Способ определения сопротивления излучения пьезокерамического преобразователя и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

либо определить экспериментально Оба эти условия являются следствием трудностей непосредственного измерения высокочастотного тока в последовательной ветвм эквивалентной схемы преобразователя. Кроме того указанный способ требует устранения вредного влияния многократных отражений о контролируемом объеме, что либсГограничивает диапазон рабочих частот о бластью fo S 0 МГц, либо конструктивно усложняет измерительную камеру Оба этих условия являются следствием непрерывного режима возбуждения преобразователя.

Известен также способ, предназначенный для ультразвукового измерения плотности жидкостей

Согласно данному способу измеряемая величина также связана с удельным акустическим сопротивлением среды, однако при его использовании импульсный режим возбуждения и приема ультразвуковых колебаний позволяет принципиально полностью устранить погрешности измерения, обусловленные многократными отражениями.

К недостаткам этого способа относится, неопределенность численного значения рабочей частоты за счет видеоимпульсного режима возбуждения толстого излучающего пьезопреобразователя и возникновение трудноучитываемых погрешностей при ры числении искомого параметра. Эти погрешности снижают результирующую точность измерения из-за необходимости учета Е окончательном выражении времени распространения видеоимпульса в пьезомате- риале толстого излучателя (нелинейное и частотнозависимое поглощение высокочастотных компонент в спектре исходного ви- деоимпульса неизбежно приводит к затягиванию рабочего фронта и, как следствие, к погрешностям определения временного интервала, обусловленным волюнтаризмом выбора уровней отсечки рабочий фронтов)

Кроме того, известен способ для измерения акустического сопротивления, по которому пьезопреобразователи включают по крайней мере в два смежных обеспечивающих положительную обратную связь плечи моста, а цепь отрицательной обратной связи через трансформатор в другую диагональ моста, причем искомое акустическое сопротивление определяют путем фиксации изменения частоты электрических колебаний генератора с мостовой схемой самовозбуждения, вызываемых изменением входного сопротивления пьезопреобразователей при взаимодействии их с контролируемой средой. Чувствительность способа к изменению измеряемого акустического сопротивления суа1ественно превышает чувствительность описанных способов. Способ обладает также высокой помехозащмщенностью и обеспечивает возможность измерения акустических сопротивлений в широком диапазоне их изменения, что обусловлено мостовым методом измерения, Однако этот способ работоспособен

0 только в том случае, если исходная частота самовозбуждения ниже частоты механического резонанса преобразоватепей, сопротивление которых должно иметь емкостный характер. Кроме того, непрерывный режим

5 работы генератора с мостовой схемой самовозбуждения не исключает многократное отражение в контролируемой среде

Наиболее близок к предлагаемому способ измерения сопротивления излучения

0 пьезопреобразователя, формально реализующий мостовой метод измерения на частоте, строго совпадающей с частотой механического резонанса исследуемого преобразователя,

5 Согласно известному способу для измерения сопротивления излучения определяют численное значение активной компоненты высокочастотного тока, протекающего в последовательной ветви иссле0 дуемого преобразователя, статическую емкость которого компенсируют на рабочей частоте параллельно включенной индуктивности, а также определяют численное значение высокочастотного напряжения на

5 преобразователе и по полученным данным непосредственно рассчитывают искомое сопротивление излучения.

Исследуемый преобразователь S с компенсирующей индуктивностью L сое0 динен с одним из концов двухтактной первичной обмотки трансформатора Тр, другой конец которой соединен с переменным конденсатором С Средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена с

5 генератором высокой частоты и высокочастотным вольтметром V. Вторичная одно- такгная обмотка трансформатора Тр соединена с высокочастотным детектором D и через балансный усилитель постоянного

0 тока с измерителем тока А

Измерение сопротивления излучения в соответствии с известным способом осуществляют следующим образом. Излучающий пьезопреобразователь возбуждают на ра5 бочей частоте высокочастотным напряжением от выходного каскада генератора, численное значение высокочастотного напряжения которого отсчитывают по показаниям высокочастотного вольтметра. При jrroM на вторичной обмотке трансформатора

индуцируется высокочастотное напряжение, пропорциональное активной компоненте высокочастотного тока в последовательной ветви эквивалентной схемы исследуемого преобразователя, поскольку его статическая емкость компенсирована на рабочей частоте соответствующей параллельной индуктивностью. Это высокочастотное напряжение детектируется, постоянная составляющая усиливается и регистрируется измерителем тока, предварительно проградуироваиным с помощью набора безреактивных резисторов. Для устранения паразитных компонент блуждающих токов (главным образом, на сердечник трансформатора) регулировкой емкости переменного конденсатора о первичной обмотке трансформатора предварительно обеспечивают нулевое показание измерителя тока в отсутствии исследуемого преобразователя и компенсирующей индуктивности. Искомое сопротивление излучения определяется численными значениями высокочастотного напряжения и высокочастотного тока при нагрузке исследуемого преобразователя рабочей средой: Rs V/I.

