Ультразвуковое устройство для измерения толщины изделий Советский патент 1990 года по МПК G01B17/02 

Изобретение откосится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины изделий.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет автоматичес - ксй компенсации влияния изменений скорости ультразвука.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит первый и второй измерительные каналы, каждый из которых состоит соответственно из последовательно соединенных генератора 1 (2) импульсов, электроакустического преобразователя 3 (4) и усилителя 5 (6), компенсационный канал, который состоич из последовательно соединенных генератора 7 импульсов, электроакустического преобразователя 8 с отражателем 9 и усилителя 10,

аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, последовательно соединенные генератор i 2 синусоидальных коле баний, первую схему 13 И и схему 14 ИЛИ, последовательно соединенные детектор 15 и пороговый элемент 16, первый 17 и второй 18 делители частоты и умножитель 19 частоты. Аналого-цифровой преобразователь 11 может быть выполнен в виде последователь- но соединенных триггера 20, второй схемы 21 И и счетчика 22, Вторые выходы генераторов 1 и 2 импульсов первого и второго измерительных каналов соединены с вторыми входами усилителей 5 и 6 соответствующих каналов, выход усилителя 5 первого измерительного канала соединен с входом генератора 2 импульсов второго измерительного канала, выход усилителя 6 второго измерительного канала подключен к первому входу триггера 20, выход усилителя 10 компенсацион(Л

ного канала соединен с вторым входом схемы 14 ИЛИ и с входами детектора 15, первого делителя 17 частоты и умножителя 19 частоты, выход которого подключен к второму входу второй схемы 21 И, выход первого делителя 17 частоты подключен к входу второго делителя 18 частоты и к второму входу триггера 20, выход порогового элемента 16 соединен с вторым вхо- Дом первой схемы 13 И, выход схемы 14 ИЛИ подключен к входу генератора 7 импульсов компенсационного канала, а выход второго делителя 18 частоты подключен к входу генератора 1 импульсов. Кроме того, на фиг.1 показано контролируемое изделие 23.

На фиг.2 показаны временные диаграммы напряжений U,t(t) - на выходе первой схемы 13 И, U(t) - на выходе Генератора 7 импульсов, j,(t) - на Выходе усилителя 10, lU(t) - на выходе амплитудного детектора 15, Uц - пороговое напряжение порогового эле- мента (триггера Шмитта) 16, U$(t)- напряжение на выходе порогового элемента 16, Ub(t) - на выходе первого делителя 17 частоты, UJ7(t) - на выхо

5

Устройство для измерения толщины изделия работает следующим -образом.

При включении устройства начинает работать в автоколебательном режиме генератор 12 синусоидальных колебаний. Частота генерации сигнала U(t) выбрана такой, чтобы длина волны ультразвука в среде была равна у ,где uh - допустимая погрешность (дискретность отсчета толщиной h); e - целое число. На выходе порогового элемента 16 в момент включе-, ния устройства присутствует высокий уровень напряжения, так как входной потенциал равен нулю. Схемы 13 И и 14 ИЛИ разрешают поступление сигнала с выхода генератора 12 на вход генератора 7 импульсов. Генератор 7 возбуждает ультразвуковые колебания U(t) в преобразователе 8, излучающем в среду непрерывные акустические колебания. Ультразвуковые колебания отражаются от отражателя 9, преобразуются в преобразователе 8 в электрические, усиливаются и преобразуются усилителем 1 0 в импульсный сигнал UgXt) типа меандр, поступающий на вход детектора 15, Через некоторое

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины изделий. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука. Устройство содержит два измерительных канала и компенсационный канал, каждый из которых состоит из генератора зондирующих импульсов, преобразователя и усилителя, аналогоцифровой преобразователь, два делителя частоты, амплитудный детектор, пороговый элемент, генератор синусоидальных колебаний, схемы И и ИЛИ и умножитель частоты. 2 ил.

