Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Факультет авиационных и космических систем

Кафедра информационно-измерительной техники

Лабораторная работа №4

Пьезоэлектрические преобразователи и

ультразвуковая толщинометрия

Выполнила:

студентка 3–го курса

ФАКС, гр. ВВ-72

Чепижная Е.

Проверила:

Сикоза Е. Н.

Киев

2011

Цель работы: изучение принципа действия, устройства и основных характеристик ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей.

Приборы и принадлежности:

• ультразвуковые преобразователи;

• генератор сигналов;

• осцилограф;

• макет.

1. Краткие теоретические сведенья

1.1 Конструкция прямого пьезоэлектрического преобразователя

Прямой преобразователь выполнен так, что возбуждаемые звуковые волны при акустическом контакте с объектом, вводятся в изделие перпендикулярно к его поверхности.

Конструкция типичного прямого пьезоэлектрического преобразователя приведена на рис.1.1.

Рисунок 1.1

Он состоит из излучателя (колебательного элемента) 1, защитного слоя 2, демпфера 3 и содержит в случае необходимости устройство электрического согласования между ними 4. Все эти элементы вместе с электрическим разъемом 7 и проводом 5 размещены в корпусе 6.

Излучатель (колебательный элемент) представляет собой пластину (диск) из пьезоэлектрического материала. Толщина пластины определяется рабочей частотой преобразователя и должна быть равна половине длины волы ультразвуковых колебаний в материале пластины. На обеих сторонах пластины нанесены металлические (серебряные) электроды. Они должны быть более тонкими по сравнению с толщиной пластины, чтобы не нарушать ее акустических свойств.

Защитный слой служит для механической защиты преобразователя и выполнен так, чтобы возможно большая часть звука проходила из преобразователя в изделие.

Демпфер предназначен для поглощения звуковой энергии, выходящей с задней стороны излучателя (для обеспечения одностороннего излучения). Одновременно он служит держателем для преобразователя и придает ему необходимую стойкость против сжатий и ударов, возникающих при акустическом контакте. В результате этого излучатель получается демпфированным, что влияет на его поведение в начале и в конце колебательного процесса при импульсном возбуждении.

Излучатель (колебательный элемент) должен находиться в хорошем механическом контакте с защитным слоем и демпфером. Это обеспечивается склеиванием, пайкой или при помощи тонкого слоя жидкости. Однако в каждом случае соединяемые поверхности должны быть по возможности плоскими и гладкими чтобы обеспечить хороший переход звука. Толщина защитного слоя должна быть меньше 1/20 длины волны.

1.2 Измерение толщины

Рассмотренные преобразователи используются для измерения толщины объекта или уровня материала (жидкости), а также при построении ультразвуковых дефектоскопов.

Для измерения толщины используют метод отражения и резонансный метод. В редких случаях (при наличии двухстороннего доступа) применяют также метод прохождения. При контроле методами прохождения и отражения измеряют время пробега импульса в объекте контроля. Иногда определяют амплитуду прошедшего сигнала или его фазу (при непрерывном излучении).

Наиболее распространенным является эхо-импульсный метод. При этом измеряется интервал времени между началом зондирующего импульса и началом первого отраженного сигнала. Время t прохождения ультразвука в прямом и обратном направлениях, связано с измеряемой толщиной h следующим соотношением:

h=0.5ct,

где c – скорость ультразвука в материале объекта.

Погрешность измерения определяют по формуле

h/h=c/c+t/t.

Обычно перед началом измерений выполняют настройку на скорость ультразвука в изделии по образцу или участку изделия, где толщину можно измерить штангенциркулем или микрометром. Настройку осуществляют тем же способом, что и измерение толщины, но значение h считают известным, а с неизвестным.

Погрешность измерения времени определяется рядом факторов.

1.2.1 Погрешность измерительного устройства толщиномера, которая складывается из нелинейности временных развёрток и ограниченной точности индикаторного устройства (стрелочного или цифрового). Обычно эта погрешность составляет 0.5 ... 1.0 %,т.е. t₁/t=0.005...0.01.

1.2.2 Погрешность, связанная с конечной длительностью УЗ-импульса. Она пропорциональна периоду колебаний Т : коэффициент пропорциональности) и уменьшается с повышением частоты f=1/T. Если не принять специальных мер, то в результате действия случайных факторов отсчёт времени при двух измерениях может быть выполнен по разным периодам колебаний в импульсе. Например, если изменится амплитуда импульса, по которому определяют толщину, то измеряемый интервал времени может изменятся на период УЗ-колебаний или даже больше. В этом случае что приводит к большой погрешности. Во избежание этого измерение ведут по одному и тому же (желательно первому) периоду колебаний. Чтобы обеспечить выполнение этого условия, максимальную амплитуду импульса U_max поддерживают неизменной, а измерение выполняют на постоянном уровне U₀ . Желательно поддерживать постоянной амплитуду U₁ первого периода колебаний в импульсе, которая не связана однозначно с U_max , однако в техническом отношении это выполнить сложнее, чем стабилизировать U_max .

Уровень напряжения U₀ , при котором выполняют измерение, выбирают возможно низким, поскольку при этом больше крутизна фронта импульса (меньше ) и меньше вероятность выполнить настройку и измерение по разным периодам колебаний. Однако уровень U₀ должен быть выше уровня помех. Принимаемые меры позволяют уменьшить  до 0.1. В результате абсолютная погрешность измерения толщины, равная h=сТ=, на частоте 5 МГц составит 0.1 мм при с=5...6 км/с.

1.2.3 Погрешность акустического контакта. Если используют контактный способ измерения и время прохождения импульса через слой контактной жидкости между преобразователем и изделием включают в измеряемый интервал времени t, то измеряемую толщину завышают на значение h'=h_жc/c_ж , где h_ж и c_ж - толщина слоя жидкости и скорость звука в ней. Соответствующую погрешность можно было бы учесть как систематическую. Однако толщина слоя меняется вследствие изменения параметров шероховатости поверхности изделия, разного усилия прижатия преобразователя. В результате эта погрешность становится случайной. Если h_ж=0...0.2 мм, а c/c_ж=4, то h₃=2сt₃=h_жc/c_ж=0.2*4=0.8 мм, что значительно больше h₂.

Для уменьшения этой погрешности (особенно существенной при измерении малых толщин) повышают требования к качеству поверхности изделия, стабилизируют усилие прижатия преобразователя, выполняют настройку прибора и измерение на образцах с одинаковой шероховатостью поверхности.

1.2.4 При выполнении измерений этим методом необходимо учитывать существенную зависимость скорости ультразвука в материалах от температуры.

Увеличение погрешности с уменьшением толщины измеряемого изделия - характерная особенность эхо-метода толщинометрии.

1.3 Описание эксперимента и макета

Структурная схема эксперимента приведена на рис.1.2.

Рисунок 1.2

Генератор Г формирует короткий зондирующий импульс Q₀. Преобразователь И излучает ультразвуковой импульс, который через слой контактной смазки с, передаётся в материал м, толщина которого определяется.

Рисунок 1.3

Этот импульс (рис.1.3), пройдя через слой материала, отражается от нижней его края и возвращается обратно к преобразователю И, который теперь работает как приёмник. Таким образом, формируется первый эхо-импульс Q₁. Акустический сигнал при этом отражается от верхней кромки материала и повторяет путь зондирующего импульса, формируя импульсы вторичного отражения Q₂ и т.д. В результате получается -е число затухающих импульсов. Как зондирующий импульс, так и эхо-импульсы подаются через усилитель У на осциллограф Осц, с помощью которого и выполняется измерение временных интервалов.

Толщина материала определятся по формуле: h=0.5cT, где с - скорость ультразвука в данном материале, Т-время между импульсами Q₀ и Q₁.

На рис.3 представлен упрощенный вид формируемых импульсных сигналов, а на рис.1.4 приведен вид каждого реального импульсного сигнала.

