Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ультразвуковой дефектоскопии. Цель изобретения - расширение частотной полосы пропускания и повьшение точности измерения векторных компонент колебательных смещений. Чувствительный элемент датчика выполнен из двух взаимно перпендикулярных друг другу пьезоэлементов с электродами. Один электрод соединен с концентратором и заземлен, а другой - с согласованным поглотителем и преобразователем сигналов. Подключение согласованного поглотителя, помещенного в демпфирующую среду, к преобразователю сигналов , состоящему из двойного потенциометра , фазоинвертора, переключателя и сумматора, обеспечивает расширение полосы пропускания на порядок при обеспечении возможности регулирования диаграммы направленности. 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

COLlHAJlHC ECHHX

РЕСПУБЛИН g 4 С 01 U 1/40

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3849885/24-25 (22) 31.01.85 (46) 15.02,87. Бюл, № 6 (71) Институт геологии и геофизики им.60-летия Союза ССР (72) Б.А.Бобров, Л.Д.Гик и 1Î,A.Орлов (53) 550.83(088.8} (56) Боканенко Л.И. Ультразвуковой датчик с биморфным пьезоэлементом, Изв. АН СССР, сер, физ. Земли, № 1, 1966, с. 68.

Авторское свидетельство СССР

¹ 625175, кл. G 01 U 1/16, 1976. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ

ДАТЧИК С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДИАГРАММОЙ

НАПРАВЛЕННОСТИ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ультра„.Я0„„1290137 A1 звуковой дефектоскопии. Цель изобретения — расширение частотной полосы пропускания и повышение точности измерения векторных компонент колебательных смещений. Чувствительный элемент датчика выполнен из двух взаимно перпендикулярных друг другу пьезоэлементов с электродами. Один электрод соединен с концентратором и заземлен, а другой — с согласованным поглотителем и преобразователем сигналов. Подключение согласованного поглотителя, помещенного в демпфирующую среду, к преобразователю сигналов, состоящему из двойного потенциометра, фазоинвертора, переключателя и сумматора, обеспечивает расширение полосы пропускания на порядок при обеспечении возможности регулирования диаграммы направленности. 4 ил.

12901

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а- также в ультразвуковой дефектоскопии. 5

Целью изобретения является расширение частотной полосы пропускания и повышение точности измерения векторных компонент колебательных смещений. 10

На фиг. 1 приведен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг. 2 — схема преобразователя сигналов для поворота диаграммы направленности; на фиг. 3 — рассчитанные частотные характеристики пьезоэлектрических преобразователей; на фиг. 4 — спектры приемоизлучающей пары.

Датчик содержит два одинаковых цилиндрических пьезоэлемента 1, расположенных ортогонально друг другу в одной плоскости. На торцовых поверхностях пьезоэлементов нанесены элект.— роды 2-5. Электроды 2 и 3 приклеены к концентраторам 6, а электроды

4 и 5 присоединены механически каждый ,к идентичным согласованным поглотите.лям 7 и 8, которые имеют одинаковые с пьезоэлементами 1 акустические импедансы. Концентраторы 6 представляют собой конусы, имеющие общую вершину, оси которых взаимно перпендикулярны друг другу, а углы растворов конусов меньше 90, например 60 .

Материалом для концентратора может 35 служить, например, медь. Согласованные поглотители выполнены, например, из медного провода, диаметр поперечного сечения которого выбирают равным диаметру пьезоэлемента, изготовленно; 40

ro из пьезокерамики ЦТС 19. Для уменьшения габаритов датчика каждый согласованный поглотитель выполняют в виде спирали (фиг. 1). Соединение электродов 2 и 3 с концентраторами 6, 45 электродами 4 и 5 и согласованными поглотителями 7 и 8 осуществляется с помощью низкотемпературного сплава, например сплава Вуда.

37 2

Спиралевидную часть 10 согласован" ных поглотителей помещают на призме 10, заполненной демпфирующим веществом, например пластилином. Длину согласованных поглотителей выбирают экспериментально в зависимости от поглощающих свойств демпфера такой величины, чтобы за время распространения в нем продольной волны от электрода до свободного конца и обратно амплитуда колебаний за счет взаимодействия поверхности согласованного поглотителя с демпфирующей средой уменьшилась до необходимого уровйя

/ точности измерения сигнала,. В частности, Можно использовать в,качестве согласованного поглотителя медный провод диаметром 3 мм и длиной 50 см, спиралевидная часть которого помещена в демпфирующую среду — пластилин марки ОСТ-6-15-394-81. Уровень отраженного от свободного согласованного поглотителя сигнала составляет для указанного выполнения О, 17 от ампли-. туды зарегистрированной волны, что является вполне допустимой величиной для многих используемых устройств.

Выводы электродов 2 и 3 заземлены, а выводы электродов 4 и 5 присоединены к преобразователю 12 сигналов (фиг. 2), который состоит из регулируемого сдвоенного потенциометра 13, фазоинвертора 14, переключателя 15 и сумматора 16. Переключатель 15 находится в одном из двух положений: в положении I он замыкает выход потен- . циометра с входом сумматора, а в положении II он соединяет выход фазоинвертора с входом сумматора. Сигнал,: снимаемый с электродов 4 и 5, на выходе сумматора 16 равен;

U=rU +(1-г)U — положение

Д 5 У

U= -rU +(1-r)U — положение II

У

r=R/R

Для обеспечения механической прочности датчика согласованные поглотители размещены на держателе 9, который изготавливают из материала, плот-;55 ность и скорость звука в котором по .крайней мере на порядок меньше, чем у беккера и может быть выполнен, например, из пенопласта марки ПХВ.

50 где R — максимальная величина сопротивления 13 относительно заземления, R — величина выходного сопротивления 13 относительно заземления;

U П вЂ” напряжения на электродах 4 и 5 соответственно.

Для пояснения работы датчика рассмотрим случай, когда на концентратор

1290137

Чувствительность пьезоэлементов 1 к Х- и Z- колебаниям одинакова, так как из пьезоэлементов расположен под углом 45 к оси Х и соответствен10 но под углом 45 к аси Z.

Из приведенного анализа следует, что в случае действия на торец датчика произвольного смещения с компонентами и 1 на выходе сумма15 тора 1б напряжение будет равно:

1 — полажение — положение II, 30

45<9 ç 135 положение I

225 з 1 з 295

295 з з 45

135 зЧ з 295

40 — положение I I

Исключение составляют точки

270, 90 для положения I и = 45 — 180О, 0 для положения II, где U не зависит от r.

В указанном датчике расширение амплитудно-частотной полосы пропускания достигается за счет применения 50 описанного согласованного поглотителя.

Рассчитанные частотные характеристики пьезоэлектрических преобразователей Н (и1 ) в относительных единицах 55 в зависимости от параметра Q =d h/v где h — высота пьезоэлемента со стержневым спиралевидным согласованным поглотителем 17 свободного пьедатчика действуют поочередно компоненты смещения „ и ф в системе координат, показанной на фиг. 1 ° Под действием напряжение на электрах дах 4 и 5 относительно заземленных электродов 2 и 3 будет равно:.

U .= Q/C; Ц = -Q/C; 0 = 1Ф„ где С вЂ” электрическая емкость отдельного пьезоэлемента; 1 — чувствительность пьезоэлемента; заряд пьезоэлемента.

Максимальному значению U при =-аданных с, и соответствует опреде—

2 ленная величина r, которая определяется из уравнений:

1 А l

r = (+ 1) — положение ? 2

Ф

1 г = -(— + 1) — положение II

2 х

Это означает, что изменяя величину можно поворачивать ось максимальной чувствительности датчика в пределах:

Под действием на электродах 4

2 и 5 возникнут напряжения:

+Q /С; П = +Q /С; ( зоэлемента 18 показывают, чта благодаря согласованию исчезает полуволновой резонанс (при Я = 2 ) и, так как пьезоэлемент нагружен инерционной массой (в данном случае стержнем), происходит расширение частотной полосы в области нижних частот. В результате полоса прозрачности увеличивается не менее чем на порядок.

На фиг. 4 приведено сопоставление экспериментального (кривая 19) и теоретического (кривая 20) спектров приемоизлучающей пары, установленной на блоке из оргстекла, толщина которого 100 мм. Графики нормированы по амплитуде подаваемого напряжения на источник. Несущественное расхождение объясняется конечным размером контактов датчиков с поверхностью блока, так как при расчетах их считали малыми.

Предлагаемая конструкция обладает широкой частотной полосой — на уровне спада 1/2 от максимальнагс значе- ния амплитуды характеристики — приб-. лизительно от 30 да 300 кГц, " ° е. более чем тремя октавами, Формула из обре те ния

Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности, содержащий чувствительный элемент, состоящий из двух взаимно перпендикулярных друг другу пьезоэлементов с электродами и двух согласованных поглотителей, о т л и ч аю шийся тем, что, " целью расширения частотной полосы прапускания и

1290137 повышения точности измерения векторных компонент колебательных смещений, один электрод каждого пьезоэлемента соединен со своим концентратором и заземлен, а другой соединен с согласованным поглотителем,выполненным в виде спиралевидного стержня, помещенного в демпфирующую среду, и подключен к преобразователю сигналов, состоящему из переменного сдвоенного потенциоме тра, фазоинве ртора, соединенного с выходом первого потенциометра, переклЮчателя и.сумматора, при этом переключатель соединен с выходом фазоинвертора и выходом первого потенциометра, а сумматор — с выходом переключателя и выходом второго потенциометра.

1290137

200

Составитель В. Крутин

Техред И.Попович

Редактор А. Лежнина

Корректор И, Муска

Заказ 7892/38 Тирам 752 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4