ChSTU repository

ЗМІСТ 
 
 Резюме ………….………………………………………………….. 4 
Review ………………………………………….…………………… 8 
 Вступ …………………………………………………….…………. 12 
Розділ 1. Аналіз шляхів розвитку засобів ультразвукового  
відслідковування країв об‘єктів …………….…………….....15 
1.1. Акустичні методи та засоби  вимірювання відстані .………... 15 
1.2. Ультразвукові коливання та їх основні властивості ……….... 21 
1.3. Принцип дії та показники якості ультразвукових  
відслідковувачів ………............................................................... 24 
1.4. Перспективи та актуальність розвитку засобів  
ультразвукового відслідковування країв об‘єктів ………….....27 
1.5. Аналіз існуючих математичних моделей та комп‘ютерних  
 засобів моделювання характеристик ультразвукових  
перетворювачів ………………………………………………… 29 
Висновки до розділу 1 ………………………………………… 33 
Розділ 2. Математичне моделювання процесу ультразвукового  
відслідковування країв об‘єктів …...…………..…………… 35 
2.1. Моделювання процесу формування фронту ультразвукової  
 хвилі ……….…………………………………………………..…35 
2.2. Розробка математичної моделі ультразвукового методу   
 відслідковування країв ……………………………..……..…… 41 
2.3. Модель керування процесом ультразвукового  
 відслідковування країв об‘єктів ………………….…………… 48 
 Висновки до розділу 2 ………………………………….…….…57 
Розділ 3. Розробка електричної схеми та програми керування  
ультразвуковим відслідковувачем …………………………… 59 
3.1. Структурна схема ультразвукового відслідковувача ................59 
 2
3.2. Розробка принципової схеми відслідковувача з описом   
роботи її окремих блоків ……………………………………… 61 
3.3. Розробка та принцип роботи програми керування  
ультразвуковим відслідковувачем …………………………… 68 
 Висновки до розділу 3 …………………………………………..79 
Розділ 4. Технологія виготовлення ультразвукового  
відслідковувача ………………………………………………. 80 
4.1. Типові конструкції ультразвукових відслідковувачів ………. 81 
4.2. Аналіз типових технологічних процесів складання ………… 81 
4.3. Удосконалення технологічного процесу ………………….…. 83 
 Висновки до розділу 4 ………………………………….…….. 85 
Розділ 5. Дослідження ультразвукового відслідковувача в  
реальних умовах ……………………………………………… 86 
5.1. Підготовка до експерименту та умови його проведення …… 86 
5.2. Оптимізація режимів відслідковування країв об‘єктів  
 методом планування експерименту ……………………………93 
5.3. Контрольно-дослідні вимірювання …………………………….98 
5.4. Загальний аналіз отриманих експериментальних даних …..…100 
 Висновки до розділу 5 ………………………………….…….. 101 
 Висновки ……………………………….……………………………103 
Список використаних джерел ……………………………………107 
Додатки ……………………………………………...………………110 
 3
РЕЗЮМЕ 
 
Ощепков Н.О. Система ультразвукового контролю якості різу лазерною 
установкою. – Кваліфікаційна робота магістра. 
Кваліфікована робота магістра на здобуття освітнього ступеня магістра за 
спеціальністю 152 «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка» за 
освітньою програмою «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка» – 
Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2023. 
У кваліфікаційній роботі магістра проводиться удосконалення лазерної 
зварної установки шляхом розробки і впровадження в установку системи 
ультразвукового відслідковування країв зварюваних деталей. 
Мета і завдання дослідження. Метою магістерського дослідження є 
підвищення техніко-експлуатаційних характеристик та точності відслідковування 
країв зварюваних деталей лазерної зварної установки за допомогою 
ультразвукового відслідковувача, створеного на базі п‘єзокерамічних 
перетворювачів МУП-3(4). 
Для вирішення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі: 
1. Проаналізувати відомі акустичні методи та засоби  вимірювання відстані.  
2. Розглянути принцип дії та основні показники якості найбільш поширених типів 
ультразвукових відслідковувачів. 
3. Розробити комплекс фізико-математичних моделей процесу ультразвукового 
відслідковування країв зварюваних деталей, а саме: процесу формування 
фронту ультразвукової хвилі, ультразвукового методу  вимірювання відстані до 
об‘єкту з урахуванням в‘язкості середовища розповсюдження ультразвукових 
коливань та модель керування процесом ультразвукового вимірювання відстані 
до об‘єкту із залученням сучасної математичної системи MathLAB. 
4. Розробити функціональну та електричну принципову схему ультразвукового 
пристрою із залученням мікроконтролерної системи . 
5. Розробити технологічний процес виготовлення розроблюваного варіанту  
ультразвукового пристрою. 
 4
6. Провести експериментальні дослідження системи ультразвукового 
відслідковування країв зварюваних деталей лазерної зварної установки, 
отримати залежності досліджуваних параметрів від зовнішніх факторів та 
порівняти результати експериментальних даних з результатами отриманими за 
допомогою фізико-математичного моделювання. 
Об'єкт дослідження – фізико-математична модель та технічні 
характеристики системи ультразвукового відслідковування. 
Предмет дослідження – система ультразвукового відслідковування країв 
зварюваних деталей лазерної зварної установки. 
Наукова новизна отриманих результатів. 
– Запропоновано математичну модель безконтактного методу вимірювання  
відстані акустичним методом контролю коефіцієнта загасання ультразвуку 
шляхом урахуванням в'язких властивостей середовища поширення УЗ. 
– Отримані з використанням розробленої математичної моделі залежності, що 
лежать в основі високоточного методу УЗ вимірювання. 
– Запропонована модель управління технологічним процесом УЗ визначення 
відстані до поверхонь із залученням апарату нечіткої логіки, що дозволило 
формалізувати причинно-наслідкові зв'язки оцінки якості УЗ відслідковування  
до твердих поверхонь від властивостей поверхні і робочих параметрів УЗ 
випромінювання. 
– Удосконалено технологічний процес шляхом використання у діагностуванні 
робочої частоти, що дозволить підвищити якість та точність УЗ 
відслідковувачів, а також визначити параметри живлення 
п‘єзовипромінювача. 
– Розроблено рекомендації з підвищення техніко-експлуатаційних 
характеристик та точності відслідковування країв зварюваних деталей 
лазерної зварної установки.  
Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному. 
Розроблені моделі, дозволяють визначати параметри УЗ відслідковувача, що  
забезпечує задані характеристики фронту УЗ випромінювання. Технічним 
 5
результатом є спроектований ультразвуковий відслідковував та розроблене 
програмне забезпечення, що призначені для побудови автоматизованих систем 
різного ступеня складності, і повністю задовольняють поставленому завданню 
розробки високоточного УЗ відслідковувача. 
В першому розділі пояснювальної записки проведено критичний аналіз 
вітчизняної і зарубіжної науково-технічної літератури з основних акустичних 
методів та засобів  відслідковування країв об‘єктів, а також принципів дії та 
показників якості найбільш розповсюджених на сьогодні ультразвукових 
відслідковувачів. Показані основні напрямки модернізації та перспективи 
розвитку таких пристроїв. Також в розділі визначився напрямок дослідження 
системи ультразвукового відслідковування країв зварюваних деталей лазерної 
зварної установки. 
В другому розділі магістерської роботи проведені розрахунки з 
використанням розробленої моделі, що дозволяють визначати параметри УЗ 
відслідковувача, необхідні для забезпечення фронту УЗ випромінювання із 
заданими характеристиками і можуть бути рекомендовані для практичного 
застосування. Запропонована модель управління технологічним процесом 
ультразвукового відслідковування країв об‘єктів із залученням апарату нечіткої 
логіки, що дозволило формалізувати причинно-наслідкові зв'язки оцінки якості 
ультразвукових вимірювань від властивостей поверхні і робочих параметрів УЗ 
випромінювання. 
В третьому розділі спроектований ультразвуковий відслідковував та 
розроблене програмне забезпечення Пристрій був реалізований на 
однокристальному мікроконтролері PIC16C84, який призначений для побудови 
автоматизованих систем низького і середнього ступеня складності, 
п‘єзоелектричному випромінювачі МУП-3 та п‘єзоелектричному ультразвуковому 
приймачі МУП-4, що повністю задовольняє поставленому завданню розробки 
високоточного УЗ відслідковувача. 
В четвертому розділі розглядається типовий технологічний процес 
складання УЗ відслідковувача з метою його вдосконалення. Відповідно до 
 6
запропонованих змін в технологічному процесі при діагностуванні робочої 
частоти використовуються нові операції, що дозволяють визначити параметри 
живлення п‘єзовипромінювача 
В п‘ятому розділі проведені випробування щодо працездатності 
пропонованих схемотехнічних і програмних  рішень в цілому. Показало, що в 
результаті планування і виконання факторного експерименту визначені 
оптимальні режими для оптимальної  відстані відслідковування, а саме: 
потужність УЗ-генератора - 3,4 мВт; час виміру - 70 мкс, частота УЗ 
випромінювання - 26 кГц. 
Ключові слова: ультразвуковий відслідковувач, зварна установка, 
п‘єзовипромінювач 
 
Список основних публікацій магістранта 
 
1. Система ультразвукового контролю якості різу лазерною установкою / 
Ощепков Н.О., Бондаренко М.О. // Нові та нетрадиційні технології в ресурсо- та 
енергозбереженні: Матеріали міжнародної науково-технічної конференції, 6-7 
грудня 2023 р., м. Одеса, 2023. – С.ХХ-ХХ. 
 7
REVIEW 
Oshchepkov N.O. System of ultrasonic quality control of a cut by a laser 
installation - Master's thesis. 
Master's thesis for obtaining a master's degree in specialty 152 "Metrology and 
information-measuring equipment" under the educational program "Metrology and 
information-measuring equipment" - Cherkasy State Technological University, 
Cherkasy, 2023. 
In the master's qualification work, the improvement of the laser welding 
installation is carried out by developing and implementing a system of ultrasonic 
tracking of the edges of welded parts into the installation. 
The purpose and objectives of the study. The purpose of the master's research 
is to improve the technical and operational characteristics and accuracy of tracking the 
edges of welded parts of a laser welding installation using an ultrasonic tracker created 
on the basis of piezoceramic transducers MUP-3(4). 
To achieve this goal, it is necessary to solve the following tasks: 
1. To analyze the known acoustic methods and means of distance measurement.  
2. To consider the principle of operation and the main quality indicators of the 
most common types of ultrasonic trackers. 
3. To develop a set of physical and mathematical models of the process of 
ultrasonic tracking of the edges of welded parts, namely: the process of forming an 
ultrasonic wave front, an ultrasonic method of measuring the distance to an object, 
taking into account the viscosity of the medium of propagation of ultrasonic vibrations, 
and a control model for the process of ultrasonic measurement of the distance to an 
object using the modern mathematical system MathLAB. 
4. Develop a functional and electrical schematic diagram of an ultrasonic device 
using a microcontroller system. 
5. Develop a technological process for the manufacture of the developed version 
of the ultrasonic device. 
 8
6. To carry out experimental studies of the system of ultrasonic tracking of the 
edges of welded parts of a laser welding installation, to obtain the dependence of the 
studied parameters on external factors and to compare the results of experimental data 
with the results obtained by physical and mathematical modeling. 
Object of study - physical and mathematical model and technical characteristics of 
the ultrasonic tracking system. 
The subject of research is a system of ultrasonic tracking of the edges of welded 
parts of a laser welding machine. 
Scientific novelty of the results. 
- A mathematical model of the non-contact method of distance measurement by acoustic 
method of controlling the ultrasound attenuation coefficient by taking into account 
the viscous properties of the ultrasound propagation medium is proposed. 
- The dependencies underlying the high-precision method of ultrasonic measurement 
were obtained using the developed mathematical model. 
- A model for controlling the technological process of ultrasonic determination of the 
distance to surfaces using a fuzzy logic apparatus was proposed, which made it 
possible to formalize the cause-and-effect relationships of assessing the quality of 
ultrasonic tracking to solid surfaces from the surface properties and operating 
parameters of ultrasonic radiation. 
- The technological process was improved by using the operating frequency in the 
diagnosis, which will improve the quality and accuracy of ultrasonic trackers, as well 
as determine the power supply parameters of the piezoelectric emitter. 
- Recommendations for improving the technical and operational characteristics and 
accuracy of tracking the edges of welded parts of a laser welding installation have 
been developed. 
The practical significance of the obtained results is as follows. The developed 
models allow determining the parameters of the ultrasonic tracker, which provides the 
specified characteristics of the ultrasonic radiation front. The technical result is the 
designed ultrasonic tracker and the developed software, which are intended for the 
 9
construction of automated systems of varying degrees of complexity, and fully satisfy 
the task of developing a high-precision ultrasonic tracker. 
In the first section of the explanatory note, a critical analysis of domestic and 
foreign scientific and technical literature on the basic acoustic methods and means of 
tracking the edges of objects, as well as the principles of operation and quality 
indicators of the most common ultrasonic trackers today is carried out. The main 
directions of modernization and prospects for the development of such devices are 
shown. The chapter also defines the direction of research on the system of ultrasonic 
tracking of the edges of welded parts of a laser welding machine. 
In the second chapter of the master's thesis, calculations were performed using 
the developed model, which allow determining the parameters of the ultrasonic tracker 
necessary to ensure the ultrasonic radiation front with the specified characteristics and 
can be recommended for practical use. A model for controlling the technological 
process of ultrasonic tracking of object edges using a fuzzy logic apparatus was 
proposed, which made it possible to formalize the cause-and-effect relationships of 
ultrasonic measurement quality assessment from surface properties and operating 
parameters of ultrasonic radiation. 
In the third section, the ultrasonic tracker was designed and software was 
developed The device was implemented on a single-chip microcontroller PIC16C84, 
which is designed to build automated systems of low and medium complexity, a 
piezoelectric emitter MUP-3 and a piezoelectric ultrasonic receiver MUP-4, which fully 
satisfies the task of developing a high-precision ultrasonic tracker. 
Section four discusses the typical technological process of assembling an 
ultrasonic tracker in order to improve it. In accordance with the proposed changes in the 
technological process, new operations are used to diagnose the operating frequency, 
which allow determining the power supply parameters of the piezoelectric emitter 
In the fifth section, we tested the performance of the proposed circuitry and 
software solutions as a whole. It has been shown that as a result of planning and 
performing a factorial experiment, the optimal modes for the optimal tracking distance 
 10
were determined, namely: ultrasonic generator power - 3.4 mW; measurement time - 70 
µs, ultrasonic radiation frequency - 26 kHz. 
Keywords: ultrasonic tracker, welded installation, piezoelectric emitter 
 
List of main publications of the master's student 
1. System of ultrasonic quality control of a cut by a laser installation / 
Oshchepkov N.O., Bondarenko M.O. // New and non-traditional technologies in 
resource and energy saving: Proceedings of the International Scientific and Technical 
Conference, December 6-7, 2023, Odesa, 2023.  
 
 11
ВСТУП 
Актуальність теми дослідження. Сьогодні активно застосовуються 
інструменти лінійних вимірювань, які базуються на методах ультразвукового 
вимірювання відстаней. Сучасні прилади вимірювання відстані, такі як електронні 
лінійки, спідометри, тахеометри, забезпечені відслідковувачами, що дозволяє 
проводити не лише виміри відстані до об'єктів, але й кутів між ними. При цьому 
розвиток і вдосконалення ультразвукових відслідковувачів, підвищені вимоги до 
точності та надійності спонукають до розробки нових методик та інструментів 
для перевірки метрологічних параметрів цих пристроїв. Тому метрологічний 
контроль з використанням ультразвукових відслідковувачів є на даний момент 
актуальним завданням.  
У сучасній метрології поставлено завдання по розробці і дослідженню нових 
методів і засобів перевірки і калібрування відслідковувачних та куто-
вимірювальних приладів відслідковування країв зварюваних деталей лазерної 
зварної установки, реалізованих у вигляді відповідних пристроїв.  
До технічних і метрологічних характеристик таких пристроїв для перевірки і 
калібрування відслідковувачних та кутовимірювальних приладів пред'являються 
наступні вимоги: багатофункціональність далековимірного устаткування; 
скорочення часу перевірки і калібрування засобу виміру; автоматизація процесу 
вимірів; використання альтернативних еталонів.  
Таким чином, потрібна розробка методів і засобів, що дозволить підвищити 
точність вимірювання, калібрування та перевірки ультразвукових дальномірів, що 
дозволить оперативно та з високою точністю вимірювати відстані та лінійні 
розміри різноманітних, у тому числі, макро-, мікро- та нанометричних об‘єктів 
одним і тим самим пристроєм.  
У зв’язку з цим актуальною є розробка пристрою, який дозволив би 
поліпшити точність вимірювання відстані до країв зварюваних деталей для 
лазерної зварної установки, значно скоротити час її визначення та покращити 
техніко-експлуатаційні характеристики такого пристрою. 
Мета й завдання дослідження. підвищення техніко-експлуатаційних 
характеристик та точності відслідковування країв зварюваних деталей лазерної 
 12
зварної установки за допомогою ультразвукового відслідковувача, створеного на 
базі п‘єзокерамічних перетворювачів МУП-3(4). 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: 
1. Проаналізувати відомі акустичні методи та засоби  вимірювання відстані.  
2. Розглянути принцип дії та основні показники якості найбільш поширених типів 
ультразвукових відслідковувачів. 
3. Розробити комплекс фізико-математичних моделей процесу ультразвукового 
відслідковування країв зварюваних деталей, а саме: процесу формування 
фронту ультразвукової хвилі, ультразвукового методу  вимірювання відстані до 
об‘єкту з урахуванням в‘язкості середовища розповсюдження ультразвукових 
коливань та модель керування процесом ультразвукового вимірювання відстані 
до об‘єкту із залученням сучасної математичної системи MathLAB. 
4. Розробити функціональну та електричну принципову схему ультразвукового 
пристрою із залученням мікроконтролерної системи . 
5. Розробити технологічний процес виготовлення розроблюваного варіанту  
ультразвукового пристрою. 
6. Провести експериментальні дослідження системи ультразвукового 
відслідковування країв зварюваних деталей лазерної зварної установки, 
отримати залежності досліджуваних параметрів від зовнішніх факторів та 
порівняти результати експериментальних даних з результатами отриманими за 
допомогою фізико-математичного моделювання. 
Об’єкт дослідження – фізико-математична модель та технічні 
характеристики системи ультразвукового відслідковування. 
Предмет дослідження – система ультразвукового відслідковування країв 
зварюваних деталей лазерної зварної установки. 
Методи дослідження базуються на теоретичних і експериментальних 
дослідженнях фізичних закономірностей, які відбуваються при поширенні 
акустичних коливань в пружному середовищі. 
 13
Наукова новизна одержаних результатів.  
1. Запропоновано математичну модель безконтактного методу вимірювання  
відстані акустичним методом контролю коефіцієнта загасання ультразвуку 
шляхом урахуванням в'язких властивостей середовища поширення УЗ. 
2. Отримані з використанням розробленої математичної моделі залежності, що 
лежать в основі високоточного методу УЗ вимірювання. 
3. Запропонована модель управління технологічним процесом УЗ визначення 
відстані до поверхонь із залученням апарату нечіткої логіки, що дозволило 
формалізувати причинно-наслідкові зв'язки оцінки якості УЗ відслідковування 
твердих поверхонь від властивостей поверхні і робочих параметрів УЗ 
випромінювачів. 
4. Удосконалено технологічний процес шляхом використання у діагностуванні 
робочої частоти, що дозволить підвищити якість та точність УЗ 
відслідковувачів, а також визначити параметри живлення п‘єзовипромінювача. 
5. Розроблено рекомендації з підвищення техніко-експлуатаційних характеристик та 
точності відслідковування країв зварюваних деталей лазерної зварної установки.  
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені моделі, 
дозволяють визначати параметри УЗ відслідковувача, що  забезпечує задані 
характеристики фронту УЗ випромінювання. Технічним результатом є 
спроектований ультразвуковий відслідковував та розроблене програмне 
забезпечення, що призначені для побудови автоматизованих систем різного 
ступеня складності, і повністю задовольняють поставленому завданню розробки 
високоточного УЗ відслідковувача. 
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були 
представлені на міжнародній науково-технічній конференції «Нові та 
нетрадиційні технології в ресурсо- та енергозбереженні» (Одеса: ОНПУ, 2023).  
Публікації. По темі дисертації опублікована 1 теза доповідей. 
 14
РОЗДІЛ 1 
АНАЛІЗ ШЛЯХІВ РОЗВИТКУ ЗАСОБІВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО 
ВІДСЛІДКОВУВАННЯ КРАЇВ ОБ‘ЄКТІВ 
 
1.1. Акустичні методи та засоби вимірювання відстані  
 
Методи акустичного контролю можна розділити на дві групи: основані на 
випромінюванні та прийомі акустичних хвиль та основані на реєстрації 
акустичних хвиль, що виникають в матеріалах і виробах [1-6]. 
До першої групи відносяться методи контролю з використанням хвиль, що 
біжать та стоячих хвиль або резонансних коливань контрольованого об'єкту. В їх 
числі: 
1) Тіньовий метод, або метод наскрізного прозвучування (рис.1.1.а) [7]. 
Випромінювач 1 і приймач 3 розділені контрольованим виробом 2. Наявність 
об‘єкту послабляє сигнал, що приймається або затримується при його реєстрації 
внаслідок подовження шляху ультразвукових хвиль при обгинанні об'єкту. 
Генератор Генератор Індикатор Модулятор Реєстратор Генератор
розгортки Генератор частоти резонанса
Імпульсний Приймач
1 генератор Електро-
Індикатор
Генератор аналізатор
1 2 4
1 2
Індикатор
2 3 2
Приймач
 
а.  б.  в.   г.   д. 
Рисунок 1.1 – Методи контролю з використанням хвиль, що біжать і стоять, або 
резонансних коливань контрольованого об'єкту. 
 
