Информационная система для контроля характеристик сейсмоакустических датчиков

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

ТОГУ

Кафедра «Автоматика и системотехника»

Хабаровский ФИЦ ДВО РАН

Лелянов Б.Н., к.т.н., доцент

Мирошников В.И., к.т.н. в. н.с.

Кривошеев И.А., д.т.н., г.н.с.

Хабаровск, Российская Федерация

Аннотация

Предлагается новый оптический способ и техническое решение для контроля характеристик сейсмоакустических преобразователей позволяющие освободиться от зависимости измерений от присоединенной массы и акустического контакта.

Ключевые слова: оптический стенд, сейсмоакустический преобразователь, акустический контакт, измерения, лазерный интерферометр.

The Information System to Control Characteristics of Seismic-Acoustic Sensors

Lelyanov B.N., Miroshnikov V.I., Krivosheyev I.A. Pacific National University, Khabarovsk Federal Research Center, Far Eastern Division, Russian Academy of Sciences

The authors propose an optical method and a technical solution to control characteristics of seismic-acoustic transducers allowing to get rid of the dependence of measurements on the attached mass and the acoustic contact.

Keywords: optical stand, seismic-acoustic transducer, acoustic contact, measurements, laser interferometer

Введение

Любая информационно-измерительная система имеет в своем комплекте первичные преобразователи (ПП). При проведении контроля для получения достоверных результатов необходимо, чтобы у всех, входящих в информационную систему схем, были известны передаточные характеристики. Не исключение и ПП, используемые в таких системах. Передаточные характеристики отдельных электронных схем и блоков достаточно широко представлены в отечественной и зарубежной литературе. Аппаратура и различные устройства для контроля характеристик ПП, в нашем случае сейсмоакустических преобразователей (САН), так же широко известны [1-10] и позволяют решать задачу на должном уровне. Однако, сложность [2, 3] таких устройств и низкая достоверность [4-9] не позволяют в полной мере подойти к качественному контролю, и тем самым определять с помощью таких ПП прогнозные характеристики. Сложность таких устройств заключается в использовании различных интерферометрических установок, которые контролируют микроперемещения. Точность измерений смещений лазерными интерферометрами достаточна для получения характеристик ПП, но сложность настройки таких систем направляет исследователей искать другой путь. В то же время, все известные установки [4-6] для градуировки или измерения характеристик ПП измеряют микроперемещения не самой рабочей поверхности САН, а поверхность массивных плит, на которые устанавливаются контролируемые САП. Неконтролируемость таких параметров, как акустический контакт между самим САП и массивным основанием, присоединенная масса (САП имеют различные габариты и вес) - все это делает указанные измерения недостоверными. Для решения подобных вопросов необходимо найти пути снижения влияния этих параметров на результаты измерений, или исключения их из измерительных схем. Измерение микроперемещений массивного основания, на котором установлен САП, слабо коррелирует со смещением рабочей поверхности самого САП. И без должного физико-математического исследования, (с учетом массы САП, его конкретно акустического контакта, расстояния до точки излучения и пр.) невозможно определить эти связи.

В настоящей работе сделана попытка повысить достоверность измерений, и в какой-то степени освободиться от зависимости измерений от присоединенной массы и акустического контакта.

Способ и устройство

В данной работе рассматриваются сейсмоакустические преобразователи (САП), которые работают в диапазоне частот [2] 0.3 -50КГц. Габариты и масса таких САП имеет значительный разброс. Для достоверного контроля необходимо контролировать непосредственно смещение рабочей поверхности САП. Если изготовить массивное основание с малым отверстием (отношением площади отверстия к площади рабочей поверхности САП приблизительно 1/100), то можно попытаться измерить непосредственно смещение или колебательную скорость рабочей поверхности САП. Но в этом случае двухлучевой лазерный интерферометр Майкельсона малопригоден, т.к. существенная разбалансировка его плеч приведет к потере чувствительности и впоследствии к нарушению правильной работы интерферометра. Здесь можно предложить использовать современный многолучевой лазерный интерферометр. Для того чтобы упростить конструкцию целесообразно избавиться от призм и уменьшить габариты. Удобным для использования в такой конструкции применение многолучевого оптического интерферометра Фабри-Перо [11-13]. Для минимизации потерь оптического излучения и создания более компактного устройства, лучше, на наш взгляд, использовать волоконно-оптические лазерные интерферометры (ВОЛИ). Тогда можно использовать схемы как Майкельсона так и Фабри-Перо, которые хорошо описаны в литературе. В итоге от известного способа [3-5] осталось лишь массивное основание. В результате исследований была предложена функциональная схема рис.1 устройства (оптического стенда) для контроля характеристик САП свободная от указанных недостатков.

Для технической реализации можно использовать уже знакомые блоки [4-6] с небольшими изменениями и дополнениями. Для применения ВОЛИ необходимо подобрать оптическое волокно, которое удовлетворяет требованиям, предъявляемым к оптическому стенду. Оптимальный результат можно получить, взяв за основу оптическое одномодовое волокно со ступенчатым профилем и диаметром вместе с оболочкой 125 мкм по рекомендации G.652, что весьма удобно для размещения его в малом отверстии массивной плиты. Окончательно устройство будет включать в себя волоконно -оптический лазерный интерферометр (ВОЛИ).

Рис. 1. Функциональная схема устройства

оптический контроль измерение сейсмоакустический преобразователь

Оптический стенд (рис. 1а) включает в себя следующие блоки и соединения. Возбуждающий сигнал от генератора 5 через усилитель мощности 6 подается на излучающий элемент 9, закрепленный снизу массивного основания 8, на которое устанавливается исследуемый САП 7. Излучающий элемент 9 выполнен из пьезокерамики ЦТС в виде кольца, закрепленного концентрично с малым отверстием 14. На малое отверстие 14 с другой стороны устанавливается исследуемый САП 7, выход которого соединен с входом блока 13 регистрации через усилитель 12. Схема контроля установки включает в себя лазер 1, соединенный по оптическому волокну (ОВ) 10, через оптический разветвитель 11 с головкой ВОЛИ 15 и блоком 4 регистрации смещения рабочей поверхности исследуемого САП через фотоприемник 2 и усилитель3. Работает устройство следующим образом. Работает устройство следующим образом. Сигнал с генератора 5 непрерывного синусоидального излучения через усилитель мощности 6 поступает на излучатель 9, который возбуждает упругую волну в массивном основании 8. Эта упругая волна передается на исследуемый САП 7 через рабочую поверхность 16, причем сам исследуемый САП установлен таким образом, что его рабочая поверхность расположена над малым отверстием 14 массивного основания 8. В малом отверстии 14, в непосредственной близи с рабочей поверхностью исследуемого САП 7, установлена головка ВОЛИ 15, которая через ОВ 10 и оптический разветвитель 11 соединена с лазером 1 и преобразовав оптический сигнал в электрический посредством фотоприемника 2 через усилитель 3 с блоком 4 регистрации. Блок 4 регистрирует непосредственно смещение рабочей поверхности исследуемого САП 7, и это смещение поддерживается, например, постоянным в течении всего процесса измерения характеристик САП. Таким образом, зная смещение рабочей поверхности САП и сигнал на его выходе, можно с большей точностью определить амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) САП, его чувствительность, динамические характеристики и др. В этом случае ни акустический контакт, ни габариты и вес САП не влияют на достоверность проводимых измерений. Для контроля динамических характеристик используется дополнительно схема, приведенная на рис.1б. В общей схеме оптического стенда генератор 5 непрерывного синусоидального излучения заменяется генератором 18 импульсов. А перед схемами регистрации на выходе САП 7 и фотоприемника 4 устанавливаются схемы временной селекции 17, выделяющие полезный сигнал.

Обсуждение результатов

На лабораторном макете были опробованы отдельные элементы предложенного устройства. Основной электромеханический узел (излучатель, массивное основание, САП) был установлен таким образом, чтобы можно было проводить относительные измерения. При проведении измерений АЧХ САП не было существенного разброса результатов измерений в названном диапазоне частот. Тем более что диапазон частот можно увеличить, смещая граничные частоты в обе стороны. Для этого необходимо подобрать излучатель и генератор. Так как при измерении АЧХ САП измерялось непосредственно смещение рабочей поверхности САП, то результаты не имели сколь существенного разброса (не более 1-3%). Эту погрешность можно отнести как к механическим, так и к электрическим блокам, входящих в макет оптического стенда. Изменение акустического контакта, вследствие переустановки САП, никаким образом не влияло на результаты измерений. В этих случаях приходилось подстраивать выходную амплитуду генератора для возбуждения излучателя. То есть, при переустановке и изменении массы САП регулировкой амплитуды упругой волны всегда можно добиться фиксированного значения смещения рабочей поверхности исследуемого САП. При проведении измерений АЧХ САП наблюдалось совпадение и повторяемость результатов. При контроле динамических характеристик также не было замечено существенных расхождений при повторении.

Заключение

Предложенный способ для контроля характеристик САП вполне можно использовать при аттестации САП. Предложенное устройство не свободно от замечаний и является только проводником указанного способа. Сам способ можно назвать более достоверным, т.к. на проводимые измерения не влияют ни акустический контакт, ни габариты и масса САП. При должном подходе к разработке устройства, реализующего данный способ, его можно рекомендовать для использования в метрологических лабораториях, которые ведут непосредственный контроль различных характеристик сейсмоакустических преобразователей.

Библиографические ссылки

1. Кривошеев И.А. Использование лазерного интерферометра для контроля характеристик сейсмоакустических преобразователей // Дефектоскопия. 2002. №9. С. 34-38.

2. Кривошеев И.А., Кондратьев А.И. Исследование работы емкостного преобразователя в низкочастотном диапазоне // Дефектоскопия. 1989. №7. С. 13-17.

3. Желкобаев Ж.Е., Календин В., Тодуа П. Лазерная метрология акустических наносмещений // Фотоника. 2009. №5. С.14-17.

4. Патент №2321849 РФ. Способ калибровки преобразователей акустической эмиссии и устройство для его реализации / Б.Г. Владимиров и др. //Изобретения. Полезные модели. 2008. №10.

5. Кривошеев И.А. Патент №2165092 РФ. Устройство контроля характеристик сейсмоакустических датчиков Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей // Изобретения. Полезные модели. 2001. №10.

6. Лазерная интерференционная измерительная установка для калибровки первичных преобразователей систем НК особо опасных промышленных объектов / Власов И.Э., Желкобаев Ж.Е., Иванов В.И. и др. // Законодательная и прикладная метрология. 1999. №3. С. 17-23.

7. УЗ преобразователи для НК / под ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.

8. Калибровка акустических преобразователей методом голографической интерферометрии / Паринов И.А., Попов А.В., Рожков Е.В. и др. // Дефектоскопия. 2000. №1. С. 66-71.

9. Ерофеев А.В., Пасечник В.И. Калибровка пьезопреобразователей с помощью теплового акустического излучения. // Акустический журнал. 1995. Т. 41, №4. С. 642-643.

10. Исследование и разработка установки измерения амплитуды колеблющихся поверхностей / Леонов Г.В., Хмелев И.Н., Савин Д.С. и др. // Известия Тульского гос. ун-та. 2006. Вып. 5. С. 116-123.

11. Саржевский А.М. Оптика. Полный курс. М., 2004. 608 с.

12. МатвеевА.Н. Оптика: учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1985. 351 с.

13. БорнМ., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука 1973. 721 с.

Размещено на allbest.ru