книги / Применения ультразвука
..pdfСинтезатор частот излучает в преобразователь радиочастот ный сигнал мощностью порядка нескольких нановатт, частота которого промодулирована частотой œA. После усиления и ам плитудного детектирования принимаемого из образца сигнала выделенный из него сигнал звуковой частоты расщепляется и направляется в два синхронных усилителя (будем ссылаться на них как на со, и 2со,). Выходной сигнал из синхронизирующего устройства А (называемого (Ùa) подается через универсальную интерфейсную шину GPIB на цифровой дифференциально интегральный Р/О-регулятор. Последний использует данный сигнал для регулирования центральной частоты со синтезатора, чтобы погасить выходной сигнал из синхронизирующего уст ройства А. В результате образуется цепь фазовой синхрониза ции, которая заставляет со следовать за центром резонанса соот. В то же самое время второй синхронный усилитель В измеря ет компонент 2соа в сигнале звуковой частоты. Исходя из этого измерения, можно определить изменение добротности Q резо нансной системы с точностью до общего множителя. Данный калибровочный коэффициент зависит только от электроники, не изменяется с температурой, и его нужно определять лишь единожды. Определение осуществляется в ходе отдельного из мерения: сначала сканируют резонансные частоты, потом со поставляют резонансную кривую с лоренцевой (Lorentzain), чтобы получить Q, а затем проводится сравнение с показаниями синхронизирующего устройства В. Сигналы, модулированные по амплитуде, показаны на рис. 4.20.
Рис. 4.19. Блок-схема спектрометра — метод CW (незатухающей волны)
Шд = Ш
(а) Вне резонанса w4<*)m |
(Ь) На резонансе ш = <иг |
Рис. 4.20. Сигналы, модулированные по амплитуде
iYD-регулятор в экспериментальной установке представляет собой небольшую компьютерную программу, которая контроли рует весь эксперимент. Периодически (каждую секунду) он счи тывает данные из двух синхронных усилителей. На основе полу ченной информации о 2(ÛA PID-регулятор определяет Q. Величина Q и сигнал из синхронизирующего устройства А (называемого со^) используются для расчета отклонения со от юш. Корректировка со передается в синтезатор через вывод GPIB, так как обнуление сигнала на выходе синхронизирующего устройства А зависит не только от to — ат, но и от Q (он пропорционален Q, когда со не сильно отличается от сош). Мы применяем Q для динамическо го регулирования P/D-параметров обратной связи, чтобы обрат ная связь была тем сильнее, чем ниже Q, и слабее для высокого Q, дабы обеспечить оптимальную следящую коррекцию. Данная цепь фазовой синхронизации следит за соответствием централь ной частоты центру резонанса. Одновременно производится ска нирование экспериментальных параметров, в нашем случае — температур. Это позволяет измерять Q и резонансную частоту. Экспериментальная установка-сборка с резонатором показана на рис. 4.21.
Применять электронику просто, однако необходимо следить за правильным соотношением импедансов на различных этапах усиления. В вышеописанном эксперименте перед синхронизиру ющим устройством А установлен фильтр нижних частот, который отсекает высшие гармоники. Если бы фильтра не было, сигналы высших гармоник перегружали бы синхронизирующее устройс тво А, прежде чем достигали бы стадии чувствительного фазового
детектирования. Поэтому установка фильтра обеспечивает работу устройства А на более высоком уровне чувствительности.
Данная экспериментальная методика успешно применяется для измерения скорости звука и затухания втяжелом фермионном сверхпроводнике UPt3вплоть до 5 мК. Относительное изменение фазовой скорости (AU/U) можно уменьшить до 5x10'? при мощ ности возбуждающего радиочастотного сигнала порядка 5 нВт.
Бескислородная медь
высокой проводимости (OFHC) Подпружиненный штифт Канал управления
Радиочастотный
соединитель
Преобразователь
Образец
Рис. 4.21. Устройство резонатора — метод незатухающей волны
4.4.2. Метод циклического возбуждения
Циклическое возбуждение представляет собой один из наиболее полезных методов автоматизированного измерения скорости и затухания. Из-за игнорирования запаздывания в традиционном методе циклического возбуждения точность измерения уменьша ется, следовательно, метод неидеален для автоматизации. Более того, одновременное измерение затухания невозможно. Устранив все эти недостатки, можно разработать усовершенствованный ме тод циклического возбуждения с автоматизированным измерени ем как скорости, так и затухания.
Блок-схема экспериментальной установки [23] показана на рис. 4.22. Электрический импульс с генератора подается на преоб разователь-передатчик. Передатчик посылает ультразвуковую вол ну в образец. Эта волна проходит через образец и регистрируется преобразователем-приемником, а затем усиливается с помощью предварительного усилителя. Передний фронт усиленного сигнала используется для генерирования сигнала запуска, который иниции рует новый импульс в передатчике, что обеспечиваетнепрерывность цикла. Частотомер замеряет частоту генерации сигналов запуска.
Возбуждающий |
Преобразователь- |
|
импульс |
Генератор |
приемник |
|
| Образец V |
|
|
Предва |
Преобразователь- |
|
Vрительныйусилитель |
|
|
передатчик |
|
Пороговый >. детектор
Частотомер
Рис. 4.22. Блок-схема метода циклического возбуждения
Длительность одного цикла представляет собой величину, обратную количеству сигналов запуска, насчитанных в течение одной секун ды. Очевидно, что длительность цикла превышает время пробега волны в образце. Электрические задержки, связанные с приведе нием в действие передатчика, временем нарастания усиленного им пульса, генерацией сигнала запуска, а также акустические задержки, возникающие в элементах связи между преобразователями и образ цом, —все это влияет на точность измерения скорости.
Чтобы убрать эти электрические и акустические задержки, вво дится схема задержки, обеспечивающая автоматически появление нового пускового сигнала не ранее, чем уровень предшествующих эхо-сигналов спадетдо нуля. Из соответствующихциклов двух сосед них эхо-сигналов следует выбрать две точки в фазе пересечения нуля и использовать их как источник циклического возбуждения. Для этих двух циклов измеряется соответствующее время повторения импуль са Т, и ТтРазница между этими двумя значениями времени даст вре мя пробега в образце туда и обратно. Усовершенствованная картина эха, полученная с помощью этого метода, показана на рис. 4.23.
В вышеописанном методе применяется автоматизированная методика следящей коррекции по опорным точкам, что позволя ет автоматизировать систему, а также повысить точность. Более того, осуществляется перекрывание соответствующих циклов эхо-сигналов. Для корректировки точного перекрывания мож-
Рис. 4.23. Эхо-импульсные сигналы— усовершенствованныйметод
Рис. 4.24. Блок-схема экспериментальной установки
но применять критерий At МакСкимина по аналогии с метода ми эхо-импульсного перекрывания и наложения импульсов. Все это позволяет повысить точность абсолютного измерения скоро сти. Вусовершенствованном методе циклического возбуждения ошибка в измерении времени пробега равна ±0,1 нс, A U/Uсостав ляет 10ррт, а Да/а меньше 5%.
4.4.3. М етод перекрывания эхо-импульсов (P E G )
В данном методе автоматизировать измерение скорости можно с помощью доступного оборудования. Изначально считалось, что метод РЕО невозможно автоматизировать для точного измерения времени пробега ультразвука. Однако современная электроника и инструментарий позволяют преодолеть вышеназванные трудно сти. Блок-схема современной экспериментальной установки РЕО [24] показана на рис. 4.24.
Установка состоит из блока высокочастотного ультразвуково го импульсного генератора/приемника, цифрового осциллоскопа с запоминающим устройством, регулятора температуры, циф ровой карты Института инженеров по электрике и электронике IEEE-488 и персонального компьютера. Электрические сигналы генерируются высокочастотным (НЕ) импульсным генератором из блока генератор/приемник. Эти сигналы подаются на пьезоэлек трический преобразователь, который соединен с отполированной поверхностью образца. Цифровой запоминающий осциллоскоп, используемый в данном методе, способен измерять время между запуском и заданным событием с точностью до 50 пикосекунд.
4.4.4. М етод взаимной корреляции
Функциональная схема полного обнаружения цуга эхо-сигналов, содержащего первый и второй эхо-сигналы от задней поверхности приведена на рис. 4.25. Обнаружение и выбор эхо-сигналов осу ществляются с помощью компьютерной программы, управляемой с помощью клавиатуры. Измерение времени прохождения между двумя эхо-сигналами реализуется с высокой точностью и без осо бых усилий, что обеспечивается использованием метода взаимной корреляции. Блок-схема инструментальной установки показана на рис. 4.26. Главными компонентами системы являются:
1)ультразвуковой импульсный генератор/приемник;
2)персональный компьютер;
3)высокоскоростной цифровой преобразователь (время пре образования составляет 40 нс или еще меньше);
4)устройство управления сканированием.
