Способ измерения времени задержки сигнала в среде с дисперсией скорости и устройство для его осуществления

Способ измерения времени задержки сигнала в среде с дисперсией скорости и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советсиих

Социалистических

Республик

ОП ИС

ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ С

90377 (61) Дрполиительиое к ав (22) Заявлено 04.08.77 (2 с присоединением заявки (23) Приоритет—

Опубликовано 05.10.79

Дата опубликования и . Кл

01 N 29/00

Государственный намнтет

ССС9 по делам нзобретеннй н откритнй

ДК 534.081 (088.8) (72) Автор изобретения

В, В..Сорокин (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛА

В СРЕДЕ С ДИСПЕРСИЕЙ СКОРОСТИ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения времени задержки сигнала в акустических волноводах и других средах с дисперсией скорости, в частности, в средах с монотонной зависимостью времени задержки сигнаЛа от его частоты.

Известен способ измерения времени задержки сигнала в среде с дисперсией скорости, основанный на возбуждении в среде упругого импульса, его приеме, преобразовании в электрический сигнал, сложении со вспомогательным электрическим тональным сигналом и измерении времени задержки по минимуму амплитуды суммарного сигнала (1).

Устройство, осуществляющее этот способ, содержит генератор, соединенный с фазовращателем, формирователь прямоугольных импульсов, излучающий и приемный преобразователи, соединенный с приемным датчиком усилитель, блок сложения и электронно-лучевой осциллограф.

Наиболее близким по технической сущностик предлагаемому изобретению является способ измерения времени задержки сигнала в среде с дисперсией скорости, основанный на преобра-зовании электрического сигнала в упругий импульс, излучении последнего в среду, приеме его и преобразовании в электрический сигнал И.

Согласно этому способу формируют электрические импульсы с гауссовой огибающей с частотой заполнения fo, преобразуют их в упругие импульсы, излучают упругие импульсы в среду, принимают их, преобразуют в электрические импульсы и по временному интервалу между максимумами амплитуд входного и выходного электрических импульсов определяют время задержки сигнала на частоте fo.

Устройство, реализующее указанный способ, содержит генератор управляющих импульсов, генератор синусоидальных колебаний, излучающий электромеханический преобразователь, модулятор, один вход которого соединен с генератором синусоидальных колебаний, другой вход соединен с генератором управляющих импульсов, а выход соединен с излучающим электромеханическим преобразователем, индикатор, соединен ный с генератором управляющих импульсов, приемный электромеханический преобразователь, соединенный с индикатором и генератором управляющих импульсов 12).

Недостатком известных способов и устройств является большая погрешность измерений. Ошиб- 5 ка измерений возникает за счет того, что в некоторых случаях импульс на выходе среды сильно растягивается и невозможно точно определить положение его максимума. Величина ошибки в этих случаях пропорциональна Чк, где 0

t — время задержки сигнала. 15

Цель изобретения — повышение точности измерения времени задержки сигнала.

Это достигается за счет того, что частотный спектр принятого электрического сигнала инвертируют относительно заданной частоты, модулируют сигнал по амплитуде, преобразуют его в упругий импульс, повторно излучают в среду, принимают на том же расстоянии, преобразуют в электрический сигнал и по его задержке относительно момента излучения в среду первоначвльного упругого импульса судят о времени задержки сигнала на заданной частоте.

При этом в устройство для осуществления данного способа введены инвертор частотного спектра и второй модулятор, причем первый вход второго модулятора соединен с генератором управляющих импульсов, второй вход соединен с выходом инвертора частотного спектра, а выход соединен с излучающим электромеханиЧеским преобразователем, первый вход инвертора соединен с генератором синусондальных колебаний, а другой вход подключен к приемному преобразователю.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемыи способ; на

40 фиг. 2 — график зависимости времени задержки от частоты для контролируемой среды; на фиг.

3 — электрические сигналы, по которым определяют время задержки.

Устройство для осуществления предложенного способа содержит генератор 1 управляющих импульсов, генератор 2 синусоидальных колебаний, излучающий электромеханический преобразователь 3, модулятор 4, один вход которого соединен с генератором 2, другой вход соединен с генератором 1, а выход соединен с из;тучающим преобразователем 3, индикатор 5, соединенный с генератором 1, приемный электромеханическуй преобразователь 6, соединенный с индикатором, блок 7 временного интервала, 55 соединенный с индикатором 5 и управляющим генератором 1, инвертор 8 частотного спектра и дополнительный модулятор 9, первый вход

690377 4

1которого соединен с управляющим генератором 1, второй вход соединен с выходом инвертора 8, а выход соединен с излучающим преобразователем 3, причем один вход инвертора 8 соединен с генератором 2 синусоидальнь х колебаний, а другой вход соединен с приемным преобразователем 6, при этом излучающий 3 и приемный 6 преобразователи находятся в акустическом контакте с контролируемой средой 10.

В качестве индикатора 5 можно использовать электронно-лучевой осциллограф.

