Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных комплексах при изучении физических и физико-химических свойств веществ.

Известны установки для измерения скорости ультразвука с помощь перестраиваемого по частоте акустического моста. Устройство автоподстройки частоты таких установок представляет собой стробируемый интегратор, сервоусилитель, серводвигатель, и многооборотный потенциометр,, Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает

на вход интегратора, преобразуется в сигнал постоянного тока, с выхода интегратора поступает на вход сервоусилителя и одновременно подается на один из входов задающего генератора. Сервоусилитель управляет работой серводвигателя, кинематически соединенного с многооборотным потенциометром, на крайние точки которого подается напряжение с источника постоянного напряжения. Напряжение со средней точки мно1- гооборотного потенциометра подается на второй вход генератора, а рабочая частота определяется суммой напряжений на двух входах высокочастотного генератора .

1

00

ел

4

ОЭ

to

20

31735760

Недостатками данного устройства являются большое время перестройки частоты, обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры.

Известно устройство, обладающее более высоким быстродействием и состоящее из последовательно соединенных фазового детектора и операционного усилителя, входящее в состав устройства для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука. Сигнал разбаланса поступает на вход фазового детектора, выход ко- j, торого соединен с входом операционного усилителя, а выходной сигнал операционного усилителя непосредственно подается на вход задающего генератора.

Недостатком данного устройства является бграниченная область его применения. При исследовании сильнопогло- щающих веществ, когда уровень сигнала мал, вследствие чего не удается реализовать режим стоячей волны и приходится пользоваться импульсными методами, при использовании подобных устройств появляется дополнительная погрешность установки частоты, связанная с конечной величиной коэффициента усиления операционного усилителя, так как для установления некоторого отличного от нул я напряжения на выходе усилителя на входе его должен существовать отличный от нуля сигнал - в данном случае сигнал разбаланса акустического моста, При неполной балансировке моста по фазе сигнал разбаланса зависит от амплитуды высокочастот- юго сигнала, что приводит к зависимости устанавливаемой частоты от затухания ультразвука в образце. Последнее обстоятельство исключает ис- пользование устройства при исследовании явлений, когда с изменением скорости одновременно меняется поглощение ультразвука в образце.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, входящее в состав установки для измерения затухания и скорости ультразвука. Устройство автоматической под- ртройки частоты этой установки состоит из синхрон/юго детектора, сервоусилителя, серводвигателя, источника постосинхронного детектора соединен с входом сервоусилителя„ Выход сервоусилителя соединен с входными клеммами серводвигателя. Серводвигатель кинематически соединен с многооборотным потенциометром 0 Крайние точки многооборотного потенциометра соединены с выходными клеммами источника постоянного напряжения, а средняя точка многооборотного потенциометра, являясь выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединена с входом высокочастотного генератора, и напряжение на ней определяет рабочую частоту о

Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает на вход синхронного детектора, преобразуется в уровень напряжения постоянного тока и поступает на вход сервоусилителя. Сервоусилитель приводит в движение сер- водвигатель, который изменяет положение средней точки многооборотного по- 25 тенциометра так, чтобы напряжение, поступающее на вход высокочастотного гв нератора, а значит, и рабочая частота изменялись в сторону уменьшения сигнала разбаланса по фазе акустического моста.

Недостатками прототипа являются большое время подстройки частоты, обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры, что ограничивает область его применения.

I

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство автоматической подстройки частоты, содержащее синхронный детектор и источник постоянного напряжения, дополнительно снабжено двумя операционными усилителями, двумя электронными ключами, двумя сопротивлениями и динамическим запоминающим блоком, при этом выход синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом одного операционного усилителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выходы «пера- ционных усилителей соединены с управляющими входами электронных ключей,, сигнальный вход одного ключа соеди30

