Способ определения добротности пьезокерамического элемента Советский патент 1992 года по МПК G01R29/22 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпонентов пьезоэлектрических устройств.

Цель изобретения - упрощение и расширение области использования способа.

Способ заключается в следующем.

Приведенная комплексная проводимость (Y) пьезокерамического элемента (ПКЭ) в окрестности резонансного колебания в общем случае определяется соотношением:

Y UfCo

iA+B (..)f (1)

где СО 2Јf - круговая частота-, С0 - электрическая статическая

емкость РКЭ;

у 2Q(f/f20-1) - обобщенная частотная растройка, О - добротность ПКЭ; f 20 резонансная частота при , практически равная резонансной частоте fr f20 реального ПКЭ (различие не бо- лее П);

А, В -частотонезависимые коэффициенты, определяемые пьезоак- тивностыо ПКЭ, типом и обертоном рассматриваемого колебания .

I

В частном случае стержневого ПКЭ:

1

W

ND ND UP X)

Т(

fn)

в

де К

К.

-г К2 О,

(2)

31

-коэффициент электромеханической связи (КЭМС) продольного колебания стержня ,

номер обертона основной гармоники (п 1), причем С

v.n

nff, n 1.

Исходя из (1) опрегелим резонансную и аитирезонансную частоты ПКЭ, соответствующие частотным экстремумам модупя комплексной проводимости:

,

0

15

25

+ s + /)

ч

Как видно из (5) и (8), методическая погрешность определения О по величине относительного резонансного промежутка определяется однозначно только размахом АЧХ между уровнями резонанса-антирезонанса и, что существенно, не зависит от функционального вида коэффициентов Л П в (1), т,е, от типа и природы колебания, Так нормативная погрешность определения О в 10% ($ 0,1) соответствует интенсивности колебания в 8 дБ, Учитывая, что предельным минимальным надежно фиксируемым затуханием является величина порядка 1 дБ (прибор для исследовании Аиу )( установлен критерий интенсивности размаха AL|X в 1-8 дБ для определения добротности ПКЭ с по- грешностью не хуже +10%, b эгом слу чае расчетная формула для добротности ПКЭ имеем вид:

Изобретение относится к радиотехнике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпо «- нентов пьезоэлектрических устройств. Цель изобретения - упрощение и расширение области использования способа - достигается за счет того, что измеряют частоты резонанса fj, и антирезонанса fq для такого колебания пьезокерамического элемента, размах амплитудно-частотной характеристики которого между уровнями резонанса и антирезонанса находится в пределах 1-8 дБ, а величину добротности находят по формуле (fq-fh), 2 ил. §

(3)

(4)

где о - методическая погрешность определения величины добоотности по величине относительного резонансного промежутка рассматриваемого резонансного колебания:

О Исходя

-Ц- (1 ),

fa-f

(5)

(l), (3) определим динамический размах АЧХ между уровнями резонанса и антирезонанса. Введем для удобства промежуточный,параметр В/2А S, тогда S 1(1 +8 )2-Г. откуда v S + 1 и

i Af- ИС0/Г M

+s).

(6)

/ налогмчно для а н тире зона не ной

ЧаСТОГо При у„ S +-JS +1ПО

лучим:

a

У / cocj

Л(л|нЈ2 - S) ,

Тогда динамический размах копеба- ний составит:

I СО С о/.Т- ---- (

ГХТ ч

WCo/Q

0

5

0

5

0

5

О --iЈ- .(9)

rd tr

Выше приведен анализ исходного выражения (1) для приведенной проводимости ПКЭ в виде Y/63C0 , Влиянием на полученный результат различии значений множителя со а резонансной и антирезонансной частотах можно пое- небречь, так какоЭа/СО 1 + Q при выполнении выдвинутых условий проведения измерений и перепад уровней емкостной составляющей провопи мости составляет менее 0,1 г,Б ( Х 1 дБ) при О 100, К тому же в практическом отношении может в чистом виде соответствовать величине У ПКЭ при активном характере нагрузки измерительной схемы или величине У/6ЭС0 при емкостном характере нагрузки, I

Физическая природа резонансного колебания, удовлетворяющего условиям предлагаемого технического решения, может быть различной: паразитное колебание в окрестности основной гармоники или ее обертонов из-за асимметрии ПКЭ - неоднородность микро- х структуры ПКЗ, рэзнотолщинность слек- трода и пластины ПКЭ, сколы и др, сложный спектр Р тэанкых колебаний из-за близости д у, чапотозадаюпмч рззмероа ПКЭ или Я ,- рмоничЈ1с ие колебания. Определение добротности пррдложенным способом может проводиться по параметрам основной гармоники на начальном этапе поляризации ПКЭ, или по параметрам колебания пленарного типа сдвигового ПКЭ за счет реально существующей компоненты вектора поляризации, перпендикулярной поверхности электрода и т.д.

