Ультразвуковой виброметр Советский патент 1988 года по МПК G01H3/00 

«

О 00

ю со со

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в качестве датчика амплитуды колебаний изделий, например ультразвукового излучателя при непрерывном и импульсном режимах возбуждения в составе установок для ультра- звуковых технологических процессов в газовых и жидких средах.

Цель изобретения - повышение точности измерения вибраций за счет помехозащищенности.

На чертеже представлена схема виброметра.

Виброметр содержит последовательно соединенные генератор 1, формирователь 2 серии зондирующих импульсов, усилитель 3 мощности и акустический излучатель 4, сфокусированный на контролируемое изделие 5, последовательно соединенные акустический приемник 6, усилитель 7, в цепь обратной связи которого включен блок 8 автоматической регулировки усиления, полосовой фильтр 9, временной селектор 10, первый формирователь 11 импульсов перехода через нуль, блок 12 определения момента совпадения импульсов, формирователь 13 разности периодов, импульсно-счетный преобразователь 14 и индикатор 15.

Виброметр содержит также фильтр 16 нижних частот, включенный между его выходом и управляющим входом формирователя 2 серии зондирующих импульсов блок 17 адаптивной задержки, формирователь 18 строб-импульса, включенный между выходом фильтра 16 нижних частот и вторым входом временного селектора 10, и второй формирователь 19 импульсов перехода через нуль, включенный между выходом генератора 1 и вторым входом блока 12 определения момента совпадения импульсов, инверсный выход которого связан с вторыми входами импульсно-счетного преобразователя 14 и формирователя 13 разности периодов, третий и четвертый входы соответственно подключены к выходам формирователей 19 и 11 импульсов перехода через нуль.

Блок 12 определения момента совпадения импульсов выполнен в виде последовательно соединенных первого инвертора 20, первого элемента И 21 и -триггера 22, выходы которого являются выходами блока 12, второго элемента И 23 выход которого связан с вторым входом L-триггера 22, а входы подключены к выходам формирователей 11 и 19 импульсов перехода через нуль, и второго инвертора 24, включенного между вы- ходом формирователя 11 импульсов перехода через нуль и вторым входом первого элемента 21 совпадения.

Формирователь 13 разности периодов содержит два D-триггера 25 и 26, / С5-триг- гер 27 и / 5-триггер 28, два инвертора 29 и 30 и элемент 31 совпадений, причем С-вхо- ды обоих D-триггеров 25 и 26 соединены с выходами соответствующих формирова

5

5

0

0

0

5

0

5

5

0

телей 11 и 19 импульсов перехода через нуль, а их D-входы соединены с неинвертирующим выходом блока 12. Выход D-триггера 25 соединен через инвертор 29 с вторым входом D-триггера 25, а также с первым входом (R) CS-триггера 27 и первым входом элемента 31 совпадений, а выход D-триггера 26 соединен через инвертор 30 с его вторым входом и с вторым входом (S) / С5-тригге- ра 27, синхронизирующий вход которого (С) соединен с вы.ходом / 5-триггера 28, выход У С5-триггера 27 соединен с вторым входом элемента 31 совпадений и с выходом формирователя 13 разности периодов. Первый вход / 5-триггера 28 соединен с выходом элемента 31 совпадений.

Блок 17 адаптивной задержки содержит последовательно соединенные фазовращатель 32, формирователь 33 импульса перехода через нуль, делитель 34 частоты на два, блок 35 регулируемой задержки, инвертор 36 триггеры 37-39, элементы 40, 42 и 43 совпадений, генератор 41 счетных импульсов, реверсивный счетчик 44 и элементы ИЛИ-НЕ 45 и 46.

Виброметр работает следующим образом.

Генератор 1 генерирует высокочастотный сигнал в непрерывном режиме. Из этого сигнала с помощью формирователя 2 серии зондирующих и.мпульсов в течение действия видеоимпульса, поступающего с выхода блока 17 адаптивной задержки, формируется модулированный импульс. Этот импульс усиливается в усилителе 3 мощности и поступает на вход пьезоэлектрического акустического излучателя 4 зондирующих импульсов, который за счет пьезоэффекта возбуждает акустические импульсы с тональным заполнением.

Для определенности считают, что изделие 5, амплитуда колебательной скорости которого измеряется, колеблется на резонансе по синусоидальному закону. При импульсном возбуждении излучателя в стационарной части импульса колебания изделия 5 также можно считать синусоидальными.

Акустический излучатель 4 зондирующих импульсов выполнен фокусирующим. Он устанавливается на расстоянии радиуса фокусировки R от вибрирующей поверхности соосно с контролируемым изделием 5 так, что фокальная плоскость оказывается совмещенной с его поверхностью. Точность установки в пределах размеров фокальной области существенной роли не играет. В этой области звуковой фронт представляет собой неоднородную плоскую волну. Эту волну можно аналитически представить в виде бесконечного набора плоских волн, падающих на излучатель под разными углами (например, в каждом сечении функцию распределения звукового поля можно представить в виде разложения в интеграл Фурье по пространственным частотам или в объеме - в интеграл Кинга). Среди отраженных

.волн выделяют волны, распространяющиеся вдоль оси излучателя и под малыми углами к ней, которые воспринимаются акустическим приемником 6 в соответствии с его характеристикой направленности.

Отраженные волны в виде последовательности тонально-модулированных импульсов с девиацией частоты (периода) во времени по синусоидальному закону на малую величину в сравнении с частотой (периодом) модуляции, ампл итуда девиации которых пропорциональна колебательной скорости или смеидению, которое определяется через колебательную скорость делением на циклическую частоту контролируемых колебаний, поступают на вход акустического приемника 6.

Отраженные импульсы за счет прямого пьезоэффекта преобразуются в электрический сигнал, который-усиливается усилителем 7, имеющим широкую полосу (усилитель может быть также двухполосным, т. е. может усиливать низкие частоты в относительно широкой полосе и избирательно усиливать высокую частоту отраженного сигнала). Выходной сигнал усилителя 7 содержит составляющую с частотой колебаний контролируемого акустического изделия 5 и наложенные высокочастотные отраженные импульсы с тональным высокочастотным заполнением. Амплитуда отраженных импульсов с помощью блока 8 автоматической регулировки усиления поддерживается на постоянном уровне при неконтролируемых изменениях расстояния от вибрирующей поверхности до датчиков и коэффициентов отражения поверхности контролируемого изделия.

С помощью полосового фильтра 9 выделяются только последовательности тонально модулированных отраженных импульсов с частотной девиацией.

При помощи временного селектора 10 из последовательности отраженных импульсов выделяется импульс, прошедщий кратчайшее расстояние от фокальной плоскости (от вибрирующей поверхности) до приемника 5. Тем самым осуществляются временная фильтрация основного сигнала и подавление помех.

Зондирующий импульс приходит к вибрирующей поверхности контролируемого изделия в момент достижения ею максимума колебательной скорости в фазе сжатия излучателя и расширения рабочей среды в объеме между этой поверхностью, излучателем 4 и приемником 6. При выборе радиуса фокусирования достигается максимальная помехозащищенность, так как в этой фазе захлопывания кавитационных пузырьков не происходит.

С помощью блока 17 адаптивной задержки получают опережение во времени запуска зондирующих импульсов («отрицательную задержку) для того, чтобы они достигли поверхности контролируемого изделия в фазе максимума его колебательной скорости. Это условие должно выполняться независимо от рабочей частоты (адаптивно) во всем частотном диапазоне виброметра.

На вход блока 17 поступает синусоидальный сигнал с частотой колебаний контролируемого изделия с выхода фильтра 16 нижних частот. Этот сигнал с помощью под- строечного фазовращателя 32 на верхней частоте диапазона подстраивается по фазе

0 по максимуму показаний выходного индикатора 15. Этим исключается неопределенность в начальной фазе синхронизирующего сигнала. Синусоидальный сигнал на выходе фазовращателя 32 с помощью формироваг -теля 33 импульсов перехода через нуль преобразуется во временные метки - короткие импульсы, частота которых в два раза выще рабочей частоты контролируемого изделия. Короткие импульсы с выхода формирователя 33 поступают на вход делителя 34 частоты

0 на два, на выходе которого формируются импульсы с частотой колебаний контролируемого изделия 5. Задним фронтом выходного импульса делителя 34 частоты запускается блок 35 задержки, в котором выра батывается импульс задержки сигнала. Задержка устанавливается равной R/CQ, где R - радиус фокусирования; Со - скорость звука в акустической среде. Этот инвертируется инвертором 36. Передним фронтом инвертированного импульса (зад0 ним фронтом импульса на выходе блока 35 задержки) триггер 37 по 5-входу устанавливается в состояние «1 на прямом выходе, в это же состояние устанавливаются триггеры 38 и 39. Одновременно на выходах элемента 40 совпадений, который отпирается

5 потенциалом с выхода триггера 39, и элемента 43 совпадений, который отпирается потенциалом с выхода триггера 38, появляются счетные импульсы генератора 41. Элемент 42 совпадений остается при этом закрытым, поскольку счетные импульсы поступают на

