Устройство для измерения скорости и спектрального коэффициента затухания ультразвуковых волн Советский патент 1990 года по МПК G01H5/00 G01N29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях структурных свойств мате- риалов для измерения скорости и спектрального коэффициента поглощения ультразвуковых волн и определения пористости.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет коррекции амплитуд сигналов.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2-3 - временные диаграммы, пояснянэщие работу устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные модулятор 1, высокочастотный генератор 2 перестраиваемой частоты, усилитель 3 мощности, измерительную камеру 4 с излучающим и приемным преобразователями 5 и 6, усилитель 7 напряжения, смеситель 8, фильтр 9 нижних частот и усилитель 10 с автоматической регулировкой усиления (АРУ), детектор 11, первый 12 и второй 13 аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и последовательно соединенные вычислитель 14 и индикатор 15. Второй выход модулятора 1 соединен с первыми входами первого 12 и второго 13 АЦП. выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя 14, второй выход генератора 2 перестраиваемой частоты соединен со вторым входом смесителя 8, вход детектора 11 подключен к выходу усилителя 7 напряжения, выход усилителя 10с АРУ соединен с вторым входом первого АЦП 12, а выход детектора 11

сл со ч

СА)

N

VJ

соединен с вторыми входами усилителя 10 с АРУ и второго АЦП 13.

Устройство работает следующим образом.

В модуляторе 1 формируется аналого- вый сигнал пилообразной формы. Этот сигнал поступает на высокочастотный генератор 2 перестраиваемой частоты и изменяет его частоту по закону несимметричной пилы (fr, фиг. 2а). Электрический линейный частотно-модулиро ванный (ЛЧМ) сигнал с выхода высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты, усиленный усилителем 3 мощности, поступает на вход излучающего преобразователя 5. По- следний преобразует электрический ЛЧМ-сигнал в акустический, который распространяется в измерительной камере 4 и принимается приемным преобразователем 6. На выходе приемного преобразователя 6 выделяется электрический сигнал, пред- ставляю.щий аддитивную смесь шумовой и полезной компонент. Выходной сигнал приемного преобразователя 6, усиленный усилителем 7 напряжения, работающим в линейном режиме, подается на вход детектора 11 огибающей и на первый вход смесителя 8, на .второй вход которого подается сигнал с выхода высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты.

На выходе смесителя 8 в результате перемножения ЛЧМ-сигналов излучаемого (fr, фиг..2а) и принятого (fc, фиг. 2а) образуется преобразованный сигнал, частота ко- торого f6 fr - fc (фиг. 26) пропорциональна величине Гз . Различным временам распространения акустических волн соответствуют различные значения частот fei. Амплитуда преобразованного сигнала воз- растает при резонансе, который наступает в том случае, когда на длине измерительной камеры 4 или исследуемого образца укладывается целое число ультразвуковых Полуволн зондирующего сигнала. Сигнал, образующийся на выходе смесителя 8, фильтруется фильтром 9 нижних частот, полоса которого выбрана таким образом, чтобы пропустить преобразованный сигнал в широком диапазоне fei (что соответствует. широкому диапазону скоростей продольных волн исследуемых материалов) неискаженным по амплитуде и не пропускать . сигналы с частотами fr, fc,fr + fc и с другими . комбинационными частотами. С выхода фильтра 9 преобразованный сигнал (фиг.2д) подается на первый вход усилителя 10 с АРУ, выполняющего функцию коррекции амплитуды преобразованного сигнала, на второй вход которого подается напряжение

огибающей принятого сигнала, выделенное детектором 11 (фиг.2г).

Увеличение напряжения на втором входе усилителя 10 с АРУ приводит к уменьшению его коэффициента передачи. И, наоборот, уменьшение напряжения на втором входе усилителя 10 приводит к увеличению его коэффициента передачи. Выравнивание (коррекция) амплитуды преобразованного сигнала обостряет максимум его спектра вблизи частоты fe (fei), что дает более точную оценку f6 (f6i) и соответственно скорости продольной волны в среде.

Напряжение огибающей принятого сигнала с выхода детектора 11 (фиг. 2г) и преобразованный сигнал с выхода усилителя 10 (фиг.2е) подаются соответственно на входы второго АЦП 13 и первого АЦП 12, на другие входы которых поступают импульсы тактовой частоты (фиг. За) с второго выхода модулятора 1, осуществляющие квантование сигналов во времени (фиг. 36,в) и по амплитуде.

