СПОСОБ НОРМАЛИЗАЦИИ ЗАРЯДОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2007 года по МПК G01H11/08 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, в балансировочных станках, динамометрах, акселерометрах и других приборах и оборудовании.

Широко известны пьезоэлектрические преобразователи, например, см. книги:

1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф. - м.н. В.М.Матвеева, - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с, с.396-421 [1].

2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-е переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 576 с. с ил., с.272-288 [2].

3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hüthig, 1993, 346 с., с.47-64 [3].

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на измерении электрического заряда Q, возникающего при приложении, например, внешней силы F к пьезокерамической пластине. При этом электрический заряд Q, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, пропорционален величине приложенной силы F.

Q=d·F

где d - пьезоэлектрический коэффициент (пьезомодуль), измеряемый в Кл/Н.

Известны два метода обработки сигналов от пьезоэлектрических преобразователей:

- первый метод - усиление напряжения;

- второй метод - усиление величины заряда Q.

Также известно, что пьезоэлектрические преобразователи используются широко в различных устройствах, которые эксплуатируются в довольно широком температурном диапазоне. Например, характеристики пьезоэлектрического коэффициента d (пьезомодуля) в зависимости от температуры для пьезоэлектрического материала ЦТБС-3: при изменении температуры от +20°С до +60°С (соответственно от 293°К до 333°К) значение пьезомодуля изменяется от 175 до 205 единиц, то-есть более чем на 16%.

А для материала PIC 155, например, при изменении температуры от +20°С до +60°С значение пьезомодуля изменяется более чем на 22%.

Такой разброс значений пьезомодуля в зависимости от температуры среды является в некоторых приборах просто недопустимым, например в балансировочных станках, которые относятся к высокоточному измерительному оборудованию. А в конструкции этих станков используются пьезоэлектрические преобразователи в качестве различных датчиков.

Таким образом, использование пьезоэлектрических преобразователей с низким значением относительного коэффициента изменения пьезомодуля в зависимости от температуры не всегда экономически целесообразно. То-есть для повышения стабильности пьезомодуля необходимо использовать дорогостоящие комплектующие элементы и принимать сложные схемные решения.

Пьезокерамические материалы с низким относительным коэффициентом изменения пьезомодуля от температуры имеют меньшее значение пьезомодуля, а в ценовом соотношении намного дороже, и к тому же для получения заданного значения пьезомодуля требуется соединять ряд пластин параллельно, что также ведет к значительным материальным затратам.

Например, для стабильного функционирования балансировочного станка с высокой точностью балансировки необходимо предусматривать в его конструкции устройства, гарантирующие поддержание постоянной температуры пьезоэлектрических преобразователей (датчиков). Или в противном случае пользователь станка обязан периодически производить калибровку этих датчиков через определенный промежуток времени. А это, в свою очередь, существенно снижает производительность труда.

Целью предлагаемого изобретения является за счет нового технического решения существенно расширить температурный диапазон стабильной работы оборудования и приборов, снабженных пьезоэлектрическими преобразователями-датчиками, улучшение их метрологических характеристик, а также упрощение работы пользователя на таком оборудовании.

Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом.

Для этого предлагается способ нормализации зарядочувствительной характеристики электрических преобразователей, то-есть пьезоэлектрический модуль d пересчитывают как функцию d(t) от температуры t или приближают отклонения характеристик силы, момента, ускорения к нулю при определенной калибровочной температуре t_k, то-есть

где t₁...t₂ - заданный температурный диапазон работы пьезоэлектрического преобразователя;

F_k(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочной силе F_k и при температуре t;

F_k(t_k) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочной силе F_k и при температуре t_k;

М_k(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном моменте M_k и при температуре t;

М_k(t_к) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном моменте М_к и при температуре t_к;

а_к(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном ускорении а_к и при температуре t;

а_к(t_к) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном ускорении а_к и при температуре t_к.

Предлагаемый способ характеризуется тем, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат(ы) этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения.

То-есть необходимо определить новое значение функции d(t), аргументом которой является температура t. Так как аргумент функции d(t) неизвестен, то его значение рассчитывают из функции c(t).

А так как емкость пьезоэлектрического преобразователя С определяют в результате измерения на первом этапе, то внутреннюю температуру t пьезоэлектрического преобразователя определяют в зависимости от емкости С.

И с учетом найденного значения температуры уменьшают или увеличивают значение пьезомодуля, то-есть фактически нормализуют (производят перерасчет) значения силы или изгиба или ускорения в зависимости от температуры.

При этом процесс нормализации производится устройством нормализации в течение всего времени эксплуатации оборудования или прибора.

Близкого аналога предлагаемому способу нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей в доступной научно-технической и патентной информации не обнаружено.

Перечень фигур на чертежах.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, то-есть схема преобразования силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе, в цифровой код.

На фиг.2 - то же, но измерительная цепь вынесена за ключ управления, который имеет два положения.

Устройства преобразования по фиг.1 и 2 содержат следующие узлы. К пьезоэлектрическому преобразователю 1, обладающему собственной емкость С_П и сопротивлением R_П, подключена измерительная цепь 2, состоящая из резистора и конденсатора, которая предназначена для расширения частотного диапазона измерения.

Через ключ управления 3 подключен измеритель емкости 4, который измеряет суммарную емкость: пьезоэлектрического преобразователя 1, емкость Кабеля, емкость конденсатора измерительной цепи 2 и входящую емкость повторителя напряжения 5 с большим входным сопротивлением.

