Устройство для измерения скорости ультразвука Советский патент 1988 года по МПК G01H5/00 

00 00

;о ел со

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле физико-механических свойств по скорости распространения ультразвука.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет уменьшения разности частот компенсации, ,

На фиг.1 и фиг.2 изображены схемы устройства для измерения скорости ультразвука.

Устройство для измерения скорости ультразвука содержит последовательно соединенные генератор 1, стробирую- щий усилитель 2 и акустическую ячейку 3, последовательно соединенные цриемный усилитель 4 и индикатор 5, частотомер 6 соединенньш с генератором 1, и генератор 7 строба, соединенный со стробирующим усилителем 2, линию 8 задержки со временем

задержки, большим максимально воз-i

138Д9592

пульсы от образца (а если акустическая ячейка 3 содержит волноводы, то и эхо-импульсы из волноводов) и задержанный в линии 8 задержки радиоимпульс . Эти радиоимпульсы можно наблюдать на экране осциллографа, а меняя задержку между видеоимпульсами генератора 7 строба, можно изменять

0 задержку между эхо-импульсами от второго зондирующего радиоимпульса и задержанным в линии 8 задержки радиоимпульсом от первого зондирующего и добиться наложения интересующе15 го нас эхо-импульса на задержанный радиоимпульс.

При изменении частоты генератора 1 наблюдается интерференция наложенных импульсов. Наиболее точно

20 можно определять противофазность интерферирующих импульсов по минимуму суммарного сигнала при изменении частоты и соотнодпения амплитуд видеоимпульсов. Частоты противофазности

можного времени прохода акустичес кой ячейки 3 ультразвуком, включенной между выходом акустической ячейки 3 и входом приемного усилителя 4, причем выход стробирующего усилителя 2 соединен с входом приемного усилителя 4, или включённой между выходом стробирующего 2 и приемного 4 усилителей, а выход акустической ячейки 3 соединен с входом приемного усилителя 4.. .

Устройство для измерения скорости ультразвука работает следующим образом.

Стробирующий усилитель 2 открывается парами импульсов генератора 7 строба и формирует из сигнала геце- ратора 1 пары зондирующих прямоугольных радиоимпульсов с когерентным заполнением. Зондирующие радиоимпульсы поступают на входы линии 8 задержки и акустической ячейки 3, где преобразовываются электроакустическими преобразователями в ультразвуковые импульсы. В образце ультразвуковые импульсы многократно отражаются от пло скопараллельных границ образца и преобразовываются приемным преобразователем акустической ячейки 3 (приемный и излучающий преобразователь при работе на отражение может быть сов мещенным) в серию радиоимпульсов. Таким образом, от каждой из пар зондирующих радиоимпульсов на вход приемного усилителя 4 поступают эхо-имi

20 можно определять противофазность интерферирующих импульсов по минимуму суммарного сигнала при изменении частоты и соотнодпения амплитуд видеоимпульсов. Частоты противофазности

30

40 дЗспсг

125 (частоты компенсации) измеряются частотомером 6.

Для определения скорости ультразвука измеряют частоты компенсации задержанного радиоимпульса с т-Ми 1-м эхо-импульсами ():f, f и f, причем эти частоты выбирают удовлетворяющие условиям

..Е -ш - .

Условия противофазности для этих частот выглядят следзпощим образом:

-(2т-1)ц + Ф(С) -2(m-1)Cf(f) k - 1/2;

(21-1),+ Ф(п) - 2(l-1)cf(f) n - 1/2;

(1)

(2)

-zTj- (21-1 ), (fL,)-

-2(l-1)(f(f;) П + 1/2,

(3)

де

с. -

Ф()

гг, время прохождения ультразвуковых колебаний через образец;

время задержки линии 8 задержки;

сумма фазовых сдвигов, обусловленных преобразованием электрических колебаний в ультразвуковые и обратно в электрические, задержками сигналов в электрических цепях;

Cf(f) - фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от границы образец - преобразователь.

Соотношение фаз при интерференции 1-го импульса на частоте ц при условии линейности изменения (f) на малом частотном диапазоне f„+, -f с учетом (2) и (3) можно записать следующим образом:

(21-1)(;) (21-1)tf(fK)

m е

n-1/2 -f -f. H+i n

Из (1) И (4) следует, что

2(т-1)(1-т)ч(к)

m в , fK-f«

-n-k +

и+t i-h

а скорость ультразвука определяют по формуле .

2(т-Ш, у

(- - - - fm jfTn, Л).

(m-l)4(fj.

где С - скорость ультразвука;

d - толщина образца; п и k - целые числа. Целые числа п и k определяют по частотам компенсации , и п+; rt.; Пренебрегая малыми Ф() и tf(f), находим из условий противо- фазностц для и f.: :

. (2m-1) 2j/(f:,. -f.j )

Подставив значение ГУ-(2m-1) Г в (4), получим

k -. +1/2.

Вычисленную no этой формуле величину необходимо округлить с учетом фазовой ха{)актеристики преобразователя до целого числа.

Фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от границы образец - преобразователь близок к нулю при использовании кварцевых преобразователей на их резонансной частоте. Поэтому измерение скорости необходимо производить на частотах вблизи резонансной частоты использованных преобразователей.

Также возможно экспериментально определить ср() в диапазоне частот. Для этого проводят измерения при ра- с боте на отражение и определяют влияние приклеенного к свободному торцу образца идентичного преобразователя при работе на прохождение. Затем, поменяв функции излучак)щего и прием10 ного пьезопреобразователей, определяют различие c|(f) для пьезопреобразователей.

