Устройство для измерения сдвига фаз акустических волн на границе пьезопреобразователь-среда

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - СРЕДА, содержащее синхронизатор, подключенный к нему генератор высокочастотных импульсов, соединенную с ним акустическую ячейку, включающую коаксиальный СВЧ-резонатор и пьезопреобразователь , соединенный с последним СВЧ-приемник, блоки задерж-: ки, плавно регулируемую линию задержки , .осциллограф и измеритель амплитуды , отличающееся тем, , что, с целью упрощения устройства, повьшения его точности и расширения частотного дигтазона измерений, блоки задержки вьшолнены в виде подключенных к синхронизатору последовательно соединенных входами управления генераторов прямоугольных импульсов, плавно регулируемая линия задержки выполнена низкочастотной и подклю л чена к выходу СВЧ-приемника, входами управления - к сигнальным выходам блоков задержки, измеритель амплитуды включен между вторым входом управления и выходом плавной линии задержки , а мезвду последним и выходом второй линии задержки включен осциллог-, раф.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ -.; 1ИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) зш G Ol N 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3378089/18-28 (22) 07. 01. 82 (46) 23. 12.84. Бюл. У 47 (72) А.А. Бердыев, Б. Хемраев и А.В. Рудин (71) Физико-технический институт

АН Туркменской ССР (53) 620.179.16(088,8) (56) 1. Баранский К.Н. и др. Измерение полного акустического сопротив; ления сильнопоглощающих сред на частоте 1 ГГц.-Тезисы докладов 7 Всесоюзного совещания по квантовой акус" тике твердого тела. Харьков, 1972, с.217-218.

2. Артыков Т.А. и Хакимов О.Ш.

"Акустический нмпедансометр", Известия АН Уз.ССР, сер.техн. наук, 1977, с.66-68, N 3 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СДВИГА ФАЗ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА

ГРАНИЦЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - СРЕДА, содержащее синхронизатор, подключенный к нему генератор высокочастот". ных импульсов, соединенную с ним акустическую ячейку, включающую коаксиальный СВЧ-резонатор и пьезопреобразователь, соединенный с последним СВЧ- приемник, . блоки задерж-: ки, плавно регулируемую линию задержки,,осциллограф и измеритель амплитуды, отличающее с я тем, что, с целью упрощения устройства, повышения его точности и расширения частотного диапазона измерений, блоки задержки выполнены в виде подключенных к синхронизатору послецовательно соединенных входами управления генераторов прямоугольных импульсов, плавно регулируемая линия задержки у

Ф выполнена низкочастотной и подключена к выходу СВЧ-приемника, входами управления — к сигнальным выходам блоков задержки, измеритель амплитуды включен между вторым входом управ- Я ления и выходом плавной линии задержки, а между последним и выходом второй линии задержки включен осциллог-, раф.

1130793

Изобретение относится к технике акустических измерений и предназначено преимущественно для измерения малых сдвигов фаз при отражении акустических волн от границы кристалл— жидкость в непрерывном диапазоне частот 0,2-3,0 ГГц, Известно устройство для измерения сдвига фаз на границе пьезопреобразователь — среда, содержащее возбу- 10 дитель колебаний, два одинаковых пьезопреобразователя, один из которых контактирует с исследуемой средой, а другой является эталонным, и ба.— лансную измерительную схему с фазовращателем, выполненным в виде коаксиальной линии fl)

Недостатками устройства являются невысокая точность измерений и ограниченность числа рабочих частот.

Первый недостаток обусловлен наличием температурного градиента между эталонным и измерительным пьезокристаллами, который вносит в результаты измерений дополнительный сдвиг фаз. 25

Второй обусловлен использованием в качестве суммирующего элемента гибридного кольца, которое для каждой частоты изготавливается отдельно, поэтому число рабочих частот опреде- ЗО ляется числом изготовленных гибридных колец, чем и объясняется дискретность измеряемых частот.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является

3S устройство для измерения сдвига фаз акустических волн на границе пьезопреобразователь — среда, содержащее синхронизатор, подлюченный к нему генератор высокочастотных импульсов, 4О соединенную с ним акустическую ячейку, включающую коаксиальный СВЧ-ре" зоиатор, и пьезопреобразователь, соединенный с .последним СВЧ-приемник, блоки задержки плавно регулируемую 45 линию задержки, осциллограф и измеритель амплитуды.

