RU2281464C2 - Method and device for measurement of speed of ultrasound in carbon threads and bands - Google Patents
Method and device for measurement of speed of ultrasound in carbon threads and bands Download PDFInfo
- Publication number
- RU2281464C2 RU2281464C2 RU2004120078/28A RU2004120078A RU2281464C2 RU 2281464 C2 RU2281464 C2 RU 2281464C2 RU 2004120078/28 A RU2004120078/28 A RU 2004120078/28A RU 2004120078 A RU2004120078 A RU 2004120078A RU 2281464 C2 RU2281464 C2 RU 2281464C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- ultrasound
- output
- analog
- samples
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике неразрушающего контроля и может быть использовано для определения скорости ультразвука в углеродных нитях и жгутах и других функционально зависящих от скорости параметров, например динамического модуля упругости.The invention relates to a non-destructive testing technique and can be used to determine the speed of ultrasound in carbon filaments and bundles and other parameters functionally dependent on speed, for example, a dynamic elastic modulus.
Известен ряд способов измерения скорости ультразвука, близких по своей технической сущности и достигаемому результату по авторским свидетельствам СССР №894551, кл. G 01 N 29/00, 1981; патент РФ №2060474, индекс МПК G 01 H 5/00; патент РФ №2104503, индекс МПК G01H5/00. Основным условием реализации этих способов является установление в контролируемом канале режима автоциркуляции, а в эталонном - импульсного режима прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов. Основным недостатком данной группы способов применительно к углеродным жгутам является то, что невозможно установить и поддерживать устойчивый режим автоциркуляции в контролируемом канале, так как углеродные жгуты и нити характеризуются достаточно сильным затуханием ультразвука, а уменьшение длины контролируемого образца в канале автоциркуляции для уменьшения затухания приводит к потере точности измерения скорости ультразвука.A number of known methods for measuring the speed of ultrasound are close in their technical essence and the achieved result according to copyright certificates of the USSR No. 894551, class. G 01 N 29/00, 1981; RF patent No. 2060474, IPC index G 01 H 5/00; RF patent No. 2104503, IPC index G01H5 / 00. The main condition for the implementation of these methods is the establishment of the autocirculation mode in the controlled channel, and in the reference mode, the pulse mode of the passage of electro-acoustic pulses with the simultaneous excitation of both channels. The main disadvantage of this group of methods with respect to carbon tows is that it is impossible to establish and maintain a stable mode of autocirculation in the controlled channel, since carbon tows and threads are characterized by sufficiently strong attenuation of ultrasound, and a decrease in the length of the controlled sample in the autocirculation channel to reduce attenuation leads to a loss Accuracy of measurement of speed of ultrasound.
Известно устройство для определения скорости ультразвука - Криштел М.А и др. Электронная аппаратура ультразвуковых установок для исследования свойств твердого тела. - М.: Энергия, 1974, с.143, содержащее последовательно соединенные пьезопреобразователь, генератор зондирующих сигналов, усилитель, измеритель временных интервалов. Однако известное устройство имеет ряд недостатков: его нельзя использовать при прецизионных измерениях скорости ультразвука по причине неточного измерения времени распространения упругих волн, возникающего за счет визуального совмещения сигналов на экране осциллографа.A device for determining the speed of ultrasound is known - Krishtel M.A. et al. Electronic equipment of ultrasonic devices for studying the properties of solids. - M .: Energy, 1974, p.143, containing a piezoelectric transducer connected in series, a probe signal generator, an amplifier, a time interval meter. However, the known device has several disadvantages: it cannot be used for precision measurements of the speed of ultrasound due to inaccurate measurements of the propagation time of elastic waves arising from the visual alignment of signals on the screen of the oscilloscope.
Известно устройство для измерения скорости распространения ультразвука - а.с. 260302 кл. 42s, 3/00, 1969, дополнительно а.с. СССР N 503140, кл. G 01 Н 5/00, 1976, содержащее генератор импульсов, приемопередающие акустические преобразователи, амплитудный усилитель, дискриминатор, формирователь, пиковый детектор и измеритель частоты. Данный измеритель позволяет выявить и оценить величину случайного изменения амплитуды приемного сигнала. Точность измерения достигается посредством расчетного определения поправки изменяющегося времени нарастания амплитуды приемного сигнала до порогового уровня напряжения дискриминатора.A device for measuring the speed of propagation of ultrasound - and.with. 260,302 cells 42s, 3/00, 1969, additional A.S. USSR N 503140, class G 01 H 5/00, 1976, containing a pulse generator, transceiver acoustic transducers, an amplitude amplifier, discriminator, driver, peak detector and frequency meter. This meter allows you to identify and evaluate the value of a random change in the amplitude of the receiving signal. The measurement accuracy is achieved by calculating the correction of the changing rise time of the amplitude of the receiving signal to the threshold voltage level of the discriminator.
Недостатком данного устройства, применительно к углеродным жгутам, является невысокая точность измерения ввиду того, что углеродные жгуты и нити состоят из множества (нескольких тысяч) элементарных волокон, каждое из которых имеет «свою» скорость ультразвука - иными словами имеется дисперсия этой скорости по волокнам жгута. Поэтому при измерении скорости ультразвука с применением известного устройства в углеродных жгутах и нитях может фиксироваться время распространения ультразвука только для небольшой группы волокон жгута, имеющих наименьшее значение этого времени из всей массы волокон. Кроме того, указанный измеритель не позволяет в полной мере компенсировать влияние изменения амплитуды приемного сигнала на точность измерения, возникающее из-за разной величины затухания ультразвука в образцах нитей и жгутов.The disadvantage of this device, as applied to carbon tows, is the low measurement accuracy due to the fact that carbon tows and threads consist of many (several thousand) elementary fibers, each of which has its “own” ultrasound speed - in other words, there is a dispersion of this speed over the tow fibers . Therefore, when measuring the speed of ultrasound using a known device in carbon tows and threads, the propagation time of ultrasound can be recorded only for a small group of fiber tows having the smallest value of this time from the entire mass of fibers. In addition, this meter does not allow to fully compensate for the effect of changes in the amplitude of the receiving signal on the measurement accuracy arising from the different attenuation of ultrasound in the samples of threads and bundles.
Известно устройство, патент №2208223 индекс МПК G01H5/00, измеритель скорости звука в жидких средах, принятое в качестве ближайшего аналога, содержащее импульсный генератор, приемоизлучающий акустический преобразователь, приемный усилитель, временной селектор, аналого-цифровой преобразователь и цифровое вычислительное устройство. Принцип работы этого устройства заключается в том, что в ходе измерения однократно излучается зондирующий импульс, в принятом эхо-сигнале с помощью временного селектора выделяется k-й (k=2,3...m) импульс, который преобразовывается в цифровой эквивалент, затем определяется положение максимума (экстремума) полупериода на временной оси, далее рассчитывается время, а по нему - скорость распространения ультразвука в воде. Известное устройство хотя и содержит часть узлов, примененных в заявляемом устройстве, однако не может быть использовано для измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях в силу следующих причин:A patent is known for the MPK index G01H5 / 00, a sound velocity meter in liquid media, taken as the closest analogue, containing a pulse generator, a transceiving acoustic transducer, a receiving amplifier, a time selector, an analog-to-digital converter, and a digital computing device. The principle of operation of this device is that during the measurement a probe pulse is emitted once, the k-th (k = 2.3 ... m) pulse, which is converted into a digital equivalent, is emitted using a temporary selector, and then the position of the maximum (extremum) of the half-period on the time axis is determined, then the time is calculated, and from it - the speed of propagation of ultrasound in water. The known device, although it contains part of the nodes used in the inventive device, however, cannot be used to measure the speed of ultrasound in carbon bundles and threads for the following reasons:
- Углеродные жгуты и нити характеризуются очень высокой скоростью распространения ультразвука (104-1,8×104) м/с по сравнению с жидкостью, в которой значение скорости ультразвука порядка (1,4×103-1,6×103) м/с, по причине чего значительно увеличивается инструментальная погрешность измерения.- Carbon tows and threads are characterized by a very high speed of propagation of ultrasound (10 4 -1.8 × 10 4 ) m / s compared to a liquid in which the value of the speed of ultrasound is about (1.4 × 10 3 -1.6 × 10 3 ) m / s, due to which the instrumental measurement error increases significantly.
- Определение момента окончания временного интервала по положению «вершины» полупериода с максимальной амплитудой может привести к значительной ошибке определения времени распространения ультразвука и, как следствие, скорости из-за наличия дисперсии скорости по отдельным волокнам жгута.- The determination of the moment of the end of the time interval by the position of the “peak” of a half-period with a maximum amplitude can lead to a significant error in determining the propagation time of ultrasound and, as a consequence, the speed due to the presence of velocity dispersion along individual fibers of the bundle.
- В связи с тем, что некоторые типы углеродных жгутов, в отличие от жидких сред, имеют высокий коэффициент затухания ультразвука, при однократном зондировании, как реализовано в прототипе, амплитуда теневого сигнала будет крайне мала (на уровне шума) для достоверного определения положения максимума амплитуды полупериода.- Due to the fact that some types of carbon tows, unlike liquid media, have a high attenuation coefficient of ultrasound, with a single probe, as implemented in the prototype, the amplitude of the shadow signal will be extremely small (at the noise level) to reliably determine the position of the maximum amplitude half period.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача создания такого способа, который позволил бы обеспечить высокую точность измерения скорости ультразвука в жгутах и нитях. Согласно изобретению указанная задача решается исключением влияния на результат измерения следующих факторов: дисперсии скорости ультразвука по отдельным волокнам жгутов и нитей, изменения амплитуды теневого сигнала из-за вариации величины акустического контакта и большого коэффициента затухания ультразвука в углеродных жгутах - путем многократного зондирования образца, использованию общего усилительного тракта для зондирующего и теневого сигналов, потоковому аналого-цифрового преобразованию с накоплением цифровых дискретных отсчетов, расчету огибающей, нахождению временного интервала между максимумами огибающей, образованными зондирующим импульсом и теневым сигналом. Скорость распространения ультразвука вычисляют по найденному временному интервалу и известной длине образца между излучателем и приемником ультразвука (измерительной базе).Based on the foregoing, the present invention was based on the task of creating such a method that would ensure high accuracy of measuring the speed of ultrasound in bundles and threads. According to the invention, this problem is solved by excluding the influence of the following factors on the measurement result: dispersion of the ultrasound velocity along individual fibers of the bundles and threads, changes in the amplitude of the shadow signal due to variations in the magnitude of the acoustic contact and the high attenuation coefficient of ultrasound in carbon bundles - by repeatedly probing the sample, using a common amplifier path for probing and shadow signals, streaming analog-to-digital conversion with accumulation of digital discrete from accounts, envelope calculation, finding the time interval between the envelope maxima formed by the probe pulse and the shadow signal. The propagation velocity of ultrasound is calculated by the found time interval and the known length of the sample between the emitter and the ultrasound receiver (measuring base).
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Образец жгута или нити благодаря небольшой растягивающей нагрузке прижимается к приемнику и излучателю ультразвуковых колебаний, находящихся друг от друга на фиксированном расстоянии. Измерение производят в несколько идентичных циклов. В ходе каждого цикла генерируют короткий зондирующий радиочастотный импульс, который направляют через излучатель ультразвука в контролируемый образец и одновременно через аттенюатор в общий усилительный тракт, в который направляют и теневой сигнал с приемника ультразвука, результирующий аналоговый сигнал преобразуют в последовательность дискретных цифровых отсчетов. Преобразование начинается синхронно с генерацией зондирующего импульса и длится, по крайней мере, дольше, чем максимально возможное время распространения ультразвука по образцу. Далее цифровые дискретные отсчеты, полученные в ходе преобразования, суммируются по соответствующим индексам с отсчетами, накопленными в предыдущих циклах, и результат запоминается. По накопленным отсчетам строится (вычисляется) огибающая, которая имеет два пика (фиг.1в): первый из них соответствует зондирующему сигналу, а второй теневому импульсу, снятому с приемника ультразвука. По величине амплитуды теневого пика производят принятие решения о необходимости продолжить измерение, запустив его очередной цикл или прекратить зондирование образца и рассчитать временной интервал как число отсчетов между максимумами пиков огибающей, умноженное на временную дискретность преобразования. По полученному значению времени прохождения ультразвука и известному расстоянию между приемником и излучателем производится расчет скорости распространения ультразвука. Для исключения неопределенных ситуаций, когда необходимое значение амплитуды пика для теневого сигнала не может быть достигнуто по каким-либо причинам, максимальное число циклов измерения - N - ограничено фиксированным значением.The inventive method is implemented as follows. Due to the small tensile load, the sample of the tow or thread is pressed against the receiver and the emitter of ultrasonic vibrations located at a fixed distance from each other. The measurement is carried out in several identical cycles. During each cycle, a short probing radio frequency pulse is generated, which is sent through an ultrasound emitter to a controlled sample and simultaneously through an attenuator to a common amplification path, into which a shadow signal from an ultrasound receiver is also sent, and the resulting analog signal is converted into a sequence of discrete digital samples. The transformation begins synchronously with the generation of the probe pulse and lasts at least longer than the maximum possible propagation time of ultrasound through the sample. Further, digital discrete samples obtained during the conversion are summed at the corresponding indices with the samples accumulated in previous cycles, and the result is stored. According to the accumulated samples, an envelope is constructed (calculated), which has two peaks (Fig. 1c): the first of them corresponds to the probing signal, and the second to the shadow pulse taken from the ultrasound receiver. By the magnitude of the amplitude of the shadow peak, a decision is made about the need to continue the measurement by starting its next cycle or stop probing the sample and calculate the time interval as the number of samples between the maxima of the envelope peaks multiplied by the temporal resolution of the transformation. Based on the obtained value of the ultrasound transit time and the known distance between the receiver and the emitter, the propagation velocity of the ultrasound is calculated. To exclude uncertain situations when the required peak amplitude value for the shadow signal cannot be achieved for any reason, the maximum number of measurement cycles — N — is limited to a fixed value.
На фиг.1 показаны эпюры огибающих для накопленной суммы дискретных отсчетов при разном количестве циклов в ходе одного измерения. Эти эпюры поясняют механизм компенсации, в заявляемом способе, сильного затухания ультразвука в углеродных жгутах (и как следствие, снижения амплитуды теневого сигнала до уровня шумов). После одного цикла (фиг.1.а) пик огибающей, образованный теневым сигналом, неразличим на фоне шумов, после десятого цикла (фиг.1.б) уже возможно определение положения пика теневого сигнала на временной оси, однако из-за малой его амплитуды точность определения положения пика может быть невысокой. После 100 циклов, (фиг.1.в) амплитуда пика становится достаточной для точного нахождения положения на временной оси и, как следствие, точного расчета скорости ультразвука.Figure 1 shows the envelope diagrams for the accumulated sum of discrete samples with different number of cycles during one measurement. These diagrams explain the compensation mechanism, in the claimed method, of the strong attenuation of ultrasound in carbon bundles (and, as a result, of reducing the amplitude of the shadow signal to the noise level). After one cycle (Fig.1.a), the peak of the envelope formed by the shadow signal is indistinguishable against the background of noise, after the tenth cycle (Fig.1.b) it is already possible to determine the position of the peak of the shadow signal on the time axis, however, due to its small amplitude the accuracy of determining the position of the peak may be low. After 100 cycles, (Fig. 1.c), the peak amplitude becomes sufficient to accurately find the position on the time axis and, as a result, to accurately calculate the speed of ultrasound.
Для иллюстрации обеспечения точности измерения в заявляемом способе за счет исключения влияния дисперсии скорости прохождения ультразвука по отдельным волокнам приведены (фиг.2) эпюры зондирующего и теневого сигналов, а также их огибающих для двух разных образцов углеродных жгутов, имеющих равное среднее время распространения ультразвука - Т (фиг.2а, б), но разную его дисперсию (как следствие дисперсии скорости). В приведенном примере (фиг.2б) дисперсия времени распространения ультразвука по отдельным волокнам у образца 2 больше по сравнению с образцом 1 (фиг.2а). Поэтому при определении начала и конца временного интервала, как реализовано в прототипе, время распространения ультразвука - Т2 (фиг.2б) для второго образца будет меньше чем это время - Т1 (фиг.2а) у первого образца. При определении времени предложенным способом по «расстоянию» между максимумами огибающей сигналов найденные времена распространения ультразвука у обоих образцов будут одинаковыми, что соответствует действительности.To illustrate the accuracy of the measurement in the inventive method by eliminating the influence of the dispersion of the ultrasound propagation speed through individual fibers, Fig. 2 shows the plots of the probe and shadow signals, as well as their envelopes for two different samples of carbon bundles having an equal average ultrasound propagation time - T (figa, b), but its different dispersion (as a consequence of the dispersion of speed). In the above example (fig.2b), the dispersion of the propagation time of ultrasound through the individual fibers of sample 2 is greater compared to sample 1 (figa). Therefore, when determining the beginning and end of the time interval, as implemented in the prototype, the propagation time of ultrasound - T2 (fig.2b) for the second sample will be less than this time - T1 (fig.2a) in the first sample. When determining the time by the proposed method according to the “distance” between the maxima of the signal envelope, the found ultrasound propagation times for both samples will be the same, which is true.
Как вариант, возможна реализация заявляемого способа с использованием дополнительного приемника ультразвука, который находится в контакте с образцом жгута и располагается между уже имеющимися излучателем и приемником. Сигнал с дополнительного приемника направляют в общий усилительный тракт взамен зондирующего сигнала с генератора без применения аттенюатора. При этом на «месте» пика, образованного зондирующим сигналом, будет находиться пик, образованный теневым сигналом с дополнительного приемника. Такое решение компенсирует систематическую погрешность измерения времени распространения ультразвука, возникающую из-за задержек сигналов в излучателе и приемнике ультразвука.Alternatively, it is possible to implement the proposed method using an additional ultrasound receiver, which is in contact with a sample of the bundle and is located between the existing emitter and receiver. The signal from the additional receiver is sent to the common amplification path instead of the probe signal from the generator without the use of an attenuator. In this case, at the “place” of the peak formed by the probing signal, there will be a peak formed by the shadow signal from the additional receiver. This solution compensates for the systematic error in the measurement of the propagation time of ultrasound arising from the delays of the signals in the emitter and receiver of ultrasound.
Для осуществления заявляемого способа предлагается устройство (фиг.3), состоящее из излучателя (1) и приемника (2) ультразвука, генератора зондирующих импульсов (3), блока аналого-цифрового преобразователя (4), блока нахождения максимума (5), блока расчета скорости (6), отличающегося от прототипа наличием аттенюатора (7), двухвходового усилителя, (8) блока накопления дискретных отсчетов (9), блока построения огибающей (10), блока расчета отношений (11), блока принятия решений (12), блока пользовательского интерфейса (13), причем один из входов усилителя подключен к приемнику ультразвука (2), а второй вход подключен через аттенюатор (7) к выходу генератора зондирующих импульсов (3), выход усилителя (8) подключен к входу блока аналого-цифрового преобразователя (4), выход которого подключен к программируемому вычислителю (14), а именно к блоку накопления дискретных отсчетов (9). Выход блока накопления дискретных отсчетов (9) подключен к последовательно соединенным блокам построения огибающей (10) и нахождения максимума (5). Выход блока нахождения максимума соединен (5) с блоком расчета отношений (11) и блоком расчета скорости (6). Выход блока расчета отношений (11) подключен к блоку принятия решения (12), прямой выход последнего соединен с запускающими входами генератора зондирующих импульсов (3) и блока аналого-цифрового преобразователя (4), а обратный выход соединен с управляющим входом блока расчета скорости (6). Выход этого блока подключен к блоку пользовательского интерфейса (13), а управляющий выход последнего подключен к управляющему входу блока принятия решения (12) и входу сброса блока накопления дискретных отсчетов (9). Следует отметить, что двухвходовый усилитель (8) образует общий усилительный тракт для зондирующего импульса и теневого сигнала.To implement the proposed method, a device is proposed (Fig. 3), consisting of an emitter (1) and an ultrasound receiver (2), a probe pulse generator (3), an analog-to-digital converter unit (4), a maximum finding unit (5), and a calculation unit speed (6), which differs from the prototype by the presence of an attenuator (7), a two-input amplifier, (8) a block of accumulation of discrete samples (9), a block for constructing an envelope (10), a block for calculating relations (11), a block for making decisions (12), a block user interface (13), and one of the inputs of the amplifier under is connected to the ultrasound receiver (2), and the second input is connected through an attenuator (7) to the output of the probe pulse generator (3), the output of the amplifier (8) is connected to the input of the analog-to-digital converter unit (4), the output of which is connected to a programmable calculator ( 14), namely, to the block of accumulation of discrete samples (9). The output of the block of accumulation of discrete samples (9) is connected to series-connected blocks for constructing the envelope (10) and finding the maximum (5). The output of the maximum finding block is connected (5) with the ratio calculation block (11) and the speed calculation block (6). The output of the relationship calculation unit (11) is connected to the decision making unit (12), the direct output of the latter is connected to the triggering inputs of the probe pulse generator (3) and the analog-to-digital converter unit (4), and the return output is connected to the control input of the speed calculation unit ( 6). The output of this unit is connected to the user interface unit (13), and the control output of the latter is connected to the control input of the decision unit (12) and the reset input of the discrete sample accumulation unit (9). It should be noted that the two-input amplifier (8) forms a common amplification path for the probe pulse and shadow signal.
Заявляемое устройство (фиг.3) работает следующим образом. Контролируемый образец углеродного жгута или нити за счет небольшой растягивающей нагрузки прижимается к излучателю (1) и приемнику (2) ультразвуковых колебаний, обеспечивая тем самым необходимый акустический контакт. Процесс измерения скорости ультразвука инициируется через блок пользовательского интерфейса (13), который формирует управляющий сигнал, обнуляющий накопленные значения отсчетов в блоке накопления дискретных отсчетов (9) и информирующий блок принятия решений (12), через управляющий вход, о начале нового процесса измерения. По сигналу с блока пользовательского интерфейса (13) блок принятия решения (12) запускает генератор (3) и разрешает блоку аналого-цифрового преобразователя (4) начать конвертацию входного аналогового сигнала в последовательность цифровых дискретных отсчетов с временной дискретностью t. Генератор (3) по запускающему сигналу формирует короткий радиочастотный зондирующий импульс с частотой заполнения f3, (фиг.4а), который с помощью излучателя ультразвуковых колебаний (1) передается в контролируемый образец, и одновременно этот же импульс, ослабленный аттенюатором (7), поступает на один из входов усилителя (8). Через промежуток времени, приблизительно равный временному интервалу Тр, ультразвуковой (теневой) сигнал (фиг.4б), пройдя через образец и преобразовавшись с помощью приемника ультразвуковых колебаний (2) в электрический сигнал, поступает на второй вход усилителя (8). С его выхода зондирующий импульс и его теневой сигнал (фиг.4в) поступают на вход блока аналого-цифрового преобразователя (4). В результате конвертации на выходе блока аналого-цифрового преобразователя (4) получается последовательность дискретных отсчетов - цифровой эквивалент зондирующего импульса и его теневого сигнала во временной области (фиг.4г). Данные, содержащие дискретные отсчеты с выхода блока аналого-цифрового преобразователя (4), поступают на вход программируемого вычислителя (14), а именно на вход блока накопления дискретных отсчетов (9), в котором они суммируются по соответствующим индексам с отсчетами, накопленными в предыдущих циклах процесса измерения, и результат запоминается. Далее просуммированные (накопленные) значения дискретных отсчетов поступают на вход блока построения огибающей (10), где и происходит, при помощи цифровой обработки, расчет огибающей, которая (дискретные ее значения) представляет собой два пика (фиг.4д), первый пик соответствует зондирующему радиочастотному импульсу с генератора, а второй пик - теневому сигналу, снятому с приемника ультразвука. С выхода блока построения огибающей (10) данные поступают на вход блока нахождения максимума (5). С его выхода данные об амплитудах пиков и их положениях на временной оси поступают на вход блока расчета отношений (11) и на вход блока расчета скорости (6). В блоке расчета отношений производится расчет отношения амплитуды пика теневого сигнала к амплитуде шумов. Полученное значение поступает в блок принятия решения (12), где сравнивается с заданным пороговым значением. Если полученное значение меньше заданного, то запускается очередной цикл процесса измерения путем выдачи управляющего сигнала через прямой выход блока (12) для запуска генератора зондирующих импульсов (3) и блока аналого-цифрового преобразования (4), в противном случае, когда отношение сигнал/шум достигло пороговой величины, производится выдача управляющего сигнала через обратный выход блока (12) на вход блока расчета скорости (6). Иными словами, процесс измерения продолжается до тех пор, пока «высота» пика, образованного теневым сигналом (фиг.4), не достигнет величины, достаточной для достоверного определения положения этого пика на временной оси. Однако для исключения неопределенных ситуаций, когда необходимое значение отношения сигнал/шум для теневого пика не может быть достигнуто по каким-либо причинам, максимальное число циклов измерения - N - ограничено фиксированным значением.The inventive device (figure 3) works as follows. A controlled sample of a carbon tow or thread due to a small tensile load is pressed against the emitter (1) and the receiver (2) of ultrasonic vibrations, thereby providing the necessary acoustic contact. The process of measuring ultrasound velocity is initiated through the user interface unit (13), which generates a control signal that resets the accumulated values of the samples in the accumulation unit of discrete samples (9) and informs the decision-making unit (12), through the control input, about the start of a new measurement process. Based on the signal from the user interface unit (13), the decision unit (12) starts the generator (3) and allows the analog-to-digital converter unit (4) to start converting the input analog signal into a sequence of digital discrete samples with time resolution t. The generator (3) generates a short radiofrequency sounding pulse with a filling frequency f 3 , according to the trigger signal (Fig. 4a), which is transmitted to the controlled sample using the ultrasonic vibrator (1), and at the same time the same pulse attenuated by the attenuator (7), arrives at one of the inputs of the amplifier (8). After a period of time approximately equal to the time interval Tr, the ultrasonic (shadow) signal (Fig. 4b), passing through the sample and converted using an ultrasonic vibrations receiver (2) into an electrical signal, enters the second input of the amplifier (8). From its output, the probe pulse and its shadow signal (Fig. 4c) are fed to the input of the analog-to-digital converter unit (4). As a result of the conversion at the output of the analog-to-digital converter unit (4), a sequence of discrete samples is obtained — the digital equivalent of the probe pulse and its shadow signal in the time domain (Fig. 4d). Data containing discrete samples from the output of the analog-to-digital converter unit (4) is fed to the input of a programmable computer (14), namely, to the input of the accumulation unit of discrete samples (9), in which they are summed according to the corresponding indices with the samples accumulated in the previous ones cycles of the measurement process, and the result is remembered. Next, the summed (accumulated) values of the discrete samples are fed to the input of the envelope construction block (10), where, using digital processing, the envelope is calculated, which (its discrete values) is two peaks (Fig. 4d), the first peak corresponds to the probing an RF pulse from the generator, and the second peak to a shadow signal taken from an ultrasound receiver. From the output of the envelope construction block (10), the data is fed to the input of the maximum block (5). From its output, data on peak amplitudes and their positions on the time axis are fed to the input of the ratio calculation unit (11) and to the input of the speed calculation unit (6). In the ratio calculation unit, the ratio of the peak amplitude of the shadow signal to the amplitude of the noise is calculated. The resulting value goes to the decision block (12), where it is compared with a given threshold value. If the obtained value is less than the set value, the next cycle of the measurement process is started by issuing a control signal through the direct output of block (12) to start the probe pulse generator (3) and analog-to-digital conversion block (4), otherwise, when the signal-to-noise ratio reached the threshold value, the control signal is issued through the return output of the block (12) to the input of the speed calculation block (6). In other words, the measurement process continues until the "height" of the peak formed by the shadow signal (Fig. 4) reaches a value sufficient to reliably determine the position of this peak on the time axis. However, to eliminate uncertain situations when the required signal-to-noise ratio for the shadow peak cannot be achieved for any reason, the maximum number of measurement cycles — N — is limited to a fixed value.
Получив управляющий сигнал с блока принятия решений (12), блок расчета скорости (6) вычисляет значение скорости ультразвука в углеродном жгуте по формулам:Having received the control signal from the decision block (12), the speed calculation block (6) calculates the value of the ultrasound speed in the carbon tow using the formulas:
где L - расстояние между приемником и излучателем ультразвука (измерительная база);where L is the distance between the receiver and the ultrasound emitter (measuring base);
Nмакс.т - номер отсчета, соответствующий максимуму огибающей теневого сигнала;N max t - reference number corresponding to the maximum envelope of the shadow signal;
Nмакс.з - номер отсчета, соответствующий максимуму огибающей зондирующего импульса;N max.s - reference number corresponding to the maximum envelope of the probe pulse;
t - временная дискретность аналого-цифрового преобразования.t is the temporal resolution of the analog-to-digital conversion.
Создан опытный образец заявляемого измерителя скорости ультразвука, в качестве программируемого вычислителя которого использована промышленная рабочая станция стандарта IBM PC, блоки, входящие в состав вычислителя, реализованы программно-аппаратным способом. Блок аналого-цифрового преобразования представляет собой плату расширения, выполняющую функцию потокового преобразования аналогового сигнала в цифровой эквивалент с программируемой временной дискретностью. Генератор зондирующих сигналов, суммирующий усилитель, аттенюатор реализованы по типовым схемам с учетом специфики применения. Приемник и излучатель ультразвука - стандартные пьезопреобразователи, на рабочих торцах которых наклеены специальные концентраторы для обеспечения надежного акустического контакта с контролируемым образцом.A prototype of the inventive ultrasound speed meter was created, the programmable computer of which was used as an industrial workstation of the IBM PC standard, the units included in the computer were implemented in hardware and software. The analog-to-digital conversion unit is an expansion board that performs the function of streaming the conversion of an analog signal into a digital equivalent with programmable time resolution. A probe signal generator, a summing amplifier, an attenuator are implemented according to standard schemes taking into account the specifics of the application. Ultrasound receiver and emitter are standard piezoelectric transducers, on the working ends of which special concentrators are glued to ensure reliable acoustic contact with the controlled sample.
Следует добавить, что опытный образец измерителя скорости ультразвука, помимо самой скорости, рассчитывает и выводит на дисплей значение динамического модуля упругости.It should be added that the prototype ultrasound velocity meter, in addition to the speed itself, calculates and displays the value of the dynamic modulus of elasticity.
Благодаря заявляемому способу опытный образец способен работать на больших измерительных базах (расстояниях между излучателем и приемником) порядка (500-750) мм, поэтому инструментальная погрешность прибора определяется, в основном, значением временной дискретности аналого-цифрового преобразования и составляет доли процента (0,2-0,3) при дискретности преобразования 50 нс. Лабораторные испытания проводились на образцах углеродных жгутов различных типов.Thanks to the claimed method, the prototype is able to work on large measuring bases (distances between the emitter and the receiver) of the order of (500-750) mm, therefore, the instrumental error of the device is determined mainly by the value of the time resolution of the analog-to-digital conversion and is a fraction of a percent (0.2 -0.3) with a resolution of 50 ns. Laboratory tests were carried out on samples of carbon bundles of various types.
Таким образом, поставленная задача решена созданием нового способа и устройства, позволяющего измерять скорость ультразвука в углеродных жгутах и нитях.Thus, the problem is solved by creating a new method and device that allows you to measure the speed of ultrasound in carbon tows and threads.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004120078/28A RU2281464C2 (en) | 2004-07-01 | 2004-07-01 | Method and device for measurement of speed of ultrasound in carbon threads and bands |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004120078/28A RU2281464C2 (en) | 2004-07-01 | 2004-07-01 | Method and device for measurement of speed of ultrasound in carbon threads and bands |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004120078A RU2004120078A (en) | 2005-12-10 |
| RU2281464C2 true RU2281464C2 (en) | 2006-08-10 |
Family
ID=35868569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004120078/28A RU2281464C2 (en) | 2004-07-01 | 2004-07-01 | Method and device for measurement of speed of ultrasound in carbon threads and bands |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2281464C2 (en) |
-
2004
- 2004-07-01 RU RU2004120078/28A patent/RU2281464C2/en active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004120078A (en) | 2005-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5383366A (en) | Ultrasonic two probe system for locating and sizing | |
| CN1975410B (en) | Digital log amplifier for ultrasonic testing | |
| CN210427470U (en) | Test system for amplitude-frequency characteristic of acoustic emission sensor | |
| RU2281464C2 (en) | Method and device for measurement of speed of ultrasound in carbon threads and bands | |
| US20190226894A1 (en) | Method and apparatus for determining a corrected value for the viscosity-dependent sonic velocity in a fluid to be tested | |
| RU2723146C1 (en) | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation | |
| RU2723058C1 (en) | Method and device for compensation of heterogeneity of connection at ultrasonic test | |
| US3832887A (en) | Ultrasonic inspection apparatus | |
| CN113008174B (en) | Electromagnetic ultrasonic sound time measuring method and device | |
| RU2437066C1 (en) | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs | |
| RU2431139C1 (en) | Method of acoustic-emission control of pressurised vessels and device to this effect | |
| SU735989A1 (en) | Device for ultrasonic inspection of materials | |
| CN112526600B (en) | Amplitude compensation method and system for sweep frequency ultrasonic excitation signal | |
| JPS62170830A (en) | Stress distribution measuring instrument | |
| RU2087908C1 (en) | Method and device for verifying ultrasonic echo-pulse instruments | |
| SU1196751A1 (en) | Method of measuring occluded gas in liquid | |
| SU1525568A1 (en) | Ultrasonic mirror-through transmission flaw detector | |
| RU2112235C1 (en) | Method for measuring attenuation variables of elastic waves | |
| SU894605A1 (en) | Piezotransducer amplitude-frequency characteristic meter | |
| US3166931A (en) | Ultrasonic inspection apparatus using short elastic pulses | |
| RU1820230C (en) | Device for measuring speed of propagation of ultrasonic oscillations | |
| SU715992A1 (en) | Ultrasonic flaw detector | |
| SU1142787A1 (en) | Device for measuring speed of ultrasonic vibrations in specimens | |
| SU905776A1 (en) | Ultrasonic flaw detector | |
| RU2208223C2 (en) | Meter measuring speed of sound in liquid media |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20211221 Effective date: 20211221 |