут использоваться в составе ультразвуковых технологических аппаратов. Мелкосерийное производство планируется начать в 2004 году.

Источники информации

1. Позняк Г.Г., Рогов В.А., Потапов С.П. Датчик абсолютных колебаний. /Патент №2063000, RU, G 01 H 9/00, опубликован 1996.06.27.

2. Костюков В.Н., Стряпонов А.Е., Шаркаев Т.Р. Устройство для замера уровня вибрации машин. /Патент №2178154, RU, G 01 H 1/00.

3. Макаров Л.О. Акустические измерения в процессах ультразвуковой технологии. - М. Машиностроение, 1983., стр.5 (прототип).

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения амплитуды ультразвуковых колебаний. Сущность: колебательную систему располагают так, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источников света, формирующих в цилиндрический пучок импульсное световое излучение различных длин волн (цветов). Длительность импульсов устанавливают равной тысячной доле периода рабочих колебаний колебательной системы. Частоту следования импульсов устанавливают так, что моменты формирования импульсов светового излучения одной длины волн (цвета) совпадают с моментом максимального смещения излучающей поверхности в одном направлении, а момент формирования импульсов светового излучения другой длины волн - с моментом максимального смещения в другом направлении. Амплитуду колебаний определяют по относительному смещению изображений излучающей поверхности в моменты формирования импульсов светового излучения различных длин волн (цветов), производя визуальное наблюдение через микроскоп, снабженный окулярной шкалой или сеткой. Технический результат: повышение точности и скорости выполнения измерений без предварительной калибровки. 6 ил.

Способ измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы, заключающийся в том, что колебательную систему располагают так, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источника светового излучения, совмещают с ней неподвижно установленную излучающую поверхность колебательной системы, освещают колеблющуюся поверхность и по ширине зоны частичной тени визуально измеряют амплитуду колебаний через микроскоп с окулярной шкалой или сеткой, отличающийся тем, что освещение излучающей поверхности осуществляют от источников, формирующих в цилиндрический пучок импульсное световое излучение различных длин волн (цветов), причем длительность импульсов устанавливают равной тысячной доле периода рабочих колебаний колебательной системы, а частоту следования импульсов устанавливают так, что моменты формирования импульсов светового излучения одной длины волн (цвета) совпадают с моментом максимального смещения излучающей поверхности в одном направлении, а момент формирования импульсов светового излучения другой длины волн (цвета) - с моментом максимального смещения в другом направлении, амплитуду колебаний определяют по относительному смещению изображений излучающей поверхности в моменты формирования импульсов светового излучения различных длин волн (цветов).