Однако известный способ измерения реализует мостовой компенсационный метод только для предварительной операции установки нулевого значения паразитных токовых компонент, а сама процедура измерения включает в себя последовательность операций, характеризующих прямой способ измерения сопротивления по численным значениям тока и напряжения. Именно поэтому, несмотря на формальное совпадение структурной схемы измерителя сопротивления излучения по рассмотренному способу с известными мостовыми компенсационными измерителями, высокочастотный трансформатор в таком измерителе принципиально не устраняет впияния синфазных помех (т.е. не является элементооб- разующим звеном измерительной или возбуждаемой диагонали моста) и является по сути только трансформатором тока. Другим недостатком способа, обусловленным непрерывным режимом возбуждения преобразователя, являются указанные погрешности, обусловленные многократными отражениями в объеме рабочей среды.

Таким образом, недостатками известного способа являются неустраненные случайные погрешности измерения, возникающие при воздействии синфазной помехи, а также сочетание случайных и систематических погрешностей из-за многократных отражений.

Аналогичные недостатки имеет и устройство, реализующее известный способ. Эти недостатки обусловлены схемой включения высокочастотного трансформатора,

не обеспечивающей подавление синфазных помех и, соответственно, вызывающей появление дополнительных случайных погрешностей, а также соединением генератора непрерывных высокочастотных

0 колебаний с исследуемым пьезопреобра- зователем через измерительный трансформатор тока, что вызывает появление дополнительных систематических и случайных погрешностей из-за многократных от5 ражений, приводящих к вариациям отсчета искомого сопротивления излучения.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения случайных и систематических погрешностей.

0 Поставленная цель достигается реализацией мостового компенсационного метода измерения, по которому акустически нагруженный рабочей средой (или ее импе- дансным эквивалентом) исследуемый пье5 зопреобрззователь с компенсирующей индуктивностью возбуждают в квазистационарном радиоимпульсном режиме, для чего преобразователь включают в одно плечо высокочастотного моста, в другое плечо ко0 торого включают градуированный переменный резистор, возбуждают диагональ питания моста на рабочей частоте преобразователя зондирующими радиоимпульсами с прямоугольной огибающей, длительность

5 которых выбирают из условия квазистацмо- нарности режима и отсутствия в этом временном интервале первого отраженного сигнала в объеме рабочей среды (или в объеме ее импедансного эквивалента), а пери0 од повторения выбирают из условия полного затухания в нем многократно отраженных сигналов, регистрируют форму высокочастотного напряжения (или высокочастотного тока) в измерительной диаго5 нали моста при изменении рабочей частоты в окрестностях частоты резонанса преобразователя, а также при изменении величины компенсирующей индуктивности и сопротивления градуированного резистора, от0 счет которого, численно равный искомому сопротивлению излучения, снимают в момент достижения баланса при минимуме высокочастотного напряжения (или тока) в установившемся участке зондирующего

5 сигнала для наименьшего из всех полученных значений отсчетов

В соответствии с поставленной целью в устройстве, реализующем предлагаемый способ, содержащем нерезонансный высокочастотный трансформатор, входящий в

состав компенсационного измерительного моста, исследуемый пьезопреобразователь с параллельно включенной компенсирующей индуктивностью соединен с одним из концов двухтактной вторичной обмотки трансформатора, другой конец которой соединен с градуированным переменным резистором, причем средняя точка двухтактной обмотки соединена с усилителем напряжения (или тока), вход которого согласован по импедансу с индуктивным сопротивлением вторичной обмотки, а выход усилителя соединен с входом регистратора баланса моста, хронирующий вход которого соединен с одним из выходов хронизатора, причем другой его выход подключен к генератору строб-импульса, соединенного последовательно через генератор радиоимпульсов и согласующий каскад с первичной обмоткой трансформатора.

С целью линеаризации измерительной характеристики и исключения дополнительных погрешностей, обусловленных конечной добротностью компенсирующего кот ра, компенсирующая индуктивность в предлагаемом устройстве может быть соединена с Q-умножителем

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит нерезонансный высокочастотный трансформатор 1, входящий в состав компенсационного измерительного моста, одно плечо которого образовано первой (по схеме) половиной двухтактной вторичной обмотки трансформатора W2, соединенной с параллельно включенными исследуемым пьезопреобразователем 2 и компенсирующей индуктивностью 3. Левая половина вторичной обмотки соединена с градуированным переменным резистором 4 (последовательно с переменным резистором 4 могут включаться калиброванные постоянные резисторы).

