Х/4-вибратор (четвертьволновый излучатель)

На пути от пьезокерамического эле­мента до среды распространения ульт­развуковые волны (колебания давле­ния) проходят через материалы с раз­личными акустическими импеданса-ми. Характеристикой эффективности перехода волны из одной среды в дру­гую является коэффициент передачи. Коэффициент передачи между пьезокерамикой и воздухом лежит в облас­ти от 10–⁵ до 10–⁴; это очень мало, и, как следствие, никакого излучения не происходит. Коэффициент передачи значительно увеличивается посредст­вом применения разделительного слоя между пьезокерамикой и возду­хом. Материалом, использование ко­торого в качестве разделительного слоя обеспечивает наибольший эф­фект передачи, является композиция пустотелых стеклянных шариков и эпоксидной смолы. Этот материал по­лучил широкое распространение не только благодаря возможности созда­ния на его основе согласующего импе­данса, но и из-за стойкости к воздей­ствию факторов окружающей среды, небольшого внутреннего затухания и хороших механических свойств. Тол­щина разделительного слоя рассчиты­вается таким образом, чтобы она со ставила ровно четверть длины излуча­емой волны (λ/4). В силу резонансных явлений именно при такой толщине слоя достигается наибольшая ампли­туда колебания на поверхности излу­чателя.

Основные характеристики:

• высокое акустическое давление;

• узкая диаграмма направленности из­лучения;

• среднее время затухания;

• небольшой диапазон длин волн;

• возможность работы с высокими ча­стотами;

• отсутствие электропроводящих дета­лей на поверхности.

 

     Рис. 4. Схематичное представление

  мембранного преобразователя

 

 

В номенклатуре изделий фирмы Pepperl+Fuchs в большинстве случаев применяются преобразователи на ос­нове четвертьволнового вибратора.

Рис. 5. Схематичное представление излучателя фирмы Pepperl+Fuchs

Форма диаграммы направленности зависит от размеров поверхности излу­чения, частоты излучаемых колебаний и фазового соотношения сигналов от разных участков поверхности излуча­теля. Если необходимо получить узко­направленный луч ультразвуковых ко­лебаний, диаметр излучающей поверх­ности должен быть выбран соизмери­мым с длиной волны генерируемых колебаний.

 

Рис. 6. Соотношение узлов и пучностей волны излучения

Рис. 7. Распределение амплитуды колебаний

для излучателя Pepperl+Fuchs

 

 

Рис. 8. Пример реальной диаграммы направленности излучения ультразвукового датчика UJ4000-FP-H12

Вместе с тем увеличение соб­ственной частоты излучателя тоже свя­зано с уменьшением его диаметра. Компромисс между стремлениями уменьшить размеры излучателя и со­хранить энергетические свойства пре­образователя достигается за счёт по­крытия пьезокерамического элемента с небольшим диаметром большим по объёму разделительным слоем (рис. 5). В этом случае особое внимание уделя­ется проблеме обеспечения синфазности излучения на всей поверхности разделительного слоя, так как при его значительных размерах возникают не только полезные поперечные колеба­ния, но и другие колебания (моды), ис­кажающие требуемое фазовое соотно­шение излучаемых сигналов. Разреше­ние данной проблемы во многом свя­зано с выбором способа компоновки излучателя и разделительного слоя внутри преобразователя.

В четвертьволновом вибраторе амп­литуда колебаний в граничной плоско­сти между ПКЭ и разделительным сло­ем значительно меньше амплитуды на поверхности разделительного слоя и может быть рассмотрена как амплитуда колебаний в узловой плоскости (рис. 6). При компоновке, выбранной фирмой Pepperl+Fuchs (рис. 7), на пе­реднюю и заднюю поверхности излуча­теля с толщиной разделительного слоя Х/2 приходятся пучности стоячей вол­ны излучения, а на ПКЭ, расположен­ный в середине разделительного слоя (λ/4), — её узловые точки (расстояние между соседними узлами или соседни­ми пучностями всегда равно половине длины волны). Это обеспечивает высо­кую эффективность работы датчика при низком энергопотреблении, а так­же приводит к тому, что фазовое соот­ношение искажается лишь в зоне гра­ницы между ПКЭ и разделительным слоем, а следовательно, распространя­ется только на сигналы с минимальной амплитудой и практически не приво­дит к искажению суммарного излучае­мого сигнала (эпюра на рис. 7).

На рис. 8 приведён пример диа­граммы направленности излучения ультразвукового датчика UJ4000-FP-H12 фирмы Pepperl+Fuchs (диаметр излучателя 50 мм, диапазон измере­ния до 4 м, частота излучателя 90 кГц, время изменения амплитуды от мак­симального значения до уровня 1/10 максимума примерно 500 мкс) с ука­занием зон чувствительности, соответствующих измеряемым объектам с разными отражательными свойства­ми и размерами; диаграмма построена на основе реальных измеренных дан­ных, нормированных по звуковому давлению при 0°С.

Электронная часть датчика

Для того чтобы ультразвуковой пре­образователь был способен восприни­мать входные воздействия и представ­лять их в виде, приемлемом для даль­нейшей обработки, ему необходимо добавить некоторые дополнительные компоненты; только после этого полу­ченное интегрированное устройство можно назвать датчиком.

Основными компонентами элек­тронной части ультразвуковых датчи­ков фирмы Pepperl+Fuchs являются блоки излучателя и приёмного усили­теля (рис. 9).

Блок излучателя

Излучатель включает в себя элек­тронный ключ, генератор колебаний и усилительный выходной каскад, с вы­хода которого выдаётся напряжение 250 В, требуемое для возбуждения пье­зокерамического элемента. Генератор предварительно настраивается на резо­нансную частоту ультразвукового пре­образователя. Резонансная частота зависит от типа датчика: она лежит в ди­апазоне до 70 кГц для преобразователей с зоной срабатывания до 6 м и в диапа­зоне до 170 кГц для преобразователей с зоной срабатывания 1 м. Электронный ключ включает и выключает генератор в зависимости от длительности им­пульса запуска, тем самым формиру­ются последовательности импульсов излучения разной длины.

Блок приёмного усилителя

Приёмник состоит из ограничителя, усилителя с регулируемым коэффици­ентом усиления, селективного усили­теля, выходного усилительного каскада и компаратора.

Сигнал принимаемый от ультразвукового преобразователя, может иметь амплитуду в диапазоне от нескольких вольт. Для обеспечения возможности дальнейшей обработки ограничитель отсекает амплитуды принимаемых сигналов до значений, не превышаю­щих +0,7 В; это также защищает уси­литель от слишком высокого напря­жения. Сигналы, отражённые от фо­на, подавляются на усилителе с регу­лируемым коэффициентом усиления. Этот же усилитель совместно со схемой управления усилением препятст­вует уменьшению амплитуды отра­жённого сигнала при увеличении рас­стояния между измеряемым объектом и датчиком. Назначение селективного усилителя заключается в том, чтобы отфильтро­вывать случайные (паразитные, побоч­ные) ультразвуковые сигналы и пропу­скать к дальнейшей обработке только полезный сигнал. Этот сигнал демодулируется, детектируется и только затем полученная огибающая усиливается.

Рис. 9. Блок-схемы излучателя и приёмного усилителя

Амплитуда огибающей сравнивается с предварительно установленным поро­гом на компараторе; в случае когда по­роговое напряжение превышено, на выходе возникает импульс, равный по амплитуде напряжению питания, и пе­редаётся для обработки в электронную схему.

Блок обработки и управления

Кроме излучателя и приёмника, со­временный ультразвуковой датчик должен иметь в своём составе электронную схему обработки сигнала и управления распределением времен­ных интервалов и функционированием выходного каскада датчика (рис. 10). Так как электронная часть датчика должна решать сложные задачи управ­ления, предпочтительнее применять микропроцессорную схему. Дополни­тельным преимуществом в данном слу­чае является то, что алгоритм обработ­ки может быть не жёстко установлен­ным, а гибким и реализованным в виде программы. Одна и та же микропро­цессорная схема может применяться для управления разнообразными вы­ходными каскадами или выполнять об­работку сигналов по разным алгорит­мам.

 

 

 

 

Рис. 10. Блок-схема ультразвукового датчика

 

Функциями, которые выполняются встроенным контроллером, обычно яв­ляются генерирование тактовой часто­ты, управление длительностью излуча­емого импульса, определение времени распространения отражённого сигна­ла, распознавание сигналов помехового происхождения, управление выход­ным каскадом и самодиагностика. Кроме того, контроллер может уста­навливать связь с центральным ком­пьютером через соответствующий ин­терфейс.

Конструктивное исполнение

Многие ультразвуковые датчики фирмы Pepperl+Fuchs имеют традици­онную для данного типа изделий конструкцию. Исключение составляют датчики в прямоугольном корпусе типа VariKont.

Датчик в прямоугольном корпусе со­стоит из трёх частей: узла измерительного преобразователя с аналого­выми каскадами излучателя и приёмника, узла с контролле­ром и выходным каскадом, ос­нования с терминальным отсе­ком для подключения электри­ческих входных и выходных сиг­налов. Часть корпуса, в которой размещён ультразвуковой преобразователь, может быть установлена под разными углами относительно ос­нования корпуса, что позволяет при жё­стко зафиксированном основании кон­тролировать различные направления в пространстве. Ультразвуковой преобра­зователь встроен в корпус датчика и герметизизирован пенополиуретаном. Разъёмное соединение между основной частью корпуса, которая вмещает всю электронику, и основанием позволяет осуществлять ремонт или замену узлов датчика без его демонтажа.

 

Основные принципы работы

Преобразователь посылает пачку ультразвуковых импульсов и формиру­ет напряжении

соответствующее при­нятому отражённому сигналу. Встроен­ный контроллер вычисляет расстояние по

времени распространения эхо-сиг­нала и скорости звука. Длительность излучаемого импульса и время затуха­ния колебаний (переходных процес­сов) ультразвукового преобразователя определяют размер «слепой» зоны, в которой датчик не может обнаружить объект.

 

                            Рис.12. Зона обнаружения ультразвукового датчика

 Встроен­ный контроллер вычисляет расстояние по

времени распространения эхо-сиг­нала и скорости звука. Длительность излучаемого импульса и время затуха­ния колебаний (переходных процес­сов) ультразвукового преобразователя определяют размер «слепой» зоны, в которой датчик не может обнаружить объект.

Частота ультразвуковых колебаний лежит в диапазоне от 65 до 400 кГц в за­висимости от типа датчика; частота по­вторения пачек импульсов находится между 14 и 140 Гц.

Важнейшей характеристикой ультра­звукового датчика является размер зо­ны обнаружения (рис. 12). Зона огра­ничена минимальным и максималь­ным расстояниями обнаружения, зна­чения которых зависят от параметров преобразователя. Максимальное рас­стояние обнаружения указывается в коде маркировки датчика.

В зависимости от используемых ме­тодов различают несколько типов ультразвуковых датчиков, основными из которых являются датчики, осуще­ствляющие измерение времени, за­трачиваемого звуком на распростра­нение до измеряемого объекта и об­ратно (непосредственное обнаруже­ние), и датчики, выполняющие про­верку приёма переданного сигнала (ретрорефлективный, или рефлектор­ный метод).