РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БЕЗЭТАЛОННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТОЛЩИНОМЕРОВ

Предлагаемая полезная модель относится к ультразвуковой технике и может быть использована для излучения и приема ультразвуковых сигналов в ультразвуковой аппаратуре, преимущественно в ультразвуковых безэталонных толщиномерах.
Известен ультразвуковой преобразователь для безэталонных ультразвуковых толщиномеров, содержащий в едином корпусе разделенные электроакустическим экраном пьезоэлементы (М.В. Королев. Эхо-импульсные толщиномеры. - М.: Машиностроение, 1980, с. 98-99). Один из пьезоэлементов излучает импульсы сдвиговых ультразвуковых колебаний, которые после отражения от нижней поверхности изделия возвращаются на этот же пьезоэлемент, и одновременно этот же пьезоэлемент возбуждает и поверхностные волны, которые распространяясь по поверхности изделия, принимаются вторым пьезоэлементом.
Из-за сильного затухания сдвиговых колебаний в любых жидкостях для передачи этих колебаний от пьезоэлемента в контролируемое изделие и обратно приходится приклеивать во время измерений пьезоэлементы к изделию, что наряду с другими недостатками существенно ограничивает применение данных преобразователей. Кроме этого скорости распространения поверхностных волн и сдвиговых колебаний различны, что усложняет расчет толщины изделия.
Известен раздельно-совмещенный преобразователь для безэталонных ультразвуковых толщиномеров, содержащий в едином корпусе две группы совместно работающих пьезоэлементов, закрепленных на призмах и разделенных электроакустическими экранами, при этом наклон призм в одной группе позволяет создавать и принимать головные волны в измеряемом изделии, а во второй группе - продольные волны (М.В.Королев. Безэталонные ультразвуковые толщиномеры. - М.: Машиностроение, 1985, с. 36, рис. 17е). В данных преобразователях для определения скорости ультразвука в контролируемом изделии используются головные волны, скорость которых равна скорости продольных волн, используемых для измерения толщины изделия, что упрощает определение толщины. Данное техническое решение наиболее близко к предлагаемому и принято за прототип.
К недостаткам данных преобразователей относится большое количество электроакустических экранов для разделения пьезоэлементов, что усложняет сборку конструкции и снижает ее надежность. Например, в данной конструкции на три пьезоэлемента необходимо два электроакустических экрана и это минимальное возможное количество экранов для такой конструкции, так как одна группа совместно работающих пьезоэлементов, закрепленных на призмах, должна создавать и принимать головные волны, а вторая группа - создавать и принимать продольные волны, при этом продольные волны можно создавать и принимать одним и тем же пьезоэлементом. В случае применения для создания и приема продольных волн отдельных пьезоэлементов количество электроакустических экранов возрастает до трех.
Задачей данного технического решения является создание более простой и надежной конструкции ультразвукового преобразователя для безэталонных толщиномеров.
Для достижения этого технического результата в раздельно-совмещенном ультразвуковом преобразователе для безэталонных толщиномеров, содержащем в едином корпусе две группы совместно работающих пьезоэлементов, закрепленных на призмах и разделенных электроакустическими экранами, при этом наклон призм в одной группе позволяет создавать и принимать головные волны в измеряемом изделии, а во второй группе - продольные волны, призмы попарно объединены в единые блоки, при этом блоки образованы из призм, относящихся к разным группам пьезоэлементов, и разделены между собой электроакустическим экраном.
Отличительным признаком предлагаемого раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя для безэталонных толщиномеров является то, что призмы попарно объедены в единые блоки, при этом блоки образованы из призм, относящихся к разным группам пьезоэлементов, и только блоки разделены между собой электроакустическим экраном.
Благодаря такому объединению призм достигается возможность уменьшить количество электроакустических экранов до одного, что существенно увеличивает прочность преобразователя, снижает трудоемкость его изготовления, повышает точность и стабильность измерений.
Предлагаемая конструкция раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя приведена на рисунке и содержит в общем корпусе 1 разделенные электроакустическим экраном 2 блоки 3 и 4. Блоки 3 и 4 выполнены из материала с низкой скоростью распространения ультразвука, например из органического стекла, и по форме каждый блок представляет две состыкованные призмы, а именно призмы с углом к основанию преобразователя около 27°, к верхним поверхностям которых прикреплены пьезоэлементы 5 в блоке 3 и пьезоэлемент 6 в блоке 4 и призмы с углом к основанию преобразователя около 7°, к верхним поверхностям которых прикреплены пьезоэлементы 7 в блоке 3 и 8 в блоке 4. На противоположных поверхностях пьезоэлементов 5, 6, 7 и 8 нанесены, например, методом напыления тонкие электроды (не показаны), при этом по одному из электродов от пьезоэлементов 5, 6, 7 и 8 связаны проводниками 9, 10, 11 и 12 с кабелем 13, который связывает преобразователь с ультразвуковым толщиномером (не показан), а оставшиеся электроды с помощью проводников 14, 15, 16 и 17 связаны с общей шиной 18. Все пьезоэлементы с одной стороны находятся в акустическом контакте с призмами, составляющие блоки 3 и 4, а с другой стороны с демпфером 19.
При измерении толщины изделия на него в месте измерения наносится контактная жидкость, например глицерин, и прижимается раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь для безэталонного толщиномера. Сначала с помощью преобразователя определяется скорость головной волны, для чего создается и принимается зондирующий импульс в группе пьезоэлементов 5 и 6, которые прикреплены к участкам блоков 3 и 4 с наклоном 27°, что обеспечивает близкую к максимальной амплитуду сигнала при приеме головной волны (первый критический угол для пары органическое стекло-сталь). Скорость головной волны рассчитывается исходя из времени прохождения базового расстояния в измеряемом изделии, при этом базовое расстояние определяется заранее при калибровке преобразователя. Затем с помощью группы пьезоэлементов 7 и 8 прикрепленных к участкам блоков 3 и 4 с наклоном около 7° создается и принимается зондирующий импульс в виде продольных волн, которые проходят через толщину измеряемого изделия, отражаются от противоположной от преобразователя поверхности изделия и возвращаются к преобразователю. По времени прохождения зондирующего импульса через толщину изделия и скорости головной волны в изделии, которая равна скорости продольной волны, рассчитывается толщина изделия.
Отсутствие электроакустических экранов между пьезоэлементами 5 и 7, а также между пьезоэлементами 6 и 8 не приводит к появлению дополнительных помех, так как работа этих пар пьезоэлементов разнесена по времени, но повышает амплитуду головных волн.
Предложенная конструкция раздельно-совмещенного преобразователя для безэталонных толщиномеров имеет всего один электроакустический экран, что существенно упрощает конструкцию, уменьшает трудоемкость изготовления, повышает жесткость конструкции и стабильность измерений.