Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 11

,

причем U и l являются комплексными величинами.

Для обратимого МЭАП функция преобразования описывается эмпирической зависимостью:

 l = 4 k_м m_c²H²

где Н - напряженность магнитного поля, m_c, _а - магнитострикционная постоянная и магнитная проницаемость сердечника соответственно, k_м - размерный коэффициент. (Параметр m_c для поляризованного МЭАП достигает значения  0,2 Н/м² Тл, при напря­женности поля  1600 А/м. Напомним, что 1А/м = 1,25 10^-2 Э). Существенно, что в обоих выражениях переменные U, l и H также являются комплексными величинами.

И нтенсивность излучения J достигает нескольких Вт/см² у серийных пьезоизлучателей и нескольких десятков Вт/см² у магнитострикционных: она ограничивается прочностью и нелинейными свойствами материала излучателей. Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют импульсные режимы работы излучателей (рис. 5.49), а также применяют специальные УЗ концентраторы, представляющие собой фокусирующую систему, излучающую сходящуюся сферическую волну. В фокусе подобных концентраторов интенсивность достигает значений 10³ ... 10⁵ Вт/см² на частотах  0,1 ... 10 МГц. Они используются, в частности, при проведении нейрохирургических операций, когда необходимо обеспечить воздействие УЗ на малую область п ро­ст­ранства (рис. 5.50). Для ни­з­кочастотного диапазона ра­з­работаны концентраторы в виде резонансных стержней переменного сечения, позволяющие получать амплитуды сме­щения до 50 ... 80 мкм. Их применяют при УЗ механической обработке, сварке, дроблении материалов и т.п.

Примеры некоторых распространенных моделей ЭАП приведены в табл. 5.8. Символом f обозначена ширина частотного спектра.

Таблица 5.8. Примеры промышленных обрати­мых ЭАП

Примечание. Датчик R-160 разработан фирмой Rion Cо, Япония (Рзв _max = 160дб).

Рассмотрим несколько типовых примеров применения АЛС. Как правило, в промышленности, робототехнике и специальных задачах они выполняют функции УЗ дальномеров или локаторов. Первые предназначены для измерения дальности до объекта или препятствия в воздушной или жидкой среде, вторые - для обнаружения препятствий распрост­ранению УЗ волн. Этот принцип, в том числе, используют разнообразные УЗ де­фек­тоскопы, позволяющие оп­ределять нарушения сплошности в разнообразных твердых средах (металлических предметах, строительных конструкциях и др.). Так, например, разработанные на основе традиционного «эхо-ме­то­да» приборы об­наруживают дефекты ра­з­мером  0,05 мм при глубине залегания до 5м.

На рис. 5.51 приведена схе­­­ма УЗ локатора, представляющего собой прос­той «индикатор препятст­вия». Устройство, пре­д­­на­з­наченное для опреде­ле­ния препятствий в во­з­ду­шной среде на рассто­янии до 10 м, использует «эхо-метод» - сигнал посланный излучателем И отражаясь от препятствия воспринимается микрофо­ном М. Полученный сигнал уси­ливается транзистором VT₃, детектируется цепочкой С₃, VD₁, VD₂ и подается на реле Р.

Функциональная схе­ма акустического дальноме­ра, использующего обра­тимый ЭАП, приведена на рис. 5.52.

Схема управления переключает режи­мы работы дальномера - на излучение или при­ем. В первом случае, формируется посылка - ИМ сигнал с несущей ча­­с­тотой 50 … 120 кГц. Во втором, принятый и уси­ленный сигнал пос­ту­пает на временной дискриминатор, вычисля­ю­­щий задержку принятого сигнала по отношению к излученному. Дальномер определяет расстояние до предметов в пределах 0,2 … 80 м с погрешностью  2%.

УЗ локаторы наведения широко используются в мобильных робототехнических комплексах, тра­нспор­тных тележках и некоторых системах управления промышленных роботов. Все АЛС для подвижных сред­ств используют различные насадки для работы в бли­жней и дальней зонах, а также различные режимы модуляции. В да­ль­ней зоне достаточно просто обнаружить препятствие, в то время как в ближней его нужно детерминировать. Обычно при л окации на средних и больших расстояниях применяется ИМ на несущей частоте, причем величина несущей и частота посылок уменьшаются по мере увеличения дальности до объекта. В частности, для да­ль­ностей до  20 мм используется несущая частота 700 кГц с частотой повторения импульсов 100 Гц. Для измерения расстояний в диапазоне 0,1 ... 10 м достаточно несущей частоты 60 кГц и частоты повторения импульсов 10 Гц.

Работа на самых малых расстояниях и в режиме наведения требуют применения ФМ (рис. 5.53). В этом случае, прием отраженного сигнала осуществляется двумя приемниками, причем разность хода лучей вызывает разность фаз принятых сигналов. Так, если сигнал, полученный первым приемником, имеет вид U₁ = U cos ₀t, то для второго справедливо U₂ = U cos (₀t-), где фазовый сдвиг  = 2/ = (2D/) sin  и D - база приемников (расстояние между ними).

Для определения искомой величины  =  () используется фазовый детектор, на который поступают два сигнала: с первого приемника - через фазовращатель, и со второго - напрямую. (Фазовращатель изменяет фазу первого сигнала на /2). Тогда после фазового детектора сигнал примет вид:

U_ФД = U cos (₀t-/2) U cos (₀t-) = 0,5U² sin [2₀t-)+ sin ].

Выделяя постоянную составляющую с помощью фильтра нижних частот получим в итоге:

U_вых = 0,5U² sin  = 0,5U² (2D/) sin .

При значениях , где D/ sin  <<1, функция преобразования УЗ локатора наведения оказывается приблизительно линейной:

U_вых U² 2(D/) .

Данный локатор наведения установлен на захватном устройстве окрасочного робота фирмы «Tralfa», Норвегия (рис. 5.54). Погрешность измерения не превышает 1,5%.

УЗ дальномеры разрабатываются многими фирмами. В частности, компания Polaro­id (США) выпускает помехозащищенные дальномеры среднего действия диапазона 0,15 ... 10 м, час­тот­ный спектр которых включает четыре различных несущих частоты.

Основные характеристики некоторых моделей АЛС представлены в табл. 5.9. L - дальность,  - ширина диаграммы направленности,  - погрешность.

Таблица 5.9. Примеры промышленных УЗ АЛС

Примечание.

1. Массогабаритные показатели отечественных АЛС учитывают блок электроники. (Масса преобразователя УТ-100 РГ - 0,.04 кг, размеры - 4024 мм). В качестве излучателей и приемников используются пьезодатчики типа МУП.

2. Система M-942 разработана фирмой Mic­rosonic, Германия, UC2000-F43 -фирмой Pepperl+Fuchs (Германия), RS/8,5 - Takk Ко, Япония ( = 8,5 мм,  = 10 мс).

5.3.5. АЛС специ­ального назначения

В последние годы АЛС находят широкое применение в ряде специальных отраслей: интроскопии, медицине, военном деле. Разрабатываемые изначально как отдельные приборы, эти средства все чаще включаются в состав автоматических диагностических устройств и роботов. Так, в задачах неразрушающе­го контроля в экстремальных условиях, например, при диагностике корпусов ядерных реакторов, для перемещения блоков УЗ аппаратуры используются программируемые манипуляторы и робототехнические комплексы. Связь робота с удаленной ЭВМ во избежании влияния электромагнитных помех осуществляется посредством оптического кабеля [ ]. В таких задачах реализуется прямая УЗ визуализация объекта контроля, путем его сканирования узким УЗ лучом. Минимальное время, необходимое для получения информации о структуре и геометрии объекта Т_в определяется выражением:

Т_в = k_в L_max/c,

где L_max - максимальная длина объекта в направлении распространения волн, k_в - коэффициент, зависящий от метода визуализации (k_в = 2, при использовании отраженных волн, k_в = 1, в случае прямого прохождения).

В простейшем случае одномерного сканирования объект облучается УЗ в импульсном режиме, а отраженные от неоднороднос­тей сигналы воспринимаются обратимым ЭАП (рис. 5.55). Амплитуда си­гнала зависит от мно­гих факторов: длины волны , за­тухания , размеров дефекта и расстояния до него х. При качественных оце­­нках амплитуда от­раженного импульса u пропорци­ональна величине дефекта, а временной от­­резок до него Т_в - глубине его залегания х. Высокоинтенсивные УЗ устройства широко испо­льзуются в медицине, что даже привело к появлению целой ее отрасли - УЗ хирургии. Фокусированное излучение, создаваемое УЗ концентраторами (рис. 5.50) целесообразно для создания локальных разрушений в глубинных тканях организма, например, в структурах головного мозга [ ]. Другой областью медицины являются УЗ исследования (УЗИ). Средствами УЗИ диагностируются патологии во внутриутробном развитии, в строении внутренних органов и т.д. (рис. 5.56) Чрезвычайно эффективна УЗ ко­м­пьютерная томогра­фия, позво­ляющая получать двух- и трехмерные изобра­жения различных областей организма. Схема прибора приведена на рис. 5.57. В томографе применяется обратимая УЗ матрица (многоэлементная решетка), содержащая до 10000 точечных преобразователей. Рабочая поверхность матрицы смазывается гелем и прикладывается непосредственно к телу пациента. Каждый из преобразователей формирует узкий пучок УЗ излучения в диапазоне частот 2 … 10 МГц, который, проходя сквозь мягкие ткани, отражается от более плотных. Устройства приемо-передачи и управления режимами обеспечивает временную селекцию сигналов и фокусировку излучения на конкретном органе. Для этого в конструкцию излучателя входит 2-х или более линзовый акустический объектив, формирующий звуковой рельеф контролируемого объекта (распределение звукового давления) в плоскости электроакустического преобразователя (рис. 5.56). Большую часть времени томограф работает на прием: время посылки составляет  5 … 10% времени приема.

Схемы некоторых типовых УЗ преобразователей представлены в табл. 5.10.

Таблица 5.10. Излучатели и решетки медицинского применения

По похожим схемам строятся акустические микроскопы, работающие на частоте  10 … 100 МГц и обладающие разрешающей способностью оптических микроскопов среднего класса. Для повышения чувствительности УЗ приборов используются схемы стетоскопов, обеспечивающие коэффициент усиления более 50000.