Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности Советский патент 1987 года по МПК G01V1/52 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а-также в ультразвуковой дефектоскопии.

. Целью изобретения является расширение частотной полосы пропускания и повышение точности измерения векторных компонент колебательных смещений.

На фиг. 1 приведен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг. 2 - схема преобразователя сигналов для поворота диаграммы направленности; на фиг. 3 - рассчитанные частотные ха- рактеристики пьезоэлектрических преобразователей; на фиг. 4 спектры приемоизлучающей пары.

. Датчик содержит дна-- одинаковых цилиндрических пьезоэлемента 1, рас- положенных ортогонально друг другу в одной плоскости. На торцовых поверхностях пьезоэлементов нанесены элект- роды-2-5. Электроды 2 и 3 приклеены к конце н раторам 6j а электроды 4 и 5 присоединены механически каждый , к идентичным согласованным поглотителям 7 и 8, которые имеют одинаковые с пьезоэлементами 1 акустические импедансы. Концентраторы 6 представ- ляют собой конусы, имеющие общую вершину, оси которых взаимно перпендикулярны друг другу, а углы растворов конусов меньше 90°, например 60°. Материалом для концентратора может служить, например, медь. Согласованные поглотители выполнены, например, из медного провода, диаметр поперечного сечения которого выбирают равным диаметру пьезоэлемента, изготовленно,го из пьезокерамики ЦТС 19. Для уменьшения габаритов датчика каждый согласованный поглотитель выполняют в виде спирали (фиг. 1). Соединение электродов 2 и 3 с концентраторами 6, электродами 4 и 5 и согласованными пoглoтитeля a 7 и 8 осуществляется с помощью низкотемпературного сплава, например сплава Вуда.

Для обеспечения механической прочности датчика согласованные поглотители размещены на держателе 9, который изготавливают из материала, плотность и скорость звука в котором по крайней мере на порядок меньше, чем у беккера и может быть выполнен, например, из пенопласта марки ПХВ,

Спиралевидную часть 10 согласованных -поглотителей помещают на призме 10, заполненной демпфирующим веществом, например пластилином. Дпину согласованных поглотителей выбирают экспериментально в зависимости от поглощающих свойств демпфера такой величины, чтобы за время распространения в нем продольной волны от элект ррда до свободного конца и обратно амплитуда колебаний за счет взаимодействия поверхности согласованного поглотителя с демпфирующей средой уменьшилась до необходимого уров нй точности измерения сигнала, В частности, йожно использовать в качестве согласованного поглотителя медный провод диаметром 3 мм и длиной 50 см спиралевидная часть которого помещена в демпфирующую среду - пластилин марки ОСТ-6-15-394-81. Уровень отраженного от свободного согласованного поглотителя сигнала составляет для указанного выполнения 0,1% от амплитуды зарегистрированной волны, то является вполне, допустимой величиной для многих используемых устройств.

Выводы электродов 2 и 3 заземлены а выводы электродов 4 и 5 присоединены к преобразователю 12 сигналов (фиг. 2), который состоит из регулируемого сдвоенного потенциометра 13, фаз оннвертора 14, переключателя 15 и сумматора 16. Переключатель 15 находится в одном из двух положений: в положении I он замыкает выход потен- циометра с входом сумматора, а в положении II он соединяет выход фазо- инвертора с входом сумматора. Сигнал снимаемый с электродов 4 и 5, на выходе сумматора 16 равен:

+(1-r)U5 - положение I;

и (1-r)Ug - положение II, г R /R

где R - максимальная величина сопротивления 13 относительно заземления;

R - величина выходного сопротивления 13 относительно заземления;и , Ug - напряжения на электродах 4

и 5 соответственно. Для пояснения работы датчика рассмотрим случай, когда на концентратор

датчика действуют псочередно компоненты смещения . и z системе координат, показанной на фиг. 1. Под действием , напряжение на злектро- дах 4 и 5 относительно заземленных электродов 2 и 3 будет равно:.

Q/C; Ug -Q/C; Q .

электрическая емкость отдельного пьезоэлемента; чувствительность пьезоэлемента;заряд пьезоэлемента.

