Устройство для определения акустических свойств нитеподобных объектов в поперечном сечении Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

образцами и излучателями, например, при сканировании приемо-излучателей вдоль образца или, наоборот, при движении образца, например, при изготовлении нитей, проволок и т.п. Кроме того, известным устройством невозможно измерять ните- подобные объекты в основном из-за дифракционных эффектов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для определения напряжений в твердых телах, взятое за прототип и содержащее высокочастотный (ВЧ) генератор, управляющий вход которого соединен с выходом синхронного усилителя, выход ВЧ- генератора соединен с разделительным блоком, выход которого соединен со входом первого формирователя радиоимпульсов, выход которого соединен с излучателем опорного канала, второй выход разделительного блока соединен со входом низкочастотного модулятора, второй вход которого соединен с выходом низкочастотного (НЧ) генератора, выход НЧ-генератора соединен со входом второго формирователя радиоимпульсов, выход которого соединен с излучателем измерительного канала, приемный преобразователь которого и приемный преобразователь опорного канала соединен со входами смесителя сигналов, выход которого соединен со входом схемы стробирования, выход которой соединен со входом детектора огибающей сигнала, выход которого соединен с первым входом синхронного усилителя, второй вход которого соединен со вторым выходом НЧ-генератора.

Известное устройство позволяет с высокой точностью определять фазовый сдвиг в измерительным канале при анализе объемных твердых тел, В случае анализа свойств нитеподобных объектов точность определения фазового сдвига уменьшается из-за наличия в объектах увеличивающихся дифракционных явлений и перекрестных помех. Кроме этого, обработка сигналов, образовавшихся в результате многократных отражений, при знали- зе свойств нитеподобных объектов, связана с существенными трудностями.

Целью изобретения является повышение точности измерения акустоупругих свойств нитеподобных объектов.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что предлагаемое устройство для определения акустоупругих свойств нитеподобных объектов в их поперечном сечении, содержащее последовательно соединенные низкочастотный генератор, синхронный усилитель, высокочастотный генератор и первый формирователь радиоимпульсов, балансный низкочастотный модулятор, подключенный двумя входами к выходам высокочастотного и

низкочастотного генераторов, формирователь стробов, акустические излучатель и приемник, акустические фокусирующие излучатель и приемник, и детектор огибающей, подключенный ко второму входу синхронного усилителя, дополнительно снабжено иммерсионной ванной, в которой размещены акустические излучатели и приемники, и делителем частоты, включенным между выходом высокочастотного генератора и входом формирователя стробов, последовательно соединенными элементом задержки, вход которого связан с первым выходом формирователя стробов, вторым формирователем радиоимпульсов и первым усилителем мощности, подключенным к акустическому фокусирующему излучателю, вторым усилителем мощности, включенным между выходом первого формирователя радиоимпульсов и акустическим излучателем, последовательно соединенными первым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу фокусирующего излучателя, детектором огибающей и синхронным усилителем, последовательно соединенными вторым двухканальным усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу акустического приемника, фазовращателем частоты заполнения и детектором огибающей, выход балансного низкочастотного модулятора связан со входом второго формирователя радиоимпульсов, второй выход формирователя стробов соединен со вторым входом первого формирователя радиоимпульсов, а третий выход соединен со вторым входом первого и второго двухканальных стробируемых усилителей с регулируемым усилением.

Методика измерения с помощью предлагаемого устройства заключается в том, что исследуемый нитеподобный объект помещают в зону фокуса измерительного пучка по нормали к его оси симметрии.

Опорный несфокусированный пучок направляют на исследуемый обьекттаким образом, что его ось симметрии проходит через зону фокуса измерительного пучка под углом к его оси симметрии, равным по величине значению, меньшему значения первого критического угла для данной контактирующей пары исследуемый объект - иммерсионная жидкость, Расстояния от датчиков измерительного пучка до поверхности исследуемого объекта устанавливаются равными расстояниям отдатчиков опорного пучка до поверхности исследуемого объекта, а фазовую разность определяют по формуле (-1 -cosy) . V-cosyldl

где О) - круговая частота;

do - диаметр объекта;

у- угол наклона оси опорного пучка по отношению к оси измерительного пучка;

Id - дифракционная поправка к фазе.