де второго делителя 18 частоты, Ug (t)-эд время после момента tj прихода страна выходе умножителя 19 частоты, Ug(t) - на выходе триггера 20 и (t) - на выходе второй схемы 21 И, Частота сигнала U((t) выбрана равной

Јн Сц/ гДе сн скорость распространения акустических волн в нормальных условиях; - длина волн, выраженная в метрических единицах. Частота сигнала Ufc(t) до момента времени t. прихода акустического сигнала на приемник преобразователя 8 равна Ји , а затем быстро устанавливается равной f в соответствии с реальной скоростью звука С. Период частоты

женного сигнала на преобразователь 8 на выходе детектора 15 устанавливается уровень напряжения, достаточный для переключения порогового элемента ,, 16 (превышающий U), вследствие чего схема 13 И закрывается и отключает генератор 12 от, генератора 7 импуль-

40

сов, С момента времени t включения прибора в среду излучаются акустические волны длиной $ СнДч« Поскольку расстояние между преобразователем 8 и отражателем 9 равно mfl/2, отраженный сигнал, в момент времени Ц достигающий поверхности преобразова

сигнала U6(t) равен Т 2L/C. Период теля 8, приходит на вход схемы 4 ИЛИ

частоты сигнала U7(t) в несколько раз превышает период Т и выбирается из расчета обеспечения затухания ре- верберационных помех в среде. На диаграммах показаны моменты времени tc, когда включается питание устройства; момент t, когда на преобразователь

8приходит отраженный от отражателя

9сигнал; момент t, когда сигнал на выходе амплитудного детектора 15 достигает порога срабатывания элемента 16; моменты времени t3 и t формирования измерительного импульса

на выходе триггера 20.

50

55

практически синфазно. Действительно, всегда можно выбрать такую длину волны ft у что при изменениях физических параметров среды в заданном диапазоне задержка сигнала на базе L изменяется на величину, значительно меньшую Т. В результате в цепи, образованной генератором 7, преобразователем 8, усилителем 10 и логическим элементом 14 ИЛИ и замкнутой по акустическому тракту через отражатель 9, начинается автоколебательный процесс. Этот процесс обусловлен тем, что цепь охвачена пол ожитель-

время после момента tj прихода страженного сигнала на преобразователь 8 на выходе детектора 15 устанавливается уровень напряжения, достаточный для переключения порогового элемента 16 (превышающий U), вследствие чего схема 13 И закрывается и отключает генератор 12 от, генератора 7 импуль-

сов, С момента времени t включения прибора в среду излучаются акустические волны длиной $ СнДч« Поскольку расстояние между преобразователем 8 и отражателем 9 равно mfl/2, отраженный сигнал, в момент времени Ц достигающий поверхности преобразова

0

5

практически синфазно. Действительно, всегда можно выбрать такую длину волны ft у что при изменениях физических параметров среды в заданном диапазоне задержка сигнала на базе L изменяется на величину, значительно меньшую Т. В результате в цепи, образованной генератором 7, преобразователем 8, усилителем 10 и логическим элементом 14 ИЛИ и замкнутой по акустическому тракту через отражатель 9, начинается автоколебательный процесс. Этот процесс обусловлен тем, что цепь охвачена пол ожитель-

ной обратной связью с выхода на вход (обеспечено условие баланса фаз), а также тем, что величина обратной связи с помощью усилителя 10 и генератора 7 выбрана такой, которая является достаточной для поддержания в схеме изменений напряжений и токов по закону, свойственному этой схеме, т.е. сколь угодно длительное время выполнено условие баланса амппитуд. После захвата частоты Јн, навязанной этой цепи генератором 12, в цепи начинается переходной процесс, в ре- зультате которого частота автогенерации устанавливается равной , 1% где С; - реальное значение скорости распространения акустических волн в данный момент, а затем частота пос- тоянно меняется в соответствии с изменениями скорости распространения акустических волн.

Условие баланса фаз:

2 II т или

mfl

(О

Учитывая условие 2L 10 7ч Полоса усиления усилителя 10 выбирается такой, чтобы в компенсационном канале возникли колебания именно той частоты (либо близкой к ней), при которой выполняется условие 2L .

