Импульсно-фазовое устройство для контроля толщины Советский патент 1992 года по МПК G01B17/02 

приемный пьезопреобразователи задерживающее устройство и осциллограф.

Наличие эталонного преобразователя с излучателем и подвижным приемником повышает точность контроля толстостенных изделий.

Однако при койтроле тонкостенных изделий и рулонных материалов практически невозможно перемещением приемника ко мпенсировать изменения толщины контролируемого изделия.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является импульс- но-фазовое устройство контроля толщины, содержащее последовательно соединенные задающий высокочастотный генератор регулируемой частоты, селекторный бло- кинг-генератор. модулирующий блокинг-ге- нератор, регулятор глубины модуляции и модулятор, включенный между задающим генератором и излучающим пьезоэлемен- том, а также последовательно соединенные селекторный усилитель детектор и измерительный прибор, подключенные к пьезозле- менту.

Недостатком данного устройства является невысокая точность контроля толщины Так. при изменении частоты высокочастотных колебаний заполняющих радиоимпульс, возникают дополнительные фазовые сдвиги в пьезоэлементе и усилителе из-за нелинейности и неравномерности их частотных характеристик Для повышения эффективности и помехозащищенности преобразования электрических колебаний в ультразвуковые и наоборот необходимо сужение полосы пропускания этих элементов Однако с сужением полосы пропускания увеличиваются неконтролируемые дополнительные фазовые сдвиги при изменении частоты. При изменении толщины контролируемого изделия меняется амплитуда отраженных импульсое, что затрудняет индикацию минимума амплитуды суммарных колебаний, а следовательно, снижает точность измерения второй частоты и толщины контролируемого изделия.

При использовании совмещенного пье- зопреобразователя диапазон контроля толщины ограничен наличием мертвой зоны, которая длится с момента начала зондирующего импульса до его окончания, когда прием отраженных сигналов невозможен. Поэтому контроль изделий малой толщины, к которым относятся рулонные материалы производится данным устройством с невысокой точностью и чувствительностью

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности контроля толщины рулонных материалов путем исключения

мертвой зоны и непостоянства амплитуд излучаемых и принимаемых импульсов.

Поставленная цель достигается тем, что, в импульсно-фазовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор, последовательное соединенные усилитель мощности и излучающий пьезоэлектрический преобразователь, последовательно соединенные приемный пьезоэлектрический

0 преобразователь, усилитель с автоматической регулировкой усиления и фазовый детектор, индикатор и регистратор, введены последовательно соединенные первый фа- зоврзщатель, вход которого подсоединен к

5 выходу генератора, и первый ключ, выход которого связан с входом усилителя мощности, последовательно соединенные делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, формирователь прямо0 угольных импульсов и одновибратор, выход которого связан с управляющим входом первого ключа, и последовательно соединенные фильтр нижних частот, вход которого подключен к выходу фазового детектора,

5 избирательный усилитель, синхронный детектор, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к индикатору, исполнительный узел и второй фазовращатель, информационный вход

0 которого связан с выходом генератора, а выход с вторым входом фазового детектора, а регистратор подключен к выходу исполнительного узла

На фиг 1 представлена блок-схема им5 пульсно-фазового устройства для контроля толщины, на фиг.2 - эпюры напряжений на выходах блоков устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 высокочастотных

0 колебаний фиксированной частоты, первый фазовращатель 2, первый ключ 3. усилитель 4 мощности и излучающий пьезоэлектрический преобразователь 5, последовательно соединенные приемный пьезоэлектриче5 ский преобразователь 6, усилитель 7 с автоматической регулировкой усиления фазовый детектор 8, фильтр 9 нижних частот, избирательный усилитель 10. синхронный детектор 11 и индикатор 12,

0 последовательно соединенные второй ключ 13. вход которого соединен с выходом синхронного детектора 11, исполнительный узел 14. регистратор 15, вход которого соединен также с управляющим входом второ5 го фазовращателя 16, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 8, а вход - с выходом генератора 1 и последовательно соединенными делителем 17 частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного детектора 11, форирователем 1€ прямоугольных импульсов и одновибратором 19, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа 3. Позицией 20 обозначен контролируемый рулонный материал, имеющий толщину h.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии между излучающим 5 и приемным 6 пьезоэлектрическими преобразователями размещают контролируемое изделие известной или номинальной толщины и размыкают второй ключ 13. Пьезоэлектрические преобразователи 5 и 6 установлены один против другого соосно на фиксированном расстоянии. Между пьезоп- реобразователями 5 и 6 находится иммерсионная среда. Высокочастотные электрические колебания фиксированной частоты со с выхода генератора 1 поступают через первый фазовращатель 2 на вход ключа 3 (фиг.2а)

Ul Uml COS (Wt )

и чЪрез второй фазовращатель 16-на один из входов фазового детектора 8 (фиг.2б).

U2 Um2 COS ( (l) t + ). (2)

Одновременно электрические колебания с выхода генератора 1 с помощью делителя 17 частоты понижают до низкой частоты Q (фиг.2в). Из низкочастотных колебаний, формирователем 18 прямоугольных импульсов и одновибратором 19, формируют прямоугольные импульсы длительностью Ги, следующие с частотой Q которыми управляется первый ключ 3 (фиг.2г). На выходе первого ключа 3 образуются следующие с низкой частотой радиоимпульсы (фиг.2д).

1)3 Umi COS (tHt ) ) при 0 t Гц)

из 0 при Гц t

(3)

Радиоимпульсы с выхода первого ключа 3 усиливаются усилителем 4 мощности и поступают на излучающий пьезоэлектрический преобразователь 5 При помощи пье- зопреобразователя 5 электрические импульсы преобразуются в акустические, которые проходят иммерсионную среду, контролируемое изделие 20 и поступают на пьезопреобразователь 6, при помощи которого акустические импульсы преобразуются в электрические При этом разность фаз

между излучаемыми и принимаемыми колебаниями можно представить в виде

uf,W(+-tb),(4)

где t - расстояние между пьезоэлектрическими преобразователями 5 и 6 (акустическая база);

с и Со - скорости распространения акустических колебаний соответственно в материале контролируемого изделия и иммерсионной среде.

После преобразований выражение (4)

можно представить в виде

w(h0

Со-С , I

С Со

. ю + 7Г-

Со

(4)

20

25

30

Акустические импульсы, прошедшие иммерсионную среду и контролируемое изделие 20, преобразуются в электрические при помощи приемного пьезоэлектрического преобразователя 6 и нормируются по амплитуде (усиливается до постоянного по уровню значения напряжения) при помощи усилителя 7 с автоматической регулировкой усиления, выходное напряжение которого можно представить в виде

U/1 U0cos( ) + + ) при 0 t ги;

35 U4 0 при ru t J

(5)

где Uo - уровень стабилизации амплитуды; - дополнительные фазовые сдвиги,

возникающие в процессе преобразования электрических колебаний в акустические и обратно.

Нормированные по амплитуде радиоимпульсы (5) поступают на первый входфазобо:

го детектора, на второй вход которого поступают непрерывные опорные колебания IJ2 (фиг.26) через второй фазовращатель 16. В качестве фазового детектора 16 использован перемножитель. В результате перемножений входных напряженийфазовогодетектора 16 на его выходе образуются импульсы, которые можно представить в виде UB Uo COS ( 2 о) t + yJi + +

+ + ) +CQS (pi -р2.+

+Др1 + )приО t ru ; f

о т Us 0 при Гц t

где Uo UoUma - произведение амплитуд сравниваемых напряжений.

Из выходных импульсов фазового детектора 8 фильтром 9 нижних частот выделяются видеоимпульсы (фиг.2ж)

Ue Uo COS (pi - (pi + Api + + Луэ2 )приО t Ги ;

Ue 0 при ru t -Q(7)

которые усиливаются избирательным усилителем 10, настроенным на низкую частоту Q-Усиленное напряжение частоты.следования импульсов (фиг,2з) выпрямляется синх- ронным детектором 11. который управляется выходным прямоугольным напряжением делителя 17 частоты (фиг.2в). Выпрямленное напряжение поступает на индикатор 12, При помощи первого фазовращателя 2 изменяют фазовый сдвиг зондирующих колебаний на величину до получения нулевого показания индикатора 12. При этом

+ f.

(8)

Затем в акустический канал между пье- зопреобразователями 5 и 6 вводят изделие с контролируемой толщиной, которое вносит фазовый сдвиг, равный

.(h0±Ah)

Со ССо

(9)

где Ah - отклонение толщины контролируемого изделия от номинальной.

При этом на выходе фильтра 9 нижних частот образуются видеоимпульсы

U7 U0 Um2 COS ( (pi -f +

fA z-A«3±u Ah)

Co С

U0 Um2 cos ( ±o) )

c.GO С

-iUoUnae.no.Ah при 0 t Гц

(12)

О тг

U 0 при ги t Q

Видеоимпульсы (12) усиливаются усилителем 10 и выпрямляются синхронным детектором 11. Постоянное напряжение с выхода детектора 11, амплитуда которого

пропорциональна величине sin ft) A h ---,

Со С

поступает на исполнительный узел 14, в качестве которого может быть использован электродвигатель, интегратор электрического напряжения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходной сигнал исполнительного узла 14 (угол поворота вала, электрическое напряжение или цифровой код) поступает на регистратор 15 и второй фазовращатель 16. Под воздействием управляющего сигнала фазовращатель 16 изменяет фазовый сдвиг опорного напряжения на величину, при которой выпрямленное напряжение на выходе синхронного детектора 11 становится равным нулю, т.е. выполняется соотношение

stn(±eoAh%- A o) 0 (13)

CQ С

или

±(,

Со С

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности за счет исключения мертвой зоны и непостоянства амплитуд излучаемого и принимаемого импульсов. Генерируют высокочастотные Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения и контроля толщины рулонных материалов (ткани, искусственной кожи, картона, линолеума и т.д.). Известно устройство для контроля толщины, содержащее излучатель ультразвуковых импульсов, приемник ультразвуковых импульсов и фазоизмерительное устройство, реализующее способ ультразвукового контроля толщины. колебания фиксированной частоты, которые разделяют на зондирующие и опорные. Из зондирующих колебаний формируют следующие с низкой частотой радиоимпульсы, возбуждают и принимают соответствующие акустические импульсы с помощью излучателя и приемника, установленных соосно на фиксированном расстоянии, усиливают принятые импульсы до постоянного уровня, перемножают усиленные импульсы с опорными колебаниями, выделяют видеоимпуль- сы, следующие с низкой частотой, размещают между излучателем и приемни- кЪм материал с номинальной толщиной, изменяют фазу зондирующих колебаний до исчезновения видеоимпульсов. Далее заменяют материал с номинальной толщиной на материал с контролируемой толщиной и фиксируют наличие видеоимпульсов, изменяют фазу опорных колебаний до исчезновения видеоимпульсов, по фазовому сдвигу опорных колебаний судят об отклонении контролируемой толщины от номинальной. 2 ил. СО С Недостатком данного устройства является невысокая точность контроля из-за больших погрешностей измеоения разности фаз между импульсными сигналами. Отсутствие серийно выпускаемых импульсных фазометров затрудняет использование данного устройств, при технологическом контроле. Известно также импульсно-фазовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор импульсов, излучающий и vi Јь vi 00 о

U Uo Umj COS ( - + +

+ - Аузз при 0 t TU :

U 0 при Ги t -гг

««

Учитывая, 4fo

+ +

(11)

имеем

где регистрируемый фазовый сдвиг, вносимый в опорные колебания вторым фазовращателем 16. Откуда получаем

(14)

коэффициент пропор. CQ с где k (Co-c)w

циональности.

При выполнении соотношения (13) исполнительный узел 14 переходит в установившийся режим, а фазовый сдвиг . вносимый вторым фазовращателем 16 в опорные колебания, фиксируется регистратором 15. Таким образом, регистратором 15 фиксируется отклонение Дп толщины контроли- руемого изделия от номинальной.

В предлагаемом устройстве отсутствует мертвая зона, так как измеряется разность фаз несущих колебаний радиоимпульсов относительно непрерывных опорных колебаний независимо от длительности зондирующих. При этом изменение амплитуды ультразвуковых колебаний, связанное с изменением толщины контролируемого изделия, не влияет на результат контроля. так как выходной сигнал фазового детектора 8. пропорциональный произведению перемножаемых сигналов, обращает в нуль при установке между ними сдвига фаз 90° фазовращателями 12 и 16 независимо от соотношения амплитуд перемножаемых сигналов. Поскольку устройство работает на фиксированной частоте, то отсутствуют фа- зочастотные искажения от неравномерности и нелинейности частотных характеристик электроакустического тракта.

Макет данного устройства использован для контроля отклонений толщины линолеума, имеющего номинальную толщину 3-5 мм. при этом погрешность не превышала ± 3%.

Формула изобретения Импульсно-фазовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор, после- довательно соединенные усилитель мощности и излучающий пьезоэлектрический преобразователь, последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, усилитель с автоматической регулировкой усиления и фазовый детектор, индикатор и регистратор, отличающеес- я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, оно снабжено последовательно соединенными первыми фазовращателем, вход которого подключен к выходу генератора, и ключом, выход которого связан с входом усилителя мощности, последовательно соединенными делителем частоты , вход которого подключен к выходу генератора формирователя прямоугольных импульсов и одновибратором, выход которого связан с управляющим входом первого ключа, и последовательно соединенными фильтром нижних частот, вход которого подключен к выходу фазового детектора, избирательным усилителем, синхронным детектором, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты. а выход - к индикатору, вторым ключом, исполнительным узлом и вторым фазовращателем, информационный вход которого связан с выходом генератора, выход - с вторым входом фазового детектора а регистратор подключен к выходу исполнительного узла.

«to

.Т,- /Ы

о/

н

Фиг. 2

::::::ллл/