Спосіб вимірювання просторово-часових характеристик лінійних фазованих антенних решіток п’єзоелектричних перетворювачів на основі принципу суперпозиції

Реферат: Спосіб вимірювання просторово-часових характеристик лінійних фазованих антенних решіток п'єзоелектричних перетворювачів включає багатоканальну генерацію високовольтних сигналів заданої амплітуди, частоти та фази для сумісного збудження п'єзоелементів фазованої антенної решітки, випромінювання акустичних сигналів в досліджуване середовище, прийом та перетворення акустичних сигналів в електричні прийомним сфокусованим п'єзоелектричним перетворювачем при послідовному обході поля випромінювання лінійної фазованої антенної решітки в секторі кутів ±90° на рівновіддаленій відстані від центра фазованої антенної решітки, аналогово-цифрове перетворення прийнятих електричних сигналів. Формування просторовочасових характеристик відбувається введенням міжканальних часових затримок в багатоканальному блоці випромінювання на основі принципу лінійної суперпозиції, тобто збудження елементів фазованої антенної решітки виконується індивідуально почергово одним каналом випромінювання з постійними характеристиками. UA 93323 U (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ПРОСТОРОВО-ЧАСОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛІНІЙНИХ ФАЗОВАНИХ АНТЕННИХ РЕШІТОК П'ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ НА ОСНОВІ ПРИНЦИПУ СУПЕРПОЗИЦІЇ UA 93323 U UA 93323 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області неруйнівного ультразвукового контролю, а саме до методів вимірювання параметрів контактних лінійних фазованих антенних решіток (ФАР) п'єзоелектричних перетворювачів. Під час використання контактних лінійних фазованих антенних решіток п'єзоелектричних перетворювачів в складі ультразвукових систем неруйнівного контролю виробів з металів, для підвищення точності та вірогідності контролю, обов'язковим є адекватне визначення просторово-часових характеристик реальних фазованих антенних решіток в умовах, максимально наближених до робочих. Відомий спосіб вимірювання просторово-часових характеристик контактних лінійних фазованих антенних решіток [1], що включає багатоканальну генерацію високовольтних сигналів заданої амплітуди, частоти та фази для сумісного збудження п'єзоелементів фазованої антенної решітки, випромінювання акустичних сигналів в стальний зразок з боковими отворами (імітаторами дефектів) на різних відстанях від поверхні, де розташована апертура (прийомно-випромінююча поверхня) фазованої антенної решітки, багатоканальний прийом та реєстрацію луно-імпульсів від імітаторів дефектів. Зазначений спосіб дозволяє проводити вимірювання просторово-часових характеристик, безпосередньо за допомогою ультразвукової системи неруйнівного контролю, в склад якої входить лінійна фазована антенна решітка. Недоліком даного способу вимірювання є вплив похибок на точність вимірювання просторово-часових характеристик, що обумовлені міжканальною неідентичністю багатоканальних трактів випромінювання та прийому сигналів. Найбільш близьким за технічною суттю до рішення, що заявляється, є спосіб вимірювання просторово-часових характеристик контактних лінійних фазованих антенних решіток в режимі випромінювання імпульсних сигналів [2], що включає багатоканальну генерацію високовольтних сигналів заданої амплітуди, частоти та фази для сумісного збудження п'єзоелементів фазованої антенної решітки, випромінювання акустичних сигналів в досліджуване середовище, прийом та перетворення акустичних сигналів в електричні прийомним сфокусованим п'єзоелектричним перетворювачем при послідовному обході поля випромінювання лінійної фазованої антенної решітки в секторі кутів ±90° на рівновіддаленій відстані від центру фазованої антенної решітки, аналогово-цифрове перетворення прийнятих електричних сигналів, формування просторовочасових характеристик відбувається введенням міжканальних часових затримок в багатоканальному блоці випромінювання. Цей спосіб дозволяє ефективно вимірювати просторово-часові характеристики контактних лінійних фазованих антенних решіток п'єзоелектричних перетворювачів в режимі випромінювання імпульсних сигналів і уникнути впливу похибок, що обумовлені міжканальною неідентичністю багатоканального тракту прийому, проте похибки, що обумовлені міжканальною неідентичностю багатоканального блока випромінювання, залишаються і не дозволяють отримати адекватні просторово-часові характеристики реальних фазованих антенних решіток п'єзоелектричних перетворювачів. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу вимірювання просторово-часових характеристик контактних лінійних фазованих антенних решіток з метою отримання адекватних просторово-часових характеристик реальних фазованих антенних решіток шляхом підвищення точності вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання просторово-часових характеристик лінійних фазованих антенних решіток, який включає багатоканальну генерацію високовольтних сигналів заданої амплітуди, частоти та фази для сумісного збудження п'єзоелементів фазованої антенної решітки, випромінювання акустичних сигналів в досліджуване середовище, прийом та перетворення акустичних сигналів в електричні прийомним сфокусованим п'єзоелектричним перетворювачем при послідовному обході поля випромінювання лінійної фазованої антенної решітки в секторі кутів ±90° на рівновіддаленій відстані від центра фазованої антенної решітки, аналогово-цифрове перетворення прийнятих електричних сигналів, формування просторово-часових характеристик відбувається введенням міжканальних часових затримок в багатоканальному блоці випромінювання, згідно з корисною моделлю, формування просторово-часових характеристик відбувається на основі принципу лінійної суперпозиції, тобто збудження п'єзоелементів фазованої антенної решітки виконується індивідуально почергово одним каналом випромінювання з постійними характеристиками, формування просторово-часових характеристик відбувається в пам'яті комп'ютера, введенням цифрових затримок з підвищеною міжканальною ідентичністю до заданих відліків прийнятих сигналів та подальшого сумування цих сигналів, крім того, прийом та перетворення акустичних сигналів в електричні виконується за допомогою точкового п'єзоелектричного перетворювача з підвищеною чутливістю, геометричні розміри апертури якого рівні просторовій довжині акустичної хвилі в досліджуваному середовищі. 1 UA 93323 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Індивідуальне збудження п'єзоелементів ФАР, тобто за допомогою одного каналу випромінювання, та індивідуальний прийом випромінених сигналів, зберігання цифрових відліків прийнятих сигналів і цифрове формування просторово-часових характеристик введенням цифрових затримок з підвищеною міжканальною ідентичністю до заданих відліків прийнятих сигналів та подальше сумування цих сигналів призводить до усунення міжканальних відхилень, які присутні при багатоканальному збудженні елементів лінійних ФАР. Спосіб реалізується за допомогою установки, структурна схема якої зображена на фіг. 1, де: 1 - генератор радіоімпульсів; 2 - аналоговий перемикач; 3 - лінійна фазована антенна решітка п'єзоелектричних перетворювачів; 4 - імітатор робочого середовища та акустичне навантаження; 5 - контактна рідина; 6 - точковий п'єзоелектричний перетворювач; 7 - амплітудний обмежувач; 8 - попередній підсилювач; 9 - підсилювач зі змінним коефіцієнтом підсилення; 10 - цифровий осцилограф; 11 - персональний комп'ютер; 12 - цифро-аналоговий перетворювач; 13 - механічний пристрій орієнтації та фіксації фазованої антенної решітки; 14 - механічний пристрій для переміщення точкового п'єзоелектричного перетворювача. Установка містить лінійну фазовану антенну решітку п'єзоелектричних перетворювачів 3, що розташована на плоскопаралельній поверхні акустичного навантаження 4 (виконане у формі півциліндра) та підключена до генератора радіоімпульсів 1 через аналоговий перемикач каналів 2 і точкового п'єзоелектричного перетворювача 6, виконаного на основі п'єзокомпозитної кераміки, що розташований на циліндричній поверхні акустичного навантаження та підключений до одноканального блока прийому, в який входить амплітудний обмежувач 7, попередній підсилювач 8, широкосмуговий підсилювач 9, цифро-аналоговий перетворювач для керування широкосмуговим підсилювачем 12, цифровий осцилограф 10 та персональний комп'ютер 11. Орієнтація та фіксація фазованої антенної решітки виконується за допомогою механічного пристрою 13, для переміщення точкового п'єзоелектричного перетворювача вздовж дуги півциліндра використовується механічний пристрій 14. Спосіб реалізується наступним чином: генератор 1 формує радіоімпульси заданої амплітуди, частоти та фази, які через аналоговий перемикач каналів 2 по черзі подаються на п'єзоелементи фазованої антенної решітки 3, які випромінюють акустичні сигнали в імітатор робочого середовища 4, точковий п'єзоелектричний перетворювач, що розташований на циліндричній поверхні імітатора, в дальній зоні випромінювання фазованої антенної решітки, приймає акустичні сигнали та перетворює їх в електричні. В аналоговій частині прийомного тракту за допомогою амплітудного обмежувача, попереднього підсилювача та широкосмугового підсилювача виконується масштабне перетворення прийнятих електричних сигналів. Цифровий осцилограф 10 формує цифрові відліки прийнятих електричних сигналів, які зберігаються в пам'яті комп'ютера. Далі за допомогою програмного забезпечення виконується цифрове формування просторово-часових характеристик на основі принципу лінійної суперпозиції введенням цифрових затримок з підвищеною міжканальною ідентичністю до заданих відліків прийнятих сигналів з подальшим сумуванням цих сигналів. Процес цифрового формування часових характеристик описується наступним виразом (фіг. 2): U (x, z,nT )  N 2  r   Ui x, z, T n  i  iDi  , де: c   N  i   2 Ui - відліки прийнятого електричного сигналу від i-го п'єзоелемента ФАР; U - сумарний прийнятий сигнал для заданого просторового положення точкового 50 55 п'єзоелектричного перетворювача C(x, z) ; Т - період дискретизації; ri t - відстань від і-го п'єзоелемента фазованої антенної решітки до точкового п'єзоелектричного перетворювача C(x, z) ; D i - цифрова затримка для і-го п'єзоелемента при заданому куті відхилення характеристики напрямленості лінійної фазованої антенної решітки, визначається наступним виразом: 2 UA 93323 U d  sin( ) , де: T c d - відстань між п'єзоелементами; c - швидкість ультразвуку в імітаторі середовища. Часова затримка D повинна бути цілим числом, оскільки час у відліках прийнятих сигналів є дискретним. Оскільки період дискретизації є постійним, то цифровим шляхом можна сформувати кінцеве число просторово-часових характеристик. Проте за допомогою підвищення частоти дискретизації можна отримувати задані цифрові відліки прийнятих сигналів з меншим періодом дискретизації і вносити менші часові затримки. Таким чином з'являється можливість формувати більшу кількість просторово-часових характеристик. Виміряна часова характеристика лінійної фазованої антенної решітки для заданого напрямку C(x, z) буде мати наступний вигляд: U(nT)  U (x, z,nT) . Di  5 10 Виміряна характеристика напрямленості R(x, z) лінійної фазованої антенної решітки п'єзоелектричних перетворювачів визначається наступним виразом: 15 R( x, z)  max t U ( x, z, nT ) , де: U ( x 0 , z0 , nT ) U (x, z,nT ) - максимально можливе в часі значення модуля суми цифрових відліків електричної напруги в точці поля C(x, z) ; U (x, z,nT ) - максимальне можливе в часі значення модуля суми цифрових відліків 20 25 електричної напруги в рівновіддаленій точці поля C(x 0, z0 ) , де акустичний тиск має максимальне значення. Як показують результати комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень, точність вимірювання просторово-часових характеристик в результаті застосування пропонованого способу вища порівняно із способом - найближчим аналогом, окрім того зменшується вартість та складність вимірювальної установки. Джерела інформації: 1. Е2491-08. Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Testing Instruments and Systems. 2. Clay A. C. Experimental Study of Phased Array Beam Steering Characteristics / A. C. Clay, S.C. Wooh, L. Azar, J.-Y. Wang // Journal of Nondestructive Evaluation – 1999-Vol. 18, № 2. – Р. 59-71. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 1. Спосіб вимірювання просторово-часових характеристик лінійних фазованих антенних решіток п'єзоелектричних перетворювачів, що включає багатоканальну генерацію високовольтних сигналів заданої амплітуди, частоти та фази для сумісного збудження п'єзоелементів фазованої антенної решітки, випромінювання акустичних сигналів в досліджуване середовище, прийом та перетворення акустичних сигналів в електричні прийомним сфокусованим п'єзоелектричним перетворювачем при послідовному обході поля випромінювання лінійної фазованої антенної решітки в секторі кутів ±90° на рівновіддаленій відстані від центра фазованої антенної решітки, аналогово-цифрове перетворення прийнятих електричних сигналів, формування просторовочасових характеристик відбувається введенням міжканальних часових затримок в багатоканальному блоці випромінювання, який відрізняється тим, що формування просторовочасових характеристик відбувається на основі принципу лінійної суперпозиції, тобто збудження елементів фазованої антенної решітки виконується індивідуально почергово одним каналом випромінювання з постійними характеристиками. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що формування просторово-часових характеристик відбувається в пам'яті комп'ютера шляхом введення цифрових затримок з підвищеною міжканальною ідентичністю до заданих відліків прийнятих сигналів та подальшого сумування цих сигналів. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що прийом та перетворення акустичних сигналів в електричні виконується за допомогою точкового п'єзоелектричного перетворювача з підвищеною чутливістю, геометричні розміри апертури якого рівні просторовій довжині акустичної хвилі в досліджуваному середовищі. 3 UA 93323 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4