СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА Российский патент 1995 года по МПК G01R29/22 

Изобретение относится к радиофизическим измерениям и может быть использовано для измерения электрофизических параметров пьезоэлементов (п.э.).

Известен способ измерения параметров п.э., заключающийся в возбуждении его электрическим сигналом переменного тока, изменении частоты возбуждающего сигнала, измерении параметров электрического сигнала - реакции п.з. на возбуждающий сигнал, определении по максимуму и минимуму сигнала - реакции резонансной (f_r) и антирезонансной f_aчастот п.э. по формуле:
Q_н ≈ , где Δf - полоса частот, измеряемая на уровне 3 дБ от экстремального значения сигнала-реакции определяют нагруженную добротность (Q_н)_п.э. на f_r,a (добротность с учетом влияния на ее величину элементов измерительной схемы [1] . Основными недостатками способа являются большая трудоемкость при низком быстродействии. При автоматизации процесса измерения, например с помощью автомата АСР-1М, время измерения f_r или f_aна одном п.э. более 6 с. При ручном измерении f_r или f_a это время превышает 10 с. Основную часть времени измерения занимает процесс измерения частоты возбуждающего сигнала с целью настройки на f_r,a. Время счета частотомера обычно находится в пределах 1,0-0,1 с и пренебрежимо мало.

Известен также способ измерения f_r с целью ее контроля при определении усталостной прочности пьезопреобразователей, заключающийся в возбуждении п. э. электрическим сигналом белого шума в полосе частот, определяемой шириной резонансного пика п. э., выделении периодического сигнала-реакции п.э. на возбуждающий сигнал (сигнала, отфильтрованного п.э. из возбуждающего сигнала), измерении частоты сигнала-реакции.

При таком способе измерения п.э. сам выделяет сигнал на частоте f_rиз спектра белого шума, т.е. осуществляется процесс фильтрации. Время установления такого процесса можно оценить величиной , что на практике много меньше 0,01 с при f_r ≈ 500 кГц и, следовательно, предельное быстродействие процесса измерения определяется временем счета частотомера.

Основными недостатками известного способа являются:
узкий диапазон частот, в котором могут быть измерены f_r различных п.э., определяемый величиной f_r/Q_н (шириной резонансного пика), и для частот f_r ≈ 500 кГц на практике не превышающей единиц кГц;
велик разброс результатов измерения f_r ввиду нестабильности формы и амплитуды сигнала-реакции п.э., что снижает точность измерения до неудовлетворительной;
не предусмотрено измерение f_a и Q_н, что сужает возможности способа.

Целью изобретения является:
расширение диапазона измеряемых частот до границ, определяемых f_amaxиf_rmin, причем
f-f = Δf 0,1(f+f)
при одновременном достижении предельного быстродействия процесса измерения;
повышение точности измерения при достижении предельного быстродействия; расширение возможностей способа с целью измерения f_a и Q_н.

Достигается это тем, что предложен способ измерения параметров п.э., заключающийся в возбуждении п.э. электрическим сигналом белого шума, выделенным и усиленным в полосе частот, ограниченной f_amaxиf_rmin, выделяют периодический сигнал-реакцию п.э. на возбуждающий сигнал в окрестности экстремума его спектральной плотности, усиливают его в полосе частот, формируют из усиленного сигнала измеряемый периодический сигнал постоянной формы и амплитуды, например, путем его преобразования в прямоугольные импульсы, устанавливают режимы возбуждения п.э. и снятия сигнала-реакции, соответствующие процессу измерения f_r или f_a, измеряют частоту f измеряемого сигнала, ее среднеквадратическое отклонение σ²_fза время измерения τ и по результатам измерения f в зависимости от установленного режима судят об f_r и f_a, а по величинам σ_f и τ судят о величине Q_н на частоте f_r,a, например, по формуле
Q_н ~
Кроме того, поставленная цель достигается тем, что формирование измеряемого сигнала осуществляют путем преобразования сигнала-реакции в периодический сигнал постоянной формы и амплитуды с периодом, равным периоду сигнала-реакции (экстремума его спектра), с помощью его усиления ограничения (диодное ограничение, триггер Шмидта и др.) или путем синхронизации генератора периодического сигнала усиленным сигналом-реакции п.э.

