СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2024 года по МПК G01H1/06 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения электрических параметров пьезоэлектрических преобразователей и пьезоэлементов используемых при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей. Данный тип преобразователей употребляется в промышленности и научных исследованиях при вибродиагностике, ультразвуковом контроле и акустико-эмиссионной диагностике.

Известен способ определения значения частоты установочного резонанса, являющегося первой модой колебаний наинизшей частоты поверяемого пьезоэлектрического вибропреобразователя, и устройство для его осуществления («Способ электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра и устройство для его осуществления», RU 2150708, G01P 21/00, 10.06.2000). Согласно данному техническому решению, поверяемый вибропреобразователь подключают к источнику постоянного напряжения, что приводит к накоплению электрических зарядов на обкладках пьезоэлемента. После чего отключают его выводы от источника напряжения и замыкают обкладки вибропреобразователя накоротко. Заряд пьезоэлемента мгновенно уменьшается до нуля и это уменьшение является ударным импульсом возбуждения затухающих колебаний с частотами характерных мод колебаний данного преобразователя. При этом максимальным уровнем возбуждения обладают низшие моды колебаний.

К причинам, препятствующим возможности адекватного определения параметров пьезопреобразователя при использовании указанного технического решения, относится следующее. При таком виде возбуждения колебаний пьезоэлемента максимальным уровнем возбуждения обладают низшие моды колебаний, поскольку они возникают за счет накопившейся энергии максимального объема материала. Кроме того, в пьезоэлементе при подаче на него постоянного напряжения происходит изменение степени поляризации керамики, что вызывает снижение уровня сигналов при излучении и приеме сигналов, т.е. коэффициента преобразования преобразователя.

Известны способ и устройство определения значения частоты установочного резонанса, являющегося первым и единственным резонансом, связанным с параметром, характеризующим работу поверяемого пьезоэлектрического вибропреобразователя, осуществляемые «Устройством для определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрических датчиков», RU 2176383, G01H 13/00, G01P 21/00, G01R 29/22, 27.11.2001. При реализации данного изобретения используется устройство, содержащее генератор напряжения с переменной частотой, емкостный мост в одно из плеч которого подключают поверяемый вибропреобразователь. Другое плечо моста выполнено в виде конденсатора из неполяризованного пьезоэлектрического материала и поэтому, не имеющего резонансов. На низких частотах выполняется условие балансировки моста поскольку импедансы поверяемого пьезопреобразователя и плеча идентичны. На мост подают электрический сигнал переменной частоты. По максимуму выходного сигнала поверяемого преобразователя определяют значение частоты установочного резонанса. Недостатком этого способа и устройства является сложность измерения величины резонанса поверяемого преобразователя, а также необходимости использовать мостовую схему измерения, что усложняет процесс измерений.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ измерения резонансной частоты механических колебаний пьезокерамических преобразователей (патент G01H 3/00 SU 437923 A1, 1974 г. ). Способ реализуется путем возбуждения механических колебаний в пьезокерамических преобразователях электрическим радиоимпульсом, изменении частоты заполнения радиоимпульса вблизи резонансной частоты, приеме с помощью широкополосного приемного преобразователя, прошедшего через рабочую среду акустический сигнал и фиксации максимальной амплитуды принятого сигнала, по которой судят о измеряемой частоте механических колебаний. К недостаткам данного способа следует отнести сложность его реализации, необходимость предварительного знания величины резонансной частоты, отсутствия возможности определения частоты антирезонанса, что уменьшает объем информации окалибруемом пьезопреобразователе. Необходимо принимать импульс акустических колебаний, прошедший через рабочую среду. А также требуется использовать дополнительный пьезопреобразователь. параметры которого и дополнительная рабочая среда влияют на параметры прошедшего через среду акустического импульса. Нагружение рабочей средой калибруемого преобразователя, акустические параметры рабочей среды, а также дополнительный приемный преобразователь влияют на параметры калибровочного сигнала, тем самым внося погрешности в измерение параметров калибруемого преобразователя, что приводит к ошибкам измерения параметров калибруемого пьезопреобразователя.

Заявляемый способ отличается от прототипа SU 437923 A1 тем, что возбуждение пьезоэлектрического преобразователя осуществляют использованием собственного теплового шума пьезоэлектрического преобразователя, сигнал которого аналогичен белому шуму в рабочем диапазоне частот пьезопреобразователей от десятков кГц до нескольких МГц, измерением частот экстремумов и величин сигнала отображающего изменение импеданса пьезопреобразователя от частоты и определением основных параметров пьезопреобразователя с употреблением измеренных значений.

Цель, которая достигается с применением предлагаемого способа, заключена в повышении точности и достоверности определении параметров пьезопреобразователей используемых в технической диагностике и неразрушающем контроле промышленных объектов, а также в упрощении процедуры измерения параметров. При этом, отпадает необходимость в перестройке частоты сигнала, возбуждающего калибруемый пьезопреобразователь, рабочей среды, дополнительного приемного преобразователя. Собственные тепловые шумы преобразователя, представляющие собой случайный шумовой процесс со спектром, равномерно распределенным в рабочем диапазоне частот служат сигналом естественного происхождения. Этот сигнал на выходе преобразователя отображает его частотную зависимость импеданса Z.

В соответствии с предлагаемым способом используется схема измерений, представленная на Фиг. 1. Выполняется следующая последовательность операций: Подключают калибруемый преобразователь 1 через стандартный предварительный широкополосный усилитель 2 с источником питания 3 ко входу промышленного селективного вольтметра 4, выход которого подключают к промышленному цифровому осциллографу 7. Изменяют частоту настройки селективного вольтметра в выбранном диапазоне частот, соответствующем рабочему диапазону преобразователя, с помощью блока регулировки частоты 5, представляющего собой двигатель постоянного тока с равномерным вращением вала, механически связанным с ручкой перестройки частотыселективного вольтметра. В качестве источника питания двигателя используется генератор импульсов 6. С использованием промышленного цифрового осциллографа регистрируют сигнал собственных тепловых шумов калибруемого пьезопреобразователя в диапазоне рабочих частот пьезопреобразователя.

В качестве примера реализации предлагаемого способа приведен результат измерений при выполнении калибровки серийного преобразователя GT200 №8318 изготовленного ООО «Глобал Тест» (Фиг. 2). Преобразователь подключался ко входу селективного вольтметра SMV-11 фирмы VEB Messelektronik (ГДР) через стандартный предварительный усилитель PREF-015 фирмы INTERUNIS-IT (РФ) с источником питания постоянного тока 24 Вольт. Перестройка частоты вольтметра производилась с использованием двигателя с редуктором постоянного тока 25GA-370 (КНР). В качестве источника питания двигателя используется генератор импульсов АКИП-305 (РФ). При перестройке частоты анализа в диапазоне 50 кГц - 500 кГц и подаче сигнала на вход цифрового осциллографа TBS 1102 В (фирма Tektronix, США) производилась регистрация сигнала собственных тепловых шумов преобразователя. Зарегистрированный сигнал отображает частотную зависимость импеданса калибруемого преобразователя Z, параметры которой содержат информацию о параметрах преобразователя в рабочем диапазоне частот. Тем самым в зарегистрированном сигнале присутствует информация о всех характерных особенностях калибруемого устройства.

На частотной характеристике импеданса пьезопреобразователя Z в рабочем диапазоне частот измеряют частоты, соответствующие минимальным и максимальным значениям импеданса, и измеряют величины импедансов на этих частотах. Частота первого экстремума соответствующего минимуму импеданса является частотой радиального резонанса пьезопластины преобразователя, а частота первого максимума равна частоте антирезонанса радиальных колебаний пьезопластины преобразователя. По шкале ординат логарифмический масштаб. Красная линия соответствует записи шумов резистора (активного сопротивления) величиной R=24 кОм, голубая линия соответствует записи шумов резистора (активного сопротивления) величиной R=50 Ом. Величина импеданса (активного сопротивления) R=R₁=88 Ом на частоте первого минимума, связанного с резонансом пьезопластины преобразователя.

В соответствии с принятой эквивалентной схемой пьезоэлектрических элементов в виде круглых пьезопластин (Фиг. 3а, [1]), которые находят наибольшее применение в пьезоэлектрических преобразователях используемых в практике диагностирования промышленных объектов, первый минимум на кривой (Фиг. 3б) частотной зависимости импеданса z имеет место на частоте резонанса по диаметру ƒ_р1, первый максимум ƒ_a1фиксируется на частоте антирезонанса по диаметру, второй минимум ƒ_р2 соответствует резонансу по толщине пьезопластины, а максимальное значение ƒ_a2 соответствует антирезонансу по толщине пьезопластины. На резонансных частотах импеданс пьезопластины представляет собой активное эквивалентное сопротивление пьезопреобразователя R.

Выполнив измерения параметров пьезопреобразователя ƒ_р1, ƒ_a1 R₁, (на частотах резонанса ƒ_р1 и антирезонанса ƒ_a1 по диаметру) и ƒ_р2, ƒ_a2, R₂ (на частотах резонанса ƒ_p2 и антирезонанса ƒ_a2 по толщине) в соответствии с данным предложением, а также С₀ на низкой частоте ƒ₀ (ƒ₀≤0.1ƒ_р1), можно получить все другие параметры эквивалентной схемы пьезопреобразователя L, С, k_p (коэффициент электромеханической связи), Q (добротность) в соответствии с известными выражениями [2]:

Источники информации

[1] (Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. Т. 1, ч.А. Методы и приборы ультразвуковых исследований. М.: Мир. - 592 с).

[2] Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Шарапов В. Пьезоэлектрические датчики. Москва: Техносфера. 2006. - 632 с.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1

Схема измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей.

Фиг. 2

Зарегистрированный сигнал шумов, соответствующий частотной зависимости импеданса пьезопреобразователя акустической эмиссии GT200 (№8318).

Фиг. 3

а - Эквивалентная электрическая схема пьезопреобразователя в области первой совокупности резонанс-антирезонанс для диаметра пьезопреобразователя;

б - Частотная зависимость импеданса пьезопреобразователя для систем резонанс-антирезонанс колебаний пьезопреобразователя по диаметру и толщине.

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность способа определения электрических параметров пьезоэлектрического преобразователя заключается в том, что возбуждение преобразователя осуществляется посредством использования электрического шумового сигнала, возникающего в результате собственных тепловых колебаний поляризованного пьезоэлектрического материала пьезоэлемента преобразователя, регистрируют полученный при этом электрический сигнал на выходе преобразователя в диапазоне рабочих частот преобразователя, определяют параметры преобразователя, используя величины характерных частот экстремумов, соответствующих частотам резонанса и антирезонансов и значений сигнала на частотах экстремумов, относящихся к резонансной и антирезонансной частотам собственных колебаний преобразователя. Технический результат – повышение точности и достоверности определения параметров пьезопреобразователей. 3 ил.

Способ определения электрических параметров пьезоэлектрического преобразователя, использующего пьезоэлектрический дисковый пьезоэлемент, путем возбуждения преобразователя электрическим сигналом, регистрацию сигнала на выходе преобразователя, отличающийся тем, что возбуждение преобразователя осуществляется посредством использования электрического шумового сигнала, возникающего в результате собственных тепловых колебаний поляризованного пьезоэлектрического материала пьезоэлемента преобразователя, регистрируют полученный при этом электрический сигнал на выходе преобразователя в диапазоне рабочих частот преобразователя, определяют параметры преобразователя, используя величины характерных частот экстремумов, соответствующих частотам резонанса и антирезонансов и значений сигнала на частотах экстремумов, относящихся к резонансной и антирезонансной частотам собственных колебаний преобразователя.