Способ определения сопротивления излучения пьезокерамического преобразователя и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 01 14 29 0 сследоварский и техв высокой 1. ОЬег 11 цваееп. - (95), В,З, Н. Я СО ЕЗОК ВАТЕЛ ЩЕСТ Е РАЯ И ЛЕукоьтраз астно сти ил чаемо ет быт гоь и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Я с 1 гпи Я Яа 1 б 1 е и1 е 1 змпдпеззцпцеп ап 1.111 гэзсЬаЕетзсИг 1 тт аког апцеаапйе Р 1 узй 8, з, 281-288.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИТИВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЬМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУНИЯ(57) Изобретение относится к увой измерительной технике, визмерениям акустической мощнтенсивности ультразвука, излконтролируемый объект, и мож Изобретение относится к ультоазвуковой измерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения сопротивления излучения пьезокерамических преобразователей, и может быть использовано в медицинской диагностике, ультра,звуковой терапии, дефектоскопии и ультразвуковой технологии для измерения акустической мощности или интенсивности ультразвука, излучаемого в контролируемый объект,Известны способы и устройства для измерения удельного акустического сопротивления исследуемой среды, функционально связанного (прямо пропорционально) с соЯО, ) 175517 пользовано в медицинской диагностике, ультразвуковой терапии, дефектоскопии и ультразвуковой технологии. Способ основан нэ мостовом компенсационном методе, при котооом статическую емкость преобразователя, акустически нагруженного рабочей средой, компенсируют на рабочей частоте параллельно включенной индуктивностью. Исследуемый преобразователь с компенсирующей индуктивностью включают в одно плечо высокочастотного моста, другое плечо которого соединяют с градуированным переменным резистором, возбуждают диагональ питания моста на рабочей частоте пьезопреобразователя зондирующими радиоимпульсами с прямоугольной Огибающей, длительность и период повторения которых выбирают из условия квазистационарности режима и отсутствия в этом временном интервале отражений в объеме рабочей среды. 2 с, и 1 з.п. ф-лы 1 ил. противлением излучения пьезопреобразо, вателя, С помощью таких способов измеряют высокочастотное напряжение на излучателе, возбуждаемом непрерывным сйнусоидэльным напряжением рабочей частоты через генератор тока, внутреннее сопротивление которого существенно превышает сопротивление излучения пьезопреобраэователя,При измерении сопротивления излучения такой способ оказывается косвенным, поскольку коэффициент связи между измеряемым высокочастотным напряжением и искомым сопротивлением излучения необходимо либо предварительно рассчитать,175517 О 30 35 40 45 50 либо определить экспериментально, Обаэти условия являются следствием трудностей непосредственного измерения высокочастотйого тока в последовательной ветвиэквивалентной схемы преобразователя.Кроме того указанный способ требуетустранения вредного влияния многократных отражений о контролируемом обьеме, чтолибо ограничивает диапазон рабочих частотобластью 100 УГц, либо конструктивноусложняет измерительную камеру, Оба этихусловия являются следствием непрерывного режима возбуждения преобразователя,Известен также способ, предназначенный для ультразвукового измерения плотности жидкостей,Согласно дайному способу измеряемаявеличина также связана с удельным акустическим сопротивлением среды, однако при. его использовании импульсный режим возбуждения и приемаультразвуковых колебаний позволяет принципиально полностьюустранить погрешности измерения, обусловленные многократными отражениями. К нецостаткам этого способа относится, неопределенность численного значения рабочей частоты за счет видеоимпульсного режима возбуждения "толстого" излучающего пьезопреобраэователя и возникновение трудноучитываемых погрешностей при вычислении искомого параметра. Эти погрешности снижают результирующую точность измерения из-за необходимости учета в окончательйом выражении времени распространения видеоимпульса в пьезоматериале "толстого" излучателя (нелинейное и частотнозависимое поглощение высокочастотных компонент в спектре исходного видеоимпульса неизбежно приводит к затягиванию рабочего фронта и, как следствие, к погрешно.тям определения временного интервала, обусловленным волюнтаризмом выбора уровней отсечки рабочий фронтов).