0 вход реверсивного счетчика 44 в режиме прямого счета, счетчик 44 начинает заполняться до момента прихода переднего фронта импульса с выхода делителя 34 частоты на / -входы триггеров 37 и 38. В момент с прихода переднего фронта триггеры 37 и 38 переходят в состояние «О по прямому выходу, поэтому элемент 43 совпадений закрывается, а элемент 42 совпадений открывается с инверсного выхода триггера 38. Реверсивный счетчик 44 переходит в режим обратного

Q счета и находится в этом режиме до момента его обнуления. Этим способом формируются сначала первый и второй интервалы задержки Т-R/CO- Потенциалы со всех выходов реверсивного счета через элементы ИЛИ-НЕ 45 и 46 поступают на выход блока 17 адап5 тивной задержки. В момент обнуления реверсивного счетчика 44 элементы ИЛИ-НЕ 45 и 46 вырабатывают импульс, который поступает на / -вход триггера 39 и переводит его

i состояние «О по его выходу, что, в свою (|)чередь, приводит к запиранию элемента 40 ((овпадений, и поступление счетных импуль- |ов на реверсивный счетчик 44 прекращается. этом состоянии схема находится до при- ;ода переднего фронта следующего импуль- :а с выхода инвертора 36 на 5-вход триг- ера 37.

Блок 17 адаптивной задержки задержи- 5ает момент формирования фронта строб- 1мпульса на время распространения зонди- :)уюихего импульса от излучателя 4 до по- зерхности контролируемого изделия и от нее Ю приемника 6, т. е. на время 2R/Co, а также {)ормирует управляющий импульс временно10

цифровом виде эта величина Отображается на индикаторе 15.

Формула изобретения Ультразвуковой виброметр, содержащий генератор, последовательно соединенные усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные акустический приемник и усилитель, подключенный в его цепь обратной связи, блок автоматической регулировки усиления, фильтр нижних частот и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности, он снабжен последовательно соединенными полосовым фильтром, временным селектором первым формирователем импульсов перехо о селектора 10, длительность которого вы- .. да через нуль, блоком определения момента эирается порядка десяти периодов, что мень- совпадения импульсов, формирователем раз- пе отраженного импульса, чтобы устранить ности периодов и импульсно-счетным преоб- 1скажения из-за переходных процессов и разователем, выход которого связан с инди- шразитной мо.дуляции. Это обеспечивает катором, формирователем серии зондирую- -1збирательное выделение только того импуль- щих импульсов, включенным между выходом :а, который отражается от вибрирующей 20 генератора и входом усилителя мощности, юверхности контролируемого изделия в не- блоком адаптивной задержки, включенным

между выходом фильтра нижних частот, вход которого связан с выходом усилителя, и управляющим входом формирователя серии зондирующих импульсов, формирователем строб-импульса, включенным между выходом фильтра нижних частот и вторым входом временного селектора, и вторым формирователем импульсов перехода через нуль, включенным между генератором и вторым

Блок 12 определения момента совпадения Q входом блока определения момента совпаде- импульсов вырабатывает синхронизирую- ния импульсов, инверсный выход которого 1ЦИЙ импульс для синхронизации момента соединен с управляющим входом счетно- запуска формирователя 13 разности перио- импульсного преобразователя и с вторым дов в момент совпадения импульсов на его входом формирователя разности периодов, входах. На выходе формирователя 13 раз- подключенного третьим и четвертым входами ности периодов вырабатывается сигнал, 35 соответственно к выходам формирователей пропорциональный величине вибрации. В импульсов перехода через нуль.

бходимой для правильной работы устрой- :тБа фазе: в момент перехода излучателя зт растяжения к сжатию при достижении -1М максимума колебательной скорости.

С выхода генератора и выхода временного селектора 10 импульсов сигналы поступают на формирователи 19 и 11 импульсов перехода через пуль.

цифровом виде эта величина Отображается на индикаторе 15.

Формула изобретения Ультразвуковой виброметр, содержащий генератор, последовательно соединенные усилитель мощности и акустический излучатель, последовательно соединенные акустический приемник и усилитель, подключенный в его цепь обратной связи, блок автоматической регулировки усиления, фильтр нижних частот и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности, он снабжен последовательно соединенными полосовым фильтром, временным селектором первым формирователем импульсов перехо

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении амплитуды вибраций. Цель изобретения - повышение точности измерения вибраций за счет помехозащищенности. На вибрируюшее изделие направляют и принимают зондирующие акустические импульсы. Электрический сигнал возбуждения и сигнал с акустического приемника 6 подают соответственно через формирователи 11, 19 импульсов перехода через нуль на входы блока 12 определения момента совпадения импульсов. В формирователе 13 разности периодов вырабатывается сигнал, пропорциональный амплитуде вибрации., который в цифровом виде отображается на индикаторе 15. 1 ил.