Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Описание технологического процесса изготовления изделий методом намотки как объекта управления и постановка задач исследования 12
1.1 Полимерные композиционные материалы 12
1.2 Особенности технологического процесса формообразования изделий из композиционных материалов методом намотки 18
1.3 Требования к устройствам контроля содержания связующего со стороны системы управления 23
1.4 Методы и устройства контроля соотношения «наполнитель -связующее» в композиционном материале 31
Постановка задач исследования , 40
Глава 2 Исследование контролируемого объекта с целью выбора информативного параметра для разрабатываемого способа и устройства 42
2.1 Выбор информативного параметра 42
2.2 Способ ультразвукового контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон 62
2.3 Методическая погрешность измерения содержания связующего в пропитанной ленте 65 ВЫВОДЫ 68
ГЛАВА З Математическая модель системы «пьезоизлу-чатель - композиционный материал - пьезоприемник» 69
3.1 Программное моделирование системы «пьезоизлучатель — композиционный материал — пьезоприемник» 69
3.2 Дифференциальные уравнения движения армирующих нитей 72
3.3 Модель волокнистого композиционного материала на основе механического подобия 78
3.4 Пьезоэлектрические преобразователи 85
3.5 Адекватность компьютерной модели 104
ВЫВОДЫ 109
ГЛАВА 4 Устройство контроля соотношения «наполнитель - связущее» 110
4.1 Функциональная схема и алгоритм функционирования 110
4.2 Нитетракт устройства 119
4.3 Погрешности измерения содержания связующего 121
4.4 Результаты внедрения устройства 130
ВЫВОДЫ 136
Заключение 137
Список использованных источников
- Особенности технологического процесса формообразования изделий из композиционных материалов методом намотки
- Способ ультразвукового контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон
- Дифференциальные уравнения движения армирующих нитей
- Погрешности измерения содержания связующего
Введение к работе
Актуальность работы. Среди различных синтетических материалов особое место занимают композиционные материалы (КМ), обладающие рядом уникальных свойств. В настоящее время КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон широко используются в производстве аэрокосмической техники, автомобиле- и судостроении. Для роста производства композитов необходимо развитие комплексной механизации и автоматизации, внедрение новейшего высокопроизводительного оборудования и передовой технологии, а также широкая замена и модернизация устаревшего оборудования. Внедрение этих новых КМ сдерживается также их высокой стоимостью. В связи с этим большое значение приобретает совершенствование систем автоматизации технологических процессов, позволяющее снизить себестоимость продукции и повысить производительность труда [1,2, 77, 78].
Для создания автоматических систем управления технологическими процессами производства изделий из КМ требуются специальные средства контроля и регулирования, поскольку применение в условиях производства серийных технических средств автоматизации затруднено наличием движущихся материалов, многокомпонентных и быстротвердеющих сред. К особенностям производства изделий из КМ также относится частая смена видов продукции и исходных компонентов. Это приводит к необходимости изменения технологических режимов функционирования оборудования. Поэтому необходимо решить ряд дополнительных задач, связанных с поиском новых методов контроля технологических параметров. Применение методов и средств контроля важнейших технологических характеристик материала изделия в процессе его изготовления без взятия проб и остановки процесса производства обеспечивает стабильность значений технологических параметров и способствует существенному сокращению числа дефектов, образующихся в готовом изделии.
Одной из основных проблем при решении задач автоматизации намотки является отсутствие средств непрерывного автоматического контроля отдельных технологических параметров. Прочностные и массовые характеристики изделий из КМ во многом определяются соотношением наполнителя и связующего в материале. Для реализации автоматической системы регулирования содержания связующего в наполнителе необходимы технические средства измерения массовой доли связующего в КМ. Для непрерывного контроля содержания связующего в ленточных материалах на основе стеклянных и органических волокон, используемых при «мокрой» намотке, нашли применение устройства, принцип действия которых основан на зависимости диэлектрический проницаемости материала от содержания в нем связующего (например, анализатор состава АСПЛ-2). Эти устройства применимы только для диэлектрических материалов и включают в себя емкостные первичные преобразователи, устанавливаемые около движущегося ленточного материала и требующие дополнительного места для установки. Последнее затрудняет их применение на станках с коротким нитепроводным трактом. Расширение производства КМ на основе электропроводных углеродных волокон требует создания нового универсального метода измерения содержания связующего в армирующих материалах с различными физическими свойствами. Использование одного и того же оборудования для изготовления изделий на основе углеродных, органических и стеклянных волокон вызвало необходимость разработки органично встраиваемых в нитепроводный тракт намоточного станка универсальных устройств контроля содержания связующего в КМ.
Это обусловливает актуальность проблемы разработки и реализации способов и устройств измерения и контроля соотношения наполнителя и связующего в КМ в процессе намотки изделий.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2002 — 2006 гг. по проекту «Разработка программно-технических средств автоматизированного проектирования и управ-
ления технологическими процессами формообразования конструкций из полимерных композиционных материалов», межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и Министерства обороны Российской Федерации «Научно-инновационное сотрудничество» (приказ № 562 от 20.02.2001) по проекту 06.01.036 «Разработка унифицированной микропроцессорной системы автоматизации технологического процесса изготовления изделий авиационной и ракетной техники из композиционных материалов» и научного направления Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» на 2001 - 2005 г.г. (утверждено решением совета университета от 25.04.2001 г.).
Целью работы является повышение качества изделий из КМ, изготавливаемых методом «мокрой» намотки, путем разработки теоретически обосно-. ванных способа и устройства непрерывного контроля процентного содержания связующего в армирующем материале для систем управления технологическими параметрами процесса намотки. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи:
анализ существующих методов контроля составов КМ и определение класса материалов и технологий, на которые целесообразно распространить настоящее исследование;
исследование контролируемого объекта и выбор информативного параметра для разрабатываемого способа измерения соотношения армирующего материала и связующего;
экспериментальное исследование процессов распространения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний в пропитанных связующим веществом нитях из углеродных, органических и стеклянных волокон;
разработка ультразвукового способа измерения соотношения армирующего материала и связующего в пропитанных армирующих волокнах;
разработка пьезоизлучателя и пьезоприемника, позволяющих вводить УЗ колебания в движущийся ленточный волокнистый материал и принимать прошедшие через материал колебания;
разработка и исследование математической модели системы «пьезоизлуча-тель — композиционный материал — пьезоприемник» и использование ее для исследования влияния параметров элементов акустического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего;
изучение источников погрешностей, возникающих при измерении содержания связующего в полуфабрикате;
разработка ультразвуковых устройств непрерывного контроля процентного содержания связующего в ленте из волокнистых армирующих нитей.
Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования и натурные эксперименты. Принятые при аналитических исследованиях и моделировании допущения не противоречат физике рассматриваемых явлений и являются общепринятыми при решении аналогичных задач. Достоверность результатов подтверждается хорошей сходимостью данных аналитических и экспериментальных исследований (их расхождение не превышает 2-10 %), и положительными результатами промышленных испытаний созданного устройства контроля содержания связующего.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего и скорости распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего, и позволяющая производить косвенное измерение содержания связующего в неот-вержденном КМ.
2. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально
подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля содержания связующего в
движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от из
вестных, позволяет контролировать содержание связующего не только в ди
электрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале,
и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в про
дольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связую
щего в соответствии с полученной функцией взаимосвязи. Предложенный спо
соб позволяет создать новые устройства измерения соотношения «наполнитель
- связующее» для систем управления процессом формообразования изделий
методом намотки.
3. Построена комплексная математическая модель системы «пьезоизлуча-
тель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая взаимо
действие пьезопреобразователей и пропитанного связующим волокнистого
материала, которая позволяет исследовать влияние параметров элементов аку
стического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат
измерения содержания связующего и может использоваться для проектирова
ния систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных
станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта.
Практическая ценность. Разработаны принципы построения УЗ устройств контроля процентного содержания связующего вещества в движущемся ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, предназначенных для работы в составе системы управления технологическим процессом формообразования изделий из полимерных КМ методом «мокрой» намотки. Предложена новая конструкция пьезоизлучателя и пьезоприем-ника, обеспечивающая их органичное размещение в нитепроводных трактах различных намоточных станков. Устройство контроля содержания связующего в углеродном КМ внедрено в эксплуатацию в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).
В диссертационной работе защищаются следующие положения:
- ультразвуковой способ измерения соотношения армирующего материала и
связующего в ленте из жгутов армирующих волокон;
- компьютерная модель системы «пьезоизлучатель - композиционный мате
риал — пьезоприемник»;
- устройство контроля содержания связующего в ленточном волокнистом ар
мирующем материале при намотке изделий из КМ «мокрым» методом.
Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
II Региональной научно-технической конференции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах», г. Новочеркасск, 2001 г.;
Международной научно - практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», г. Новочеркасск, 2001 г.;
Международной научной конференции «Слоистые композиционные материалы -2001», г. Волгоград, 2001 г.;
Международной научно - практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2001 г.;
XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Тамбов, 2002 г.;
III Международной научно — практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 2002 г.;
научном семинаре КТБ «Пьезоприбор» РГУ, г Ростов-на -Дону, 2003 г.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 38 рисунков и 9 таблиц.
Особенности технологического процесса формообразования изделий из композиционных материалов методом намотки
Формование методами непрерывной автоматизированной намотки является в современных условиях одним из наиболее эффективных способов изготовления изделий из КМ. Эти методы отличается относительной простотой применяемого оборудования, большой производительностью, высоким качеством получаемых изделий. Использование станков с числовым программным управлением позволяет использовать одно и то же оборудование для изготовления широкой номенклатуры изделий. Методом намотки изготавливают изделия, имеющие форму тел вращения.
Процесс намотки заключается в следующем: непрерывный армирующий наполнитель в виде нитей, лент или жгутов пропитывается связующим веществом и раскладчиком укладывается по поверхности вращаемой оправки по заданной траектории. Существуют два принципиально различных технологических процесса изготовления изделий, которые различаются по способу пропитки армирующего материала связующим и обеспечения необходимого соотношения «наполнитель - связующее». При «сухом» способе осуществляется пропитка наполнителя и одновременно частичное отверждение связующего. На этом этапе обеспечивается необходимое содержание связующего в полуфабрикате (препреге), который сохраняет способность к окончательному отверждению в течение нескольких суток.
По «мокрому» способу наполнитель пропитывается непосредственно в процессе изготовления изделий, перед намоткой армирующего материала на оправку. Пропитка армирующего материала связующим, как правило, осуществляется по одной из схем, представленных на рисунке 1.1 [2, 10, 84]. В первом случае (рис. 1.1, а) наполнитель проходит через тормозное устройство, обеспечивающее ему предварительное натяжение, затем вводится в пропиточную ванну, наполненную связующим веществом и далее поступает в отжимное устройство, которое обеспечивает удаление из материала излишков связующего.
Во втором случае (рис. 1.1, б) армирующие нити 1 формируются гребенчатым раскладчиком 2 в ленту. Далее лента движется через пропиточный узел, состоящий из ванны 3 со связующим 6, пропиточного барабана 5 и ножа регулировки наноса связующего 4. Вращение пропиточного барабана происходит под действием силы трения между лентой и поверхностью барабана. При вращении поверхность барабана покрывается в ванне связующим, причем толщина слоя последнего на его поверхности определяется величиной зазора между поверхностью барабана и ножом регулировки наноса. Нитепроводный тракт намоточного станка (рис. 1.2) предназначен для подачи пропитанного наполнителя на вращающуюся оправку. Жгуты армирующих волокон сматываются со шпулярника 1 и формируются гребенчатым раскладчиком 2 в ленту 3, которая поступает в узел пропитки (его работа описана выше). Удаление лишнего связующего из материала осуществляется в отжимном устройстве 5, натяжение создается в устройстве натяжения 9, а нужное положение в пространстве обеспечивается валком 10. Далее материал раскладчиком 11 подается на вращаемую оправку 12.
