УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01R29/22 G01H13/00 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для прецизионного измерения двух параметров пьезоэлемента: собственной частоты и добротности в процессе изготовления радиокомпонентов, шлифования, напыления на пьезоэлектрическую подложку и других операций. Известны применения идентификаторов двух параметров пьезоэлемента (собственной частоты и добротности) для косвенного измерения таких технологических параметров, как температура, давление, влажность и вязкость.

Известен способ измерения добротности объекта и устройство для его осуществления (патент РФ N 2059209, МКИ G 01 H 3/12. Опубл. в БИ, 1996, N 12), заключающийся в том, что электромеханическим преобразователем возбуждают изменяющиеся по частоте механические колебания в объекте и по параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) этого объекта определяют его добротность. Устройство содержит свип-генератор, связанный с его выходом электромеханический преобразователь и соединенный с последним блок индикации и обработки сигналов, выполненный в виде устройства дифференцирования АЧХ по частоте, включенных в нее элементов памяти значений частот экстремумов этой АЧХ и вычислитель. К недостаткам подобных устройств относится низкая точность при воздействии индустриальных помех, неизбежно присутствующих в АСУ ТП производства радиокомпонентов на пьезоэлектрической подложке, а также смещения в оценках параметров, вызванное поляризацией суспензии в притирах шлифовального или полировального станка.

Известно устройство для измерения параметров кварцевых генераторов (патент РФ N 2085958, МКИ G 01 R 29/22. Опубл. в БИ, 1997, N 21), содержащее источник питания, усилитель, генератор опорной частоты, первый и второй делители частоты, первый и второй блоки памяти, измеритель временных интервалов и регистратор, отличающееся тем, что для расширения функциональных возможностей в него введены детектор, узел выборки - хранения, аналого-цифровой преобразователь, элемент задержки, вычислитель и узел сравнения разности кодов. Недостатком подобного устройства является низкая помехоустойчивость детектора и аналого-цифрового преобразователя, на входе которых отсутствует фильтрация широкополосных помех, неизбежно присутствующих в технологическом процессе изготовления пьезоэлементов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для контроля собственной частоты пьезоэлемента в технологическом процессе его изготовления (А.с. 1626201, СССР, МКИ G 01 R 27/28, Опубл. в БИ, 1991, N 5), содержащее генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к внешним возбуждающим электродам для подключения исследуемого пьезоэлемента в схему четырехполюсника с минимальными потерями, последовательно соединенные смеситель, супергетеродинный приемник, ключ, интегратор и аналого-цифровой преобразователь, управляющий выход которого подключен к входу установки счетчика, входу сброса интегратора, счетный вход счетчика подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход - к управляющим входам ключа и аналого-цифрового преобразователя, выходной электрод для подключения измеряемого пьезоэлемента подключен к первому входу смесителя, а также блок индикации с дешифратором, счетный триггер, первый и второй буферный регистр, информационные входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, счетный вход триггера подключен к выходу счетчика, единичный выход счетного триггера подключен к управляющему входу второго буферного регистра, а нулевой выход к управляющему входу первого буферного регистра. Это устройство предлагалось для повышения точности измерения собственной частоты пьезоэлемента за счет уменьшения влияния индустриальных помех и инструментальных погрешностей интегратора, но оно не позволяет измерять добротность пьезоэлемента в технологической оснастке, поскольку для решения указанной функции в нем отсутствуют устройства, обеспечивающие фильтрацию импульсных откликов пьезоэлемента в реальном масштабе времени без искажения оценки его добротности.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей, частотного диапазона и точности измерения второго параметра пьезоэлемента, например добротности.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к внешним возбуждающим электродам исследуемого пьезоэлемента, последовательно соединенные смеситель, супергетеродинный приемник, ключ, интегратор и аналого-цифровой преобразователь, управляющий выход которого подключен к входу установки счетчика, входу сброса интегратора, счетный вход счетчика подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход - к управляющим входам ключа и аналого-цифрового преобразователя, выходной электрод для подключения измеряемого пьезоэлемента подключен к первому входу смесителя, а также блок индикации с дешифратором, счетный триггер, первый и второй буферные регистры, информационные входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя, счетный вход триггера подключен к выходу счетчика, единичный выход счетного триггера подключен к управляющим входам второго буферного регистра, а нулевой выход - к управляющему входу первого буферного регистра, дополнительно введены модулирующий генератор, делитель частоты, арифметический умножитель-делитель, информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго буферных регистров, управляющий вход соединен с единичным выходом счетного триггера, а информационный выход через дешифратор соединен с входом блока индикации, первый выход модулирующего генератора через делитель частоты соединен с входом генератора прямоугольных импульсов, а второй выход соединен со вторым входом смесителя. Кроме того, вход внешний синхронизации супергетеродинного приемника подключен к выходу термостабилизированного кварцованного генератора опорной частоты модулирующего генератора.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения параметров пьезоэлементов в технологическим процессе изготовления. На фиг. 2 представлены временные диаграммы сигналов устройства.

