SU1290137A1 - Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ультразвуковой дефектоскопии. Цель изобретени  - расширение частотной полосы пропускани  и повьшение точности измерени  векторных компонент колебательных смещений. Чувствительный элемент датчика выполнен из двух взаимно перпендикул рных друг другу пьезоэлементов с электродами. Один электрод соединен с концентратором и заземлен, а другой - с согласованным поглотителем и преобразователем сигналов. Подключение согласованного поглотител , помещенного в демпфирующую среду, к преобразователю сигналов , состо щему из двойного потенциометра , фазоинвертора, переключател  и сумматора, обеспечивает расширение полосы пропускани  на пор док при обеспечении возможности регулировани  диаграммы направленности. 4 ил. (Л

Description

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а-также в ультразвуковой дефектоскопии.

. Целью изобретени   вл етс  расширение частотной полосы пропускани  и повышение точности измерени  векторных компонент колебательных смещений .

На фиг. 1 приведен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг. 2 - схема преобразовател  сигналов дл  поворота диаграммы направленности; на фиг. 3 - рассчитанные частотные ха- рактеристики пьезоэлектрических преобразователей; на фиг. 4 спектры приемоизлучающей пары.

. Датчик содержит дна-- одинаковых цилиндрических пьезоэлемента 1, рас- положенных ортогонально друг другу в одной плоскости. На торцовых поверхност х пьезоэлементов нанесены элект- роды-2-5. Электроды 2 и 3 приклеены к конце н раторам 6j а электроды 4 и 5 присоединены механически каждый , к идентичным согласованным поглотител м 7 и 8, которые имеют одинаковые с пьезоэлементами 1 акустические импедансы. Концентраторы 6 представ- л ют собой конусы, имеющие общую вершину , оси которых взаимно перпендикул рны друг другу, а углы растворов конусов меньше 90°, например 60°. Материалом дл  концентратора может служить, например, медь. Согласованные поглотители выполнены, например, из медного провода, диаметр поперечного сечени  которого выбирают равным диаметру пьезоэлемента, изготовленно,го из пьезокерамики ЦТС 19. Дл  уменьшени  габаритов датчика каждый согласованный поглотитель выполн ют в виде спирали (фиг. 1). Соединение электродов 2 и 3 с концентраторами 6, электродами 4 и 5 и согласованными пoглoтитeл  a 7 и 8 осуществл етс  с помощью низкотемпературного сплава, например сплава Вуда.

Дл  обеспечени  механической прочности датчика согласованные поглотители размещены на держателе 9, который изготавливают из материала, плотность и скорость звука в котором по крайней мере на пор док меньше, чем у беккера и может быть выполнен, например , из пенопласта марки ПХВ,

Спиралевидную часть 10 согласованных -поглотителей помещают на призме 10, заполненной демпфирующим веществом , например пластилином. Дпину согласованных поглотителей выбирают экспериментально в зависимости от поглощающих свойств демпфера такой величины, чтобы за врем  распространени  в нем продольной волны от элект ррда до свободного конца и обратно амплитуда колебаний за счет взаимодействи  поверхности согласованного поглотител  с демпфирующей средой уменьшилась до необходимого уров нй точности измерени  сигнала, В частности , йожно использовать в качестве согласованного поглотител  медный провод диаметром 3 мм и длиной 50 см спиралевидна  часть которого помещена в демпфирующую среду - пластилин марки ОСТ-6-15-394-81. Уровень отраженного от свободного согласованного поглотител  сигнала составл ет дл  указанного выполнени  0,1% от амплитуды зарегистрированной волны, то  вл етс  вполне, допустимой величиной дл  многих используемых устройств.

Выводы электродов 2 и 3 заземлены а выводы электродов 4 и 5 присоединены к преобразователю 12 сигналов (фиг. 2), который состоит из регулируемого сдвоенного потенциометра 13, фаз оннвертора 14, переключател  15 и сумматора 16. Переключатель 15 находитс  в одном из двух положений: в положении I он замыкает выход потен- циометра с входом сумматора, а в положении II он соедин ет выход фазо- инвертора с входом сумматора. Сигнал снимаемый с электродов 4 и 5, на выходе сумматора 16 равен:

+(1-r)U5 - положение I;

и (1-r)Ug - положение II, г R /R

где R - максимальна  величина сопротивлени  13 относительно заземлени ;

R - величина выходного сопротивлени  13 относительно заземлени ; и , Ug - напр жени  на электродах 4

и 5 соответственно. Дл  по снени  работы датчика рассмотрим случай, когда на концентратор

датчика действуют псочередно компоненты смещени  . и z системе координат, показанной на фиг. 1. Под действием , напр жение на злектро- дах 4 и 5 относительно заземленных электродов 2 и 3 будет равно:.

Q/C; Ug -Q/C; Q .

электрическа  емкость отдельного пьезоэлемента; чувствительность пьезоэлемента; зар д пьезоэлемента.

(-f ) + (1-г)( 4. ()-(1-r)(t

Максимальному значению U при заданных и соответствует определенна  величина г, котора  определ етс  из уравнений:

25 /

1 . г 2 + 1) - положение I;

I f

г + 1) - положение II. Чх

Это означает, что измен   величину г, можно поворачивать ось максимальной чувствительности датчика в пределах:

30

- положение I

- положение II

Исключение составл ют точки if - 270° 90° дл  положени  I и Ч О дл  положени . II, где U не зависит от г.

В указанном датчике расширение амплитудно-частотной полосы пропускани  достигаетс  за счет применени  описанного согласованного поглотител .

Рассчитанные частотные характеристики пьезоэлектрических преобразователей и (uJ) в относительных единицах в зависимости от параметра Q uJh/v, где h - высота пьезоэлемента со стержневым спиралевидным согласованным поглотителем 17 свободного пьеПод действием на электродах 4

и 5 возникнут напр жени ;

и +Q /С;

и, +Q /C; Q п4.

5

0

fS

4. t

5

0

5

0

5

0

5

Чувствительность пьезоэлементов t к. Х- и Z- колебани м одинакова, так как из пьезоэлементов расположен под углом 45 к оси X и соответственно под углом 45° к оси Z.

Из приведенного анализа следует, что в случае действи  на торе ц датчика произвольного смещени  с компонентами , и на выходе сумматора 16 напр жение будет равно: I

-i ) - положение I;

t

- ) - положение II .

зоэлемента 18 показывают, что благодар  согласованию исчезает полуволновой резонанс (при Q 3i ) и, так как пьезоэлемент нагружен инерционной массой (в данном случае стержнем), происходит расширение частотной полосы в области нижних частот. В результате полоса прозрачности увеличиваетс  не менее чем на пор док.

На фиг. 4 приведено сопоставление экспериментального (крива  19) и те- оре-тического (крива  20) спектров приемоизлучающей пары, установленной на блоке из оргстекла, толщина которого 100 мм. Графики норм ированы по амплитуде подаваемого напр жени  на источник. Несущественное расхождение объ сн етс  конечным размером контактов датчиков с поверхностью блока, так как при расчетах их считали малыми .

Предлагаема  конструкци  обладает, широкой частотной полосой - на уровне спада 1/2 от максимального значени  амплитуды характеристики - приблизительно от 30 до 300 кГц, т.е. более чем трем  октавами.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности , содержащий чувствительный элемент, состо щий из двух взаимно перпендикул рных друг другу пьезоэлементов с электродами и двух согласованных поглотителей , отличающийс  тем, что, с целью расширени  частотной полосы пропускани  и

   5 12901 повышени  точности измерени  векторных компонент колебательных смещений, один электрод каждого пьезоэлемента соединен со своим концентратором и заземлен, а другой соединен с согласо- ванным поглотителем,выполненным в виде спиралевидного стержн , помещенного в демпфирующую среду, и подключен к преобразователю сигналов, состо 37 6

   щему из переменного сдвоенного потенциометра , фазоинвертора, соединенного с выходом первого потенциометра, пе- реклйчател  и,сумматораэ при этом переключатель соединен с выходом фазоинвертора и выходом первого потенциометра , а сумматор - с выходом переключател  и выходом второго потенциометра .

   .l

   I

   Фиг2

   10

   Щ(

   в

   6

   ц

   I

   5

   иы-ю 8

   ФигЪ

   д luH/fj-j

   8

   6 .

   Ч г

   100200300

   (Риг,1

   Редактор А. Лежнина

   Составитель В. Крутин Техред И.Попович

   Заказ 7892/38

   Тираж 752

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

   /,/f/4

   Корректор И. Муска

   Подписное