При установлении разности фаз используются гармонические сигналы.

Зондирующие сигналы имеют одинаковое высокочастотное заполнение а) и одинаковое количество периодов в пачке. Отличие заключается в том, что в фокусированном каналё Дополнительно применяется амплитудная модуляция низкочастотным гармоническим сигналом Рн.ч.. Принимаемые сигналы имеют аналогичную форму за исключением того, что в сфокусированном канале есть дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный изменением напряжения в зоне фокуса. Частотная модуляция - изменение частоты заполнения Дод одинаково в обоих каналах. Особенность определения фазового сдвига заключается в том, что в связи со сложностью измерения фазового сдвига на высокой частоте осуществляется преобразование высокочастотных сигналов в низкочастотный Рн.ч., выделение низкочастотной огибающей (имеющей такой же фазовый сдвиг) с помощью синхронного детектора и сравнение его с Рн.ч.о., полученной непосредственно с генератора низкой частоты.

Другая особенность методики, проводимых с помощью предлагаемого устройства измерений, заключается в том, что фазовый сдвиг не измеряется непосредственно. Измерение фазового сдвига осуществляют косвенно, добиваясь с помощью обратной связи изменения высокочастотного заполнения CD таким образом, чтобы фазовый сдвиг был постоянным до и после измерения (т.е. здесь применяется нулевой метод измерения).

Благодаря этому автоматически вычитаются аддитивные помехи, которые вызваны температурными колебаниями, вибрациями , изменениями расстояний между преобразователями и объектом, т.е. все составляющие погрешности, которые одинаковы в обоих каналах.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения акустоупругих параметров ни- теподобных объектов в непрерывном технологическом процессе его изготовления.

На чертеже показана блок-схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит высокочастотный (ВЧ) генератор 1, делитель 2 частоты, формирователь 3 стробов, элемент

4 задержки, первый и второй формирователи 5-1 и 5-2 импульсов, первый и второй усилители 6-1 и 6-2 мощности иммерсион- ную ванну 7, первый и второй двухканальные стробируемые усилители 8-1 и 8-2 с регулируемым усилением, фазовращатель 9 частоты заполнения, детектор 10 огибающей, синхронный усилитель 11, никочастотный (НЧ) генератор 12, балансный НЧ-модулятор 13, регистрирующее устройство 14, акустические излучатель 15 и приемник, акустические фокусирующие излучатель 17 и приемник 18.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Нитеподобный объект помещается в иммерсионную жидкость таким образом, , чтобы он был расположен в зоне фокуса измерительного акустического пучка по

нормали к его оси симметрии. При этом угол между осью симметрии опорного акустического пучка и осью симметрии измерительного пучка устанавливается меньшим первого критического угла (определяется

расчетным путем) для данной контактирующей пары слой иммерсионной жидкости - нитеподобный объект.

На акустические излучатели 15 и 17 подаются пачки радиоимпульсов, сформированных системой блоков 1, 2, 3, 4, 5 и §, преобразующиеся в УЗ-сигналы, облучающие нитеподобный объект, причем пачки радиоимпульсов фокусирующего канала 17-18 модулируются по амплитуде НЧ-сигналом в балансном НЧ-модуляторе 13, на другой вход которого НЧ-огибающая подается с выхода НЧ-генератора 12.

Принимаются акустические сигналы с помощью акустических приемников 16 и 18,

усиливаются и стробируются с помощью двухканальных стробируемых усилителей 8, причем измерительные стробы формируются в формирователе 3 стробов.

С помощью элемента 4 задержки и фазовращателя 9 частоты заполнения пачки принимаемых сигналов измерительного и опорного каналов совмещаются по временной оси с установкой начальной фазы частоты заполнения опорного канала.