Отсчеты напряжения огибающей принятого сигнала с выхода второго АЦП .13 (фиг.Зв) и отсчеты преобразованного сигнала с постоянной амплитудой с выхода первого АЦП 12 (фиг. 36) в цифровой форме поступают в вычислитель 14, где осуществляется цифровая обработка огибающей принятого ЛЧМ-сигнала и преобразованного сигнала. Цифровая обработка осуществляется следующим образом. На первом этапе происходит когерентное накопление преобразованного сигнала и огибающей принятого ЛЧМ- сигнала по периодам модуляции для увеличения отношения сигнал/шум до уровня, обеспечивающего заданную точность измерения. На втором этапе производится измерение скорости продольных волн по временному интервалу между соседними пиками огибающей принятого сигнала. Полученная при Этом оценка скорости используется в дальнейшем для идентификации спектральной составляющей, которая соответствует прошедшей через исследуемое вещество продольной волне. .На третьем этапе усредненный, .квантованный во времени и по амплитуде преобразованный сигнал с постоянной амплитудой подвергается спектральному анализу с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье для получения более точной оценки скорости продольных волн. Для этого вычисляется амплитудный спектр преобразованного сигнала.

Из всех пиков амплитудного спектра преобразованного сигнала выбирается тот.

который наиболее близок к оценке, полученной на втором этапе измерений, Положение максимума этого пика на частотной оси и является более точной оценкой f6. Полученная оценка fe пересчитывается в более точную оценку скорости продольной ультразвуковой волны в исследуемом материале. Спектр затухания вычисляется как отношение огибающих

Удо

, 1,2N-1,

где О) - отсчеты спектра затухания;

АО( - огибающая принятого сигнала, прошедшего исследуемый материал;

Удо - огибающая исходного сигнала для эталонного материала;

Ы ТМ/АТ, Тм - период модуляции ЛЧМ- сигнала;.

At- шаг квантования (выбирается в соответствии с теоремой Котельникова);

I - длина образца исследуемого материала.

Номер отсчета I связан с текущим временем t через операцию взятия целой части при вычислении отношения t/At, а соответствующий ему отсчет частоты определяется через соотношение f fn + у t, где у А Рдев/Т - крутизна изменения частоты ЛЧМ-сигнала; А Рдев-девиация частоты.

Для определения пористости и размера пор исследуемого материала определяется производная спектра затухания и по ее максимуму находятся координаты точки перегиба Op.fp.

Формула и-з обретения Устройство для измерения скорости и спектрального коэффициента затухания ультразвуковых волн, содержащее последовательно соединенные модулятор, высокочастотный генератор перестраиваемой частоты, усилитель мощности, измерительную камеру с излучающим и приемным преобразователями, усилитель напряжения,

смесительи фильтр частот, первый аналого- цифровой преобразователь и последовательно соединенные вычислитель и индикатор, выход высокочастотного генерй- тора перестраиваемой частоты соединен с

вторым входом смесителя, второй выход модулятора соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу вычислителя, отличающееся тем, что,

с целью повышения точности измерений за счет коррекции амплитуд сигналов, оно снабжено детектором, вторым аналого-циф- ровым преобразователем и усилителем с автоматической регулировкой усиления,

первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам фильтра нижних частот и детектора, выход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с вторым входом первого аналого-цифрового преобразователя, первый и второй входы второго аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с выходами модулятора и детектора, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом вычислителя, а вход детектора подключен к выходу усилителя напряжения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и спектрального коэффициента поглощения ультразвуковых волн и определения пористости при исследованиях структурных свойств материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет коррекции амплитуд сигналов. После предварительной оценки скорости ультразвука резонансным методом осуществляется коррекция амплитуды преобразованного сигнала и точное измерение скорости ультразвука частотным методом. Спектр затухания определяется как отношение усредненной по периодам модуляции огибающей сигнала, полученного при заполнении измерительной камеры эталонной жидкостью, к аналогичной огибающей для исследуемого материала. Коррекция амплитуды снижает уровень спектральных составляющих, обусловленных амплитудной модуляцией сигнала, и позволяет с большей точностью определить на частотной оси положение максимума главного лепестка спектра преобразованного сигнала. 3 ил.

.2

a

Фиг.д