Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь

 

Преобразователь предназначен для определения скорости поступательного и вращательного движения в ультразвуковых системах управления технологическими процессами. Для создания эффективного высокочастотного широкополосного преобразователя для газовой среды излучатель и приемник выполнены в виде идентичных пьезоэлементов с фронтальными накладками, состоящими из двух четвертьволновых слоев с удельными импедансами Z1 = (0,1 - 0,4)106 Пас/м и Z2 = (1 - 5) 106 Пас/м. Слой с удельным сопротивлением Z1 является внешним. Цилиндрический корпус преобразователя выполнен из резиноподобного материала и имеет диаметральный паз, являющийся акустическим экраном. Излучатель и приемник установлены в пазах корпуса, симметричных относительно акустического экрана, с помощью резиновых уплотнительных колец, зафиксированных на боковых поверхностях. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к акустическому приборостроению и может быть использовано в ультразвуковых системах управления технологическими процессами: для определения скорости поступательного или вращательного движения механизмов на основе эффекта Доплера.

Определение скорости движения объектов по доплеровскому смещению частоты, как правило, проводится в непрерывном режиме работы преобразователей, т.е. требует раздельного применения излучателя и приемника, которые конструктивно объединяют (Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Ред. В.В.Богородский. -Л., 1984, с.54-65, с. 127-175).

Такие преобразователи называют раздельно-совмещенными и по сравнению с совмещенными преобразователями, когда один преобразователь работает последовательно в режиме излучения и приема, они обладают меньшими уровнем собственных помех, малой мертвой зоной и более высоким коэффициентом передачи измерительного тракта.

Известные раздельно-совмещенные преобразователи содержат два идентичных пьезоэлемента, как правило, для частот свыше 100 кГц, работающие на толщинных модах колебаний, помещенных в общий корпус [1,2,4].

При работе таких преобразователей в газовых средах важным фактором является расширение полосы их рабочих частот и согласование с низкоимпедансной газовой средой (удельный импеданс пьезокерамики Z=23106 Пас/м, воздуха Zb= 440 Пас/м).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь [5, стр.280], содержащий излучатель и приемник в виде идентичных пьезоэлементов в форме дисков с фронтальными накладками, общий цилиндрический корпус, в пазах которого симметрично относительно диаметрально расположенного акустического экрана установлены излучатель и приемник, а также электрический экран. Расширение рабочего диапазона частот (полосы пропускания) такого преобразователя обеспечивается с помощью демпфера, жестко закрепленного на тыльной стороне излучателя и приемника, ввиду чего преобразователь малоэффективен при работе в газовой среде. Кроме того, недостаточна акустическая развязка излучателя и приемника: жесткий корпус, демпфер, контактирующий с ним, акустический экран даже в виде низкоимпедансного слоя кожи или пенополистирола - все это приводит к проникновению на приемник акустических помех, особенно при работе в непрерывном режиме.

Задачей изобретения является разработка раздельно-совмещенного широкополосного ультразвукового преобразователя, способного эффективно работать в газовой среде в области частот до 0,5 МГц (сравнительно высоких для газов).

При этом технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении чувствительности преобразователя в режиме приема и излучения, расширении полосы рабочих частот, необходимом для расширения диапазона измеряемых скоростей движущихся объектов, а также уменьшении собственных перекрестных помех между излучателем и приемником. Кроме того, повышение рабочих частот преобразователя до нескольких сотен килогерц (до 0,5 мГц) обеспечивает повышение точности измерения скорости движения поверхностей, имеющих малую шероховатость.

Для решения поставленной задачи в раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь, содержащий излучатель и приемник в виде идентичных пьезоэлементов с фронтальными накладками, общий цилиндрический корпус, в пазах которого симметрично относительно диаметрально расположенного акустического экрана установлены излучатель и приемник, и электрический экран, введены новые признаки, а именно: корпус выполнен из резиноподобного материала и имеет диаметральный паз, являющийся воздушным акустическим экраном, излучатель и приемник установлены в пазах с помощью резиновых уплотнительных колец, зафиксированных на их боковых поверхностях так, что между корпусом и тыльными поверхностями излучателя и приемника имеется воздушный зазор, при этом фронтальные накладки излучателя и приемника выполнены в виде двух четвертьволновых слоев с удельными импедансами Z1= (0,1 -0,4)106 Пас/м и Z2= (1-5)106 Пас/м, причем слой с удельным импедансом Z1 является внешним.

Для уменьшения связи между излучателем и приемником и снижения потерь уплотнительные резиновые кольца могут быть установлены посередине высоты пьезоэлементов.

На тыльной поверхности пьезоэлемента и приемника для обеспечения надежности крепления токовводов и улучшения электрического экранирования установлен слой металлической фольги через резиновую прокладку, который к тому же является электрическим экраном.

Теоретически авторами показано, что наилучшим образом позволяет согласовать пьезоэлемент с газовой средой система из n слоев при том, что удельный импеданс внешнего слоя приближается к удельному импедансу газовой среды, а удельный импеданс слоя примыкающего к пьезоэлементу - к удельному импедансу пьезокерамики. При этом было установлено, что акустико-механический КПД может быть увеличен до 60% (в то время как без согласования он составляет 0,1%) что в свою очередь приводит к существенному (в 5-10 раз) увеличению чувствительности преобразователя в режимах приема и излучения, и полоса пропускания увеличена в 5-10 раз уже при двух слоях, если их импедансы лежат в заявленных пределах.

Наличие третьего слоя не приводит к существенному повышению КПД, неоправдано усложняя конструкцию.

При практической реализации конструкции преобразователя с двумя оптимальными слоями наибольшую трудность представляет подбор материалов с соответствующими параметрами, в связи с чем значение удельных импедансов слоев в большой степени определяется наличием конструкционных материалов с удовлетворяющими параметрами.

При выходе значений импедансов слоев за указанные пределы наблюдается рассогласование излучателя и приемника с газовой средой, что приводит к снижению акустико-механического КПД и уменьшению полосы пропускания.

Выполнение корпуса преобразователя из резиноподобного материала, а также наличие воздушного экрана в виде паза между излучателем и приемником способствует уменьшению акустической связи между ними. Этой же цели служит уплотнительное резиновое кольцо, особенно если оно установлено посередине высоты пьезоэлементов в области узла (минимума) упругих колебаний.

Выполнение электрического экрана в виде слоя металлической фольги, установленного через резиновую прокладку на тыльной стороне пьезоэлемента излучателя и приемника, обеспечивает надежное и технологичное крепление токоввода.

На чертеже представлена конструкция раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя.

Преобразователь 1 состоит из двух идентичных пьезоэлементов 2,3, один из которых 2 работает в режиме излучения, а другой 3 - в режиме приема. Пьезоэлементы представляют собой диски из керамики ЦТСБ-3 диаметром 25 мм и толщиной 7 мм.

На фронтальной поверхности каждого пьезоэлемента нанесены два согласующих слоя 4, 5, имеющих толщину, равную четверти длины волны в материале слоев на рабочей частоте. Внутренний слой 4 толщиной 2,6 мм выполнен из прессовочного материала на основе стекловолокна типа ДВС с удельным импедансом Z2=4 106 Пас/м, а внешний 5 - толщиной 1,3 мм из пенополиуретана с удельным сопротивлением Z1= 0,3106 Пас/м. При этом отношение Z2/Z1=13. Наилучшие результаты получатся, если 10Z2/Z150.

Пьезоэлементы 2, 3 размещены в пазах 6 цилиндрического литого корпуса 7 под углом 6o от горизонтали, как показано на чертеже. Этот угол определяется параметрами характеристик направленности преобразователей и расстоянием до контролируемой поверхности.

Пьезоэлементы крепятся в пазах 6 с помощью резиновых уплотнительных колец 8, установленных между внутренней поверхностью пазов 6 и боковой поверхностью пьезоэлементов 2, 3. Уплотнительные кольца 8 размещены посередине высоты пьезоэлементов 2, 3.

По диаметральной плоскости раздельно-совмещенного преобразователя 1, проходящей между излучателем и приемником в цилиндрическом литом резиновом корпусе 7, выполнен паз 9, являющийся воздушным акустическим экраном между ними.

Между дном пазов 6 и тыльной стороной пьезоэлементов 2, 3 имеется воздушный зазор 10.

На тыльные поверхности пьезоэлементов 2,3 наклеены слои фольги 11, которые в данной конструкции выполнены в виде шайб из металлизированного текстолита толщиной 0,5 мм через развязывающую резиновую прокладку 12 толщиной 1,5 мм, выполненную из вакуумной резины. Шайбы 11 являются электрическим экраном пьезоэлементов 2,3 и служат для монтажа. К ним припаяны выводы от электродов на фронтальных поверхностях пьезоэлементов.

Боковые поверхности пьезоэлементов 2,3 защищены электрическими экранами 13.

Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь работает следующим образом. На излучающий пьезоэлемент подается электрический сигнал. Излучаемый ультразвуковой сигнал отражается от контролируемой движущейся поверхности и принимается приемным пьезоэлементом 3.

Отраженный ультразвуковой сигнал имеет сдвиг по частоте, обусловленный эффектом Доплера, величина которого зависит от скорости движения контролируемого объекта.

Рассматриваемые преобразователи обладают относительной полосой пропускания 10%, что позволяет производить бесконтактный контроль отклонения скорости движения поверхности, имеющей малую шероховатость (например, ленты эскалатора метрополитена) от номинальной в диапазоне (0,5-3,0) м/с.

Преобразователь имеет сравнительно простую конструкцию, технологичен, изготовлен из относительно дешевых и доступных материалов, обладает высокой эффективностью и надежностью и может найти применение в различных областях промышленности для контроля скорости движущихся поверхностей, например транспортерных лент, в том числе эскалаторных лент метрополитена.

Формула изобретения

1. Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь, содержащий излучатель и приемник в виде идентичных пьезоэлементов с фронтальными накладками, общий цилиндрический корпус, в пазах которого симметрично относительно диаметрально расположенного акустического экрана установлены излучатель и приемник, и электрический экран, отличающийся тем, что корпус выполнен из резиноподобного материала и имеет диаметральный паз, являющийся воздушным акустическим экраном, излучатель и приемник установлены в пазах с помощью резиновых уплотнительных колец, зафиксированных на их боковых поверхностях так, что между корпусом и тыльными поверхностями излучателя и приемника имеется воздушный зазор, при этом фронтальные накладки излучателя и приемника выполнены в виде двух четвертьволновых слоев с удельными импедансами Z1 = (0,1 - 0,4) 106 Па с/м и Z2 = (1 - 5) 106 Па с/м, причем слой с удельным импедансом Z1 является внешним.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что уплотнительные резиновые кольца установлены посередине высоты пьезоэлементов.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на тыльной поверхности пьезоэлемента излучателя и приемника установлен слой металлической фольги через резиновую прокладку.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к преобразователям физических величин в электрический сигнал, основанным на пьезоэлектрическом эффекте

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в ультразвуковых технологических аппаратах для различных обработок - ударного упрочнения, ультразвукового резания, разборки сопряженных изделий, в системах предотвращения накипеобразования и т.п

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям и устройствам для озвучивания жидкости и может быть использовано в радиотехнической, машиностроительной и других отраслях промышленности

Изобретение относится к автоматическому ультразвуковому контролю уровня жидкости и газа в замкнутых емкостях методом ультразвуковой локации

Изобретение относится к механике электрической связи, в частности к устройствам преобразования электрических сигналов в акустические, которые могут быть использованы в качестве телефонных капсюлей в телефонных аппаратах, головных телефонах и телефонно-микрофонных гарнитурах, а именно к акустическим демпферам в указанных ЭАП

Изобретение относится к области ультразвукового приборостроения и может быть использовано при конструировании и производстве акустических преобразователей

Изобретение относится к технике электроакустической связи, в частности, к устройствам преобразования электрических сигналов в акустические (электроакустический преобразователь (ЭАП)), которые могут быть использованы в качестве телефонных капсюлей в телефонных аппаратах, головных телефонах и гарнитурах, а именно, к механо-акустическим демпферам в указанных ЭАП

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения и контроля перемещения, скорости, ускорения, применяемым в системах автоматического управления и регулирования

Изобретение относится к области гидроакустической техники, а именно к допплеровским гидроакустическим измерителям скорости движения судов (допплеровским лагом)

Изобретение относится к области проектирования гидроакустических лагов и направлено на повышение точности их работы в реальных условиях эксплуатации

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании или модернизации гидроакустических лагов

Изобретение относится к области гидроакустической техники, а именно к гидроакустическим измерителям скорости движения кораблей (гидроакустическим лагам)

Изобретение относится к измерению скоростей, в частности к измерению скорости подвижного элемента (датчика) в сервосистемах
Наверх