Способ контроля качества пьезоэлектрических преобразователей

 

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 пьезопреобразователь 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (П) 19 А1 (51) 4 С 01 R 29/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

БЫБА ч

С:

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4086342/24-21 (22) 09 ° 07.86 (46) 07.05.88 Бюл. М 17 (71) Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова (72) В.К.Доля, В.П.Дунаевский и

В.Л.Земляков (53) 531.768(088.8), (56) Колесников А.Е. Акустические измерения.-Л.: Судостроение, 1983, с. 122, 125.

Авторское свидетельство СССР

У 716135, кл. Н 03 Н 3/02, 1977. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (57) 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 эа счет определения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя.

Устройство, реализующее способ, содержит генератор 1 синусоидальных сиг. налов, соединенный с частотомером 2 и через ключ 3 с усилителем мощности 4 ° К выходу усилителя подключены последовательно соединенные пьезопреобразователь S и резистор б. 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.

1394169 ные условия:

1 1 т — (4)

ЮС г 1+8 1

Ио а

И где о ь о mr

9 = ——

r — добротность преобразователя, I =)и СU+NV;

2 Со+. Со

И т.,(с.+с ) — резонансная частота виброприемника при

Изобретение относится к виброизме1 ительной технике и может быть испольовано, в частности, для автоматичесой проверки соответствия акселеромет5 ов требованиям технических условий при их серийном и массовом выпуске.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей эа счет определения чувствительности пьезо1 электрического преобраз ователя.

На фиг.1 приведено устройство, реализующее способ; на фиг.2 — механическая схема виброприемника, состоящего из основания, пьезоэлемента и инерционного элемента; на фиг.3 —эквивалентная электромеханическая схема виброприемника; на фиг.4— эквивалентная электрическая схема виброприемника (акселерометра) для 2р случая подачи на его вход электрического напряжения U(t)=U, (U t +

+ p ) 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,ходу которого подключены последова,тельно соединенные пьезопреобразова- 30 тель 5 и резистор 6, коммутатор 7, измерительный блок 8 и блок 9 управ-! ления.

Сущность способа заключается в следующем. 35

Рассмотрим виброприемник, состоящий из основания, пьезоэлемента. и инерционного элемента. Известно,что, перечисленные узлы могут, быть пред.,Ставлены в виде эффективных масс 4р ш m (основания и инерционной.соото> т ветственно), упругости К и сопротивления потерь r. В принятых обозначениях механическая схема виброприемниКа 45 действующее на вход . виброприемника).

Запишем уравнения электромеханического преобразования для пьезоэлемента, выбрав в качестве переменных напряжение U на его электрической стороне и скорость V = ых(са — частота, х — изменение размера пьезоэлемента) на механической стороне: .

F -NU +(-.— — + r) V, (1) 1

3ЯС где I — ток на электрической стороне;

F — сила на механическом входе;

С вЂ” емкость пьезоэлемента (ако селерометра) при .Ч = О;

С=1/К- эффективная гибкость пьезоэлемента, И=И„Сов

lU — коэффициент электромеханического преобразования.

При возбуждении на частоте д виброприемника со стороны основания ускорением а и силой F для пьезоэлемента выполняются следующие гранича а f

F=ma=F-ma,(2) !

g т т о где а — ускорение инерционной массы.

Из уравнений (1) с учетом (2) получаем систему уравнений, описывающую виброприемник как электромеханический четырехполюсник, на механическом и электрическом входах которого действуют F и а,, U u I соответственно:

1 а-а (-.— — — + r) — - — m a

)ас

Я т тю

1 а-ат

ГБ = (. + r) -«д — +mа — F (3)

jMC о ) а-а, .I= jQCU+N

Вводя идеальный электромеханический трансформатор с коэффициентом трансформации N получаем эквивалентную электромеханическую схему виброприемника, приведенную на фиг ° 3, где приняты следующие обозначения:

С = CN ; R = r/N ; Lz= m /N

L = ш /N rpe С, R, L L — электо рические аналоги соответствующих механических величин С, r, m,,m ....

Иэ анализа эквивалентной схемы следует, что для коэффициента преобразования (чувствительности) Х (Я) виброприемника справедливо соотношение

1394169

его возбуждении с механической стороны.