Блок 7 временного интервала служит для генерации короткогс строб-импульса, регистрируемого на индикаторе 5 одновременно с приня. тым импульсом, и измерения време лого интервала между строб-импульсом и моментом излучения в среду 10 упругого импульса. Однц пз вариантов этого блока содержит ждуший мультивибратор 11, измерител; 12 временного интервала, соединенньш с мультивибратором, и дпфференцирующую цепочку 13, соединенную с измерителем 12, мультивибратором 11 и индикатором 5, при этом мультивибратор 11 и генератор 1 соединены с измерителем 12. В качестве измерителя 12 временного интервала можно использовать частотомер.

Инвертор 8 частотного спектра служит для инверсии частотного спектра принятого электрического импульса относительно частоты то. Один из вариантов этого блока содержит генератор 14 синусоидальных колебаний, смеситель 15, фильтр

16, соединенный с выходом смесителя 15, один вход которого соединен с генератором 2, а дру гой вход соединен с генератором 14, генератор ,17 синусоидальных колебаний, смеситель 18, ;фильтр 19, соединенный с выходом смесителя

18, один вход которого соединен с генератором

2, а другой вход соединен с генератором 17, смеситель 20, полосовой усилитель 21, полосовой фильтр 22, вход которого соединен с выходом смесителя 20, один вход которого соединен с фильтром 16, а другой вход соединен с выходом усилителя 21, вход которого соединен с приемным преобразователем 6, смеситель 23 и полосовой усилитель 24, выход которого соединен с выходом дополнительного модулятора 9, а вход соединен с выходом смесителя 23, один вход которого соединен с выходом фильтра 19, а другой вход соединен с выходом полосового фильтра 22.

Предложенный способ заключается в следующем.

Электрический сигнал (фиг. За) преобразует в упругий импульс, который излучают в среду с дисперсией скорости, время задержки сигнала в которой монотонно изменяется при изменении частоты в полосе частот 5f электрического сигнала в окрестности частоты fe (фиг.2).

При распространенпи в среде упругий импульс приобретает частотную модуляцию и удлиняется. Упругий импульс принимают, преобразуют в электрический сигнал, частотный спектр принятого электрического сигнала инвертируют от- 5 носительно частоты fp, лежащеи . в eio полосе частот. В этом случае выполняется условие: в личина с1 СЮ)! g для среды равна — > l y д

10 для сигнала с преобразованным спектром. Модулируют сигнал по амплитуде (фиг. Зб), преобразуют его в упругий импульс и вторично излучают в среду. При вторичном прохождении через среду частотная модуляция в импульсе исчезает, все его частотные составляющие в полосе частот 5f приходят к ее границе с разностью фаз, равной нулю, формируя короткий импульс

1 длйтельностью = 1/М. Упругий импульс принимают на том же расстоянии, преобразуют в ,электрический сигнал (фиг. Зв) и по его задер>кке относительно момента излучения в среду пер, воначального упругого импульса определяют

; время задержки tp сигнала па частоте fp, кото1 ,рое совпадает с половиной времени задержки

:принятого электрического сигнала (фиг. 3, в), при этом сигнал модулируют импульсом с пря, моугольной огибающей (фиг. 3, б) .

Устроиство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

Генератор 2 вырабатывает синусоидальное напряжение с частотой f2 которое поступает на вход модулятора 4, формирующего на своем вы-З5 ходе прямоугольные радиоимпульсы длительностью r (фиг. За), период следования которых задает генератор 1 управляющих импульсов. Радиоимпульс с выхода модулятора 4 поступает

4О на излучающий преобразователь 3, который lipc. образует его в упругий импульс и излучает в контролируемую среду 10. Частотно-модулированный упругий импульс с частотой 1г+М/2 поступает на йриемный преобразователь 6, который

45 преобразует его в электрический сигнал, напряжение которого поступает на один вход инвертора частотного спектра 8, на другой вход которого поступает напряжение с частотой fz от генератора 2. Генераторы 14 и 17 вырабатывают напряжение с частотами, соответственно, f,4 и

f17, фильтр 16 выделяет частоту (16 = 1г — 114, :фильтр 19 вьщеляет частоту f» = f2 + f,7. На выходе смесителя 20 фильтр 22 выделяег частоту тгг = тг ТМ/2 — тг + т14 = т14 + М2, а по55 лосовой усилитель 24 выделяет на выходе смесителя 23 частоту f 4 = 11> — 1гг= г + f17—

114 и 5f/2 = fp + Af/2. Таким образом, инвертор 8 формирует на своем выходе злектри7

6 чес1:,H cHlli& с инвертированным относительно

1астоть fp спектром. Если f17 = f14, то частота сиги;ла на выходе инвертора 8 будет 1г4 =1г +

+ Ьт/2. С выхода ипвертора 8 электрический сигпал со спектром p + М/2 поступает на первый вход дополнительного модулятора 9, на второй в>лд которого поступают управляющие импульсы от генератора 1. Модулятор 9 модулирует а>;плитуду частотно-модулированного сигнала прямоугольным импульсом и формирует íà сВО".."„- вь1ходе частотно-мсдулиров:1н.,ый импульс, 0с-лбзющал которого близка к прямоугольной (фиг. Зб) . Электр;.ческий импульс с выхода допол1цгелы1ого модулятора 9 поступает на излучатель 3, который «торично излучает его в сре;зу ":.О. Упругий импульс поступает иа приемный преобразователь 6, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход индикатора 5, развертка которого запускается короткими имггульсами синхронизации от управляющего гене- ратора 1 в момент излучения первоначального упругого импульса в среду 10. Частотомер 12 измеряет временной интервал между коротким импульсом oi. управляющего генератора 1, совпадаю1цим по времени с моментом излучения в среду 10 первоначального упругого импульса, и коротким строб-импульсом, формируемым на выходе дифференцпрующей цепочки 13 и регистрируемым на индикаторе 5;

Измере1п1е времени задержки с помощью устройства, реализующего предлагаемый способ, осуществляется следующим образом.

Регулировкой частоты генератора 2 устанавливают значение частоты fz, которое соответствует участку с монотонным изменением задержки сигнала в контролируемой среде, при этом на выходе инвертора 8 формируется сигнал с частотой fp + М/2, причем частота fp лежит в полосе частот fq + сБ/2 (в частном случае fp =

= f7 при f14 = 117), Регулируют длительность импульса ждущего мультивибратора 11 и совмещают на индикаторе 5 строб-импульс с принятым импульсом, после чего частотомером 12 измеряют временной интервал между моментом излучения в среду 10 первоначального упругого импульса и строб-импульсом, величина которого совпадает с удвоенным временем задержки сигнала на частоте fp.

В некоторых случаях для получения высокой точности измерения достаточно производить модуляш11о сигнала в дополнительном модуляторе

9 в режиме стробирования по длительности, не вводя двустороннего ограничения по амплитуде, что позволяст значительно упрост ть схему модулятора 9 и отстроиться от мешающих сигналов.

Однако, когда требуется высокая тбчность измерения, необходимо использовать прямоуголь690377 кый модулирующий импульс, так как в этом случае принятый короткий импульс будет:иметь наименьшую длительность по сравнению с частотно-модулированным импульсом, модулированным, например, импульсом с гауссовой огибающей.

Точность предлагаемого способа не зависит от величины К и зависит от величины Af, в которой время задержки монотонно изменяется при изменении частоты. Ошибка измерений обратно пропорциональна величине d,f. В этом 10 случае, когда функция для среды отличается от линейной, ошибка измерений возрастает. Однако, если функция t (f) симметрична относительно точки измерений, например, имеет вид t(f} =

= ао + ЬТ arctg —, где ао — постоянная состав-15

М ляющая, или имеет периодическую модуляцию относительно прямой t(f) = kf + ae, то эти искажения вызовут только расширение принятого импульса и уменьшение его амплитуды, но время

20 задержки импульса останется неизмененным. Такие же искажения короткого импульса будут происходить и в том случае, если величина К для частотно-модулированного импульса на выходе приемного преобразователя 6 незначительно от25 личается по модулю от величины К для частотно-модулированного импульса на выходе излучателя 3.

Указанные зависимости т(1) характерны для большинства акустических волноводов и для ряда веществ на высоких частотах в определенных частотных диапазонах.

Предлагаемый способ позволяет значительно увеличить (в несколько раз} точность измерения времени задержки, что, позволяет более зф35 фективно контролировать параметр среды, например акустические параметры волноводов.

Формула изоЬретекия

1. Способ измерения времени задержки сигнала в среде с дисперсией скорости, основанный на преобразовании электрического сигнала в упругий импульс, излучении последнего в среду,4 приеме его к преобразовании в электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, иквертируют частотный спектр принятого электрического сигнала относительно заданной частоты, модулируют сигнал по амплитуде, преобразуют его в упругий импульс, повторно излучают в среду, принимают на том же расстоянии, преобразуют в электрический сигнал и по его задержке относительно момента излучения в среду первоначального упругого импульса судят о времекизадержки сигнала ка заданной частоте.

2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее гекератор управляющих импульсов, генератор синусоидалькых колебаний, излучающий электромеханический преобразователь, модулятор, один вход которого соединен с генератором сикусоидалькых колебаний, другой вход соединен с генератором управляющих импульсов, а выход соединен с кзлучаюшим электромеханическим преобразователем, индикатор, соединенный с генератором управляющих импульсов, приемный электромеханический преобразователь, соединенный с индикатором и блок временного интервала, соединенный с индикатором и генератором управляющих импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены инвертор частотного спектра и второй модулятор, причем первый вход второго модулятора соединен с генератором управляющих импульсов, второй вход соединен с выходом иквертора частотного спектра, а выход соединен с излучающим электромеханическим преобразователем, первый вход иквертора соединен с генератором сикусокдалькых колебаний, а другой вход подключен к приемному преобразователю.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 460492, кл. G 01 М 29/00, 1974.

2. Журнал The Journal of The Acoustical

Society of America", voh 35, NÐ 5, 1963, р.р.

712 — 713.

Составитель И Засядников

Техред M.Ïåòêî Корректор М Селехман

Редактор Л. Бибер

Тираж 1090 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьпнй

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5955/41

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4