ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Номер

02-017-06

Наименование проекта

Способ измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы

Назначение

Измерение амплитуды периодических механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности, для измерения амплитуды колебаний ультразвуковых колебательных систем при создании и эксплуатации у

Рекомендуемая область применения

Создание, ремонт и эксплуатация ультразвуковых технологических аппаратов.

Описание

            Результат выполнения конструкторской разработки.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения амплитуды ультразвуковых колебаний, и может быть использовано для настройки ультразвуковых технологических и медицинских аппаратов при их разработке и эксплуатации.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном способе измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы, при котором колебательную систему располагают так, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источника светового излучения, совмещают с ней неподвижно - установленную излучающую поверхность колебательной системы, освещают колеблющуюся поверхность и по ширине зоны частичной тени визуально измеряют амплитуду колебаний через микроскоп с окулярной шкалой или сеткой. Освещение излучающей поверхности осуществляют от источников формирующих в цилиндрический пучок импульсное световое излучение различных длин волн (цветов). При этом длительность импульсов устанавливают равной тысячной доле периода рабочих колебаний колебательной системы, а частоту следования импульсов устанавливают так, что моменты формирования импульсов светового излучения одной длины волн (цвета) совпадают с моментом максимального смещения излучающей поверхности в одном направлении, а момент формирования импульсов светового излучения другой длины волн (цвета) - с моментом максимального смещения в другом направлении. Амплитуду колебаний определяют по относительному смещению изображений излучающей поверхности в моменты формирования импульсов светового излучения различных длин волн (цветов).

Сущность изобретения поясняется на фиг.3 - 6.

На фиг.3. показана блок-схема оборудования (установки), реализующего предлагаемый способ измерения. Оборудование состоит из следующих основных частей:

1. микроскоп;

2. фиксатор колебательной системы;

3. исследуемая колебательная система;

4. осветительная система;

5. электронный блок.

Важнейшим узлом оборудования является осветительная система, в состав которой входят два источника светового излучения. В качестве источников светового излучения используются полупроводниковые светоизлучающие диоды высокой яркости свечения и оптическая система. Источники создают световое излучение различных длин волн (цветов), причем цвет излучения источников не содержит общих цветовых компонент. В связи с тем, что наибольшая чувствительность глаза соответствует длинноволновой части спектра видимого излучения, цвет свечения одного из светоизлучающих диодов выбирается красным, а другого - зеленым. Оптическая система формирует световое излучение от источников в цилиндрический пучок, оптическая ось которого совпадает с главной оптической осью объектива микроскопа.

Питание источников светового излучения осуществляется от электронного блока, структурная схема которого представлена на фиг.4. В состав электронного блока входят: устройство выделения сигнала синхронизации (УВСС) поз.1, синхронизируемый задающий генератор (СЗГ) поз.2, фазовый регулятор (ФР) поз.3, счетный триггер (СТ) поз.4, формирователь стробирующего импульса (ФСИ) поз.5, элементы «И» поз.6, поз.7, выходные ключи (ВК1, ВК2) поз.8, поз.9, которые управляют светоизлучающими диодами поз.10 и поз.11 осветительной системы. Буквами А-И обозначены контрольные точки.

На вход устройства выделения сигнала синхронизации поступает опорный электрический сигнал, частота которого совпадает с частотой механических колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. Синхросигналы, вырабатываемые устройством выделения сигнала синхронизации, поступают на вход задающего генератора. Задающий генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых в два раза превышает частоту опорного сигнала. Импульсы, вырабатываемые задающим генератором, поступают на вход фазового регулятора, который задерживает фронт выходного импульса относительно фронта входного импульса на заданный интервал времени. Импульсы с выхода фазового регулятора поступают на вход счетного триггера и формирователя стробирующего импульса. Счетный триггер имеет два противофазных выхода. Формирователь стробирующего импульса формирует короткие импульсы (длительностью менее одной тысячной доли периода опорного сигнала), частота повторения которых совпадает с частотой следования импульсов задающего генератора. На входы схемы «И» поступают сигналы с выходов счетного триггера и формирователя стробирующего импульса. Выходные ключи предназначены для усиления мощности сигналов, вырабатываемых схемами «И», до уровня, достаточного для управления светоизлучающими диодами осветительной системы. Временные диаграммы сигналов в контрольных точках А-И представлены на фиг.5. Буквой К отмечен график колебательного смещения излучающей поверхности.

Согласно предлагаемому техническому решению мгновенная яркость, создаваемая источником светового излучения в течение периода основных колебаний ультразвуковой колебательной системы, описывается выражением

где e₁ - яркость, создаваемая источником;

t₁ - момент формирования импульса;

t - длительность импульса.

Если t мало по сравнению с периодом колебаний, среднее значение яркости света в точке х может быть описано выражением

где х_a - положение излучающей поверхности в фазе колебаний, с которой синхронизирован импульс светового излучения.

Согласно предлагаемому способу момент формирования импульса первого источника синхронизирован с моментом нахождения излучающей поверхности в позиции х=-А, а момент формирования импульса второго источника с моментом нахождения излучающей поверхности в позиции х=А. Поскольку источники создают излучение различных длин волн (цветов), а зрение человека обладает свойством цветовой селективности, яркость следует представлять в векторной форме, соответствующей аддитивной колориметрической модели. Яркость света, создаваемого первым источником в точке х, записывается выражением

а яркость света, создаваемого вторым источником, - выражением

где Е₁, Е₂- векторные представления яркостей источников света согласно аддитивной колориметрической модели.

Из выражений (3) и (4) следует, что изображения, создаваемые двумя источниками светового излучения, оказываются смещенными относительно друг друга по оси х на расстояние, равное удвоенной амплитуде колебаний, и сменяют друг друга с частотой, равной удвоенной частоте колебаний.

Благодаря инерционности зрения смена изображений не замечается, а происходит сложение средних значений яркости света в чередующихся изображениях с учетом цветовых составляющих. Распределение яркости света в воспринимаемом глазом изображении записывается выражением

Из выражения следует, что воспринимаемое глазом изображение разбито на три зоны: зона №1 х<-А, окрашена в цвет, обусловленный сложением цвета двух источников. Зона №2 х принадлежит [-А, А], обусловленная относительным смещением двух изображений, окрашена в цвет излучения только одного из источников. Зона №3 х>А - темная. Яркость света в зоне №2 (х принадлежит [-А, А]) постоянна, поэтому обе границы х=-А и х=А могут наблюдаться одновременно, соответственно, не требуется постоянного перевода зрительного внимания и переадаптации глаза, что обеспечивает уменьшение влияния субъективных факторов на точность измерения и уменьшает время, необходимое на выполнение одного измерения.

Измерения выполняются следующим образом: колебательная система устанавливается в фиксаторе таким образом, что ее продольная акустическая ось располагается перпендикулярно главной оптической оси объектива микроскопа, а граница излучающей поверхности наблюдается в середине поля изображения микроскопа. На вход электронного блока подается сигнал синхронизации, в качестве которого может выступать напряжение или ток в цепи колебательной системы. Производится наблюдение через микроскоп. Регулируя фазу формирования импульсов, устанавливается максимальная ширина зоны перекрытия, которая соответствует размаху (удвоенной амплитуде) колебаний.

Фотография изображения (с указанием зон), полученного с помощью измерительной установки, показана на фиг.6.

Практически реализованный в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета способ измерения прошел лабораторные технические испытания. Минимальная измеряемая амплитуда колебаний составляла 10 мкм (определялась разрешением используемого микроскопа), максимальная амплитуда колебаний составляла 350 мкм (предельная амплитуда используемых колебательных систем), время одной процедуры измерения не более 1...3 секунд (вместо нескольких минут).

Преимущества перед известными аналогами

Обеспечивает получение абсолютного значения амплитуды колебаний без осуществления предварительной калибровки под конкретную измерительную ситуацию.

Стадия освоения

Опытный образец

Результаты испытаний

Соответствует технической характеристике изделия (устройства)

Технико-экономический эффект

Повышение точности в 2 раза и скорости выполнения измерений без предварительной калибровки. Увеличение динамического диапазона измеряемых амплитуд.

Возможность передачи за рубеж

Возможна передача за рубеж

Дата поступления материала

28.09.2006