Устройство для измерения времени распространения ультразвука в материале Советский патент 1990 года по МПК G01N29/04 

(Я

с

Изобретение относится к неразрушающему испытанию ультразвуковым методом материалов и может быть использовано для контроля физико-механических характеристик. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет компенсации искажений формы сигнала в целом, не только по крутизне фронта. Прошедший материал сигнал искажается за счет потери высокочастотной составляющей. Часть приемного сигнала проходит через делитель напряжения и поступает на первый вход сумматора, на второй вход которого поступает продифференцированный приемный сигнал. На выходе блока коррекции получается сигнал, близкий по форме к излученному сигналу. Этот сигнал далее обрабатывается в пороговом блоке и формируется измеряемый временной интервал. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний ультразвуковым методом и может быть использовано для контроля физикс-механичес- ких характеристик строительных материалов ,

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет компенсации искажений формы сигнала в целом.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема блока коррекции; на фиг.З - принципиальная схема блока коррекции; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения времени распространения ультразвука содержит синхронизатор 1, выход которого соединен с генератором 2 зондирующих импульсов. Выход генератора 2 соединеь. с излучателем 3 ультразвуковых колебаний, акустически связанным через контролируемый материал 4 с приемником 5 ультразвуковых кольба- ний. Выход приемника 5 соединен с входом блока 6 коррекции искажений сигнала, выход которого соединен с входом усилителя 7, Выход усилителя 7 соединен с входом порогового блока 8, выход которого подключен к входу формирователя 9 временных интервалов, второй, вход которого подключен к выходу синхронизатора 1. Выход формирователя 9 временных интервалов соединен с входом преобразователя 10 временных интервалов в цифровой код, выход которого подключен к индикатору 11.

Блок 6 коррекции (фнг.2) содержит делитель 12 напряжения и дифференСП

ел со fro

00

to

цирующий блок 13, входы которых соединены с выходом приемника 5. Выход делителя 12 подключен к первому входу сумматора 14, выход дифференцирующего блока 13 - к второму входу сумматора 14, а выход сумматора 14 соединен с входом усилителя 7.

В блоке 6 коррекции в качестве делителя напряжения использованы после- довательно соединенные конденсаторы С и С, выход делителя 12 напряжения (точки 1, 2) одновременно является первым входом сумматора 14. В качестве дифференцирующего блока 13 ис- пользованы последовательно соединенные конденсаторы С, Cf и резистор R, с переменным сопротивлением, выход дифференцирующего устройства 13 (точки 2, 3) одновременно является вто- рым входом сумматора 14. В качестве сумматора 14 использованы последовательно соединенные конденсатор С,, и резистор R, выходное напряжение сумматора 14 (между точками 1-3) являет- ся суммой выходных напряжений делителя 1 2 и дифференцирующего блока 13.

Устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает пери- одически следующие импульсы для запуска генератора 2 импульсов, а также импульсы, определяющие момент излучения импульсов в контролируемый материал 4. Электрические импульсы с вы- хода генератора 2 преобразуются излу- чателем 3 в импульсы ультразвука (УЗК), излучаемые в контролируемый материал 4. Прошедшие через материал 4 импульсы УЗК преобразуются приемки- ком 5 в электрические и через блок 6 коррекции поступают на усилитель 7, обеспечивающий приведение амплитуды первого полупериода принятых импульсо УЗК к нормированному уровню Т1М на входе порогового блока 8. Пороговый блок 8 срабатывает на пороговом уровне Uc первого полупериода принятых импульсов УЗК и формирует импульс который своим передним фронтом определяет момент приема импульсов УЗК. Этот импульс и импульс с выхода синхронизатора 1, определяющий момент излучения импульсов УЗК, поступают на формирователь 9 временных интервалов, который формирует импульс, длительность которого равна временному интервалу между моментами излучения и приема импульсов УЗК. Длительность

д 5

0

5

импульса.с выхода формирователя прет- образуется, в цифровой код преобразователем 10 и отсчитывается индикатором 1 1.

Коррекция результатов измерения производится следующим образом. Устанавливают исходное значение переменного сопротивления R, равное нулю. Затем величину R. постепенно увеличивают, при этом результат (измеренное время распространения), наблюдаемый на индикаторе 11, уменьшается и при значении достигает минималь-. ного значения, которое остается неизменным при увеличении R , (до значения R ц л. 2R ш) .

При дальнейшем увеличении R результат начинает увеличиваться и в пределе при становится равным исходному значению Т (при R,, 0). Установление на устройстве индикации минимального результата является признаком того, что в результате коррекции осуществлена полная компенсация погрешности, обусловленная затуханием в контролируемом материале.

Общий принцип коррекции, осуществляемый в предлагаемом устройстве, объясняется следующим образом„ Из-за частотной зависимости затухания в контролируемом материале 4 (возрастание затухания с частотой) материал воздействует на форму ультразвукового сигнала, как низкочастотный (НЧ) фильтр. Поэтому при отсутствии коррекции в спектре принятого импульса s (фиг.4) уменьшается доля высокочастотных (ВЧ) составляющих по. сравнению с со спектром принятого импульса s(t) при отсутствии затухания, В результате фронт импульса „(t) затягивается по сравнению с фронтом импульса so(t) (фиг,4), и момент пересечения фиксированного относительного порогового уровня 1Г0, определяющий резуль- ат измерения времени распространения, смещается на величину &t, которая определяет погрешность измерения времени распространения, обусловленную наличием затухания в материале.