2) Луна-метод (рис.1.1.б) [8]. В цьому випадку шукач 1 генерує короткий 
ультразвуковий імпульс, який відбивається від поверхні виробу 2. Відбитий 
імпульс приймається тим же або іншим шукачем. Відстань визначається за часом 
приходу сигналів, що відбиваються від поверхонь об'єкту. 
 15
3) Дзеркально-тіньовий метод [9], що є різновидом тіньового методу. При 
контролі використовується звичайний луна-метод. Послаблення сигналу служить 
ознакою наявності об'єкту. 
4) Метод (рис.1.1.в) імпедансу [10]. При контролі йде спостереження за 
режимом коливань стержня 4, спрямованого на поверхню об'єкту 2. За наявності 
об'єкту зменшується імпеданс цієї ділянки поверхні, тобто він стає як би м'якшим. 
Зміну імпедансу спричиняє за собою зміна амплітуди коливань стержня, 
зменшення механічної напруги на його кінці, зміна фази коливань і зміщення 
частоти, резонансних коливань. По одній з цих ознак судять про відстань до 
об'єкту. 
5) Резонансний метод (рис.1.1.г) [11]. Він застосовується в дефектоскопії та 
при вимірюванні товщини плівок покриттів. Після визначення швидкості 
поширення звукових хвиль в досліджуваному матеріалі плавною зміною частоти 
генератора відшукується резонансна частота, що відповідає виникненню стоячої 
хвилі у виробі і що характеризує його товщину. Якщо при переміщенні шукача 1 
по поверхні виробу 2 спостерігається послаблення сигналу або зникнення 
резонансу, то в цьому місці можна припускати наявність дефекту. 
6)  Метод вільних коливань (рис.1.1.д) [12], при якому аналізується спектр 
частот власних коливань виробу. Ці коливання виникають внаслідок вібрації 
виробу після удару по ньому. 
До другої групи методів відносяться [13-15]: 
1. Метод акустичної емісії. Контроль оснований на реєстрації пружних хвиль, які 
виникають у момент відбиття ультразвуку від об'єкту. Про відстань до об'єкту 
можна судити по збільшенню частоти дотримання і амплітуди сигналів в певному 
діапазоні частот. 
2. Шумо-вібраційний метод. В цьому випадку робиться спостереження спектру 
частот працюючого механізму в цілому або окремих його частин. В якості 
перетворювача застосовують або мікрофон, або прилад, що нагадує медичний 
стетоскоп. 
 16
Найбільш широке поширення отримав луна-метод ультразвукової 
далекометрії. 
Переваги акустичних методів контролю відстані: 
1. Можливість визначення відстані до поверхні об'єкту.  
2. Можливість визначення відстані до дрібних об'єктів. 
3. Безпека для обслуговуючого персоналу. 
4. Простота автоматизації ультразвукового контролю. Застосування акустичних 
методів контролю обмежується наступними чинниками: 
– складністю форми і малими розмірами деталі, що затрудняють використання 
ультразвукової далекометрії. Крім того, можуть виникати неправдиві сигнали 
із-за наявності нерівностей на поверхні поблизу області можливого 
знаходження об'єкту; 
– неоднорідністю внутрішньої структури матеріалу, що призводить до 
розсіювання ультразвукових хвиль, послаблення корисного сигналу і появи 
шумів; 
– шорсткістю поверхні виробу, яка впливає на чутливість ультразвукового 
контролю із-за зміни акустичного контакту перетворювача з об'єктом; 
– складністю оцінки характеру і розмірів об'єкту. 
У ході даної наукової роботи був проведень патентний пошук аналогічних 
пристроїв та установок. Патентний пошук дозволивши виявити наступні аналоги 
та прототипи [16-18]. 
Акустичний вимірник відстані [16]. Винахід відноситься до акустичних 
вимірників відстаней в різних середовищах. Технічним результатом винаходу є 
розширення експлуатаційних можливостей, вимірник може працювати в 
автоматичному режимі без присутності оператора, виконуючи автоматичне 
калібрування при зміні параметрів середовища лоціювання.  
Завданням цього винаходу є розширення експлуатаційних можливостей 
вимірника відстаней, що дозволяє працювати в автоматичному режимі, рис.1.2. 
Акустичний вимірник відстані, синхронізатор, що містить, сполучений з 
формувачем стробу і генератором зондуючих сигналів, вихід якого через 
 17
мультиплексор сполучений з акустичною системою, що знаходиться в 
акустичному контакті з середовищем лоціювання, а також з другою акустичною 
системою, що знаходиться в акустичному контакті з тим же середовищем 
лоціювання, і на відомій відстані r0 на якому розташований відбивач; вихід 
мультиплексора через приймальний тракт сполучений з другим входом 
формувача стробу, вихід якого сполучений з входом першого мультивібратора, 
що чекає, а також зі схемою "ТА".  
 
 Рисунок 1.2 – Структурна схема акустичного вимірника відстані: 
1 – синхронізатор, 2 – формувач імпульсу стробу, 3 – обліковий тригер,  
4 – генератор зондуючих сигналів, 5 – мультиплексор, 6, 8 – акустична система, 
що знаходиться в акустичному контакті з середовищем лоціювання, 9 – відбивач, 
10, 11, 14 – схема "ТА", 12 – приймальний тракт,  
13, 22 – мультивібратор, що чекає, 15 – генератор тактових імпульсів,  
16 – лічильник, 17, 19 – регістр, 18 – цифровий індикатор, 20 – блок порівняння 
цифрових кодів, 21 – блок управління, 23 – блок установки коду. 
 18
Другий вхід якої сполучений з виходом генератора тактових імпульсів, 
вихід схеми "ТА" сполучений з обліковим входом лічильника, виходи якого через 
регістр сполучені з цифровим індикатором; вихід першого мультивібратора, що 
чекає, сполучений зі входом другого мультивібратора, що чекає, вихід якого 
сполучений зі входом скидання лічильника, яка відрізняється тим, що в нього 
додатково введені рахунковий тригер, друга і третя схеми "ТА", другий регістр, 
блок установки коду, блок порівняння цифрових кодів і блок управління; вихід 
синхронізатора сполучений з входом рахункового тригера, а його прямій та 
інверсний виходи сполучені зі входами мультиплексора, що управляють, та з 
входами другої і третьої схем "ТА", другі входи яких сполучені з виходом 
першого мультивібратора, що чекає, а виходи – з входами дозволу запису регістра 
та другого регістра; входи другого регістра сполучені з виходами лічильника, а 
виходи – з входами "А" блоку порівняння цифрових кодів А і В, блок установки 
коду сполучений з входами "В" блоку порівняння цифрових кодів, виходи якого 
через блок управління сполучені з входами генератора тактових імпульсів, що 
управляють. 
Спосіб виміру відстані до контрольованого об'єкту [17]. Винахід 
відноситься до гідроакустики і може бути використаний при розробці 
гідроакустичних відслідковувачних систем, призначених для роботи в морі з 
великими дисперсійними спотвореннями акустичного сигналу. Технічним 
результатом винаходу є зменшення погрішності вимірів. Згідно із способом, на 
контролюючому об'єкті генерують і випромінюють періодичний імпульсний 
акустичний сигнал вертикально орієнтованою чотирьохмодульною антеною, 
встановленою на дні моря. Випромінювання антени синхронізують з початком 
відліку часу в точці прийому на контрольованому об'єкті. На контрольованому 
об'єкті сигнал приймають двома приймачами. Один з приймачів розташований 
безпосередньо на ґрунті і в його якості використовують векторний приймач, на 
виході якого вимірюють вертикальну та горизонтальну компоненти вектору 
коливальної швидкості. В якості другого приймача використовують не 
напрямлений приймач звукового тиску. За виміряними параметрами визначають 
 19
груповий час запізнювання, заздалегідь визначаючи тимчасові інтервали. Шукану 
відстань до контрольованого об'єкту обчислюють з використанням інваріантної 
швидкості, рівну швидкості придонної хвилі, групового часу і заздалегідь 
виміряної щільності та швидкості звуку в придонному шарі води, щільності та 
швидкості подовжніх хвиль в ґрунті. 
Спосіб виміру відстані до контрольованого об'єкту, при якому на 
контролюючому об'єкті генерують і випромінюють періодичний імпульсний 
акустичний сигнал, випромінювання якого синхронізують з початком відліку часу 
в точці прийому на контрольованому об'єкті, приймають акустичний сигнал на 
контрольованому об'єкті двома приймачами, рознесеними па відстань l, менше 
довжини хвилі акустичного випромінювання λ, розташованими безпосередньо на 
ґрунті, причому один з приймачів є векторним приймачем, на виході якого 
вимірюють вертикальний uz і горизонтальний ur компонента вектор коливальний 
швидкість, в якості другий приймач використовує ненапрямлений приймач 
звуковий тиск, на вихід який вимірює звуковий тиск P(t), на основі виміру 
параметр прийнятого сигналу визначає груповий час tr запізнювання. 
Акустичний блок ультразвукового вимірювального пристрою [18]. Винахід 
відноситься до вимірювальної техніки. Суть: акустичний блок ультразвукового 
вимірювального пристрою містить звуковод, виконаний у вигляді труби, 
усередині якого на його верхньому кінці жорстко закріплений електроакустичний 
перетворювач, обернений випромінюючою поверхнею до поверхні 
контрольованого середовища, що знаходиться в резервуарі, і сполучний вузол, 
жорстко пов'язаний з резервуаром. При цьому звуковод виконаний укороченим до 
мінімального розміру, необхідного для формування необхідної діаграми 
спрямованості випромінювання, а в нижній частині звуковода закріплені 
утримувачі, до нижніх кінців яких прикріплений реперний відбивач. Технічний 
результат: підвищення точності і стабільності вимірів при одночасному 
зменшенні масогабаритних показників. 
Акустичний блок ультразвукового вимірювального пристрою, рис.3, що 
містить звуковод, виконаний у вигляді труби, усередині якої на її верхньому кінці 
 20
жорстко закріплений електроакустичний перетворювач, обернений 
випромінюючою поверхнею до поверхні контрольованого середовища, що 
знаходиться в резервуарі і сполучний вузол, жорстко пов'язаний з резервуаром, 
відрізняється тим, що звуковод виконаний укороченим, а в його нижній частині 
закріплені утримувачі, до нижніх кінців яких прикріплений реперний відбивач, 
при цьому мінімальна довжина укороченого звуковода визначається, виходячи з 
необхідної діаграми спрямованості випромінювання акустичний блоку, 
наприклад, довжина та діаметр звуковода вибирається так, щоб нижній край 
звуковода обмежувався основною пелюсткою діаграми спрямованості 
електроакустичного перетворювача на рівні 0,5 від максимуму випромінювання. 
 
Рисунок 1.3 – Акустичний блок ультразвукового відслідковуючого пристрою: 
1 – звуковод; 2 – електроакустичний перетворювач; 3 – резервуар;  
4 – утримувач; 5 – реперний відбивач; 6 – сполучний вузол. 
 
 
1.2. Ультразвукові коливання та їх основні властивості 
 
Якщо в суцільному середовищі – газах, рідинах або твердих тілах частки 
середовища є виведеними зі стану рівноваги, то пружні сили, діючі на них з боку 
інших часток, повертатися у стан рівноваги, при цьому виконуючи коливний рух. 
Розповсюдження пружних хвиль у сплощеному середовищі представляє собою 
хвильовий процес [19-22]. Коливання з частотою від декількох Герц (Гц) до 20 Гц 
класифікуються як інфразвук, при частоті від 20 Гц до 16…20 кГц вони стають 
 21
сприйнятними звуками. Ультразвукові коливання (УЗ коливання) знаходяться у 
діапазоні від 16...20 кГц до 0,1 ГГц, тоді як коливання з частотою понад 0,1 ГГц 
відомі як гіперзвукові [23]. На рис.1.4 зображена логарифмічна шкала частот, 
побудована за принципом lg2f = 1, 2, 3..., n, де 1, 2, 3..., n – порядкові номери 
октав. 
 
Рисунок 1.4 – Діапазони акустичних коливань в твердих середовищах 
 
Фізична природа акустичних коливань однакова в усьому діапазоні частот.  
Для осмислення сутності пружних коливань проаналізуємо їх 
характеристики. Конфігурація хвилі – це обрис хвильового фронту, а саме збірки 
точок, що мають однакову фазу. Коливання площини створюють плоску звукову 
хвилю, якщо випромінювачем служить циліндр, що періодично стискається і 
розширюється по напряму свого радіусу, тоді виникає циліндрична хвиля. 
Разовий випромінювач, або кулька, зо пульсує і розміри якої малі в порівнянні з 
довжиною хвилі, яка випромінюється віддає хвилю форму кулі. 
Звукові хвилі підрозділяються за типом хвиль: вони можуть бути 
подовжніми, поперечними, вигинистими, крутильними – залежно від умов 
поширення і збудження. У газах і рідинах поширюються тільки подовжні хвилі, в 
масивних тілах можуть виникати також поперечні та інші з перерахованих типів 
хвиль. У подовжній хвилі напрям коливань часток співпадає з напрямом 
поширення хвилі, поперечна хвиля поширюється перпендикулярно напряму 
коливань часток [24].  
Будь-яка хвиля, як коливання, що поширюється в часі і в просторі, може 
бути охарактеризоване частотою, довжиною хвилі та амплітудою, рис.1.5 [25]. 
 22
При цьому довжина хвилі λ має зв'язок з частотою f через швидкість 
розповсюдження хвилі в масивному матеріалі c: λ = c/f. 
 
Рисунок 1.5 – Характеристики коливального процесу 
 
Розглянемо особливості ультразвукових коливань. Звичайно вважається, що 
порогом початку ультразвукового спектру частот є 16...20 кГц. Варто підкреслити, 
що цей широкий діапазон обраний через те, що границя ультразвуку 
(несприйняття звуку) є індивідуальною для кожної людини. Для деяких це може 
бути 10 кГц, для інших - 20 кГц, і є особи, котрі чують навіть 25 кГц. 
Проблема визначення верхньої границі ультразвукового спектру є ще більш 
складною. Тут можливості людського слуху не мають значення, і потрібно 
опиратися на фізичну природу пружних хвиль, здатних розповсюджуватися в 
матеріальному середовищі, якщо довжина хвилі перевищує міжатомні відстані. 
Довжина таких хвиль обернено пропорційна частоті: λ = с/f. Встановлено 
існування УЗ хвиль із частотою понад 100 МГц. УЗ вищої частоти затухає 
настільки швидко, що хвилі поглинаються прямо на поверхні випромінювача. 
У практичних цілях використовують УЗ хвилі з частотою до 25 МГц [24, 
25]. Коливання таких високих частот можуть поширюватися тільки в кристалах.  
Відмітні особливості ультразвукових коливань.  
1. Ультразвукові коливання, маючи велику частоту f, порівняно із 
звуковими коливаннями при однаковій швидкості поширення, характеризуються 
значно коротшими довжинами хвиль. Механічні коливання в різних середовищах 
 23
з довжиною хвилі, що не перевищує 1…10 мм, за своїми властивостями 
аналогічні світловим променям. Це дозволяє не лише фокусувати коливання, але і 
форму Ультразвукові хвилі у різноманітних середовищах із довжиною хвилі від 1 
до 10 мм мають властивості, схожі на властивості світлових променів.вати 
спрямоване випромінювання, тобто направляти енергію в потрібному напрямі і 
зосереджувати її в потрібному об'ємі.  
2. УЗ коливання може поширюватися у будь-яких матеріальних 
середовищах (у прозорих і непрозорих середовищах, провідниках і діелектриках і 
тому подібне), що дозволяє використати їх для дослідження і дії на полімери, 
метали, рідини, гази та інше. 
3. Потужність ультразвукових коливань, поширюваних в середовищах, 
віднесена до квадрату частоти, і тому, в противагу від потужності акустичних 
коливань – надвелика. Сила ультразвукових хвиль може сягати кількох сотень 
кіловат, а їх інтенсивність (рівень енергії, що розповсюджується на кожен 
квадратний сантиметр за одиницю часу) може становити від 1 до 1000 Вт/см². За 
такої сили ультразвукового впливу величезна енергія механічних хвиль може 
розповсюджуватись всередині матеріальних об'єктів. При поширенні хвилі (у 
коливальному процесі) виникають перепади звукового тиску, десятки МПа, що 
перевищують. 
Крім того, не слід забувати, що цей тиск змінює свій знак, переходячи в 
розрядку з частотою більшої 20 кГц. 
Можливість введення великих енергій дозволяє підвищувати ефектив-ність 
безлічі різних технологічних процесів в яких застосовується УЗ [26].  
 
1.3. Принцип дії та показники якості ультразвукових відслідковувачів  
Робота облаштування ультразвукового виміру дальності ґрунтується на 
явищі поширення звукових хвиль в пружному середовищі і відображення їх в 
процесі поширення від інших середовищ (контрольованих тіл). 
Інформація про віддаль до тіла, що контролюється точніше за деяку зону 
віддзеркалення, що належить поверхні контрольованого тіла, визначається 
 24
тимчасовим запізнюванням сигналу відносно випромінюваного, що приймається. 
Приблизно таким же чином кажани навігують у просторі: вони випускають 
направлений потік ультразвукових хвиль та перехоплюють повернений сигнал. 
Звукові хвилі рухаються у повітрі з визначеною швидкістю, отже, за затримкою 
прибуття поверненого сигналу можна з достатньою точністю визначити відстань 
до об'єкта, що відбив звук. 
Ультразвуковий відслідковувач робить вимір відстані до контрольованого 
тіла за схемою луна-локації, рис.1.6 [27]. 
 
Рисунок 1.6 – Схема луна-локації. 
 
Для визначення відстаней у повітряному середовищі застосовують 
п‘єзокерамічні датчики, які функціонують на частоті 40 кГц. Двоє 
п‘єзокерамічних датчиків (один випромінює, інший приймає сигнали), 
налаштовані таким чином, що резонансна частота передавача відповідає 
резонансній частоті отримання сигналу приймачем, створюють акустичний 
модуль. 
Переваги використання таких датчиків у повітрі включають: відносну 
простоту передачі та прийому сигналів, компактність передавально-приймальних 
елементів обладнання, високу стійкість до шумового, хімічного та оптичного 
забруднення навколишнього середовища, здатність до роботи в агресивних 
умовах під високим тиском, можливість дистанційного розташування вторинного 
 25
обладнання від місця вимірювань, тривалий термін служби, простоту у 
використанні, порівняно невисоку вартість, швидку готовність до роботи після 
вмикання, несприйнятливість до електромагнітних перешкод, високу надійність 
та нечутливість людського слуху до ультразвуку частотою 40 кГц серед іншого. 
Застосування розроблюваного ультразвукового трекера включає: контроль 
відстані між автомобілями під час руху в умовах обмеженої видимості на низьких 
швидкостях, визначення рівня наповнення резервуарів рідиною, обсягу 
завантаження бункерів чи вантажних кузовів сипучими або дробленими 
матеріалами, моніторинг розмірів продукції, вимірювання відстані від борту 
судна до пристані та інше. 
Принципи ультразвукової далекометрії [28]. Здатність акустичного 
коливання поширюватися зі сталою швидкістю дає можливість встановлювати 
дальність до об'єкту. Тоді, при імпульсному методі далекометрії має місце таке 
співвідношення: 
L = ½ c.t 
де L – відстань до об'єкту, с – швидкість поширення коливань в середовищі,  
t – час імпульсу до цілі та назад. 
Аналіз цього співвідношення встановлює, що потенційна точність контролю 
дальності визначається точністю визначення часу проходження імпульсу 
акустичної енергії до об'єкту і назад. Чим коротший імпульс, тим краще. 
Завдання визначення відстані між відслідковувачом і метою зводиться до 
визначення відповідного інтервалу часу серед зондуючого сигналу та його ж, 
відбитого від цілі. Розрізняють три методи виміру дальності залежно від того, 
який характер модуляції акустичного випромінювання використовується в 
відслідковувачі: імпульсний, фазовий або фазо-імпульсний. 
  Суть імпульсного методу далекометрії полягає в посиланні до об'єкту 
зондуючого імпульсу, який запускає лічильник часу для відслідковувача. Коли 
відбитий об'єктом імпульс приходить до відслідковувача, то він зупиняє роботу 
лічильника. По тимчасовому інтервалу (затримці відбитого імпульсу) 
визначається відстань до об'єкту. 
 26
  При фазовому методі далекометрії акустичного випромінювання 
модифікується відповідно до синусоїдального закону за допомогою модулятора 
(п'єзоелектричний матеріал, який зазнає змін у своїх характеристиках під дією 
електричного сигналу). Звичайно застосовують синусоїдальну модуляцію із 
частотою від 10 до 150 МГц (частота для вимірювань). Відображене 
випромінювання надходить до акустичного детектора, де відбувається вилучення 
модульованого сигналу. Зміна фази поверненого сигналу порівняно з фазою 
модуляторного сигналу відбувається у залежності від відстані до об'єкта. Шляхом 
вимірювання цієї фазової різниці можна визначити дистанцію до об'єкта. 
  УЗ далекометрія є однією з перших сфер практичного застосування УЗ в 
зарубіжній військовій техніці. Попередні дослідження відносяться до поатку 60-х 
років минулого століття, а зараз УЗ відслідковувачи використовуються в наземній 
військовій техніці (артилерія, танки), та в авіації (відслідковувачи, висотоміри, 
цілеуказники), і, особливо, на флоті. Ця техніка пройшла бойові випробування у 
В'єтнамі та на Близькому Сході. Нині ряд відслідковувачів прийнятий в арміях 
низки країн. 
 Бурхливий розвиток мікроелектроніки забезпечив зменшення масо-
габаритних показники УЗ відслідковувачів, що дозволяє на сьогодні створювати 
портативні і, навіть, мініатюрні відслідковувачи [29].  
 
 
1.4. Перспективи та актуальність розвитку засобів ультразвукового 
відслідковування країв об‘єктів 
 
Розглянемо два основні аспекти ультразвукової далекометрії [30]: 
удосконалення самого способу виміру відстані і перспективи розширення його 
застосувань в різних галузях науки і техніки. 
Технологічний арсенал устаткування для ультразвукової далекометрії 
досить великий і, хоча поява нових об'єктів між якими необхідно знайти відстань 
(мікро- і нанооб'єкти, динамічні, мультиструктурні конструкції та їх системи) 
 27
зажадає, природно, подальшого розвитку технології, її основи, що відбивають 
специфіку цього виду далекометрії, мабуть, не зміняться. Що стосується 
вимірювального устаткування, то напрями його удосконалення можуть бути 
наступними. Нині вони вичерпуються автоматичним повторенням заданого 
режиму виміру, що важливо для використання цього виду далекометрії в 
автоматичних і напівавтоматичних операціях (у технологічних процесах 
виробництва і позиціонування компонентів мікроелектроніки, електротехнічних 
виробів, фольги, утримувачів до паливних елементів реакторів тощо). Слід 
підкреслити, що ця автоматизація доки не враховує принципової особливості 
ультразвукової далекометрії — можливість автоматизованого управління 
процесом далекометрії під час кожного вимірювального циклу з використанням 
параметрів, що відбивають протікання цього процесу. Такого роду управління, 
розраховане на отримання високоякісних результатів, представляється дуже 
перспективним. 
Певні можливості розширення промислових застосувань ультразвукової 
далекометрії криються в спрощенні конструкції і підвищенні надійності не лише 
відслідковувачів, але і елементів їх живлення.  
Розвиток вказаних напрямів повинен привести до підвищення надійності 
устаткування і якості отримуваних результатів.  
Така тенденція, мабуть, збережеться і в майбутньому. Застосування 
ультразвукової далекометрії в електротехнічній промисловості буде, мабуть, 
розширюватися за рахунок створення спеціалізованого устаткування. 
Усе це дозволяє сподіватися, що ультразвукова далекометрія, можливо, у 
поєднанні з іншими видами вимірів, може бути використана в мультишарових, 
різнофазних середовищах. Таке застосування зажадає розробки принципово нової 
технології і устаткування. Необхідність легкої рухливості такого устаткування і 
мінімальної його ваги може зумовити перехід до простих імпульсних 
ультразвукових живлячих генераторів [31]. 
 
 28
1.5. Аналіз існуючих математичних моделей та комп'ютерних засобів 
моделювання характеристик ультразвукових перетворювачів  
 
При розробці ультразвукових перетворювачів, використовуються різні 
методи для розрахунку основних його характеристик. Часто використовуються 
наступні методи: 
– створення еквівалентних електричних схем різної складності, що дозволяють 
розрахувати смугу частот перетворювача і розміри його складових частин; 
– опис поведінки випромінювача за моделлю «плоский поршень», дозволяє 
отримати осцилограму розподілу тисків в середовищі [32]; 
– моделювання ультразвукових перетворювачів за допомогою програмних 
засобів, основаних на методі кінцевих елементів, є найбільш комплексним 
методом, що повною мірою дозволяє аналізувати, розробляти і оптимізувати 
п'єзоелектричні датчики. 
Для отримання осцилограм сигналів, що мають найбільший збіг з 
експериментальними даними краще всього підходять два останні методи. 
Моди коливань п'єзоелектричних перетворювачів були проаналізовані 
багатьма авторами із-за їх важливості в розумінні поведінки сигналу в 
перетворювачі і в досліджуваному зразку. Хороше розуміння фізики процесу 
поширення осцилограми тиску від циліндричного перетворювача інтерпретується 
як суперпозиція добре відомих плоских і крайових хвиль створених пістоном [33]. 
Плоска хвиля поширюється в геометричну область прямо вперед від джерела, 
разом з поширенням крайових хвиль від периферії джерела. Розподіл тиску 
пропорційний швидкості часток плоскої хвилі, і крайової хвилі, що 
випромінюється всередину в протифазі до плоскої хвилі. 
Згідно з експериментальними вимірами ультразвукового імпульсу в 
середовищі отриманого багатьма авторами, виміряна крайова хвиля є 
спотвореною в порівнянні з моделлю плоского поршня. Це говорить про те, що 
існують інші ефекти, не передбачені цією моделлю. Неврахованим цією моделлю 
важливим ефектом є поширення поверхневих радіальних хвиль по кераміці від її 
 29
меж. Ці радіальні хвилі створюють конічну хвилю названу головною хвилею, яка 
поширюється в середовищі разом з крайовою хвилею. Це головна хвиля 
поширюється тільки перед крайовою хвилею та інтерферує з нею. 
Характеристики головної хвилі залежать від властивостей п‘єзоматеріалу, а так 
само від заднього шару і корпусу перетворювача. 
Проведені порівняння моделі плоского пістона з моделлю створеної в 
комерційній програмі ANSYS, зокрема в роботі [34], показали, що аналіз методом 
кінцевих елементів дає набагато ближчі результати до експериментальних даних, 
рис.1.7. 
 
Рисунок 1.7 – Приклад моделі ультразвукового датчика 
 
Етапи розвитку аналізу методом кінцевих елементів. Метод кінцевих 
елементів [35] був уперше використаний для аналізу коливань пружного 
матеріалу приблизно в 1950 році. Метод оснований на варіаційних методах, які 
були використані для аналізу пружних матеріалів в 1940-х, для електромагнітного 
аналізу в 1950-х і для п'єзоматеріалів в 1960-х. 
Варіаційні принципи для п'єзоелектричної речовини були сформульовані 
ЕрНісе у 1967 р. ЕрНісе використав варіаційні методи для аналізу 
п'єзоелектричних дисків з різним співвідношенням діаметру і товщини. У той же 
самий час такі ж варіаційні принципи були отримані Тірстеном з принципу 
Гамільтона. Надалі метод кінцевих елементів використовувався для завдань 
пов'язаних з п'єзоелектрикою. 
Перші обчислювальні приклади, що застосовують метод кінцевих елементів 
для моделювання п'єзоелектричного середовища були проведені Аліком, де були 
приведені власні частоти п'єзоелектричного диска і структура кераміки. У 1972 
 30
році Хунт, Сміт та Барач проаналізували осесиметричний п'єзоелектричний сонар 
за допомогою методу кінцевих елементів. Ця робота була пізніше розширена до 
випадку випромінювання п‘єзокераміки в акустичне середовище. 
У подальші роки метод кінцевих елементів отримав велику популярність 
для моделювання п'єзоелектричного середовища, але дійсно широке 
використання метод отримав після 1980 року. У 1986 році п'єзоелектричні 
елементи були включені в комерційну програму, основану на методі кінцевих 
елементів, ANSYS, яка використовувалася багатьма групами для моделювання 
п'єзоелектричного середовища. Пізніше такі елементи були включені в інші 
комерційні доступні програми: ATILA, PZFlex, ABAQUS, MODULEF, PHOEBE, 
MSC та інші. 
Таким чином метод кінцевих елементів є на даний момент найточнішим 
серед усіх і при цьому охоплює усі області, пов'язані з проектуванням 
ультразвукових перетворювачів (п'єзоелектричний, структурний, акустичний 
аналіз та інше).  
Види математичного аналізу п'єзоелектричних перетворювачів. Існують 
наступні види аналізів: статичний, модальний, гармонійний, аналіз перехідних 
процесів (динамічний), спектральний. 
Модальний аналіз. Модальний аналіз допомагає встановити параметри 
коливань конструкцій: за його допомогою визначаються власні частоти і форми 
коливань. Крім того, він використовується як відправна точка для інших, 
детальніших динамічних розрахунків, на кшталт нестаціонарного динамічного 
аналізу або дія системи на гармонійний вплив. 
У програмному комплексі ANSYS модальний аналіз є процедурою 
лінійною. Всі види нелінійностей, такі як пластичність або елементи контакту-
зазору, не враховуються, незалежно від їх налаштувань. Пропонуються чотири 
методи визначення власних форм коливань, у тому числі з урахуванням 
демпфірування. 
Модальний аналіз можливий для структур, що зазнали попереднього 
напруження, наприклад, обертових лопаток турбінного диска. Додаткова перевага 
 31
- врахування модальної циклічної симетрії, що дозволяє обмежити аналіз лише 
частиною конструкції, а не всією. 
Гармонійний аналіз. Будь-яке тривале циклічне навантаження викликає 
гармонійну відповідь механічної системи. Аналіз відповіді на гармонійне вплив 
дозволяє оцінити стійкість лінійної механічної системи до усталеної реакції на 
синусоїдальне навантаження та відповідно прогнозувати її здатність протидіяти 
резонансу, втомному зношуванню та іншим негативним вібраційним ефектам. 
Основна концепція методики - отримати реакцію системи на різні частоти, 
встановити залежність певних характеристик (зазвичай переміщень) від частоти, 
виявити частоту з максимальною реакцією та визначити рівень напруги при цій 
частоті. 
Будь-які нелінійності системи ігнорується. Аналіз можна проводити для 
заздалегідь напруженої конструкції. 
Аналіз перехідних процесів (динамічний). З появою потужних і швидких 
комп'ютерів, з великим об'ємом оперативної пам'яті, стало можливо виконувати 
аналіз перехідних процесів (transient analysis) п'єзоелектричних перетворювачів. 
Динамічне дослідження застосовується для встановлення відповіді 
конструкції (у формі зміщень, деформацій, напруг та сил) на вплив будь-якого 
навантаження, яке зазнає змін упродовж часу так, що стає необхідно враховувати 
явища інерції та дисипації енергії. 
Цей вид аналізу набагато більше складений, ніж статичний, тому, взагалі 
кажучи, необхідно упереджати виконання аналізу роботою по вивченню фізики 
проблеми. Це може значно скоротити затрати інженерної праці і комп'ютерні 
ресурси. Така робота може складатися з наступних етапів: 
– аналіз простіших моделей; 
– проведення статичного аналізу перед введенням нелінійностей (іноді можна 
переконатися, що в обліку нелінійності немає необхідності); 
– виконання модального аналізу для оцінки реакції системи і визначення кроку 
рішення за часом; 
– використання методу підконструкцій для лінійних частин системи [36]. 
 32
Також деякі інженери використовують моделювання в тимчасовій області з 
перетворенням Фур'є, для того, щоб обчислити частотну характеристику. 
Спектральний аналіз – це рішення задачі з використанням результатів 
модального аналізу для розрахунку переміщень і напруги в моделі. Він в 
основному використовується замість тимчасового аналізу для визначення реакції 
при випадкових навантаженнях або навантаженнях, залежних від часу, таких як 
землетрус або вітрові навантаження, навантаження від морських хвиль, дія від 
реактивного двигуна і т.д. 
Спектр це графік спектральної величини у функції від частоти, що визначає 
інтенсивність і спектральний склад динамічних навантажень. Можливі три типи 
спектрального аналізу: спектр реакції; метод динамічного проектування (DDAM); 
метод спектральної щільності потужності (PSD). 
 
 
Висновки до розділу 1 
 
Таким чином, в роботі визначився напрямок дослідження системи 
ультразвукового відслідковування країв зварюваних деталей лазерної зварної 
установки.  
1.  Розглянуті основні акустичні методи та засоби  відслідковування країв 
об‘єктів, а також принцип дії та показники якості найбільш розповсюджених 
на сьогодні ультразвукових відслідковувачів. Показані основні напрямки 
модернізації та перспективи розвитку таких пристроїв.  
2. Зроблено аналіз існуючих математичних моделей та комп'ютерних засобів 
моделювання характеристик ультразвукових перетворювачів, які ляжуть в 
основу розроблюваних моделей поведінки систем ультразвукового 
відслідковування країв зварюваних деталей. 
3. Показано, що серед відомих методів та засобів дистанційного 
відслідковування країв об‘єктів в пружних середовищах, найбільш 
перспективним та ефективним є метод ультразвукової далекометрії, засіб 
 33
апаратної реалізації якого використовує п‘єзокерамічні перетворювачі МУП-3 
або МУП-4, які працюють на частоті 40 кГц. Перевагами використання таких 
відслідковувачів є: порівняна простота випромінювання та прийому коливань, 
компактність та мініатюрність базових елементів пристрою, висока стійкість 
до шумового, хімічного та оптичного забруднення оточуючого середовища, 
можливість роботи в агресивних середовищах за умов високого тиску, велике 
віддалення вторинної апаратури від місця проведення досліджень, тривалий 
строк експлуатації, нечутливість до електромагнітних перешкод, висока 
надійність, тощо.  
 
 
 34
РОЗДІЛ 2 
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ  
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВІДСЛІДКОВУВАННЯ КРАЇВ ОБ‘ЄКТІВ 
 
2.1. Моделювання процесу формування фронту ультразвукової хвилі 
Ультразвукове (УЗ) відслідковування знаходить усе більш широке 
застосування в нових наукомістких галузях промисловості. Вимір відстаней, 
наповненості порожнин і бункерів, особливо в небезпечних середовищах, 
неможливий без застосування УЗ відслідковування. Такі технології вдалося 
реалізувати завдяки унікальним можливостям УЗ: монодисперсність, 
регулювання продуктивності процесу, низька енергоємність, тривалий термін 
служби, виключення періодичного технічного обслуговування УЗ випромінювачів 
(очищення). 
Ефективність і якість рішення кожного з перерахованих завдань 
визначається режимами і параметрами УЗ випромінювачів, тобто, фактично, 
характеристиками фронту хвилі. Цими характеристиками є: 
– дисперсний склад фронту УЗ хвилі; 
– продуктивність формування фронту; 
– геометричні параметри сформованого фронту. 
Для визначення параметрів УЗ випромінювачів, що забезпечують необхідні 
характеристики фронту хвилі, необхідно розробити математичну модель, що 
описує взаємозв'язок між характеристиками цього фронту і параметрами УЗ 
випромінювача, що його формує. Графічно ці взаємозв'язки представлені на 
рис.2.1.  
Таким чином, модель, що розробляється, повинна забезпечити визначення 
робочої частоти УЗ випромінювача, площі, форми поверхні випромінювання. 
На початковому етапі побудови математичної моделі визначається 
взаємозв'язок між частотою УЗ випромінювача і середньо медіанним діаметром 
контакту випромінювання з об'єктом виявлення, з використанням відомого виразу 
[37]: 
 35
8
D  a  3 , 
f 2
де  a = 0,12 - конструктивний коефіцієнт; 
σ - поверхневе натягнення на об'єкті виявлення; 
ρ - щільність середовища в якій поширюється УЗ;  
f - частота УЗ коливань. 
 
Рисунок 2.1 - Взаємозв'язок між характеристиками фронту хвилі і 
параметрів ультразвукових випромінювачів, що відповідають їм 
 
Звідси частота УЗ коливань випромінювача, що забезпечує необхідний 
середньомедіаний діаметр контакту випромінювання з об'єктом виявлення: 
8a3
f  . 
D3
На основі отриманої частоти УЗ розраховуються резонансні розміри УЗ 
випромінювача по методиці [38]. 
Далі визначається величина площі поверхні випромінювання, що дозволяє 
генерувати УЗ випромінювання із заданою для вирішуваної задачі 
 36
продуктивністю. Розрахунок ведеться з використанням вираження для визначення 
питомої продуктивності випромінювача (швидкості випромінювання) [39]: 
2a3 f 
Ï ï èò   3 . 
3 
Звідси: 
Ï max 3Ï 3
S   max  
, 
Ï 3 3
ï èò 2Ï ï èò a  f
де  S - площа поверхні випромінювання; 
Пmax - необхідна продуктивність формування фронту УЗ хвилі;  
Ппит - швидкість випромінювання. 
На третьому етапі побудови моделі робиться визначення форми поверхні 
випромінювання. Шуканим параметром є кут напряму поверхні випромінювання 
β, який спільно з площею поверхні випромінювання визначає поперечний розмір 
сформованого фронту хвилі. 
На рис.2.2 представлені можливі форми поверхні УЗ випромінювача 
залежно від кута поверхні випромінювання (тобто кута при вершині конуса 
поверхні випромінювання). 
 
а.   б.   в. 
Рисунок 2.2 - Можливі форми поверхні випромінювання : 
а) плоска (β = 180°); б) конічна (0< β <180°); в) циліндрична (β =0°) 
 
На рис.2.3 схемний показані сили, діючі на зону взаємодії УЗ хвилі з 
об'єктом спостереження. 
 37
 
Рисунок 2.3 - Система сил, діючих на зону взаємодії УЗ хвилі з об'єктом 
спостереження 
 
У початковий момент часу напрям випромінювання знаходиться під деяким 
кутом до поверхні об'єкту, що дорівнює: 


 90  90   90  
 . 
 2 
У міру поширення випромінювання кут α‘ змінюватиметься за наступним 
законом: 
  
  arctg x t  t 
  ; 
 y t  t  
 t   sin S 2  2
x x t  CD M   sin t
x  ; 
sin
 2 2
g S   y t  CD M  
y      t   t  , 
 cos m  y

де  m - маса фрагмента середовища, що знаходиться в зоні дії УЗ хвилі;  
CD(M) - безрозмірна функція числа Маха;  
ρ - щільність середовища; 
S - площа поперечного перерізу зони взаємодії. 
Використовуючи отримані залежності і виходячи з необхідного медіанного 
діаметру зони взаємодії УЗ хвилі з об'єктом спостереження, можна визначити 
 38
початковий кут, під яким повинно поширюватися УЗ випромінювання з поверхні 
випромінювання α' і, отже, кут поверхні випромінювання: 
 180  2 . 
На рис.2.4 представлена залежність діаметру зони взаємодії УЗ хвилі з 
об'єктом спостереження від кута поверхні випромінювання на відстані від 
випромінювача, отримана з використанням розробленої моделі.  
 
Рисунок 2.4 - Залежність діаметру зони взаємодії УЗ хвилі з об'єктом 
спостереження від кута випромінювача 
 
З рис.2.4 витікає, що представлена залежність має нелінійний характер і, 
при кутах поверхні випромінювання менших 20° (тобто при наближенні форми 
поверхні випромінювання до циліндричної), подальшого збільшення ширини зони 
взаємодії УЗ хвилі з об'єктом спостереження не відбувається. 
Отже, оптимальні значення кута поверхні знаходяться в діапазоні 20° - 
180°.На підставі розробленої моделі був здійснений розрахунок практичних 
конструкцій УЗ випромінювачів (табл.2.1), і проведений ряд експериментів 
спрямованих на визначення відповідності характеристик формованих ними 
фронту УЗ випромінювання заданим (табл.2.2). 
 
 39
Таблиця 2.1 - Розраховані значення параметрів УЗ випромінювачів 
Початкові параметри зони 
взаємодії УЗ хвилі з об'єктом Розраховані параметри випромінювачів 
спостереження 
№ 
1 45 5 2 44 3,9 1,1 115 
2 30 4 1,2 60 2,7 0,9 110 
3 70 6 2 25 4,75 1,2 130 
 
Таблиця 2.2 - Результати експериментального визначення параметрів 
фронту УЗ випромінювання, що формується УЗ випромінювачами 
Початкові параметри Експериментально встановлені характеристики 
фронту УЗ випромінювання фронту УЗ випромінювання 
№ 
1 45 5 2 50 12 4,6 8 2,1 5 
2 30 4 1,2 33 10 3,8 5 1,2 0 
3 70 6 2 80 14 5,5 9 2,3 15 
 40
Діаметр зони взаємодії УЗ хвилі з 
об'єктом спостереження, мкм Діаметр зони взаємодії УЗ хвилі з 
об'єктом спостереження, мкм 
Діаметр фронту взаємодії на УЗ 
випромінювачі, мм 
Діаметр фронту взаємодії на УЗ 
Продуктивність, випромінювача, випромінювачі, мм 
мВт/c 
Продуктивність, випромінювача, 
Діаметр зони взаємодії УЗ хвилі з мВт/с 
об'єктом спостереження, мкм 
Резонансна частота на 
Погрішність, % 
випромінювачі, кГц 
Діаметр фронту взаємодії на УЗ 
випромінювачі, мм Площа поверхні випромінювача, 
мм2 
Погрішність, % 
Радіус випромінювача, мм2 
Продуктивність, випромінювача, 
мВт/c 
Кут рефлектора випромінювача, 
Погрішність, % град 
Таким чином, проведені експериментальні дослідження показали, що 
максимальна розбіжність між визначеними теоретично і експериментально 
отриманими характеристиками фронту УЗ випромінювання не перевищує 15%. 
Це свідчить про прийнятну точність і адекватність розробленої моделі 
формування фронту УЗ випромінювання. Розрахунки, проведені з використанням 
моделі, дозволяють визначати параметри УЗ відслідковувача, необхідні для 
забезпечення фронту УЗ випромінювання із заданими характеристиками і можуть 
бути рекомендовані для практичного застосування. 
 
 
2.2. Розробка математичної моделі ультразвукового методу  
відслідковування країв 
 
Постановка завдання дослідження. Необхідно досліджувати можливість 
безконтактного визначення відстані за допомогою аналізу швидкості поширення 
зсувних (поперечних) ультразвукових хвиль. Подовжні ультразвукові хвилі 
характеризують пружні властивості газів і рідин, їх структуру і сили 
міжмолекулярного відштовхування, зсувні — в'язкі властивості, і в результаті, 
сили міжмолекулярної взаємодії. В питанні, коли методи визначення швидкості 
поширення подовжніх ультразвукових хвиль в рідині і газах досить добре 
створені та знаходять значне застосування на практиці ультразвукової 
далекометрії, то зсувні хвилі практично не використовуються із-за загасання в 
середовищі на відстанях порядку довжини хвилі [40, 41]. Тому значний інтерес 
представляє розробка математичної моделі виміру швидкості поширення 
поперечних хвиль. 
Рішення задачі і результати досліджень. У основі пропонованого способу 
експрес-виміру відстані лежить вимір акустичних характеристик робочого 
середовища (коефіцієнта поглинання, швидкості поширення ультразвуку) 
методами молекулярної акустики. 
 41
За швидкістю звуку можна визначити такі характеристики середовища, як 
відношення теплоємностей, стисливість, пружні характеристики твердого тіла 
тощо, а по поглинанню звуку — значення зсувної і об'ємної швидкості, час 
релаксації і, як результат, відстань [42, 43]. У пружному середовищі, обчислюючи 
швидкість звуку на основі моделі цього середовища і порівнюючи результати 
розрахунку з досвідними даними,  
У деяких ситуаціях можливо оцінювати достовірність застосованої моделі 
та встановлювати рівень енергії взаємодії між молекулами. Характеристики 
молекулярної структури, сила взаємодії між молекулами та щільність розміщення 
молекул впливають на швидкість поширення звуку. 
При наявності релаксаційних процесів енергія лінійного руху молекул, 
здобута від звукової хвилі, перерозподіляється на внутрішні ступені вільності. 
Внаслідок цього виникає дисперсія швидкості звуку, а графік співвідношення 
коефіцієнта поглинання до довжини хвилі від частоти має максимум на певній 
частоті, відомій як частота релаксації. 
Розмір дисперсії швидкості звуку та рівень коефіцієнта поглинання 
залежать від того, які конкретні ступені свободи активуються під впливом 
звукової хвилі, тоді як частота релаксації, яка дорівнює оберненому значенню 
часу релаксації, пов'язана зі швидкістю передачі енергії між різними ступенями 
свободи. Таким чином, вимірюючи швидкість звуку та поглинання залежно від 
частоти та встановлюючи час релаксації, можна робити висновки про характер 
молекулярних процесів і про те, який процес є основним у релаксації. Такими 
методами можна спостерігати збудження обертальних і коливальних ступенів 
свободи молекул, процеси зіткнення молекул, а також перебудову молекулярної 
структури в рідинах, процеси зсувної релаксації в дуже в'язких рідинах і 
полімерах, тощо. 
В області молекулярної акустики зазвичай використовується ультразвук для 
досліджень. Це обумовлено як високим рівнем розвитку технологій генерації та 
детекції ультразвуку та великою точністю вимірювань у цьому спектрі частот, так 
і тим фактом, що експерименти на нижніх частотах вимагали б значних обсягів 
 42
вивчуваної речовини, а на вищих частотах зростає поглинання звуку, що робить 
багато акустичних методів недоцільними. 
Однією з ключових переваг ультразвукових хвиль високої частоти 
порівняно зі звуковими є їх можливість концентруватися у вузькі пучки променів 
із невеликим розсіюванням. Це надає можливість цілеспрямованої передачі та 
прийому. Відомо (див. розділ 2.1), що чим більше діаметр передавальної 
п‘єзопластини порівняно з довжиною хвилі, тим краща направленість 
випромінювання. Наприклад, для забезпечення на частоті 1 МГц випромінювання 
у вигляді пучка променів із кутом розсіювання, який не перевищує 10° (0,2 рад), 
достатньо вибрати певний діаметр п‘єзоелементу рівний 20 мм. 
Частоти вживаного ультразвуку в газах знаходиться в діапазоні частот 2.104-
105 Гц, У рідинах та твердих матеріалах — в межах 105-108 Гц. Поглинання звуку, 
перетворення енергії акустичної хвилі в інші форми енергії, зокрема у теплову; 
визначається коефіцієнтом поглинання а, який описується як величина, обернена 
до відстані, на якій амплітуда акустичної хвилі зменшується в е=2,718 разів, і 
представляється у см-1, тобто у децибелах на метр (1 дб/м=1,15·10-3 см-1). 
Поглинання звуку також характеризують через коефіцієнт втрат e = a·l/p, (де l — 
довжина звукової хвилі) або добротність Q = 1/e. Величина a·l відома як 
логарифмічний декремент загасання.. При розповсюдженні звуку в середовищі, 
що має в'язкість і теплопровідність 
2 4  1 1 
a        
3    ,     (2.1) 
2c  3 C Cp 
де  ρ — щільність середовища,  
с — швидкість звуку в середовищі,  
ω — кругова звукова частота хвилі,  
η та ξ — коефіцієнт об'ємної та зсувної в'язкості,  
χ — коефіцієнт теплової провідності,  
Ср і Cυ — теплоємності газу при постійному об'ємі і тиску.  
У випадку, коли з коефіцієнтів η, ξ і χ не залежить від частоти, яка 
виконується на практиці, тоді a ~ ω2. Коли при дії звуку порушується 
 43
рівноважний стан газу, поглинання звуку є значно більшим, ніж визнане значення 
за формулою (2.1). Таке поглинання називається релаксаційним і описується 
формулою: 
2    C2 C 2
1  0    ,    (2.2) 
2C3 1 2 2
0 
де  τ — час релаксації,  
С0 і Сω— швидкості звуку при ωτ << 1 і при ωτ> 1 відповідно.  
В цьому випадку поглинання звуку супроводжується дисперсією звуку. 
Значення a/f2, де f=ω/2π, є параметрами речовини, що визначає поглинання звуку. 
Вона, зазвичай, в газах більша ніж у рідинах, а в рідинах для подовжніх хвиль 
більше, ніж в твердих тілах. 
В якості залежності швидкості поширення ультразвуку від температури 
використовується емпірична формула для повітря при нормальному тиску (101,3 
кПа): С=С0+0,59·t, де С — вихідне значення швидкості; С0 — значення швидкості 
ультразвуку при 0 °С; t — навколишня температура; 0,59 — коефіцієнт швидкості 
звуку в сухому повітрі, м/°С.с. 
Поглинання звуку в основному визначається в'язкістю, а вклад 
теплопровідності малий. У більшості середовищ для абсорбції звуку значними є 
об'ємна в'язкість та релаксаційні процеси. Частота релаксації, тобто параметр ωр = 
1/t, зазвичай є досить високою, і зона релаксації розташовується у сегменті 
високих ультразвукових і гіперзвукових частот. Коефіцієнт абсорбції звуку як 
правило значно змінюється в залежності від температури та присутності домішок. 
Вимір швидкості ультразвуку у більшості випадків зводиться до виміру часу 
пробігу τ акустичного імпульсу в досліджуваному зразку і виміру довжини 
акустичного шляху l. В цьому випадку швидкість поширення ультразвукових 
хвиль : 
с=l / τ        (2.3) 
Звідси l = с ⋅ τ. 
 44
Вимір коефіцієнта загасання ультразвуку в газах може робитися при 
імпульсних ультразвукових коливаннях, а в рідинах і твердих тілах може 
робитися при безперервних і імпульсних УЗ коливаннях. У разі імпульсних 
коливань поглинання УЗ хвилі може здійснюватися як окремим приймачем, так і 
самим випромінювачем після відображення імпульсу від відбивача. Тоді 
коефіцієнт загасання визначається так: 
1 A
  ln 1 ,      (2.4) 
h A2
де  h — товщина об‘єкту; 
А1, А2 — амплітуди приймача і випромінювача. 
Заснована на феноменологічній теорії, модель в'язкоеластичного тіла з 
довільною кількістю релаксаційних максвелівських механізмів може бути 
застосована для пояснення взаємозв'язку між акустичними параметрами 
(поглинання і швидкість ультразвуку) та в'язкоеластичними характеристиками 
(модуль Юнга, ефективна в'язкість). 
Відповідно до цієї моделі вираження для комплексного модуля пружності 
має вигляд [44]: 
n i
E  E   i  E  i  j
0  
j1 1 i j
   (2.5) 
 n E 22   n  
 E  j j
0   i 
j
2  ,
 j1 1  2  2
j   j1 1  2 
j 
де  E0 —статичний або рівноважний модуль, який характеризує пружні 
характеристики середовищ;  
η∞ — нерелаксуюча в'язкість (для випадку нескінченно швидкій 
деформації);  
ηi, τi, Ei — в'язкість, час релаксації і пружні модулі механізмів релаксації;  
ω — частота звукових коливань;  
n — число механізмів релаксації. 
Звідси відомо [44], що вирази для c і α, можуть бути записані у вигляді: 
 45
E 21 2r2  12r 2 1
c   ;   (2.6) 
 2r2
 1 2r2 1
      ,     (2.7) 
E 2 1 2r2
де ωr — має розмірність часу і називається часом запізнювання. 
З урахуванням виразів (2.5), (2.6), (2.7) ми можемо отримати залежності для 
Е і η [44]: 
 2
1 c
E   c2 
2 ,     (2.8) 

1  2
c 
 
2 c
 2
  
2 .    (2.9) 
   2
c 
1   
Розглянемо в'язку складову. 
Ефективна в'язкість є сумою двох складових [44]: 
4
     ,     (2.10) 
3
де η' — зсувна в'язкість, з'єднує швидкість деформації руйнування з 
тангенціальним напруженням [44], обумовлена механізмом в'язкого тертя ланок 
макромолекул. Робить найбільший вплив на акустичну релаксацію при частотах 
нижче 1 МГц [45]; 
η'' — об'ємна в'язкість, має дисипативні сили, які створюються при 
усебічному рівномірному стискуванні або розширенні [44]. Робить найбільший 
вплив на акустичну релаксацію при частотах понад 3 МГц [45]. 
Таким чином, використання залежностей (2.9) і (2.10) дозволяє, знаючи 
акустичні параметри матеріалу, врахувати його в'язку складову. 
Для експериментальної верифікації полученої математичної моделі 
пропонується принципова схема установки для експерименту при визнанні 
параметрів залежності, яка є сукупністю апаратних засобів (генератор, цифрова 
 46
приставка-осцилограф з виведенням даних на комп'ютер і п‘єзокварцові 
перетворювачі: випромінювач і приймач), рис.2.5.  
Електричний імпульс з генератора діє на випромінювач та перший канал 
цифрового осцилографа PCS32 Velleman. Випромінювач перетворить 
електричний імпульс в механічні коливання, які після відбиття від зразка 
перетворяться приймачем в електричні коливання та отримуються іншим каналом 
цифрового осцилографа. Остаточний сигнал осцилографа має амплітуду і частоту 
приймача, які можуть використовуватися для визначення швидкості і відстані 
відповідно до виразу (2.6). 
 
Рисунок 2.5 — Принципова схема експериментальної установки для 
оцінювання властивостей математичної моделі  
 
Створюються умови для розробки відповідного програмного компоненту, 
який забезпечує встановлення параметрів запропонованої математичної моделі та 
дозволяє проводити обчислення статистичних показників моделі, таких як 
відносна помилка, абсолютна помилка та коефіцієнт лінійної кореляції. Криві 
залежності точності визначення відстані від коефіцієнта загасання і швидкості 
ультразвуку, побудовані з використанням розробленої моделі представлені на 
рис.2.6. 
 47
 
Рисунок 2.6 — Залежність точності визначення відстані від коефіцієнта 
загасання і швидкості ультразвуку  
 
Отримані графіки відбивають явну залежність швидкості і коефіцієнта 
загасання ультразвуку, що дозволяє зробити висновок про можливість 
використання запропонованої математичної моделі для високоточного виміру 
відстані акустичними методами. 
В якості математичної моделі безконтактного методу виміру відстані 
акустичним методом вибраний метод контролю коефіцієнта загасання 
ультразвуку. 
Залежності, отримані з використанням розробленої математичної моделі, 
дозволяють зробити висновок про можливість її використання як методу 
акустичного виміру відстані з урахуванням в'язких властивостей середовища 
поширення УЗ.  
 
 
2.3. Модель керування процесом ультразвукового вимірювання країв 
об‘єктів 
 
Останнім часом широко використовується технологія ультразвукової 
далекометрії. При цьому, в основному, вимір відстані відбувається в газових 
середовищах при контакті УЗ з твердими поверхнями. Ультразвуковий вимір 
 48
відстаней до твердих поверхонь є складним фізико-хімічним процесом, який 
представлений комплексною взаємодією газового середовища з ефектами, 
викликаними пружними коливаннями прикладеного акустичного поля. 
При цьому, математичний опис технологічного процесу ультразвукової 
далекометрії поверхонь за допомогою традиційних методів моделювання 
викликає значні труднощі, обумовлені необхідністю аналізу значної кількості 
чинників впливу і великим набором варіантів режимів роботи УЗ відслідковувача, 
а також неможливістю отримання їх аналітичних залежностей. 
Сучасні експертні системи управління технологічними процесами для 
адекватного їх опису побудовані з використанням різних видів нечітких 
математичних моделей, для яких потрібний мінімальний набір закономірностей 
на відміну від традиційного моделювання [44-51]. 
Моделювання технологічних процесів за допомогою системи управління 
Fuzzy logic визначається взаємозв'язком виходять змінних процесу, що входять і 
міра приналежності яких визначається експериментальними даними і знаннями 
експертів, що дозволяє скоротити об'єми обчислень і, як наслідок, формує 
швидкодію технологічної системи [52]. 
У цьому розділі проводиться створення моделі управління технологічним 
процесом ультразвукового визначення відстані до об'єкту за допомогою 
математичного апарату нечіткої логіки. 
Розробка математичної моделі. Розробка моделі припускає наявність і 
використання інформаційних параметрів, відображення особливостей процесу 
ультразвукової далекометрії, а також відсутність протиріч. Складається з операцій 
за визначенням критеріїв впливу і кінцевих результатів, встановлення рівнів 
зв'язків підсистем, можливих варіантів результатів. 
Вхідними змінними вибрані показники технологічного процесу і 
досліджуваної поверхні, а вихідними – УЗ випромінення. При необхідності зміни 
показників в математичну модель можливе введення додаткових змінних. 
 49
Визначення відстаней до твердих поверхонь визначаємо на наступних 
рівнях (вихідні змінні): d1 - точне визначення відстані до поверхні; d2 - висока 
міра визначення відстані; d3 - низький рівень визначення відстані. 
Перераховані рівні d1¸ d3 розглядаємо з урахуванням наступних основних 
параметрів, які вимірюються в лабораторних умовах. 
На наш погляд, необхідно виділити наступні вхідні параметри:  
- щільність поверхонь (1х); 
- інтенсивність ультразвукових коливань (2х); 
- щільність ультразвукової енергії (3х) - кількість енергії в технологічному об'ємі 
середовища; 
- частота коливань (4х) - параметр, який визначає енергетику УЗ поля, а також 
рівень шуму експериментального устаткування. 
Розглянуті виходять змінні, що входять і, в математичній формі можуть 
бути представлені у вигляді: 
{n}  { m} x x,  x,....x d  D d, d,....d  1  2  12 = ® Î =    (2.11) 
де  х - безліч параметрів, які визначають точність визначення відстані;  
D - безліч варіантів ультразвукової далекометрії. 
Використовуючи методологічні принципи нечіткої логіки, змінні, що 
входять, розглянемо лінгвістичні параметри, які оцінимо нечіткими якісними 
термами (табл.2.3). 
 
