Ультразвуковое устройство для измерения толщины изделий

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины изделий. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука. Устройство содержит два измерительных канала и компенсационный канал, каждый из которых состоит из генератора зондирующих импульсов, преобразователя и усилителя, аналогоцифровой преобразователь, два делителя частоты, амплитудный детектор, пороговый элемент, генератор синусоидальных колебаний, схемы И и ИЛИ и умножитель частоты. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИК

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G Ît В 17/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗбБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ.

ПРИ ГКНТ СССР (2! ) 4484871/25-28 (22) 16,09,88 46) 30.07.90. Бюл. К 28 (71) Институт прикладной физики

Л!! БССР (72) В.Г,Карсеко и В.Я.Зенин (53) 620.179,16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР !! - 970104, .кл. G О! В 17/02, 1982, (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и може r быть использовано для бесконтактного измерения

Изобретение относится к измерительной технике и может бьггь использовано для бесконтактного измерения толщины изделий.

Цель изобретения — повышение точности измерений эа счет автоматической компенсации влияния изменений скорости ультразвука.

На фиг,1 изображена фучкциональнан схема устройства; на фиг,2— временные диаграммы, поясняющие его работу, Устройство содержит первый и второй измерительные каналы, каждый из которых состоит соответственно из последовательно соединеHHblx генератора 1 (2) импульсов, электроакустического преобразователя 3 (4) и усилителя 5 (6), компенса ;ионный канал, который состоит из последовательно соединенных гpllf ратора 7 импульсов, электроакустического преобразователя 8 < отражателем 9 и усилителя 10, „„80„„1 2 07 толщины иэдепий, Цель изобретения— повышение точности измерений эа счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука. Устройство содержит два измерительных канала и компенсационный канал, каждый из которых состоит из генератора зондирующих импульсов, преобразователя и усилителя, аналого«цифровой преобразователь, два делителя частоты, амплитудный детектор, пороговый элемент, генератор синусоидапьных колебаний, схемы И и ИЛИ и умножитель частоты. 2 ил, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, последовательно соединенные генератор !2 сйнусоидальных коле" баний, первую схему 13 И и схему 14

ИЛИ, последовательно соединенные де-. тектор 15 и пороговый элемент 16 первый !7 и второй 18 делители частоты и умножитель 19 частоты, Аналого-цифровой преобразователь 11 может быть выполнен в виде поспедователь- но соединенных триггера 20, второй схемы 21 И и счетчика 22, Вторые выходы генераторов 1 и 2 импульсов первого и второго измерительных каналов соединены с вторыми входами усилителей 5 и 6 соответствующих каналов, выход усилителя 5 первого измерительного канала соединен с входом генератора 2 импульсов второго измерительного канала, выход усилителя 6 второго измерительного канала подключен к первому входу триггера 20, выход усилителя 10 компенсационм 3

1582007 ного канала соединен с вторым входом схемы 14 ИЛИ и с входами детектора

15, первого делителя 17 частоты и умножителя )9 частоты, выход которо"

ro подключен к второму входу второй схемы 21 И, выход первого делителя

17 частоты подключен к входу второго делителя )8 частоты и к второму входу триггера 20, выход порогового элемента 16 соединен с вторым вхоДом первой схемы 13 И, выход схемы

1,4 ИЛИ подключен к входу генератора импульсов компенсационного канала, а выход второго делителя 18 частоты подключен к входу генератора 1 импульсов. Кроме того, на фиг.l показано контролируемое изделие 23.

На фиг,2 показаны временные диа1"раммы напряжений U<(t) — на выходе первой схемы 13 И, Uq(t) — на. выходе

) енератора 7 импульсов, Б () — на выходе усилителя 10, Ug(t) — на выходе амплитудного детектора 15, U »вЂ”

Пороговое напряжение порогового эле- 25 мента (триггера Шмитта) 16, U фг.)— напряжение на выходе порогового элемента 16, ць(с) — на выходе первого делителя 17 частоты, U (t) — на выходе второго делителя 18 частоты, Ug (t/3Q на выходе умножителя 19 частоты, (t) - на выходе триггера 20 и

П р (С) — на выходе второй схемы 21 И, Частота сигнала U 1(t) выбрана равной

f„= Cg/g, д Сн — cKopocre распространения акустических волн в нормальных условиях; ) - длина волн, выраженная в метрических единицах.

Частота сигнала U (t) до моМента времени t< прихОда акусГическОГО сиГна 4р ла на приемник преобразователя 8 равна f», а затем быстра устанавливается равной f в соответствии с реальной скоростью звука С. Период частоты сигнала U» (t) ранен Т = 2l/С. Период 45 частоты сигнала U (t) в несколько раз превышает период Т и выбирается из расчета обеспечения затухания ренерберационных помех в среде. На диаграммах показаны моменты времени когда включается питание устройства; моМент tl когда на преобразователь

8 приходит отраженный от отражателя

9 сигнал; момент t когда сигнал на выходе амплитудного детектора 15 достигает порога срабатывания элемента 16; моменты времени с з и фор1 мирования измерительного импульса на выходе триггера 20.

Устройство для измерения толщины изделия работает .Следующим образом, При включении устройства начинает работать в автоколебательном режиме генератор 12 синусоидальных колебаний, Частота генераиии сигнала U<(t) выбрана такой, чтобы длина волны ультразвука в среде была равна 9 =

10 ай,где gh — допустимая погрешность (дискретность отсчета толщиной

h); е — целое число, На выходе порогового элемента 16 в момент включения устройства присутствует высокий уровень напряжения, так как входной потенциал равен нулю. Схемы 13 И и

l4 ИЛИ разрешают поступление сигнала с выхода генератора 12 на вход генератора 7 импульсов, Генератор 7 возбуждает ультразвуковые колебания

U<(t) в преобразователе 8, излучающем в среду непрерывные акустические колебания, Ультразвуковые колебания отражаются от отражателя 9, преобразуются в преобразователе 8 в электрические, усиливаются и преобразуются усилителем 10 в импульсный сигнал

Uz(t) типа меандр, поступающий на вход детектора 15, Через некоторое время после момента tl прихода отраженного сигнала на преобразователь 8 на выходе детектора 15 устанавливается уровень напряжения, достаточный для переключения порогового элемента

16 (нревьппающий U ), вследствие чего схема 13 И закрывается и отключает генератор 12 от генератора 7 импульсов, С момента времени t включения прибора в среду излучаются акустические волны. длиной 1 = Сн/Ея. Поскольку расстояние между преобразователем

8 и отражателем 9 равно m /2, отраженный сигнал, в момент времени достигающий поверхности преобразователя 8, приходит на вход схемы !4 HJIH практически синфазно, Действительно, всегда можно выбрать такую длину волны, что при изменениях физических параметров среды в заданном диапазоне задержка сигнала на базе L изменяется на величину, значительно меньшую Т. В результате в цепи, обра" зованной генератором 7, преобразователем 8, усилителем 10 и логическим элементом 14 HJIH и замкнутой по а акустическому тракту через отражатель 9, начинается автоколебательный процесс, Этот процесс обусловлен тем, что цепь охвачена положитель

4ГТ.--- = 2Й т или

С;

С, 2L =m- — =m3

f(Ql 1g

2L

Так как

h "10

1 1л =

10" Я да

5 1 ной обратной связью с выхода на зход (обеспечено условие баланса фаз), а также тем, ч ro величина обратной связи с помощью усилителя IO и генератора 7 выбрана такой, которая является достаточной для поддержания в схеме изменений напряжений и токов по закону, свойственному этой схеме, т,е. сколь угодно длительное время выполнено условие баланса амплитуд, После захвата частоты fq навязанной этой цепи генератором 12, в цепи начинается переходной процесс, в результате которого частота автогенерации устанавлизается равной f;=C;/g, где С - реальное значечие скорости распространения акустических волн в данный момент, а затем частота постоянно меняется в соответствии с изменениями скорости распространения акустических волн, Условие баланса фаз:

Учитывая условие 2L = 10 Я, m=10

Полоса усиления усилителя 10 выбирается такой, чтобы в компенсационном канале возникли колебания именно той частоты (либо близкой к ней), при которой выполняется условие

2L = 10" .