Средняя точка двухтактной обмотки трансформатора соединена с усилителем 5 напряжения, входной каскад которого выполнен на полевом транзисторе МОП-структуры по схеме с общим истоком и имеет существенно больший входной импеданс по сравнению с индуктивным импедансом вторичной обмотки трансформатора. Выход усилителя подключен к сигнальному входу регистратора 6 баланса моста, хронизирую- щий вход которого соединен с одним из выходов хронизатора 7, определяющим частоту повторения радиоимпульсов, Другой выход хрояизатора подключен к генератору 8 строб-импулсов, обеспечивающему изменение длительности строб-импульса (и, соответственно, радиоимпульса) в пределах 15-150 мкс. Выход генератора строб-импульса соединен с входом генератора 9 радиоимпульсов, выполненного на полевых транзисторах по схеме генератора ударного возбуждения с подпиткой задающего контура высокочастотного напряжения положительной обратной связи, формирующей

0 плоскую вершину радиоимпульса Выход генератора радиоимпульсов соединен с первичной обмоткой трансформатора через согласующий каскад 10 с пентодной характеристикой (генератор тока), выходное со5 противление которого значительно превышает диапазон.

Устройство работает следующим образом.

При включении напряжения питания

0 хроыизатор 7 начинает вырабатывать последовательность хроиизирующих импульсов. Хронизирующие импульсы с одного из выходов хронизатора поступают на вход генератора 8 строб-импульсов, который начм5 нает выдавать прямоугольные импульсы отрицательной полярности, запускающие генератор 9 радиоимпульсов. С выхода последнего радиоимпульсы с частотой заполнения в окрестностях рабочей астоты

0 исследуемого пьезопреобразователя 2 поступают на согласующий каскад 10 и далее на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 1. Информационный сигнал со средней точки вторичной обмотки

5 трансформатора усиливается высокочастотным усилителем 5 напряжения (или тока) и поступает на сигнальный вход регистратора 6. на хронизирующий вход которого подается запускающий сигнал с другого выхода

0 хронизатора. Наблюдая за формой зондирующего сигнала на выходе регистратора 6, последовательной регулировкой частоты заполнения радиоимпульсов градуированного переменного резистора, соединенного с

5 одним из концов вторичной обмотки трансформатора 1, а также переменной компенсирующей индуктивности 3, включенной параллельно с преобразователем 2 л соединенной с другим концом вторичной обмот0 ки, обеспечивают минимальную амплитуду установившейся части зондирующего сигнала, причем отсчет сопротивления со шкалы градуированного переменного резистора 4, численно равный искомому сопро5 тмвлению излучения, снимают в момент достижения баланса моста при минимуме высокочастотного напряжения (или тока) в установившемся участке зондирующего сигнала для наименьшего из всех полученных значений отсчетов.

Изобретение обеспечивает устранение случайных погрешностей измерения за счет применения мостового компенсационного моста, нечувствительного к синфазным помехам. Это имеет решающее значение при измерении сопротивления излучения датчиков ультразвуковых диагностических приборов с пьезокерамическими элементами, поскольку в отличие от известного способа, по которому измерения осуществляют на высоких уровнях напряжения и тока, предлагаемый способ особенно пригоден для измерений при низких уровнях возбуждаемого напряжения, при которых еще не сказывается нелинейный характер потерь пьезокерамических преобразователей и функции от амплитуды высокочастотного напряжения

Кроме того, изобретение позволяет устранить случайные и систематические по- грешности измерения за счет применения радиоимпульсного квазистационарного метода возбуждения и регистрации с параметрами, исключающими возмущающее влияние на результаты измерения диффуз- ных или случайно организованных многократных отражений в объеме рабочей среды (или ее импедансного эквивалента).

Формула изобретения

1. Способ определения сопротивления излучения пьезокерамического преобразователя, заключающийся в высокочастотном возбуждении преобразователя при скомпенсированной его статической емкости и регистрации результатов измерений, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения точности за счёт уменьшения синфазных и интерференционных помех, балансируют мостовую измерительную схему калиброванным резистором и изменением режимов компенсации статической емкости преобразователя, причем возбуждение преобразователя осуществляют радиоимпульсами с прямоугольной огибающей, длительность и период повторения tn которых выбирают из условия

,

tn to,

где Q -добротность нагруженного преобразователя;

f- рабочая частота;

Z - характеристический размер объема рабочей среды;

с - скорость ультразвука в среде;

t0 - минимальное время затухания всех отраженных сигналов в объеме рабочей среды,

а сопротивление излучения определяют по значению переменного резистора при балансе измерительного моста,

2Устройство для определения сопротивления излучения пьезокерамического преобразователя, содержащее высокочастотный генератор, высокочастотный трансформатор и индуктивность, выводы которой соединены с клеммами для подключения пьезокерамического преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения синфазных и интерференционных помех, в него введены калиброванный переменный резистор, последовательно соединенные усилитель напряжения и регистратор баланса моста, последовательно соединенные хро- низатор и генератор строб-импульсов, а также согласующий каскад, причем выход высокочастотного генератора соединен через согласующий каскад с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена двухтактной, а средняя точка соединена с входом усилителя напряжения, один конец вторичной обмотки трансформатора соединен с калиброванным переменным резистором, а другой конец обмотки соединен с незаземленным выводом индуктивности, второй выход хро- низатора соединен с синхровходом регистратора баланса моста, а выход генератора строб-импульсов соединен с входом высокочастотного генератора.

3Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что индуктивность выполнена с Оумножителем.