Применение фазового метода для определения временного положения акустического импульса Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Soldatov Alexey Ivanovitch

National Research Tomsk Polytechnic University. E-mail: [email protected]. 30, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia. Тел.: +73822419605; +79095497851.

Sorokin Pavel Vladimirovitch

E-mail: [email protected].

Phone: 83822419605; +79059905671.

Soldatov Andrey Alexeyvitch

Institute of High Voltages of National Research Tomsk Polytechnic University.

E-mail: [email protected].

2a, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia.

Тел.: +73822419091.

УДК 621.3.088

М.А. Солдатова, П.В. Сорокин, А.А. Солдатов

ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА

Предложен новый метод определения временного положения акустического импульса, позволяющий уменьшить погрешность измерения времени распространения сигнала в акустическом тракте измерительного прибора.

Экстремум; огибающая; эхо-сигнал.

M.A. Soldatova, P.V. Sorokin, A.A. Soldatov

USING THE PHASE SHIFT METHOD FOR CALCULATION OF ACOUSTIC

PULSE POSITION

New method of acoustic pulse signal time coordinate calculation is proposed. This method allows to reduce measurement error of signal propogation time in acoustic section of measuring device.

Extremum; envelope; echo-signal.

Возможность современных однокристальных микропроцессоров с обширной периферией позволяют использовать сложные алгоритмы обработки информации с целью определения начала ультразвукового эхо-импульса.

Одним из путей достижения этой цели является использование зависимости длительности импульса, получаемого с выхода компаратора при сравнении синусоидальных колебаний нарастающей амплитуды с фиксированным уровнем от их

амплитуды Um = f (tu) в каждом периоде сигнала.

Из рис. 1 видно, что информация о наклоне огибающей импульсного сигнала содержится в длительностях серии прямоугольных импульсов, сформированных на выходе компаратора.

Выразим амплитуду полусинусоиды на входе компаратора через длительность импульса на выходе компаратора:

и

и = пор

тах д„-. 008-

где д^ определяется из выражения:

др = п- (1-Д)

Рис. 1. Диаграмма нарастающей части эхо-сигнала (а), зависимость длительности импульсов на выходе компаратора от амплитуды эхо-сигнала (б) и ошибка в определении времени прихода эхо-сигнала (в)

Очевидно, что при этом

и_

и

пор

П П Д1: .

008(------ )

2 2 Т

где - длительность импульса на выходе компаратора, Т - период несущей час-

тоты,

и

■ амплитуда полусинусоиды в г периоде импульсного сигнала.

Для получения аппроксимирующего выражения огибающей импульсного сигнала необходимо минимум 3 точки [1]:

иmax1

и

,п П Д^ ч 2 2 Т '

Umax2

и

пор

П П Ди, 2 2 Т

Umax3

и

пор

П П Д3 ч

2 2 Т '

Поскольку полученные 3 точки должны лежать на огибающей импульсного сигнала, получаем систему трех квадратных уравнений с тремя неизвестными:

У1 = а1 ■ х12 + Ь1 ■ х1 + с1;

^2 = а1 ■ Х2 + Ь1 ■ Х2 + С1;

У3 = а1 ■ Х3 + Ь1 ■ Х3 + С1,

где х1, х2, х3 - ординаты экстремумов полусинусоид, имеющие размерность времени.

2

Для решения этой системы уравнений находимы коэффициенты а1, Ь1 и с1, подставляем их в уравнение огибающей:

2

и = а1 • t0 + Ь • ^ + с.

Приравняв и = 0, получим квадратное уравнение, корнями которого является временная координата пересечения огибающей импульсного сигнала с нулевой линией.

b bj2 - 4 • a • c

t = 1 v 1 Т "1

t0 _ '

2 • a

Ошибка в определении максимальных значений амплитуды полусинусоид находится из выражения:

. Am U sin^T

AU = --•A(Am). (!)

max 2 2 Am cos2 — 2

Если считать, что абсолютная ошибка в определении времени At постоянна, то по мере увеличения отношения Umax абсолютная ошибка в определении мак-

Uпор

симальной амплитуды увеличивается по закону:

AUmax = U2aL • tg Af-A(Am). (2)

Из выражения 2 можно получить выражение для относительной ошибки:

SUmx = 1 • tg Af^A(Am). (3)

Результаты расчета зависимости относительной ошибки в определении максимальной амплитуды ¿U от относительной длительности импульса на выходе компаратора приведены на рис. 2.

2 .

