Устройство для определения акустических свойств нитеподобных объектов в поперечном сечении

Устройство для определения акустических свойств нитеподобных объектов в поперечном сечении

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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, световолокна 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/00

2 (21) 4677671/28 (22) 14,04.89 (46) 23,09.92. Бюл. М 35 (?1) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УЗССР (72) О,Ш.Хакимов, О.Е.Лавыгин и У.P.Ñèäèêходжаев (56) Авторское свидетельство СССР

N 1010539, кл, G 01 N 29/00, 1982, $.D.Bennet, D,Husson and G,G,Kino, "Focused acoustic beams for accurate phase

measurments", Acoustical Imaging. vol.11, 1982, рр.583 — 595. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИТЕПОДОБНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ (57) 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 пол- имерных нитей, металлических проволок, световолокна 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 преоб5UÄÄ 1763969 А1 тей, металлических проволок, световолокон и др. нитеподобных объектов. Целью изобретения является повышение точности измерения. Объект помещают в зону фокуса измерительного пуска по нормали к его ocu 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 пучка до поверхности исследуемого объекта. Зондирующие сигналы имеют одинаковое высокочастбтное заполнение

N и одинаковое количество периодов в пачке, Отличие заключается в том, что в фокусированном канале дополнительно применяется амплитудная модуляция. 1 йл . 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

1763969

cos y 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 нитеподобные 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 ВЧгенератора 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, B случае анализа свойств нитеподобных обьектов точность определения фазового сдвига уменьшается из-за наличия в обьектах увеличивающихся дифракционных явлений и перекрестных помех. Кроме этого, обработка сигналов, образовавшихся в результате многократных отражений, при анализе 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

55 низкочастотного генераторов, формирователь стробов, акустические излучатель и приемник, акустические фокусирующие излучатель и приемник, и детектор огибающей, подключенный ко второму входусинхронного 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 объекттаким образом, что его ocb 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 от датчиков опорного пучка до поверхности исследуемого объекта, а фазовую разность определяют по формуле

1763969 где в — круговая частота; бо — диаметр объекта; у — угол наклона оси опорного пучка по отношению к оси измерительного пучка;

4 — дифракционная поправка к фазе.

При установлении разности фаз используются гармонические сигналы, Зондирующие сигналы имеют одинаковое высокочастотное заполнение в и одина10 ковое количество периодов в пачке. Отличие заключается в том, что в фокусированном канале дополнительно применяется амплитудная модуляция низкочастотным гармоническим сигналом FH,u,. Принимаемые лючением того, что в сфокусированном канале есть дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный изменением напряжения в зоне фокуса. Частотная модуляция — изме20 нение частоты заполнения Ли, одинаково в обоих каналах. Особенность определения фазового сдвига заключается в том, что в связи со сложностью измерения фазового сдвига на высокой частоте осуществляется

25 преобразование высокочастотных сигналов в низкочастотный?н.ч,, выделение низкочастотной огибающей (имеющей такой же фазовый сдвиг) с помощью синхронного детектора и сравнение его с F>, <,, получен30 ной 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 этаким образом, чтобы фа40 зовый сдвиг был постоянным до и после измерения (т.е, здесь применяется "нулевой метод" измерения).

Благодаря этому автоматически вычитаются аддитивные помехи, которые

45 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 нитеподобных 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 сигналы имеют аналогичную форму за иск- 15

4 задержки, первый и второй формирователи 5 — 1 и 5 — 2 импульсов, первый и второй усилители 6 — 1 и 6 — 2 мощности,иммерсионную 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

1763969 (2) Ч1 = do(fn+k - п)/К (3) р = 2 л п d/V+ ld

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

В исходном состоянии, например до введения натяжения нитеподобного объекта, устройство автоматически осуществляет девиацию частоты ВЧ-генератора 1 до тех пор, пока выходной сигнал t.NHxpGHHDI 0 усилителя 11 не будет равен нулю. В этот момент на управляющий вход регистрирующего устройства 14, например ЭВМ, подается сигнал, разрешающий считывание и запоминание частоты fn высокочастотного заполнения, Затем, например, после введения натяжения 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. B этот момент на регистрирующее устройство 14 вновь поступает сигнал разрешения на считывание и запоминание частоты fn

По результатам нескольких измерений частоты заполнения fn+j определяют скорость распространения УЗ-волн в поперечном сечении объекта: где do — диаметр объекта;

К вЂ” постоянный коэффициент, определяемый при р = 0,5(2п + 3) л;

fn+j — измеренное к-ое значение частоты

ВЧ-заполнения;

fn — начальное значение частоты ВЧ-заполнения.

Полученное значение V> используют для нахождения дифракцион ной поправки к фазе, вычисляемой численным способом при заданных значениях диаметров акустических пучков, диаметра объекта и расстояния между преобразователями и объектом.

Далее уравнение (2) решается относительно и, при V = Ч1 и округляется до целого числа и следующее выражение решается относительно V:

Методика определения напряжения о основана на способе Лагранжа по формуле зависимости сдвига фазы Л р от напряжения O:

Л р (х,у,г) = со ) hajj(x,ó,z)Fij(X-x, Y-у, Z-z)x х dx dydz, 5

55 где Fii — функция, определяемая только геометрией фокусированного пучка; в- 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 Co = 1493 м/с. Для возбуждения УЗ-волн использовались пачки радиоимпульсов с частотой заполнения f, равной 5 Мгц. При атом конфигурация фокусирующего излучателя и приемника была выбрана такой, чтобы получить радиус фокального пятнарик, равным 0,55 мм, Это выполнимо при фокусном расстоянии, равном 45,4 мм; радиусе пьезоэлемента, равном 15 мм.

Размер пьезоэлементов опорного пучка выбирался иэ 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 72О.

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 0 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, формирова1763969

10 тель стробов, акустические излучатель и приемник, акустические фокусирующие излучатель и приемник и детектор огибающей, подключенный к второму входу синхронного усилителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено иммерсионной ванной, в которой размещены акустические излучатели и приемники, 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 соединен н ыми первым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу фокусирующего излуча5 теля, детектором огибающей и синхронным усилителем, последовательно соедиенными вторым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу акустического приемника, и

10 фазовращателем частоты заполнения, выход которого связан с вторым входом детектора огибающей, выход балансного низкочастотного модулятора связан с входом второго формирователя радиоимпульсов, второй вы15 ход формирователя стробов соединен с вторым входом первого формирователя радиоимпульсов, а третий выход соединен с вторым входом первого и второго двухканальных стробируемых усилителей с регули20 руемым усилителем.