35

4S

50

янного напряжения и многооборотного 55 нен с положительным полюсом, сигналь- .потенциометра. Вход синхронного детек- ный вход второго ключа - с отрицатель- тора является входом устройства авто- ным полюсом источника постоянного нап- матической подстройки частоты. Выход ряжения, а выходы обоих ключей через

o

0

,

синхронного детектора соединен с входом сервоусилителя„ Выход сервоусилителя соединен с входными клеммами серводвигателя. Серводвигатель кинематически соединен с многооборотным потенциометром 0 Крайние точки многооборотного потенциометра соединены с выходными клеммами источника постоянного напряжения, а средняя точка многооборотного потенциометра, являясь выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединена с входом высокочастотного генератора, и напряжение на ней определяет рабочую частоту о

Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает на вход синхронного детектора, преобразуется в уровень напряжения постоянного тока и поступает на вход сервоусилителя. Сервоусилитель приводит в движение сер- водвигатель, который изменяет положение средней точки многооборотного по- 5 тенциометра так, чтобы напряжение, поступающее на вход высокочастотного гв нератора, а значит, и рабочая частота изменялись в сторону уменьшения сигнала разбаланса по фазе акустического моста.

Недостатками прототипа являются большое время подстройки частоты, обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры, что ограничивает область его применения.

I

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство автоматической подстройки частоты, содержащее синхронный детектор и источник постоянного напряжения, дополнительно снабжено двумя операционными усилителями, двумя электронными ключами, двумя сопротивлениями и динамическим запоминающим блоком, при этом выход синхронного детектора соединен с неинвертирующим входом одного операционного усилителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выходы «пера- ционных усилителей соединены с управляющими входами электронных ключей,, сигнальный вход одного ключа соеди0

5

S

0

5 нен с положительным полюсом, сигналь- ный вход второго ключа - с отрицатель- ным полюсом источника постоянного нап- ряжения, а выходы обоих ключей через

сопротивления соединены с входом динамического запоминающего блока.

Сущность изобретения заключается в замене инерционной и громоздкой электромеханической системы (сервоусилителя и серводвигателя) быстродействующими и миниатюрными электронными устройствами: операционными усилителями, электронными ключами, сопротивлениями и динамическим запоминающим блоком, что позволяет существенно увеличить быстродействие и уменьшить , габариты устройства автоматической подстройки частоты.

Введение в устройство автоматической подстройки частоты двух операционных усилителей необходимо для усиления сигнала с выхода синхронного детектора до уровня, достаточного для управления электронными ключами. Соединение выхода синхронного детектора с инвертирующим входом одного и неинвертирующим входом другого операционных усилителей необходимо для того, чтобы в зависимости от знака напряжения -на выходе синхронного детектора открывался тот или иной электронный ключ, поскольку открывание происходит при определенном знаке напряжения на управляющей входе электронного ключа, Электронные ключи необходимы для изменения напряжения на входе динамического запоминающего устройства, Сопротивления необходимы для ограничения

10

тотного генератора, на входе операционного усилителя необходимо иметь напряжение, отличное от нуля. Поскольку баланс акустического моста соответствует нулевому напряжению на входе операционного усилителя, то очевидно, чтг в данном случае мост балансируется не точно. Предлагаемая схема использования двух операционных усилителей в сочетании с электронными ключами, сопротивлениями и динамическим запоминающим устройством позволяет добиваться установления рабочей частоты при--нулевом сигнале на входах операционных усилителей, т,е„ при точной ба- ланъировке акустического моста. Поскольку от точности балансировки акустического моста зависит точность измерения скорости ультразвука, точная балансировка моста весьма существенна, тем более, что при этом обеспечивается высокое быстродействие устройства, в то время как устройство-про- j, тотип обладает малым быстродействием,

15

20

30

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства автоматической подстройки частоты; на фиг, 2 - блок-схема ультразвуковой установки, в которой оно может быть использовано.

Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки {фиг, 1) состоит из синхронного детектора 1, операционных усилителей 2 и 3, источника Ь постоянного напря- тока на входе динамического запомина- 35 жения, электронных ключей 5 и 6, реющего устройства и предотвращения ав- зисторов 7 и 8 и динамического запомиющего блока 9 состоящего из конденсатора 10 и истокового повторителя, выполненного на транзисторе 11 и резис- 40 торе 12. Выход синхронного детектора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и неинвертирую- щим входом операционного усилителя 3. Выход операционного усилителя 2 сое- 45 динен с управляющим входом электронного ключа 5, а выход операционного усилителя 3 с управляющим входом электронного ключа 6. Сигнальные входы электронных ключей 5 и 6 соединены с разноименными полюсами источника 1 постоянного напряжения. Динамический запоминающий блок 9 состоит из конденсатора 10, соединенного с затвором транзистора 11 и одним из выводов рествах операционный усилитель использу- 55 зистора 12, Второй вывод резистора 12 ется для усиления сигнала с выхода соединен с истоком транзистора 11. фазового детектора. Однако для поД- j Один из выводов конденсатора 10 и зат- держания некоторого напряжения, определяющего рабочую частоту высокочастоколебательного процесса. Динамическое запоминающее устройство необходимо для фиксации напряжения, определяющего рабочую частоту высокочастотного генератора, когда напряжение на выходе синхронного детектора равно нулю.

Введение в устройство автоматической подстройки частоты двух операционных усилителей, двух электронных ключей, двух сопротивлений и динамического запоминающего устройства достаточно для повышения быстродействия устройства.

Операционные усилители, электронные ключи, динамические запоминающие устройства и сопротивления ni именяют- ся и в других электронных устройствах. Так, например в известных устрой50

вор транзистора 11 через резисторы 7 и 8 соединены с выходами электрон0

тотного генератора, на входе операционного усилителя необходимо иметь напряжение, отличное от нуля. Поскольку баланс акустического моста соответствует нулевому напряжению на входе операционного усилителя, то очевидно, чтг в данном случае мост балансируется не точно. Предлагаемая схема использования двух операционных усилителей в сочетании с электронными ключами, сопротивлениями и динамическим запоминающим устройством позволяет добиваться установления рабочей частоты при--нулевом сигнале на входах операционных усилителей, т,е„ при точной ба- ланъировке акустического моста. Поскольку от точности балансировки акустического моста зависит точность измерения скорости ультразвука, точная балансировка моста весьма существенна, тем более, что при этом обеспечивается высокое быстродействие устройства, в то время как устройство-про- , тотип обладает малым быстродействием,

5

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства автоматической подстройки частоты; на фиг, 2 - блок-схема ультразвуковой установки, в которой оно может быть использовано.

30

35

40 45

50

зистора 12, Второй вывод резистора 12 соединен с истоком транзистора 11. Один из выводов конденсатора 10 и зат

вор транзистора 11 через резисторы 7 и 8 соединены с выходами электрон

ных ключей 5 и 6 соответственно. Сигнальный вход электронного ключа 6 соединен с точкой соединения конденсатора 10 с резистором 12.

Ультразвуковая установка (фиг. 2) состоит из высокочастотного генератора 13, ключевой схемы kl импульсного модулятора 15 передающего 16 и приемного 17 пьезопреобразователей, иссле- ауемого образца 18, перестраиваемого аттенюатора 19, приемника 20, устройства 21 автоматической подстройки частоты и частотомера 22. Выходы 1 - 3 высокочастотного генератора 13 соединены с входом 1 ключевой схемы 14, входом 2 приемника 20 и входом частотомера 22 соответственно. Выходы 1 - Ц импульсного модулятора 15 соединены с входами 2 и 3 ключевой схемы И, входом 3 приемника 20 и входом 2 устройства 21 автоматической подстройки частоты соответственно,, Выходы 1 и 2 ключевой схемы 14 соединены с передающим пьезопреобразователем 16 и входом аттенюатора 19. Пьеэопреоб- разователи 16 и 17 монтируются на исследуемый образец 18. Вход 1 приемника 20 соединен с приемным пьезопреобразователем 17 и выходом аттенюатора 19. Выход приемника 20 соединен с входом 1 устройства 21 автоматической подстройки частоты, выход которого соединен с входом высокочастотного генератора 13 о

Рассмотрим работу ультразвуковой установки (фиг. 2) в режиме измерения изменения скорости ультразвука в исследуемом образец от внешнего параметра, контролируемого в процессе эксперимента (например, температуры, магнитного поля и т„д„).