Устройство содержит модулирующий генератор 1 с первым высокочастотным, вторым амплитудно-модулированным, и третьим частотно-кварцованным выходами соответственно, делитель частоты 2, посредством которого когерентно синхронизируется генератор прямоугольных импульсов 3, исследуемый пьезоэлемент 4, смеситель 5, супергетеродинный приемник 6, управляемый ключ 7, интегратор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, счетчик 10, счетный триггер 11, первый 12 и второй 13 буферные регистры памяти, арифметический умножитель-делитель 14, и блок индикации 15 с дешифратором. Первый выход модулирующего генератора 1 через делитель частоты 2 и генератор прямоугольных импульсов 3 соединен с внешними возбуждающими электродами, между которыми расположен исследуемый пьезоэлемент 4. Выход исследуемого пьезоэлемента 4 и амплитудно-модулированный второй выход модулирующего генератора 1 подключены соответственно к первому и второму входам смесителя 5, выход которого соединен с входом супергетеродинного приемника 6, выход которого подключен к информационному входу ключа 7. Выход ключа 7 соединен с информационным входом интегратора 8, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя 9. Управляющий выход аналого-цифрового преобразователя 9 соединен с установочным входом счетчика 10 и входом сброса интегратора 8. Выход счетчика 10 соединен со счетным входом триггера 11, первый нулевой выход которого соединен с управляющим входом первого буферного регистра 12, второй, единичный выход триггера 11 соединен с управляющим входом второго буферного регистра 13 и управляющим входом арифметического множителя-делителя 14. Информационные входы первого 12 и второго 13 буферных регистров подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя 9, а информационные выходы первого 12 и второго 13 буферных регистров соединены соответственно с первым и вторым информационными входами арифметического множителя-делителя 14, выход которого через дешифратор соединен с входом блока индикации 15. Выход счетчика 10 соединен также с управляющим входом ключа 7 и управляющим входом аналого-цифрового преобразователя 9.

Устройство работает следующим образом. При подаче на вход генератора прямоугольных импульсов 3 через делитель частоты 2 с первого выхода модулирующего генератора 1 высокочастотного сигнала, совпадающего по частоте с собственной частотой ω₁ исследуемого пьезоэлемента, которую предварительно измерили, например, известным устройством - прототипом, преднфазначенным для прецизионного измерения одного параметра пьезоэлемента 4 в технологическом процессе, генератор прямоугольных импульсов 3 передним фронтом и задним фронтом (срезом) прямоугольного импульса когерентно возбуждает импульсные отклики на выходе пьезоэлемента 4, которые подаются на первый вход смесителя 5, на второй вход которого со второго выхода модулирующего генератора 1 поступает амплитудно-модулированный сигнал
F_М(t) = A₂•sin(ω₂t)•sin(ω₁t),
где A₂ - амплитуда гармонического сигнала низкой частоты ω₂ со второго выхода модулирующего генератора;
При этом частота низкочастотной огибающей ω₂ = 2πf₂ значительно меньше собственной частоты ω₁ = 2πf₁ исследуемого пьезоэлемента. Длительность прямоугольного импульса должна быть равной T_и=(n•(1/f₂))+0.5•(1/f₂), где n может быть n= 1,2,3... На фиг. 2 показаны временные диаграммы этих сигналов для одного периода измерения второго параметра пьезоэлемента 4, а именно добротности в технологическом процессе. При n=2 второй импульсный отклик исследуемого пьезоэлемента, возбуждаемый задним фронтом (срезом) прямоугольного импульса, как это показано на фиг. 2, будет когерентно совпадать с низкочастотной огибающей A₂•sin(ω₂t+π/2), что эквивалентно, как это показано ниже, A₂•cos(ω₂t). Результат сложения затухающих синусоидальных колебаний на выходе исследуемого пьезоэлемента и прецизионного амплитудно-модулированного сигнала со второго выхода модулирующего генератора 1 соответствует негармоническому колебанию на выходе смесителя 5, сигнал с выхода которого фильтруется супергетеродинным приемником 6. Для повышения помехоустойчивости и точности сигнал с выхода смесителя через супергетеродинный приемник преобразуют по частоте, детектируют и усредняют интегратором 8, который стробируется одновременно с аналого-цифровым преобразователем 9 и ключом 7 с выхода счетчика 10. Пусть импульсный отклик исследуемого пьезоэлемента 4 описывается уравнением
W₁(t+t_i) = A(t+t_i)•sin(ω₁(t+t_i)), (1)
где а параметр α характеризует добротность пьезоэлемента Q.

В качестве модели идеальной гладкой огибающей можно взять импульсную переходную функцию апериодического звена первого порядка, постоянная времени которого T = 1/α. Это соответствует дифференциальному уравнению первого порядка
T* (dy(t)/dt)+y(t)=0 (2)
Для помехоустойчивого оценивания параметра T используем метод моделирующих функций. Если уравнение (2) умножить на модулирующую функцию F_М(t) = sin(ω₂t) и проинтегрировать на интервале наблюдения импульсной характеристики (ИХ) пьезоэлемента, то в соответствии с правилом интегрирования по частям
T*C₁+C₀=0, (3)
где

Выбор в качестве модулирующей функции F_М(t) = sin(ω₂t) позволяет упростить техническую реализацию, так как когерентное умножение на (t)= dF_м(t)/dt эквивалентно сдвигу по фазе модулирующей функции F_м на π/2, что реализуется соответствующим выбором длительности прямоугольного импульса T_и. Вычисление интегралов от произведений узкополосных высокочастотных колебаний, подаваемых на входы смесителя 5, соответствует уравнению (3), коэффициенты которого C₀ и C₁ с выхода интегратора 8, стробируемого ключом 7, через аналого-цифровой преобразователь 9 в цифровой форме записываются в соответствующие буферные регистры. Доказательство справедливости вышеприведенных сигнальных соотношений можно дополнительно найти, например (Ширман Я. Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь. 1981).

Арифметический умножитель-делитель 14 периодически вычисляет параметр T = 1/α для исследуемого пьезоэлемента. Так как dF_М(ω₂t)/dt = ω₂•cos(ω₂t), то масштабный множитель ω₂ удобнее перенести в арифметический блок умножения-деления вместе с дешифратором блока индикации
T^* = (C₀/C₁•ω₂) (4)
Приведенные на фиг. 2 временные диаграммы сигналов на выходе отдельных блоков устройства для измерения параметров пьезоэлемента в технологическом процессе измерения добротности соответствуют следующим экспериментальным результатам, полученным на макете с балансным фазовым детектором (с частотой исследуемых сигналов до 500 мГц): ω₁ = 2,270292, ω₂ = 6,135923E-02,
C₀ = 250/1697, C₁ = 271/8007,
T_п = 15.0, T^* = 15/00045,
ΔT_П(%) = ((T^*-T_П)/T_П)•100 = -2,981822E-03.
Полученные экспериментальные результаты подтверждают преимущество цифрового устройства измерения параметров пьезоэлемента, в режиме измерения добротности Q = πf₁•T_П ≈ (ω₁/2)•T^* над известными аналогами. Точность может быть улучшена инструментально введением общего опорного высокочастотного термостабилизированного кварцованного генератора для модулирующего генератора 1 и супергетеродинного приемника 6. Калибровку измерительного тракта, который в предлагаемом устройстве один для формируемых коэффициентов C₀ и C₁, можно выполнить, подавая на второй вход смесителя радиоимпульс стробируемый генератором прямоугольных импульсов 3 с внутренней частотой, равной (или близкой) собственной частоте исследуемого пьезоэлемента. В этом случае будет зафиксировано равенство цифровых сигналов на двух буферных регистрах памяти.