К выходу повторителя напряжения 5 подсоединен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, выход которого соединен со входом нормализатора характеристики 7, выполняющего функции нормализации d[t(c)], другой вход которого подключен к выходу измерителя емкости 4.

Нормализатор характеристики 7 выполнен программно, на выходе которого получается (вычисляется) действительное значение сигнала в виде цифрового кода, уже приведенного значения силы или изгиба или ускорения.

Преобразователь по схеме на фиг.2 отличается от преобразователя по схеме на фиг.1 тем, что использован ключ управления 8 на два положения и измеритель цепи 2 вынесен к входу повторителя напряжения 5.

Предлагаемый способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя осуществляют посредством устройства преобразователя по схеме на фиг.1 следующим образом.

Устройство преобразователя переводят в режим измерения емкости пьезоэлектрического преобразователя 1. Для этого, например, балансировочный станок останавливают, то-есть, чтобы электрический сигнал с выходов пьезоэлектрического преобразователя не поступал на вход схемы по фиг.1.

Далее, включают ключ управления 3 (фиг.1) и производят измерение емкостей: пьезоэлектрического преобразователя 1 (С_П); кабеля - монтажной емкости (С_К); конденсатора измерительной цепи 2 (С_ИЦ); входной емкости повторителя напряжения 5 (С_ВХ).

Общая измеренная емкость устройства преобразователя С_Х по фиг.1 является суммой перечисленных емкостей:

С_Х=С_П+С_К+С_ИЦ+С_ВХ

Так С_К, С_ИЦ, С_ВХ известны, а С_Х может быть вычислена на первом этапе измерения емкости пьезоэлектрического преобразователя 1, то из данной приведенной выше формулы вычисляем искомое значение емкости С_П пьезоэлектрического преобразователя 1.

Далее, это значение С_П вводится в нормализатор характеристики 7 (фиг.1). А затем отсоединяют ключ управления 3 и, например, балансировочный станок готов к работе.

Сам нормализатор характеристики 7 выполнен программным способом. Дополнительно в него вводится информация о значении пьезомодуля при заданной температуре и емкости пьезоэлектрического преобразователя С_П также при заданной температуре, а также значения функции зависимости абсолютного или относительного изменения значения пьезомодуля от температуры.

Перечисленные характеристики имеют конкретные значения и указаны в паспортных данных для каждого вида пьезоэлектрического преобразователя. Например, в простейшем случае характеристика нормализатора 7 будет иметь следующий вид:

где К_П - характеристика нормализатора 7;

t=f(c);

t - пересчитанное значение температуры в зависимости от емкости С пьезоэлектрического преобразователя;

U_вх.н - "входное напряжение" нормализатора характеристики 7 (код);

U_вых.н - "выходное напряжение" нормализатора характеристики 7 (код);

- относительный коэффициент изменения пьезоэлектрического модуля в зависимости от температуры.

Функционирование устройства преобразователя по фиг.2 аналогично работе устройства по фиг.1 за исключением того, что общая измеренная емкость С_Х преобразователя и пьезоэлектрического преобразователя равна сумме емкости пьезоэлектрического преобразователя 1 С_П и емкости кабеля С_К, то-есть

С_Х=С_П+С_К

и это конструктивная особенность преобразователя по фиг.2.

Так как значение емкости С_П значительно больше значения емкости С_К(С_П≫С_К), то значением емкости кабеля С_К можно пренебречь, то-есть устройство измерения емкости по фиг.2 фактически сразу измеряет значение емкости пьезоэлектрического преобразователя 1.

Если значения d(t) или c(t) неизвестны, то калибровку преобразователя по фиг.1 можно производить по следующей схеме:

1. устанавливают температуру пьезоэлектрического преобразователя 1, допустим t₁, измеряют значение емкости пьезоэлектрического преобразователя 1 С₁ при заданной температуре;

2. прикладывают к пьезоэлектрическому преобразователю калибровочное значение силы, момента или ускорения, получая на выходе АЦП 6 значение "напряжения" U₁;

3. устанавливают температуру пьезоэлектрического преобразователя 1, равную t₂, и аналогичным образом получают значения C₂ и U₂.

При нормальной работе преобразователя по фиг.1 нормализация зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя 1 в простейшем случае может быть выражена в виде формулы:

где К_П - характеристика нормализатора 7;

U₁ - значение "напряжения" на выходе АЦП 6 при приложении к пьезоэлектрическому преобразователю 1 калибровочного значения силы, момента или ускорения;

ΔU=U₂-U₁;

ΔC=C₂-C₁

С - емкость пьезоэлектрического преобразователя 1, измеренная до начала цикла работы преобразователя по фиг.1 или 2.

Предлагаемый способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей позволяет расширить температурный диапазон работы пьезоэлектрических преобразователей и более точно измерять фактические значения контролируемых величин на различных видах оборудования, в которых используются пьезоэлектрические преобразователи (датчики).

Литература

1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф. - м.н. В.М.Матвеева. - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с., с.396-421.

2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-е переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 575 с. с ил., с.272-288.

3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hüthig, 1993, 346 с., с.47-64.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, в балансировочных станках, динамометрах, акселерометрах и других приборах и оборудовании. Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона стабильной работы оборудования и приборов, снабженных пьезоэлектрическими датчиками, улучшение метрологических характеристик и упрощение работы пользователя. Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей заключается в том, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения. При этом процесс нормализации производится устройством нормализации в течение всего времени эксплуатации оборудования или прибора. 2 ил.

Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей, характеризующийся тем, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат(ы) этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы, или изгиба, или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения.