RU2107300C1

RU2107300C1 - Separate-combined ultrasonic transducer

Info

Publication number: RU2107300C1
Application number: RU96121719/28A
Authority: RU
Inventors: Л.Л. Аронов; Г.А. Михайлов; Б.Г. Степанов; Э.А. Стержанов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Спецтехноприбор"
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 1998-03-20

Abstract

FIELD: determination of translational and rotary motion speed. SUBSTANCE: to obtain effective high-frequency wide-band transducer for gas medium, radiator and receiver are made as piezoelectric elements with front cover-plates consisting of two quarter-wave layers with specific impedances Z₁= (0,1-0,4)10⁶Pa•s/m and Z₂= (1-5)10⁶Pa•s/m. Layer with specific resistance Z₁ is external one. Cylindrical body of transducer is made of rubber-like material. It has diametrical recess which serves as acoustic screen. Radiator and receiver are positioned in recesses of body symmetrical relative to acoustic screen by means of rubber sealing rings fixed on side surfaces. EFFECT: higher measurement results. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к акустическому приборостроению и может быть использовано в ультразвуковых системах управления технологическими процессами: для определения скорости поступательного или вращательного движения механизмов на основе эффекта Доплера. The invention relates to acoustic instrumentation and can be used in ultrasonic process control systems: to determine the speed of translational or rotational movement of mechanisms based on the Doppler effect.

Определение скорости движения объектов по доплеровскому смещению частоты, как правило, проводится в непрерывном режиме работы преобразователей, т.е. требует раздельного применения излучателя и приемника, которые конструктивно объединяют (Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Ред. В.В.Богородский. -Л., 1984, с.54-65, с. 127-175). The determination of the speed of objects by Doppler frequency shift, as a rule, is carried out in a continuous mode of operation of the converters, i.e. requires separate use of the emitter and receiver, which constructively combine (Hydroacoustic technology for research and development of the ocean. Ed. VV Bogorodsky. -L., 1984, p. 54-65, p. 127-175).

Такие преобразователи называют раздельно-совмещенными и по сравнению с совмещенными преобразователями, когда один преобразователь работает последовательно в режиме излучения и приема, они обладают меньшими уровнем собственных помех, малой мертвой зоной и более высоким коэффициентом передачи измерительного тракта. Such transducers are called separately-combined and, compared with combined transducers, when one transducer operates sequentially in the radiation and reception modes, they have a lower level of intrinsic noise, a small dead zone, and a higher transmission coefficient of the measuring path.

Известные раздельно-совмещенные преобразователи содержат два идентичных пьезоэлемента, как правило, для частот свыше 100 кГц, работающие на толщинных модах колебаний, помещенных в общий корпус [1,2,4]. Known separately-combined transducers contain two identical piezoelectric elements, as a rule, for frequencies above 100 kHz, operating on thick vibration modes placed in a common housing [1,2,4].

При работе таких преобразователей в газовых средах важным фактором является расширение полосы их рабочих частот и согласование с низкоимпедансной газовой средой (удельный импеданс пьезокерамики Z=23•10⁶ Па•с/м, воздуха Z_b= 440 Па•с/м).When such converters operate in gas media, an important factor is the expansion of their operating frequency band and matching with a low-impedance gas medium (specific impedance of piezoceramics Z = 23 • 10 ⁶ Pa • s / m, air Z _b = 440 Pa • s / m).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь [5, стр.280], содержащий излучатель и приемник в виде идентичных пьезоэлементов в форме дисков с фронтальными накладками, общий цилиндрический корпус, в пазах которого симметрично относительно диаметрально расположенного акустического экрана установлены излучатель и приемник, а также электрический экран. Расширение рабочего диапазона частот (полосы пропускания) такого преобразователя обеспечивается с помощью демпфера, жестко закрепленного на тыльной стороне излучателя и приемника, ввиду чего преобразователь малоэффективен при работе в газовой среде. Кроме того, недостаточна акустическая развязка излучателя и приемника: жесткий корпус, демпфер, контактирующий с ним, акустический экран даже в виде низкоимпедансного слоя кожи или пенополистирола - все это приводит к проникновению на приемник акустических помех, особенно при работе в непрерывном режиме. The closest in technical essence to the proposed one is a separately combined ultrasonic transducer [5, p. 280], containing a transmitter and receiver in the form of identical piezoelectric elements in the form of disks with frontal plates, a common cylindrical body, in the grooves of which are installed symmetrically with respect to the diametrically located acoustic screen emitter and receiver, as well as an electric screen. The expansion of the operating frequency range (bandwidth) of such a converter is provided with a damper rigidly fixed to the back of the emitter and receiver, which is why the converter is ineffective when working in a gas environment. In addition, the acoustic isolation of the emitter and receiver is insufficient: a rigid case, a damper in contact with it, an acoustic screen even in the form of a low-impedance layer of skin or expanded polystyrene foam - all this leads to the penetration of acoustic noise into the receiver, especially when working in continuous mode.

Задачей изобретения является разработка раздельно-совмещенного широкополосного ультразвукового преобразователя, способного эффективно работать в газовой среде в области частот до 0,5 МГц (сравнительно высоких для газов). The objective of the invention is to develop a separately-combined broadband ultrasonic transducer capable of efficiently operating in a gas environment in the frequency range up to 0.5 MHz (relatively high for gases).

При этом технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении чувствительности преобразователя в режиме приема и излучения, расширении полосы рабочих частот, необходимом для расширения диапазона измеряемых скоростей движущихся объектов, а также уменьшении собственных перекрестных помех между излучателем и приемником. Кроме того, повышение рабочих частот преобразователя до нескольких сотен килогерц (до 0,5 мГц) обеспечивает повышение точности измерения скорости движения поверхностей, имеющих малую шероховатость. In this case, the technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the sensitivity of the transducer in the reception and emission modes, expand the operating frequency band necessary to expand the range of measured speeds of moving objects, and also reduce intrinsic crosstalk between the emitter and the receiver. In addition, increasing the operating frequency of the converter to several hundred kilohertz (up to 0.5 MHz) provides an increase in the accuracy of measuring the speed of motion of surfaces with a small roughness.

Для решения поставленной задачи в раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь, содержащий излучатель и приемник в виде идентичных пьезоэлементов с фронтальными накладками, общий цилиндрический корпус, в пазах которого симметрично относительно диаметрально расположенного акустического экрана установлены излучатель и приемник, и электрический экран, введены новые признаки, а именно: корпус выполнен из резиноподобного материала и имеет диаметральный паз, являющийся воздушным акустическим экраном, излучатель и приемник установлены в пазах с помощью резиновых уплотнительных колец, зафиксированных на их боковых поверхностях так, что между корпусом и тыльными поверхностями излучателя и приемника имеется воздушный зазор, при этом фронтальные накладки излучателя и приемника выполнены в виде двух четвертьволновых слоев с удельными импедансами Z₁= (0,1 -0,4)•10⁶ Па•с/м и Z₂= (1-5)•10⁶ Па•с/м, причем слой с удельным импедансом Z₁ является внешним.To solve this problem, a separate cylindrical ultrasonic transducer containing an emitter and a receiver in the form of identical piezoelectric elements with frontal plates, a common cylindrical body, in the slots of which a radiator and a receiver and an electric screen are installed symmetrically with respect to the diametrically arranged acoustic screen, introduced new features, and namely: the case is made of rubber-like material and has a diametrical groove, which is an air acoustic screen, a radiator and a receiver receiver ovleny in the grooves by means of rubber sealing rings fixed on their lateral surfaces so that between the casing and the rear surface of the emitter and the receiver has an air gap, wherein the front laths emitter and receiver are in the form of two quarter-wave layers with specific impedances Z ₁ = (0 , 1 -0.4) • 10 ⁶ Pa • s / m and Z ₂ = (1-5) • 10 ⁶ Pa • s / m, and the layer with specific impedance Z ₁ is external.

Для уменьшения связи между излучателем и приемником и снижения потерь уплотнительные резиновые кольца могут быть установлены посередине высоты пьезоэлементов. To reduce the connection between the emitter and the receiver and reduce losses, rubber sealing rings can be installed in the middle of the height of the piezoelectric elements.

На тыльной поверхности пьезоэлемента и приемника для обеспечения надежности крепления токовводов и улучшения электрического экранирования установлен слой металлической фольги через резиновую прокладку, который к тому же является электрическим экраном. On the back surface of the piezoelectric element and the receiver, to ensure the reliability of fastening the current leads and improve the electrical shielding, a layer of metal foil is installed through a rubber gasket, which is also an electric screen.

Теоретически авторами показано, что наилучшим образом позволяет согласовать пьезоэлемент с газовой средой система из n слоев при том, что удельный импеданс внешнего слоя приближается к удельному импедансу газовой среды, а удельный импеданс слоя примыкающего к пьезоэлементу - к удельному импедансу пьезокерамики. При этом было установлено, что акустико-механический КПД может быть увеличен до 60% (в то время как без согласования он составляет 0,1%) что в свою очередь приводит к существенному (в 5-10 раз) увеличению чувствительности преобразователя в режимах приема и излучения, и полоса пропускания увеличена в 5-10 раз уже при двух слоях, если их импедансы лежат в заявленных пределах. Theoretically, the authors showed that a system of n layers makes it possible to best match a piezoelectric element with a gas medium, while the specific impedance of the outer layer approaches the specific impedance of the gas medium, and the specific impedance of a layer adjacent to the piezoelectric element approaches the specific impedance of piezoceramics. It was found that the acoustic-mechanical efficiency can be increased to 60% (while without coordination it is 0.1%), which in turn leads to a significant (5-10 times) increase in the sensitivity of the transducer in reception modes both radiation and bandwidth are increased 5-10 times already with two layers, if their impedances are within the stated limits.

Наличие третьего слоя не приводит к существенному повышению КПД, неоправдано усложняя конструкцию. The presence of the third layer does not lead to a significant increase in efficiency, unjustifiably complicating the design.

При практической реализации конструкции преобразователя с двумя оптимальными слоями наибольшую трудность представляет подбор материалов с соответствующими параметрами, в связи с чем значение удельных импедансов слоев в большой степени определяется наличием конструкционных материалов с удовлетворяющими параметрами. In the practical implementation of the design of the transducer with two optimal layers, the greatest difficulty is the selection of materials with the appropriate parameters, and therefore the value of the specific impedances of the layers is largely determined by the presence of structural materials with satisfactory parameters.

При выходе значений импедансов слоев за указанные пределы наблюдается рассогласование излучателя и приемника с газовой средой, что приводит к снижению акустико-механического КПД и уменьшению полосы пропускания. When the values of the impedances of the layers go beyond these limits, a mismatch between the emitter and the receiver with the gas medium is observed, which leads to a decrease in the acoustic-mechanical efficiency and a decrease in the passband.

Выполнение корпуса преобразователя из резиноподобного материала, а также наличие воздушного экрана в виде паза между излучателем и приемником способствует уменьшению акустической связи между ними. Этой же цели служит уплотнительное резиновое кольцо, особенно если оно установлено посередине высоты пьезоэлементов в области узла (минимума) упругих колебаний. The execution of the housing of the transducer of rubber-like material, as well as the presence of an air screen in the form of a groove between the emitter and the receiver, reduces the acoustic connection between them. The sealing rubber ring serves the same purpose, especially if it is installed in the middle of the height of the piezoelectric elements in the region of the node (minimum) of elastic vibrations.

Выполнение электрического экрана в виде слоя металлической фольги, установленного через резиновую прокладку на тыльной стороне пьезоэлемента излучателя и приемника, обеспечивает надежное и технологичное крепление токоввода. The implementation of the electric screen in the form of a layer of metal foil installed through a rubber gasket on the back of the piezoelectric element of the emitter and receiver provides reliable and technological fastening of the current lead.

На чертеже представлена конструкция раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя. The drawing shows the design of a separately combined ultrasonic transducer.

Преобразователь 1 состоит из двух идентичных пьезоэлементов 2,3, один из которых 2 работает в режиме излучения, а другой 3 - в режиме приема. Пьезоэлементы представляют собой диски из керамики ЦТСБ-3 диаметром 25 мм и толщиной 7 мм. The transducer 1 consists of two identical piezoelectric elements 2,3, one of which 2 operates in the radiation mode, and the other 3 in the reception mode. Piezoelectric elements are TsTSB-3 ceramic disks with a diameter of 25 mm and a thickness of 7 mm.

На фронтальной поверхности каждого пьезоэлемента нанесены два согласующих слоя 4, 5, имеющих толщину, равную четверти длины волны в материале слоев на рабочей частоте. Внутренний слой 4 толщиной 2,6 мм выполнен из прессовочного материала на основе стекловолокна типа ДВС с удельным импедансом Z₂=4 10⁶ Па•с/м, а внешний 5 - толщиной 1,3 мм из пенополиуретана с удельным сопротивлением Z₁= 0,3•10⁶ Па•с/м. При этом отношение Z₂/Z₁=13. Наилучшие результаты получатся, если 10≤Z₂/Z₁≤50.On the front surface of each piezoelectric element two matching layers 4, 5 are applied, having a thickness equal to a quarter of the wavelength in the material of the layers at the operating frequency. The inner layer 4 with a thickness of 2.6 mm is made of a pressing material based on fiberglass of the internal combustion engine type with a specific impedance of Z ₂ = 4 10 ⁶ Pa • s / m, and the outer 5 is 1.3 mm thick of polyurethane foam with a specific resistance of Z ₁ = 0 , 3 • 10 ⁶ Pa • s / m. Moreover, the ratio Z ₂ / Z ₁ = 13. Best results are obtained if 10≤Z ₂ / Z ₁ ≤50.

Пьезоэлементы 2, 3 размещены в пазах 6 цилиндрического литого корпуса 7 под углом 6^o от горизонтали, как показано на чертеже. Этот угол определяется параметрами характеристик направленности преобразователей и расстоянием до контролируемой поверхности.The piezoelectric elements 2, 3 are placed in the grooves 6 of the cylindrical cast housing 7 at an angle of 6 ^o from the horizontal, as shown in the drawing. This angle is determined by the directivity characteristics of the transducers and the distance to the surface being monitored.

Пьезоэлементы крепятся в пазах 6 с помощью резиновых уплотнительных колец 8, установленных между внутренней поверхностью пазов 6 и боковой поверхностью пьезоэлементов 2, 3. Уплотнительные кольца 8 размещены посередине высоты пьезоэлементов 2, 3. The piezoelectric elements are mounted in the grooves 6 using rubber sealing rings 8 mounted between the inner surface of the grooves 6 and the lateral surface of the piezoelectric elements 2, 3. O-rings 8 are located in the middle of the height of the piezoelectric elements 2, 3.

По диаметральной плоскости раздельно-совмещенного преобразователя 1, проходящей между излучателем и приемником в цилиндрическом литом резиновом корпусе 7, выполнен паз 9, являющийся воздушным акустическим экраном между ними. On the diametrical plane of the separately combined transducer 1, passing between the emitter and the receiver in a cylindrical molded rubber case 7, a groove 9 is made, which is an air acoustic screen between them.

Между дном пазов 6 и тыльной стороной пьезоэлементов 2, 3 имеется воздушный зазор 10. Between the bottom of the grooves 6 and the back of the piezoelectric elements 2, 3 there is an air gap 10.

На тыльные поверхности пьезоэлементов 2,3 наклеены слои фольги 11, которые в данной конструкции выполнены в виде шайб из металлизированного текстолита толщиной 0,5 мм через развязывающую резиновую прокладку 12 толщиной 1,5 мм, выполненную из вакуумной резины. Шайбы 11 являются электрическим экраном пьезоэлементов 2,3 и служат для монтажа. К ним припаяны выводы от электродов на фронтальных поверхностях пьезоэлементов. Foil layers 11 are glued to the back surfaces of piezoelectric elements 2,3, which in this design are made in the form of washers made of metallized textolite with a thickness of 0.5 mm through a decoupling rubber pad 12 with a thickness of 1.5 mm made of vacuum rubber. The washers 11 are the electric screen of the piezoelectric elements 2,3 and are used for installation. The leads from the electrodes on the front surfaces of the piezoelectric elements are soldered to them.

Боковые поверхности пьезоэлементов 2,3 защищены электрическими экранами 13. The lateral surfaces of the piezoelectric elements 2,3 are protected by electric screens 13.

Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь работает следующим образом. На излучающий пьезоэлемент подается электрический сигнал. Излучаемый ультразвуковой сигнал отражается от контролируемой движущейся поверхности и принимается приемным пьезоэлементом 3. Separately combined ultrasonic transducer operates as follows. An electric signal is supplied to the emitting piezoelectric element. The emitted ultrasonic signal is reflected from a controlled moving surface and is received by the receiving piezoelectric element 3.

Отраженный ультразвуковой сигнал имеет сдвиг по частоте, обусловленный эффектом Доплера, величина которого зависит от скорости движения контролируемого объекта. The reflected ultrasonic signal has a frequency shift due to the Doppler effect, the magnitude of which depends on the speed of the controlled object.

Рассматриваемые преобразователи обладают относительной полосой пропускания ≈ 10%, что позволяет производить бесконтактный контроль отклонения скорости движения поверхности, имеющей малую шероховатость (например, ленты эскалатора метрополитена) от номинальной в диапазоне (0,5-3,0) м/с. The considered converters have a relative passband of ≈ 10%, which allows non-contact control of the deviation of the surface velocity having a small roughness (for example, a subway escalator tape) from the nominal one in the range (0.5-3.0) m / s.

Преобразователь имеет сравнительно простую конструкцию, технологичен, изготовлен из относительно дешевых и доступных материалов, обладает высокой эффективностью и надежностью и может найти применение в различных областях промышленности для контроля скорости движущихся поверхностей, например транспортерных лент, в том числе эскалаторных лент метрополитена. The converter has a relatively simple design, is technologically advanced, made of relatively cheap and affordable materials, has high efficiency and reliability and can be used in various industries for controlling the speed of moving surfaces, for example conveyor belts, including escalator belts of the subway.

Claims

1. A separately-combined ultrasonic transducer containing an emitter and a receiver in the form of identical piezoelectric elements with frontal plates, a common cylindrical body, in the slots of which a radiator and a receiver are installed symmetrically with respect to the diametrically arranged acoustic screen, and an electric screen, characterized in that the body is made of rubber-like material and has a diametral groove, which is an air acoustic screen, the emitter and receiver are installed in the grooves with rubber seals rings fixed on their lateral surfaces so that there is an air gap between the housing and the rear surfaces of the emitter and receiver, while the front plates of the emitter and receiver are made in the form of two quarter-wave layers with specific impedances Z ₁ = (0.1 - 0.4 ) • 10 ⁶ Pa • s / m and Z ₂ = (1 - 5) • 10 ⁶ Pa • s / m, and the layer with specific impedance Z ₁ is external.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the sealing rubber rings are installed in the middle of the height of the piezoelectric elements.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that on the back surface of the piezoelectric element of the emitter and receiver, a layer of metal foil is installed through a rubber gasket.