Устройство для определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрических датчиков

 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано при определении параметров средств измерения вибрации и родственных с ней механических величин. Устройство содержит генератор напряжения с переменной частотой, емкостный мост с разъемом для подключения датчика и элементами балансировки и регистратор. Плечо моста, соседнее с датчиком, выполнено в виде конденсатора из пьезокерамического материала, не имеющего резонансов в исследуемой полосе частот. Устройство позволяет расширить номенклатуру датчиков, для которых возможно определение частоты установочного резонанса без механического возбуждения, и повысить точность этой операции. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении параметров средств измерения вибрации и родственных с ней механических величин.

Важным параметром датчиков является частота установочного резонанса (далее - частота УР), определяющая его рабочий диапазон частот и обязательно контролируемая при периодической поверке датчика. Трудности при этом возникают, если частота УР составляет несколько десятков килогерц и выходит за границы диапазона частот употребительных вибростендов. Для определения частоты УР пьезоэлектрического датчика можно использовать обратимость его преобразователя, т.е. взаимосвязь электрических и механических свойств, которую характеризует наличие двух составляющих емкости - статической, не связанной с пьезосвойствами, и динамической, зависящей от пьезосвойств и механического состояния преобразователя. Поскольку последнее меняется при переходе через резонанс, емкость также изменяется, и это изменение используют через резонанс, емкость также изменяется, и это изменение используют для определения частоты УР без механического возбуждения колебаний датчика. Для этого следует включить датчик в схему, питаемую от электрического генератора с переменной частотой и чувствительную к емкости датчика, и регистрировать зависимость выходного сигнала схемы от частоты.

Известно устройство для определения резонансных частот образцов из пьезоэлектрических материалов, основную часть которого составляет четырехполюсник, выполненный из резисторов, куда включен исследуемый образец в качестве элемента связи [1]. При резонансной частоте образца выходное напряжение четырехполюсника максимально, что и используют для ее определения.

Недостаток этого устройства при его использовании применительно к датчикам обусловлен влиянием механической добротности объекта испытаний на соотношение динамической и статической емкостей, уменьшающееся вместе с добротностью. В результате частотная зависимость выходного сигнала имеет четкий максимум при добротности 200 и более. Поскольку добротность типичного датчика порядка 30, максимум оказывается размытым, а отсчет УР - неточным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, содержащее емкостной мост с элементами балансировки, в одно из плеч которого включен исследуемый датчик [2]. Мост сбалансирован на частоте, заведомо меньшей ожидаемой частоты УР. Так как статическая емкость скомпенсирована, чувствительность схемы к изменению динамической емкости увеличена. Это дает возможность отсчитать частоту максимума выходного сигнала более четко по сравнению с устройством-аналогом.

Однако и это устройство имеет недостаток, существенный при исследовании наиболее распространенных датчиков с керамическим пьезопреобразователем. Он обусловлен тем, что диэлектрические свойства керамики, являющейся сегнетоэлектриком, сложнее нежели обычных диэлектриков и описываются в частотной области комплексной проницаемостью (см. Желудев И.С. Основы сенетоэлектричества, М.: Атомиздат, 1973). В результате мост с пьезоэлектрическим датчиком невозможно полностью сбалансировать изменением емкости плеча сравнения. Введение же фазосдвигающих элементов аналогично мостам с неизменной рабочей частотой приводит к появлению ложных экстремумов на искомой частотной зависимости. В результате работу с устройством вынужденно проводят при неполном балансе моста, что затрудняет или делает практически невозможным определение частоты УР керамических датчиков с малым коэффициентом преобразования.

Ожидаемым техническим результатом использования заявляемого устройства является расширение номенклатуры датчиков, для которых возможно определение частоты УР без механического возбуждения, и повышение точности этой операции. Результат достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор напряжения с переменной частотой, емкостный мост с разъемом для подключения датчика и элементами балансировки и регистратор, плечо моста, соседнее с датчиком, выполнено в виде конденсатора из пьезоэлектрического материала, не имеющего резонансов в исследуемой полосе частот.

Сущность заявляемого устройства поясняется фиг. 1, 2, на которых представлены: на фиг. 1 - электрическая схема устройства, где обозначено: 1 - генератор напряжения с переменной частотой; 2 - емкостной мост в целом; 3 - элемент балансировки; 4 - разъем для подключения датчика; 5 - регистратор; 6 - исследуемый пьезоэлектрический датчик; 7 - пьезокерамический конденсатор; на фиг. 2 - частотная зависимость выходного сигнала заявляемого устройства, полученная при исследовании датчика АВС 134-04 (кривая 1) в сравнении с такими же зависимостями, полученными на устройстве-аналоге (кривая 2) и устройстве-прототипе (кривая 3).

Схема фиг. 1 не требует пояснений, так же как и функционирование заявляемого устройства. Последнее имеет лишь одну особенность - за счет идентичности импедансов датчика и соседнего с ним плеча условие баланса моста, т.е. равенство произведений импедансов противоположных плеч, выполняется более точно и в более широкой полосе частот. Это дает возможность практически полностью скомпенсировать статический импеданс датчика и тем самым повысить чувствительность моста к изменению динамической емкости. Результат иллюстрирует фиг. 2, кривые на которой получены с помощью генератора качающейся частоты. Видно, что максимум на кривой 1, соответствующей заявляемому устройству, значительно отчетливее, чем на кривых 2 и 3. Следует отметить, что датчик АВС 134-04 относится к среднечувствительным - его коэффициент преобразования равен 1 мВ•с²/м. Для датчиков с меньшей чувствительностью кривая 2 вообще не имела заметных экстремумов.

Отсчет частоты УР можно производить или по максимуму выходного сигнала, или по 90-градусному сдвигу фаз выходного сигнала и напряжения генератора.

Пьезокерамический конденсатор может быть выполнен либо из располяризованного пьезоэлемента, либо из поляризованного по толщине в симметричном держателе, обеспечивающем отсутствие резонансных частот ниже нескольких сот килогерц. Последнее даже предпочтительнее.

Чувствительность заявляемого устройства, сочетающаяся с диапазоном частот до 200 кГц, позволила уверенно определять частоту УР таких малочувствительных датчиков, как высокотемпературный акселерометр АВС 059 с преобразователем из титаната висмута; датчик пульсаций давления Вт 308; ударный акселерометр 8309 фирмы Брюль и Къер; а также кварцевый акселерометр 8305 той же фирмы.

Дополнительно следует отметить, что устройство надежно работает при напряжении питания моста (10-15) В и позволяет соблюдать требования безопасности и обеспечения взрывозащиты при работе в реальных условиях эксплуатации датчиков, т.е. без снятия с объекта.

Заявляемое устройство повысит точность определения частоты УР пьезоэлектрических датчиков при их производстве и эксплуатации.

Источники информации 1. ГОСТ 12370-80. Материалы пьезоэлектрические. Методы испытаний.

2. Субботин М. И. Импеданс пьезодатчика как источник информации о его свойствах. - В сб. Вибрационная техника изд. МДНТП, М., 1988 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрических датчиков, содержащее генератор напряжения с переменной частотой, емкостный мост с разъемом для подключения датчика и элементами балансировки и регистратор, отличающееся тем, что плечо моста, соседнее с датчиком, выполнено в виде конденсатора из пьезокерамического материала, не имеющего резонансов в исследуемой полосе частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2