УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1995 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться, в частности, для контроля пьезокерамических элементов при их производстве.

Известны устройства, например, устройство допускового контроля пьезоэлектрических элементов по а.с. N 943606, кл. G 01 R 29/22, 1980, содержащие автогенераторы, работающие на частотах резонанса и антирезонанса. Такое устройство позволяет контролировать резонасный промежуток, однако обладает низкой эффективностью.

Известны также устройства, реализующие измерения частотной зависимости проводимости пьезокерамического элемента. После измерений проводят сравнение этой зависимости с эталонной, характерной для элемента, соответствующего техническим условиям.

К таким устройствам относится, например, устройство, описанное в кн. "Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, из-во РГУ, 1977, с.22", являющееся наиболее близким к заявляемому.

Устройство-прототип содержит анализатор частотных характеристик, состоящий из генератора качающейся частоты (ГКЧ) и индикатора частотных характеристик (ИЧХ), усилителя мощности, вход которого подключен к выходу синусоидального напряжения (ГКЧ), а его выход нагружен на контролируемый пьезокерамический элемент, в разрыв "земляного" провода которого включен токовый резистор, синхронный детектор, один из входов которого подключен к выходу усилителя мощности, другой - к токовому резистору, выход синхронного детектора подключен к входу ИЧХ, выход пилообразного напряжения ГКЧ подключен к входу развертки ИЧХ.

При работе этого устройства на ГКЧ устанавливается определенная длительность развертки и частотный диапазон, в котором происходит качание частоты, включается качание частоты, а на экране ИЧХ визуально наблюдается частотная характеристика активной составляющей проводимости пьезокерамического элемента. Обычно частотную зависимость проводимости снимают в области резонанса пьезокерамического элемента. Сравнивая измеренную частотную характеристику с эталонной, судят о качестве пьезокерамического элемента.

Недостатком устройства-прототипа является его малая информативность, так как количественно не контролируются никакие параметры пьезокерамического элемента, характеризующие его наполяризованность, а значит, и эффективность преобразования энергии.

Основным параметром, характеризующим наполяризованность пьезокерамического элемента, является его пьезомодуль. Поэтому возможность контроля пьезомодуля позволила бы расширить функциональные возможности устройства-прототипа и повысить эффективность его использования.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для контроля пьезокерамических элементов за счет обеспечения контроля величины пьезомодуля.

Цель достигается тем, что в устройство для контроля пьезокерамических элементов, содержащее генератор качающейся частоты, усилитель мощности, токовый резистор, синхронный детектор и индикатор частотных характеристик, в котором выход синусоидального напряжения генератора качающейся частоты подключен к входу усилителя мощности, выход усилителя нагружен на контролируемый пьезокерамический элемент, в разрыв "земляного" провода которого включен токовый резистор, один вход синхронного детектора подключен к выходу усилителя мощности, другой - к токовому резистору, выход синхронного детектора подключен к входу измеряемого сигнала индикатора частотных характеристик, выход пилообразного напряжения генератора качающейся частоты подключен к входу развертки индикатора частотных характеристик, введены интегратор, индикатор величины пьезомодуля и блок управления интегратором, причем вход измеряемого сигнала интегратора подключен к выходу синхронного детектора, а выход интегратора - к входу индикатора величины пьезомодуля, вход блока управления интегратором подключен к выходу пилообразного напряжения генератора качающейся частоты, а его выход - к управляющему входу интегратора.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 приведена частотная характеристика активной составляющей проводимости пьезокерамического элемента в области резонанса; на фиг.3 - эквивалентная электрическая схема пьезокерамического элемента в области резонанса; на фиг.4 - схема интегратора; на фиг.5 - схема блока управления работой интегратора.

Устройство для контроля пьезокерамического элемента, приведенное на фиг.1, содержит генератор 1 качающейся частоты (ГКЧ), усилитель 2 мощности, токовый резистор 3, включенный в разрыв "земляного" провода пьезокерамического элемента, синхронный детектор 4, индикатор 5 частотных характеристик (ИЧХ), индикатор 6 величины пьезомодуля, интегратор 7 и блок 8 управления интегратором. Выход синусоидального сигнала ГКЧ 1 подключен к входу усилителя 2 мощности, выход усилителя 2 мощности нагружен на пьезокерамический элемент, в разрыв земляного провода которого включен токовый резистор 3, один вход синхронного детектора 4 подключен к выходу усилителя 2 мощности, другой - к токовому резистору 3, вход измеряемого сигнала ИЧХ 5 подключен к выходу синхронного детектора 4, вход развертки - к выходу пилообразного напряжения ГКЧ 1, вход индикатора 6 величины пьезомодуля подключен к выходу интегратора 7, вход измеряемого сигнала интегратора 7 подключен к выходу синхронного детектора 4, управляющий вход - к выходу блока 8 управления интегратором, вход блока 8 управления интегратором подключен к выходу пилообразного напряжения ГКЧ 1.

Работа устройства при контроле величины пьезомодуля происходит следующим образом.

После подключения пьезокерамического элемента между выходом усилителя мощности и токовым резистором устанавливают на ГКЧ определенное время качания частоты и границы частотного диапазона, в которых находится области резонанса пьезокерамического элемента. Включают качание частоты на выходе ГКЧ. На выходе синхронного детектора с помощью ИЧХ регистрируется частотная характеристика активной составляющей проводимости, типовой вид которой приведен на фиг.2. Одновременно в моменты начала и окончания сканирования частоты (начала роста и уменьшения до нуля величины пилообразного напряжения) блок управления интегратором включает и выключает интегратор, и по окончании качания частоты в момент обратного хода луча на ИЧХ на выходе интегратора появляется сигнал, соответствующий интегралу от кривой активной составляющей проводимости в заданном диапазоне частот (соответствующий площади под кривой активной составляющей проводимости), который и регистрируется индикатором величины пьезомодуля.

