Устройство для измерения сдвига фаз акустических волн на границе пьезопреобразователь-среда Советский патент 1984 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к технике акустических измерений и предназначе но преимуществеййо для измерения малых сдвигов фаз при отражении акустических волн от границы кристалл жццкость в непрерьшном диапазоне частот 0,2-3,0 ГГц. Известно устройство для измерения сдвига фаз на границе пьезопреоб разователь - среда, содержащее возбу дитель колебаний, два одинаковых пьезопреобразоватеЛя, один из которы контактирует с исследуемой средой, а другой является эталонным, и балансную измерительную схему с фазовращателем, выполненным в ввде коаксиальной линии ij . Недостатками устройства являются невысокая точность измерений и ограниченность числа рабочих частот. Первый недостаток обусловлен наличие температурного градиента между эталонным и измерительным пьезокристаллами, который вносит в результаты .измерений дополнительный сдвиг фаз. Второй обусловлен использованием в качестве суммирующего элемента гиб ридного кольцаi которое для каждой частоты изготавливается отдельно, поэтому число рабочих частот определяется числом изготовленных гибридны колец, чем и объясняется дискретност измеряемых частот-. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения сдвига.фаз акустических волн на границе пьезопреобразователь - среда, содержащее синхронизатор, подлюченный к нему генератор высокочастотных импульсов сЬединенную .с ним акустическую ячейку, включающую коаксиальный СВЧ-ре зонатор, и пьезопреобразователь, соединенный с .последним СВЧ-приемни блоки задержки, плавно регулируемую линию задержки, осциллограф и измеритель амплитуды. Акустическая ячейка состоит из двух каналов: рабочего и эталонного которые выполнены в виде двух идентичных четвертьволновых коаксиальных резонаторов с пьезоэлектрически ми монокристаллами LiNbOo и петлями связи Lf и Ii2 Отраженные от границы раздела твердое тело - иссл Дуемая жидкость (или воздух) эхоимпульсы поперечных акустических BOjffl с выхода резонатора поступают на преобразователи частоты, работающие от общего гетеродина. С выходов преобразователей частоты радиоимпульсы поступают через плавную линию задержки и аттенюатор на суммирующее устройство. В качестве суммирз ощего устройства и пхшвной линии задержки используется геликоид, обеспечивающий временную задержку радиоимпульсов в пределах 0,1- 20 НС. Сигнал разности визуально наблюдается на экране ос.циллографа. Импульсы подавления отпирают лампы усилителя только в момент поступления рабочего импульса отражения заданного номера. Такое селектирование позволяет регистрировать амплитуду только одного выбранного сигнала. Угол сдвига фазы измеряется посредством компенсации рабочего и эталонного эхо-сигналов. Компенсация с помощью аттешоатора достигается в плавной линии задержки при условии равенства амплитуды и сдвига по фазе на 180 . Устройство позволяет проводить измерения Величины фазового сдвига акустических волн с точностью до 5 % 2 . Однако у известного устройства недостаточно высокая точность измерений, сложная настройка и сравнительно большое время, требующееся на одно измерение. Эти недостатки обусловлены тем, что фазовая компенсация эхо-импультсов, особенно на высоких частотах, неустойчива вследствие наличия температурного градиента между пьезопреобразователями, а также взаимным влиянием друг на друга смесителей частоты. Цель изобретения - упрощение устройства, повышение точности и расширение частотного диапазона измерений . Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения сдвига фаз акустических вопи на границе пьезопреобразователь - среда, содержащем синхронизатор, подключенный к нему генератор высокочастотных импульсов, соединенную с ним акустическую ячейку, включающую коаксиальный СВЧ-резонатор и пьезопреобразователь, соединенный с последним СВЧ-Приемник, блоки задержки, плавно регулируемую линию задержки, осциллограф и из меритель амплитуды, блоки задержки выполнены в виде П дчлюченных к синхронизатору последовательно соединенных входами управления генераторов прямоугольных импульсов плавно регулируемая линия задержки выполнена низкочастотной и подключе к выходу СВЧ-приемника, входами управления - к сигнальным выходам бло ков задержки, измеритель амплитуды включен между вторым входом управления и выходом плавной линии задер ки, а между последним и выходом вто рой линии задержки включен осциллог раф. Благодаря такому решению измерение сдвига фаз осуществляется посредством фазовой компенсации двух эхо-импульсов, возбужденных в едино акустическом тракте и принадлежащих одной и той же акустической серии на постоянной промежуточной частоте приемника. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - конструкция плавно регулируемой низкочастотной ультразвуковой линии задержки переменной длины, разрез; на фиг.3-7 осциллограммы эхо-имп,ульсов на частоте f 2000 МГц (фиг. 3 - акустическая серия эхо-импульсов на выходе приемникаJ фиг. 4 - отдельно вьщелейный, вторично задержанный, первый эхо-импульс; фиг. 5 - сложение (совпадение по фазе) шестого и вторично задержанного первого эхоимпульсов; фиг. 6 - вычитание (компенсация) шестого и вторично задер жанного первого эхо-импульса; фиг. раскомпенсация эхо-импульсов после нанесения исследуемой жидкости на поверхность измерительного пьезопреобразователя). Устройство содержит синхронизатор J, подключенный к нему генератор 2 высокочастотных импульсов, со диненную с ним акустическую ячейку включающую коаксиальный СВЧ-резонатор 4 и пьезопреобразователь 5, (из мерительный кристалл), соединенный последним СВЧ-приемник 6, блоки 7 и 8 задержки, вьтолненые в виде под ключенных последовательно к синхронизатору 1 входами управления генер торов прямоугольных импульсов, плав регулируемую низкочастотную ультраз ковую линию 9 задержки (УЛЗ) с уси телями 10 и 1I на входе и выходе ее и собственно линию 12 задержки переменной длины. Ли5-:ия 9 задержки под-, ключена первым входом к выходу СВЧприемника 6, входами управления - к сигнальным выходам блоков 7 и 8 задержки, измеритель 13 амплитуды включен между вторым входом управления и выходом плавной линии 9 задержки, а между последним и выходом второй линии 9 задержки вюочен осциллог- раф 14. Ультразвуковая линия 9 задержки переменной длины представляет собой отдельную термоизолированную акус тическ то камеру 15 цилиндрической формы (фиг. 2), которая вьтолнена в виде термос та тируемого четв.ертьволнового коаксиального СВЧ-резонатора, -в емкостном зазоре которого (т.е. в пучности электрического поля) закреплен монокристаллический пьезопреобразователь 16 ниобата лития LiNbO, х-среза, изготовленного в виде цилиндра ф 10 мм с плоскопараллельными торцами толщиной t 3мм, В качестве излучателя и одновременно приемника ультразвуковых эхоимпульсов используется пьезокварцевая пластина 16 х-среза с резонансной частотой р 10 МГц,, воэб ядаемой на третьей гармонике. В качестве звукопровода используется бидистиллированная вода, свободная поверхность которой является рефлектором. Подключение УЛЗ 9 в устройство осуществляется через входной и выходной широкополосные электронные усилители 10 и П резонансного типа. Для вьщеления сравниваемых первого и Ц -го эхо-импульсов и предотвращения самовозбуждения усилители 10 и I1 снабжены дополнительными гнездами для подачи прямоугольньлс видеоимпульсов , обеспечивающих необходимую селекцию путем подачи прямоугольного импульса положительной полярности на отключенную от источника питания экранную сетку пентода второго усилителя I1. Временная задержка радиоимпульсов в УЛЗ 9 обеспечивается преобразованием электромагнитных колебаний кварцевым пьезопреоб- разователем 16 в ультразвуковые, которые, распространяясь в жидком звукопроводе, отражаются от свободной поверхности и вновь возвращаются к пьезопреобразоватгелю. Время задержки в этом случае определяется временем распространения уяьтразвзтсовых колебаний в жидком звукопроводе и выражается уравнением где Н - длина звукопровода высота уровня жидкости в камере 15 УЛЗ) ; С - скорость распространения ультразвука в звукопроводе с 1496 м/с для воды при 20°С. Акустическая камера 15, заполнен ная жидким звукопроводом - водой, вместе с элементами крепления юстир вочным механизмом 17 и микрометриче ским винтом 18 размещена на опорном с- олике 19. Верхняя часть камеры 15 закрыта. Пьезокварцевая пластина 16 при помощи держателя 20 крепится к дну камеры 15. Отсчет изменения положения измерительного стержня 21 определяется по шкале 22. Для искл чения возмущений поверхности жидкости, возникающих при перемещении стержня, установлена перегородка 23 Установка необходимой величины времени задержки осуществляется посред ством.погружения (перемещенияV изм рительного стержня 21 в жидкий звук провод, т.е. путем изменения акусти ческой длины звукопровода. В этом случае, использование перемещающего в лоздкости стержня 2 повьппает точность установки необходимой длины звукопровода (уровня. жидкости Н), что обеспечивает высокую точность отсчета времени задержки, а следовательно и фазы. Это следует из тог что погруженный в жидкость цилиндри ческий стержень вытесняет равный своему объем жидкости. Если обозначить величину погруркения стержня в жидкость через , а изменение уровня жидкости в камере через д Н, то исходя из равенства объемов, получаемйН . Si;. Д 5 - B /f;Se ir i /4соответственно площади основания камеры и стерж ня, а D и d их диаметры Отсюда находим Тогда, учитьшая равенства (1) и (3), изменение времени задержки выражается в виде d D2 (4) с Из уравнения (4) следует, что чем больше камеры 15, и чем меньще диаметр измерительного стержня, тем вьше точность отсчета измеряемой величины времени задержки. Грубая установка необходимого уровня жидкости в камере УЛЗ производится при помощи капельницы 24, конец которой опущен в жидкий звукопроврд. Устройство работает следующим образом. Прямоугольные импульсы синхронизатора I запускают генератор 2 высокой частоты и развертку осциллографа 14. С генератора 2 радиоимпульсы высокой частоты (1,0-3,0 ГГц) в виде пакета электромагнитных волн, длительностью 2-4 мкс с частотой повторения 1 кГц, через петлю связи L( подаются в перестраиваемый, четвертьволновый коаксиальный резонатор 3. Под действием переменного электрического поляна поверхности нижнего торца пьезокристаллавозбуждаются поперечные ультразвуковые колебания, которые, распространяясь внутри кристалла 5, испытывают многократные отражения, аьшлитуда которых монотонно убывает из-за поглощения в нем. Возбужденные таким образом ультразвуковые волны в виде акустической серии убывающих эхо-импульсов преобразовьшаются в электромагнитные и через петлю связи Lg в виде серии радиоимпульсов поступают на вход приемника 6. В приемнике 6 радиоимпульсы преобразовываются в промежуточную частоту 30 МГц и усиливаются. Первый эхо-импульс, предварительно усиленный селективным усилителем 10, подается в УЛЗ 9, в которой осуществляется временная задержка данного эхо-импульса в пределах от 2 до 50 мксм, с точностью до 0,01 не. Затем Вторично задержанный линией 9 задержки первый эхо-импульс усиливается селективным усилителем 11 и подается на вход осциллографа 14. На этот же вход осциллографа, через коаксиальный тройник, непосредствен-/ но с выхода приемника 6 подается акустическая серия эхо-импульсов. В коаксиальном тройнике происходит наложение вторично задержанного первого эхо-импульса с п -м эхо-импульсом, которое фиксируется на экране 5 осциллографа 14. Полная компенсация И -го эхо-импульса