Кроме того, известен способ для измерения акустического сопротивления, по которому пьезопреобразователи включают по крайней мере в два сме;кных обеспечивающих положительную обратную связь плечи моста, а цепь отрицательной обратной связи через трансформатор в другую диагональ моста, причем искомое акустическое сопротивление определяют путем Фиксации изменения частоты электрических колебаний генератора с мостовой схемой самовозбуждения, вызываемых изменением входного сопротивления пьезопреобразователей при взаимодействии их с контролируемой средой. Чувствительность способа к изменению измеряемого акустического сопротивления существенно превышает чувствительность описанных способов, Способ обладает также высокой помехозащищенностью и обеспечивает возможность измерения акустических сопротивлений в широком диапазоне их изменения, что обусловлено мостовым методом измерения, Однако этот способ работоспособен10 только в том случае, если исходная частота самовозбуждения ниже частоты механического резонанса преобразователей, сопротивление которых должно иметь емкостный характер. Кроме того, непрерывный режим работы генератора с мостовой схемой самовозбуждения не исключает многократное отражение в контролируемой среде, Наиболее близок к предлагаемому способ измерения сопротивления излучения пьезопреобразователя, формально реализующий мостовой метод измерения на частоте, строго совпадающей с частотой механического резонанса исследуемого преобразователя,Согласно известному способу для измерения сопротивления излучения определяют численное значение активной компоненты высокочастотного тока, протекающего в последовательной ветви исследуемого преобразователя, статическую емкость которого компенсируют на рабочей частоте параллельно включенной индуктивности, а также определяют численное значение высокочастотного напряжения на преобразователе и по полученным данным непосредственно рассчитывают искомое сопротивление излучения.Исследуемый преобразователь Я с компенсирующей индуктивностью Е соединен с одним из концов двухтактной первичной обмотки трансформатора Тр, другой конец которой соединен с переменным конденсатором С. Средняя точка первичной обмотки трансформатора соединена с генератором высокой частоты и высокочастотным вольтметром Ч, Вторичная однотактная обмотка трансформатора Тр соединена с высокочастотным детектором О и через балансный усилитель постоянного тока с измерителем токаА,Измерение сопротивления излучения в соответствии с известным способом осуществляют следующим образом. Излучающий пьезопреобразователь возбукдают на рабочей частоте высокочастотным напряжением от выходного каскада генератора,численное значение высокочастотного напряжения которого отсчитывают по показаниям высокочастотного вольтметра, При этом на вторичной обмотке трансформатораиндуцируется высокочастотное напряжение, пропорциональное активной компоненте высокочастотного тока в последовательной ветви эквивалентной схемы исследуемого преобразователя, поскольку его .статическая емкость компенсирована на рабочей частоте соответствующей параллельной индуктивностьа. Это высокочастотное напряжение детектируется, постоянная составляющая усиливается и регистрируется измерителем тока, предварительно проградуированным с помощью набора безреактивных резисторов, Для устранения параэитных компонент блуждающих токов (главным образом, на сердечник трансФорматора) регулировкой емкости переменного конденсатора в первичной обмотке трансформатора предварительно обеспечивают нулевое показание измерителя тока в отсутствии исследуемого преобразователя и компенсирующей индуктивности. Искомое сопротивление излучения определяется численными значениями высокочастотного напряженияи высокочастотного тока при нагрузке исследуемого преобразователя рабочей средой: В.=И 1,Однако известный способ измерения реализует мостовой компенсационный ме 30тод только для предварительной операцииустановки нулевого значения паразитных токовых компонент, а сама процедура-измерения включает в себя последовательность операций,. характеризующих прямой способ измерения сопротивления по численным значениям тока и напряжения, Именно поэтому, несмотря на формальное совпадение структурной схемы измерителя сопротивления излучения по рассмотренномуспособу с известными мостовыми компен сационными измерителями, высокочастотный трансформатор е таком измерителе принципиально не устраняет влияния синфазных помех (т.е, не является элементообразующим звеном измерительной или 45 возбуждаемой диагонали моста) и является по сути только трансформатором тока, Другим недостатком способа, обусловленным непрерывным режимом возбуждения преобразователя, являются указанные погреш ности, обусловленнь 1 е многократными отражениями в объеме рабочей среды.Таким образом, недостатками известного способа являются неустраненные случайные погрешности измерения, возникающие при воздействии синфаэной помехи, а также сочетание случайных и систематических погрешностей из-за многократных отражений,Аналогичные недостатки имеет и устройство, реализующее известный способ, Эти недостатки обусловлены схемой включения высокочастотного трансформатора, не обеспечивающей подавление синфазных помех и. соответственно, вызывающей появление дополнительных случайных погрешностей, а также соединением генератора непрерывных высокочастотных колебаний с исследуемым пьеэопреобразователем через измерительный трансформатор тока, что вызывает появление дополнительных систематических и случайных погрешностей из-за многократных отражений, приводящих к вариациям отсчета искомого сопротивления излучения,Цель изобретения -повышение точности измерения за счет исключения случайных и систематических погрешностей,Поставленная цель достигается реализацией мостового компенсационного метода измерения, по которому акустически нагруженный рабочей средой (или ее импедансным эквивалентом) исследуемый пьезопоеобразователь с компенсирующей индуктивностью возбуждают в квазйстационарном оадиоимпульсном режиме, для чего преобразователь включают в одно плечо высокочастотного моста, в другое плечо которого включают градуированный переменный резистор, возбуждают диагональ питания моста на рабочей частоте преобразователя зондирующими радиоимпульсами с прямоугольной огибающей, длительность которых выбирают из условия квазистационарности режима и отсутствия в этом временном интервале первого отраженного сигнала в объеме рабочей среды (или в объеме ее импедансного эквивалента), а период повторения выбирают из условия полного затухания в нем многократно отраженных сигналов, регистрируют форму высокочастотного йапряжения (или высокочастотного тока) в измерительной диагонали моста при изменении рабочей частоты в окрестностях частоты резонанса преобразователя, а также при изменении величийы компенсирующей индуктивности и сопротивления градуированного резистора, отсчет которого, численно равный искомому сопротивлению излучения; снимают в момент достижения баланса при минимуме высокочастотного напряжения (или тока) в установившемся участке зондирующего сигнала для наименьшего из всех полученных значений отсчетов,В соответствии с поставленной целью в устройстве, реализующем предлагаемый способ, содержащем нереэонансный вцсокочастотньй трансформатор, входящий всостав компенсационного измерительного моста; исследуемый пьезопреобразователь с параллельно включенной компенсирующей индуктивностью соединен с одним изконцов двухтактной вторичной обмотки трансформатора, другой конец которой соединен с градуированным переменным резистором, причем средняя точка двухтактной обмотки соединена сусилителем напряжения (или тока), вход которого согласован по импедансу с индуктивным сопротивлением вторичной обмотки, а выход усилителя соединен с входом регистратора баланса моста, хронирующий вход которого соединен с одним из выходов хронизатора, причем другой его выход подключенк генератору строб-импульса, соединенного последовательно через генератор радиоимпульсов и согласующий каскад с первичной обмоткой трансформатора.С целью линеаризации измерительной характеристики и исключения дополнительных погрешностей, обусловленных конечной добротностью компенсирующего кон,а, компенсирующая индуктивность в предлагаемом устройстве может быть соединена с О-умнокителем,На чертеже представлена блок-схемаустройства, реализующего предлагаемыйспособ.Устройство для реализации предлагэе.мого способа содержит нерезонэнсный высокочастотный трансформатор 1, входящий в состав компенсационного измерительного моста, одно плечо которого образовано первой (по схеме) половиной двухтактной вторичной обмотки трансформатора Я 2, соединенной с параллельно включенными исследуемым пьезопреобразователем 2 и компенсирующей индуктивностью 3. Левая половина вторичной обмотки соединена с градуированным переменнымрезистором 4 (последовательно с переменным резистором 4 могут включаться калиброванные постоянные резисторы),Средняя точка двухтактной обмотки трансформатора соединена с усилителем 5 напряжения, входной каскад которого выполнен на полевом транзисторе МОП-структуры по схеме с общим истоком и имеет существенно больший входной импеданс по сравнению с индуктивным импедансом вторичной обмотки трансформатора. Выход усилителя подключен к сигнальному входу регистратора 6 баланса моста, хронизирующий вход которого соединен с одним из выходов хронизатора 7, определяющим частоту повторения радиоимпульсов, Другой выход хрочизатора подключен к генератору 8 строб-ймпулсов, обеспечивающему изменение длительности строб-импульса (и, соответственно, радиоимпульса) в пределах15-150 мкс. Выход генератора строб-импульса соединен с входом генератора 9 ра 5 диоимпульсов, выполненного на полевыхтранзисторах по схеме генератора ударноговозбуждения с подпиткой задающего контура высокочастотного напряжения полокительной обратной связи, формирующей10 плоскую вершину радиоимпульса, В ыход генератора радиоимпульсов соединен с первичной обмоткой трансформатора черезсогласующий каскад 10 с пентодной характеристикой (генератор тока), выходное со 15 противление которого значительнопревышает диапазон.Устройство работает следующим образом,При включении напряжения питания20 хронизатор 7 начинает вырабатывать последовательность хронизирующих импульсов. Хронизирующие импульсы с одного извыходов хронизатора поступают на вход генератора 8 строб-импульсов, коорый начи 25 нает выдавать прямоугольные импульсыотрицательной полярности, запускающиегенератор 9 радиоимпульсов. С выхода по- .следнего радиоимпульсы с частотой заполнения в окрестностях рабочей частоты30 исследуемого пьезопреобразователя 2 поступают на согласующий каскад 10 и далеена первичную обмотку высокочастотноготрансформатора 1. Информационный сигнал со средней точки вторичной обмотки35 трансформатора усиливается высокочастотным усилителем 5 напряжения (или тока) ипоступает на сигнальный вход регистратора6, на хронизирующий вход которого подается запускающий сигнал с другого выхода40 хронизатора. Наблюдая за формой зондирующего сигнала на выходе регистратора 6,последовательной регулировкой частоты заполнения радиоимпульсов градуированного переменного резистора, соединенного с45 одним из концов вторичной обмотки трансформатора 1; а также переменной компенсирующей индуктивности 3, включеннойпараллельно с преобразователем 2 и соединенной с другим концом вторичной обмот 50 ки, обеспечивают минимальную амплитудуустановившейся части зондирующего сигнала, причем отсчет сопротивления сошкалы градуированного переменного резистора 4, численно равный искомому сопро 55 тивлению излучения, снимают в моментдостижения баланса моста при минимумевысокочастотного напряжения (или тока) вустановившемся участке зондирующего сигнала для наименьшего из всех полученныхзначений отсчетов,Изобретение обеспечивает устранение тпе,случайных погрешностей измерения за счет где О - добротность нагруженного преобраприменения мостового компенсационного эователя;моста, нечувствительного к синфазным по- Х - рабочая частота;мехам. Это имеет решающее значение при 5 7 - характеристический размер объемаизмерении сопротивления излучения датчи- рабочей среды;ков ультразвуковых диагностических йрибо- с - скорость ультразвука в среде;ров с пьезокерамическими элементами, то - минимальное время затухания всехпоскольку в отличие от известного способа, отраженных сигналов в объеме рабочей срепо которому измерения осуществляют на 10 ды,высокихуровнях напряжения и тока, пред- . а сопротивление излучения определяют полагаемый способ особенно пригоден для значению переменного резистора при баизмерений при низких уровнях возбуждае- лансе измерительного моста,мого напряжения, при которых еще не сказывается нелинейный характер потерь 15 2, Устройство для определения сопропьеэокерамических преобразователей и тивления излучения пьезокерамическогофункции от амплитуды высокочастотного преобразователя; содержащее высокочанапряжения,: стотный генератор, вйсокочастотный трансКроме того, изобретение позволяет уст- форматор и индуктивность, вйводы которойранить случайные и систематические по соединены с клеммами для подключениягрешности измерения за счет применения пьезокерамического преобразователя, о традиоимпульсного квазистационарного ме- л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышетода возбуждения и регистрации с парамет- ния точности за счет уменьшения сйнфаз.рами, исключающими возмущающее ных и интерференционньх помех, в неговлияние на результаты измерения диффуз введены калиброванный переменный резиных или случайно организованных много- стор, последовательносоедййенныеусиликратных отражений в обьеме раЪочей среды тель напряжения и регистратор баланса(или ее импедансного эквивалента), .:моста, последовательно соединенные хроФ о р м у л а и 3 о б р е т е н и янизатор и генератор строб-импульсов, атак 1, Способ определения сопротивления 30 же согласующий каскад, причем выходизлучения пьезокерамического преобраэо- высокочастотного генератоРа соединен чевателя, заключающийся в высокочастотном рез согласующий каскад с первичной обмотвозбуждении преобразователя при,ском- кой трансформатора, вторичная обмоткапенсированной его статической емкости и которого выполнейадвухтактной,а средняярегистрации результатов измерений, о т л и точка соединена с входом усилителя напряч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения жейия, один конец вторичной обмоткиточности за счет уменьшения синфазных и трансформатора соединен с-калиброванинтерференционных помех, балансируютным переменным резистором,адругой.комостовую измерительную схему калибро- нец обмотки соединен с незаэемленнымванным резистором и изменением режимов 40 выводом индуктивности, второй выход хрокомпенсациистатическойемкости преобра- низатора соединен с сйнхровходом регистзователя, причем возбуждение преобразо- ратора баланса моста, а выход генераторавателя осуществляют радиоимпульсамй с строб-импульсов соединен с входом высопрямоугольной. огибающей, длительность и кочастотного генератора,период повторения сп которых выбирают из 45 3, Устройство по п.2, о тл и ч а ю щ е еусловияс я тем, что индуктивность выполнена сООЬ2 2/с, О-умйожителем,Составитель С, ЮдинРедактор А,Огар Техред М,Моргентал Корректор ЛЛука при ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарин Заказ 2888 ВНИИПТираж Подписноеударственнбго комитета по изобретением и открыти 113 О 35, Москва, Ж, Раущскал наб 4/5