Покажем, что сигнал на выходе интегратора, возникающий за время качания частоты, несет информацию о величине пьезомодуля контролируемого пьезокерамического элемента.

Как известно (см. , например, Пьезокерамические преобразователи. /Справочник под ред. С.И. Пугачева. Л.: Судостроение, 1984, с72), пьезокерамический элемент в области резонанса описывается эквивалентной электрической схемой, приведенной на фиг.3.

Проводимость пьезокерамического элемента записывается в виде
Y = G+jB = + jC_o- где X_д = ω L - 1/ ωC.

Активная составляющая проводимости может быть переписана следующим образом:
G(ω) = где ν=(ω/ω_p-ω_p/ω); ω_p - частота механического резонанса пьезокерамического элемента ( ω_p=2πf_p ); θ - механическая добротность ( θ = 1/ω_p RC)).

Интегрируя функцию G(ω ) в пределах от 0 до ∞ , получим
S = G(ω)dω = G(ω)dω =
Замена пределов интегрирования возможна, так как вне области резонанса ω₁-ω₂ можно полагать G(ω ) = 0.

Параметры эквивалентной электрической схемы, приведенной на фиг.3, связаны с параметрами механической колебательной системы пьезоэлектрического элемента через квадрат коэффициента электромеханической трансформации N. В частности, L = m_Э(N²)^-1, где m_Э - эквивалентная масса, зависящая от формы пьезоэлемента и его массы m. Например, для пьезоэлемента в форме стержня m_Э = m/8, кольца m_Э = m.

То есть
S = ·
С другой стороны, коэффициент электромеханической трансформации пьезокерамического элемента связан с величиной пьезомодуля линейной зависимостью. Например, для стержня при поперечном и продольном пьезоэффекте соответственно
N = , N = где S₁₁^E, S₃₃^E - компоненты упругой податливости; W, t, l - соответственно ширина, толщина и длина стержня. Аналогичные (5) соотношения записываются и для пьезокерамических элементов другой формы, в том числе и при определении пьезомодуля при сдвиговых колебаниях d₁₅.

Таким образом, можно записать
S = A˙d², (6) где A - некоторая константа, зависящая от массы, формы, геометрических размеров и упругих свойств материала пьезокерамического элемента; d - пьезомодуль для соответствующего типа поляризации и моды колебаний.

То есть, площадь под кривой активной составляющей проводимости пьезокерамического элемента и квадрат величины пьезомодуля связаны линейной зависимостью, что и требовалось доказать.

Таким образом, если вначале установить между усилителем мощности и токовым резистором в схеме, приведенной на фиг.1, пьезоэлемент с известной величиной пьезомодуля (эталонный) и провести измерения с помощью предлагаемого устройства, то на индикаторе величины пьезомодуля будет сигнал вида
I_Э = ЭAd_Э², (7) где Э - некоторая константа, зависящая от параметров электронных узлов, входящих в состав устройства.

Если теперь настроить индикатор величины пьезомодуля так, что I_Э = 100% , то при последующей установке и измерениях испытуемого элемента, однотипного с эталонным, то есть имеющего ту же форму, размеры, массу и изготовленного из того же материала, показания индикатора величины пьезомодуля будут
I = ЭAd² = d² = 100%
То есть, на выходе индикатора величины пьезомодуля будет сигнал, показывающий, какую часть в процентах составляет квадрат величины пьезомодуля испытуемого пьезокерамического элемента от квадрата величины пьезомодуля эталонного образца, что и позволяет проводить контроль пьезокерамических элементов по величине пьезомодуля.

Таким образом, при использовании заявляемого устройства цель, а именно контроль пьезокерамических элементов по величине пьезомодуля, достигается.

Если в качестве индикатора величины пьезомодуля использовать последовательно соединенные блок извлечения квадратного корня и стрелочный прибор, то переднюю панель стрелочного прибора можно проградуировать непосредственно в единицах пьезомодуля.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: устройство содержит генератор качающейся частоты, усилитель мощности, токовый резистр, синхронный детектор, индикатор частотных характеристик, интегратор, индикатор величины пьезомодуля и блок управления интегратором. Выход усилителя мощности подключен к общей шине через последовательно включенные контролируемый пьезокерамический элемент и токовый резистор, к точке соединения которых подключен второй вход синхронного детектора. 5 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащее генератор качающейся частоты, усилитель мощности, токовый резистор, синхронный детектор и индикатор частотных характеристик, причем выход синусоидального напряжения генератора качающейся частоты подключен к входу усилителя мощности, выход усилителя мощности подключен к первому входу синхронного детектора и к общей шине через последовательно включенные контролируемый пьезокерамический элемент и токовый резистор, к точке соединения которых подключен второй вход синхронного детектора, выход синхронного детектора связан с входом измерения индикатора частотных характеристик, а выход пилообразного напряжения генератора качающейся частоты подключен к входу развертки индикатора частотных характеристик, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения контроля величины пьезомодуля, в него введены интегратор, индикатор величины пьезомодуля и блок управления интегратором, причем вход измерения интегратора подключен к выходу синхронного детектора, а его выход - к входу индикатора величины пьезомодуля, вход блока управления индикатором подключен к выходу пилообразного напряжения генератора качающейся частоты, а выход - к управляющему входу интегратора.