Электронно-измерительная схема

Функциональная электронно-измерительная блок-схема акустической установки, реализующая метод импульсного интерферометра и компенсационный импульсно-фазовый метод вариации частоты показан на рис.3.6. Данная блок-схема позволяет проводить измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твердых телах заданной геометрической формы в диапазоне частот от 1,0 до 10 МГц. На рис. 3.7 приведены эпюры напряжений сигналов, поясняющие принцип работы электронной блок-схемы.

Принцип работы электронно-измерительной схемы следующий. С выхода ВЧ-генератора I (см.рис.3.6) непрерывное синусоидальное напряжение (см.рис.3.7а) частотой (где - период колебаний), соответствующей одной из нечетных гармоник пьезоэлектрического излучателя и приемника ультразвуковых волн, подается на вход модулятора радиоимпульсов 2. На управляющий вход модулятора с выхода генератора импульсов 3 подаются прямоугольные строб-импульсы (см.рис.3.76) длительностью и скважностью . Модулятор обеспечивает усиление и импульсную модуляцию непрерывных синусоидальных электрических колебаний. На выходе модулятора из непрерывных синусоидальных колебаний выделяется короткий зондирующий радиоимпульс - цуг волн (см.рис.3.7в) длительностью , который через ВЧ-кабель 4 (см.рис.3.6), на пьезоэлектрический излучатель , закрепленного на торцевой поверхности ультразвуковой линии задержки УЛЗ-1, выполненной в виде акустической ячейки, которая механически прижимается к торцевой поверхности исследуемого образца. Ультразвуковая линия задержки (УЛЗ) выполнена в виде металлического цилиндра с компланарными торцами. Исследуемый образец выполнен в виде параллелепипеда или цилиндра с плоскопараллельными торцами. Для обеспечения акустического контакта акустической ячейки с исследуемым образцом используется машинное масло. Пьезоэлектрический излучатель за счет электрострикционного эффекта преобразует электрические колебания в продольные механические колебания той же частоты, которые в виде пакета ультразвуковых волн нормально к плоскости пьезоизлучателя излучаются в УЛЗ-1. Продольные колебания, распространяясь в УЛЗ-1, образуют в зависимости от длительности модулированного ВЧ-радиоимпульса "бегущую" или "стоячую" ультразвуковые волны. Пройдя через исследуемый образец, ультразвуковые волны нормально падают на боковую грань (см.рис.3.3) второго звукопровода - ультразвуковой линии задержки УЛЗ-2. На границе раздела двух сред (т.е. исследуемый образец и звукопровод) ультразвуковая волна частично отражается и проходит в звукопровод. В звукопроводе ультразвуковые волны, отразившись от противоположных торцов, распространяясь вдоль вертикальной оси волновода образуют серию монотонно убывающих акустических эхо-импульсов. Длина звукопровода выбрана такой, чтобы выполнялось условие:

, (3.31)

где - скорость распространения ультразвуковых волн в звукопроводе; - максимальная величина длительности акустического импульса.

Выполнение этого условия необходимо для предотвращения наложения заднего и переднего фронтов монотонно убывающих акустических эхо-импульсов (см.рис.3.7г), возникающих в результате многократных отражений проходящего акустического импульса от противоположных торцов звукопровода. Приемный пьезопреобразователь, закрепленный на свободном торце звукопровода, за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует механические колебания в электрические, которые через коаксиальный ВЧ-кабель поступают на вход частотно-избирательного селективного ВЧ-усилителя 6. Усилитель 6 дополнительно снабжен управляющим входом и схемой импульсно-временного стробирования, обеспечивающей работу усилителя в режиме временного селектора.

Управляющие строб-импульсы (см.рис.3.76) длительностью поступают на управляющий вход усилителя 6 с выхода блока задержки прямоугольных импульсов 8, которые по времени следования и длительности совпадают с первым акустическим радиоимпульсом. На вход усилителя 6 через делитель 7 и выключатель "ВК" с выхода ВЧ-генератора I одновременно с акустическим радиоимпульсом подается непрерывное синусоидальное (опорное) ВЧ-напряжение высокой частоты. Контакты выключателя "ВК" замкнуты только в режиме измерения компенсационным импульсно-фазовым методом вариации частоты.

Рис.3.6

Блок-схема электронно-измерительной системы акустической установки: 1 - генератор синусоидальных ВЧ-колебаний, 2 -модулятор, 3 - генератор прямоугольных импульсов, 4 - аттенюатор, 5 - акустическая камера, - пьезоэлектрический излучатель и приемник соответственно, 6 - усилитель, 7 - делитель, 8 - блок задержки, 9 - осциллограф, 10 – частотомер

На входе усилителя в зависимости от разности сдвига фаз происходит сложение ( ) или вычитание ( ) амплитуд когерентных акустического и опорного синусоидальных электрических колебаний. С выхода усилителя, усиленный по амплитуде, результирующий сигнал (см.рис.3.7е) подается на вход осциллографа 9. Селективный режим работы усилителя 6 позволяет наблюдать, на экране осциллографа только первый акустический радиоимпульс. Измерение частоты заполнения акустических импульсов осуществляется электронным частотомером 10, подключенным к выходу ВЧ-генератора I.

Рис.3.7

Эпюры напряжений сигналов в контрольных точках электронной блок-схемы: а) синусоидальное напряжение на выходе ВЧ-генератора, б) строб-импульс на управляющем входе модулятора, в) зондирующий радиоимпульс на пьезоизлучателе, г) акустические эхо-импульсы на выходе пьезоприемника, д) строб-импульс на управляющем входе усилителя, е) результирующий сигнал на выходе усилителя

В качестве применяемых в электронно-измерительной схеме генератора электрических синусоидальных ВЧ-колебаний (см.рис.3.6) используется серийный генератор сигналов типа Г4-18А; генератора прямоугольных импульсов 3 и блока задержки прямоугольных импульсов 8 - генераторы импульсом типа Г5-54; осциллографа 9 — высокочастотный осциллограф типа C1-78; частотомер 10 -электронно-цифровой частотомер типа Ф 5137.

В качестве формирователя зондирующих радиоимпульсов используется специально разработанный импульсный модулятор, снабженный электронным коммутатором напряжения. Модулятор выполнен в виде двухкаскадного резонансного усилителя мощности радиочастоты. Принципиальная схема электронного модулятора ВЧ-радиоимпульсов показана на рисунке 3.3.

Предварительный каскад собран на полупроводниковом ВЧ-транзисторе, типа КТ-315 И. Оконечный каскад собран по однотактной схеме на ВЧ-транзисторе КТ-604 БМ. В качестве резонансных элементов используются колебательные контуры, параллельно включенные в коллекторные цепи транзисторов через разделительные конденсаторы. В качестве коммутатора напряжения используется полупроводниковый транзистор типа КТ-315 И, последовательно включенный в цепь эмиттера выходного транзистора оконечного каскада модулятора, по схеме с общим эмиттером. Импульсная работа модулятора осуществляется подачей управляющих прямоугольных импульсов положительной полярности на базу транзистора коммутатора напряжения.

В качестве частотно-избирательного усилителя радиочастоты 6 используется специально разработанный трехкаскадный усилитель резонансного типа, дополнительно снабженный управляющим входом и блоком импульсно-временного стробирования. В качестве усилительных элементов используются высокочастотные транзисторы, типа КТ-342 Б и КТ-315 И, а в качестве резонансных элементов - колебательные контуры, параллельно включенные в коллекторные цепи транзисторов через разделительные конденсаторы. Изменение резонансной частоты усилителя осуществляется заменой катушек индуктивности и подстройкой емкостей конденсаторов переменной соответствующих колебательных контуров. Блок импульсно-временного стробирования образован коммутатором напряжения, выполненного на полупроводниковом ВЧ-транзисторе типа ГТ-315 И, последовательно включенного в цепь эмиттера транзистора первого каскада усиления, по схеме с общим эмиттером. Временная селекция осуществляется подачей управляющих прямоугольных импульсов положительной полярности на базу транзистора коммутатора напряжения. В качестве делителя опорного ВЧ-напряжения 7 используется обычный безиндуктивный потенциометр.

Принципиальная электрическая схема частотно-избирательного усилителя радиочастоты приведена на рисунке 3.4.

Порядок измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн методом импульсного интерферометра фиксированной акустической базы и вариацией частоты следующий. После закрепления с помощью специального держателя исследуемого образца между торцами звукопроводов УЛЗ-1 и УЛЗ-2 производится включение и настройка электронно-измерительных электронных блоков на заданную частоту . Затем производится установка длительности зондирующего строб-импульса на входе электронного модулятора до величины, соответствующей режиму "бегущей" волны ультразвуковых эхо-импульсов в исследуемом образце. Такой режим соответствует раздельной последовательности следования акустических эхо-импульсов без наложения задних и передних фронтов, которая непосредственно наблюдается на экране осциллографа.

Длительность задержанного строб-импульса, поступающего на управляющий вход частотно-избирательного усилителя, устанавливается в пределах 50-100 мкс, а время задержки 10 мкс. Данная временная задержка управляющего строб-импульса необходима для подавления в усилительном тракте зондирующего радиоимпульса, обусловленного недостаточной экранировкой входных цепей приеме -усилительного тракта от выходного тракта модулятора. Выключатель "ВК" устанавливается в разомкнутое положение. При этом на экране осциллографа наблюдается проходящий через исследуемый образец и оба звукопровода акустический радиоимпульс, а также последовательность монотонно затухающих во времени радиоимпульсов, обусловленных многократным отражением акустических эхо-импульсов от внутренних торцов образца и звукопроводов. Величина уровня входного сигнала на входе ВЧ-усилителя устанавливается такой, чтобы акустические радиоимпульсы, поступающие на вход резонансного усилителя радиочастоты с выхода пьезоприемника, соответствовали номинальному уровню входного сигнала, при котором усилитель радиочастоты работает в линейном режиме усиления.

Порядок изменения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн компенсационным импульсно-фазовым методом вариации частоты фиксированной акустической базы следующий. Затем, подбирая величину временной задержки и длительности управляющего строб-импульса на выходе резонансного усилителя 6, выделяется только первый акустический радиоимпульс. После этого цепь выключателя "ВК" замыкается и опорное синусоидальное напряжение с выхода ВЧ-генератора I через делитель 7 подается на вход резонансного усилителя 6. На выходе усилителя 6 выделяется результирующий радиоимпульс, амплитуда которого равна векторной сумме амплитуд когерентных волн - акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения. Плавно перестраивая несущую частоту ВЧ-генератора и, изменяя амплитуду акустического радиоимпульса, устанавливается условие фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Полная фазовая компенсация достигается при условии равенства их амплитуд и сдвига по фазе на 180°. При этом на экране осциллографа наблюдается результирующий сигнал "нулевой" амплитуды. Численное значение частоты ВЧ-генератора, соответствующее минимуму результирующего сигнала фиксируется. Затем, изменяя частоту ВЧ-генератора, фиксируются значения частот , соответствующие минимумам результирующего сигнала при различающихся на единицу значениях и . На основании полученных данных по формуле (3.11)

. (12)

рассчитывается значение скорости распросранения продольных ультразвуковых волн в исследуемом образце.