достигается при равенстве амплитуд эхо-импульсов и при наличии сдвига по фазе между ними на 180 . Выравнивание во времег ни эхо-импульсов и установка ieo6ходимого для полной компенсации фазового сдвига между ними осуществляется плавным изменением времени задержки УЛЗ 9.45 Изменение сдвига фаз ср по первому и, например, шестому принятым эхо-рмпульсам производится в следующем порядке. После настройки и получения устойчивой серии акустических 20 эхо-импульсов (фиг. З) , плавно изменяя величину времени задержки импульсного блока 7 задержки на выходе усилителя 10 из общей серии акустических эхо-импульсов, вьщеляем только первый эхо-импульс. Аналогично, изменяя величину времени задержки блока 8 задержки вьщеляем на выходе усилителя 11 вторично задержанный первый эхо-импульс. При этом на экране осциллографа 14 наблюдаем -отдельный эхо-импульс, не совпадающий во времени с эхо-импульсами исходной акустической серии /фиг. 4) . Затем ручкой усиление усилителя 10 выравниваем амплитуды задержанного первого и шестого эхо-импульсов и, плавно изменяя время задержки УЛЗ 9, совмещая эхо-импульсы во времени (фиг. 5) и добиваемся их полной компенсации (фиг. б). Полная компенсация соответствует нулевому положению стрелки измерителя 13. После этого на поверхность измерительного кристалла 5 наносим исследу- 45 емую жидкость (ИЖ), при этом компен- сация нарзппается (фиг. 7). Снова выравниваем амплитуды и, изменяя время задержки УЛЗ 9, добиваемся полной компенсаций. Величину сдвига фаз т ; 50 расчитьшают по формуле 21ГЫсС f -irrгде f -промежуточная частота измерительного приемника 6; -номер выбранного эхо-импулы са; ро из ре но ст те ус ры из ра то ре на фа ло ко ле Р -измзнение положения стержня 21 УЛЗ 9; К -постоянная линия задержки, .котораянаходится из соотношенияспользование предлагаемого усттва позволило упростить методику рения и значительно снизить погости, обусловленные нестабилы ью частоты СВЧ-генератора, расйкой СВЧ-резонатора, флуктуацией ературы акустической камеры и ением радиоэлектронной аппаратучто существенно повысило точность рения сдвига фаз If и позволило ирить диапазон исследуемых часот 1,0 до 3,0 ГГц. истематическая относительная погость измерения величины вычислео формуле . 1 (л ле &С i - lT/TVP -. -нестабильность промежуточной частоты приемника, которая для стандартных приемников этого типа составляет 0,05% от частоты сигнала; ЛР -величина абсолютной погрешности измерения перемещения.цилиндрического стержня, которая для . данной установки не ..превышает 0,01 мм; лС- абсолютная погрешность.величины скорости ультразвука в воде при измерении темпегратуры звукопровода с точ- . ностью до 0,1 С, составляет 0,2 м/с. огда погрешность измерение сдвига ср на частоте 1 2 ГГц для ,для о принятой величины рой значение 3 мм, по форму7), получим

JЦ

-If

и|-/2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - СРЕДА, содержащее синхронизатор, подключенный к нему генератор высокочастотных импульсов, соединенную с ним акустическую ячейку, включающую коаксиальный СВЧ-резонатор и пьезопреобразователь, соединенный с последним СВЧ-приемник, блоки задерж-: ки, плавно регулируемую линию задержки, .осциллограф и измеритель амплитуды, отличающееся тем, , что, с целью упрощения устройства, повьшения его точности и расширения частотного дигтазона измерений, блоки задержки вьшолнены в виде подключенных к синхронизатору последовательно соединенных входами управления генераторов прямоугольных импульсов, плавно регулируемая линия задержки выполнена низкочастотной и подклю л чена к выходу СВЧ-приемника, входами управления - к сигнальным выходам блоков задержки, измеритель амплитуды включен между вторым входом управления и выходом плавной линии задержки, а мезвду последним и выходом второй линии задержки включен осциллог-, раф.

ff

L-cr.

2it

21E-1

W 20

ШЛл

Фиг. 5

цг.6