Сущность изобретения заключается в следующем:
при подаче на п.э. сигнала белого шума из спектра последнего "вырезается" вследствие фильтрации квазисинусоидальный сигнал, спектр которого ограничен шириной резонансного пика п.э. (σ_f). При измерении частоты такого отфильтрованного сигнала за время измерения τ получим
f_измер. ≈ f_r,a ± = f_r,a ± σ_f ≈ f_r,a
Из этой формулы легко получить
σ2f

≈ где = σ_f откуда
Q_н ≈ Выбор и установка режима возбуждения п.э. и снятия сигнала-реакции дают возможность измерять f_r или f_a. При наблюдении тока через п.э. в зависимости от частоты по его max и min можно судить об f_r или f_aсоответственно, а по max и min напряжения на п.э. можно судить об f_a или f_r соответственно [1].

При реализации способа с использованием анализатора спектра эти частоты могут быть найдены одновременно в любом из этих случаев.

Если же сигнал-реакцию подают на частотомер, то возникает необходимость осуществлять коммутацию упомянутых режимов наблюдения, позволяющую по max тока через п.э. судить об f_r, а по max напряжения на п.э. судить об f_a. При этом для уменьшения влияния нестабильности амплитуды и формы сигнала-реакции п.э. необходимо осуществить его дополнительное формирование в измеряемый частотомером сигнал, например его преобразование в периодический сигнал постоянной амплитуды и формы путем серии последовательных усилений и диодных ограничений или с помощью триггера Шмидта или другим способом. Формирование измеряемого сигнала может быть осуществлено также с помощью синхронизации усиленным сигналом-реакцией п.э. генератора периодических сигналов постоянной формы и амплитуды.

Изобретение опробовано на предприятии. Для этого были использованы п.э. в виде дисков, возбуждаемые на основном обертоне радиального типа колебаний. При этом f_rmin была не менее 420 кГц,f_amax не более 500 кГц. Для проведения контрольных измерений были использованы измерительные схемы и методики, описанные в [1].

Для проведения измерений с помощью изобретения вместо генератора синусоидальных сигналов был использован генератор белого шума с полосой генерации, ограниченной условием
f_гр·1,2 = ± Δf , причем
Δf = f-f 0,1 (f+f). Реально величина Δ f составила около 70 кГц. Такое ограничение полосы генерации вызвано взаимоисключающими требованиями. С одной стороны, сужение полосы до минимума позволяет при одной и той же мощности генератора увеличить ее спектральную плотность в области измеряемой частоты, что и достигается в [2], но при этом измеряемые частоты различных п.э. неизбежно окажутся вне полосы и измерение станет невозможным. С другой стороны, расширение полосы позволяет охватить все измеряемые частоты, но при этом неизбежно уменьшение спектральной плотности мощности возбуждаемого сигнала в области измеряемых частот, что ведет к ослаблению реакции п.э., делая невозможным измерение его частоты. Кроме того, при этом неизбежно возбуждение п.э. на других обертонах и типах колебаний, что еще более усугубляет процесс измерения.

Приведенная выше величина полосы определена экспериментально как оптимальная для конкретной используемой измерительной установки.

Первая серия экспериментальных измерений осуществлялась на п.э. с f_r= 425,2 кГц и f_a=454,0 кГц, измеренных обычным способом с помощью методики и измерительной схемы, описанных в [1]. При замене генератора синусоидальных сигналов на генератор белого шума по max и спектральных составляющих тока через п.э., как его сигнала-реакции, эти частоты составляли f_r=425,3 кГц и f_a= 454,0 кГц соответственно. Величины min и max тока фиксировались с помощью селективного вольтметра В6-10, как аналога анализатора спектра.

