Ультразвуковой фазовый измеритель перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике , а именно к измерителям перемещений, и может найти применение в различных отраслях машиностроения и гидроакустике. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения ложного срабатывания Излучение ультразвукового сигнала осуществляется с помощью параметрической антенны, состоящей из двух излучающих преобразователей сигналов близких частот. Первый и второй амплитудные детекторы выделяют огибающие , соответственно, высокочастотного и низкочастотного сигналоа С помощью фазовращателя устанавливается оптимальный режим работы фазового детектора в середине прямолинейного участка его калибровочной характеристики. Запуск фазового детектора осуществляется синхроимпульсом с третьего выхода блока программаторов, работа которого тактируется отраженным сигналом, поступающим с выхода первого амплитудного детектора Это позволяет снизить вероятность поступления ложной информации; поскольку до прихода отраженного акустического сигнала фазовый детектор не работает. 3 ия

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797877/28 (22) 01.03.90 (46) 301293 Бюл. Ио 48-47 (71) Нижегородский филиал Института машиноведения имАЛБлагонравова (72) Гордеев БА; Беленова НА; Новожилов M.В. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ИЗМЕРИ-.

ТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям перемещений, и может найти применение s различных отраслях машиностроения и гидроакустике. Цель изобретения— . повышение точности измерений за счет исключения ложного срабатывания. Излучение ультразвукового сигнала осуществляется с помощью параметрической антенны, состоящей из двух излучающих пре(в) 5g (и) 1839230 А1 (5i} 5 0 01 В 17 00 образователей сигналов близких частот. Первый и второй амплитудные детекторы выделяют огибающие, соответственно, высокочастотного и низкочастотного сигналов. С помощью фазовращателя устанавливается оптимальный режим работы фазового детектора в середине прямолинейного участка его калибровочной характеристики Запуск фазового детектора. осуществляется синхроимпульсом с третьего выхода блока программаторов, работа которого тактируется отраженным сигналом, поступающим с выхода первого амплитудного детектора

Это позволяет снизить вероятность поступления ложной информациц посколы(у до прихода отраженного акустического сигнала фазовый детектор не работает. 3 ил.

1839230

Изобретение относится к измерительной технике. а именно к измерителям перемещений, и может найти применение в различных отраслях машиностроения и гидроакустике. 5

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений (1). содержащий последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, компаратор, приемный преобразователь, деа делителя частоты. фаэовращатель и фазовый детектор. По сигналам с выхода задающего генератора ультразвуковой излучающий преобразователь излучает ультразвуковую волну на исследу- 15 емый объект. Отраженные колебания преобразуются приемным преобразвателем в электрические сигналы, которые подают для измерения через последовательно соединенные первый делитель частоты и фазовра- 20 щатель на фазовый детектор, на другой вход которого подается сигнал с выхода задающего генератора через второй делитель «астоты. Работа фазового детектора на линейном участке его амплитудно-частотной характеристики регулируется с помощью компаратора. подключенного к выходу фазового детектора, и генератора одиночных импульсов, управляющего делителями частоты. 30

Недостатком данного измерителя является невысокая точность измерения перемещений, обусловленная наличием боковых лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя. Вследствие 35 наличия боковых составляющих диаграммы направленности на приемном преобразователе появится сигнал помехи, от которого трудно избавиться, так как он той же частоты, что и частота падающих на объект ульт- 40 развуковых сигналов. Это способствует возникновению ошибки е выборе рабочей точки при калибровке измерителя.

Известен ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений (2), содержа- 45 щий последовательно соединенные. задающий генератор, линию задержки и основной излучающий преобразователь. взаимодействующий с исследуемым обьектом, последовательно соединенные приемный 50 преобразователь, фазовый детектор. элемент И, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации. Выход фазойого детектора через элемент И соединен с входом компаратора, выход которого соеди- 55 нен с входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации, Другие входы компаратора соединены с выходами источника опорного напряжения. Выходи коммутатора соединены с управляющими входами линии задержки. Выход приемного преобразователя подключен к последовательно соединенным второму элементу И, интегратору. аналого-цифровому преобразователю, коммутатору, схеме сравнения кодов. триггеру управления. генератору тактовых импульсов. блоку управления шаговым двигателем, шаговому двигателю, преобразователю угол-линейное перемещение. который кинематически связан с дополнительным излучающим преобразователем, выполненным в виде кольца, внутри которого помещен основной излучающий преобразователь

Недостатком данного устройства являются широкая диаграмма направленности излучающего преобразователя и узкий динамический диапазон измерителя, что не позволяет использовать его в диспергирующих средах. Поскольку излучаемая ультразвуковая волна имеет частоты s диапазоне

100-300 кГц, то при наличии в среде посторонних примесей, сравнимых с длиной волны ультразвука, производит сильное поглощение и рассеивание, что не позволяет использовать измеритель при измерении перемещений не нескольких метров, Наиболее близким к предложению по технической сути является датчик перемещений (3), содержащий два автогенератора, два излучающих преобразователя, полосовой фильтр. три фильтра нижних частот., три усилителя и смеситель, Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная конструкцией измерительного узла.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее два задающих генератора, два излучающих преобразователя, смеситель и блок регистрации, снабжено блоком программаторов, приемным параметрическим преобразователем, двумя амплитудными детекторами и фазовыми детекторами.

На фиг.1 представлена структурная схема ультразвукового фазового измерителя перемещений; на фиг.2 — векторные диаграммы, поясняющие работу параметрической антенны, состоящей из двух излучающих близкие по частоте сигналы преобразоеателеи: на Фи .З вЂ” схема работы параметрического приемного преобразователя, Ультразвуковой фазовый измеритель перемещений содержит (фиг.1) блок 1 программаторов с тремя выходами. два задающих генератора 2 и 3, два излучающих

1839230

Г) преобразова еля 4 и 5. взаимодейс1вующие с исследуемым объектом б, приемныЙ пара-. метрический преобразователь 7, первый амплитудный детектор 8, фазовращатель 9, фазовый детектор 10, второй амплитудный 5 детектор 11. смеситель 12 и блок 13 регистрации, Блок 1 программаторов подключен входом к выходу nepeoro амплитудного детектора 8, первым и вторым вь1ходами — к 10 управляющим входам, соответственно, первого 2 и второго 3 задающих генераторов, третьим выходом — к Синхронизирующему входу фазового детектора 10, выход которого соединен с блоком 13 регистрации, Вы- 15 ход первого задающего генератора 2 подсоединен к первому входу смесителя 12, к входу первого излучающего преобразователя 4 и к управляющему входу приемного параметрического преобразователя 7, вы- 20 ход которого соединен с входом первого амплитудного датак1ора G. Выход втopot задающего генератора 3 подключен к входу второго излучающего преобразователя 5 и к второму входу смесителя 12, выход которо- 25 го соединен с входом второго амплитудного детектора 11, подсоединенного выходом к второму входу Фазового детектора 10. Выход первого амплитудного детектора 8 соединен с входом фазовращателя 9, выход 30 которого подключен к первому входу фазового детектор- 10.

УльтразвукоЬой фазовый измеритель перемещений работает следующим Образом. 35

Задающие генераторы 2 и 3 настроены на близкие частоты А», в) 2. Излучающие преобразователи 4 и 5 преобразуют электрические гармонические сигналы частот «) 1 и (r)2 в акустические тех жа частот, Две 40 акустические волны с близкими частотами, распространяясь в одном направлении. взаимодействуют между собой. Наряду с рядом комбинационных частот и диспаргирую1цей среде возникает и раэностная частота 45

Q =- o» — (r)2 I « «» . «rg . Векторная диаграмма взаимодействия двух гармонических сигналов с частотами «» и !

r)g представлена на фиг.2. где вектор А1— амплитуда первого сигнала частотои «». вектор А) — амплитуда второго сигнлла «астОтой ())2. вектор А — амплитуда результирующегG сигнала, возникак)щего в результате биений.

Результирующии сигнал х(1) можно представить в вида: — (lf> («I -с «K)

„I, I) ((А!. А, Ioos -: — - 1,:;cps с. C (r» — (I)2 «» -j r к

- ((A1-А )sin — --- — - — -- t)sin - -.-.: 1. (!)

2 2

Это же выражение для удобства мо.кно . ":писать в другой форме:

x(t)=Acos((r) < + p ), (7) (AP А= (А + A) + 2 А1 А2 соя (r т

А1 А2

19 Р = „ 9 (()д 1;

А1+ А2

1 (= — ((r» + (r)2 );

1 0 (r)1) = — ((r» (r)2 ) =

2 2

Если имеет место неравенство ())я « (r)(II(при (r» =(r)2), то выражение {2) можно рассматривать как гармоническое колебание со средней частотой «),, амплитуда А и фазовый угол р которого медленно меняются во времени с частотами 2 ая и (1)я соответственно. Так. напРимеР. если ча«)1 «)2 стоты f1= . и f2-- равны. соответст22(2 sT венно, 1ОО и 99 99 кГц, что вполне обеспечивается генератором -ипа Г3-103 (дискретность которого 0,01 Гц), то результирующие акустические колебания частоты

100-99,99=-0,01 кГц=10 кГI1 (1оглощаются дисперсионной средой значительно слабее. чем несущие (r» и а2. Акустическая антенна, состоящая из концентрически расположенных излучающих преобразователей, обладает узкои характеристикой направленности волны раэностной частоты Й . Этп характеристика определяется не апертурой излу«ающих преобразователей,4 и 5. а объем области взаимодействия.

Отражанный от исследуемого 061 акта 6 акустический сигнал частоты Йпоступает на приал1н1.,iй параметрический преобразователь 7, где преобразуется в амплитудно-модулиpoванный сигнал с бoNopыми составля1ощими (()1 — O и ()» + 2 . работает приемный параметрический пр(.образователь 7 следующим образом (фи(.3). Первый излучаю1ций праобраsoâàтель 4 частоты «» с нака«кой ог и pf ol o зада1ощаго генератооа 2 (можно бра1ь сигНал «ЛСтоты (rrZ И От RTOPOI 0 ЭаДавсЩЕГО генератора 3) создает до та1О«н» узкий пучок ин1ансивных ультразвуKoIII:Ix колеб ) ний. Сигнал разностной частоты .2 . < «» падаат под некоторь1м углом О к оси пу«ка (фиг.3). В области пересечения с полем накачки происходит нелин;иноo взаимоДЕЙСТВИ(с ВОЛН «)1 И 12 П с)И .- ТОМ возникает комбинационн ые «ë, го)с»1 («» — () ) и ((I» + 0 ) котОР1 ; I г(с

Ч "сС(ОТОИ наКа«КИ ((1 рЕГИ;Т1);,1)уЮ1СР

1839230 приемным параметрическим преобразователем 7, сигнал с выхода которого после усиления в нем подается на вход первого амплитудного детектора 8.

Угол О- параметрического захвата при двух взаимодействующих волнах частот ())1 и Йопределяется соотношением

Ф = 2 )г С (()) — S2)lo)i Q L, где с — скорость звука в данной среде;

1 — длина взаимодействия волн, В амплитудном детекторе 8 выделяется огибающая с частотой, Выходные сигналы задающих генераторов 2 и 3 поступают также, соответственно, на первый и второй входы смесителя 12, где за счет биений гармонических сигналов с частотами о) 1 и ()) 2 образуется сигнал ((()1 + ())2 ) с несущей частотой ())„= -- -) и огибающей ь1 = I и)) — ()ю I, Второй амплитудный детектор 11 выделяет огибающую с частотой Q. Сигнал с выхода второго амплитудного детектора 11 поступает на второй вход фазового детектора 10. С помощью фазовращателя 9 устанавливается оптимальный режим работы фазового детектора

10 в середине прямолинейного участка его

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ИЗМЕ-

РИТЕЛ Ь ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий пос".едовательно соединенные первые задающий генератор и излучающий преобразователь, последовательно соединенные вторые задающий генератор и излучающий преобразователь, смеситель и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен двумя амплитудными детекторами, фазоврэщэтелем, фазовым детектором, блоком программаторов и приемным параметрическим преобразователем, . подключенным управляющим входом к выходу первого задающего генератора, выходом - к входу первого амплитудного детектора, выход калибровочной характеристики, Сигнал с выхода фазового детектора 10, пропорциональный перемещению объекта 6, поступает для дальнейшего анализа в блок 13

5 регистрации. Запуск фазового детектора 10 осуществляется синхроимпульсом с третьего выхода блока 1 прогоамматоров (типэ 321 в комплекте с ГЗ-103) который всвоюочередь тактируется отраженным акустическим сиг10 налом с выхода первого амплитудного детектора 9, Таким образом, до прихода отраженного акустического сигнала фазовый детектор 10 не работает, и. следовательно, в блок 13 регистрации не поступает ложная ин15 формация, Использование изобретения позволяет повысить точность измерений вследствие отсутствия боковых лепестков у излучающих преобразователей и низкого уровня по20 сторонних шумов зэ счет реверберации, (56) Авторское свидетельстBо СССР

N 1357725, кл. G 01 Н 5/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

25 гчт 1483251, кл. G 01 В 17/00. 1989, Авторское свидетельство СССР

N. 1471069. кл. 6 01 В 17/00, 1989.

30 которого соединен с входом фазовращателя и с управляющим входом блока программаторов, первый и второй выходы которого подсоединены к управляющим

35 входам соответственно первого и второго задающих генераторов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами смесителя, подключенного выходом к входу второго амплитудного де40тектора, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, подсоединенного первым входом к выходу фазовращателя, выходом - к входу блока регистрации, а третий выход программато45 рэ соединен с синхронизирующим входом фазового детект ора, 1839230

1839230

Составитель В.Костюхин

Техред M. Моргентал Корректор Л.Ливринц

Редактор С. Кулакова

Заказ 3406

Тираж Подписное

KI10 "Поиск"Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

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