Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки

Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой установки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

CNI

РЕСПУБЛИН (51)S -С 01 N 2 /00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4795882/28 (22) 03,01,90 (46) 23.05,92, Бюл. h" 19 (71) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР (72) В.В. Гудков (53) 620,179,16(088,8) (56) The Review of Scientific Instru-

ments, 1963, v, 34, Е" 12, р, 14001407,. (Приборы для научных исследований. 1963, М 12. с, 98-107), Авторское свидетельство СССР

N 587389, кл. Г О1 N 29/00, 1978, Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1987, т, 92, вып, 1, с, 208 -220.

Измерительная техника, 1979, Р 11, с. 69-70„ (54) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ЛЛЛ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

УСТАНОВКИ

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.э перестраиваемого по частоте акуст - ческого моста, Устройство автоподстройки частоты таких установок представляет собой стробируемый интегратор, сервоусилитель, серводвигатель, и многооборотный потенциометр„ Сигнал разбаланса по фазе акустического моста поступает

ЛУ«12И7М.. А1

2 (57) Изобретение относится к ультра.звуковой измерительной технике и может. быть использовано в автоматизированных измерительных комплексах при изучении физических и физико"химичес" . ких свойств веществ, Цель изобретения - повышение быстродействия устройства, Изобретение обеспечивает воэможность 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 сое" динен с управляющим входом генератора зондирующего сигнала. 2 ил. на вход интегратора, преобразуется в сигнал постоянного тока, с выхода ин тегратора поступает на вход сервоуси лителя 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 мно . вй гооборотного потенциометра подается на второй вход генератора, а рабочая частота определяется суммой напряжений на двух входах высокочастотного генератора.

1735760

Недостатками данного устройства являются большое время перестройки частоты, обусловленное наличием электромеханической системы, и его большие размеры, Известно устройство, обладающее более высоким быстродействием и состоящее иэ последовательно соединенных фазового детектора и операционного о усилителя, входящее в состав устройства для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, Сигнал разбаланса поступает на вход фазового детектора, выход которого соединен с входом операционного усилителя, а выходной сигнал операционного усилителя непосредственно подается на вход задающего генератора, Недостатком данного устройства является ограниченная область его применения. При исследовании сильнопоглощающих 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 акус- 35 тического моста, При неполной балансировке моста по фазе сигнал раэбаланса зависит от амплитуды высокочастот"

pro 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 поглоще- 4> ние ультразвука в образце, Наиболее близким к изобретению тех" ническим решением является устройство, входящее в состав установки для измерения затухания и скорости ультразву- © ка. Устройство автоматической подстройки частоты этой установки состоит из синхронного детектора, сервоусили-. теля, серводвигателя, источника постоянного напряжения и многооборотного Б ,потенциометра. Вход синхронного детектора является входом устройства автоматической подстройки частоты, Выход синхронного детектора соединен с входом сервоусилителя, Выход сервоусилителя соединен с входными клеммами серводвигателя, Серводвигатель кинематически соединен с многооборотным потенциометром. 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.

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 серводвигатель, который изменяет положеwe средней точки многооборотного потенциометра так, цтобы напряжение, поступающее на вход высокочастотного генератора, 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, 1

Цель изобретения - поеышение 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 синхронно" го детектора соединен с неинвертирующим входом одного операционного усилителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выходы еперационных усилителей соединены с управляющими входами электронных ключей,. сигнальный вход одного ключа соеди-, нен с положительным. полюсом, сигнальный вход второго ключа - с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, а выходы обоих ключей через

173с760 сопротивления соединены с входом динамического запоминающего блока, Сущность изобретения заключается в замене инерционной и громоздкой электромеханической системы (сервоусили 5 теля 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 автоматичес- . кой подстройки частоты двух операци- . онных усилителей необходимо для уси" ления 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

30 управляющем входе электронного ключа, Электронные ключи необходимы для изменения напряжения на входе динамического запоминающего устройства, Сопротивления необходимы для ограничения тока на входе динамического запоиина- 35 ющего устройства и предотвращения автоколебательного процес=a, Динамическое запоминающее устройство необходимо для фиксации напряжения, определяющего рабочую частоту высокочастотного гене- 40 ратора, когда напряжение на выходе синхронного детектора равно нулю.

Введение в устройство автоматической подстройки частоты двух операционных усилителей, двух электронных клю- 45 чей, двух сопротивлений и динамического запоминающего устройства достаточно для повышения быстродействия устройства.

Операционные усилители, электрон- 50 ные ключи, динамические запоминающие устройства и сопротивления применяются и в других электронных устройствах. Так, например в известных устройствах операционный усилитель испольэу- 55 ется для усиления сигнала с выхода фазового детектора, Однако для поддержания некоторого напряжения, определяющего рабочую частоту высокочастотного генератора, на входе операционного усилителя необходимо иметь н гряжение, 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 балансировке 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-прототип обладает малым быстродействием,, На фиг. 1 изображена блок-схема устройства автоматической подстройки частоты; на фиг, 2 - блок-схема ультразвуковой установки, в которой оно может быть использовано, Устройство автоматическо" подстройки частоты для ультразвуковой уста-. новки (фиг, 1) состоит из синхронного детектора l, операционных усилителей

2 и 3, источника ч постоянного напряжения, электронных ключей 5 и 6, резисторов 7 и 8 и. динамического эвпомиющего блока 9, состоящего из конденсатора 1О и истокового повторителя, выполненного Н3 транзисторе 11.и резисторе 12. Выход синхронного детектора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и неинвертирую-. щим входом операционного усилителя 3, Выход операционного усилителя 2 соединен с управляющим входом электронного ключа, а выход операционного усилителя 3 - с угралляющим входом электронного ключа 6. Сигнальные входы электронных ключей 5 и б соединены с разноименными полюсами источника 4 постоянного напряжения. Динамический запоминающий блок 9 состоит иэ конденсатора 10, соединенного с затвором транзистора 11 и одним иэ выводов резистора 12, Второй вывод резистора 12 соединен с истоком транзистора 11.

Один из выводов конденсатора 10 и затвор транзистора 11 через резисторы 7 и 8 соединены с выходаv электрон173576 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 14, импульсного модулятора 15 передающего 16 и приемного 17 пьезопреобразователей, иссле- !О чуемого образца 18, перестраиваемого

1 аттенюатора 19, приемника 20, устройства 21 автоматической подстройки частоты и частотомера 22. Выходы 1 высокочастотного генератора l3 соединены с входом ключевой схемы 14, входом 2 приемника 20 и входом частотомера 22 соответственно, Выходы

1 - 4 импульсного модулятора 15 соединены с входами 2 и 3 ключевой схемы 2О

14, входом 3 приемника 20 и входом 2 устройства 21 автоматической подстройки частоты соответственно„ Выходы и 2 ключевой схемы 14 соединены с передающим пьеэопреобраэователем 16 и входом аттенюатора 19„ Пьеэопреобраэователи 16 и 17 монтируются на исследуемый образец 18, Вход 1 приемни» ка 20 соединен с приемным пьеэопреобразователем 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„

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 выра.батывает электрический сигнал, гармоническим образом зависящий от времени, Этот сигнал поступает на вход частотомера 22 для измерения частоты, на вход 2 приемника 21 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 ра" диоимпульс 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 ключево" схемы 14 поступают

0 8 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, достига ют приемного пьезопреобразователя 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 обра зце 18 и.потерям на электромеханическое преобразование в пьезопреобразователях 16 и 17. Приемник 20 соL держит два канала - канал измерения фазы и канал измерения амплитуды. Последний позволяет осуществить баланс моста по амплитуде и производить измерения изменений затухания ультраэвука в образце 18 от внешнего параметра, Канал измерения фазы содержит фазовый детектор, который выделяет из сигнала, поступающего на вход 1 приемника

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 раэбаланса по фазе акустического моста. Этот сигнал детектируется амплитудным детектором, иэ серии эхоимпульсов с помощью стробимпульса, поступающего на вход 3 приемника 20, выбирается необходимый импульс и далее происходит его пиковое детектирование, После этого сигнал поступает на вход 1 устройства 2l автоматической подстройки частоты, на вход 2 которого поступает опорный сигнал для низкочастотного синхронного детектирования, Устройство 21 автоматической подстройки частоты при нулевом сигнале раэбаланса 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 f высокочастотного

1735760

10 формул а генератора 13 фиксируется и измеряется частотомером 22, При изменении внешне- го параметра может произойти изменение скорости ультразвука S на величину gS, Это приведет к тому, что акустический мост будет балансироваться по фазе на частоте f <,. также измеряемой частотомером 22, Относительное изменение скорости ультразвука от внешнего параметра может быть определено с помощью следующего выражения:

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 нахолятся в разомкнутом состоянии, Конденсатор 10 заряжен до некоторого уровня напряжения, и с выхода динамического запоминающего блока 9 на вход высокочастотного генератора 13 поступает

- напряжение U, определяющее рабочую частоту f . 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

6. В зависимости от знака напряжения на выходе синхронного детектора 1 открывается электронный ключ 5 или 6. 8 результате вход динамического запоминающего .блока 9 через резистор 7 или

8 оказывается подключенным к положительному либо отрицательному полюсу источника 4 постоянного напряжения, Это приводит к заряду или разряду конденсатора 10, изменению напряжения на выходе динамического запоминающего блока 9 и, следовательно, рабочей частоты высокочастотного генератора 13.

При некотором значении частоты и соответст вующем ей значении напр яжени я 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-, крытый до этого момента времени ключ

5 или 6 закрывается, и на выходе динамического запоминающего блока 9 фиксируется напряжение U<, !

По сравнению с прототипом предложенное 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,. изобрет ени я

Устройство автоматической подстройки частоты для ультразвуковой уста- новки, содержащее синхронный детектор

30 и источник постоянного напряжения, . о т л и ч а л щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, оно снабжено двумя слерационными усилителями, двумя электронными ключа ми, двумя резисторами и динамическим запоминающим блоком, выход синхронного детектора соединен с инвертирующим

I входом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго

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

45 соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, а выходы обоих электронных ключей ерез первый и второй резисторы соединены с входом ди50 намического запоминающего блока„

1735760

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ткгород, уп. Гагарина, 101

Редактор О. Юрковецкая

«««ф Ф«««««««««

Заказ 1812

ВНИИПИ Государственного

113035, «

Составитель В „Гудков

Техред И.Дидык Корректор М. Самборская

Тираж Подоисиое комитета ао изобретениям и открытинн при ГКНТ СССР

Москва, 3-35, Уауиская наб., д. 4/5