Рисунок 1.4

2Порядок выполнения работы

2.1 Изучить принцип действия, конструктивные особенности и основные

характеристики прямых совмещённых пьезоэлектрических преобразователей,

и ультразвуковых толщиномеров.

2.2 Определить основные характеристики используемых ультразвуковых

преобразователей.

Схема эксперимента для определения основных характеристик приведена на рис.2.1.

Г – генератор;

О - осциллограф,

П- пьезоэлектрический преобразователь.

Эксперимент реализован на основе виртуальных приборов Lab4_1.vi пакета LabVIEW.

2.2.1 Измерить коэффициент двойного преобразования по напряжению для

однотипных преобразователей (на рабочей частоте).

Для этого запустить указанную выше программу.

Включить генератор и включить запуск программы.

Установить на генераторе значение рабочей частоты (для данных преобразователей - 2,5 MГц) и определенный уровень генерируемого сигнала.

Измерить выходное напряжение Un при определенном уровне генерируемого сигнала.

По полученным данным найти двойной коэффициент преобразования для сухого контакта (К_ии 1) и в присутствии смазки (жидкости) между преобразователями (К_ии 2) .

2.2.2 Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) преобразователя ( коэффициента двойного преобразования) для указанного ниже диапазона частот.

Ручкой частоты генератора плавно изменять значение частоты от 1МГц до 4МГц при фиксированном уровне генерируемого сигнала. Выполнить измерение выходного напряжения не менее чем в 10 точках частотного диапазона. Особое внимание обратить на фиксацию экстремума АЧХ.

Построить график зависимости К_uu = F(f).

Определить полосу пропускания преобразователей.

2.3Выполнить измерение толщины заданных образцов ультразвуковым импульсным эхо-методом.

Схема эксперимента для измерения толщины приведена на рис.2.3.

1 - пьезоэлектрический преобразователь ;

2- образец ;

3 - формирователь импульсов ;

4 - усилитель ;

3 и 4 входят в состав макета , который используется в данной лабораторной работе ;

5 - осциллограф.

Эксперимент реализован на основе виртуальных приборов Lab4_2.vi пакета LabVIEW.

(В данном эксперименте запустить программу Lab_Sens1_2.vi на выполнение в непрерывном режиме.)

В эксперименте необходимо измерить толщину слоя (уровень) жидкости в резервуаре.

Определить толщину слоя жидкости по времени прохождения импульса (от переднего фронта запускающего импульса до переднего фронта первого эхо-импульса). Измерение временных интервалов необходимо проводить с использованием маркера.

Выполнить измерения в пяти точках диапазона устанавливаемых уровней жидкостей.

При самостоятельном выполнении лабораторной работы, необходимо значения устанавливаемых уровней жидкостей h определить из соотношений таблицы 2.1:

Таблица 2.1 Исходные данные

h (в точках диапазона)	Значения
1	2+n,n=3,4
2	5+n,n=6,4
3	10+n,n=11,4
4	15+n,n=16,4
5	17+n,n=18,4

где nn=14 – две последние цифры шифра зачетной книжки студента.

Определить абсолютную погрешность измерения толщины ультразвуковым методом в каждой из установленных точек диапазона.

Измерения выполнить для двух типов жидкости: воды и глицерина.

Скорость ультразвука в воде св=1480 м/с.

Скорость ультразвука в глицерине сг=1920 м/с.

2.4 Оформить отчёт о проделанной работе.

3. Обработка результатов

3.1 Измеренные данные находятся в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Рабочая Частота f=2.5 МГц
h	Значения уровня	Uвых, мВ		Кuu1	Кuu2
		Сух.	Жид.	Сух.	Жид.
1	3.4	4.89	107.52	1.4382	31.6235
2	6.4	9.20	202.39	1.4375	31.6234
3	11.4	16.39	360.50	1.4377	31.6228
4	16.4	23.57	518.61	1.4372	31.6226
5	18.4	26.45	581.86	1.4375	31.6228
				1.438	31.623