Магистерская работа

Аннотация Тема: "Исследование алгоритмов управления и проектирование системы автоматизации ультразвукового спектрографа ". Изотов Родион А. Руководитель научной работы: Краснокутский В.А.

 В настоящее время для исследования строения вещества широкое применение получили ультразвуковые методы. Они позволяют производить тончайшие исследования структуры и свойства при различных значениях температуры, давления, магнитного поля и других параметров.
В Донецком Физико-Техническом Институте ультразвуковые методы широко применяются при исследовании металлов и магнитодиэлектриков. Для этого используется установка ультразвукового спектрометра. С её помощью было проведено множество экспериментов, которые позволили расширить имеющуюся на сегодняшний день физическую картину многих явлений. Результаты опытов были представлены на международных конференциях, опубликованы работы в ведущих научных журналах [1,2,3].
В установке ультразвукового спектрометра используется эхо-импульсный метод, сущность которого заключается в следующем: для измерения затухания и скорости распространения ультразвуковой волны в образец перпендикулярно его граням вводится достаточно короткий (по сравнению со временем прохождения звука), высокочастотный ультразвуковой импульс (рис. 1).

Наблюдая многократные отражения этого импульса от параллельных торцов образца, можно судить, как быстро, в зависимости от времени и пройденного расстояния, последовательно отражающиеся импульсы затухают по амплитуде. Измерив две соседние амплитуды и зная толщину образца, можно вычислить затухание:

Где X1 – X2 – расстояние между отражениями
A(X1), A(X2) – амплитуды соседних эхо-импульсов (двойная толщина образца, так как импульс между отражениями дважды проходит образец). Для измерения скорости необходимо двойную толщину образца разделить на время между соседними эхо-импульсами. В общем виде схема ультразвукового спектрометра показана на рис. 2



Рис.2 Функциональная схема ультразвукового спектрометра Прямоугольные импульсы с выхода синхрогенератора с длительностью, задаваемой условиями эксперимента запускают высокочастотный генератор, сигнал с выхода которого подается на пъезопреобразователь и превращается в звуковую волну. Звуковой импульс, пройдя образец и отразившись от противоположной грани, вновь попадает на пьезопреобразователь, где в связи с обратимостью пьезоэффекта, вновь превращается в электрический сигнал. Отраженные сигналы усиливаются широкополосным усилителем и подаются на осциллограф и регистрирующий прибор (самописец).
В такой схеме существует ряд недостатков. При исследовании фазовых превращений в магнитодиэлектриках переход из одной фазы в другую зачастую происходит скачком и на изменении сигнала это сказывается в виде ступеньки. Этот скачок совершается столь резко, что самописец уже вносит задержку при записи, а, зачастую и вообще, не позволяет регистрировать сигнал. Другая проблема, возникшая при снятии фазовых диаграмм поле - температура: когда на какой-то период необходимо зафиксировать температуру и провести протяжку магнитного поля. Точность поддержания температуры, особенно в момент фазового перехода должна быть не хуже 0.10 К. Подобная ситуация и при снятии зависимости изменения скорости от температуры [4].
Все эти проблемы, а также некоторые другие привели к необходимости усовершенствования установки спектрометра, введению в её состав персонального компьютера.

Его задача - автоматизировать ход проведения эксперимента, повысить точность измерений. В состав схемы сопряжения входят блоки АЦП (аналого-цифровой преобразователь), ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) и плата расширения интерфейса. Модуль сопряжения изготавливается в едином корпусе, но отдельными платами, что позволит в дальнейшем проводить усовершенствования для решения конкретных экспериментальных задач. АЦП реализован на микросхеме К1113ПВ1 в режиме биполярного включения [5]. ЦАП – на микросхеме К572ПА1. Интерфейсная плата построена на базе микросхемы К580ВВ55А [6], и подключается к шине ISA персонального компьютера.
В ходе выполнения работы были разработаны модули расширения к установке ультразвукового спектрометра, которые позволили значительно улучшить его функциональные возможности. Появилась возможность усложнять ход эксперимента, повысилась точность измерений. Применение персонального компьютера, кроме непосредственно задачи управления, дает возможность автоматизировать процесс обработки данных, поиска аномалий, построения физических моделей. А это позволяет с новым качеством проводить исследования, изучать внутреннюю структуру веществ. Что является одной актуальных задач современной науки.
В дальнейшем предполагается расширять возможности модуля автоматизации под новые задачи эксперимента Так же планируется использовать данные схемы не только на ультразвуковом спектрометре, но и на других лабораторных установках ДонФТИ.

Литература