Рабочий диапазон частот ы пьезоакселерометров, как правило, выбирается из условия G) c< 63 . В этом случае. r

m, С (5)

N(C + С )

Таким образом, для определения чувствительности 1 пьезоакселерометыо ров известной конструкции (m = const) необходимо измерение величин С,, С и N. Последнее возможно в результате того, что на электрический вход акселерометра подается напряжение вида U(t) = Ucos (у t + cf ), а механический вход не подвергается возбуждению. Эквивалентная схема для этого случая представлена на фиг.4.

Пусть в момент времени t = 0 возбуждение прекращается и переключатель П переводится в положение "2". 25

Ток через сопротивление Re(R

I определяется соотношением

И 30

I(t) = I cos (а с +g)e (6) где и = р /28 — декремент затухания;

Р— механическая добротность преобразователя;

I (— начальная амплитуда о и фаза свободных затухающих колебаний.

U Rt

О, I(t) =;-(сов сафе . (7) 45

Или при с — 0 I -U/R, Таким образом, измеряя амплитуду тока через сопротивление R6 сразу после отключения возбуждающего напря- 50 жения, можно определить величину R!

U (8) о

Принимая во внимание, что

55 и?.

R=- —

8 (9) 6(m +m )N

В силу условия непрерывности (ра- 40 венстве токов в цепи R C L в момент отключения и в начальный момент свободных колебаний) имеем получаем соотношение, определяющее коэффицие нт тра нсформации:

-(1.0) .Используя для 0 выражение

В = 1/M PC, получаем

С = 1/u Rg (12) = U учетом (Й) Последнее соотношение с позволяет определить С, 2 2 1

С = I — I о о п

Решив совместно (5), (9) (13) получаем (13) (10), шт С4. и, = К вЂ” — -6

И С+.С т где К

Постоянная -К, входящая в формулу (14), зависит только от величин ш и п1, 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 и послео дующего вычисления К из уравнения (14), использовать эту 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 U. 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 (cp и /2). Для этого, по команде с блока 9 изменяют длительВ соответствии с законом Кирхгофа ток I протекающий на входе виброприемника при его возбуждении, представляет собой сумму тока через емкость

С и тока в цепи R L C, т.е.

13941 69 ность радиоимпульса и фиксируют с помощью блока 8 фазу напряжения на преобразователе. При выполнении условия ф = й/2 (переход напряжения через 0)

5 блок 9 выдает сигнал, запирающий ключ 3, и возбуждение преобразователя прекращается.

Далее устанавливают частоту заолнения радиоимпульса (a . Для этого 1р а вход блока 8 через коммутатор 7 одают сигнал с резистора 6 (Кц <с

<1/о С,), пропорциональный току ороткого замыкания. В блоке 8 провоится определение амплитуды тока I в начале переходного процесса. По ко анде с блока 9 в генераторе 1 просходит изменение частоты генерируемых колебания, и процедура измере я величины Z повторяется. В мо- 2д» ент, когда зафиксирован максимум I зменение частоты сигнала в генера1 оре 1 прекращается.

Для измерения частоты и сигнал с частотомера 2 подается в блок 8.3а- 25 тем измеряют амплитуду тока I ïðî,, текающего через преобразователь во время действия радиоимпульсов, и амп;,литуду.тока I, в начале переходного процесса, возникающего после прекращения действия радиоимпульса.

Для определения механической доб:ротности преобразователя 0 с помощью блока 8 измеряют скорость затухания переходного процесса.

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

В соответствии с формулой (14) оп- 4п ределяют чувствительность преобразователя и делают вывод î его качестве. формула изобретения

Способ контроля качества пьезоэлектрических преобразователей, сог45

1 +ц — — 1

I о где U амплитуда напряжения радиоимпульса возбуждения; амплитуда тока возбуждения преобразователя; амплитуда тока в начале переходного процесса, механическая добротность где m шт масса основания; инерционная масса преобразователя. 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, о т л и ч а юшийся 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 Ба<1/ц х х С где Я вЂ” частота механическоо F

ro резонанса, С вЂ” статическая емкость резонатора, измеряют величину механической добротности, а о качестве преобразователя судят по величине чувствительности, определяемой по формуле! 394I 69

1Н

Составитель В.Максименко

Техред Л.Сердюкова Корректор С.Черни

Редактор Л.Лангазо

Заказ 2218/43 . Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4