Устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов Российский патент 2018 года по МПК G01N29/07 G01N29/11 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн при исследовании физико-механических характеристик материалов.

Известно устройство для измерения скорости распространения ультразвуковых волн (а.с. СССР №1587346).

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор периодической последовательности зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, первый формирователь импульсов, логический элемент «И», блок измерения времени, последовательно соединенные временной селектор, узкополосный фильтр и второй формирователь импульсов, выход которого подключен ко второму входу логического элемента «И», и третий формирователь импульсов. Вход временного селектора соединен с выходом усилителя, а вход третьего формирователя импульсов подключен к выходу синхронизатора, а выход ко второму входу блока измерения времени.

Устройство позволяет производить измерение времени распространения на заданной частоте, при этом на результате измерений не сказывается изменение формы переднего фронта импульса, вызванное частотно-зависимым затуханием сигнала.

Известно также устройство для измерения коэффициента затухания ультразвуковых волн (а.с. СССР №1753398, прототип).

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор периодической последовательности зондирующих импульсов, излучающий электроакустический преобразователь, приемный электроакустический преобразователь, усилитель, подключенный к его выходу временной селектор, управляющий вход которого подключен к синхронизатору, полосовой фильтр с полосой пропускания меньшей удвоенной частоты следования зондирующих импульсов и настроенный на одну из гармоник принятого сигнала и регистратор.

С помощью устройств можно измерять время распространения и амплитуду ультразвукового сигнала, после чего возможно определить скорость распространения ультразвуковой волны и коэффициент затухания.

Недостатком данных устройств является сложность выделения нужной гармоники из последовательности импульсов. Действительно, частота следования импульсов ограничена, так как при двойном преобразовании электрических колебаний в упругие и при прохождении упругих колебаний через контролируемый материал длительность импульсов существенно возрастает, поэтому при большой частоте следования зондирующих импульсов возможно наложение предыдущего импульса на последующий. Так, при проведении измерений в диапазоне частот 0,02-0,2 МГц тактовая частота, как правило, не превышает 30-40 Гц. Для выделения одной гармоники из такой последовательности импульсов необходим фильтр с большой добротностью (Q≥10⁵). В противном случае, на выделяемую гармонику будут накладываться помехи в виде соседних гармоник, что может привести к увеличению погрешности измерения. На практике, при такой частоте следования импульсов нужную гармонику можно выделить лишь с помощью электромеханического фильтра, например, с применением кварцевого резонатора. Так как подстройка рабочей частоты такого фильтра возможна лишь в узком диапазоне, проведение измерений с помощью представленных устройств возможно лишь на дискретном наборе частот.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение диапазона частот, при которых возможно проведение измерения времени распространения и амплитуды ультразвукового импульса, а также уменьшение погрешности измерения.

Технический результат заключается в возможности применения для выделения нужной гармоники узкополосного фильтра, перестраиваемого в широком диапазоне частот, и в увеличении отношения «сигнал-помеха».

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, временной селектор, узкополосный фильтр, выход которого соединен с регистратором амплитуды, снабжено вторым синхронизатором, выход которого подключен к входу первого синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты, первым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого синхронизатора, а выход к входу временного селектора, вторым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу второго синхронизатора, последовательно соединенными системами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), цифроаналогового преобразователя (ЦАП), при этом выход временного селектора подключен к входу системы АЦП, вход разрешения записи ОЗУ соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход разрешения воспроизведения ОЗУ с выходом второго формирователя импульсов, а выход системы ЦАП - с входом узкополосного фильтра.

Устройство может быть снабжено третьим формирователем импульсов, логическим элементом «И» и измерителем времени, при этом выход логического элемента «И» соединен с входом измерителя времени, запускаемого со второго выхода первого синхронизатора, первый вход логического элемента «И» соединен с выходом первого формирователя импульсов, второй вход с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства по п. 1.

Устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 10 вырабатывает тактовые импульсы с частотой следования F, которые поступают на вход синхронизатора 1, выполненного в виде делителя частоты. С выхода делителя частоты 1 сигнал поступает на вход генератора зондирующих импульсов 2, с выхода которого в виде последовательности зондирующих импульсов частотой следования F/n поступают на излучатель 3 и формирователь импульсов 9 (n-коэффициент деления делителя частоты 1). С помощью излучателя 3 электрический сигнал преобразуется в упругие колебания и вводится в контролируемый материал. Упругие колебания, прошедшие через контролируемый материал, принимаются приемником 4, где вновь преобразуются в электрические колебания, усиливаются усилителем 5 и поступают на вход временного селектора 6, который с помощью первого формирователя импульсов 9 формирует последовательность импульсов, например, состоящих из первых полупериодов принятого сигнала. Полученная последовательность импульсов поступает в систему АЦП 12, после чего заносится в память ОЗУ 13, причем импульс разрешения записи подается с выхода первого формирователя импульсов 9. Вызов записанной в ОЗУ 13 информации происходит подачей на вход разрешения воспроизведения ОЗУ импульсов с выхода второго формирователя импульсов 11, который запускается непосредственно синхронизатором 10 и формирует импульсы, совпадающие по длительности с импульсами формирователя 9. С выхода ОЗУ сигнал с помощью системы ЦАП 14 вновь преобразуется в аналоговую форму и в виде последовательности импульсов частотой следования F подается на вход узкополосного фильтра 7 с полосой пропускания, меньшей удвоенной частоты следования импульсов F, и настроенного на частоту k F (k - номер гармоники). С выхода фильтра 7 сигнал в виде синусоиды частотой k F подается на регистратор 8, где происходит измерение его амплитуды.

Так как сигнал записывается в память с частотой следования зондирующих импульсов, а считывается из памяти и поступает на узкополосный фильтр в виде периодической последовательности с частотой в n раз большей, расстояние между соседними гармониками, составляющими спектр периодической последовательности импульсов, увеличивается, что облегчает выделение нужной гармоники по сравнению с устройством прототипа. При этом возрастает отношение «сигнал-помеха», и для выделения нужной гармоники можно использовать узкополосный фильтр с регулируемой в широком диапазоне частотой.

С помощью предлагаемого устройства можно измерять коэффициент затухания ультразвуковой волны в материалах с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука в широком диапазоне частот, а также повысить точность измерения.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства по п. 2.

Устройство по п. 2 работает следующим образом.

Синхронизатор 10 вырабатывает тактовые импульсы с частотой следования F, которые поступают на вход синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты 1. С выхода делителя частоты 1 сигнал поступает на вход генератора зондирующих импульсов 2, с выхода которого в виде последовательности зондирующих импульсов частотой следования F/n поступают на излучатель 3 и формирователь импульсов 9 (n - коэффициент деления делителя частоты 1). С помощью излучателя 3 электрический сигнал преобразуется в упругие колебания и вводится в контролируемый материал. Упругие колебания, прошедшие через контролируемый материал, принимаются приемником 4, где вновь преобразуются в электрические колебания, усиливаются усилителем 5 и поступают на вход временного селектора 6, который управляется формирователем импульсов 9 и формирует последовательность импульсов, состоящих, например, из первых полупериодов принятого сигнала. Причем временная задержка между началом работы временного селектора (положением переднего фронта импульса с формирователя 9) и временем прихода сигнала не должна превышать длительность первого вступления принятого сигнала. Полученная последовательность импульсов поступает в систему АЦП 12, после чего заносится в память ОЗУ 13, причем импульс разрешения записи подается с выхода первого формирователя импульсов 9. Вызов записанной в ОЗУ информации происходит подачей на вход разрешения воспроизведения ОЗУ 13 импульсов с выхода второго формирователя импульсов 11, который запускается непосредственно синхронизатором 10 и формирует импульсы, совпадающие по длительности с импульсами формирователя 9, при этом передний фронт одного из импульсов второго формирователя 11 совмещается с передним фронтом импульса первого формирователя 9. С выхода ОЗУ сигнал с помощью системы ЦАП 14 вновь преобразуется в аналоговую форму и в виде последовательности импульсов частотой следования F подается на вход узкополосного фильтра 7 с полосой пропускания, меньшей удвоенной частоты следования импульсов F, и настроенного на частоту k F (k - номер гармоники). С выхода фильтра сигнал в виде синусоиды частотой k F подается на регистратор 8, где происходит измерение его амплитуды, и на третий формирователь импульсов 15, в котором формируется последовательность прямоугольных импульсов той же частоты со скважностью 0,5. С выхода формирователя 15 сигнал поступает на первый вход логического элемента «И» 16, на второй вход которого подается последовательность импульсов с первого формирователя импульсов 9. В момент совпадения импульсов на входах логического элемента «И» 16, на его выходе формируется импульс СТОП, который подается на второй вход блока измерения времени 17, при этом полярность последовательности прямоугольных импульсов с формирователя 15 выбирается так, чтобы момент формирования импульса СТОП совпадал с моментом прихода сигнала.

Устройство позволяет производить изменение времени распространения ультразвукового импульса на заданной частоте. Как и в устройстве по п. 1, облегчается выделение нужной гармоники, что позволяет использовать узкополосный фильтр с регулируемой в широком диапазоне частотой. При этом также возрастает отношение «сигнал-помеха».

С помощью предлагаемого устройства можно измерять скорость распространения ультразвуковой волны в материалах с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука в широком диапазоне частот, а также повысить точность измерения.

Использование: для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн при исследовании физико-механических характеристик материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, временной селектор, узкополосный фильтр, выход которого соединен с регистратором амплитуды, снабжено вторым синхронизатором, выход которого подключен к входу первого синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты, первым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого синхронизатора, а выход к входу временного селектора, вторым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу второго синхронизатора, последовательно соединенными системами АЦП, ОЗУ, ЦАП. При этом выход временного селектора подключен к входу системы АЦП, вход разрешения записи ОЗУ соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход разрешения воспроизведения ОЗУ с выходом второго формирователя импульсов, а выход системы ЦАП - с входом узкополосного фильтра. Технический результат: обеспечение возможности измерять скорость распространения и коэффициент затухания ультразвуковой волны в материалах с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука в широком диапазоне частот, а также повысить точность измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, временной селектор, узкополосный фильтр, выход которого соединен с регистратором амплитуды, отличающееся тем, что оно снабжено вторым синхронизатором, выход которого подключен к входу первого синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты, первым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого синхронизатора, а выход к входу временного селектора, вторым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу второго синхронизатора, последовательно соединенными системами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), цифроаналогового преобразователя (ЦАП), при этом выход временного селектора подключен к входу системы АЦП, вход разрешения записи ОЗУ соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход разрешения воспроизведения ОЗУ с выходом второго формирователя импульсов, а выход системы ЦАП - с входом узкополосного фильтра.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено третьим формирователем импульсов, логическим элементом «И» и измерителем времени, при этом выход логического элемента «И» соединен с входом измерителя времени, запускаемого со второго выхода первого синхронизатора, первый вход логического элемента «И» соединен с выходом первого формирователя импульсов, второй вход с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра.