научная статья по теме УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ»

Конструирование и производство

датчиков, приборов и систем

УДК 620.179.16

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

А. Е. Глаголев

Описаны принцип действия и конструкция нового вида ультразвуковых индукционных пьезопреобразователей с параметрическим усилением сигнала. Показана возможность использования таких преобразователей для УЗ-контроля сред с большим затуханием сигнала.

Ключевые слова: ультразвуковой индукционный преобразователь, повышение чувствительности дефектоскопа.

При проведении УЗ-контроля в сложных условиях прохождения сигнала (сильное затухание УЗК в материале, большая глубина прозвучива-ния и т. п.) важным фактором является чувствительность самих пьезопреобразователей (ПЭП) на излучение и прием УЗК. И если в случае излучения мощность излучаемых УЗ-колебаний ограничена в основном электропрочностью пьезоэлемента ПЭП, то на прием малых УЗ-сигналов ограничение налагает коэффициент электромеханической связи пьезоэлемента емкостного ПЭП, который не может быть более единицы, а обычно составляет величину около 0,5.

Для существенного усиления приемного УЗ-сигнала при преобразовании его в электрический автором предложено применять внешнюю накачку мощности путем периодического изменения магнитной проницаемости магнитного сердечника катушки описанного ранее индукционного пьезопреобразователя (ИПЭП) [1].

Предлагаемый ИПЭП (рис. 1) содержит дисковую пьезопластину 1, охваченную двумя кольцевыми магнитными сердечниками 2, на которые намотана одна общая сигнальная обмотка 3 и две обмотки накачки 4, соединенные последовательно-встречно [2].

На рис. 2 показана электрическая схема ИПЭП, а на рис. 3 — схема ультразвуковой установки для испытания предлагаемого способа усиления сигнала.

При включении такого преобразователя в установку (см. рис. 3) ток накачки генератора 9 с помощью обмоток 4 возбуждал в магнитных сердечниках 2 магнитные потоки накачки, направленные встречно. Эти потоки изменяли магнит-

ную проницаемость сердечников, усиливая тем самым магнитный поток сигнала и напряжение сигнала на выводах обмотки 3. При этом на выводах обмотки 3 напряжение, наводимое магнитным потоком накачки, может быть подавлено балансировкой схемы с помощью потенциометра Я.

Для осуществления параметрической накачки частоту /н магнитного поля накачки выбирают из соотношения п/н/2 < /н < и/в/2, где /н и /в — нижняя и верхняя частота спектра сигналов акустического поля соответственно, п — целое число (п = 1, 2, 3...).

Таким образом, частота изменения поля накачки /н близка либо к самой частоте сигнала (при п = 2), либо в целое число раз больше или меньше половины частоты сигнала, т. е. /н = ус/2(п)^, где п — целое число (п = 1; 2; 3...), а к — (+1) или (—1).

Известно, что периодические изменения параметра элемента системы, в котором сосредоточена энергия колебаний сигнала, могут вызвать явление раскачки этих колебании за счет компенсации потерь энергии параметрическим эффек-

2 1 гг

-п® 4 3

Рис. 1. Конструкция параметрического ИПЭП:

1 — дисковый пьезоэлемент; 2 — кольцевые магнитные сердечники; 3 — сигнальная обмотка; 4 — обмотки накачки

50 _Бепвогв & БувГетв • № 10.2009

Рис. 2. Электрическая схема параметрического ИПЭП:

Z — дисковый пьезоэлемент; ¿1, Ь'[ — общая сигнальная обмотка; ¿2 и ¿з — обмотки накачки; Я — подстроечный потенциометр

том, т. е. происходит увеличение выходного сигнала при том же входном, причем эти изменения параметра элемента системы могут происходить по любому закону периодически с частотой либо равной частоте сигнала, либо в целое число раз больше или меньше половины частоты сигнала, либо вблизи этих частот в пределах полосы частот (зоны неустойчивости) [3].

Предложенный способ повышает чувствительность электроакустического тракта дефектоскопа к сигналам дефектов, усиливает такие сигналы непосредственно в ультразвуковом преобразователе, что позволяет уменьшить число каскадов усиления в электронных блоках дефектоскопа и тем самым снизить уровень электронных шумов на выходе дефектоскопа, упростить его схему и конструкцию, повысить надежность дефектоскопа и результатов контроля. Кроме того, так как такой способ ультразвукового контроля наиболее эффективен для сигналов, синфазных или противофазных полю накачки, и подавляет сигналы, имеющие фазовые сдвиги ±90° относительно накачки, то выбором соответствующего фазового сдвига поля накачки относительно зондирующего импульса дефектоскопа могут быть подавлены мешающие эхосигналы от дна или структурных элементов контролируемого изделия. Для осуществления предложенного способа применя-

ется стандартное дефектоскопическое оборудование, генератор стандартных сигналов для накачки и индукционный пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь с дополнительной обмоткой подмагничивания.

Пример. Дисковый пьезоэлемент (см. рис. 1, 2) толщиной 1,1 мм и диаметром 10 мм из пьезоке-рамики ЦТС-19 охвачен двумя кольцевыми магнитными сердечниками типа К20*12*6 из феррита 400НН, на которые намотана одна общая сигнальная обмотка в виде 10 витков провода МГТФ-0,14 и две обмотки накачки по 5 витков того же провода, соединенные последовательно-встречно.

С помощью дефектоскопа типа УД-10П прямой преобразователь П111-2,5 через звукопровод из оргстекла диаметром 10 мм и длиной 50 мм облучал ультразвуковым импульсом частотой около 2 МГц ультразвуковой индукционный преобразователь ИПЭП (см. рис. 1). Сигнальная обмотка преобразователя была присоединена к входу дефектоскопа, а его обмотки накачки — к потенциометру Я с сопротивлением 470 Ом типа СП4-1 и генератору накачки типа Г4-18. Потенциометром Я балансировали преобразователь ИПЭП так, чтобы в сигнальной цепи получить минимальный уровень наводки напряжения накачки. Затем подбором частоты накачки генератора добивались наибольшего уровня сигнала УЗ импульса на экране дефектоскопа. Таким образом, на частоте накачки 2,00 МГц и напряжении генератора 80—100 мВ сигнал на входе дефектоскопа изменялся с 25 дБ (без накачки) до 32—34 дБ (с накачкой) по аттенюатору дефектоскопа при размахе импульса на

9

9

5

Вход Выход

Рис. 3. Дефектоскопическая установка:

5 — УЗ дефектоскоп типа УД-10П; 6 — прямой пьезопреобра-зователь П111-2,5; 7 — звукопровод; 8 — параметрический ИПЭП (см. рис. 1); 9 — генератор накачки типа Г4-18; Я — балансировочный потенциометр типа СП4-1 (поз. 1—4 показаны на рис. 1)

Датчики и Системы • № 10.2009 _ 51

экране в 5 клеток, т. е. было получено увеличение коэффициента преобразования сигнала на 7—9 дБ при его преобразовании из ультразвука в электрический ток.

Далее ультразвуковой преобразователь (ИПЭП) был применен для эхоимпульсного контроля однородности структуры графитовых блоков толщиной 100 мм. При этом пьезопластина преобразователя выполнялась с металлическими обкладками на торцевых поверхностях, которые присоединялись к выходу генератора дефектоскопа. Последний вырабатывал импульс, возбуждавший с помощью обкладок пьезоэлемент, прижатый через смазку глицерином к плоской поверхности графитового блока. Ультразвук от пьезоэлемента распространялся в контролируемом блоке и в случае наличия дефекта типа трещины или пустот отражался от дефекта и возвращался на пьезоэлемент, посредством которого преобразовывался в электромагнитное поле.

Магнитная составляющая этого поля наводила в магнитных сердечниках магнитные потоки, преобразуемые сигнальной обмоткой в ЭДС сигнала, поступающего в приемный тракт дефектоскопа и отображавшегося на его экране в виде импульса. Для браковочного дефекта диаметром 1—1,2 мм на глубине 50—70 мм величина сигнала

при отключенном генераторе составляла 1—1,5 дел. по шкале экрана дефектоскопа при положении его аттенюатора "0 дБ", что явно недостаточно для надежной разбраковки изделий в автоматическом режиме контроля из-за большого влияния на вероятность пропуска дефекта и ложной браковки случайных шумов, уровень которых всего в 2—3 раза ниже уровня сигнала. При подаче от генератора напряжения накачки 150 мВ частотой 2,0 МГц уровень сигнала на экране дефектоскопа увеличился до 2,5—3 дел., т. е. на 6—8 дБ, что стало в 6—7 раз больше уровня случайных шумов, что позволило получить надежное выявление браковочных дефектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глаголев А.Е. Ультразвуковые индукционные пьезопре-образователи // Датчики и системы. — 2008. — № 8. — С. 37—40.

2. А. с. 1346026 СССР. Способ электроакустического преобразования / А.Е.Глаголев. М.Кл. H 04 R 23/00 // Бюл. — 1987. — № 38. — С. 271.

3. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Сов. Энциклопедия, 1983. — С. 520.

Александр Евгеньевич Глаголев — канд. техн. наук, инженер ОАО "Подольск-Цемент";

® 8 (4967) 63-87-98

E-mail: ta53@mail.ru □

УДК 681.586.326

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Н. Л. Данилова, В. В. Панков, В. С. Суханов

Рассмотрены конструкции микроэлектронных преобразователей абсолютного давления, выполненных на базе кремниевого тензорезистивного преобразователя давления мембранного типа. Приведена конструкция, обеспечивающая защиту микроэлектронного преобразователя от воздействия окружающей среды. Ключевые слова: преобразователь абсолютного давления, соединительное стекло, малогабаритный тензомодуль, чувствительный элемент давления.

Преобразователи абсолютного давления — тензомодули серии ТДМ-А и ТДМ1-А для неагрессивных газовых сред на базе кристаллов интегральных преобразователей давления (ИПД) мембранного типа выпускаются в соответствии с ГОСТ 22520 на ряд давлений с пределами измерений от 0 до 0,01...10 МПа. На кристалле ИПД сформированы

тензосхема в виде моста Уитсто-на и схема температурной компенсации. В соответствии с указанными диапазонами давлений применяются три типа кристаллов: ИПД5.2, ИПД6 и ИПД9.1, отличающиеся размером кристалла и геометрией мембраны. Каждый преобразователь имеет индивидуальную характеристику преобразования давления в

выходное напряжение. Выходной сигнал ивых при поданном на тензомодуль давлении р вычисляется по формуле:

тт _ тт ^ ^вых.ном „

ивых - и0 + —--Р

Р ном

где Ц) — выходное напряжение при давлении р = 0

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком