Ультразвуковые сканеры (стр. 2 из 3)
= 
( 3)Коэффициенты
являются сложными функциями физических параметров ПЭП. Для малых сигналов ПЭП представляет собой линейный обратимый четырехполюсник. В режиме приемника I и v изменяют свои направления, а матричное уравнение будет иметь вид = 
Коэффициенты
и 
связаны соотношениями: 
Пьезопреобразователь можно характеризовать коэффициентами передачи. Например, для режима излучателя это будет отношение
.Обозначив площадь ПЭП через
, запишем 
/ 
, а согласно определению 
/ 
. С учетом этих соотношений из уравнения (3) находим 
.Коэффициенты
и 
являются функциями частоты.Для наглядных представлений часто используют эквивалентную электрическую схему ПЭП. Один из возможных вариантов такой схемы приведен на рис.3.
 |
Рисунок 3. Электрическая модель пьезоэлемента.
Здесь r и L - активное сопротивление и индуктивность внешней цепи (индуктивность может быть и специально включаемой), С
- емкость между обкладками ПЭП; L 
, С , r - параметры электрической модели ПЭП, отражающие его механические свойства. Вследствие большой диэлектрической проницаемости пьезоэлектриков ЦТС емкость С 
ПЭП даже при его небольших размерах может быть сравнительно большой - сотни пФ.Как видим, электрическая модель ПЭП представляет собой систему связанных контуров, поэтому в ней возможен резонанс на двух частотах. Последовательный контур L
, C , r имеет высокую добротность, которая отражает высокую собственную механическую добротность пьезокристалла. Однако, как увидим далее, она не должна быть слишком высокой при импульсной локации объектов и ее уменьшают электрическим (включением внешних элементов) и механическим путем (демпфированием).3. Конструкции и технологии датчиков
Первыми датчиками для универсальных УЗ сканеров были секторные механические датчики качающегося типа (термин «качающийся» относится к пьезоэлектрическому преобразователю). Сейчас они постепенно вытесняются электронно-управляемыми датчиками (линейными и конвексными), но по-прежнему применяются и совершенствуются.
Обобщенная структурная схема такого датчика приведена на рис.4.
 | ||||
 | ||||
 |  | |||
Рисунок 4. Структурная схема механического датчика.
Электродвигатель может совершать возвратно-вращательное движение и одностороннее вращение. В зависимости от этого датчик углового положения может иметь различный принцип действия и конструкцию. Преобразователь движения может включать редуктор и преобразователь вида движения (перевод вращения из одной плоскости в другую, перевод вращательного движения в качательное).
 |
Рассмотрим вначале устройство отдельных узлов датчика, в котором двигатель совершает возвратно-вращательное движение. Для этого применяют так называемые моментные двигатели постоянного тока. Они питаются от управляющего устройства, вырабатывающего напряжение специальной формы. Упрощенная конструкция и некоторые детали такого двигателя изображены на рис.5
Рисунок 5 Моментный двигатель постоянного тока.
Основными частями электродвигателя являются статор и ротор (рис. 5, а, б) Статор собирается из тонких пермаллоевых колец. Обмотка статора состоит из двух секций, которые включаются встречно. Ротор представляет собой постоянный магнит из феррита. При пропускании тока через обмотки статора они создают в сердечнике магнитные потоки, направленные в разные стороны, поэтому основной поток в сердечнике равен нулю. Но ввиду того, что ширина колец мала по сравнению с их диаметром, образуются потоки рассеяния, сцепленные с обмотками. Получаются как бы два магнита с одинаково расположенными одноименными полюсами. Взаимодействуя с полями этих магнитов, ротор поворачивается, стремясь занять положение, параллельное обмоткам. Динамические характеристики механической системы и параметры тока возбуждения (величина, форма, период) согласованы так, что когда ротор повернется на угол 90 – 100о от исходного крайнего положения, происходит коммутация тока в обмотках и начинается его движение в обратную сторону.
Чтобы движение было равномерным, необходимо постоянство вращающего момента, а для этого в свою очередь требуется постоянство тока в обмотках. В момент коммутации и смены направления вращения возникают броски тока за счет инерционности системы управления (рис 6). В некоторых случаях ток может линейно нарастать (штриховая линия на рисунке). Требуемую форму тока обеспечивает специальная система регулирования с обратной связью через датчик угла поворота. Она учитывает механические и электрические характеристики системы. В режиме М должен быть задан определенный угол поворота пьезопреобразователя. Для этого система регулирования с высокой частотой реверсирует ток в обмотках статора, удерживая тем самым ротор в одном положении.
 |
Рисунок 6. Форма тока моментного двигателя.
Броски тока двигателя весьма нежелательны, особенно при пуске датчика. Пусковые токи могут достигать величин, опасных (несколько ампер) для выходного усилителя системы управления, питающего двигатель. При сбое системы управления могут одновременно включиться все механические датчики используемого комплекта (как правило, все они подключены и выбираются с помощью сенсоров). Это может привести к выходу усилителя из строя. На этот случай предусмотрена защита, например, в виде плавкого предохранителя.
 |
На общем валу с электродвигателем находится ротор датчика угла поворота (ДУП). Конструкцию и принцип действия ДУП поясняет рис.7. По сути, он представляет собой дифференциальный трансформаторный датчик перемещения (рис.7,а). Он имеет обмотку возбуждения w1 и вторичные обмотки w21 и w22,
Рисунок 7. Датчик углового положения трансформаторного типа.
которые включены встречно. Подвижный сердечник перемещается относительно этих обмоток, при этом ЭДС в них изменяются. В среднем положении сердечника они одинаковы, и выходной сигнал равен нулю. При смещении сердечника влево или вправо ода из ЭДС увеличивается, а другая уменьшается. Выходной сигнал растет по величине и может иметь различную фазу в зависимости от положения сердечника (левое или правое). Так как габариты датчика очень маленькие, первичная обмотка возбуждается высокочастотным током (10 – 15 кГц).