Ультразвуковой фазовый измеритель перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям перемещений, и может найти применение в различных отраслях машиностроения и гидроакустике.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений 1. содержащий последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, компаратор, приемный преобразователь, два делителя частоты, фазовращатель и фазовый детектор. По сигналам с выхода задающего генератора ультразвуковой излучающий преобразователь излучает ультразвуковую волну на исследуемый объект. Отраженные колебания преобразуются приемным преобразвателем в электрические сигналы, которые подают для измерения через последовательно соединенные первый делитель частоты и фазовращатель на фазовый детектор, на другой вход которого подается сигнал с выхода задающего генератора через второй делитель частоты. Работа фазового детектора на линейном участке его амплитудно-частотной характеристики регулируется с помощью компаратора, подключенного к выходу фазового детектора, и генератора одиночных импульсов, управляющего делителями частоты.

Недостатком данного измерителя является невысокая точность измерения перемещений, обусловленная наличием боковых .лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя. Вследствие наличия боковых составляющих диаграммы направленности на приемном преобразователе появится сигнал помехи, от которого трудно избавиться, так как он той же частоты, что и частота падающих на объект ультразвуковых сигналов. Это способствует возникновению ошибки в выборе рабочей точки при калибровке измерителя.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений 2, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, линию задержки и основной излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, последовательно соединенные приемный преобразователь, фазовый детектор, элемент И, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации. Выход фазового детектора через элемент И соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Другие входы компаратора соединены с выходами источника опорного напряжения. Выходы коммутатора соединены с управляющими

входами линии задержки. Выход приемного преобразователя подключен к последова- тельно соединенным второму элементу И, интегратору, энэлого-цифровому преобразователю, коммутатору, схеме сравнения кодов, триггеру управления, генератору тактовых импульсов, блоку управления шаговым двигателем, шаговому двигателю, преобразователю угол-линейное перемещение. который кинематически связан с дополнительным излучающим преобразователем, выполненным в виде кольца, внутри которого помеи н основной излучающий преобразователь,

5Недостатком данного устройства являются широкая диаграмма направленности излучающего преобразователя и узкий динамический диапазон измерителя, что не позволяет использовать его в диспергирую0 щих средах. Поскольку излучаемая ультразвуковая волна имеет частоты в диапазоне 100-300-кГц, то при наличии в среде посторонних примесей, сравнимых с длиной волны ультразвука, производит сильное

5 поглощение и рассеивание, что не позволяет использовать измеритель при измерении перемещений не нескольких метров,

Наиболее близким к предложению по технической сути является датчик переме0 щений 3. содержащий два автогенератора, два излучающих преобразователя, полосовой фильтр, три фильтра нижних частот, три усилителя и смеситель.

Недостатком данного устройства явля5 ется невысокая точность измерений, обусловленная конструкцией измерительного узла.

Целью изобретения является повыше - ние точности измерений.

0 Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее два задающих генератора, два излучающих преобразователя, смеситель и блок регистрации, снабжено блоком программаторов, прием5 ным параметрическим преобразователем, двумя амплитудными детекторами и фазовыми детекторами.

На Фиг.1 представлена структурная схема ультразвукового фазового измерителя

0 перемещений; на фиг.2 - векторные диаграммы, поясняющие работу параметрической антенны, состоящей из двух излучающих близкие по частоте сигналы преобразователей: на фиг.З - схема работы

5 параметрического приемного преобразователя,

Ультразвуковой Фазовый измеритель перемещений содержит (фиг.1) блок 1 программаторов с тремя выходами, два задающих генератора 2 и 3, два излучающих

преобразопателя Л и 5. взаимодействующие с исследуемым объектом 6. приемный параметрический преобразователь 7, первый амплитудный детектор 8. фазовращатель 9, фазовый детектор 10, второй амплитудный детектор 11, смеситель 12 и блок 13 регистрации.