Для расчета абсолютных значений скорости ультразвука выбирают в поfS лосе работы пьезопреобразователей диапазон частот, измеряют на каждом крае этого диапазона по три компенсационные частоты: две частоты компенсации ближнего 1-го зхо-импульса с

20 задержанным опорным радиоимпульсом и одна частота компенсации этого сигнала с т-м эхо-импульсом. Причем частоты компенсации выбирают удовлетворяющие условиям

25

Л т ..t v° ,.т Л . ; fn..V,

Условия противофазности для час- тот ц и , а также соотношений фаз между интерферирующими опорным радиоимпульсом и 1-м эхо-импуль

сом на частотах f и fц+ будут иметь следующий вид:

ц - (2т-1) б f7 +Ф(к)-2(т-1)-,ч Mf(f k-1/2;

0

- (21-1)(J-2(l-1)

f

tk In

(8)

5

0

5

.tfCC) п-1/2-. -п-и

-гг. -(2т-1 )t Г, --Ф( Г. к )-2 (т-1)

m

«С(ц,к) k+k-1/2;

-(2т-1):,,-Ир(-,)- -2(1-1)с(:,, )n+N-1/2 + )

I(i + Nt( I titN

При этом предполагалась линейность частотной зависимости на каждом краю выбранного частотного диапа- з.она. Из этих соотношений нетрудно получить выражение для определения скорости ультразвука:

2(m-l)d(r.K-fK) (,,. С f I frf S I fFА )

N1 . -KtK J- к in о / -k t -рг1гГf 2o

n -n

где N и k - число частот компенсаций

соответственно f

« + V

и f

п

меаду , . „,

fL. и f аоб (m-l)cf(f:,,)-c|(f:;)

При подключении линии 8 задержки между выходом акустической ячейки 3 и входом приемного усилителя 4 влияние фазового сдвига уменьшается в зависимости от величины и места выбора относительно резонансной частоты ис- пользованного преобразователя .частотного диапазона fK+x к- Так как tf(f) является огранич.енной по величине функцией, то при выборе .к. например, в 10 раз меньше величины ц, уменьшается не менее, чем в 10 раз. Выбор частотного диапазона вдали от резонанса преобразователя приводит также к уменьшению погрешности измерений, так как в dO(f) Jf значение, чем вблизи резонанса-.

В том случае, когда в устройстве используется линия задержки со зна- чительньм временем задержки - с . 2Г

этом случае

имеет меньшее

fn+K fntN то фазовые

а и

сдвиги имеют близкие значения, и расчет скорости может быть проведен по формуле

2(m-l)d

N k

fT i-|in+N n

F 1 IT

При проведении относительных измерений скорости ультразвука, например изменения скорости при изменении температуры образца, следят за изменением какой-либо частоты компенсации, например f (для упрощения обозначений f ц с f) 3. для расчета можно использовать формулу, полученную дифференцированием:

С SjS- fii

45

(13)

во раз меньшее влияние на точность относительных измерений. Точность же установки частот компенсаций, а вместе с ней и точность определения скорости ультразвука в предлагаемом устройстве значительно првьшается по сравнению с точностью в известных устройствах. Это связано с тем, что, если в известных устройствах интервал частот между соседними частотами компенсаций равен Г/2 с , то в предлагаемом устройстве, например, при регистрации частот компенсаций задержанного линией задержки рариоимпуль,са и второго эхо-импульса - .г;:.

т

Погрешность же установки частот компенсаций пропорциональна интервалу частот между соседними компенсационными частотами и, таким образом, в предлагаемом устройстве повьш1ается точность в зависимости от соотношения между временем распространения ультразвуковых импульсов в образце и временем задержки линии 8 задержки. При подключении линии 8 задержки между выходом акустической ячейки 3 и входом приемного усилителя 4 радиоимпульсы, прошедшие акустическую ячейку 3 и линию 8 задержки, смешиваются на входе приемного усилитрля 4 с зондирующими импульсами последующих периодов. Методика измерений и расчетные формулы не изменяются.

При Г, Г расчет скорости может производиться по упрошенной формуле

С

2(m-l)fl -

(14)

.pm fin f t .K+K IK ntK

- f 8 n

Расчетная формула для определения относительных изменений скорости имеет следующий вид;

АС . с fl

(15)

Изобретение относится к нераз- рушающему контролю и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле физико-механических свойств по скорости распространения ультразвука. Целью изобретения является повьшение точности измерений за счет увеличения разности смешиваемых частот при компенсационном методе. Перед смешиванием прошедших акустическую ячейку зондирующих импульсов одни из них задерживают на время, большее времени прохода сигнала через акустическую ячейку. При зтом смешивают сигналы, соответствующие разным зондирующим им- п ;льсам, что увеличивает разность смешиваемых сигналов. 2 ил. (Л

где tg - время распространения ультразвукового импульса при начальной температуре.

Так как частота заполнения ультразвуковых импульсов отклоняется значительно меньше от первоначальной выбранной частоты компенсации f (в

,

раза),, то фазовые сдвиги

соответствующее количест

50

где ДС - изменение скорости;

л - изменение, например с температурой, частоты компенсации f

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор, стробирующин усилитель и акустическую ячейку, последовательно соединенные приёмный усилитель и индикатор, частотомер, соединенньй с генератором, и генератор строба, соединенный со стробирующим усилителем, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности, оно снабжено электрической цепью, соединяющей вы{ Ti-fT

ход стробирующего усилителя и вход приемного усилителя, и линией задержки с временем задержки, большим максимально возможного времени прохода акустической ячейки ультразвуком, включенной в электрическую цепь или включенной между входом приемного усилителя и выходом акустической ячейки.

Фи.г