METHOD OF FORMING BELL-SHAPED PROBING PULSES FOR ELECTROMAGNETIC ACOUSTIC TRANSDUCER AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОЛОКОЛООБРАЗНЫХ ИМПУЛЬСОВ ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ЭМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля материальных объектов, преимущественно акустическим методом.
При проведении неразрушающего контроля металлических изделий ультразвуковым методом широкое распространение получили электромагнитные акустические преобразователи (ЭМА преобразователи), содержащие излучатель в виде катушек или токопроводящих нитей. Излучатель располагают параллельно поверхности объекта контроля и подают на него зондирующий импульс, имеющий колоколообразную форму. В ряде случаев, например, при использовании ЭМА преобразователя с фазированной решеткой излучателей, к качеству формирования зондирующих импульсов предъявляются повышенные требования (Малинка А.В. Излучение и прием ультразвуковых колебаний под заданным углом при электромагнитно-акустическом методе. Дефектоскопия, 1979, №5, стр.16-20). Для формирования зондирующих импульсов с заданными характеристиками используют как аналоговые, так и цифровые схемы.
Известен способ формирования зондирующих импульсов для ЭМА преобразователя и устройство для его осуществления (Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. / В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, А.В.Ковалев./Под ред. В.В.Клюева. 3-е изд. - М.: Машиностроение, 2005. - стр.230). Импульс формируется с помощью тиристорной схемы, в результате взаимной коммутации емкостной и индуктивной цепей. По виду формируемый импульс тока близок к виду полуволны синусоиды. Данный способ тяжело применить для возбуждения фазированной решетки излучателей в связи со сложностью формирования и подачи аналогичных импульсов, следующих с заданным сдвигом фаз. Кроме того, формируемый сигнал имеет существенные отличия от идеального колоколообразного импульса и характеризуется расширенным спектром генерируемых частот (Алешин Л.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия. - Минск: Вышэйшая школа, 1987. - Стр.40).
Известен способ формирования гармонического сигнала цифровым методом, реализованный в цифровом генераторе синусоидальных сигналов (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: т.2. - М.: Мир, 1986. - Стр.109). Для формирования аналогового сигнала применяют взвешенное суммирование сигналов на выходе кольцевого счетчика. Взвешенное суммирование осуществляют с помощью матрицы резисторов с объединенными выходами. Способ не адаптирован для формирования колоколобразных импульсов, необходимых для возбуждения излучателя ЭМА преобразователя, и предполагает использование, для получения минимальных искажений, высокой разрядности цифровой части схемы.
Известен способ формирования синусоидальных колебаний цифровым способом, реализованный в генераторе инфранизких частот (а.с. СССР 748867). Способ предусматривает использование кольцевого счетчика импульсов, коммутатора и двух цифроаналоговых преобразователей в виде резисторных матриц. Выходную синусоиду формируют из коммутированных в требуемой последовательности ступенчато изменяющихся в течение четверти периода напряжений, поступающих на сумматор с резисторных матриц. Способ не адаптирован для формирования необходимых для возбуждения излучателя ЭМА преобразователя колоколообразных импульсов зондирования, в общем случае, описываемых выражением:
m
ИЗ
где I - амплитудное значение аналогового сигнала (тока) на входе излучателя ЭМА преобразователя, f - частота зондирующих импульсов, t - время.
Известен способ формирования синусоидальных колебаний цифровым способом, реализованный в генераторе инфранизких частот (а.с. СССР 1358062). Способ предусматривает использование счетчика импульсов и цифроаналогового преобразователя в виде резисторной матрицы. Способ не обеспечивает требуемую для формирования зондирующего импульса точность аппроксимации и не адаптирован для формирования необходимых для возбуждения излучателя ЭМА преобразователя колоколообразных импульсов зондирования.
Известен способ формирования синусоидальных колебаний цифровым способом, реализованный в дискретно-аналоговом синус-генераторе (патент РФ 2108657). Для снижения шумов в переходных процессах в цифровой схеме генератора используют код Грея. Способ отличается сложностью и не адаптирован для формирования необходимых для возбуждения излучателя ЭМА преобразователя колоколообразных импульсов зондирования.
Известен способ формирования колоколообразных зондирующих импульсов, использованный в формирователе зондирующих импульсов ЭМА преобразователя (ЭМА приставка к ультразвуковому толщиномеру. УТЭ-М2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. НВПП Богемия. К.: 1995. - Стр.9-14). Данный способ и устройство для его осуществления являются прототипом заявляемого изобретения. Способ сводится к следующему. Двоичный счетчик обнуляют, после чего на его счетный вход подают импульсы, следующие с частотой, обратно пропорциональной периоду импульса зондирования:
З
где N - емкость счетчика, Т - период импульса зондирования.
Число, записанное в счетчике, преобразуют в аналоговый сигнал в соответствии с зависимостью:
m
где I - амплитудное значение аналогового сигнала на входе излучателя ЭМА преобразователя, i - число, записанное в счетчике.
При постоянстве частоты входящих импульсов выражение (3) в интервале [0…2π] описывает колоколообразный импульс.
Данный аналоговый сигнал подают на излучатель ЭМА преобразователя.
Формирователь, реализующий способ, состоит из последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, двоичного счетчика, логической схемы, цифроаналогового преобразователя, генератора тока и катушки излучателя ЭМА преобразователя. Кроме того, формирователь содержит устройство управления, соединенное с обнуляющим входом двоичного счетчика. Работа формирователя, выбранного за прототип, заключается в следующем. После появления разрешающего сигнала на обнуляющем входе двоичный счетчик начинает подсчет импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов. По мере увеличения числа на выходе двоичного счетчика изменяется напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя. Причем за время полного заполнения выходных разрядов двоичного счетчика напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя изменяется по заданному закону в соответствии с выражением:
A
где U - амплитудное значение напряжения сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя, N - максимальное число, которое может быть записано в двоичном счетчике, i - текущее число, записанное в двоичном счетчике.
Получение зависимости (4) на выходе линейного цифроаналогового преобразователя обеспечивается логической схемой, представляющей собой функциональный преобразователь линейно изменяющегося кода в код, описывающий колоколообразный сигнал.
Изменяющееся по заданному закону напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя поступает на генератор тока, который преобразует его в изменяющийся по заданному закону токовый сигнал, который и подается на катушку излучателя ЭМА преобразователя.
Способ формирования зондирующих импульсов отличается сложностью из-за необходимости применения логической схемы и повышенными требованиями к разрядности используемого двоичного счетчика, что определяется ограничениями на искажение выходного сигнала.
В основу изобретения положена задача упрощения формирователя с одновременным снижением требований к разрядности цифровой части схемы, а также расширения арсенала технологических средств, используемых при изготовлении аппаратуры с ЭМА преобразователями. С помощью счетчика с функциональным цифроаналоговым преобразователем осуществляется формирование аналогового сигнала в пределах четверти периода импульса зондирования, на основании чего проводится восстановление аналогового сигнала в пределах всего периода, что позволяет упростить реализацию цифровой части устройства и добиться получения качественного сигнала с применением новых средств схемотехники.
З
I
Задача, положенная в основу изобретения, решается за счет того, что в способе формирования колоколообразных импульсов зондирования для ЭМА преобразователя, который заключается в обнулении счетчика с последующей подачей на его счетный вход импульсов, следующих с частотой, обратно пропорциональной периоду импульса зондирования, с одновременным преобразованием числа, записанного в счетчике в аналоговый сигнал, который подают на излучатель ЭМА преобразователя, в соответствии с изобретением после обнуления счетчика на его счетный вход подают импульсы, следующие с частотой  где N - емкость счетчика. Т - период импульса зондирования, причем во временном интервале, соответствующем  изменения импульса зондирования, на счетчике осуществляют прямой подсчет импульсов, а код на выходе счетчика преобразуют в аналоговый сигнал в соответствии с зависимостью I(i)=I(i), где  - функция изменения аналогового сигнала,
m
II
m
III
m
IV
где I - амплитудное значение аналогового сигнала на входе излучателя ЭМА преобразователя, i - число, записанное в счетчике, в следующем временном интервале, соответствующем  изменения импульса зондирования, на счетчике производят реверсивный подсчет импульсов, причем код на выходе счетчика преобразуют в аналоговый сигнал в соответствии с зависимостью I(i)=2·I-I(i), далее, во временном интервале, соответствующем  изменения импульса зондирования, на счетчике производят прямой подсчет импульсов, а код на выходе счетчика преобразуют в аналоговый сигнал в соответствии с аналогичной зависимостью I(i)=2·I-I(i), после чего во временном интервале, соответствующем  изменения импульса зондирования, на счетчике производят реверсивный подсчет импульсов, при этом код на выходе счетчика преобразуют в аналоговый сигнал в соответствии с зависимостью I(i)=I(i).
Способ основан на симметричности элементов колоколообразного сигнала в пределах периода относительно осей абсцисс и ординат. Имея информацию об изменении сигнала в пределах , можно получить его изменение в пределах  (отобразив его относительно оси ординат), а также в пределах  и  (при отображении сигнала за полупериод относительно оси абсцисс).
Способ осуществляют следующим образом. На начальном этапе формируют последовательность импульсов, следующих с частотой:
Импульсы подают на счетчик. При выполнении условия (5) счетчик в активном режиме будет полностью заполняться за время, равное четверти периода импульса зондирования. При этом значение числа, записанного в счетчике, постоянно преобразовывают в аналоговый сигнал (в частности, ток) в соответствии с зависимостью:
m
где I - амплитудное значение аналогового сигнала на входе излучателя ЭМА преобразователя, i - число, записанное в счетчике.
Цикл формирования импульсов зондирования начинают с обнуления счетчика. По мере поступления импульсов до полного заполнения всех разрядов счетчика, что соответствует изменению импульса зондирования в пределах  аналоговый сигнал формируют в соответствии с зависимостью:
далее, после заполнения счетчика, его переводят в реверсивный режим, в результате чего число, записанное в счетчике, начинает уменьшаться от максимального до минимального значения, что соответствует изменению импульса зондирования в пределах . После обнуления счетчика его опять переводят в режим прямого подсчета импульсов. Процесс заполнения счетчика на данном этапе соответствует изменению импульса зондирования в пределах . Аналоговый сигнал на втором и третьем этапах формируют в соответствии с зависимостями:
На четвертом этапе, соответствующем изменению импульса зондирования в пределах , счетчик опять переводят в реверсивный режим, и, до обнуления, формируют аналоговый сигнал в соответствии с зависимостью:
При необходимости формирования последовательности импульсов зондирования циклы повторяют требуемое число раз.
З
Способ поясняется чертежом, представленным на фиг.1, на котором показана циклограмма формирования импульса зондирования, где i - число, записанное в счетчике; I(i) - функция преобразования числа i в аналоговый сигнал; I(i) - аналоговый сигнал на входе излучателя ЭМА преобразователя (импульс зондирования), I, II, III, IV - этапы формирования аналогового сигнала.
Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью формирователя импульсов зондирования для ЭМА преобразователя, который содержит последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик, дешифратор, функциональный цифроаналоговый преобразователь, схему масштабирования, а также устройство управления, своим выходом подключенное к входу обнуления счетчика, и преобразователь напряжение-ток, выход которого подключен к входу излучателя ЭМА преобразователя, в котором, в соответствии с изобретением, использован реверсивный счетчик, а в схему дополнительно введены R-S-триггер, счетный T-триггер, дополнительная схема масштабирования и переключающий аналоговый коммутатор, причем вход R R-S-триггера соединен с выходом дешифратора, который соответствует минимальному числу на выходах реверсивного счетчика, вход S R-S-триггера соединен с выходом дешифратора, который соответствует максимальному числу на выходах реверсивного счетчика, при этом прямой выход R-S-триггера соединен со входом реверсивного счетчика, управляющего направлением счета, а инверсный выход соединен со входом счетного Т-триггера, выход которого в свою очередь соединен с управляющим входом аналогового коммутатора, общий выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток, кроме того, нормально замкнутый с выходом вход аналогового коммутатора соединен с выходом схемы масштабирования, к которому одновременно подключен вход дополнительной схемы масштабирования, выход которой подключен к нормально разомкнутому с выходом входу аналогового коммутатора.
Работа формирователя импульсов зондирования для ЭМА преобразователя, осуществляющего предлагаемый способ, поясняется чертежами, представленными на фиг.2 и 3.
На фиг.2 изображена функциональная схема формирователя, где 1 - генератор импульсов, 2 - реверсивный счетчик, 3 - дешифратор, 4 - функциональный цифровой преобразователь, 5 - устройство управления, 6 - R-S-триггер, 7 - счетный Т-триггер, 8 - схема масштабирования, 9 - дополнительная схема масштабирования, 10 - аналоговый коммутатор, 11 - преобразователь напряжение-ток, 12 - излучатель ЭМА преобразователь.
На фиг.3 изображена функциональная схема варианта выполнения функционального цифрового преобразователя и схем масштабирования, где 2 - реверсивный счетчик, 3 - дешифратор, 4 - функциональный цифровой преобразователь, 7 - счетный T-триггер, 10 - аналоговый коммутатор, 11 - преобразователь напряжение-ток, 13 - резисторы матрицы, 14 - дополнительный резистор, 15 - диоды, 16 - дифференциальный усилитель, представляющий схему масштабирования, 17 - дифференциальный усилитель, представляющий дополнительную схему масштабирования.
Работа формирователя импульсов зондирования для ЭМА преобразователя заключается в следующем. С помощью устройства управления 5 на вход R0 реверсивного счетчика 2 подают импульс сброса, по которому счетчик 2 обнуляется. От генератора 1 на счетный вход С реверсивного счетчика 2 поступают импульсы, следующие с частотой, определяемой выражением (5). На первом выходе дешифратора 3, соответствующего нулевому числу на выходах счетчика 2, формируется логический сигнал, поступающий на вход R R-S-триггера 6 и переводящий сигнал на его прямом выходе и, соответственно, на входе А счетчика 2 в состояние, разрешающее прямой подсчет импульсов. По мере увеличения числа, записанного в счетчике 2, изменяются активные выходы дешифратора 3, а на выходе схемы масштабирования 8 появляется сигнал в соответствии с зависимостью:
m
где U - амплитудное значение напряжения на выходе схемы масштабирования 8, i - число, записанное в счетчике 2.
Во время первого прямого заполнения счетчика 2 сигнал на выходе счетного Т - триггера 7 удерживает переключатель аналогового коммутатора 10 в верхнем по схеме (фиг.2) положении. Следовательно, на входе преобразователя напряжение-ток 11 будет формироваться сигнал, изменение которого описывается зависимостью (11). Соответственно, изменение тока на его выходе будет определяться зависимостью (7).
После заполнения счетчика 2, активизируется выход дешифратора 3, соответствующий максимальному числу N. Логический сигнал с этого выхода поступает на вход S R-S-триггера 6 и переводит сигнал на его прямом выходе и, соответственно, на входе А счетчика 2 в состояние, разрешающее обратный подсчет импульсов. Одновременно с этим, счетный T-триггер 7, работающий по фронту входного сигнала, переводит переключатель аналогового коммутатора 10 в нижнее по схеме (фиг.2) положение. Дополнительная схема масштабирования 9 настроена таким образом, чтобы напряжение на ее выходе определялось зависимостью:
Следовательно, напряжение на входе преобразователя напряжение-ток 11 на данном этапе формирования будет определяться выражением (11), а ток на его выходе - выражением (8). После обнуления счетчика по сигналу, идущему с дешифратора 3, R-S-триггер 6 опять изменяет направление счета, однако изменение его состояния не приводит к изменению состояния на выходе работающего по фронту входного сигнала счетного Т-триггера 7. В результате этого, переключатель аналогового коммутатора остается в нижнем по схеме (фиг.2) положении, а ток на выходе преобразователя напряжение-ток 11 определяется зависимостью (9).
После заполнения счетчика 2 и очередного изменения направления счета счетный T-триггер 7 изменит состояние на своем выходе, переведя переключатель аналогового коммутатора 11 в верхнее по схеме (фиг.2) положение, в результате чего ток на выходе преобразователя напряжение-ток 11 на последнем этапе формирования импульса зондирования начнет определяться выражением (10).
Для снижения «ступенчатости» формируемого сигнала дополнительно используют полосовой фильтр, который включают после схемы масштабирования или после аналогового коммутатора.
Функциональный цифроаналоговый преобразователь 4 может быть построен на основе резисторной матрицы (фиг.3). В этом случае в схеме используют дешифратор с инверсными выходами, подключенными через диоды к входам соответствующих резисторов матрицы. Объединенные выходы резисторной матрицы соединены через дополнительный резистор с источником положительного напряжения, при этом диоды с резисторами матрицы соединены анодами. Сопротивления резисторов матрицы выбирают из условия ,
Д
д
H
ИН
m
где R - сопротивление дополнительного резистора, U - прямое падение напряжения на внутренних выходных цепях активного выхода дешифратора и диоде, U - минимальное напряжение на выходах резисторной матрицы, U - напряжение на выходе источника положительного напряжения, , где k=i - номер резистора матрицы, подключенного к выходу дешифратора, соответствующему числу i на выходах реверсивного счетчика, U - максимальное значение напряжения на выходах резисторной матрицы.
H
H
m
Напряжение на выходе функционального аналого-цифрового преобразователя, в этом случае, изменяется за счет того, что к общему проводу в конкретный момент времени оказывается подключен только один резистор матрицы 13. Диоды 15 необходимы для снижения влияния на выходное напряжение сигналов высокого логического уровня, которые присутствуют на неактивных выходах дешифратора. Очевидно, что в этом случае напряжение на объединенных выходах резисторов матрицы 13 не может быть ниже некоторого минимального значения, определяющегося падением напряжения на открытых р-n-переходах выходных цепей дешифратора 3 и диода 15. Данный начальный уровень U может быть легко учтен в схеме масштабирования 8. Для этого схемы масштабирования могут представлять собой дифференциальные усилители 16 и 17. При этом вычитающий вход дифференциального усилителя, представляющего схему масштабирования, подключен к объединенным выходам резисторной матрицы, а суммирующий вход подключен к источнику положительного напряжения со значением U, в то время как суммирующий вход дифференциального усилителя, представляющего дополнительную схему масштабирования, подключен к источнику положительного напряжения со значением 2U, а вычитающий вход соединен с выходом дифференциального усилителя, представляющего схему масштабирования.
Практическая схема формирователя, реализующего предлагаемый способ, разработана для ЭМА преобразователя, работающего на частоте 1,25 МГц. Схема собрана на микросхемах ТТЛ логики 74 серии, схемы масштабирования - на операционных усилителях LM318, коммутатор МАХ4121. Для простоты реализации использован четырехразрядный счетчик. Для построения функционального преобразователя применена резисторная матрица, набранная из прецизионных резисторов MFR0W4 0,1%. Между аналоговым коммутатором и преобразователем напряжение-ток установлен полосовой фильтр на частоту 1,25 МГц.
Результаты экспериментальной проверки показали, что предлагаемый способ обеспечивает формирование колоколообразного зондирующего импульса с заданными характеристиками.