Таблиця 2.3 - Формалізація параметрів лінгвістичними змінними 
Параметр стану Універсум Терми оцінки 
малі (м), середні (ср), щільні 
х1 - щільність [0…1] у.о. 
(щ) 
х2 - інтенсивність УЗ низька (н), середня (ср), 
[5…20] Вт/м2 
коливань висока (в), дуже висока (дв) 
х3 - показник розподілу низький (н), середній (ср), 
[1/3…3] у.о. 
енергії високий (в) 
низька (н), середня (ср), 
х4 - частота УЗ коливань [22…66] кГц 
висока (в), дуже висока (дв) 
 
 50
Для лінгвістичних змінних x1…4 встановимо ієрархічні зв'язки чинників, 
введемо укрупнені лінгвістичні змінні: 
Q - стан, який залежить від фізико-механічних параметрів поверхні і 
визначає точність визначення відстані {х1}; 
Y - стан, який залежить від параметрів енергетики ультразвукової 
далекометрії {х2, х3, х4}. 
Структура моделі для прогнозування відстані з використанням 
ультразвукових технологій представлена у вигляді дерева логічного висновку 
(рис.2.7), яке відповідає співвідношенням: 
d  fd Q,Y  ,     (2.12) 
Q  fQ x1  ,      (2.13) 
Y  fY x2 ,x3 ,x4  ,     (2.14) 
де d - міра визначення відстані до твердої поверхні, визначається рівнями d1…3. 
Оцінку укрупнених параметрів, представлених в співвідношенні (2.12) 
проводимо з використанням якісних термів (таблиця.2.4). 
 
Таблиця 2.4 - Формалізація укрупнених значень стану лінгвістичних 
змінних 
Укрупнене значення стану Терми для лінгвістичної оцінки 
Q - фізико-механічні властивості 
високі (в), середні (ср), низькі (н) 
поверхні 
Y - енергетика ультразвукової низька (н), середня (ср), висока (в), 
далекометрії дуже висока (дв) 
 
 51
d1
X1 Q
d2
в ср н
d3
f d (Q, Y)
X2
X3 Y
X4 дв в ср н
 
Рисунок 2.7 - Дерево логічного висновку ієрархічних зв'язків чинників  
 
Нечіткі бази знань, які відповідають співвідношенням (2.12)-(2.14) 
представлені в табл.2.5 - табл.2.6. 
 
Таблиця 2.5 - База знань про співвідношення (2.12) 
Q Y D 
в н 
в ср 
в в 
ср в 
ср в d1 
ср дв 
н н 
н ср 
н ср 
н н 
н ср 
н в 
ср ср d2 
ср н 
ср в 
в ср 
 52
в н 
в дв 
н н 
н ср 
н ср 
ср н 
ср ср d3 
ср ср 
в н 
в в 
в ср 
 
Таблиця 2.6 - База знань про співвідношення (2.13) 
х1 Q х1 Q х1 Q 
м в пл ср ср н 
 
Таблиця 2.7 - База знань про співвідношення (2.14) 
х2 х3 х4 Y 
н н н 
н 
ср н ср 
ср ср в 
в ср н ср 
н ср в 
в в в 
ср в ср в 
дв в в 
дв дв в 
дв 
в дв н 
 
Використовуючи табл.2.5-табл. 2.7 можна записати систему нечітких 
логічних рівнянь, що зв'язують функції приналежності зміни відстані до поверхні 
і вхідних змінних: 
 53
í ñ Q ù x  í x 
d1 d   1 2
  
í í í
 Y   x3    x4  
í ñ Q ù  x í
 1    x2 
  

ñð Y  í x3  í  x4  
í ñ Q ù  x  ñð
1 x2      

â Y  ñð  x3  ñð x4  
í ñ Q ù  x1  äâ x2    
â
 Y  â x3  â  x4  
í ñ Q ù  x1  äâ x2    ;
 â
 Y  â x3  äâ x4  
í ñ Q ñð x  í x 
d2 d   1 2
  

í Y  í x3  í x4  
í ñ Q ñð  x1  í  x
 2 
  
ñð
 Y  í x3  í  x4  
í ñ Q ñð  x1  ñð  x2      

â Y  ñð  x3  ñð x4  
í ñ Q ñð  x  äâ
1  x2    
 â
 Y  â x3  â  x4  
í ñ Q ñð  x  äâ  x 
 1 2
  ;

â Y  â x3  äâ x4  
 54
í ñ Q ù  x  í x 
d3 d   1 2
  

í Y  í x3  í  x4  
í ñ Q ù  x  í
1  x2    

ñð Y  í x  í
3  x4  
í ñ Q ù  x ñð
1   x2      
â ñð ñð
 Y    x3    x4  
í ñ Q ù  x1  äâ x2    
â Y  â
 x3  â  x4  
í ñ Q ù  x äâ
1   x2    ;
 â â äâ
 Y   x3   x4  
í ñ Q  ù
 x1  í x2  í x í
3   x4  
 ù
  x1  í  x  í  x ñð
2 3   x4  
 ù ñð
  x1    x  ñð x  ñð
2 3  x4  
 ñð
 x1  ñð x  ñð
2 x ñð
3    x4    
 
ñð x â
1   x  ñð  x  â
2 3 x4  
 â  x  äâ  x  ñð x  äâ
 1 2 3  x4  
 â  x äâ â äâ
 1    x2   x3   x4  ;
í Y   í  x  í  x   ñð
 3 4   x í
3   x4  .  
Математична модель експертної системи управління процесом визначення 
відстані до твердих поверхонь з використанням теорії нечітких великих 
кількостей візуалізована в середовищі Matlab 6.5 у вигляді поверхонь нечіткого 
виводу, рис.2.8. 
 55
 
а. 
 
б. 
 
в. 
Рисунок 2.8 - Приклади графічних залежностей визначення відстані до 
твердої поверхні від укрупнених параметрів стану: а) виду поверхні; б) часу 
визначення відстані; в) енергетики УЗ випромінювання 
 
 56
Таким чином, запропонована модель управління технологічним процесом 
ультразвукового визначення відстані до поверхонь. 
Використання апарату нечіткої логіки в математичній моделі дозволило 
формалізувати причинно-наслідкові зв'язки оцінки якості ультразвукової 
далекометрії до твердих поверхонь від властивостей поверхні і робочих 
параметрів УЗ випромінювання. Отримані результати моделювання дозволяють 
вибрати раціональне співвідношення параметрів технологічного процесу, при 
якому може бути досягнута максимальна точність визначення відстані до твердої 
поверхні. 
 
Висновки до розділу 2 
 
В результаті проведеного моделювання були зроблені наступні висновки: 
1. Розрахунки, проведені з використанням моделі, дозволяють визначати 
параметри УЗ відслідковувача, необхідні для забезпечення фронту УЗ 
випромінювання із заданими характеристиками і можуть бути рекомендовані 
для практичного застосування. При цьому, максимальна розбіжність між 
визначеними теоретично (за допомогою фізико-математичної моделі) і 
експериментально отриманими характеристиками фронту УЗ випромінювання 
не перевищує 15%, що свідчить про прийнятну точність і адекватність 
розробленої моделі формування фронту УЗ випромінювання.  
2. В якості математичної моделі безконтактного методу виміру відстані 
акустичним методом вибраний метод контролю коефіцієнта загасання 
ультразвуку. Залежності, отримані з використанням розробленої математичної 
моделі, дозволяють зробити висновок про можливість її використання як 
високоточного методу акустичного виміру відстані з урахуванням в'язких 
властивостей середовища поширення УЗ.  
3. Запропонована модель управління технологічним процесом ультразвукового 
визначення відстані до поверхонь із залученням апарату нечіткої логіки, що 
дозволило формалізувати причинно-наслідкові зв'язки оцінки якості 
 57
ультразвукової далекометрії до твердих поверхонь від властивостей поверхні і 
робочих параметрів УЗ випромінювання.  
4. Отримані результати моделювання дозволяють вибрати раціональне 
співвідношення параметрів технологічного процесу, при якому може бути 
досягнута максимальна точність визначення відстані до твердої поверхні 
 58
РОЗДІЛ 3 
РОЗРОБКА ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ТА ПРОГРАМИ  
КЕРУВАННЯ УЛЬТРАЗВУКОВИМ ВІДСЛІДКОВУВАЧЕМ 
 
3.1. Структурна схема ультразвукового відслідковувала 
 
Структура проектованого відслідковувача наведена на рис.3.1. 
1 
 3 5 
 
2 
4 6 
7 
8 
 
Рисунок 3.1 - Структурна схема ультразвукового одноканального 
відслідковувача: 
1 - контролер шини CAN; 2 - мікроконтролер управління; 3 - 16-бітний 
лічильник; 4 - формувач пачки імпульсів; 5 - ультразвуковий приймач; 6 - 
ультразвуковий випромінювач; 7 - дільник частоти; 8 - опорний кварцовий 
генератор 
 
Систему ультразвукового відслідковування можна розділити на дві частини: 
а) сенсорний вузол - виконує цикл виміру дальності і передає цю інформацію по 
каналу зв'язку за запитом вузла б); 
б) приймальний вузол - посилає запит і отримує інформацію від вузла а). 
 59
Вузли з'єднуються між собою за допомогою послідовної шини CAN. У 
рамках структури відслідковувача, роль вузла б) виконує контролер-«майстер». 
Сенсорний вузол є різновидом класичного імпульсного локатора. 
Мікроконтролер з інтервалом в 100 мс формує запускаючий імпульс, який 
запускає формувач пачки імпульсів і одночасно запускає на рахунок 16-бітовий 
лічильник часу. Формувач пачки імпульсів виробляє пачку імпульсів частотою 40 
кГц і тривалістю 40 мкс. 
Ультразвуковий сигнал, що випромінює, відбивається від об'єкту і 
повертається назад. Фронт першого прийнятого імпульсу зупиняє лічильник часу, 
а також формує сигнал закінчення циклу виміру. При надходженні цього сигналу 
мікроконтролер прочитує значення, що накопичилося в лічильнику. Дільник 
частоти формує сигнали необхідних частот для схеми. Максимальна відстань 
обмежується, в основному, потужністю випромінювача. У схемі немає 
спеціального сигналу для випадку, коли сигнал не досягне приймача. При цьому, 
коли лічильник відлічить 216 імпульсів, він зупиняється, і формується сигнал 
закінчення рахунку.  
У низькочастотному УЗ діапазоні застосовуються електродинамічні 
випромінювачі і випромінюючі магнітострикційні перетворювачі та 
п'єзоелектричні перетворювачі. Найбільш широке поширення отримали 
випромінювачі магнітострикційного та п'єзоелектричного типів. 
Принцип п'єзоелектричного ефекту використовується при виготовленні 
випромінювачів УЗ коливань, які перетворять Перетворення електричних 
коливань у механічні відбувається за допомогою п'єзоелектричних матеріалів, 
серед яких використовують кварц, титанат барію, фосфат амонію. 
Ефективність п'єзоелектричних перетворювачів може досягати 90%, а 
потужність випромінювання - кілька десятків ватт на квадратний сантиметр. Для 
підвищення потужності та амплітуди коливань використовують ультразвукові 
концентратори. В області середніх ультразвукових частот концентратор служить 
фокусуючим пристроєм, часто у формі увігнутого п'єзоелектричного 
перетворювача, що випромінює конвергентну хвилю. У фокусі таких 
 60
концентраторів досягається інтенсивність 105 - 106 Вт/см2. 
Як приймачі ультразвуку на низьких та середніх частотах найчастіше 
використовують електроакустичні п'єзоелектричні перетворювачі. Вони 
дозволяють відтворити форму акустичного сигналу, а саме його часову залежність 
від звукового тиску. Залежно від конкретних умов застосування приймачі роблять 
резонансними або широкосмуговими. Для визначення середніх за часом 
характеристик акустичного поля використовують теплові приймачі звуку у 
вигляді термопар або термісторів з покриттям звукопоглинальної речовини. 
Інтенсивність та звуковий тиск також можна визначати за допомогою оптичних 
методів, зокрема за дифракцією світла на ультразвуці. 
 
3.2. Розробка принципової схеми відслідковувача з описом роботи її 
окремих блоків  
 
Принципова електрична схема проектованого пристрою представлена в 
додатку А. Представлену схему можна розбити на 5 функціональних блоків: блок 
живлення; блок передавача; блок приймача; блок індикації; вузол цифрового 
управління. 
Розглянемо принцип роботи кожного з них. Блок живлення представлений 
на рисунку 3.2. 
 
Рисунок 3.2 – Принципова електрична схема блоку живлення 
відслідковувача 
 
При включенні вимикача мережі S1 на первинну обмотку трансформатора 
TV1 поступає змінна напруга величиною в 220 В. З вторинної обмотки 
 61
трансформатора знімається знижена до 7,5 В змінна напруга. Після дії через 
діодний міст V1-V4 ми отримуємо випрямлену, незгладжену напругу величиною 
біля 7 В, оскільки існує деяке невелике падіння напруги на діодах. Коливання 
вирівняної напруги зменшуються за допомогою електролітичного конденсатора 
С2, а керамічний конденсатор С1 використовується для фільтрації 
високочастотних перешкод із мережі. Далі напруга стабілізується інтегрованим 
стабілізатором напруги DA1 і фільтрується від високо- та низькочастотних 
перешкод через конденсатори С3 і С4. Діодний міст V1-V4 складено на основі 
кремнієвих низькочастотних діодів із номінальною напругою до 100 В та струмом 
не більше 10 А. Інтегрований стабілізатор напруги DA1 (КР142ЕН5В) має такі 
характеристики: Uвих = 5 В - вихідна напруга; Iмакс=1,5 А - максимальний струм 
навантаження; Pмакс=10 Вт - максимальна потужність; включення - плюсове - 
тип підключення. Ця схема блоку живлення є типовою. 
Блок передавача представлений на рис.3.3. 
 
Рисунок 3.3 - Принципова електрична схема блоку передавача 
 
Представлена схема виконана як підсилювач із спільним емітером, який 
функціонує у режимі ключа. Струм, що проходить через виводи мікроконтролера 
DD2, не має перевищувати допустиму межу у 20 мА за напруги 5 В. Відповідно 
до закону Ома: R=U/I або R=5/0,020=250 Ом. Опір R14 було обрано на рівні 300 
 62
Ом для підвищення стабільності роботи схеми. Резистор R15 використовується 
для забезпечення роботи транзистора Т5 у режимі постійного струму, а саме для 
заряджання паразитної ємності транзистора. Його номінал узятий з типової схеми 
підключення. В якості випромінювача Qz2 використаний п‘єзокерамічний 
ультразвуковий перетворювач МУП-3 [53], (оскільки він має досить високу 
ефективність) основні характеристики якого представлені в таблиці 3.1.  
 
Таблиця 3.1 – Характеристики п‘єзокерамічного ультразвукового 
перетворювача МУП-3 
Найменування параметра, одиниця вимірювання Значення 
Частота передачі, максимальна, кГц 37…45 
Звуковий тиск на відстані 0,3 м при  
100 
Uвх=5 В на частоті випромінювання, максимальна, дБ 
Чутливість на частоті прийому, максимальна, мВ/Па 20 
Ширина смуги випромінювання на частоті 0,5, кГц 1,8 
Ширина смуги прийому на частоті 0,5, кГц 1,0 
Діаграма спрямованості, Град  
По рівню 0,7 макс. 44 
По рівню 0,5 макс. 74 
Ємність по частоті 1 кГц, пФ 1300 
Вхідний імпеданс на частоті випромінення, кОм 0,5 
Гранично допустима напруга сигналу на вході, В 12 
 
Біполярні транзистори типу n-p-n КТ972 використовувані в схемі мають 
наступні параметри: 
- Uкбоі=60 В - максимально допустима імпульсна напруга колектор-база; 
- Uкеоі=60 В - максимально допустима імпульсна напруга колектор-емітер; 
- Iкmaxі=4000 мА - максимально допустимий імпульсний струм колектора; 
- Pкmaxт=8 Вт - максимально допустима постійна розсіювана потужність колектора 
з тепловідводом; 
 63
- h21е≥750 - коефіцієнт статичної передачі струму біполярного транзистора із 
загальним емітером; 
- Iкбо≤1000 мкА - струм колектора (зворотний); 
- fгр≥200 МГц - гранична частота коефіцієнта передачі струму загальним емітером; 
- Uкен<1,5 В - напруга насичення колектор-емітер.  
 Блок приймача зображений на рис.3.4. 
 
Рисунок 3.4 – Принципова електрична схема блоку приймача 
 
Блок приймача виконаний за схемою підсилювача із загальним емітером. 
Максимальний коефіцієнт посилення для підсилювача виконаного за схемою із 
загальним емітером розраховується із Співвідношення опорів резисторів R19 і 
R22 становить 10000 до 10, що дорівнює 1000. Резистори R16 і R18 
використовуються для стабілізації точки роботи транзистора. Відношення їхніх 
номіналів впливає на розташування робочої точки транзистора Т6. Резистор R13 
забезпечує підключення виходу приймача до маси, коли відсутній сигнал від 
підсилювача. Резистор R17 використовується для встановлення режиму 
чутливості ультразвукового детектора Qz3. Конденсатори С7 і С8 виконують 
фільтрацію статичної складової. В якості випромінювача Qz3 використаний 
п‘єзокерамічний ультразвуковий перетворювач МУП-4, (оскільки він має досить 
високу чутливість) основні характеристики якого представлені в таблиці 3.2.  
 
 64
Таблиця 3.2 - Характеристики п‘єзокерамічного ультразвукового 
перетворювача МУП-4 [53] 
Найменування параметра, одиниця виміру Значення 
Частота максимальної передачі, кГц 37…45 
Звуковий тиск на відстані 0,3 м при Uвх=5 В на частоті 
96 
випромінювання, максимум, дБ 
Чутливість на частоті прийому, максимум, мВ/Па 30 
Ширина смуги випромінювання на частоті 0,5, кГц 0,5 
Ширина смуги прийому на частоті 0,5, кГц 0,5 
Діаграма спрямованості, Град  
По рівню 0,7 макс. 45 
По рівню 0,5 макс. 70 
Ємність на частоті 1 кГц, пФ 2500 
Вхідний імпеданс на частоті випромінювання, максимум, кОм 0,2 
Допустиме допустиме значення сигналу напруги на вході, В 12 
 
Блок індикації представлений на рис.3.5. 
 