При наличии блока коррекции спектр и, следовательно, форма сигнала на выходе делителя 12 напряжения совпадают со спектром и формой сигнала s(t) при отсутствии коррекции, т.е. в нем подавлены ВЧ составляющие. В спектре сигнала на выходе дифференцирующего блока 13, который осуществляет ВЧ фильтрацию, увеличивается доля ВЧ составляющих, но при этом подавляются НЧ составляющие. При суммировании сигналов с выхода делителя 12 и дифференцирующего устройства 13 эти два эффекта взаимно компенсируются; подавление ВЧ составляющих за счет затухания в сигнале на выходе делителя 12 компенсируется повышением уров- ня ВЧ составляющих в спектре поодиф- фереицированного сигнала, а снижение доли КЧ составляющих в спектре продифференцированного сигнала компенсируется преобладанием этих частот в спектре сигнала на выходе делителя 12. При соответствующем выборе коэффициента передачи делителя 12 и постоянной времени дифференцирующего блока 13 можно осуществить при суммиро- вании полную взаимную компенсацию, при этом частотная характеристика системы материал 4 - блок 6 коррекции становится равномерной (частотно-независимой) , а спектр и, следователь- но, форма сигнала s(t) на выходе сумматора 14 (на входе усилителя) точно повторяют спектр и форму принятого импульса s0(t) при отсутствии затухания, в результате чего погрешность измерения fct становится равной нулю.

35

Для объяснения возможности конкретной реализации общего принципа коррекции проанализируем работу блока коррекции 6.

При отсутствии коррекции спектр S(Q) принятого импульса s(t) на выходе усилителя 7 определяется выражением40

S(0) Sfl (CCO K GO),

(1)

де S 0(СО) - спектр принятого импульса so(t) при отсутствии затухания; Q - круговая частота; К (со) частотная характеристика материала, которая аналогична частотной характеристике низкочастотного RC-фильтра и, следовательно, описывается выражением

Ко

(2)

где Ј0 - постоянная времемени материала, определяемая коэффициентом частотной зависимости затухания и базой измерения

Частотная характеристика блока 6 коррекции с помощью известных законов электротехники описывается выражением

К, (СО)

1 + j . t (3)

i +JWTTc75

Спектр принятого импульса на выходе блока коррекции определяется выражением

s0((ca),,

s(to

К(сэ)К0(0ЬК(Јд)

-

(4)

(1 +jorfe) (1 +J0-R i ) (5)

l+jt).

77c7c

является частотной характеристикой , системы материал 4 - блок 6 коррекции При значении переменного сопротивления в блоке коррекции из (4) и (5) следует

K(cU К0(0

1

1

)

что соответствует коррекции, при этом спектр принятого импульса определяется выражением (1), а погрешность ftt и, следовательно, измеренное время распространения имеют максимальное значение. i ь

При увеличении R верхняя граница частотной характеристики описываемой (5), повышается, фронт принятого импульса укорачиваетсяj при этом уменьшаются погрешность ut и измеренное время распространения. При достижении равенства R4 R,0 0/C частотная характеристика принимает вид

45 К (СО)

1

l+JWj7c °/С

или при С , С К (СО) 1 .

Таким образом, при установлении значения частотная характеристика системы материал - блок коррекции становится равномерной (частотно-независимой) , При этом в соответствии с (4)

S(W) S0(Q), и следовательно,

S(t)

S0(t),

т.е. осуществляется полная коррекция ().

При дальнейшем увеличении значения сопротивления Rf верхняя граница частотной характеристики К (СО) , опреде- ляемой выражением (5), начинает уменьшаться, при этом происходит подавление ВЧ составляющих принятого импульса, что приводит к затягиванию фронта и, следовательно, к увеличению измеренного времени распространения (к увеличению ut), В пределе при R - 00

к(и); ,.а,

что следует из выражения (5), при этом коррекция отсутствует и, следо- вательно, измеренное время распрост- ранения опять принимает начальное значение (такое же, как при R,0).

Расчет частотной характеристики К(Ј0) системы материал 4 - блок 6 коррекции, а также проведенные экспери- ментальные исследования показали, что частотная характеристика К (со) ,

тается равномерной в широком диапазоне частот при значениях R(0,)R10.

Изложенное является обоснованием возможности при работе предлагаемого устройства использовать в качестве признака коррекции установление на индикаторе (при увеличении R4) минимального значения времени распространения, которое остается неизменным для достаточно широкого диапазона зна чения R,,

Фор м у ла изобретения

в цифровой код и индикатор, блок коррекции искажений приемного сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, блок коррекции искажений приемного сигнала выполнен в виде сумматора, выход которого подключен к входу усилителя, и подключенных к его входам делителя напряжения и дифференцирующего блока, входы которых подключены к выходу приемника .

соответственно входом и выходом блока коррекции искажений приемного сигнала.

Я

/.

К приеннику УЗ К

12

К приемнику УЗ К

IH

70

1

9

в

фие.1

К усилителю

г

К усилителю

-S

+0 z

RT

.З

4W «ДО

/I.