В детекторе 10 огибающей выделяется из совмещенного по времени сигнала составляющая с НЧ-огибающей, которой . модулируется частота заполнения измерительного канала. НЧ-огибающая подается

на вход синхронного усилителя 11, на вход 1 которого подается опорный НЧ-сигнал с выхода низкочастотного генератора 12.

С первого выхода синхронного усилителя 11 снимают напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу между опорным

НЧ-сигналом и выделенной НЧ-огибающей и подают его на вход управления ВЧ-гене- ратора 1.

В исходном состоянии, например до введения натяжения нитеподобного объек- та, устройство автоматически осуществляет девиацию частоты ВЧ-генератора 1 до тех пор, пока выходной сигнал синхронного усилителя 11 не будет равен нулю. В этот момент на управляющий вход регистрирую- щего устройства 14, например ЭВМ, подается сигнал, разрешающий считывание и запоминание частоты fn высокочастотного заполнения.

Затем, например, после введения натя- жения нитеподобного объекта или изменения его акустоупругих свойств, в зоне фокуса измерительного пучка происходит фазовый сдвиг, приводящий к изменению выходного напряжения, осуществляющего девиацию частоты ВЧ-генератора 1, до нулевого значения выходного напряжения синхронного усилителя 11. В этот момент на регистрирующее устройство 14 вновь поступает сигнал разрешения на считывание и запоминание частоты fn.

По результатам нескольких измерений частоты заполнения fn+k определяют скорость распространения УЗ-волн в поперечном сечении объекта:

Vi - d0(W - fn)/K

(2)

где do - диаметр объекта;

К - постоянный коэффициент, опреде- ляемый при р 0,5(2п + 3)тг;

fn+k - измеренное tf-oe значение частоты ВЧ-заполнения;

fn - начальное значение частоты ВЧ-заполнения.

Полученное значение Vi используют для нахождения дифракционной поправки к фазе, вычисляемой численным способом при заданных значениях диаметров акустических пучков, диаметра объекта и расстоя- ния между преобразователями и объектом.

Далее уравнение (2) решается относительно п, при V Vi n округляется до целого числа и следующее выражение решается относительно V:

t 27Tfn d/V + Id

(3)

Методика определения напряжения а основана на способе Лагранжа по формуле зависимости сдвига фазы Дрот напряжения о:

Д9(х,у,г) У / 7jj(x,y,z)Fij(X-x, Y-y, Z-z)x х dx dy dz, v

где FIJ - функция, определяемая только геометрией фокусированного пучка;

со- круговая частота.

Заявляемое устройство было реализовано следующим образом.

В качестве исследуемого образца использовалась медная проволока диаметром 0,75 мм с известным значением скорости УЗ-волн С 4060 м/с, в качестве иммерсионной жидкости - дистиллированная вода с известными значениями Со 1493 м/с. Для возбуждения УЗ-волн использовались пачки радиоимпульсов с частотой заполнения f, равной 5 Мгц. При этом конфигурация фокусирующего излучателя и приемника была выбрана такой, чтобы получить радиус фокального пятна РО, равным 0,55 мм. Это выполнимо при фокусном расстоянии, равном 45,4 мм; радиусе пьезоэлемента, равном 15 мм.

Размер пьезоэлементов опорного пучка выбирался из условия минимальных перекрестных наводок между фокусированным и опорным каналами по диаграмме направленности при данном расположении. Критический угол наклона для данной контактирующей пары - иммерсионный слой жидкости - образец определялся расчетным путем и составил 72°. Используя формулы (1), (2), (3), были получены значения скорости УЗ-волн в поперечном сечении с точностью определения значений не более 0,2-0,3%. Были также получены значения вариаций напряжения с точностью не более 0,5%.

Предлагаемый способ определения акустоупругих свойств нитеподобных объектов позволяет с высокой точностью определять скорость распространения УЗ-волн в поперечном сечении и вариации напряжения о в образце по длине. При этом автоматически исключаются погрешности, обусловленные вибрациями, температурными колебаниями, изменением расстояния между датчиками и образцами, что позволяет контролировать образец в непрерывном технологическом процессе его изготовления.