Электрический сигнал ) с выхода усилителя 10 поступает на вход делителя 17, коэффициент деления которого равен 10, и на его выходе возникает частота ff/IO -, период которой равен суммарному времени распространения акустических волн в измерительной трассе при условии, что толщина изделия равна нулю. Делитель 18 увеличивает период выходного сигнала (Ub(t)) усилителя 10 настолько, чтобы выждать затухание ревер- берационных помех в измерительном канале (см, диаграмму U7(t)), По фронту импульсной последовательности U7(t) генератор 1 импульсов возбуждает в преобразователе 3 первого измерительного канала ультразвуковые колебания, которые после отражения от одной поверхности контролируемого изделия 23 преобразуются преобразователем 3 в электрические, которые усиливаются в усилителе 5 и поступают на вход генератора 2 импульсов второго измерительного канала. Генератор 2 возбуждает в преобразователе 4 ультразвуковые колебания, которые, отразившись от другой поверхности контролируемого изделия 23, преобразуются преобразователем 4 в электрические. После усиления усилителем 6 электрические колебания поступают на второй вход АЦП 11. Время задержки распространения в первом и

втором измерительном каналах ut равдс . Сигнал с

0

но

с,выхода

усилителя 6 второго измерительного канала в момент времени t $ поступает

на вход установки в логическое состояние 1 триггера 20. Возврат триггера 20 в состояние О происходит в момент времени tq, В результате на выходе триггера 20 формируется

импульс Ug(t). Так. как L Ц + L2+ h, где h - толщина изделия,L и LI - расстояния до соответствунэдих поверхностей контролируемого изделия от преобразователей 3 и 4 соответст-

венно, и вследствие того, что 2L 10k$, а коэффициент деления делителя 17 равен Ю1, то на выходе триггера 2.0 формируется импульс длитель-

Ю 10 2(Li+LO

„„ - ut - гт --pr.

tit| GI

Значение f,- задается выражением (l)P тогда

ностью

loJLjk, 7 &.« +-ЈiL

40

Ю Cj

Ci

2

c

IM + L2+ h - ) тгг.

2h C

Выходной сигнал из(с) усилителя 10 подается на умножитель 19 с коэффициентом умножения 10п/2 и этой частотой заполняется интервал времени Г, а в счетчик 22 записывается число

50

м - f. inn /о 2h mC; 10 NU -c.f.10 /2 -- -r

Ьд1 2L

icf .

Так как 2L 10 , к

и m 10

то

, i(/ TOI

10 fl fl

да

h flh

10

n-t

(2)

Результат измерения не зависит от скорости ультразвука в среде, а также не зависит от выбора величины L, равной mfl/2, причем показания счет- Чика дают отсчет непосредственно в Метрических единицах ДЬ .

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для измерения толщины изделий, содержащее Два измерительных канала, каждый из которых состоит из последовательно Соединенных генератора импульсов, Электроакустического преобразовате- я и усилителя, выход усилителя пер- ого измерительного канала соединен Ј входом генератора импульсов второ- о измерительного канала, вторые зы- Јоды генераторов импульсов первого 1 второго измерительных каналов под- шюченЫ к вторым входам усилителей соответствующих измерительных каналов, компенсационный канал, состоящий из последовательно соединенных Генератора импульсов, электроакустического преобразователя- с отражателем и усилителя, и аналого-цифровой

Фиг.1

преобразователь, первый вход которого подключен к выходу усилителя второго измерительного канала, о т л и - чающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет обеспечения автоматической компенсации влияния изменений скорости ультразвука, оно снабжено последовательQ но соединенными генератором синусоидальных колебаний, схемой И и схемой ИЛИ, выход которой подключен к входу генератора1 импульсов компенсационного канала, последовательно соединен-

5 ными детектором и пороговым элементом, выход которого соединен с вторым входом схемы И, первым и вторым делителями частоты и умножителем частоты, выход усилителя компенсационного канала соединен с вторым входом схемы ИЛИ и с входами детектора, первого делителя частоты и умножителя частоты, выход первого делителя частоты соединен с входом второго делителя частоты и с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, третий вход которого подключен к выходу умножителя частоты, а выход второго делителя частоты соединен с входом

0 генератора импульсов первого измерительного канала,

к-1

0

5

з