После пропитки на вращающемся барабане наиболее существенно содержание связующего уев в ленте изменяется в отжимном устройстве и в устройстве натяжения ленты, где связующее выдавливается вследствие сжатия материала. Поэтому целесообразным является установка первичного преобразователя устройства измерения содержания связующего после устройства натяжения ленты.
При изготовлении изделий из углеродных КМ возникают дополнительные трудности, связанные с тем, что существующие углеродные нити не обладают достаточной стойкостью к многократным переменным нагрузкам и истирающим воздействиям. При воздействии сил трения, возникающих при прохождении нитей через пропиточный тракт, от поверхности нити могут отделяться волокна, нить может оборваться. Поэтому особенно важно, чтобы нитепровод-ный тракт имел минимальное число перегибов нитей. В связи с этим, при изготовлении углепластиковых изделий наиболее предпочтителен способ пропитки на вращающемся барабане, поскольку содержание связующего в наполнителе определяется положением ножа регулировки наноса, что позволяет отказаться от использования отжимного устройства и меньше «травмировать» углеродные волокна.
Способ «мокрой» намотки отличается хорошей формуемостью поверхности изделия, поэтому он находит применение для изготовления крупногабаритных оболочек сложной формы. К недостаткам способа "мокрой" намотки можно отнести невысокую скорость намотки, которая ограничивается скоростью пропитки наполнителя связующим; трудность обеспечения равномерного содержания связующего по толщине изделия; большое количество отходов связующего; загрязнение нитетракта станка и рабочего места связующим.
Для каждого вида КМ (стекло-, органо-, углепластики) существует оптимальное соотношение армирующего материала и связующего вещества в единице объема. Этот технологический параметр в значительной степени влияет на технологичность изготовления, массу изделия и главным образом на его механическую прочность [12, 39]. Так, зависимость прочности на разрыв, сжатие и статический изгиб от массовой доли связующего имеет для ПКМ ярко выраженный экстремальный характер [48]. При намотке «мокрым» способом связующее перераспределяется между слоями материала в наматываемом изделии. Под воздействием сжимающих сил в материале, возникающих от натяжения наматываемой ленты, жидкое связующее выдавливается из нижних слоев в верхние, что приводит к изменению соотношения «наполнитель - связующее» по толщине изделия. Это также вызывает снижение прочности готового изделия. Поэтому невозможно осуществлять формирование изделий из КМ с высокими и стабильными физико-механическими характеристиками без организации непрерывного контроля и регулирования большого числа технологических параметров.
Способ ультразвукового контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон
Функциональная зависимость между измеряемой величиной усв (массовая доля связующего) и измеряемыми параметрами Ев, рв, ссв, скм выражается формулой (2.8), которая может быть представлена в виде .Уев = J \ в » Рв Ссв» Скм ) Изменение содержания связующего в ленте вызывает изменение скорости распространения УЗ волны, что фиксируется устройством, чувствительность которого в этом случае равна дУсв 2"Скм {cl-EjpJ
Отклонения параметров Ев, ра, ссв - случайные величины, распределенные в узком интервале значений, поэтому для получения верхней оценки сред-неквадратической погрешности примем равномерный закон распределения значений указанных параметров. Методическая погрешность измерения содержания связующего определяется следующим выражением [51]:
Выражения для расчета коэффициентов влияния (частные производные в выражении (2.9)) приведены в таблице 2.4.
Результаты расчета чувствительности устройства к изменениям характеристик наполнителя (таблица 2.1) и скорости УЗ волны в связующем для различных значений содержания связующего сведены в таблицу 2.5.
Как видно из данных таблицы наибольшая методическая погрешность возникает при колебаниях модуля упругости и удельной плотности волокон. Разброс значений этих параметров в различных партиях материала приводит к недопустимо большой погрешности измерения содержания связующего вещества. Поэтому для уменьшения этой погрешности необходимо вводить операцию установки начальных условий, которая должна включать в себя измере ниє скорости распространения ультразвуковых колебаний в непропитанных нитях и определение точного значения отношения Ев/рв.