Формула изобретения

Устройство для определения акустических свойств нитеподобных объектов в поперечном сечении, содержащее последовательно соединенные низкочастотный генератор, синхронный усилитель, высокочастотный генератор и первый формирователь радиоимпульсов, балансный низкочастотный модулятор, подключенный двумя входами к выходам высокочастотного и низкочастотного генераторов, формирователь стробов, акустические излучатель и приемник, акустические фокусирующие излучатель и приемник и детектор огибающей, подключенный к второму входу синхронного усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено иммерсионной ванной, в которой размещены акустические излучатели и приемники, делителем частоты, включенным между выходом высокочастотного ге- нератора и входом формирователя стробов, последовательно соединенными элементом задержки, вход которого связан с первым выходом формирователя стробов, вторым формирователем радиоимпульсов и пер- вым усилителем мощности, подключенным к акустическому фокусирующему излучателю, вторым усилителем мощности, включенным между выходом первого формирователя радиоимпульсов и акустическим

излучателем, последовательно соединенными первым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу фокусирующего излучателя, детектором огибающей и синхронным усилителем, последовательно соедиенными вторым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу акустического приемника, и фазовращателем частоты заполнения, выход которого связан с вторым входом детектора огибающей, выход балансного низкочастотного модулятора связан с входом второго формирователя радиоимпульсов, второй выход формирователя стробов соединен с вто- рым входом первого формирователя радиоимпульсов, а третий выход соединен с вторым входом первого и второго двухка- нальных стробируемых усилителей с регулируемым усилителем.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для научных исследований в заводских лабораториях с целью исследования или контроля акустоупругих свойств, например, скорости распространения ультразвука в поперечном сечении и напряжения для полимерных ниИзобретение относится к измерительной технике и может использоваться для исследования акустоупругих свойств, например, скорости распространения ультразвука в поперечном сечении и напряжения для полимерных нитей, металлических проволок, све- товолокна и других нитеподобных волокон. Известно устройство для определения скорости распространения ультразвука (УЗ) в образцах, которое состоит из двух рабочих преобразователей, установленных на определенном расстоянии друг от друга, исследуемого образца, установленного параллельно рабочим поверхностям преобтей, металлических проволок, световолокон и др. нитеподобных объектов. Целью изобретения является повышение точности измерения. Объект помещают в зону фокуса измерительного пуска по нормали к его оси симметрии. Опорный несфокусированный пучок направляют на исследуемый объект таким образом, что его ось симметрии проходит через зону фокуса измерительного пучка под углом к его оси симметрии, равным по величине значению, меньшему значения первого критическго угла для данной контактирующей пары исследуемый объект - иммерсионная жидкость. Расстояния от датчиков измерительного пучка до поверхности исследуемого объекта устанавливаются равными расстояниям от датчиков опорного лужа до поверхности исследуемого объекта. Зондирующие сигналы имеют одинаковое высокочастотное заполнение са и одинаковое количество периодов в пачке. Отличие заключается в том, что в фокусированном канале дополнительно применяется амплитудная модуляция. 1 йл. со с разователей, электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМАП), расположенного соосно рабочим преобразователям, эталонного пьезопреобразователя и отражателя, рабочие поверхности которых параллельны между собой и установлены на определенном расстоянии относительно друг друга. Известное устройство позволяет с высокой точностью определять скорость распространения УЗ в образце. Однако при измерениях с помощью известного устройства не учитываются возможные изменения расстояний между -ч| о со ю о о

ия/ еосио#моя.

ГГ-ЛЈ--

3§

3§

asoowt/poio

ъельГР&.

s

Роа ир$Ј0™ csrfec&of

I

&&ланс#&а S/eeyjЈ/ 0/0

/J

МУ-ге#е/ а/яс/ f2

с каналбынЛ стр0$уруем/и усилитель eft

/-/

I

2-х канальный апробируем чсилитем еfy

8-2

fiejywb урс/ьеп, 2

фазе/зяща - mejt ч в с те, w c #evvЈ-Q

s

,ъ

дУ-гене/ агЮС/У

Аегиаруу- wfc0 +

UCfHbO

W