Рис. 2. Зависимость относительной ошибки в определении максимальной амплитуды от длительности импульса на выходе компаратора: 1 - для погрешности определения фазы р =5 %; 2 - для погрешности определения фазы р =20 %

Таким образом, чем больше длительность импульса на выходе компаратора, тем выше ошибка в определении максимальной амплитуды и тем выше ошибка в определении времени прихода эхо-сигнала. Кроме того, ошибка в определении максимальной амплитуды возрастает с увеличением погрешности вычисления фазы синусоидального сигнала в момент срабатывания компаратора. Поэтому этот метод можно применять только для эхо-сигналов с малой крутизной переднего фронта огибающей эхо-сигнала и для расчета использовать первые три импульса на выходе компаратора.

Оценим ошибку в определении максимальной амплитуды от точности определения фазы срабатывания компаратора, которая определяется путем вычисления временного интервала на выходе порогового устройства, связанной с возможностями аппаратуры. Если абсолютная ошибка в определении длительности импульса на выходе компаратора At = т то:

Ар 2-8

Отсюда найдем Ар:

*2 =

Ар < 2- аг^

2-8

С учетом того что,

получаем:

2-п-а 1 Ар =--А^

At <-

Л

2-п-а

Л

- 2 - аг^

2-8 Л .

По результатам проведенных расчетов была построена номограмма, позволяющая определить требуемое соотношение —— для получения необходимой

точности в определении —т .

Рис. 2. Номограмма определения порогового напряжения при заданной точности вычисления амплитудного значения напряжения

Т

Используя полученную номограмму можно определить пороговое напряжение. Для примера на номограмме показано, что для обеспечения 5 % погрешности

8 в определении максимальной амплитуды ит , при погрешности определения

длительности импульса на выходе порогового устройства т = 5% необходимо

выбрать ипор = 0,88 • ит .

Результаты экспериментальных исследований предложенного метода представлены на рис. 3 и рис. 4. В эксперименте использовался волновод диаметром 52 мм, частота излучения составляла 40 кГц, в качестве ультразвуковых датчиков использовались датчики фирмы МЦВДТЛ МЛ40Б88. На рис. 3 представлены осциллограммы начала эхо-сигнала и импульсов на выходе порогового устройства.

и (В)

-1

Рис. 3. Осциллограммы принятого эхо-сигнала и импульсов на выходе порогового

устройства

На рис. 4 представлена зависимость погрешности измерения дальности от расстояния между датчиками. Ось ординат соответствует погрешности в определении дальности, а ось абсцисс соответствует расстоянию между излучающим и приемным датчиками измеренному с помощью калиброванной рулетки.

Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований: пунктирная линия — метод одного компаратора; сплошная линия — фазовый метод

Результаты экспериментальных исследований показывают, что применение фазового метода обработки эхо-сигналов позволяют существенно уменьшить как систематическую составляющую погрешности, так и случайную. Однако этот метод можно применять только для эхо-сигналов с малой крутизной переднего фронта огибающей эхо-сигнала и для частот, период повторения которых можно измерить с погрешностью не менее 1 %.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров / Пер. с франц. - М.: Наука, 1967. - 779 с.

Солдатова Мария Алексеевна

Национальный исследовательский Томский политехнический университет. E-mail: [email protected]. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30. Тел.: 83822419605.

Сорокин Павел Владимирович

E-mail: [email protected].

Тел.: 83822419605; +79059905671.

Солдатов Андрей Алексеевич

НИИ ВН Национального исследовательского Томского политехнического университета. E-mail: [email protected]. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 2а. Тел.: 83822419091.

Soldatova Mariy Alexeyvna

National Research Tomsk Polytechnic University. E-mail: [email protected]. 30, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia. Phone: +73822419605.

Sorokin Pavel Vladimirovitch

E-mail: [email protected].

Phone: 83822419605; +79059905671.

Soldatov Andrey Alexeyvitch

Institute of High Voltages of National Research Tomsk Polytechnic University.

E-mail: [email protected].

2a, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia.

Тел.: +73822419091.

УДК 534.6.08

Ю.В. Шульгина, А.И. Солдатов

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТОДОМ ДВУХ КОМПАРАТОРОВ

Предложен новый метод обработки эхо-импульсов, позволяющий увеличить точность акустических измерений более чем в 2раза. Рассмотренный в статье метод используется для определения местоположения камней в почках и желчном пузыре для дальнейшего дробления мощным ультразвуком.

Эхо-импульс; компаратор; ультразвук.

Yu.V. Shulgina, A.I. Soldatov

IMPROVING ACCURACY OF ULTRASONIC MEASUREMENTS BY USING TWO COMPARATORS METHOD

A new method for processing the echo pulses, which can increase the accuracy of acoustic measurements of more than 2 times, is offered. This method used to determine the location of kidney-stones and gall bladder stones for their further fragmentation by using powerful ultrasound.

Echo-pulse; comparator; usltrasound.