Однако даже в идеальном случае отсутствия указанных факторов предложенное, техническое решение может быть реализовано на соответствующих обертонах.основной гармоники, наличие которых неизбежно для электромеханических систем с распределенными параметрами, какими и является ПКЭ. Как следует из приведенного расчета при п : 3 (А 1-К2) .

НЬ) .

2 К2 Q 1

n f

(10)

-К2 r(1+S)2-rjf 4

Размах резонансного колебания величиной не более 8 дБ соответствует значению оЈ 0,1, а при размахе не менее 1 дБ Ј s 0,001,. откуда следует что размах колебания лежит в пределах 1-8 дБ для обертона с порядковым номером п из интервала:

(0,9 - 2,5)

Причем для определения пределов значений требуемого номера обертона п на величину КЭМС К может быть взята, например, нормированная величина КЭМС, соответствующая возбуждаемому типу колебаний, используемого в ПКЭ пьезокерамического материала, а за величину Q - нормированная величина механической добротности руц пьезокерамического материала ПКЭ.

На фиг.1 показана зависимость нормированного на добротность относительного резонансного промежутка (fg/fp-lbQ от интенсивности резонансного колебания Т ПКЭ, определяемой по отношению (дБ) уровней резо- нанса-антирезонанса (фрагмент фиг.1). Методическая погрешность определения добротности Q ПКЭ по предлагаемому техническому решению не более 10% обеспечивается при интенсивности

колебания не более 8 дБ. I : I.

На фиг.2 приведены экспериментальные данные зависимости обратной велии

е к

,

.

I.

чины относительного резонансного про- межутка (fa/fy,-1) от интенсивности Т резонансного колебания обертона. Цифры на графике обозначают порядковый номер возбуждаемого обертона (п 1, 3, 5...27), общий интервал частот от 80 кГц (п 1) до 1,3 МГц (п 27). Ю Сплошные линии соответствуют

экстраполяции экспериментальных зна1- чений, пунктирная линия - среднее значение (fa/fr-1)1 no обертонам п 9-23, соответствующее величине f добротности Q ПКЭ (О 330+15). Из- мерения проводились на дисковом ПКЭ 030 хО,3 мм из пьезокерамики ЦТБС-3 с параметрами планарного КЭМС Кр 0,48 и Q/v, 320 (добротность опре- 20 делялась по известному методу на основной гармонике),

Для исследуемого ПКЭ расчет по (11) дает возбуждаемые целые нечетные значения п из интервала 8,8-2,4, 25 т.е. п 9-23. Интенсивность этих обертонов лежит в требуемом интервале 1-8 дБ, значение добротности удовлетворительно совпадает с результатом измерения по прототипу. При п 9 (Т 8 дБ) относительный резонансный промежуток уже определяется величиной КЭМС, а не добротностью, а при (Т.1 дБ) погрешность определения добротности превышает допустимую норму из-за слабого уров- 35 ня размаха ДЧХ - на пределе чувствительности измерительного прибора

(Х1-49). i

Предложенный способ реализован

л следующим образом.

Измерение резонансной и антирезонансной частот проводится на приборе для исследования АЧХ Х1-А9 (с логарифмическим преобразователем). Калиб«с руется уровень затухания в 9 дБ, например, соответствующий 1-й клетке на экране прибора, В режиме непрерывной .частотной развертки путем плавного изменения номинальной час50 тоты развертки просматривается АЧХ ПКЭ и проводится измерение частот Јf и fa колебания с размахом 1-8 дБ.

Упрощение способа определения доб ротности ПКЭ достигнуто за счет уменьшения числа измеряемых парамет-,

30

S5

ров и измерительных операции - измеряют, лишь частоты fa, fp и размах АЧХ. При этом область использования способа расширена также на такие

1

ГЖЭ, добротность которых по известному способу определяется с недопустимо большой погрешностью в силу, например, низкой пьезоактивности, отсутствия моночастотности и т.п.

Формула изобретения

Способ определения добротности- пьезокерамического элемента, заключающийся в возбуждении пьезоэлемента гармоническим сигналом, регистрации сигнала реакции пьезоэлемента, измерении резонансной и антирезонансной

Ри.г i

32298 -8

частот и расчете величины добротностиг отличающийся тем, что,

с целью упрощения и расширения области использования способа измеряют резонансную fj. и антирезонансную Јл частоты для колебания с динамическим размахом амплитудно-частотной характеристики между уровнями нанса и антирезонанса в пределах 1-8 дБ и величину добротности пьезоэлемента находят по формуле

fp

Q

fcTfr

2S

300

HTBf-3

@м 3,(e

00

tj 1

- - 3 f S- А

, 61 301-IS

-ч

Я

3

HJ-r4f- -Я- 3 2.M 66 TfAg

P««. 2