Акустическая ячейка состоит из двух каналов: рабочего и эталонного, которые выполнены в виде двух идентичных четвертьволновых коаксиаль- ных резонаторов с пьезоэлектрическими монокристаллами LiNbOg и петлями связи L и 1.g . .Отраженные от границы раздела твердое тело — иссле-55 дуемая жидкость (или воздух) эхоимпульсы поперечных акустических волн с выхода резонатора поступают на преобразователи частоты, работающие от общего гетеродина.

С выходов преобразователей частоты радиоимпульсы поступают через плавную линию задержки и аттенюатор на суммирующее устройство.

В качестве суммирующего устройства и плавной линии задержки используется геликоид, обеспечивающий временную задержку радиоимпульсов в пределах 0,1 — 20 нс. Сигнал разности визуально наблюдается на экране осциллографа. Импульсы подавления -отпирают лампы усилителя только в момент поступления рабочего импульса отражения заданного номера. Такое селектирование позволяет регистрировать амплитуду только одного выбранного сигнала. Угол сдвига фазы измеряется посредством компенсации рабочего и эталонного эхо-сигналов.

Компенсация с помощью аттенюатора достигается в плавной линии задержки

Ъ при условии равенства амплитуды и о сдвига по фазе íà 180

Устройство позволяет проводить измерения величины фазового сдвига акустических волн с точностью до 5 Ж (2)

Однако у известного устройства недостаточно высокая точность измерений, сложная настройка и сравнительно большое время, требующееся на одно измерение.

Эти недостатки обусловлены тем, что фазовая компенсация эхо-импуль-, сов, особенно на высоких частотах, неустойчива вследствие наличия температурного градиента между .пьезопреобразователями, а также взаимным влиянием друг на друга смесителей частоты.

Цель изобретения — упрощение устройства, повышение точности и расширение частотного диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения сдвига фаз акустических волн на границе пьезопреобразователь — среда, содержащем синхронизатор, подключенный к нему генератор высокочастотных импульсов, соединенную с ним акустичес кую ячейку, включающую коаксиальный

СВЧ-резонатор и пьезопреобразователь, соединенный с последним СВЧ-приемник, блоки задержки, плавно регулируемую линию задержки, осциллограф

3 и измеритель амплитуды, блоки задержки выполнены в виде и д,люченных к синхронизатору последователь-. но соединенных входами управления генераторов прямоугольных импульсов, плавно регулируемая линия задержки выполнена низкочастотной и подключена к выходу СВЧ-приемника, входами управления — к сигнальным выходам блоков задержки, измеритель амплитуды включен между вторым входом управления и выходом плавной линии задержки, а между последним и выходом второй линии задержки включен осциллограф. 15

Благодаря такому решению измерение сдвига фаз осуществляется посредством фазовой компенсации двух эхо-импульсов, возбужденных в едином акустическом тракте и принадлежащих щ одной и той же акустической серии на постоянной промежуточной частоте приемника.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — конструкция плавно регулируемой низкочастотной ультразвуковой линии задержки переменной длины, разрез; на фиг.3-7— осциллограммы эхо-импульсов на частоте 1 = 2000 ИГц (фиг. 3 — акустическая серия эхо-импульсов на выходе приемника; фиг. 4 — стдельно выделенный, вторично задержанный, первый эхо-импульс; фиг. 5 — сложение (совпадение по фазе) шестого и

35 вторично задержанного первого эхоимпульсов; фиг. 6 — вычитание (компенсация) шестого и вторично задержанного первого эхо-импульса; фиг. 7раскомпенсация эхо-импульсов после нанесения исследуемой жидкости на . поверхность измерительного пьезопреобразователя).

Устройство содержит синхронизатор l, подключенный к нему генера- 45 тор 2 высокочастотных импульсов, соединенную с ним акустическую ячейку 3, включающую коаксиальный СВЧ-резонатор 4 и пьезопреобразователь 5, (измерительный кристалл), соединенный с 50 последним СВЧ-приемник 6, блоки 7 и 8 задержки, выполненые в виде подключенных последовательно к синхронизатору 1 входами управления генераторов прямоугольных ",.мпульсов, плавно55 регулируемую низкочастотную ультразвуковую линию 9 задержки (УЛЗ) с усилителями 10 и 1! на входе и выходе ее

793 4 и собственно линию 12 задержки переменной длины. Ли ;.ия 9 задержки под-, ключена первым входом к выходу СВЧприемника 6, входами управления — к сигнальным выходам блоков 7 и 8 saдержки, измеритель 13 амплитуды включен между вторым входом управления и выходом плавной линии 9 задержки, а между последним и выходом второй линии 9 задержки вкючен осциллограф 14. Ультразвуковая линия 9 задержки переменной длины представляет собой отдельную термоизолированную акус-" тическую камеру 15 цилиндрической формы (фиг. 2), которая выполнена в виде термостатируемого четвертьволнового коаксиального СВЧ-резонатора, .в емкостном зазоре которого ( т.е. в пучности электрического по- ля) закреплен монокристаллический пьезопреобразователь 16 ниобата лития Liwb0 х-среза, изготовленного в виде цилиндра Щ 10 мм с плоскопараллельными торцами толщиной t =Змм.

В качестве излучателя и одновременно приемника ультразвуковых эхо- импульсов используется пьезокварцевая пластина 16 х-среза с резонансной частотой = 10 ИГц,, возбуждаеР мой на третьей гармонике. В качестве звукопровода используется бидпстиллированная вода, свободная поверхность которой является рефлектором. Подключение УЛЗ 9 в устройство осуществляется через входной и выходной широкополосные электронные усилители !О и ll резонансного типа. Для выделения сравниваемых первого и

ll -го эхо-импульсов и предотвращения самовозбуждения усилители 10 и Ii снабжены дополнительными гнездами для подачи прячоугольнь.х видеоимпульсов, обеспечивающих необходимую селекцию путем подачи прямоуголь" ного импульса положительной полярности на отключенную от источника питания экранную сетку пентода второго усилителя 11. Временная задержка радиоимпульсов в УЛЗ 9 обеспечивается преобразованием электромагнитных колебаний кварцевым пьезопреобразователем 16 в ультразвуковые, которые, распространяясь в жидком звукопроводе, отражаются от свободной поверхности и вновь возвращаются к пьезопреобразователю. Время задержки в этом случае определяется временем распространения ультразвуковых колебаний в жидком звукопроводе и выражается уравнением

2Н

С

1130793 (4) Тогда учитывая равенства (1) и (3), изменение времени задержки выражается в виде

2 d (е ° с р2 где Н вЂ” длина звукопровода высота уровня жидкости в камере 15

УЛЗ);

С вЂ” скорость распространения ультразвука в звукопроводе

С = 1496 м/с для воды при

20 С.

10 соответственно площади основания камеры и стержня, а D u d их диаметры.

Отсюда находим дН зи 17—

<12 р2 (3) Акустическая камера 15, заполнен- 15 ная жидким звукопроводом — водой, вместе с элементами крепления юстировочным механизмом 17 и микрометрическим винтом 18 размещена на опорном с2 олике 19. Верхняя часть камеры 15 закрыта. Пьезокварцевая пластина 16 при помощи держателя 20 крепится к дну камеры 15. Отсчет изменения положения измерительного стержня 21 определяется по шкале 22. Для исклю-25 чения возмущений поверхности жидкости, возникающих при перемещении стержня, установлена перегородка 23.

Установка необходимой величины времени задержки осуществляется посредстзом.погружения (перемещения1 измерительного стержня 21 в жидкии звукопровод, т. е. путем изменения акустической длины звукопровода. В этом случае, использование перемещающегосяЗ в жидкости стержня 21 повышает точность установки необходимой длины звукопровода (уровня. жидкости Н), что обеспечивает высокую точность отсчета времени задержки, а следо- 4О вательно и фазы. Это следует из того, что погруженный в жидкость цилиндрический стержень вытесняет равный своему объем жидкости. Если обозначить величину погружения стержня 45 в жидкость через 0, а изменение уровня жидкости в камере через д Н, то исходя из равенства объемов, получаем дН Б = E S (2) 5о где - л 21 .

Из уравнения (4) следует, что чем больше диаметр камеры 15, и чем меньше диаметр измерительного стержня, тем выше точность отсчета измеряемой величины времени задержки.

Грубая установка необходимого уровня жидкости в камере УЛЗ производится при помощи капельницы 24, конец которой опущен в жидкий звукопровод.

Устройство работает следующим образом.

Прямоугольные импульсы синхронизатора I запускают генератор 2 высокой частоты и развертку осциллографа 14. С генератора 2 радиоимпульсы высокой частоты (1,0-3,0 ГГц) в виде пакета электромагнитных волн, длительностью 2-4 мкс с частотой повторения 1 кГц, через петлю связи L< подаются в перестраиваемый четвертьволновый коаксиальный резонатор З.Поддействием переменного электрического поля на поверхности нижнего торца пьезокристалла возбуждаются поперечные ультразвуковые колебания, которые, распространяясь внутри кристалла 5, испытывают многократные отражения, амплитуда которых монотонно убывает из-за поглощения в нем. Возбужденные таким образом ультразвуковые волны в виде акустической серии убывающих эхо-импульсов преобразовываются в электромагнитные и через петлю связи I„2 в виде серии радиоимпульсов поступают на вход приемника 6. В приемнике 6 радиоймпульсы преобразовываются в промежуточную частоту 30 МГц и усиливаются. Первый эхо-импульс, предварительно усиленный селективным усилителем IО, подается в УЛЗ 9, в которой осуществляется временная задержка данного эхо-импульса в пределах от 2 до 50 мксм, с точностью до 0,01 нс.

Затем вторично задержанный линией 9 задержки первый эхо-импульс усиливается селективным усилителем 11 и подается на вход осциллографа 14.

На этот же вход осциллографа, через коаксиальный тройник, непосредствен-) но с выхода приемника 6 подается

1130793 акустическая серия эхо-импульсбв. В коаксиальном тройнике происходит наложение вторично задержанного первого эхо-импульса с t! — м эхо-импульсом, которое фиксируется на экране 5 осциллографа 14. Полная компенсация

1) -ro эхо-импульса достигается при равенстве амплитуд эхо-импульсов и при наличии сдвига по фазе между ними на 180 . Выравнивание во време-. о ни эхо-импульсов и установка необходимого для полной компенсации фазового сдвига между ними осуществляется плавным изменением времени задержки УЛЗ 9. 15

Изменение сдвига фаз (по первому и, например, шестому принятым эхо-импульсам производится в следующем порядке. После настройки и получения устойчивой серии акустических 2О эхо-импульсов (фиг. 3), плавно изменяя величину времени задержки импульсного блока 7 задержки на выходе усилителя 10 из общей серии акустических эхо-импульсов, выделяем

25 только первый эхо-импульс. Аналогично, изменяя величину времени задержки блока 8 задержки выделяем на выходе усилителя ll вторично задержанный первый эхо-импульс. При этом на ЗО экране осциллографа )4 наблюдаем

-отдельный эхо-импульс, не совпадающий во времени с эхо-импульсами исходной акустической серии (фиг. 4} .

Затем ручкой "усиление" усилителя )О выравниваем амплитуды задержанного первого и шестого эхо-импульсов. и, плавно изменяя время задержки

УЛЗ 9, совмещая эхо-импульсы во времени (фиг. 5) и добиваемся их пол- 40 ной компенсации (фиг. 6) . Полная компенсация соответствует нулевому положению стрелки измерителя 13.

После этого на поверхность измерительного кристалла 5 наносим исследу- 45 емую жидкость (ИЖ), при этом компенсация нарушается (фиг. 7). Снова выравниваем амплитуды и, изменяя время задержки УЛЗ 9, добиваемся полной компенсации. Величину сдвига фаз М1 . 50 расчитывают по формуле

Ыfh e Р= и 1 . (5) где f †промежуточн частота измеf1 рительного приемника 6; 55 п -номер выбранного эхо-импульт- са;

У -изменение положения стержня 21 УЛЗ 9;

К -постоянная линия задержки,,котораянаходится из соотношения

2d

CD (6)

Использование предлагаемого устройства позволило упростить методику измерения и значительно снизить погрешности, обусловленные нестабиль." ностью частоты СВЧ-генератора, расстройкой СВЧ-резонатора, флуктуацией температуры акустической камеры и усилением радиоэлектронной аппаратуры, что существенно повысило точность измерения сдвига фаз (и позволило расширить диапазон исследуемых частот от 1,0 до 3,0 ГГц.

Систематическая относительная погрешность измерения величины вычисле-. на по формуле

Е С1

Д = — — + — + — )o01o е сj (7) где .йя -нестабильность промежуточно . частоты приемника, которая для стандартных приемников этого типа составляет 0,05Х от частоты сигнала;

ll,f --величина абсолютной пог решности измерения перемещения цилиндрического стержня, которая для . данной установки не

:.превышает 0,01 мм; С- абсолютная погрешность. величины скорости ультразвука в воде при измерении темпе.: ратуры звукопровода с точ- .

0 ностью до 0,1 С, составляет 0,2 м/с.

Тогда погрешность измеренид сдвига фаз ср на частоте 4. =2 ГГц для ус.— ловно принятой величины г =l,для которой значение Я = 3 мм, по формуле (7), получим

1 1106 001 02

3 = (э +,)g и-1 30 ° 10 3 1496

>)00X =

3,317 и-1

Il30793

1130793

1130793

Фиа.б

Составитель Л. Иванов-Шиц

Техред M. Гергель Корректор И. Эрдейи

Редактор Е. Лушникова

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

Заказ 9603/32 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .по делам изобретений и открытий

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