Рисунок 3.5 – Принципова електрична схема блоку індикації 
 
DD1 - дешифратор семисегментного індикатора. Він перетворює вхідний 
бінарний код у символи семисегментного дисплея. Резистор R20 забезпечує 
 65
підняття рівня входу 3 дозволу роботи декодера до напруги +5 В. Резистори R5 - 
R11 встановлені для регулювання струму крізь сегменти індикаторів. Резистори 
R1 - R4 використовуються для регулювання струму через бази транзисторів Т1-Т4 
і служать для захисту виходів мікроконтролера. Транзистори Т1-Т3 призначені 
для перемикання живлення, що подається на дисплеї. Транзистор Т4 перемикає 
включення точки на дисплеях. Світлодіодні дисплеї використовуються для 
демонстрації інформації. На вході живлення дисплея присутня напруга близько 
4,5 В, що досягається завдяки тому, що транзистори Т1-Т3 підключені за схемою 
емітерного повторювача. На переході база-емітер відбувається невелике, близько 
0,5 В, падіння напруги, тобто 5-0,5=4,5 В (напруга на вході живлення дисплея). 
Струм крізь виводи мікроконтролера не повинен перевищувати максимально 
дозволений струм 20 мА за напруги 5 В. Таким чином, за законом Ома 
отримуємо: R=U/I або R=5/0,020=250 Ом. Для R1-4 було вибрано опір 300 Ом для 
більш стабільної роботи схеми. Згідно з даними на індикатори, вони мають мати 
вхідну напругу не більше 2,5 В за струму 20 мА. Оскільки на вході живлення 
дисплея маємо 4,5 В - потрібно її знизити. Зайві 2 В гасять за допомогою 
резисторів R5-R11. Їх опір: 2В/0,020А=100 Ом. Для HL1...HL3 обрані цифрові 
індикатори червоного світла КЛЦ202В (арсенід галію-алюмінію) у пластиковому 
корпусі, складаються з дискретних елементів, виготовлені по епітаксіально-
дифузійній технологій. Індикатор має 7 сегментів і децімальну точку, 
випромінюючі при поданні прямого струму. Різні комбінації елементів, що 
забезпечуються зовнішньою комутацією, мають відтворити певну цифру від 0 до 
9 і децімальну точку. Висота знаку 20 мм. Параметри індикаторів та їх 
принципова схема представлені нижче. Біполярні транзистори типу n-p-n КТ3102 
використовувані в схемі мають наступні параметри: 
- Uкбоі=50 В - максимально допустима імпульсна напруга колектор-база; 
- Uкеоі=50 В - максимально допустима імпульсна напруга колектор-емітер; 
- Iкmaxі=200 мА - максимально допустимий імпульсний струм колектора; 
- Pкmaxт=0,25 Вт - максимально допустима постійна розсіювана потужність 
колектора з тепловідводом; 
 66
- h21е≥200 - статичний коефіцієнт струму передачі біполярного транзистора в 
структурі із загальним емітером; 
- Iкбо≤0,05 мкА – колектор зі зворотним струмом; 
- fгр≥150 МГц - крайня частота коефіцієнта передачі струму в структурі із 
загальним емітером. 
 Блок цифрового управління представлений на рис.3.6. 
 
Рисунок 3.6 - Принципова електрична схема блоку цифрового управління 
 
Блок цифрового управління є однокристальним мікроконтролером 
PIC16C84 [54], що Здійснено підключення відповідно до технічних рекомендацій 
 67
виробника. Між вхідними контактами живлення мікроконтролера 14 і 5 
розміщений керамічний конденсатор С9, який знижує коливання напруги, 
спричинені функціонуванням схеми. До входів OSC1 та OSC2 мікроконтролера 
під’єднано керамічний резонатор QZ1, за яким встановлено конденсатори С5 і С6, 
необхідні для забезпечення коректної роботи відповідно до вказівок виробника. 
Вхід 1 мікроконтролера притягнуто до маси через резистор R12 із номіналом 1 
кОм, що є стандартним захистом від перешкод, коли кнопка S2 відкрита. Ланцюг 
із резистора R21 та конденсатора С10 є звичайною схемою під’єднання входу 
MCLR мікроконтролера (скидання пам'яті при включенні живлення), 
забезпечуючи потрібну затримку для стабільного запуску мікроконтролера. 
Керамічний резонатор QZ1 на 4.0 МГц має такі характеристики: 
- частота резонансу, кГц: 4000; 
- точність налаштування (при 25 °С), %: 0,3; 
- температурний коефіцієнт (у діапазоні -20…+80С), %: 0,3; 
- максимальний резонансний опір, Ом: 30; 
- конденсатор вбудований, пФ: 30; 
- температура робоча, °С: - 20…+80. 
 
3.3. Розробка та принцип роботи програми керування ультразвуковим 
відслідковувачем 
 
Для зручності програма, наведена в додатку Б, розбита на окремі частини, 
які взаємодіють між собою згідно з приведеної нижче узагальненої блок схеми 
програми. 
 68
початок 
список директив 
файл 
слово CPU 
Опис змінних 
виконавча 
програма 
 
основна  
програма 
підпрограма 
ініціалізації 
підпрограма підпрограма підпрограма 
індикації передачі прийому 
підпрограма підпрограма підпрограма 
натиску кнопки очикування обчислення 
 
Рисунок 3.7 - Узагальнена блок-схема 
 
Детальніше розглянемо наведену на рис.3.7 узагальнену блок схему. 
Список директив, файл, слово CPU. За допомогою команди list ми вказуємо 
асемблеру модель процесора. Під’єднуємо потрібний файл опису. Далі слідує 
конфігураційне слово CPU, яке при програмуванні мікроконтролера 
розташовуватиметься за адресою поза межами пам'яті програм, призначеної для 
користувача. Конфігураційне слово CPU складається із 14 бітів. Біти 13-8 CP 
 69
служать для захисту програмного коду (0=захист встановлений, 1=захист 
відключений). Обираємо 0. Біт 7 DP - захист пам'яті даних EEPROM (0=захист 
встановлений, 1=захист відключений). Обираємо 0. Біти 6-4 CP - захист 
програмного коду (1=захист відключений, 0=захист встановлений). Обираємо 0. 
Біт 3 PWRTE - активація затримки під час увімкнення живлення (1=затримка 
вимкнена, 0=затримка активована). Обираємо 0. Біт 2 WDTE - активація 
сторожового таймера (1=сторожовий таймер активний, 0=сторожовий таймер 
деактивований). Обираємо 0. Біти 1-0 FOSC1 - FOSC0 - вибір режиму роботи 
тактового генератора (11=RC - генератор, 10=HS - резонатор, 01=XT - резонатор, 
00=LP - резонатор). Обираємо 01, оскільки застосовуємо стандартний керамічний 
резонатор на 4 МГц. 
Оголошення змінних. У цій частині вказується, в яких комірках оперативної 
пам'яті (регістрах узагальненого призначення) будуть розміщені дані наших 
змінних. 
Виконавча частина програми. Вказуємо адресу початку програми, вектор 
перезавантаження процесора. Обнуляємо дані в виходах обох портів. Обнуляємо 
дані таймера. Після цього, встановивши в 1 біт RP0 регістра STATUS, отримуємо 
доступ до першого банку регістрів. Тепер, звертаючись до регістрів PORTA та 
PORTB, ми працюємо не з виходами портів., а до регістрів стану цих портів, і 
налаштовуємо частину ліній на введення, а частина ліній на вивід, що відповідає 
схемі приведеній в додатку, А. Використовуючи біт 7 RBPU регістра 
OPTION_REG включаємо вбудоване Зменшуємо навантаження порту B, для 
цього встановлюємо біт у положення 0. Використовуючи біт 5 T0CS, обираємо 
джерело годинника для таймера TMR0. Для застосування внутрішнього 
годинника CLKOUT, цей біт встановлюємо у положення 0. Наприкінці, 
встановивши біт RP0 регістра STATUS у положення 0, доступ до регістрів 0. 
Головна програма main. У цій частині використовуються лише два команди 
переходу: команда виклику підпрограми call і команда безумовного переходу 
goto. Для наочності подамо блок-схему основної програми main, де включені 
умови та послідовність взаємодії підпрограм, що розглядаються далі.  
 70
Блок-схема наведена на рис.3.8. 
початок 
підпрограма 
ініціалізації 
підпрограма 
індикації 
підпрограма 
натиску кнопки 
підпрограма так кнопка ні 
передачі натиснена 
підпрограма перепов- так 
очикування нення 
ні 
ні так підпрограма 
сигнал є прийому 
ні 
сигнал є 
так 
підпрограма 
обчислення 
 
Рисунок 3.8 - Блок-схема основної програми main 
 
 71
Підпрограма ініціалізації initialization.  
Тут ми задаємо нульові значення використовуваним змінним і призначаємо 
їм необхідні параметри. Кількість імпульсів NUMIMP у сигналі визначаємо як 5. 
Підпрограма індикації indication. У початковій частині підпрограми 
indication ми налаштовуємо «біти точки та живлення» дисплеїв відповідно до 
електричної схеми.У змінній DIGIT1 зберігатиметься значення дециметрів від 0 
до 9 оскільки використовувані в схемі індикатори є семисегментними з 
додатковим виводом для десяткового роздільника - значення, в змінній DIGIT2 - 
параметри метрів, в змінній DIGIT3 - значення степені відповідно. Таким чином 
згідно зі схемою для показу цифр на дисплеях через декодер використовуються 
лише чотири лінії порту B: RB0, RB1, RB2, RB3 для передачі бітів 0, 1, 2 та 3 
відповідно. Розраховані значення для відображення будуть зберігатися у змінних 
DIGIT1.3 по бітах, для цього задіяні перші чотири біти кожної змінної. Лінії RB4, 
RB5 та RB6 порту B використовуються для послідовного подання живлення на 
дисплеї. Лінія RB4 призначена для індикатора степенів (відображення значення 
DIGIT3), RB5 - для індикатора метрів (відображення значення DIGIT2), RB6 - для 
індикатора міліметрів (відображення значення DIGIT1). Використовуються такі 
біти змінних: біт 6 для DIGIT1, біт 5 для DIGIT2 і біт 4 для DIGIT3, згідно з 
схемою. Лінія RB7 порту B використовується для управління десятковою точкою 
на індикаторі метрів (змінна DIGIT2). Таким чином, весь порт B задіяний, і ми 
можемо, попередньо встановивши біти в змінних, послідовно передавати їх на 
порт B, чергово підключаючи дисплеї. Для наочності нижче подано схематичний 
рисунок 3.9. 
Далі виводимо значення DIGIT1 на порт В. Організовуємо Здійснюємо 
відстрочку показу на дисплеї через таймер TMR0 тривалістю 256 мікросекунд. 
Після цього проводимо аналогічну процедуру для DIGIT2 і DIGIT3, 
відображаючи їхні значення на дисплеях. 
 
 72
DIGIT1 
значення 
0 1 0 0 x x x x 
7 6 5 4 3 2 1 0 біти 
DIGIT2 
значення 
1 0 1 0 x x x x 
7 6 5 4 3 2 1 0 біти 
DIGIT3 
значення 
0 0 0 1 x x x x 
7 6 5 4 3 2 1 0 біти 
PORT B 
на дешифратор 
лінії 
3 2 1 0 
Дешифратор 
8 4 2 1 вхід 
4 2 1 5 вивід  
Рисунок 3.9 – Схема індикації 
 
Підпрограма натиснення кнопки pressing. При здійсненні цієї підпрограми 
відбувається перевірка присутності сигналу (+5 В) на порту A лінії RA2. Якщо на 
лінію поступає напруга (кнопка натиснута) - виконується команда переходу в 
 73
RB7 
RB6 
RB5 
RB4 
RB3 
RB2 
RB1 
RB0 
основну програму на відповідну мітку (main2). Інакше (кнопка не натиснута) 
переходимо до іншої частини головної програми (main2). 
Підпрограма передачі transfer. Вона генерує 5 імпульсів з частотою 40 кГц 
на лінію RA0 порту А мікроконтролера. Враховуючи, що переддільник для 
таймера-лічильника TMR0 не використовується та в схемі застосовується 
керамічний резонатор на 4 МГц, тактова частота мікроконтролера становить 1 
МГц, тобто кожна команда виконується за 1 мкс. Отже, тривалість одного 
імпульсу з частотою 40 кГц складає 1/40000=25 мкс. Отже, ми маємо сформувати 
один імпульс протягом 25 мкс. Блок-схема цієї підпрограми наведена нижче, 
рис.3.10.  
початок 
формуємо сигнал 
заданної тривалості 
формуємо затримку 
заданної тривалості 
 
рахуємо кількість 
імпульсів 
імпуль- ні 
сів 5? 
так 
кінець 
 
Рисунок 3.10 - Блок-схема підпрограми transfer 
 
 74
Значення для таймера підібрані так, щоб створити імпульс на лінії часом 
близько 25 мкс. У кінці підпрограми встановлюється нове значення для змінної 
NUMIMP, оскільки воно знадобиться для роботи іншої підпрограми. 
Підпрограма очікування waiting. У початковій частині підпрограми 
робиться Незначна пауза перед початком відрахунку часу очікування необхідна 
для гасіння перешкод, що виникли через випромінювання сигналу у попередній 
підпрограмі. Далі активується таймер на 100 мкс, оскільки ми будемо вимірювати 
інтервали часу кратні 100 мкс. Блок-схема цієї підпрограми зображена на 
рис.3.11. 
Таким чином, максимальний час очікування складатиме 100100100=1000000 
мкс, що складає 1 с. Приймаючи швидкість поширення звуку рівною 331,4 м/с - це 
більш ніж достатньо. 
Підпрограма прийому reception. Блок-схема цієї підпрограми представлена 
на рис.3.12. Оскільки перехід в підпрограму здійснюється Якщо існує сигнал на 
лінії RA1 порту А мікроконтролера, спершу дочікуємося його завершення. 
Наступним кроком є перевірка відсутності сигналу протягом певного періоду 
часу, якщо сигнал знову з'явиться до закінчення цього інтервалу, робимо 
висновок про невідповідність сигналу та виходимо з підпрограми, продовжуючи 
очікування коректного сигналу в підпрограмі waiting. Далі йде перевірка 
наявності сигналу протягом визначеного часу, якщо сигнал зникне до закінчення 
цього періоду, знову робимо висновок про невідповідність сигналу та виходимо з 
підпрограми, продовжуючи очікування в підпрограмі waiting. Якщо протягом 
певного часу сигналу не було, а потім він з'явився і тривав певний час, робимо 
висновок про успішний прийом одного імпульсу нашого сигналу, зменшуємо 
лічильник прийнятих імпульсів на одиницю і повертаємося до мітки recp6 даної 
підпрограми, щоб повторити процедуру прийому імпульсу. Процес прийому 
імпульсів триває до того моменту, поки лічильник імпульсів NUMIMP не 
зменшиться до нуля, вважаючи, що прийнято три імпульси нашого сигналу. Після 
цього переходимо до підпрограми calculation. Робота підпрограми зрозуміліша з 
приведеної нижче блок-схеми. 
 75
початок 
необхідна 
затримка 
запуск 
таймера 
сигнал так
є? к 
ні 
ні  
таймер так 
TIMER1-1 
дорахов 
≠0  
TIMER1 
=0 
≠0  TIMER1=100 
TIMER2 
TIMER2-1 
=0 
 
на indication DIGIT1…3=9 на reception 
 
Рисунок 3.11 - Блок-схема підпрограми waiting 
 
Підпрограма обчислення calculation. Блок-схема цієї підпрограми 
представлена на рис.3.13. Пояснимо деякі моменти. Приймаючи швидкість звуку 
рівною 331,4 м/с, тоді 331,4*1000/1000000 мм/мс або 0,3314 мм/мс. Оскільки 
точність вимірів може складати 10 нм, а виміряний нами час складає подвійну 
величину, тоді логічно вважати підрахунок часом за який ультразвук проходить 
мінімально 20 нм. тобто 2000000/0,3314=6035=(6000+35) мкс. 
 76
початок 
сигнал є? так 
ні 
запускаємо 
таймер 
так таймер ні 
дорахува
так 
 
таймер так запускаємо сигналу 
дорахува  таймер немає? 
ні ні 
так таймер ні 
 дорахува
так 
таймер так сигналу 
дорахува немає? 
ні  ні 
NUMIMP-1 
NUMIMP ні 
=0 
так 
на waiting на waiting 
 
Рисунок 1.12 - Блок-схема підпрограми reception 
 
Кожні 6000 мкс у нас накопичується погрішність в 35 мкс. 
57*35=1995≈2000. Тобто кожен проміжок часу 57*6000 мкс у нас виникає 
погрішність в 2000 мкс. Хоча така погрішність і складає 1/3 від заданої точності 
усе одно її враховуватимемо. Принцип роботи підпрограми ясний з блок-схеми. 
 77
початок 
обчислюємо початкові  
TIMER1…2 значення TIMER1-6 
 
 ні TIMER1
DIGIT1+1 <0 
так 
 ні TIMER1+6 
LAPSE-1 DIGIT1 TIMER1+100 
=10 TIMER2-1 
так 
ні 
LAPSE DIGIT1-1 ні TIMER2
=0 DIGIT2+1 <0 
так так 
LAPSE=57 ні DIGIT2 
TIMER1+2 =10 
так 
DIGIT2-1 
DIGIT3+1 
ні DIGIT3 
=10 
так 
 
DIGIT3-1 
кінець 
 
Рисунок 3.13 - Блок-схема підпрограми calculation 
 78
Висновки до розділу 3 
 
В результаті проведених розробок, в даному розділі спроектований 
ультразвуковий відслідковувач, що був реалізований на однокристальному 
мікроконтролері PIC16C84, який призначений для побудови автоматизованих 
систем низького і середнього ступеня складності, п‘єзоелектричному 
випромінювачі МУП-3 та п‘єзоелектричному ультразвуковому приймачі МУП-4, 
що повністю задовольняє поставленому завданню розробки високоточного УЗ 
відслідковувача. 
Розроблене програмне забезпечення для УЗ відслідковувача дозволяє з 
високою точністю (крок вимірювання може сягати 10 нм), більшим діапазоном 
вимірювання (20.10-9 – 999 м), надійністю (надійність на перешкодозавадження 
перевищує 98,9%), та швидкодією (час вимірювання та обробки результатів 
вимірювання відстані з подальшим виведенням на екран не перевищує 0,5 с). 
Можливе удосконалення даного пристрою, наприклад, за рахунок його 
підключення до промислового комп'ютера або об'єднання декількох систем в 
інформаційну мережу. 
 
 79
РОЗДІЛ 4 
ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ  
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВІДСЛІДКОВУВАЧА 
 
Технологічний процес − це головна частина виробничого процесу, під час 
якого із матеріалів і напівфабрикатів отримують готові вироби. Створення 
технологічних процедур здійснюється для фабрикації продукції, конструкції якої 
оптимізовані під кутом технологічності. Підготовка до розробки включає 
класифікацію продукції згідно з конструктивними та технологічними 
характеристиками, враховуючи організацію самого виробничого процесу. 
Основним моментом виробництва будь-яких пристроїв є процес складання, 
що представляє собою завершальну стадію виготовлення продукції. 
Під складанням продукту розуміється процедури з’єднання окремих 
компонентів у певному порядку в складові блоки та повні пристрої. Порядок 
складання або послідовність з’єднання елементів встановлюється з урахуванням 
технічних вимог та економічної обґрунтованості процесу. 
Створення технологічного процесу в приладобудівництві включає 
вирішення широкого спектру пов’язаних між собою завдань, визначення порядку 
та змісту технологічних операцій, вибір нових методів технологічного 
обладнання, нормування процесу, а також проведення низки інших робіт. 
Розподіл технологічного процесу на окремі операції та способи їх 
виконання проводиться на основі всебічного аналізу робочих креслень, 
враховуючи особливості серій, використовуваних матеріалів та інше. 
Встановлюючи послідовність операцій намагаються, щоб операції, при виконанні 
яких найчастіше виникає брак, виконувались на початку процесу. Крім того, 
кожна попередня операція повинна сприяти виконанню наступної. 
 
 80
4.1. Типові конструкції ультразвукових відслідковувачів 
Промисловість випускає широкий асортимент ультразвукових 
відслідковувачів. І хоча всі вони відрізняються за своїм призначенням і 
функціональними можливостями, технології їх виготовлення мають спільні риси. 
Зовнішній вигляд робочого модуля спроектованого відслідковувача 
наведена на рис. 4.1. 
 
Рисунок 4.1 – Зовнішній вигляд робочого модуля ультразвукового 
відслідковувача: 1 – охолоджувальний радіатор; 2 - п‘єзовипромінювач;  
3 – ультразвуковий приймач. 
 
В деяких випадках конструкція та елементи конструкції можуть виконувати 
подвійну функцію, наприклад корпус може бути не тільки несучою конструкцією, 
але й виконувати функцію радіатора. Також в схему живлення приладу може бути 
включена блок управління, що задає режим роботи УЗ відслідковувачів.  
 
4.2. Аналіз типових технологічних процесів складання 
Технологічний процес складання ультразвукового відслідковувала. 
Відповідно до типової конструкції відслідковувала розглянуто типовий 
 81
технологічний процес складання пристрою, що складається з 5-ти типових 
операція, та 8-ми переходів. 
005 Комплектувальна. 
1. Комплектувати відповідно до специфікації деталі. 
010 Підготовча. 
1. Розконсервувати деталі. 
015 Загальне складання. 
1. Встановити радіатор у корпус пристрою; 
2. Встановити п‘єзовипромінювач на радіатор; 
3. Встановити блок живлення; 
4. встановити блок управління; 
5. Встановити УЗ приймач;  
020 Загальний контроль.  
1. Контролювати правильність складання виробу. 
025 Упаковка. 
Схема структурного складу. Схема компонування приладу визначає 
комплектацію елементів приладу. Вона показує рівень поділу на модулі, тип 
взаємозв'язків між окремими компонентами та блоками. Цю схему застосовують 
для планування технологічного процесу складання, а також використовують 
виробничі диспетчерські служби підприємства, демонструючи в ній потрібний 
порядок забезпечення комплектуючими для складання та розробки графіку 
поставок для усіх підрозділів підприємства та співпрацюючих організацій. 
УЗ відслідковувач складається з корпусу, радіатора, п‘єзовипромінювача, 
УЗ приймача та двох складальних одиниць: блока управлення та блока живлення. 
Технологічна схема складання. Технологічна схема монтажу приладу 
включає не тільки комплектаційну принадлежність, але й порядок монтажу. Вона 
охоплює окремі лінії вузлових монтажів та загального зібрання приладу. Кожна 
лінія розпочинається з основної деталі або з основного вузла, якими є складні 
деталі або монтажні блоки нижчого рівня збірки. 
 82
Базовою деталлю на початковому етапі складання даного виробу є корпус. 
В корпус встановлюється радіатор, на який встановлюється  п‘єзовипромінювач, 
встановлюється блок живлення та блок керування.  
Процес складання приладу завершується вихідним контролем, який 
проводить контролер. 
Даний технологічний процес можна застосовувати для складання УЗ 
пристроїв.  
Як показав аналіз типового технологічного процесу найбільша ймовірність 
виникнення браку на підготовчому етапі. Це пов’язано з відсутністю вхідного 
контролю параметрів п‘єзовипромінювача та УЗ приймача.  
Для визначення шляхів удосконалення технологічного процесу, що 
забезпечить підвищення якості УЗ відслідковувачів, розглянемо на яких етапах 
технологічного процесу необхідно контролювати відповідність складових частин 
виробу до визначених конструкцією вимог: 
 
4.3. Удосконалення технологічного процесу 
Для удосконалення технологічного процесу, з метою підвищення якості УЗ 
відслідковувачів, визначимо на яких етапах технологічного процесу висока 
вірогідність виникнення браку. 
Розглянемо конструкцію УЗ відслідковувача (рис.4.1): 
1. Складальні одиниці: блок управління та блок живлення проходять 
операцію контролю після відповідної операції складання складальної одиниці 
[55]. Внаслідок чого всі придатні блоки відповідають необхідним електричним 
параметрам. 
2. Деталі: корпус та радіатор проходять вихідний контроль під час 
виготовлення. Проте якість їх виготовлення не впливає на техніко-експлуатаційні 
характеристики виробу. 
3. УЗ приймач також проходить контроль підчас виготовлення. У разі 
визнання його придатним він надходить на операції складання виробу. 
 83
4. П‘єзовипромінювач представляє собою складну гетероструктуру 
закріплену на спеціальній основі. Його виробництво вимагає розробки складних 
технологій та використання вузькоспеціалізованого обладнання [56]. Через це 
організація виробництва п‘єзовипромінювача вимагає значних затрат. Тому 
доцільно використовувати стандартні, покупні комплектуючі. Всі 
п‘єзовипромінювачі після етапу виробництва проходять технічний контроль, 
проте розбіжність технічних характеристик які зазначає виробник [57] досить 
велика, що негативно впливає на характеристики спектру УЗ коливань. 
Проаналізувавши етапи технологічного процесу можна зробити висновок, 
що на якість кінцевого виробу найбільше впливає якість п‘єзовипромінювача. 
Проте вона не контролюється на жодному з етапів кінцевого виробництва УЗ 
відслідковувачу. 
Виходячи з цього необхідно контролювати технічні характеристики 
п‘єзовипромінювача до складання виробу, з метою забезпечення характеристик 
спектру випромінювання УЗ коливання. 
Одним із способів корекції характеристик спектру випромінювання УЗ 
виробу є зміна частоти УЗ випромінювання п‘єзокерамічних випромінювачів. 
Тому для підвищення якості продукції у технологічний процес складання 
необхідно ввести нові операції для визначення режимів живлення 
п‘єзовипромінювача відповідно до технічних вимог, а також внесення змін у 
програму керування УЗ відслідковувачу.  
Відповідно до цього в технологічному процесі запропоновані нові операції, 
а саме: операцію 015 „Діагностика робочої частоти” яка виконується з 
п‘єзовипромінювачем, а також операцію 025 „Програмування” для кінцевого 
виробу.  
Новий технологічний процес складання УЗ відслідковувачу має вигляд: 
005 Комплектувальна. 
1. Комплектувати деталі відповідно до специфікації. 
010 Підготовча. 
1. Розконсервувати деталі. 
 84
015 Діагностування робочої частоти. 
020 Загальне складання. 
1. Встановити радіатор у корпус; 
2. Встановити п‘єзовипромінювач на радіатор; 
3. Встановити блок живлення; 
4. Встановити блок управління; 
5. Встановити УЗ приймач.  
025 Програмування. 
030 Загальний контроль. Контролювати правильність складання виробу 
035 Упаковка. 
Для реалізації нового технологічного процесу в розділі 3 була розроблена 
система діагностування робочої частоти, що дозволила розраховувати параметри 
живлення п‘єзовипромінювача по заданим параметрам. Параметри живлення УЗ 
відслідковувачу були запрограмовані в блок керування УЗ відслідковувачу. 
 
Висновки до розділу 4 
В результаті аналізу матеріалу приведеного вище можна зробити висновки: 
1. Більшість УЗ відслідковувачів мають типову конструкцію. Тому технології їх 
виготовлення мають спільні риси, що дозволяє розглядати типовий 
технологічний процес складання УЗ відслідковувачу; з метою його 
вдосконалення.  
2. Недоліком типового технологічного процесу є відсутність контролю покупних 
складових, а саме – п‘єзовипромінювача, що негативно впливає на якість УЗ 
відслідковувачу; 
3. У типовий технологічний процес запропоновано внести нові операції 015 
„Діагностування робочої частоти” та 025 „Програмування”, що дозволить 
підвищити якість та точність УЗ відслідковувачів; 
4. Відповідно до запропонованих змін в технологічному процесі необхідно 
використати у діагностуванні робочої частоти, що дозволить визначити 
параметри живлення п‘єзовипромінювача. 
 85
РОЗДІЛ 5 
ДОСЛІДЖЕННЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО  
ВІДСЛІДКОВУВАЧА В РЕАЛЬНИХ УМОВАХ 
 
5.1. Підготовка до експерименту та умови його проведення 
 
Як було сказано раніше в огляді ультразвукових систем, вимірники відстані, 
подібні до розробленого, широко застосовуються в системах визначення відстані 
в просторі.  
Після успішного завершення макетних випробувань вимірника була 
проведена перевірка розробленого модуля в робочих умовах у складі спрощеного 
варіанту системи визначення відстані.  
Пристрій здатний забезпечувати необхідні технічні характеристики при 
живленні тільки від джерела 5В, тому для спрощення була використана загальна 
плата перетворювача живлення 220 - 5В, яка використовується також для 
живлення основного контролера. 
Для практичної перевірки розроблених рішень було сконструйовано плату 
головного модуля та вмонтовано її в раніше обраний корпус. На корпусі були 
встановлені роз'єм живлення, інтерфейс лінії CAN та один порт для з'єднання 
набору передавач-приймач. Зовнішній вигляд зібраного модуля в корпусі 
представлений на рис.5.1. 
 
Рисунок 5.1 - Зібраний основний модуль 
 
 86
Також був виготовлений один комплект п‘єзовипромінювач – УЗ приймач 
(рис.5.2). 
 
Рисунок 5.2 - Макетний комплект випромінювач-приймач 
 
 В якості зовнішньої системи для роботи ультразвукової системи була 
використана макетна плата на основі мікроконтролера PIC 16С84 в корпусі DIP40 
(рис.5.3).  
 
Рисунок 5.3 - Макетна плата на основі мікроконтролера PIC 16С84 
 
Схемотехніка CAN інтерфейсу була зроблена аналогічно використаній в 
основному вимірювальному модулі. Це дозволило перевірити працездатність 
пропонованої виробником бібліотечки підпрограм як при роботі в якості веденого 
пристрою, так і ведучого. 
Для забезпечення можливості оперативного управління ходом виконання 
програми на макетній платі передбачена наявність кнопкового ряду, 
 87
підключеного до порту введення-виведення мікроконтролера. Для відображення 
інформації, що приймається, на макетній платі передбачений індикатор, за 
системою команд сумісний з контролером. Для роботи з ним використовувалася 
стандартна бібліотечка підпрограм, пропонована виробником мікроконтролера. 
Також на макетній платі є можливість встановлення інтерфейсів RS-232 і RS-
485 для обміну даними з ПЕОМ та іншими системами, обладнаними цими 
інтерфейсами. 
Для спрощення схеми при макетуванні для живлення головного модуля 
використовувалося джерело стабілізованої напруги 5 В та мікросхема лінійного 
стабілізатора на 5 В - КР142ЕН5В.  
Для проведення випробувань використовувалося тестове низькорівневе ПЗ. 
Як випливає з постановки завдання, воно повинне виконувати такі функції: 
- виконати при увімкненні живлення початкове налаштування апаратної частини 
мікроконтролера, ініціалізувати контролер інтерфейсу CAN. 
- періодично запускати цикл виміру в ПЛІС. При вступі сигналу закінчення 
циклу вимірів рахувати дані з вбудованого лічильника ПЛІС у буфер в ОЗП 
мікроконтролера. 
- при вступі запиту по шині CAN передавати значення виміряного тимчасового 
інтервалу проходження ультразвукового імпульсу з буфера ОЗП в зовнішню 
систему. 
Для оптимального використання обчислювальних можливостей 
мікроконтролера, програмне забезпечення було розроблено на основі обробки 
подій. Так, структура програмного забезпечення мікроконтролера була поділена 
на 4 програмних блоки. Кожен з цих блоків активується відповідно до певних 
подій, що було здійснено через систему апаратних переривань і встановлену 
систему пріоритетів. 
Функції блоків: 
• Блок первинної ініціації: він запускається при першому увімкненні пристрою. 
Він виконує початкове налаштування устаткування, переривань, а також 
налаштування мікросхеми CAN-інтерфейсу. 
 88
 Обробник таймера циклічних вимірів: для проведення періодичних вимірів 
відстані доцільно використати один з таймерів мікроконтролер 
використовується як джерело подій для здійснення регулярних циклів запуску 
процедури вимірювання. Таймер ініціює переривання через заданий часовий 
проміжок, а обробник надсилає сигнал START на вхід програмованого 
логічного інтегрального схеми (ПЛІС). 
 Обробник сигналу підготовки даних: при поступанні сигналу DRDY прочитує 
16-бітові дані з лічильника ПЛІС в ОЗУ. 
 Обробник переривання CAN: при поступанні із зовнішньої системи приходу 
даних передає значення часу по інтерфейсу CAN. 
Для роботи з інтерфейсом CAN була використана готова бібліотечка 
процедур can.h. Вона містить в собі основні функції для обміну даними по шині 
CAN і конфігурації інтерфейсу. Також використовується стандартний файл 
заголовків p_16С84.h. 
Подано докладний опис створених програмних блоків. 
Блок первинного налаштування. Цей блок запускається лише один раз під час 
вмикання живлення системи. 
Дії, які здійснює цей блок: 
- відключення інтегрованого АЦП мікроконтролера, що за умовчанням 
включений і входи якого при цьому працюють замість портів введення та 
виведення загального призначення. 
- налаштування ліній портів введення-виведення загального призначення у 
відповідність з виконуваними ними функціями. 
- установка пріоритетів переривань для вбудованих апаратних засобів 
мікроконтролера. 
- налаштування SPI-інтерфейсу контролера, а потім інтерфейсу. 
- дозвіл апаратних переривань. 
Модуль таймера циклічних вимірів. Обробник таймера циклічних вимірів: 
виконується по переповнюванню таймера. Програмний блок активізується за 
умови виникнення флагу переривання PIR1bits.TMR1IF та виконує наступні дії: 
 89
- вибирає активний канал вимірювання, надсилаючи на адресні шини А0 та А1 
сигнали, що відповідають номеру каналу. 
- генерує короткий імпульс Start, який ініціює в ПЛІС процес вимірювання. 
- ресетує флаг переривання від таймера, готуючись до проведення наступного 
циклу вимірювань. 
Дії, пов'язані безпосередньо із формуванням сигналів для ПЛІС, виділені у 
окремий процес MeasureCycle. Оскільки у цьому випадку необхідно проводити 
вимірювання лише по одному каналу, номер каналу постійно буде рівним 0. 
Блок обробки сигналу. Обробник готовності даних: читає 16-бітові дані з 
вихідного реєстру лічильника часових інтервалів, розміщеного в ПЛІС, у буферні 
елементи пам'яті мікроконтролера. Для прочитування усіх двох байт даних через 
8-розрядний порт введення-виведення мікроконтролера робиться перемикання 
мультиплексора даних ПЛІС. Виконувані дії такі: 
- визначення старшого байту даних шляхом встановлення сигналу L/H у високе 
положення. 
- читання байту даних через інтерфейс RD. 
- вибір молодшого байту даних шляхом встановлення сигналу L/H у низьке 
положення. 
- читання байту даних через інтерфейс RD у іншу ячейку пам'яті. 
Підпрограма активізується, коли встановлено флаг зовнішнього переривання 
INTCONbits.INT1IF, який ініціюється сигналом DRDY. Для ефективного читання 
значення виміряного часового інтервалу це переривання наділено високим 
пріоритетом. 
Варто зазначити, що ініціація наступного циклу вимірів повинен 
здійснюватися тільки після прочитування попереднього значення виміряного 
тимчасового інтервалу, інакше перелічені дані будуть спотворені. Для 
унеможливлення виникнення такої ситуації обробник такого переривання і 
обробник таймера стоять один за іншим по ходу виконання програми. При 
виникненні одного з високопріоритетних переривань спочатку робиться перевірка 
 90
активності прапора INT1IF. Якщо він встановлений, робиться прочитування, і 
тільки після цього, якщо необхідно, запуск нового циклу вимірів. 
Модуль CAN-інтерфейсу. Налаштування CAN-інтерфейсу винесена в окрему 
процедуру CANconfig. Цей модуль забезпечує ініціалізацію контролера шини і 
конкретизує мережеві налаштування. 
Обробник переривання CAN: коли із зовнішньої системи по інтерфейсу CAN 
приходить запит даних, мікросхема контролера формує сигнал апаратного 
переривання INT0. Обробник цієї події передає лічені значення часу по 
інтерфейсу CAN в зовнішню систему. Обробник виконує наступні операції: 
- Робить перевірку, що в приймальному буфері контролера інтерфейсу CAN 
знаходиться команда запиту даних. 
- Прочитує команду з приймального буфера CAN. 
- Робить запис в передавальний буфер контролера CAN лічене раніше значення 
тимчасового інтервалу і ініціалізував передачу. 
Остання операція винесена в окрему процедуру NextReadOp. Оскільки 
процес обміну даними протікає порівняно повільно, а подія запиту даних може 
носити нерегулярний характер, і не зав'язано з циклами самого процесу виміру, те 
це переривання налаштовується на низький пріоритет і, відповідно, обробляється 
після високопріоритетних. 
Використовуваний радіоканал. Для експериментів використовувався УЗ 
сигнал. Структура сигналу, що виділяється УЗ приймачем, представлена на 
рис.5.4.  
20 мс 
±0,6 мс 
1,6 ms  
Рисунок 5.4 - Структура сигналу управління 
 91
Сигнал управління є пачкою з 6 імпульсів. У крайніх положеннях зміна 
тривалість змінюється приблизно на 0,6 мс. Тривалість паузи між імпульсами 
складає приблизно 1,5 мс. Після завершення передачі пачки, через 20 мс 
починається формування нової пачки відповідно до поточного стану налаштувань 
приладу. 
Далі робиться частотна модуляція радіосигналу відповідно до сформованого 
сигналу. Центральна частота - 40,675 МГц. Приймач радіосигналу виділяє 
модулюючу пачку з прийнятого радіосигналу. 
Прийом сигналів здійснюється приймальним модулем, встановленим на 
основну плату контролера. Декодування сигналів управління виконується 
програмно за допомогою низькорівневого ПЗ, записуваного в пам'ять 
мікроконтролера на приймальній стороні. Для відліку тимчасових інтервалів 
використовується один зі вбудованих таймерів мікроконтролера. 
Сам вимірювальний модуль і ноутбук були сполучені за допомогою 
перехідника USB-RS-232 для обміну даними між комп'ютером і основним 
модулем ультразвукового вимірника відстані, як це показано на рис.5.5. 
   
Рисунок 5.5 - Розміщення основного модуля УЗ відслідковувача і ноутбука 
 
З'єднання ноутбука з ультразвуковим вимірником здійснювалося за 
допомогою спеціального кабелю з роз'ємами «719» - DB9, а з контролером - за 
допомогою стандартного кабелю інтерфейсу RS-232. Живлення основного модуля 
вимірника і контролера здійснюється від бортової акумуляторної батареї 
напругою 12 В через блок перетворювача напруги 12-5В. Портативний комп'ютер 
має вбудоване джерело живлення. 
 
 92
5.2. Оптимізація режимів відслідковування країв об‘єктів методом 
планування експерименту 
 
Вимірювана відстань, позначена як y (мм), в основному залежить від 
наступних технологічних режимів (чинників): вихідної потужності УЗ-генератора 
x1 (мВт), часу виміру x2 (мкс), частоти випромінювання x3 (кГц). Необхідно за 
допомогою ПФЕ знайти математичний опис виміру відстані, в околицях точки з 
координатами x01=3,4 мВт, x02 =70 мкс, x03=26 кГц. 
Рішення загальної задачі дослідження було розбите на декілька етапів: 
обчислення відрядкового середнього значення функції відгуку і дисперсій відгуку 
в кожній точці плану експерименту; перевірка однорідності відрядкових 
дисперсій; встановлення коефіцієнтів математичної моделі; встановлення 
дисперсії відтворюваності; порівняння статистичної значущості коефіцієнтів 
моделі; адекватності моделі та цих експериментів, формування висновків про 
можливість застосування розробленої моделі; оптимізація виміру відстані за 
допомогою одного з методів оптимізації. 
Проведення факторного експерименту і аналіз отриманих результатів. 
Попередніми дослідженнями визначено, що на величину вимірюваної відстані в 
основному роблять вплив три чинники: потужність ультразвукового генератора, 
час виміру і частота випромінювання. 
У планованих експериментах вимагалося досягти оптимуму вимірюваної 
відстані при прийнятих обмеженнях на основні чинники УЗ-далекометрії 
(табл.5.1). 
 
Таблиця 5.1 - Основні характеристики плану експерименту 
Характеристика x1, мВт x2, мкс x3, кГц 
Основний рівень 3,4 70 26 
Інтервал варіювання 0,8 20 8 
Верхній рівень 4,2 90 34 
Нижній рівень 2,6 50 18 
Область допустимих значень  (0-10) (0-90) (0-40) 
 93
Для побудови математичної моделі виміру відстані реалізований повний 
факторний експеримент (ПФЕ 23). Верхній і нижній рівні (табл.5.1) 
встановлювалися експериментально при проведенні попередніх однофакторних 
дослідів. Виходячи зі значень цих параметрів визначався центр плану і крок 
варіювання. У безрозмірній системі координат верхній рівень виражався як (+1), 
нижній рівень (-1), координати центру плану прирівнювалися до нуля. 
Кількість дослідів розраховувалася по формулі: 
N = nk      (5.1) 
де  k - число чинників,  
n - кількість рівнів, тобто для дворівневого повнофакторного експерименту 
N = 23. 
Таким чином, план ПФЕ 23 дозволив досліджувати 8 варіантів виміру 
відстані з одночасним варіюванням усіх трьох чинників на двох рівнях: 
верхньому (+1) і нижньому (- 1), середнє арифметичне між верхнім і нижнім 
рівнями є середнім рівнем. 
Матриця планування повного факторного експерименту для розглянутих 
трьох чинників представлена в табл.5.2. Нульовий чинник (х0і) характеризує 
невраховані чинники, що впливають на параметр оптимізації, і потрібний для 
визначення вільного члена рівняння регресії b0. 
Результати експерименту в кожній з серій випробувань представлені в 
стовпцях y1, y2, y3, їх середнє значення - в стовпці yi. Для визначення коефіцієнтів 
взаємодії, матриця планування була розширена додатковими стовпцями, що 
враховують ефект подвійної і потрійної взаємодії чинників. Ефекти взаємодії 
визначалися аналогічно лінійним ефектам [60, 61].  
Перевірка показала, що експериментальні дані є нормально розподіленими і 
однорідними. 
Коефіцієнти рівняння регресії визначаються по методу найменших 
квадратів. 
 
