Оптико-электрический преобразователь ультразвуковых волн

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения ультразвуковых колебаний в жидкости.
Известен оптико-электрический преобразователь ультразвуковых волн, используемый в индикаторе ультразвука (патент RU №2312312, МПК G01H 9/00, дата приоритета 19.04.2005, дата публикации 27.10.2006), содержащий лицевую панель, прозрачный электрод, слой коллоидной суспензии частиц в диэлектрической жидкости, который помещен между электродами и в котором комплексный показатель преломления коллоидных частиц отличен от комплексного показателя преломления диэлектрической жидкости, второй электрод - пьезопластинка с проводящим покрытием, внешняя сторона которой через диод соединена с прозрачным электродом. Суть преобразований в аналоге заключается в том, что измеряемые ультразвуковые колебания воспринимаются пьезопластинкой, под действием пьезоэлектричества которой в результате электрофореза изменяется показатель преломления зеркального узла, заполненного электрооптической жидкостью. Выходной информацией преобразователя является изменение цвета отраженного луча света, падающего на зеркальный узел. Недостатком преобразователя являются большие потери полезной информации в результате большой цепочки преобразований ультразвуковых колебаний. При измерении ультразвуковых колебаний с малой амплитудой это приводит к высокой погрешности измерений.
Известен оптико-электрический преобразователь механических волн (патент RU №2551394, МПК G01H 9/00, G01M 7/02, дата приоритета. 18.07.2013, дата публикации 20.05.2015), по совокупности существенных признаков выбранный за прототип, который содержит осветитель, водяную емкость с зеркальным узлом и стойку, поддерживающую светочувствительный элемент, причем осветитель установлен на демпфере под углом к вертикали, световые лучи от которого падают на зеркальный узел, находящийся в водяной емкости, и отражающиеся от него на светочувствительный элемент, установленный на зигзагообразной текстолитовой стойке и имеющий нижнюю поверхность, из расчета площади световых лучей (зайчика), отраженного от зеркального узла при отсутствии механических волн. Недостатком прототипа является потеря полезной информации при измерении ультразвуковых колебаний малой амплитуды и высокой частоты, приводящая к динамическим погрешностям измерений. Первичным чувствительным элементом ультразвуковых колебаний является водяная емкость. Выходным параметром прототипа являются колебания «зайчика» проходящего луча на светочувствительном элементе. Максимум интенсивности отраженного света будет при отсутствии колебаний, когда «зайчик» неподвижен. Когда измеряемые колебания имеют малую амплитуду и высокую частоту, то для существенного перемещения «зайчика» необходимо преодолеть инерционность системы «водяная емкость-вода-зеркальный узел», коэффициент передачи которой по амплитуде на рабочей частоте мал, что приводит к динамическим погрешностям. Система преобразований имеет зону нечувствительности, когда входной сигнал есть, а «зайчик» на светочувствительном элементе остается практически неподвижным. Недаром, в прототипе указывается, что для повышения точности необходимо снижать уровень воды в водяной емкости, тем самым уменьшая инерционность водяной массы. Однако это приводит к невозможности измерения колебаний с большой амплитудой, поскольку зеркальный узел перестает свободно плавать в воде и касается дна водяной емкости. Возможно повышение чувствительности преобразователя путем увеличения расстояния от зеркального узла до светочувствительного элемента, когда при прочих равных условиях амплитуда выходных угловых колебаний «зайчика» будет больше. Но такое решение приводит к увеличению габаритов преобразователя.
Технический результат заключается в снижении динамической ошибки преобразования при измерении ультразвуковых колебаний в жидкости за счет повышения чувствительности системы, преобразующей измеряемую величину в выходную величину.
Этот технический результат достигается тем, что оптико-электрический преобразователь ультразвуковых волн содержит осветитель, на оптической оси которого последовательно установлены оптический узел, размещенный в водяной емкости, и светочувствительный элемент, установленный на стойке, и имеющий чувствительную поверхность, из расчета площади световых лучей (зайчика), прошедшего через оптический узел при отсутствии измеряемых волн, при этом в водяной емкости под оптическим узлом установлен источник ультразвуковых волн, а оптический узел из прозрачного капиллярно-пористого материала с размерами пор, по крайней мере, на порядок меньше длины волны излучения осветителя. Этот же технический результат достигается тем, что оптический узел выполнен в форме треугольной призмы.
По сравнению с прототипом полезная модель имеет новую совокупность существенных признаков, то есть отвечает критерию новизны.
Сущность полезной модели заключается в том, что источник ультразвуковых волн, установленный в водяной емкости, не только раскачивает оптический узел, но и за счет ультразвукового капиллярного эффекта изменяет одновременно его показатель преломления для проходящего излучения. Центр колебаний «зайчика» смещается относительно центра светочувствительного элемента, и энергия, им принимаемая за период колебаний, уменьшается больше чем в прототипе. Тем самым повышается чувствительность преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1-2, где:
на фиг. 1 представлена конструкция оптико-электрического преобразователя и введены следующие обозначения:
1 - осветитель, 2 - оптический узел, 3 - водяная емкость, 4 - светочувствительный элемент, 5 - стойка, 6 - источник ультразвуковых колебаний, 7 - подвес.
Преобразователь содержит осветитель 1, на оптической оси которого последовательно установлены оптический узел 2, размещенный в водяной емкости 3, и светочувствительный элемент 4, установленный на стойке 5, и имеющий чувствительную поверхность, из расчета площади световых лучей (зайчика), прошедшего через оптический узел 2 при отсутствии измеряемых волн, источник ультразвуковых волн 6 установлен в водяной емкости 3 под оптическим узлом 2, который выполнен в форме треугольной призмы из прозрачного капиллярно-пористого материала с размерами пор, по крайней мере, на порядок меньше длины волны излучения осветителя 1, и установлен на подвесе 7 с возможностью колебаний в водяной емкости 3;
на фиг. 2 представлены сечения преломленного луча оптического узда 2 в плоскости светочувствительного элемента 4, где 8 и 9 - крайние положения сечений радиусом R2 луча при его колебаниях относительно центра С1 чувствительного элемента 4, D - амплитуда колебаний центра сечений луча, 10 - неподвижное сечение чувствительного элемента 4 с радиусом R2 и центром С1, 11 и 12 - крайние положения сечений преломленного луча при его колебаниях относительно смещенного центра С2, ΔD - величина смещения центра колебаний сечений преломленного луча из-за действия ультразвукового капиллярного эффекта.
Перед началом преобразований производят юстировку оптической части системы, включающей осветитель 1, оптический узел в форме призмы 2, и светочувствительный элемент 4. Для этого включают осветитель 1 и подбирают угол его наклона так, чтобы его луч, пройдя через призму 2, попал на светочувствительный элемент 4. Когда пятно или «зайчик» преломленного луча попадет на светочувствительный элемент 4, электрический измерительный прибор (на фиг. 1 не показан), подключенный к светочувствительному элементу 5, покажет наличие электрического тока. Затем юстировкой светочувствительного элемента 4 добиваются максимального значения тока измерительного прибора. В простом случае реализации преобразователя с круглым сечением преломленного луча 8 или 9 с радиусом R2, сечение чувствительной поверхности 10 светочувствительного элемента 4 также выбирают круглым с радиусом R1=R2. При полном перекрытии сечением 8 или 9 преломленного луча сечения 10 светочувствительного элемента 4 будет передаваться максимальная энергии излучения осветителя 1 светочувствительному элементу 4, и измерительный прибор покажет максимальную силу тока.
В рабочем режиме включается источник ультразвуковых волн 6 в водяной емкости 3. Под действием волн, возникающих в жидкости, раскачивается призма 2. Луч преломленного излучения от осветителя 1 также начинает колебаться относительно центра С1 сечения 10 светочувствительного элемента 4, занимая крайние положении 8 и 9. Чем больше амплитуда колебаний, тем меньше энергии за период колебаний получает светочувствительный элемент 4, так как уменьшается площадь перекрытия сечений луча и светочувствительного элемента. Следовательно, тем меньше ток измерительного прибора. Таким образом, преобразование входного сигнала - амплитуды ультразвуковых колебаний в выходной - ток измерительного прибора происходит в обратной шкале.
Одновременно с колебаниями призмы 2 из-за кавитации под основанием призмы 4 происходит заполнение ее пор жидкостью в силу ультразвукового капиллярного эффекта. Заполнение пор происходит дискретно, микроскопические капельки жидкости в порах перемежаются микроскопическими пузырьками воздуха. Чем больше интенсивность ультразвуковых волн, тем больше в порах жидкости и меньше воздуха. Так как размеры пор по крайней мере на порядок меньше длины волны проходящего излучения, то явления интерференции и дифракции на проходящее через призму 2 излучение, практически не сказываются, и призма 2 может считаться практически однородным оптическим телом с изменяющимся показателем преломления. При увеличении амплитуды ультразвука показатель преломления призмы 2 увеличивается, и центр колебаний сечений луча из точки С1 смещается в точку С2 на расстояние ΔD, нарушается симметричность колебаний относительно центра С1 сечения 10 светочувствительного элемента 4. Крайние сечения преломленного луча занимают положения 11 и 12. В этом случае за период колебаний площадь пересечений сечения 10 светочувствительного элемента 4 и сечений 11 и 12 луча уменьшается дополнительно к уменьшению площади пересечений из-за увеличения амплитуды колебаний ультразвука. Тем самым, при одной и той же амплитуде D колебаний центра сечения луча чувствительность преобразования увеличивается.
2
Призма 2 выполнена из монодисперсного пористого стекла с размером пор (максимум распределения размеров) 40 нм, что в 10-17,5 раза меньше длины волны излучения рабочего диапазона (оптический диапазон видимого спектра 400-700 нм). Пористое стекло получают по известной технологии путем выщелачивания натрий-бор-силикатной основы с образованием пористой матрицы, содержащей до 95-98 вес. % SiO. Суммарный объем пор в таком стекле составляет примерно 25-30%. При заполнении пор только воздухом эквивалентный показатель преломления системы стекло-воздух n=1,35, при заполнении пор водой эквивалентный показатель преломления n=1,37. В качестве осветителя может быть использован монохроматический лазер с длиной волны в диапазоне 400-700 нм.
Эффективность вклада ультразвукового капиллярного эффекта можно оценить следующим образом. Рассчитаем площади взаимного пересечения сечений луча и сечений светочувствительного элемента 4 за период их колебаний. Из планиметрии известна формула [http://www.abakbot.ru/online-2/73] площади S=S1+S2 пересечения двух окружностей с радиусами R1 и R2 и с расстоянием D между их центрами, где
а
Предположим, что колебания центра сечений луча 8 и 9 имеют синусоидальный характер, тогда расстояние между их центрами будет изменяться по формуле D(ϕ)=⋅|sin(ϕ)|+ΔD, где ϕ - текущий угол поворота луча, за период ϕ=2π рад, а - амплитуда колебаний. Подстановка D(ϕ) в выражение для площади пересечения и интегрирование в программной среде «Маткад» от ϕ=0 до ϕ=2π дает следующие результаты площади пересечений S(2π), сведенные в таблицу.
а
В таблице амплитуда колебаний центра луча  и смещения ΔD заданы в относительных единицах дины, как и радиусы сечений R1=R2=1. Видно, что смещение центра колебаний из-за ультразвукового капиллярного эффекта на 20% относительно амплитуды колебаний луча, повышает чувствительность преобразования на 15.5-25.4% (в зависимости от амплитуды колебаний).
Таким образом, по сравнению с прототипом в полезной модели снижается динамическая погрешность преобразований при сохранении габаритов преобразователя, что позволяет уменьшить ошибки измерения интенсивности ультразвуковых колебаний в жидкости.