СИСТЕМА КАЛИБРОВКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области неразрушающего ультразвукового контроля, а именно к системам для определения метрологических характеристик пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).
Существует аналог, принятый за прототип, система калибровки пьезоэлектрических преобразователей АВГУР 2.2 (см. Бадалян В.Г., Базулин Е.Г., Бычков И.В. и др. Система калибровки пьезоэлектрических преобразователей «Авгур 2.2» // Законодательная и прикладная метрология, 1993, №5, с.14-17). К недостаткам системы следует отнести наличие только одного двигателя, отсутствие возможности калибровки иммерсионных ПЭП, невозможность подключения к произвольному персональному компьютеру, ограниченные характеристики приемо-передающего тракта, ограниченный перечень определяемых параметров ПЭП.
Предложена система калибровки пьезоэлектрических преобразователей, состоящая из персонального компьютера, соединенного посредством интерфейса USB с системным блоком, содержащим аналого-цифровой модуль, модуль коммутации, блок питания, соединенный с модулем аналого-цифровым, с модулем управления сканером и модулем питания двигателей, и сканирующего устройства, содержащего соединенные с модулем управления сканером блок датчиков и соединенные с модулем управления сканером и модулем питания двигателей шаговые приводы; аналого-цифровой модуль снабжен программируемой логической интегральной схемой, соединенной через контроллер с персональным компьютером и через формирователь зондирующего сигнала с модулем коммутации, к входу программируемой логической интегральной схемы подключена цепочка последовательно соединенных между собой аналого-цифрового преобразователя, мультиплексора, регулируемого широкополосного усилителя и модуля коммутации; программируемая логическая интегральная схема соединена с регулируемым широкополосным усилителем через цифрово-аналоговый преобразователь; программируемая логическая интегральная схема соединена с мультиплексором и приемопередатчиком; программируемая логическая интегральная схема соединена с банком памяти; выход формирователя зондирующего сигнала соединен с входом мультиплексора через аттенюатор; приемо-передатчик соединен с микроконтроллером модуля коммутации через интерфейс; микроконтроллер модуля коммутации связан с коммутатором, содержащим банк демпфирующих сопротивлений; приемо-передатчик соединен с микроконтроллером модуля управления сканером; калибруемый пьезоэлектрический преобразователь подключается к модулю коммутации.
ПЭП без применения дополнительного оборудования согласно ГОСТ 23702-90, в сокращении времени проведения калибровки и в упрощении процедуры калибровки, что позволяет снизить требования к квалификации оператора.
Блок схема предложенной системы калибровки ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей приведена на чертеже.
Как видно из чертежа система калибровки ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей состоит из персонального компьютера 1 соединенного посредством интерфейса USB 2 с системным блоком 3, аналого-цифрового модуля 4, модуля коммутации 5, блока питания 6, модуля управления сканером 7, модуля питания двигателей 8, и сканирующего устройства 9. Сканирующее устройство 9 содержит блок датчиков 10 и шаговые приводы 11 и 12. Аналого-цифровой модуль 4 содержит программируемую логическую интегральную схему 13, контроллер 14 формирователь зондирующего сигнала 15 аналого-цифрововой преобразователь 16, мультиплексор 17, регулируемый широкополосный усилитель 18, цифро-аналоговый преобразователь 19, приемо-передатчик 20, банк памяти 21, аттенюатор 22. Модуль коммутации 5 содержит микроконтроллер 23, соединенный интерфейсом 24 с аналого-цифровым модулем 4, и коммутатор 25, включающий банк демпфирующих сопротивлений 26. Модуль управления сканером 7 содержит контроллер 27. Калибруемый пьезоэлектрический преобразователь 28 подключается к модулю коммутации 5.
На персональном компьютере 1 выполняется программа, выполняющая настройку всей системы, сбор и хранение эхосигналов от пьезоэлектрического преобразователя 28, а также обработку данных, позволяющую определять параметры калибруемого пьезоэлектрического преобразователя.
На блок системный 3 выводится индикация подачи питания, на нем находится кнопка включения питания, кнопка аварийного останова движения (на чертеже не показаны), разъемы для подключения пьезоэлектрических преобразователей 28, подачи питания от электрической сети (на чертеже не показаны), соединения с шаговыми приводами 11 и 12 и блока датчиков (концевых выключателей) 10 сканирующего устройства 9.
Модуль аналого-цифровой 4, входящий в состав блока системного 3, выполняет формирование зондирующего сигнала, формирование команд для управления шаговыми приводами 11 и 12 сканирующего устройства 9, формирование команд для управления модулем коммутации 5, усиление эхосигналов, поступающих от модуля коммутации 5, преобразование полученных эхосигналов в цифровую форму, цифровую обработку и запоминание в буферной памяти 21 для последующей передачи данных в персональный компьютер 1, прием и передачу команд по последовательному каналу через приемо-передатчик 20 в соответствии с протоколом обмена, определяемым стандартом RS-485, а также прием и передачу команд и данных по интерфейсу USB 2. Программируемая логическая интегральная схема 13, обеспечивает с помощью контроллера USB 14 обмен данными с данных по интерфейсу USB 2. Программируемая логическая интегральная схема 13, обеспечивает с помощью контроллера USB 14 обмен данными с персональным компьютером 1, с помощью приемо-передатчика 20 управление сканирующим устройством 9 и коммутацию каналов в модуле коммутации 5, работу формирователя зондирующего сигнала 15, мультиплексора 17 и регулируемого широкополосного усилителя 18, а также синхронизацию работы всей системы. Мультиплексор 17 модуля аналого-цифрового 4 реализует включение низкочастотной или высокочастотной фильтрации и коммутирует подключение выхода формирователя зондирующего сигнала 15 через аттенюатор 22. Для усиления сигналов служит регулируемый широкополосный усилитель 18, управляемый цифро-аналоговым преобразователем 19.
Модуль коммутации 5 при помощи коммутатора 25 обеспечивает совмещенный и раздельный режимы работы пьезоэлектрического преобразователя 28, а также переключение банка демпфирующих сопротивлений 26.
Блок питания 6 системы предназначен для обеспечения электропитанием всех элементов системы. Блок питания 6 выполнен на базе стандартного компьютерного блока питания FSP 350W.
Модуль управления сканером 7 обеспечивает прием и передачу сигналов по последовательному каналу связи 23 в соответствии с протоколом обмена, определяемым стандартом RS-485, вырабатывает при помощи микроконтроллера 27 программно управляемые сигналы, необходимые для работы шаговых приводов 11 и 12 сканирующего устройства 9, а также обрабатывает и передает в модуль аналого-цифровой 4 информацию о состоянии блока 10 датчиков конечного положения сканера.
Модуль питания двигателей 8 представляет собой повышающий преобразователь постоянного напряжения из +12 В к +27 В и служит для обеспечения электропитанием шаговых приводов 11 и 12 сканирующего устройства 9.
Сканирующее устройство 9 представляет собой позиционирующий сканер с двумя шаговыми приводами 11 и 12 и блоком датчиков 10 концевого положения, комплектом сменных частей (прижимов и держателей для пьезоэлектрических преобразователей, подставок для образцов, иммерсионных ванн, на чертеже не показанных), предназначенный для перемещения одного пьезоэлектрического преобразователя в одной плоскости (по поверхности образца или в иммерсионной ванне).
Преимущества полезной модели состоят в возможности выполнения метрологической поверки ПЭП различных типов (контактных и иммерсионных, прямых и наклонных, совмещенных и раздельно-совмещенных, фокусирующих и не фокусирующих) при выполнении сканирования в одной плоскости, наличие аттенюатора позволяет измерять амплитуду зондирующего импульса, наличие банка демпфирующих сопротивлений позволяет настраивать приемо-передающий тракт на работу с различными ПЭП.