Экспериментальный макет разработанного устройства применен для прецизионного измерения температурного коэффициента частоты (ТКЧ) кварцевых пьезоэлектрических пластин в термокамере "Динар - М" для испытания надежности радиокомпонентов. При этом получена погрешность измерения собственной частоты пьезоэлементов на уровне - +5 Гц в диапазоне до 30 мГц, а погрешность измерения добротности кварцевой пластины с накладными электродами в технологической среде в этом же частотном диапазоне значительное меньше, чем в известных аналогичных устройствах. Быстродействие устройства измерения двух параметров пьезоэлементов (собственной частоты и добротности) непосредственно в технологическом процессе изготовления радиокомпонентов позволяет использовать его в реальном масштабе времени в АСУ ТП изготовления радиокомпонентов на пьезоэлектрической подложке практически на всех этапах межоперационного контроля и разбраковки, что в свою очередь уменьшает процент брака годных изделий.

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и может быть использовано для прецизионного измерения двух параметров пьезоэлемета: собственной частоты и добротности в процессе изготовления радиокомпонентов, шлифования, напыления на пьезоэлектрическую подложку и других операций. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, частотного диапазона и точности измерения второго параметра пьезоэлемента, например добротности. Устройство для измерения параметров пьезоэлементов в технологическом процессе изготовления содержит генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к внешним возбуждающим электродам для подключения исследуемого пьезоэлемента, последовательно соединенные смеситель, супергетеродинный приемник, ключ, интегратор и аналого-цифровой преобразователь, а также блок индикации с дешифратором, счетный триггер, первый и второй буферные регистры. Дополнительно введены модулирующий генератор, делитель частоты, арифметический умножитель-делитель, информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго буферного регистров, управляющий вход соединен с единичным выходом счетного триггера, а информационный выход через дешифратор соединен с входом блока индикации, первый выход модулирующего генератора через делитель частоты соединен с входом генератора прямоугольных импульсов, а второй выход модулирующего генератора соединен со вторым входом смесителя, а так же тем, что второй вход супергетеродинного приемника подключен к третьему выходу модулирующего генератора. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения параметров пьезоэлементов в технологическом процессе изготовления, содержащее генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к внешним возбуждающим электродам исследуемого пьезоэлемента, последовательно соединенные смеситель, супергетеродинный приемник, ключ, интегратор и аналого-цифровой преобразователь, управляющий выход которого подключен к входу установки счетчика, входу сброса интегратора, счетный вход счетчика подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход - к управляющим входам ключа и аналого-цифрового преобразователя, выходной электрод для подключения измеряемого пьезоэлемента подключен к первому входу смесителя, а также блок индикации с дешифратором, счетный триггер, первый и второй буферные регистры, информационные входы которых подключены к информационному выходу, аналого-цифрового преобразователя, счетный вход триггера подключен к выходу счетчика, единичный выход счетного триггера подключен к управляющим входам второго буферного регистра, а нулевой выход - к управляющему входу первого буферного регистра, отличающееся тем, что дополнительно введены модулирующий генератор, делитель частоты, арифметический умножитель-делитель, информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго буферных регистров, управляющий вход соединен с единичным выходом счетного триггера, а информационный выход через дешифратор соединен с выходом блока индикации, первый выход модулирующего генератора через делитель частоты соединен с входом генератора прямоугольных импульсов, а второй выход соединен с вторым входом смесителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй вход супергетеродинного приемника подключен к третьему выходу модулирующего генератора.