ЖУРНАЛ «СТА» №1/2003

лебаний. Вместе с тем увеличение соб- ственной частоты излучателя тоже свя- зано с уменьшением его диаметра. Компромисс между стремлениями уменьшить размеры излучателя и со- хранить энергетические свойства пре- образователя достигается за счёт по- крытия пьезокерамического элемента с небольшим диаметром большим по объёму разделительным слоем (рис. 5). В этом случае особое внимание уделя- ется проблеме обеспечения синфазно- сти излучения на всей поверхности разделительного слоя, так как при его значительных размерах возникают не только полезные поперечные колеба- ния, но и другие колебания (моды), ис- кажающие требуемое фазовое соотно- шение излучаемых сигналов. Разреше- ние данной проблемы во многом свя- зано с выбором способа компоновки излучателя и разделительного слоя внутри преобразователя. В четвертьволновом вибраторе амп- литуда колебаний в граничной плоско- сти между ПКЭ и разделительным сло- ем значительно меньше амплитуды на поверхности разделительного слоя и может быть рассмотрена как амплитуда колебаний в узловой плоскости (рис. 6). При компоновке, выбранной фирмой Pepperl+Fuchs (рис. 7), на пе- реднюю и заднюю поверхности излуча- теля с толщиной разделительного слоя λ /2 приходятся пучности стоячей вол- ны излучения, а на ПКЭ, расположен- ный в середине разделительного слоя ( λ /4), — её узловые точки (расстояние между соседними узлами или соседни- ми пучностями всегда равно половине длины волны). Это обеспечивает высо- кую эффективность работы датчика при низком энергопотреблении, а так- же приводит к тому, что фазовое соот- ношение искажается лишь в зоне гра- ницы между ПКЭ и разделительным слоем, а следовательно, распространя- ется только на сигналы с минимальной амплитудой и практически не приво- дит к искажению суммарного излучае- мого сигнала (эпюра на рис. 7). На рис. 8 приведён пример диаграм- мы направленности излучения ультра- звукового датчика UJ4000FPH12 фирмы Pepperl+Fuchs (диаметр излу- чателя 50 мм, диапазон измерения до 4 м, частота излучателя 90 кГц, время изменения амплитуды от максималь- ного значения до уровня 1/10 максиму- ма примерно 500 мкс) с указанием зон чувствительности, соответствующих измеряемым объектам с разными отра- жательными свойствами и размерами; диаграмма построена на основе реаль- ных измеренных данных, нормирован- ных по звуковому давлению при 0°С. Э ЛЕКТРОННАЯ ЧАСТЬ ДАТЧИКА Для того чтобы ультразвуковой пре- образователь был способен восприни- мать входные воздействия и представ- лять их в виде, приемлемом для даль- нейшей обработки, ему необходимо добавить некоторые дополнительные компоненты; только после этого полу- ченное интегрированное устройство можно назвать датчиком. Основными компонентами элек- тронной части ультразвуковых датчи- ков фирмы Pepperl+Fuchs являются блоки излучателя и приёмного усили- теля (рис. 9). Блок излучателя Излучатель включает в себя элек- тронный ключ, генератор колебаний и усилительный выходной каскад, с вы- хода которого выдаётся напряжение 250 В, требуемое для возбуждения пье- зокерамического элемента. Генератор предварительно настраивается на резо- нансную частоту ультразвукового пре- образователя. Резонансная частота за- висит от типа датчика: она лежит в ди- 71 СТА 1/2003 www.cta.ru В З АПИС Н УЮ К НИЖК У ИНЖЕ Н Е РА Керамика Разделительный слой Пьезокерамический элемент λ /4 Рис. 5. Схематичное представление излучателя фирмы Pepperl+Fuchs Узел волны излучения Пучность (антиузел) волны излучения λ /2 λ Рис. 6. Соотношение узлов и пучностей волны излучения Керамика Разделительный слой Амплитуда колебаний λ /2 λ /4 Рис. 7. Распределение амплитуды колебаний для излучателя Pepperl+Fuchs Зоны чувствительности для разных измеряемых объектов: А — плоская плата 700 × 700 мм; B — плоская плата 100 × 100 мм; C — пластиковая труба диаметром 60 мм, обитая войлоком; D — деревянная деталь диаметром 25 мм. Рис. 8. Пример реальной диаграммы направленности излучения ультразвукового датчика UJ4000-FP-H12