 94
Таблиця 5.2 - Матриця планування ПФЕ 
№ Чинника експерименту  Відгуки (результати 
точки (параметри УЗ вимірів) виміру відстані) 
плану x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y1i y2i y3i yi.ср 
1 + - - - + + + - 12 13 10 11,67 
2 + - + + - - + - 15 14 13 14 
3 + - + - - + - + 10 13 15 12,67 
4 + - - + + - - + 12 8 10 10 
5 + + - - - - + + 21 18 22 20,33 
6 + + - + - + - - 24 18 22 21,34 
7 + + + - + - - - 16 17 19 17,34 
8 + + + + + + + + 22 21 18 20,34 
 
Певний коефіцієнт рівняння регресії встановлюється скалярним добутком 
строки y на відповідний стовпець, віднесеним до числа дослідів в матриці 
планування N (табл.5.2) : 
N
 yik .cp  xik
bi 
i1 ,      (5.2) 
N
де  bi - коефіцієнт регресії,  
N - число можливих комбінацій;  
xik - значення змінної у відповідному стовпці,  
yik - середнє значення відгуку (точності виміру відстані). 
Відповідно до цих табл.5.2 розраховані коефіцієнти рівняння регресії. 
Величина коефіцієнта регресії (bk) характеризує вклад кожного чинника (xі) 
виміру відстані в значення результатів виміру відстані (yі). 
Отримане рівняння регресії мало наступний вигляд: 
y = 15,96 + 3,88x1 + 0,13x2 + 0,46x3 – 1,12x1x2 + 0,54x1x3 + 0,62x2x3 – 0,13x1x2x3. 
Отримані дані свідчать про те, що потужність УЗ-генератора (амплітуда УЗ-
коливань) істотно впливає на точність виміру. 
 95
Значущість коефіцієнтів регресії перевірялася за критерієм Стьюдента [59, 
60]. Дисперсія відтворюваності коефіцієнтів регресії склала 4,25.  
Коефіцієнти регресії вважали відмінними від нуля, якщо виконувалася 
наступна нерівність: 
bi  t0 ,05  f Sbi ,    (5.3) 
де  f - число ступенів свободи,  
t0,05 - критерій Стьюдента при 5% рівні значущості, який знаходиться по 
таблиці [61]. 
Отримані результати розрахунку свідчать про те, що слід визнати 
значимими коефіцієнти b0, b1, b12 і включити їх в модель, а коефіцієнти b2, b3, b13, 
b23, b123 незначущі і їх слід відкинути, не включаючи в шукану модель. На підставі 
отриманих даних математична модель (рівняння регресії), що включає тільки 
значимі коефіцієнти, набула наступного вигляду 
y = 15,96 + 3,88x1 – 1,12x1x2.     (5.4) 
Перевірка адекватності отриманої моделі проведена з використанням F - 
критерію Фішера [59, 60]. Розрахункове значення коефіцієнта Фішера Fp=2,36 
виявилося менше табличного Fт=2,85, що довело адекватність знайденої моделі. 
На підставі результатів проведеного ПФЕ можна припустити, що для 
подальшої оптимізації виміру відстані застосування методу «крутого сходження» 
[60, 61] буде ефективним, оскільки отримана лінійна модель адекватна і не є 
суворо асиметричною до коефіцієнтів. 
На черговому етапі досліджень розрахунок крутого сходження проведений 
в наступній послідовності. 
1) Величина кроку руху по градієнту точності вимірюваної відстані розрахована 
за класичною методикою, виходячи з показниківкоефіцієнтів регресії [58-61]. 
Для цього перехід до нового натурального масштабу діапазонів варіювання 
здійснений за допомогою формули: 
Li = biδi      (5.5) 
де  b - коефіцієнти регресії,  
δi - одиниці варіювання. 
 96
Розраховано, що L1 = 3,1, L2 = 2,6, L3 = 3,68. Абсолютна величина ׀Lmax׀  
набувала найбільшого значення для частоти випромінювання, отже, цей чинник 
був прийнятий як базовий. Для інших чинників нові коефіцієнти розраховувалися 
по формулі 
γi = Li / ׀Lmax5.6)      ׀) 
де  γi - нові коефіцієнти при значимих чинниках. 
Розраховані коефіцієнти склали для чинників: потужність УЗ-генератора, 
час виміру відстані, частота випромінювання, відповідно: γ1 = 0,84, γ2 = 0,71, γ3 = 1. 
2) Для базового чинника (x3) вибраний модуль кроку руху по градієнту (hбаз). Крок 
руху не повинен перевищувати інтервалу варіювання по базовому чиннику hбаз = 
δбаз. Тому, в нашому випадку, враховуючи, що δбаз.3 = 8, прийняли, що hбаз = 2. 
Далі були розраховані кроки руху інших чинників (hi) по формулі: hi = h . i
баз γ . 
Округливши значення h1, h2, отримали наступні кроки руху по градієнту: h1 = 1,7; 
h2= 1,4. 
3) Розраховані умови і результати дослідів крутого сходження (уявних дослідів). 
Значення чинників, визначальні умови дослідів, визначені по формулі 
Xji = Xj - 1, i + hi,      (5.7) 
де  j - номер досвіду,  
і - номер чинника.  
Результати уявних дослідів (yjm) розраховані по моделі (5.7) для Xji, 
обчислених по формулі Xji = Xj - 1, i + hi. 
Рух по градієнту вважали ефективним, якщо проведення уявних дослідів, 
розрахованих на етапі крутого сходження, призводила до збільшення значення 
параметра оптимізації (точність вимірюваної відстані) в порівнянні з найкращим 
результатом в матриці повного факторного експерименту (табл.5.3). 
 
Таблиця 5.3 - Режими виміру відстані, виявлені в результаті уявних та 
проведених дослідів методом «крутого сходження» 
№ досліду x1, мВт x2, мкс x3, кГц yуяв, мм yреал, мм 
1 3,4 70 26 16 17 
2 5,1 71,4 28 15 14 
3 6,8 72,8 30 14 13 
 97
Як видно з табл.5.3, точність виміряної відстані, виявлена в реалізованому 
досвіді №1, склала 1 мм. Крім того, реалізований досвід №3 в якому при русі по 
градієнту, чинник (х1) досягав границь допустимих значень, при цьому значення 
коефіцієнту оптимізації мало зменшуватися починаючи з другого досліду, що 
дало сигнал про припинення руху по градієнту оскільки оптимум був знайдений 
(табл.5.3). 
 
 
5.3. Контрольно-дослідні вимірювання 
 
Робилося визначення відстані до різних об'єктів і спостереження результату 
на індикаторі приймального вузла, рис.5.6. Як перешкода використовувалися 
об'єкти з різними коефіцієнтами відображення ультразвуку, як, наприклад, скло, 
картон, тканина.  
 
Рисунок 5.6 - Макетні випробування ультразвукового вимірника дальності c 
перешкодою із скла 
 
Результати тестування засвідчили ефективність роботи пристрою загалом. В 
ході цього також були отримані оцінки технічних параметрів обладнання для 
різних відзеркалювальних поверхонь, приведені в табл.5.4. 
 98
Таблиця 5.4 - Експериментальні технічні характеристики ультразвукового 
вимірника дальності 
Параметр скло картон вовняна тканина 
мінімальна 
1 см 1 см 1 см 
вимірювана відстань 
максимальна стійко 
15 м 10 м 2,5 м 
вимірювана відстань 
роздільна здатність 
0,2 мм 0,25 мм 0,5 мм 
не гірше 
 
Отримані результати відповідають попередньо встановленим критеріям і 
відповідають теоретичним передбаченням для випадку поверхонь з високою 
відбивною здатністю. Водночас, з аналізу даних випливає, що максимальна 
дальність та роздільна здатність розпізнавання перешкод суттєво залежать від 
коефіцієнта відбиття, а отже, від матеріалу, з якого утворена перешкода.  
З цих результатів виходить ряд висновків, важливих для проектування 
ультразвукових вимірників відстаней: 
-  використання ультразвукових вимірників відстані без використання додаткової 
підтримки виправдане тільки у разі, якщо умови роботи системи чітко 
обумовлені (відбиваюча здатність об'єктів, межі виміру відстані до них); 
-  використання вимірників в умовах роботи, що динамічно змінюються, без 
додаткового забезпечення не забезпечує досягнення оголошених результатів. 
Така обставина характерна, зокрема, при застосуванні ультразвукових 
відстежувачів у полевих умовах. Але залежність характеристик від умов 
експлуатації є також типовою для інших видів дистанційних вимірювальних 
приладів (відео, лазерні). Звідси витікає, що використання ультразвукових 
датчиків в цьому застосуванні доцільно використати спільно з іншими типами 
вимірників відстані. Це дозволяє компенсувати розбіжності в можливостях 
датчиків і забезпечити запас по надійності системи в цілому; 
 99
-  на основі вищезазначеного, цікавим є встановлення найефективніших 
комбінацій різновидів сенсорів для застосування в мобільних системах, а також 
визначення найкращих методів їх поєднання. 
 В той же час, отримані результати підтвердили працездатність пропонованих 
схемотехнічних і програмних рішень, що дозволяє їх застосовувати в польових 
умовах.  
Як показали попередні випробування, у вибраній конфігурації максимальна 
стабільно вимірювана відстань складає 10 м при відбитті від перешкоди з картону. 
Враховуючи, що більшість статичних об'єктів в польових умовах мають не гіршу 
відбивну здатність, вибрана порогова відстань дорівнює 8 м. 
В ході експерименту УЗ відслідковувач, який рухався на швидкості близько 3 
м/с був спрямований в цегляну стіну спочатку при русі вперед, а потім при русі 
назад. Після досягнення порогового значення відслідковувач зупинявся на 
відстані приблизно 0,2 мм. Звідси можна зробити вивід, що час реакції системи в 
цілому склав 0,0002/3 = 60 мкс. 
За результатами випробувань можна зробити наступні висновки: 
- Отримані результати підтвердили працездатність пропонованих схемотехнічних 
і програмних  рішень в цілому. 
- Сумарний час реакції системи виявився рівним 60 мкс. Для даного випадку воно 
виявилося достатнім для виконання поставленого завдання, проте в цілому для 
систем реального часу він є досить великим. Вимагається проведення додаткових 
досліджень затримок, що вносяться окремими вузлами системи і зокрема, 
визначення реального значення часу, потрібного на отримання даних про відстань 
до об'єкту. 
 
5.4. Загальний аналіз отриманих експериментальних даних 
 
В результаті аналізу отриманих результатів контрольно-дослідних 
вимірювань визначена відносна похибка розрахунку основних режимів 
вимірювання відстані з використанням методу УЗ далекометрії, яка становить не 
 100
більше ніж 5,4%. Дана похибка задовольняє вимогам до пристроїв вимірювання 
відстані. 
Визначено, що використання даного типу відслідковувачів можливе в 
повітряному, рідкому або твердому середовищі, проте задля більшої точності та 
швидкодії проведення вимірів необхідно використовувати комбіновані системи 
вимірювання відстані, що, окрім ультразвукового методу, може включати 
лазерний, відео- та інші методи вимірювання відстані. 
Для внесення корекції режимів живлення у блок керування УЗ 
відслідковувачом необхідно дані про параметри живлення ШІМ передати на 
робоче місце виконання операції 025 „Програмування”. Інші дані, про 
характеристики УЗ випромінювання, мають бути зазначені у протоколі, додані до 
паспорту виробу, як довідкова інформація. 
 
 
Висновки до розділу 5 
 
1. Проведені випробування підтвердили працездатність пропонованих 
схемотехнічних і програмних  рішень в цілому. 
2. Вимагається проведення додаткових досліджень затримок, що вносяться 
окремими вузлами системи і зокрема, визначення реального значення часу, 
потрібного на отримання даних про відстань до об'єкту. 
3. Використання вимірників в умовах роботи, що динамічно змінюються, без 
додаткової підтримки не гарантує отримання заявлених результатів. Тому 
використання ультразвукових вимірників відстані без використання 
додаткової підтримки допустимо тільки у разі, якщо умови роботи системи 
чітко обумовлені (відбиваюча здатність об'єктів, межі виміру відстані до них). 
Інакше необхідно використати комбіновані системи з іншими типами 
датчиків. 
4. Видається перспективним дослідження структури системи з одним джерелом 
зондуючих сигналів і декількома приймачами. 
 101
5. Для оптимізації виміру відстані доцільним, на наш погляд, є використання 
методу ПФЕ, що дозволяє поставити велику кількість дослідів, реалізувати усі 
можливі комбінації основних рівнів незалежних змінних чинників 
середовища, встановити оптимальні поєднання режимів виміру з урахуванням 
їх спільного впливу на точність відстані. 
6. В результаті планування і виконання факторного експерименту визначені 
оптимальні режими для оптимальної  відстані відслідковування: потужність 
УЗ-генератора - 3,4 мВт; час виміру - 70 мкс, частота УЗ випромінювання - 26 
кГц. 
 
 102
 ВИСНОВКИ 
 
В результаті виконання магістерської дисертаційної роботи з підвищення 
техніко-експлуатаційних характеристик та точності відслідковування країв 
зварюваних деталей лазерної зварної установки отримані наступні основні 
результати: 
1. В результаті проведеного аналізу сучасних методів ультразвукового 
вимірювання відстані до об'єктів були розглянуті основні акустичні методи та 
засоби  вимірювання відстані, а також принцип дії та показники якості 
найбільш розповсюджених на сьогодні ультразвукових відслідковувачів та 
показані основні напрямки модернізації та перспективи розвитку таких 
пристроїв. 
2. Показано, що серед відомих методів та засобів дистанційного вимірювання 
відстані в пружних середовищах, найбільш перспективним та ефективним є 
метод ультразвукової далекометрії, засіб апаратної реалізації якого 
використовує п‘єзокерамічні перетворювачі МУП-3 або МУП-4 (“ЭЛПА” 
м.Зеленоград), які працюють на частоті 40 кГц. Перевагами використання 
таких відслідковувачів є: порівняна простота випромінювання та прийому 
коливань, компактність та мініатюрність базових елементів пристрою, висока 
стійкість до шумового, хімічного та оптичного забруднення оточуючого 
середовища, можливість роботи в агресивних середовищах за умов високого 
тиску, можливість значного віддалення вторинної апаратури від місця 
вимірювань, тривалий термін експлуатації, нечутливість до електромагнітних 
перешкод, висока надійність, тощо. 
3. Розрахунки, проведені з використанням моделі, дозволяють визначати 
параметри УЗ відслідковувача, необхідні для забезпечення фронту УЗ 
випромінювання із заданими характеристиками і можуть бути рекомендовані 
для практичного застосування. При цьому, максимальна розбіжність між 
визначеними теоретично (за допомогою фізико-математичної моделі) і 
експериментально отриманими характеристиками фронту УЗ випромінювання 
 103
не перевищує 15%, що свідчить про прийнятну точність і адекватність 
розробленої моделі формування фронту УЗ випромінювання. 
4. В якості математичної моделі безконтактного методу виміру відстані 
акустичним методом вибраний метод контролю коефіцієнта загасання 
ультразвуку. Залежності, отримані з використанням розробленої математичної 
моделі, дозволяють зробити висновок про можливість її використання як 
високоточного методу акустичного виміру відстані з урахуванням в'язких 
властивостей середовища поширення УЗ.  
5. Запропонована модель управління технологічним процесом ультразвукового 
визначення відстані до поверхонь із залученням апарату нечіткої логіки, що 
дозволило формалізувати причинно-наслідкові зв'язки оцінки якості 
ультразвукової далекометрії до твердих поверхонь від властивостей поверхні і 
робочих параметрів УЗ випромінювання. 
6. Отримані результати моделювання дозволяють вибрати раціональне 
співвідношення параметрів технологічного процесу, при якому може бути 
досягнута максимальна точність визначення відстані до твердої поверхні. 
7. Спроектовано ультразвуковий відслідковувач, що був реалізований на 
однокристальному мікроконтролері PIC16C84, який призначений для 
побудови автоматизованих систем низького і середнього ступеня складності, 
п‘єзоелектричному випромінювачі МУП-3 та п‘єзоелектричному 
ультразвуковому приймачі МУП-4, що повністю задовольняє поставленому 
завданню розробки високоточного УЗ відслідковувачу. 
8. Розроблене програмне забезпечення для УЗ відслідковувачу дозволяє з 
високою точністю (крок вимірювання може сягати 10 нм), більшим 
діапазоном вимірювання (20.10-9 – 999 м), надійністю (надійність на 
перешкодозавадження перевищує 98,9%), та швидкодією (час вимірювання та 
обробки результатів вимірювання відстані з подальшим виведенням на екран 
не перевищує 0,5 с). 
9. Можливе удосконалення даного пристрою, наприклад, за рахунок його 
підключення до промислового комп'ютера або об'єднання декількох систем в 
 104
інформаційну мережу. Видається перспективним дослідження структури 
системи з одним джерелом зондуючих сигналів і декількома приймачами. 
10. У типовий технологічний процес запропоновано внести нові операції 015 
„Діагностування робочої частоти” та 025 „Програмування”, що дозволить 
підвищити якість та точність УЗ відслідковувачів. Відповідно до 
запропонованих змін в технологічному процесі необхідно використати у 
діагностуванні робочої частоти, що дозволить визначити параметри живлення 
п‘єзовипромінювача. 
11. Використання вимірників в умовах роботи, що динамічно змінюються, без 
додаткової підтримки не гарантує отримання заявлених результатів. Тому 
використання ультразвукових вимірників відстані без використання 
додаткової підтримки допустимо тільки у разі, якщо умови роботи системи 
чітко обумовлені (відбиваюча здатність об'єктів, межі виміру відстані до них). 
Інакше необхідно використати комбіновані системи з іншими типами 
датчиків.  
12. Для оптимізації виміру відстані доцільним, на наш погляд, є використання 
методу ПФЕ, що дозволяє поставити велику кількість дослідів, реалізувати усі 
можливі комбінації основних рівнів незалежних змінних чинників 
середовища, встановити оптимальні поєднання режимів виміру з урахуванням 
їх спільного впливу на точність вимірюваної відстані. 
13. В результаті планування і виконання факторного експерименту визначені 
оптимальні режими для виміру відстані: потужність УЗ-генератора - 3,4 мВт; 
час виміру - 70 мкс, частота УЗ випромінювання - 26 кГц. 
14. Провівши аналіз умов праці в даному приміщенні, можна заключити таке: 
небезпечні випромінювання відсутні; акустичні умови праці відповідають 
нормам; система вентиляції та підтримки мікроклімату в робочому 
приміщенні відповідають вимогам; система освітлення робочих місць 
забезпечує необхідний рівень освітленості робочих поверхонь; приміщення 
відповідає вимогам протипожежних норм; передбачені всі заходи безпеки для 
роботи електрообладнання. 
 105
15. Проведено розрахунок звукоізолюючої системи для спроектованого УЗ 
відслідковувачу і зроблено висновок про доцільність використання в якості 
резонансного поглинача такої системи перфорованого екрану з отворами, 
затягнутого тканиною або дрібною сіткою, що істотно змінює характер 
поглинання. 
В цілому виконані дослідження можуть служити основою для подальших 
досліджень з питання удосконалення методів та засобів ультразвукового 
контролю. 
 
 106