устройство для излучения и приема ультразвуковых волн с пьезоэлектрическим преобразователем

Формула изобретения

Устройство для излучения и приема ультразвуковых волн, содержащее источник напряжения, к которому подключены последовательно в указанной очередности первый резистор, конденсатор и второй резистор, пьезоэлектрический преобразователь, одним своим выводом соединенный с «землей» источника напряжения, электронный ключ, подключенный одним выводом к точке соединения первого резистора с конденсатором, а вторым выводом к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с «землей» источника напряжения, схему управления, выход которой подключен к управляющему входу электронного ключа, два встречно-параллельных диода, включенных параллельно третьему резистору, и приемно-усилительный тракт, вход которого подключен к первому выводу третьего резистора, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью создания на пьезоэлектрическом преобразователе перепада напряжения, превышающего напряжение источника питания, для генерации ультразвуковой волны за счет включения индуктивности, один из выводов которой подключен к точке соединения конденсатора и второго резистора, а второй вывод - к свободному выводу пьезоэлектрического преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к эхо-локации и может применяться в различных ультразвуковых устройствах, где в качестве приемоизлучателя используется пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), например: в ультразвуковых дефектоскопах и толщиномерах, в медицинских ультразвуковых сканерах, а также в эхолотах и гидролокаторах.

Известно устройство для ультразвукового контроля материалов (US 2398701 G01N 29/04, 16.04.1946), содержащее источник напряжения, к которому последовательно подключены в указанной очередности резистор, конденсатор и ПЭП, электронный ключ, подключенный к точке соединения резистора и конденсатора, схема управления, выход которой подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком данного устройства является то, что для приема отраженных ультразвуковых волн необходимо вводить цепи высоковольтной развязки между ПЭП и низковольтным приемно-усилительным трактом, что ухудшает качество принимаемого сигнала

Прототипом заявленного изобретения является устройство для ультразвукового контроля трубопроводов (патент РФ RU 2224247 от 20.02.2004. МПК G01N 29/04), содержащее источник напряжения, к которому подключены последовательно в указанной очередности первый резистор, конденсатор и второй резистор, ПЭП, одним своим выводом соединенный с «землей» источника напряжения, электронный ключ, подключенный одним выводом к точке соединения первого резистора с конденсатором, а вторым выводом к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с «землей» источника напряжения, схему управления, выход которой подключен к управляющему входу электронного ключа, два встречно-параллельных диода, включенных параллельно третьему резистору, и приемно-усилительный тракт, вход которого подключен к первому выводу второго резистора.

Основным недостатком прототипа является неэффективное использование напряжения источника питания, т.к. максимальный перепад напряжения на ПЭП при генерации ультразвуковой волны не превышает напряжения источника питания.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования напряжения источника питания.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования напряжения источника питания, за счет создание перепада напряжения на ПЭП для генерации ультразвуковой волны, превышающего напряжение источника питания.

Технический результат достигается за счет того, что устройство, содержащее источник напряжения, к которому подключены последовательно в указанной очередности первый резистор, конденсатор и второй резистор, пьезоэлектрический преобразователь, одним своим выводом соединенный с «землей» источника напряжения, электронный ключ, подключенный одним выводом к точке соединения первого резистора с конденсатором, а вторым выводом к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с «землей» источника напряжения, схему управления, выход которой подключен к управляющему входу электронного ключа, два встречно-параллельных диода, включенных параллельно третьему резистору, и приемно-усилительный тракт, вход которого подключен к первому выводу третьего резистора, оно выполнено с возможностью создания на пьезоэлектрическом преобразователе перепада напряжения, превышающего напряжение источника питания, для генерации ультразвуковой волны за счет включения индуктивности, один из выводов которой подключен к точке соединения конденсатора и второго резистора, а второй вывод - к свободному выводу пьезоэлектрического преобразователя.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства.

1 - электронный ключ,

2 - конденсатор,

3 - источник напряжения,

4 - первый резистор,

5 - второй резистор,

6 - схема управления,

7 - ПЭП,

8 - индуктивность,

9 - третий резистор, 10-

первый диод,

11 - второй диод,

12 - приемно-усилительный тракт

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии электронный ключ 1 разомкнут, а конденсатор 2, подключенный к источнику напряжения 3 через первый резистор 4 и второй резистор 5 заряжен до напряжения источника U. По сигналу схемы управления 6 электронный ключ 1 замыкается и потенциал обкладки А конденсатора 2 становится равным UD (напряжение открытого диода), а потенциал его обкладки В становится равным минус (U-U_D). Конденсатор 2 начинает разряжаться на собственную емкость ПЭП 7 через индуктивность 8, замкнутый электронный ключ 1, третий резистор 9 и диоды 10 и 11. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе 2 становится равным нулю, напряжение на ПЭП 7 достигает уровня минус (U-U _D), а ток в индуктивности 8 достигает максимального значения и начинает заряжать емкость ПЭП 7 до максимального отрицательного напряжения, величина которого при отсутствии затуханий могла бы достичь уровня минус 2(U-U_D). Но даже с учетом затухания, перепад напряжения на ПЭП значительно превышает напряжение источника питания. Далее в колебательном контуре конденсатор 2 -индуктивность 8 - емкость ПЭП 7 развивается автоколебательный процесс с частотой

,

где L - величина индуктивности 8,

С - емкость конденсатора 2,

С_ПЭП - собственная емкость ПЭП 7,

и ПЭП излучает ультразвуковую волну с экспоненциально затухающей амплитудой. При этом в любой момент времени напряжение на третьем резисторе 9 не может выйти за пределы плюс-минус U_D, где U_D - напряжение открытого диода, обеспечивая безопасное сопряжение с низковольтным входом приемно-усилительного тракта 12.

После полного затухания колебаний устройство готово к приему отраженных ультразвуковых волн. ПЭП преобразует падающую на него ультразвуковую волну в электрические колебания, которые поступают через индуктивность 8, конденсатор 2 и замкнутый электронный ключ 1 на третий резистор 9 и далее в приемно-усилительный тракт 12. После завершения приема отраженных волн схема управления 6 размыкает электронный ключ 1, и устройство возвращается в исходное состояние.