Вторая серия измерений осуществлялась на п.э. с f_r=431,6 кГц и f_a=451,8 кГц, измеренных обычным способом. Время измерения каждой из этих частот даже с использованием автоматизации при этом достигало 5 с и более (в ручном режиме около 20 с). При использовании генератора белого шума с последующими сериями усиления и диодного ограничения сигнала-реакции и измерения частоты, сформированного таким образом измеряемого сигнала, эти частоты составили f_r=431,3 кГц и f_a=452,1 кГц соответственно. Время измерения определялось временем счета частотомера и установки п.э. в держатель и не превышало 0,5 с (при времени счета 0,1 с). Среднеквадратическое отклонение σ²_f составило 0,138 кГц и 0,152 кГц соответственно и позволило оценить величину Q_н на этих частотах как Q_н≈ 270 и Q_н ≈216. Эти величины отличались не более, чем на 30% от Q_н, измеренной по методике [1], основанной на измерении полосы на уровне 3 дБ от экстремального значения сигнала. При измерении f_r и f_aосуществлялась коммутация режимов измерения на max тока через п.э. (f_r) и max напряжения на нем (f_a).

Третья серия измерений заключалась в подаче сигнала-реакции после его усиления на вход синхронного генератора, используемого в качестве формирователя измеряемого сигнала с последующим измерением частоты генерации. Результаты измерения f_r (около 465 кГц) совпали с результатами измерений, полученными в соответствии с [1] до 50 кГц.

Использование предлагаемого способа по сравнению с существующим обеспечивает следующие преимущества:
существенно расширяет диапазон измеряемых частот (ориентировочно на 2 порядка);
повышает точность измерения (не менее чем на порядок);
обеспечивает возможность наряду с измерением f_r измерять величину f_a и оценивать величину Q_н;
при этом достигается максимальное быстродействие процесса измерения, что делает способ эффективным как для ручного режима измерения, так и для автоматического.

Использование: изобретение относится к радиофизическим измерениям и может быть использовано для измерения электрофизических параметров пьезоэлементов в технологии их изготовления. Сущность изобретения: возбуждение пьезоэлемента осуществляется электрическим сигналом белого шума, выделяют периодический сигнал-реакцию пьезоэлемента на возбуждающий сигнал, измеряют его частоту.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА, заключающийся в возбуждении пьезоэлемента электрическим сигналом белого шума, выделении периодического сигнала-реакции пьезоэлемента на возбуждающий сигнал, измерении его частоты, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых частот до граничных f_rmin и f_amax, при этом повышения точности измерения и расширения возможностей способа при увеличении быстродействия процесса измерения, пьезоэлемент возбуждают сигналом белого шума, выделенным и усиленным в полосе частот, ограниченной выделяют периодический сигнал-реакцию пьезоэлемента на возбуждающий сигнал в окрестности экстремума его спектральной плотности и усиливают его в полосе частот, формируют из усиленного сигнала периодический сигнал постоянной формы и амплитуды с периодом, равным периоду усиленного сигнала, устанавливают режимы возбуждения пьезоэлемента и регистрации его сигнала-реакции, соответствующие измерению резонансной f_r или антирезонансной f_a частот, измеряют частоту f измеряемого сигнала, ее среднеквадратическое отклонение σ2f

за время измерения τ и по результатам измерения частоты в зависимости от выбранного режима определяют f_r или f_a, а нагруженную добротность Q_н определяют по формуле

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование измеряемого сигнала осуществляют путем преобразования с помощью ограничения амплитуды усиленного сигнала-реакции пьезоэлемента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование измеряемого сигнала осуществляют путем синхронизации генератора периодического сигнала усиленным сигналом-реакцией пьезоэлемента.