Физико-механические характеристики волокон в одной партии имеют приблизительно постоянные отклонения от номинальных значений, поэтому по нашему мнению допустимо производить установку начальных условий перед началом изготовления изделия при подготовке намоточного станка к работе. Однако наилучшие результаты могут быть получены при непрерывном измерении скорости УЗ колебаний в непропитанной ленте, что достигается введением в устройство измерения дополнительного измерительного канала. Таким образом, при введении операции установки начальных условий составляющая абсолютной погрешности измерения содержания связующего в КМ, вызванная отклонением характеристик входящих в него компонентов, не будет превышать 0,3 % для углеродного наполнителя, 0,4 % — для органического и 1,1 % — для стеклянного. Формула (2.8) указывает и другой путь уменьшения погрешности измерения, который заключается во введении канала измерения скорости УЗ волны в связующем и соответствующей коррекции результата.
1. Установлено, что в качестве информативного параметра для измерения содержания связующего в пропитанной ленте целесообразно использовать скорость распространения продольных упругих колебаний в материале. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего со скоростью распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном волокнистом материале. Полученная зависимость позволяет по значениям скоростей распространения УЗ колебаний в непропитанном наполнителе и связующем и измеренной скорости распространения ультразвука в пропитанной ленте определять содержание связующего в диапазоне от 20 до 60 %.
2. Решена задача ввода продольных УЗ колебаний в движущийся ленточный волокнистый материал и приема прошедших через материал колебаний, что позволило определять скорость распространения УЗ волны в пропитанной ленте. Разработаны оригинальные пьезопреобразователи, позволяющие органично размещать их в нитепроводном тракте намоточного станка и не вызывающие дополнительных перегибов и повреждения армирующего материала.
3. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля процентного содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон. В отличие от известных, он позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключается в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего с учетом физико-механических свойств непропитанной ленты и неотвер-жденного связующего. Предложенный способ позволяет создать новые универсальные устройства измерения соотношения «наполнитель - связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом намотки.
Дифференциальные уравнения движения армирующих нитей
Основной целью математического описания пьезоэлементов является определение связей между входными электрическими и выходными механическими величинами (или входными механическими и выходными электрическими величинами). Для инженерных расчетов наиболее удобным является использование эквивалентных схем, составляемых на основе электромеханических аналогий. Пьезоэлементы представляются эквивалентными четырехполюсниками и их математическое описание сводится к определению матриц эквивалентных четырехполюсников. Расчет пьезопреобразователей произведем по методике, предложенной в работах [22, 23, 73].
Будем считать, что пьезоэлементы нагружены с одной стороны удельным акустическим импедансом zx, а с другой - импедансом нагрузки активной поверхности пьезоэлемента z2. Примем следующие обозначения: А0 - площадь активной поверхности пьезоэлемента, Ux - напряжение на электродах пьезоэлемента в режиме излучения, /j - ток, протекающий через пьезоэлемент в режиме излучения, F2 - акустическая сила, развиваемая на активной поверхности пьезоэлемента в режиме излучения, v2 - колебательная скорость активной поверхности в режиме излучения, Fx - сила, действующая на активную поверхность пьезоэлемента в режиме приема, v, - колебательная скорость активной поверхности пьезоэлемента в режиме приема, 12 - ток, протекающий через приемный пьезоэлемент, U2 - напряжение на электродах пьезоэлемента в режиме приема. Матричное уравнение, описывающее эквивалентный четырехполюсник излучающего пьезоэлемента имеет вид [22]: a емкость зажатого пьезоэлемента; z0 = p0c — волновое акусти ческое сопротивление пьезоэлемента; е — пьезоэлектрическая постоянная; є — диэлектрическая проницаемость зажатой пластинки; /0 — толщина пьезоэлемента; р0 — плотность; cD- скорость продольных упругих волн.
Механические потери в пьезоэлектрических пластинках значительно меньше потерь в креплениях [73], поэтому поглощением акустических волн в пьезоэлементе можно пренебречь. Тогда матрица коэффициентов \а\ записывается следующим образом
Для получения более обобщенных выражений матриц коэффициентов эквивалентных четырехполюсников частота / нормирована относительно частоты /0 основного механического резонанса пьезоэлемента. Нормированную час тоту обозначим v = f/f0 . Для удобства применения воспользуемся видоизмененной формой записи коэффициентов четырехполюсника пьезоэлемента предложенной в [22]: коэффициент электромеханической связи. Амплитудно-фазовые частотные характеристики пьезоэлектрических преобразователей определяются параметрами пьезоэлемента, переходных слоев, демпфера и электрических цепей включения. Для их анализа пьезопреобра-зователи представляются в виде последовательно соединенных четырехполюсников электрической цепи включения, пьезоэлемента и переходного слоя. Структурная схема пьезопреобразователя представлена на рис. 3.7 Приняты следующие обозначения: Аэ - четырехполюсник электрических цепей вклю чения, \А\ - четырехполюсник пьезоэлемента, \S\ - четырехполюсник переход ного слоя. Коэффициенты матрицы определяются методами теории четы рехполюсников электрических цепей. Матрица коэффициентов четырехполюсника переходного слоя (поглощение не учитывается) определяется выражением [22]: \S\ = cos 2пщ v JAQZ3 sin 2ппъ v j sin 2лпъ v COS2/Z773V AQZ} (3.19) и где пъ =-2-, /3 - толщина переходного слоя, — длина волны в переходном слое на частоте основного механического резонанса пьезоэлемента; гъ — волновое акустическое сопротивление переходного слоя.
Матричное уравнение пьезоэлектрического излучателя запишем следующим образом: Ег I = Лэ Аэл2\ л22 А\\ А\2А2\ А22 $11 12 21 22 э лэ А.. А. ?.. Г._ тг (3.20) где Ег - электродвижущая сила генератора, / - ток, протекающий через генератор, FH, vH - колебательные сила и скорость, развиваемые пьезопреобра зователем.
После вычисления произведения матриц получим следующее уравнение пьезоизлучателя: л 14 /„/. l»vi «; И И ErJ A F,v Рис. 3.7 Эквивалентные четырехполюсники излучающего и приемного пьезоэлементов (а) и структурная схема пьезопреобразователя (б), учитывающая переходные слои и электрические цепи включения. Лі A
Амплитудно-фазовая частотная характеристика пьезоэлектрического излучателя определяется из уравнения (3.21): (3.22) О) = - -= -г A0Auz2 + Ап Последнее выражение можно записать следующим образом: где Фя(г) - амплитудно-частотная характеристика пьезоизлучателя; #( ) -фазо-частотная характеристика пьезоизлучателя.
Матричное уравнение пьезоэлектрического приемника записывается следующим образом: матрица коэффициентов эквивалентного четырехполюсника пьезо электрического приемника с переходным слоем и электрическими цепями нагрузки. При описании передаточной функции пьезоприемника можно воспользоваться коэффициентами матрицы \А эквивалентного четырехполюсника пьезоизлучателя такой же структуры, как и рассматриваемый пьезоприемник. Амплитудно-фазовая частотная характеристика пьезоэлектрического приемника имеет вид:
Погрешности измерения содержания связующего
Ультразвуковое устройство контроля процентного содержания связующего в волокнистом армирующем материале позволяет производить непрерывный автоматический контроль соотношения волокнистого наполнителя и связующего в ленточном композиционном материале на этапе пропитки наполнителя и может применяться при изготовлении изделий из композиционных материалов на основе современных углеродных, органических и стеклянных волокон. Устройство предназначено как для работы в составе системы управления технологическими параметрами процесса непрерывной автоматической намотки «мокрым» способом, так и в качестве самостоятельного измерительного устройства [19, 38]. Реализованный в устройстве способ измерения процентного содержания связующего относится к определению характеристик материалов с помощью акустических измерений. Для определения соотношения армирующих волокон и полимерного связующего используется зависимость скорости звука в армирующем материале от процентного содержания в нем связующего. Функциональная схема устройства контроля содержания связующего [14] представлена на рис. 4.1, а временные диаграммы его работы на рис. 4.2. Генератор тактовых импульсов G1 формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяет длительность импульсов ударного возбуждения пьезоэлектрического излучателя А1. Генератором тактовых импульсов может служить любой одновибратор с регулируемой длительностью импульса, запускаемый от спада импульса такого же одновибратора. Период следования тактовых импульсов должен превышать время переходного процесса электроакустического канала и при использовании пьезопреобразователей, рассмотренных в главе 2, должен быть не менее 5 мс. Таймер А7, предназначенный для компенсации «мертвого времени», запускается по фронту тактового импульса и генерирует импульс, длительность t\ которого регулируется подстроечным резистором R1. По спаду импульса таймера А7 триггер D1 устанавливается в состояние лог. «1».
Последовательность импульсов тактового генератора через ключевую схему А6, линию связи с волновым сопротивлением 50 Ом и формирователь импульсов U1 поступает на драйвер A3, которым преобразуется в сигналы управления верхним и нижним ключами VI и V2. Драйвер верхнего и нижнего ключей выполнен на основе ИС IR2112. По фронту тактового импульса транзистор V2 закрывается и через время задержки открывается транзистор VI. На выходе ключевой схемы формируется импульс возбуждения пьезоизлучателя амплитудой 300 В. По спаду тактового импульса транзистор VI закрывается и через время задержки открывается транзистор V2, который шунтирует пьезоиз-лучатель, что позволяет уменьшить время переходного процесса электроакустического тракта. Введение задержки между моментами выключения одного ключа и включения другого необходимо для исключения протекания сквозного тока через транзисторы VI и V2.
Пьезоизлучатель А1 излучает в пропитанную ленту упругие колебания, которые проходят через материал и преобразуются пьезоприемником А2 в электрический сигнал. Сигнал пьезоприемника поступает на вход предварительного усилителя А4 с регулируемым коэффициентом усиления, с выхода которого через фильтр U1 нижних частот поступает на усилитель мощности А5. Усилитель мощности обеспечивает согласование выхода предварительного усилителя с линией связи, волновое сопротивление которой составляет 50 Ом.
Через линию связи сигнал поступает на вход усилителя А9, охваченного цепью АРУ А10, работу которого рассмотрим подробнее.
Функциональная схема усилителя с АРУ представлена на рис. 4.3, временные диаграммы работы на рис. 4.4. Усилитель с АРУ предназначен для поддержания в заданном диапазоне значений уровня сигнала на входе приемного преобразователя. Коэффициент усиления усилителя D1 изменяется ступенчато и определяется соотношением сопротивления резистора R1 и сопротивления резистора, выбранного из набора R2-R9. Диапазон изменения коэффициента усиления определяется числом резисторов в наборе и, соответственно, разрядностью счетчика. Выбор резистора из набора осуществляется подачей на вход мультиплексора D2 двоичного кода, который устанавливается на выходах счетчика D8. Сигнал на входе усилителя (рис. 4.3) представляет собой импульсы с частотой заполнения, равной рабочей частоте пьезопреобразователей. Период повторения импульсов равен периоду тактовой частоты, который ограничивается скоростью затухания колебаний в электроакустическом тракте.
В момент включения питания счетчик D8 сбрасывается и на адресных входах мультиплексора D2 устанавливается двоичный код «000», что соответствует выбору из набора резистора R2. Коэффициент усиления усилителя при этом минимальный. Пришедший сигнал усиливается и подается на пиковый детектор, выполненный на элементах RIO, VD1 и С1. Напряжение на конденсаторе С1 сравнивается компараторами D3 и D4 с эталонными значениями напряжений, которые снимаются с делителя, выполненного на резисторах Rll, R12, R13. Эталонными напряжениями задается допустимый диапазон отклонений уровня выходного сигнала усилителя от номинального значения. Если уровень выходного сигнала усилителя ниже допустимого значения, то на выходе компаратора D4 устанавливается логическая единица, а на выходе компаратора D3 - логический нуль. Триггер на элементах D6.1 и D6.2 устанавливает счетчик D8 в режим прямого счета подачей на вход «±1» уровня логической единицы. Одновременно с этим с выхода элемента D7 на вход «ЕС» счетчика поступает активный логический уровень, разрешающий счет.
