Устройство для настройки ультразвуковой колебательной системы

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОЖБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, содержащее генератор пилообразного напряжения, соединенный выходом с входом генератора качающейся частоты , выход которого соединен с первым электродом пьезоэлемента, усилитель, измерительную схему и резистор-, включенный между вторым электродом и корпусом генератора качающейся частоты, отличающее ся тем, что, , с целью повыщения точности настройки, измерительная схема содержит формирователь импульсов, регистр сдвига, три формирователя импульсов сброса. три инвертора, три накопителя, три входных ключа, три выходных .ключа, нуль-орган и управляющую схему с узлом изменения усилия зажатия пьезоэлемента, причем выход генератора пилообразного напряжения соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом регистра сдвига, первый, второй.и третий разряды которого соединены, соответственно с входами первого второго и третьего инверторов, управляющими входами первого, второго, третьего входных ключей и с входами первого, второго и третьего формирователей импульсов сброса, выходы первого , второго и третьего формировате (Л лей импульсов сброса соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего накопителей , выходы первого, второго и третьего инверторов соединены с управляющим входами соответственно первого, второго и третьего выходных ключей, с ел выходы которых соединены с входами нуль-органа, соединенного выходом 4 с входом упрал( схемы, выход эо ел которой соединён с входом узла изменения усилия зажатия пьезоэлемента, при этом второй электрод через усилитель соединен с входами первого , второго и третьего входных ключей .

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (11) А

4(51) В 06 В 1/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3445339/24-10 (22) 31.05.82 (46) 07.07.85. Бюл. й" 25 (72) В.М.Колешко, В.Я.Сунка и О.В.Виноградов (71) Институт электроники АН Белорус ской ССР (53) 534.232(088.8) (56) 1 ° Авторское свидетельство СССР и 308780, кл. В 06 В 1/06, 197! .

2. Бородин В.Н., Гибадуллин А.А., Петров Л.Н. Визуальное наблюдение частотных характеристик при изучении. динамических свойств магнитострикционных материалов. — Материалы VI Всесоюзной акустической конференции. М., 1968 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, содержащее генератор пилообразного напряжения, соединенный выходом с входом генератора качающейся частоты, выход которого соединен с первым электродом пьезоэлемента, усилитель, измерительную схему и.резистор; включенный между вторым электродом и корпусом генератора качающейся частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности настройки, измерительная схема содержит формирователь импульсов, регистр сдвига, три формирователя импульсов сброса, три инвертора, три накопителя, три входных ключа, три выходных, ключа, нуль-орган и управляющую схему с узлом изменения усилия эажатия пьезоэлемента, причем выход генератора пилообразного напряжения соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом регистра сдвига, первый, второй.и третий разряды которого соединены соответственно с входами первого„ второго и третьего инверторов, управ ляющими входами первого, второго, третьего входных ключей и с входами первого, второго и третьего формирователей импульсов сброса, выходы перво- . го, второго и третьего формирователей импульсов сброса соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего накопителей, выходы первого, второго и третьего инверторов соединены с управляющим входами соответственно первого, второго и третьего выходных ключей, .выходы которых соединены с входами нуль-органа, соединенного выходом с входом упрафдующей схемы, выход которой соединен с входом узла изменения усилия зажатия пьезоэлемента, при этом второй электрод через усилитель соединен с входами первого, второго и третьего входных ключей.

1165485

Кеобретение относится к приборо.строенио и может использоваться при изготовлении ультразвуковых пьезокерамических преобразователей различного технологического назначения.

Известно устройство погружного типа, содержащее двойной пьезоэлемент, зажатый с натягом накидными гайками между отражающей и излучающей накладками (11 .

Известно устройство, содержащее енератор пилообразного напряжения, генератор качающейся частоты, усилитель, измерительную схему и пьезоэлементы преобразователя, а также резистор. Причем генератор пилообразного напряжения соединен своим выхо-. дом с входом генератора качающейся частоты, выхад которого соединен с первым электродом пьезоэлемента, 20 а резистор включен между вторым электродом и корпусом генератора качающейся частоты (2) .

Недостатком известных преобразователей является невысокая точность настройки колебательной системы.

Цель изобретения — повышение точности настройки колебательной сис. темы.

Поставленная цель достигается 30 за счет того, что в устройстве, содер. жащем генерач"ор пилообразного напря- жения, соединенный выходом с входом генератора качающейся частоты, выход

KoTopoFo соединен с первым электро». 35 дом пьезоэлемента, усилитель, измерительную схему и резистор, вкюноченный между вторым электродом и корпусом генератора качающейся частоты, измерительная схема содержит форми- i0 рователь импульсов, регистр сдвига, три формирователя импульсов сброса, три инвертора, три накопителя, три входных ключа, .три выходных ключа, нуль-орган и управляющую схему с узлом изменения усилия зажатия пьезоэлемента, причем выход генератора пилообразного напряжения соединен с входом формирователя яипульсов, выход которого соединен с входом50 регистра. сдвига, первый, второй и третий разряды которого соединены соответственно с входами первого, второго и третьего инверторов, управляющыки входами первого, вто- 55 рого и третьего входных ключей и с входами первого, второго и третье. го формирователей .юепульсов сброса, выходы первого, второго и третьего формирователей импульсов сброса соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего накопителей, выходы первого, второго.и третьего инверторов соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего выходных ключей, выходы которых соединены с входами нуль-органа, соединенного выходом с входом управляющей схемы, выход которой соединен с входом узла изменения усилия зажатия пьезоэлемента, при этом второй электрод через усилитель соединен с входами первого, второго и. третьего входных ключей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 24"" временные диаграммы работы устройства и зависимости основных параметров системы от усилия сжатия.