Импульсный генератор представляет собой широкополосный генератор с высоким напряжением порядка 250 вольт и временем нарастания 50 нс. Он можетвозбуждатьультразвуковые преобразо ватели с частотой от 1 до 20 МГц. Приемник-усилитель имеет ши рину полосы пропускания 40 МГц и усиление около 40 дБ. Размах выдаваемого им напряжения 2 вольта. Цифровая карта поддержи вает регулятор шагового электродвигателя, который перемещает преобразователь по образцу, позволяя обнаруживать эхо-сигналы от задней поверхности образца на различных его участках.
Описание цепи высокоскоростного цифрового преобразователя Высокоскоростной цифровой преобразователь переходного
процесса представляет собой карту-приставку и состоит из: а) ло гического устройства дешифровки адреса; б) программируемого интерфейса периферийного устройства РРГ, в) памяти FIFO (об работка данных в порядке их поступления); г) быстрого аналогоцифрового преобразователя (ADQ, осуществляющего преобразо вание за 30 наносекунд; д) независимого часового механизма.
Входящий сигнал радиочастоты от преобразователя поступает в буфер и подается на цепь корректировки постоянного тока (de). Это обеспечивает соответствие амплитуды сигнала (размах 2 В) [26] диапазону входящего сигнала параллельного ADC (ТДС1007 РСВ). Данный сигнал поступает в параллельный ADC, который проводит дискретизацию при 25 МГц с разрешением 8 бит. Компьютер через интегральную схемупрограммируемого периферийногоустройства PPI 1C (8255) подает переключающий сигнал запуска, требуемый для того, чтобы вовремя начать оцифровывание. Оцифрованные результаты ADC хранятся в 8192 байтах на плате памяти. Общее время захвата составляет 327,68 микросекунды. Для хранения ис пользуется память FIFO [27, 28], потому что она обеспечивает вы сокую скорость и высокую плотность записи. Поскольку преобра зование с помощью ADC занимает 40 наносекунд, тогда как время доступа к FIFO-muwm (IDT 7204) составляет 65 наносекунд, то поочередно используются две FIFO вместе с сопутствующей ло гикой для приемлемого сохранения данных на скорости преобра зования 25 МГц. В цепи применяется FIFO типа 4096x9. Ее можно поменять на 8192x9, что позволит увеличить общее количество за-
писываемых данных до 16 Кб, всего лишь изменив интегральную схему. Записанные данные передаются на компьютер через порт С программируемого периферийного интерфейса.
Сначала компьютер инициализирует PPI и включает карту оцифровывания через порт В. Потом компьютер подает сигнал за пуска на пошаговый регулятор и генератор импульсов. Часовой ме ханизм генерирует сигнал для продолжения записи на ADСи FIFO, а когда FIFO заполнена, она останавливает процесс. Компьютер считывает записанный сигнал радиочастоты из 8 килобайт дан ных, полученных из FIFO через порт С на его скорости. Данные сохраняются на жестком диске для последующего анализа.
Рис. 4.25. Функциональная схема - получение полных данных для цуга эхо-сигналов — измерение скорости
Рис. 4.26. Блок-схема инструментальной установки
Сбор выборочныхданных Сначала ультразвуковой преобразователь устанавливают вер
тикально на движущий механизм шагового электродвигателя (сканирующее устройство) и тщательно соединяют с тестируемым образцом. Потом преобразователь возбуждают с помощью им пульсного генератора из цифровой карты (АЦП). Соответственно сигнал радиочастоты принимается тем же преобразователем, а оцифрованный сигнал сохраняется на винчестере. Рис. 4.27 пока зывает оцифрованную картину эхо-сигнала от задней поверхнос ти. Этот процесс повторяется несколько раз через равные проме жутки времени в одном и том же положении. Средний результат сохраняется в компьютере.
Рис. 4.28. Воссозданный составной сигнал радиочастоты
Потом щуп перемещают в новое положение, осуществляя кон троль с помощью программного обеспечения, которое управляет шаговым электродвигателем. Сигнал радиочастоты снова оциф ровывается и сохраняется. Этот процесс повторяется при разных положениях щупа. Наконец выбирается средний результат по всем радиосигналам при разных положениях щупа относительно образца и снова сохраняется в компьютере. Рис. 4.28 демонстри рует составной сигнал.
Для измерения затухания применяют быстрое преобразование Фурье (FFT), в результате чего получают амплитуды спектраль ных составляющих выбранных эхо-сигналов в диапазоне частот. Результат FFT выбранных эхо-сигналов 5 ; и В2 показан на рис. 4.29(a) и 4.29(b). Зная толщину пластины, рассчитывают коэффи циент затухания. Что касается измерения скорости, то здесь при меняют метод взаимной корреляции (рис. 4.30), реализуемый с помощью программного обеспечения, и измеряют время пробега.