Блок 1 программаторов подключен входом к выходу первого амплитудного детектора 8, первым и вторым выходами - к управляющим входам, соответственно, первого 2 и второго 3 задающих генераторов, третьим выходом - к синхронизирующему входу фазового детектора 10. выход которого соединен с блоком 13 регистрации. Вы- ход первого задающего генератора 2 подсоединен к первому входу смесителя 12, к входу первого излучающего преобразователя 4 и к управляющему входу приемного параметрического преобразователя 7, вы- ход которого соединен с входом первого амплитудного детектора 8. Выход еторого задающего генератора 3 подключен к входу второго излучающего преобразователя 5 и к второму входу смесителя 12. выход которо- го соединен с входом второго амплитудного детектора 11, подсоединенного выходом к второму входу фазового детектора 10. Выход первого амплитудного детектора 8 соединен с входом фаэооращателя 9, выход которого подключен к первому входу Фазового детектора 10.

Ультразвуковой фазовый измеритель перемещений работает следующим образом.

Задающие генераторы 2 и 3 настроены на близкие частоты с/л. ч ч. Излучающие преобразователи А и 5 преобразуют электрические гармонические сигналы частот i) и с/я в акустические тех же частот. Две акустические волны с близкими частотами, распространяясь водном направлении, пза- имодействуют между собой. Наряду с рядом комбинационных частот п диспергирующей среде возникает и разностная частота Q с/л - an с/л . Г//2 . Векторная диаграмма взаимодействия двух гармонических сигналов с частотами с/л и а/2 представлена на фиг.2. где вектор AI амплитуда первого сигналя частотой an.

вектор А; - амплитуда второго сигналэ;частотой , вектор А - амплитуда результирующего сигнала, возникающего в результате биений.

Результирующий сигнал x(i) можно представить в виде:

, . ,,. д . а - (ir , fin - f; (0 -(A -A.-icos -,, - - t}:os - .-,l

Ч -- I

- f(А 1 - Ao)s i n t )s i п

Mi)

2ija x -j

Это же выражение для удобства можно записать в другой форме:

x(z)Acos( f/Ап + у },(2)

где + д§ + 2 A, Aa cos otgi

А, А2 -AT+A2 t9W&t;

(От - 2 (1 + W2 ) :

- 2 (W1 t)z) У Если имеет место неравенство п)д а)т( при с/л (tn) . то выражение (2) можно рассматривать как гармоническое колебание со средней частотой crtn. амплитуда А и фазовый угол р которого медленно меняются во времени с частотами 2 t)g и ( соответственно. Так. например, если ча, /л , ч%

СТОТЫ fl -7ч-- И f2 2 Л2. 71

равны.соответст1015 20 25 30

5

0 5

0

5

венно, 100 и 99,99 кГц, что вполне обеспечивается генератором гила T3-1G3 (дискретность которого 0,01 Гц), то результирующие акустические колебания частоты 100-99,.01 кГц поглощаются дисперсионной средой значительно слабее. чем несущие с/л и CW2. Акустическая ан- теннп, состоящая из концентрически расположенных излучающих преобразователей, обладает узкой характеристикой направленности еолны разностной частоты Ј2 . Это характеристика определяется не апертурой излучающих преобразователей и 5. а объем области взаимодействия.

Отраженный от исследуемого объекта 6 акустический сигнал частоты Ј2постулает на приемный параметрический преобразователь 7, где преобразуется в амплитудно-мо- д у л и р о в п н н ы и сигнал с боковыми составляющими с/л - Q и с/л + Q .

Работает приемный параметрический преобразователь 7 следующим образом (фи/.З). Первый излучающий преобразователь 4 частоты «л с накачкой ог первого задающего генератора 2 (можно брать сигнал частоты с//2 и от второго задающего генератора 3) создает дог гзючно узкий пучок интенсивных ультразвуковых колебаний. Сигнал разностной частоты Q с/л падает под некоторым углом (-} к оси пучка (фиг.З). В области пересечения с полем нл- качки происходит нелинейное взаимодействие волн и Q . При этом возникает комбинационные «лсготы ( с/л --Q) и ( с/л + Q } которк пмосте с частотой накачки с.-л реги;;три| уюгсп

приемным параметрическим преобразователем 7, сигнал с выхода которого после усиления в нем подается на вход первого амплитудного детектора 8.

Угол 0-параметрического захвата при двух взаимодействующих волнах частот г/л и определяется соотношением

б 2 я С (ел - Q) QI, где с - скорость звука в данной среде;

L - длина взаимодействия волн.

В амплитудном детекторе 8 выделяется огибающая с частотой.

Выходные сигналы задающих генераторов 2 и 3 поступают также, соответственно, на первый и второй входы смесителя 12, где за счет биений гармонических сигналов с частотами а) и м i обрао уется сигнал

((т + ) с несущей частотой (т и оги

бающей Q- I с/я - оЈ I . Второй амплитудный детектор 11 выделяет огибающую с частотой Q. Сигнал с выхода второго амплитудного детектора 11 поступает на второй вход фазового детектора 10. С помощью фазовращателя 9 устанавливается оптимальный режим работы фазового детектора 10 в середине прямолинейного участка его

П

с

5

калибровочной характеристики. Сигнал с выхода фазового детектора 10, пропорциональный перемещению объекта 6, поступает для дальнейшего анализа в блок 13 регистрации. Запуск фазового детектора 10 осуществляется синхроимпульсом с третьего выхода блока 1 программаторов (типа 321 в комплекте с ГЗ-103) который всвоюочередь тактируется отраженным акустическим сигналом с. выхода первого амплитудного детектора 9. Таким образом, до прихода отраженного акустического сигнала фазовый детектор 10 не работает, и, следовательно, в блок 13 регистрации не поступает ложная информация.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений вследствие отсутствия боковых лепестков у излучающих преобразователей и низкого уровня посторонних шумов за счет реверберации.

(56) Авторское свидетельство СССР № 1357725, кл. G 01 Н 5/00. 1987.

Авторское свидетельство СССР Ne 1483251, кл. G 01 В 17/00. 1989.

Авторское свидетельство СССР Ns 1471069. кл. G 01 В 17/00, 1989.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям перемещений, и может найти применение в различных отраслях машиностроения и гидроакустике. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения ложного срабатывания Излучение ультразвукового сигнала осуществляется с помощью параметрической антенны, состоящей из двух излучающих преобразователей сигналов близких частот. Первый и второй амплитудные детекторы выделяют огибающие, соответственно, высокочастотного и низкочастотного сигналоа С помощью фазовращателя устанавливается оптимальный режим работы фазового детектора в середине прямолинейного участка его калибровочной характеристики. Запуск фазового детектора осуществляется синхроимпульсом с третьего выхода блока программаторов, работа которого тактируется отраженным сигналом, поступающим с выхода первого амплитудного детектора Это позволяет снизить вероятность поступления ложной информации; поскольку до прихода отраженного акустического сигнала фазовый детектор не работает. 3 ия

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий последовательно соединенные первые задающий генератор и излучающий преобразователь, последовательно соединенные вторые задающий генератор и излучающий преобразователь, смеситель и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен двумя амплитудными детекторами, фазов- ращэггелем, фазовым детектором, блоком программаторов и приемным параметрическим преобразователем, . подключенным управляющим входом к выходу первого задающего генератора, выходом - к входу первого амплитудного детектора, выход

30

которого соединен с входом фазовращателя и с управляющим входом блока программаторов, первый и второй выходы которого подсоединены к управляющим

35 входам соответственно первого и второго задающих генераторов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами смесителя, подключенного выходом к входу второго амплитудного де-ЗОтектора, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, подсоединенного первым входом к выходу фазовращателя, выходом - к входу блока регистрации, а третий выход программато45 рз соединен с синхронизирующим входом фазового детектора.

f

12

Я

Фиг.1

фи&2

8

Ю

/J

cpus.3