(-f ) + (1-г)( 4. ()-(1-r)(t

Максимальному значению U при заданных и соответствует определенная величина г, которая определяется из уравнений:

25 /

1 . г 2 + 1) - положение I;

I f

г + 1) - положение II. Чх

Это означает, что изменяя величину г, можно поворачивать ось максимальной чувствительности датчика в пределах:

30

- положение I

- положение II

Исключение составляют точки if - 270° 90° для положения I и Ч О для положения. II, где U не зависит от г.

В указанном датчике расширение амплитудно-частотной полосы пропускания достигается за счет применения описанного согласованного поглотителя.

Рассчитанные частотные характеристики пьезоэлектрических преобразователей и (uJ) в относительных единицах в зависимости от параметра Q uJh/v, где h - высота пьезоэлемента со стержневым спиралевидным согласованным поглотителем 17 свободного пьеПод действием на электродах 4

и 5 возникнут напряжения;

и +Q /С;

и, +Q /C; Q п4.

5

0

fS

4. t

5

0

5

0

5

0

5

Чувствительность пьезоэлементов t к. Х- и Z- колебаниям одинакова, так как из пьезоэлементов расположен под углом 45 к оси X и соответственно под углом 45° к оси Z.

Из приведенного анализа следует, что в случае действия на торе ц датчика произвольного смещения с компонентами , и на выходе сумматора 16 напряжение будет равно: I

-i ) - положение I;

t

- ) - положение II .

зоэлемента 18 показывают, что благодаря согласованию исчезает полуволновой резонанс (при Q 3i ) и, так как пьезоэлемент нагружен инерционной массой (в данном случае стержнем), происходит расширение частотной полосы в области нижних частот. В результате полоса прозрачности увеличивается не менее чем на порядок.

На фиг. 4 приведено сопоставление экспериментального (кривая 19) и те- оре-тического (кривая 20) спектров приемоизлучающей пары, установленной на блоке из оргстекла, толщина которого 100 мм. Графики норм ированы по амплитуде подаваемого напряжения на источник. Несущественное расхождение объясняется конечным размером контактов датчиков с поверхностью блока, так как при расчетах их считали малыми.

Предлагаемая конструкция обладает, широкой частотной полосой - на уровне спада 1/2 от максимального значения амплитуды характеристики - приблизительно от 30 до 300 кГц, т.е. более чем тремя октавами.

Формула изобретения

Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности, содержащий чувствительный элемент, состоящий из двух взаимно перпендикулярных друг другу пьезоэлементов с электродами и двух согласованных поглотителей , отличающийся тем, что, с целью расширения частотной полосы пропускания и

5 12901 повышения точности измерения векторных компонент колебательных смещений, один электрод каждого пьезоэлемента соединен со своим концентратором и заземлен, а другой соединен с согласо- ванным поглотителем,выполненным в виде спиралевидного стержня, помещенного в демпфирующую среду, и подключен к преобразователю сигналов, состоя37 6

щему из переменного сдвоенного потенциометра, фазоинвертора, соединенного с выходом первого потенциометра, пе- реклйчателя и,сумматораэ при этом переключатель соединен с выходом фазоинвертора и выходом первого потенциометра, а сумматор - с выходом переключателя и выходом второго потенциометра.

.l

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ультразвуковой дефектоскопии. Цель изобретения - расширение частотной полосы пропускания и повьшение точности измерения векторных компонент колебательных смещений. Чувствительный элемент датчика выполнен из двух взаимно перпендикулярных друг другу пьезоэлементов с электродами. Один электрод соединен с концентратором и заземлен, а другой - с согласованным поглотителем и преобразователем сигналов. Подключение согласованного поглотителя, помещенного в демпфирующую среду, к преобразователю сигналов, состоящему из двойного потенциометра, фазоинвертора, переключателя и сумматора, обеспечивает расширение полосы пропускания на порядок при обеспечении возможности регулирования диаграммы направленности. 4 ил. (Л

I

Фиг2

10

Щ(

в

6

ц

I

5

иы-ю 8

ФигЪ

д luH/fj-j

8

Ч г

100200300

(Риг,1

Редактор А. Лежнина

Составитель В. Крутин Техред И.Попович

Заказ 7892/38

Тираж 752

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

/,/f/4

Корректор И. Муска

Подписное