Высокочастотный генератор 13 вырабатывает электрический сигнал, гармоническим образом зависящий от времени . Этот сигнал поступает на вход частотомера 22 для измерения частоты, на вход 2 приемника 20 в качестве опорного сигнала для фазового детектирования и на вход 1 ключевой схемы 14„ С помощью импульсного модулято ра 15 на выходах 1 и 2 ключевой схемы формируются радиоимпульсы, причем радиоимпульс на выходе 2 задержан во времени относительно радиоимпульса на выходе 1 на величину, равную времени распространения ультразвукового сигнала в исследуемом образце 18, Сигналы с выходов ключевой схемы 14 поступают

5

5

на акустический мост, содержащий аттенюатор 19 в одном плече и образец 18 с пьезопреобразователями 16 и 17 в другом. Радиоимпульс с выхода 1 ключевой схемы 14 поступает на пере- дающий пьезопреобразователь 16, преобразуется в механические колебания, которые распространяются в образце 18, достигают приемного пьезопреобразова- теля 17, испытывают обратное преобразование в радиоимпульс электромагнитной природы и поступают на вход 1 приемника 20, куда одновременно поступает сигнал с выхода аттенюатора 19,вносящего затухание в сигнал с выхода 2 ключевой схемы ,14,равное сумме затухания ультразвука в образце 18 и потерям на электромеханическое преобразование в пьезопре- образователях 16 и 17. Приемник 20 содержит два канала - канал измерения фазы и канал измерения амплитуды. Последний позволяет осуществить баланс моста по амплитуде и производить измерения изменений затухания ультразвука в образце 18 от внешнего параметра. Канал измерения фазы содержит фазовый детектор, который выделяет из сигнала, поступающего на вход 1 приемника

Q 20, с помощью опорного сигнала, поступающего на вход 2 приемника 20, составляющую, сдвинутую по фазе на 90 относительно сигнала, поступающего с выхода аттенюатора 19, и тем самым формирует сигнал разбаланса по фазе

5 акустического моста. Этот сигнал детектируется амплитудным детекторомf из серии эхоимпульсов с помощью строб- импульса, поступающего на вход 3 приемника 20, выбирается необходимый импульс и далее происходит его пиковое детектирование. После этого сигнал поступает на вход 1 устройства 21 автоматической подстройки частоты, на вход 2 которого поступает опорный сигнал для низкочастотного синхронного детектирования. Устройство 21 автоматической подстройки частоты при нулевом сигнале разбаланса по Фазе акустического моста изменяет напряжение на выходе, которое определяет рабочую частоту высокочастотного генератора 13, в сторону уменьшения сигнала разбаланса, В момент, когда сигнал разбаланса по фазе акустического моста становится равным нулю, напряжение на выходе устройства 21 автоматической подстройки частоты перерастает изменяться, частота Ј0 высокочастотного

0

5

S

генератора 13 фиксируется и измеряется частотомером 22, При изменении внешнего параметра может произойти изменение скорости ультразвука S0 на величину 5, Это приведет к тому, что акустический мост будет балансироваться по фазе на частоте fo также измеряемой частотомером 22. Относительное изменение скорости ультразвука от внешнего параметра может быть определено с помощью следующего выражения:

AS/S0 )/fe.

Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки работает следующим образом,

В исходном состоянии, соответствующем балансу по фазе акустического моста и, следовательно, нулевому напряжению на выходе синхронного детек- , тора 1, электронные ключи 5 и 6 находятся в разомкнутом состоянии, Конденсатор 10 заряжен до некоторого уровня напряжения, и с выхода динамического запоминающего блока 9 на вход высокочастотного генератора 13 поступает напряжение U0. определяющее рабочую частоту f0. При изменении скорости ультразвука от внешнего параметра возникает разбаланс по фазе акустического моста, в результате чего на выходе синхронного детектора 1 появляется сигнал в виде уровня напряжения постоянного тока и поступает на входы операционных усилителей 2 и 3, доводящих сигнал до уровня, необходимого для управления электронными ключами 5 и 60 В зависимости от знака напряжения на выходе синхронного детектора 1 открывается электронный ключ 5 или 6, В результате вход динамического запоминающего -блока 9 через резистор 7 или 8 оказывается подключенным к положительному либо отрицательному полюсу источника k постоянного напряжения, Это приводит к заряду или разряду конденсатора 10, изменению напряжения на выходе динамического запоминающего

20

тоты высокочастотного генерато При некотором значении частоты ветствующем ей значении напряж выходе динамического запомина блока 9 и возникает баланс по акустического моста, вследстви напряжение на выходе синхронно тектора 1 становится равным ну JQ крытый до этого момента времен 5 или 6 закрывается, и на вы намического запоминающего бло фиксируется напряжение Uj,

По сравнению с прототипом пр 5 женное устройство автоматическо стройки частоты позволяет при т точности установления частоты чить быстродействие ультразвуко тановки в 20 раз, существенно у шить ее габариты, расход электр гии и повысить производительнос труда при проведении физических периментов,

Формула изобрете

i

Устройство автоматической под ки частоты для ультразвуковой новки , содержащее синхронный дет

30 и источник постоянного напряжен отличающееся тем, что целью повышения быстродействия у ства, оно снабжено двумя операци усилителями, двумя электронными

35 ми двумя резисторами и динамиче запоминающим блоком, выход синхр детектора соединен с инвертирующ входом первого операционного уси ля и неинвёртирующим входом втор

40 операционного усилителя, выходы рационных усилителей соединены с равляющими входами соответственн первого и второго электронных кл сигнальные входы которых соедин

45 соответственно с положительным и рицательным полюсами источника п янного напряжения, а выходы обои электронных ключей через первый рой резисторы соединены с входо

блока 9 и, следовательно, рабочей час-50 намического запоминающего блока,

0

тоты высокочастотного генератора- 13. При некотором значении частоты и соответствующем ей значении напряжения на выходе динамического запоминающего блока 9 и возникает баланс по фазе акустического моста, вследствие чего напряжение на выходе синхронного детектора 1 становится равным нулю, от- JQ крытый до этого момента времени ключ 5 или 6 закрывается, и на выходе динамического запоминающего блока 9 фиксируется напряжение Uj,

По сравнению с прототипом предло- 5 женное устройство автоматической под- стройки частоты позволяет при той же точности установления частоты увеличить быстродействие ультразвуковой установки в 20 раз, существенно уменьшить ее габариты, расход электроэнергии и повысить производительность труда при проведении физических экспериментов,

Формула изобретения

i

Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки , содержащее синхронный детектор

0 и источник постоянного напряжения,, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, оно снабжено двумя операционными усилителями, двумя электронными ключа5 ми двумя резисторами и динамическим запоминающим блоком, выход синхронного детектора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и неинвёртирующим входом второго

0 операционного усилителя, выходы операционных усилителей соединены с управляющими входами соответственно первого и второго электронных ключей, сигнальные входы которых соединены

5 соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, а выходы обоих электронных ключей через первый и второй резисторы соединены с входом диФиг/

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных комплексах при изучении физических и физико-химических свойств веществ. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства. Изобретение обеспечивает возможность повышения быстродействия, например, установок для измерения скорости ультразвука, основанных на стабилизации длины волны ультразвука, за счет малого изменения частоты зондирующего сигнала. Подстройка частоты осуществляется с помощью синхронного детектора, источника опорного напряжения, двух операционных усилителей, двух ключей и динамического запоминающего устройства, выход которого соединен с управляющим входом генератора зондирующего сигнала. 2 ил. I