Способ контроля качества пьезоэлектрических преобразователей Советский патент 1988 года по МПК G01R29/22 

ел, со

4ik

Oi СО

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано, например, для автоматической проверки соответствия акселерометров требованиям технических условий при их серийном выпуске. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей - достигается за счет определения чувствительности - пьезоэлектрического преобразователя. Устройство, реализуннцее способ, содержит генератор 1 синусоидальных сигналов, соединенный с частотомером 2 и через ключ 3 с усилителем мощности 4. К выходу усилителя подключены последовательно соединенные пьезо- преобразователь 5 и резистор 6. На чертеже также показаны коммутатор 7, измерительный блок 8 и блок 9 управления. Способ предусматривает выполнение девяти измерительных операций, а качество контролируемого преобразователя определяют по расчетной математической формуле, приведенной в описании изобретения. 4 ил. § (Л

C 3i/2j

113

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано, в частности, для автоматической проверки соответствия акселерометров требованиям технических условий при их серийном и массовом выпуске.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения чувствительности пьезо- электрического преобразователя.

На фиг.1 приведено устройство, реализующее способ,- на фиг.2 - механическая схема виброприемника, состоящего из основания, пьезоэлемента и инерционного элемента; на фиг.З - эквийалентная электромеханическая схема виброприемника; на фиг.4 - эквивалентная электрическая схема виброприемника (акселерометра) для случая подачи на его вход электричес

кого напряжения U(t)U..

(pt

+ ip ) и отсутствия Возбуждения на его механическом входе.

Устройство (фиг; 1) содержит гене-- ратор 1 синусоидальных сигналов, соединенный с частотомером 2 и через КЛЮЧ 3 с усилителем 4 мощности, к вы I ходу которого подключены последова- 1тельно соединенные пьезопреобразова- Iтель 5 и резистор 6, коммутатор 7, измерительный блок 8 и блок 9 управления .

Сущность способа заключается в слдующем.

Рассмотрим виброприемник, состоящий из основания, пьезоэлемента и инерционного элемента. Известно,что перечисленные узлы могут ,быть представлены в виде эффективных масс m,m (основания и инерционной.соответственно) , упругости К и сопротивлния потерь г. В принятых обозначениях механическая схема виброприемника показана на фиг.2 (а - ускорение, действующее на вход виброприемника) Запишем уравнения электромеханического преобразования для пьезоэлемента, выбрав в качестве переменньпс напряжение U на его электрической стороне и скорость V сох (со - частота, X - изменение размера пьезоэлемента) на механической стороне:

j

CflU

+ Nv;

+ г) V, (1) где I - ток на электрической стороне i

NU .(--.

/-1

F - сила на механическом входе, Г емкость пьезоэлемента (акселерометра) при V 0; аффективная гибкость пьезоэлемента J ,,

Мп коэффициент электромеханического преобразования. При возбуждении на частоте о) виброприемника со стороны основания ускорением а и силой F для пьезоэлемента выполняются следующие граничные условия:

а - а, 5

F

F ,(2)

где

г - ускорение инерционной массы.

Из уравнений (1) с учетом (2) получаем систему уравнений, описывающую виброприемник как электромеханический четырехполюсник, на механическом и электрическом

действуют F ветственно:

и а,, и

NU

Ш

а - )

I

jwc.u + N S-Sr,

Вводя идеальньп электромеханический трансформатор с коэффициентом трансформации N,, получаем эквивалентную электромеханическую схему виброприемника, приведенную на фиг.З, где приняты следующие обозначения:

С. R гАГ,- Ц L m./N -,

где Сд, R, L,Lj, - электрические аналоги соответствующих механических величин С, г, m,tnp.

Из анализа эквивалентной схемы следует, что для коэффициента преоб- раэования (чувствительности) X (оо1 виброприемника справедливо соотношение

частота виброприемника при

его возбуждении с механической стороны.

Рабочий диапазон частот о) пьезо- , акселерометров, как правило, выбирается из условия 0) сОо . В этом случае

(C

.-Cj)

(5)

Таким образом, для определения чувствительности А пьезоакселеромет- ров известной конструкции (т const)

необходимо измерение величин С

1

и N. Последнее возможно в результате того, что на электрический вход акселерометра подается напряжение вида U(t) Ucos (сОр t + if ), а механический вход не подвергается воз- булотению. Эквивалентная схема для этого случая представлена на фиг.4.

Пусть в момент времени t О возбуждение прекращается и переключатель П переводится в положение 2.

Ток через сопротивление Rg(Rg«-)

Up L,

определяется соотношением

tf l(t) l6cos(c0pt +(p)e-°% (6)

где f CO /29 - декремент затухания; 9 - механическая добротность преобразователя Ig у - начальная амплитуда

и фаза свободных затухающих колебаний.

В силу условия непрерывности (ра- венстве токов в цепи R,C,L в момент отключения и в начальный момент свободных колебаний) имеем

С O.Kt) -(c6sы,t)e (7) Или при 1„-U/R,

Таким образом, измеряя амплитуду тока через сопротивление R сразу после отключения возбуждаюп(его напря жения, можно определить величину R:

R У- .(8)

0

Принимая во внимание, что

JjL

б e(,)Ni

получаем соотношение, определяющее коэффициент трансформации:

N ,E™ZiZ. (10) 1ке(т,-ьт„)

.Используя для Q выражение 9 l/CJpRCa, получаем

О

10

С. 1/(Ор R0.

(to

15

20

В соответствии с законом Кирхгофа ток I, протекающий на входе виброприемника при его возбзткдении, представляет собой сумму тока через емкость Сд и тока в цепи R,L,C, т.е.

U-J(WpC) ,.

1

(12)

Последнее соотношение с учетом (S) позволяет определить С.

с. иБ7

(13)

Решив совместно (5), (9), (10), (13) получаем

:i4)

где К

: 112в1 5 г1Шг 1 т„

4045

0

55

Постоянная -К, входящая в формулу (14), зависит только от величин т и т, которые в условиях серийного производства у всех акселерометров равны. Это позволяет, однократно измерив К на одном из акселерометров, например, с помощью вибростенда путем прямого измерения у и последующего вычисления К из уравнения (14), использовать зту величину в качестве постоянной для всей последующей партии.

Способ осуществляют следующим образом.

Возбуждают пьезопреобразователь 5 радиоимпульсом с прямоугольной огибающей. Для этого по команде с блока 9 управления включают генератор 1 и ключ 3. Измеряют амплитуду радиоимпульса и. Для этого подают на вход блока 8 сигнал с выхода усилителя 4 через коммутатор 7. Затем обрывают радиоимпульс в момент, соответствующий равенству нулю напряжения на преобразователе (с| с1Г/2) . Для этого, по комацде с блока 9 изменяют длительнрсть радиоимпульса и фиксируют с по- мрщью блока 8 фазу напряжения на преобразователе. При выполнении условия CJ « /2 (переход напряжения через 0) блок 9 вьщает сигнал, запирающий 3, и возбуждение преобразователя прекращается.

Далее устанавливают частоту за- г:олнения радиоимпульса сЭр . Для этого на вход блока 8 через коммутатор 7 ггодают сигнал с резистора 6 (RB i 1/03pC), прбпорцйональньй току короткого замыкания. В блоке 8 прово- Аится определение амплитуды тока IQ начале переходного процесса. По ко- нанде с блока 9 в генераторе 1 про- 1сходит изменение частоты генерируемых колебания, и процедура измере- дия величины 1, повторяется. В мо- чент, когда зафиксирован максимум 1о, изменение частоты сигнала в генераторе 1 прекращается. I Для измерения частоты сОрСИгнал с частотомера 2 подается в блок 8.За- |Тем измеряют амплитуду тока 1 (Протекающего через преобразователь во время действия радиоимпульсов, и амп- |литуду.тока начале переходного процесса, возникающего после прекра- щения действия радиоимпульса, i Для определения механической доб- ротности преобразователя б с помощью блока 8 измеряют скорость затухания переходного процесса.

Значение постоянной способа К для партии испытуеьфгх преобразователей измеряется заранее и заносится в память блока 8. ,

В соответствии с формулой (14) определяют чувствительность /р преобразователя и делают вывод о его качестве. Формула изобретения

Способ контроля качества пьезо-

электрических преобразователей, сог

ласно которому в преобразователе возбуждают механические колебания путем подачи на его электроды радиоимпульса с прямоугольной огибающей и частотой заполнения, равной частоте его механического резонанса, и измеряют параметры возникающего переходного процесса, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя, измеряют амплитуду тока возбуждения, возбуждение прерывают в момент равенства нулю мгновенного значения напряжения на электродах преобразователя , электроды замыкают и измеряют амплитуду тока в начале переходного процесса путем измерения падения напряжения на сопротивлении К 1/ЫрХ X Сд , где сОр - частота механического резонанса, статическая емкость резонатора, измеряют величину механической добротности, а о качестве преобразователя судят по величине чувствительности, определяемой по формуле

К

1

- :ж-ти - амплитуда напряжения радиоимпульса возбуждения; 1 - амплитуда тока возбуждения

преобразователя; Ig - амплитуда тока в начале

переходного процесса; 9 - механическая добротность,

К 1 JSai-HJiLSi

m.

дд

45

где тй - масса основания;

т - инерционная масса преобразователя.

r.H С г

0-1, г-IIи

ПГ т

i/cos()

Цзиг2

г

/770

и

I I

фиг.з

Cf

0