Электрический сигнал Бэ() с выхода усилителя 10 поступает на вход делителя 17, коэффициент деления которого равен 10, и íà его выходе возникает частота fl/10 <, период которой равен суммарному времени распространения акустических волн в измерительной трассе при условии, что толщина изделия равна нулю, Делитель 18 увеличивает период выходного сигнала (Ug(t)) усилителя 10 настолько, чтобы выждать затухание реверберапионных помех в измерительном канале (см, диаграмму Uy(t)). По фронту импульсной последовательности

U (t) генератор 1 импульсов возбуждает в преобразователе 3 первого измерительного канала ультразвуковые колебания, которые после отражения от одной поверхности контролируемого изделия 23 преобразуются преобразо582007 б вателем 3 в электрические, которые усиливаются в усилителе 5 и поступа ют на вход генератора 2 импульсов второго измерительного канала, Гене"

5 ратор 2 возбуждает в преобразователе 4 ультразвуковые колебания, которые, отразившись от другой поверхности контролируемого изделия 23, преобразуются преобразователем 4 в электрические, После усиления усилителем 6 электрические колебания поступают на второй вход АЦП 11, Время задержки распространения в первом и втором измерительном каналах Д рав2(L(+LE) но Dt = — — — — — — . Сигнал с выхода

I усилителя 6 второго измерительного канала в момент времени Т поступает

20 на вход установки в логическое состояние "1" триггера 20. Возврат триггера 20 в состояние "О" происходит в момент времени tq. В результате на выходе триггера 20 формируется

25 импульс Ug(t). Так.как L = L<+ Lz+ h, где h — толщина изделия,L i u Lg— расстояния до соответствующих поверхностей контролируемого иэделия от преобразователей 3 и 4 соответст3р венно, и вследствие того, что 2L =

«л

10, а коэффициент деления делителя 17 равен 10, то на выходе тригС гера 20 формируется импульс длительностью

7; С1

Значение f; задается выражением (1), тогда

10 2L: (Li + Lg

К вЂ” — 2

40 1О .С;

Выходнои сигнал Ug (t) усилителя

45 10 подается на умножитель 19 с коэффициентом умножения 10 /2 и этой часи тотой заполняется интервал времени 1.

У а в счетчик 22 записывается число

Мц = « f 10 /2 л 2h mC, 10

Ci 2L 2

Kë

2L = 10 Л и m = 10, то

h 10 1

10 =, = 10 Qh тог"

1582007 (2)

Результат измерения не зависит от сКорости ультразвука в среде, а также не зависит от выбора величины L, равной m 1/2, причем показания счетЧика дают отсчет непосредственно в метрических единицах 5п, формула и з о б р е т е н и я

Ультразвуковое устройство для измерения толщины изделий, содержащее

Два измерительных канала, каждый из которых состоит из последовательно

Соединенных генератора импульсов, 1лектроакустического преобразователя и усилителя, выход усилителя первого измерительного канала соединен

1 входом генератора импульсов второГо измерительного канала, í"îðûå вы оды генераторов импульсов первого ф второго измерительных каналов подКлючены к вторым входам усилителей

Соответствующих измерительных канаЛов, компенсационный канал, состоящий из последовательно соединенных генератора импульсов, электроакустиЧеского преобразователя. с отражатеЛем и усилителя, и аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого подключен к выходу усилителя второго измерительного канала, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений за счет обеспечения автоматической компенсацчи влияния изменений скорости ультразвука, оно снабжено последовательНо соединенными генератором синусоидальных колебаний, схемой И н схемой

ИЛИ, выход которой подключен к входу генератора импульсов компенсационного канала, последовательно соединенными детектором и пороговым элементом, выход которого соединен с вторым входом схемы И, первым и вторым делителями частоты и умножителем частоты, выход усилителя компенсационного канала соединен с вторым входом схемы ИЛИ и с входами детектора, первого делителя частоты и умножителя частоты, выход первого делителя частоты соединен с входом второго делителя частоты и с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, третий вход которого подключен к выходу умножителя частоты, а выход второго делителя частоты соединен с входом

30 генератора импульсов первого измерительного канала, f582007

Составитель Д,Широчин

Техред M.Õîäàíè÷ Корректор М.Пожо

Редактор Н .Киитулинец

Заказ 2080

Тираж 480

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям нри ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101