Предлагаемое устройство содержит генератор 1 пилообразного напряжения, один выход которого соединен с задающим генератором 2; усилитель 3 мощности, соединенный с ультразвуковой колебательной системой, состоящей иэ пьезокерамических пьезоэлементов 4, последовательно с которыми включен резистор 5, излучающей 6 и отражающей 7 накладок, стянутых шпилькой 9, концентратора 8, развязки 10, формирователя 14 импульсов от генератора 1 для запуска регистра 15 сдвига, формирователей 16-18 импульсов сброса, инверторов 19-21, усилителя 22 переменного напряжения, на выходе которого включены входные ключи 23 - 35, управляющие входы которых подключены к выходу регистра 15 сдвига, детекторы-накопители 26 — 28 экстремального значения контролируемого входного электрического или выходного механического параметра ультразвуковой колебательной системы, выходные ключи 29 — 31; управляющие входы которых соединены с выходом регистра 15 сдвига через инверторы 19 — 21, нуль-органа 32, входы которого соединены с выходами ключей 29 — 31, а выход нуль-органа соединен с входом управляющей схемы, содержащей силовой вентиль 33, включенный между источником 34 напряжения и двигателем 13, соединенным через редуктор 12 с захватом 11 для вращения отражающей накладки 7.

1165

la фиг. 2 приведены временные зависимости выходных напряжений следующих блоков устройства: 35 - генератора пилообразного напряжения;

36 — формирователя 14; 37 — 39 — ре- . гистра 15 сдвига; 40-42 — инверторов .19-2 1 соответственно, соединенных с управляющими входами. выходных ключей 29-31;. 43-45 — формирователей 16-18 импульсов сброса,. соединен-. tO ных с цепями сброса накопителей 26Z8 соответственно; 46-48 — накопителей экстремальных значений контролируемого параметра; 49 — нуль-органа, 50 — силового вентиля. 15

Блоки 26-28 — накопители экстремальных значений контролируемого параметра (например, входной проводимости, амплитуды механических колебаний и т.д.) представляют собой ем- 20 костный накопитель. Нуль-орган пред:ставляет собой пороговое устройство, находящееся в одном из устойчивых положений. При равенстве входных напря. жений выходное напряжение нуль-органа 2 скачком переходит в.другое устойчивое состояние.

На фиг. 3 приведены амплитудно-частотные зависимости входной проводимости ультразвуковой колебательной 30 системы (поз. 51),. определенные при различных значениях статического усилия сжатия пьезоэлементов. На фиг. 3 и 4 приведены зависимости максимума входной проводимости (поз. 5 2), резонансной частоты .(поз. 53), соответствующей максимуму входной .проводимости, от величины сжатия пьезоэлементов, на фиг..4 при- . ведена зависимость и амплитуды 40 механических колебаний (поз. 54).

Устройство работает следующим образом., От генератора 1 пилообразного напряжения сигналы (фиг. 2, поз. 35) 4g подаются непрерывно .на вход частотного модулятора задающего генератора 2. Усиленное напряжение усилителем 3 подается на пьезоэлементы 4 ультразвуковой колебательной системы, go при этом частота генератора 2, плавНо изменяясь, охватывает область резонансных частот ультразвуковой

I колебательной системы. Ультразвуковая колебательная система стягивается SS с помощью центральной шпильки 9 посредством вращения отражающей накладки 7 вокруг центральной оси системы.

485 4

Колебательная система неподвижно закрепляется через акустическую развязку 10. Вращение отражающей накладки 7 осуществляется при помощи двигателя 13, связанного через редуктор 12 с ключевым зажимом. При подаче напряжения от источника 34 питания на двигатель 13 через силовой вентиль 33 происходит медленное сжатие пьезоэлементов .4, между отражающей 7 и излучающей 6 накладками. Скорость вращения вала редуктора 12 мала и лежит в пределах 1-2 об. M» ° Одновреt менно в процессе сжатия пьезоэлементов идет непрерывное измерение одного из параметров колебательной сис темы. В качестве -таких параметров могут использоваться входная электрическая проводимость, амплитуда механических колебаний, добротность колебательной системы и т.д. Зависи-. мость этих параметров от усилия сжатия носит экстремальный характер, т.е. при оптимальных усилиях сжатия контролируемый параметр проходит через максимум или минимум своего значения (фиг. 2-4). В этом случае, в зависимости от вида контролируемого параметра, электронные блокИ емкостных накопителей 26-28.имеют сходное схемное построение ° Они могут замерять пиковое. (максимальное) или минимальное экстремальное значение.

Из приведенных зависимостей (фиг. 4) наибольшей крутизной изменения параметра от усилия сжатия обладает входная электрическая проводимость. Кроме того, измерение этого параметра более .просто реализуется, чем измерение амплитуды механических колебаний и т.д.

Таким образом, в течение всего времени сжатия пьезоэлементов происходит измерение входной проводимости колебательной системы. Для этого паде ние напряжения на измерительном сопротивлении 5, пропорциональное входной электрической проводимости, подается на вход усилителя 22, а с его выхода — на блоки 23-32., определяющие степень изменения максимального значения входной проводимости в зависимости от величины усилия сжатия.

Электронные логические блоки с 14-21 служат для управления работой блоков 23-32.

Необходимость такого схемного построенця обусловлена прежде всего

5 . 11654 тем, что в процессе сборки, т.е. при увеличении усилия сжатия пьезоэлементов, происходит изменение как величины максимального значения входной проводимости, так и резонансной частоты, соответствующей этому максимуму (фиг. 3 и 4, зависимости 51 - 53)

Работа электронных блоков измерения входной проводимости происходит в три этапа циклически, а управление fO всей работой проводИтся от регист-. ра 15 сдвига. На вход регистра 15 сдвига подаются импульсы от формирователя 14, выходное напряжение которого приведено на фиг. 2, поз..36. <5

Напряжение с выхода усилителя 22 подается через входные ключи 23-25 на пиковые накопители 26-28 максимума входной проводимости, выходные напряжения которых через выходные 2о .ключи 29-31 подаются на три входа нуль-органа 32. Работа блоков 23-32 организована так, что на нуль-органе 32 происходит сравнение максимумов входной проводимости от двух 25 накопителей, замеренных при предыдущих двух периодах Т, генератора 1 пилообразного напряжения, а на третьем накопителе в течение времени текущего периода Т„ происходит запись . ЗО (накопление) информации (фиг. 2, поз. 46-48). Входные ключи 23-25 поочередно открываются на период времени Т„ напряжениями с выхода регистра 15 (фиг. 2, поэ . 37-39).

Происходит поэтапная запись максимальньго. значения входной проводимос-ти на соответствующих накопителях 2628 (фиг. 2, поз. 46-48). В дальней- 40 шем происходит поочередное открывание выходных ключей 29-31 напряжением с выхода соответствующих инверторов. 19-21 (фиг. 2, поз. 40-42).

При этом с задержкой на время Т, по сравнению с записью информации в течение времени Т1, происходит поэтапное подключение выходов накопителей 26-28 через выходные ключи 2931 к входам нуль-органа 32 (фиг. 2, поз. 46-48).

85, 6

Периодический сброс в нулевое положение накопителей 26-28 (пиковых) а начале периода Т происходит импульсами (фиг. 2, поз. 43-45), пода- . ваемами на управляющие входы накопи- .телей 26-28 от формирователей 16-18 импульсов сброса соответственно.

В процессе постепенного увеличения усилия сжатия пьезоэлементов, начиная с нулевого значения, происходит увеличение входной проводимости 52 и амплитуды механических колебаний 54 (фиг. 3 и 4), а резонансная.частота 5 1 уменьшается. При достижении определенной величины усилия сжатия степень изменения этих параметров замедляется до нулевого значения, т.е. эти параметры проходят через .экстремумы, При увеличении -давления происходит перемена знака производной изменения параметров: входной проводимости, амплитуды механическйх колебаний и резонансной частоты (фиг. 3 и 4).

В момент достижения оптимальной величины усилия сжатия первая производная по входной проводимости, амплитуде механических колебаний и резонансной частоте равна нулю. В этих условиях на нуль-орган 32 подаются одинаковой величины входные напряжения (фиг. 2 поз. 49). При этом нульорган срабатывает и с его выхода по-.. дается запирающее напряжение на вход силового вентиля 33, при этом доступ напряжения источника 34 к дви- . гателю 13 прекращается (фиг. 2, поз. 50) и сжатие пьезоэлементов также, прекращается. В этих случаях вся

1колебательная система, а также пьезоэлементы сжаты оптимально, что обеспечивает максимум амплитуды механических колебанйй на выходе концентратора 8.

Этим же условиям соответствует максимальный КПД, преобразования электрической энергии в механическую.

Тактик образом удается произвести оптимальную настройку всей ультразвуковой колебательной системы с повышенной точностью.

3 165485 !

e». r

I t165 485

Фиг.2

1165485

1! 65485

f2

ГЮ

/ й)нн

Составитель В. Кудрявцев

Редактор А.Шишкина Техред З,Палий Корректор С.Шекмар

Заказ 4265/13 Тираж 452 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1!3035, Москва,. Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фипиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4