Способ определения сопротивления излучения пьезокерамического преобразователя и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s 6 01 Г4 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4755489/10 (22) 13.09,89 (46) 15,08,92. Бюл, ¹ 30 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт токов высокой частоты им. В.П, Вологдина (72) А.С, Химунин (56) Schmltz И,, 9/aidien (. Uber Lelstungmessungen an Uitrasschallguarzen.—

Zeitschrift fur angewandte Рпузй (95), В, 3, Н.

8, s, 281-288. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57} Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, в частности к измерениям акустической мощности или интенсивности ультразвука, излучаемого в контролируемый объект, и может быть исИзобретение относится K 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 со„„SU „„1755170 А1 пользовано в медицинской диагностике, ультразвуковой терапии, дефектоскопии и ультразвуковой технологии. Способ основан на мостовом компенсационном методе, при котором 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 сйнусоидальным 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, 1755170

50 либо определить экспериментально, Оба эти условия являются следствием трудностей непосредственного измерения высокочастотйого тока в последовательной ветви эквивалентной схемы преобразователя.

Кроме того указанный способ требуетустранения вредного влияния многократных отражений в контролируемом объеме, что либо ограничивает диапазон рабочих частот областью 4 0 МГц, либо конструктивно усложняет измерительную камеру. Оба э их условия являются следствием непрерывного режима возбуждения преобразователя, Известен также способ, предназначенный для ультразвукового измерения плотности жидкостей, Согласно дайному способу измеряемая величина также связана с удельным акустическим сопротивлением среды, однако при . его использовании импульсный режим возбуждения и приема ультразвуковых колебаний позволяет принципиально полностью устранить погрешности измерения, обусловленные многократными отражениями.

К нецостаткам этого способа относится, неопределенность численного значения рабочей частоты эа 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 смежных 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 работоспособен 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 S c компенсирующей индуктивностью L 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 V. Вторичная однотактная обмотка трансформатора Tð соединена с высокочастотным детектором

D и через балансный усилитель постоянного тока с измерителем тока А.

Измерение сопротивления излучения в соответствии с известным способом осуществляют следующим образом. Излучающий пьеэопреобразователь возбу>кдают на рабочей частоте высокочастотным напряжением от выходного каскада генератора, численное значение высокочастотного напряжения которого отсчитывают по показаниям высокочастотного вольтметра, При этом на вторичной обмотке трансформатора

30 способу с известными мостовыми компен- 40 сационными измерителями, высокочастотный трансформатор е таком измерителе принципиально не устраняет влияния синфазных помех (т.е, не является элементообобразователя, являются указанные погреш- 50 ности, обусловленнь1е многократными отражениями в объеме рабочей среды.

55 индуцируется высокочастотное напряжение, пропорциональное активной компоненте высокочастотного тока в последовательной ветви эквивалентной схемы исследуемого преобразователя, поскольку era статическая емкость компенсирована на рабочей частоте соответствующей параллельной индуктивностью. 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 напряжения и высокочастотного тока при нагрузке исследуемого преобразователя рабочей средой: Rs = И1.

Однако известный способ измерения реализует мостовой компенсационный метод только для предварительной операции установки 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 струкгурной схемы измерителя сопротивления излучения по рассмотренному разующим звеном измерительной или возбуждаемой диагонали моста) и является по сути только трансформатором тока, Другим недостатком способа, обусловленным непрерывным режимом возбуждения преТаким 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, вызывающ>ей появление дополнительных случайных погрешностей, а также соединением генератора непрерывных высокочастотных

0 колебаний с исследуемым пьеэопреобразователем через измерительный трансформатор тока, что вызывает появление дополнительных систематических и случайных погрешностей из-за многократных от- .

5 рзжений, приводящих к вариациям отсчета искомого сопротивления излучения.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет исключения случайных и систематических погрешностей.

0 Поставленная цель достигается реализацией мостового компенсационного метода измерения, па которому акустически нагруженный рабочей средой (или ее импедансным эквивалентом) исследуемый пьезопоеобрззователь с компенсирующей индуктивностью возбуждают в квазйстзционарном оадиоимпульсном режиме, для чего преобразователь включают в одно плечо высокочастотного моста, в другое плечо KG" торого 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 высокочзстотнь>й трансформатор, входящий в

1755170 состав компенсационного измерительного моста; исследуемый пьезопреобразователь с параллельно вклк>ченной компенсирующей индуктивностью соединен с одним из концов двухтактной вторичной обмотки трансформатора, другой конец которой соединен с градуированным переменным резистором, причем средняя точка двухтактной обмотки соединена c óñèëèòåëåì 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 подключен к. 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 Q-умно>кителем, На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Устройство для реализации npeprtaraeмого 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, соединенной с параллельно включенными исследуемым пьезопреобразователем 2 и компенсирующей индуктивностью 3. Левая половина вторичной обмотки соединена с градуированным переменным резистором 4 (последовательно с переменным резисто- ром 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, хронизируащий вход которого соединен с одним из выходов хронизатора 7, определяющим ча"стоту повторения радиоимпульсов, Другой выход хрочизатора подключен к генератору

8 Строб-йМпулсов, обеспечивающему изменение длительности строб-импульса (и, соответственно, радиоимпульса) в пределах

15-150 мкс. Выход генератора строб-импульса соединен с входом генератора 9 ра5 диоимпульсов, выполненного на полевых транзисторах по схеме генератора ударного возбуждения С подпиткой задающего контура высокочастотного напряжения поло>кительной обратной связи, формирующей

10 плоскую вершину радиоимпульса, В ыход t енератора радиоимпульсов соединен с первичной обмоткой трансформатора через согласующий каскад 10 с пентодной характеристикой (генератор тока), выходное со15 противление которого значительно превышает диапазон.

Устройство работает следующим образом, При включении напряжения питания

20 хронизатор 7 начинает вырабатывать последовательность хронизирующих импульсов. Хронизирующие импульсы с Одного из выходов хронизатора поступают на вход генератора 8 строб-импульсов, ко орый начи25 нает выдавать прямоугольные импульсы отрицательной полярности, запускающие генератор 9 радиоимпульсов. С выхода по- . . следнего радиоимпульсы с частотой заполнения в окрестностях рабочей частоты

30 исследуемого пьезопреобразователя 2 поступают на согласующий каскад 10 и далее на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 1. Информационный сигнал со средней точки вторичной обмотки

35 трансформатора усиливается высокочастотным усилителем 5 напряжения (или тока) и поступает на сигнальный вход регистратора

6, на хронизирующий вход которого подается запускающий сигнал с другого выхода

40 хронизатора. Наблюдая за формой зондирующего сигнала на выходе регистратора 6, последовательной регулировкой частоты заполнения радиоимпульсов градуированного переменного резистора, соединенного с

45 одним из концов вторичной обмотки трансформатора 1; а также переменной компенсирующей индуктивности 3, включенной параллельно с преобразователем 2 и соединенной с другим концом вторичной обмот50 ки, обеспечивают минимальную амплитуду установившейся части зондирующего сигнала, причем отсчет сопротивления со шкалы градуированного переменного резистора 4, численно равный искомому сопро55 тивлению излучения, снимают в момент достижения баланса моста при минимуме высокочастотного напряжения (или тока) в установившемся участке зондирующего сигнала для наименьшего из всех полученных значений отсчетов, 1755170

Изобретение обеспечивает устранение t> > t<>, случайных погрешностей измерения за счет где Q — добротность нагруженного преобраприменения мостового компенсационного зователя; моста, нечувствительного к синфазным no- f — рабочая частота; мехам. Это имеет решающее значение при 5 Z — характеристический размер объема измерении сопротивления излучения датчи- рабочей среды; ков ультразвуковых диагностических йрибо- с — скорость ультразвука в среде; ров с пьезокерамическими элементами, о — минимальное время затухания всех поскольку 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 по лагаемый 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 пьезокерамического функции от амплитуды высокочастотного преобразователя; сод ржащее высокочанапряжения, : стотный генератор, вйсокочастотный трансКроме того, изобретение позволяет уст- форматор и индуктивность, вйводы которой ранить случайные и систематические по- 20 соединены с клеммами для подключения грешности измерения за счет примененйя 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 интерференционнь х помех, в него влияние на результаты измерения диффуз- 25 введены калиброванный переменный резиных или случайно организованных много- стор, последовательнО соедййенные усиликратных 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 з о б р е т е н и я низатор и генератор строб-импульсов, атак1. Способ определения сопротивления 30 же согласующий каскад, причем выход излучения пьезокерамического преобраэо- высокочастотного генератора соединен чевателя, заключающийся в высокочастотном рез согласующий каскад с первичной обмотвозбуждении преобразователя при,ском- кой трансформатора, вторичная обмотка пенсированной его статической емкости и которого выполнейадвухтактной,а средняя регистрации результатов измерений, о т л и- 35 точка соединена с входом усилителя напряч а ю шийся тем, что, с целью повышения жейия, один конец вторичной обмотки точности за счет уменьшения синфазных и трансформатора соединен с-калиброванинтерференционных помех, балансируют ным переменным резистором, à другой.комостовую измерительную схему калибро- нец обмотки соединен с незаэемленным ванным резистором и изменением режимов 40 выводом индуктивности, второй выход хрокомпенсациистатическойемкости преобра- низатора соединен с сйнхровходом регистзователя, причем возбуждение преобразо- ратора баланса моста, а выход генератора вателя осуществляют радиоимпульсамй с строб-импульсов соединен с входом высопрямоугольной. огибающей, длительность и кочастотного генератора, период повторения tn которых выбирают из 45 3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е еусловия, с я тем, что индуктивность выполнена с

О/1 < Ь < 2 2/с, О-умйожителем, 1755170

Составитель С.Юдин .

Техред М.Моргентал Корректор ЛЛукач

Редактор А,Огар

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 1О1

Заказ 2888 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретением и открытиям при ГКНТ СССР

113Î35, Москва, Ж-35, Раушскал наб„4/5