Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления



Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления
Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления
Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления
Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления
Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления
Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления
Способ контроля добротности пьезорезонаторов и устройство для его осуществления

 

G01H1/06 - Измерение механических колебаний или ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний (генерирование механических колебаний без измерений B06B,G10K; определение местоположения, направления или измерение скорости объекта G01C,G01S; измерение медленно меняющегося давления жидкости G01L 7/00; измерение дисбаланса G01M 1/14; определение свойств материалов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний, пропускаемых через эти материалы G01N; системы с использованием отражения или переизлучения акустических волн, например формирование акустических изображений G01S 15/00; сейсмология, сейсмическая разведка, акустическая разведка G01V 1/00; акустооптические устройства как таковые G02F; получение

Владельцы патента RU 2499234:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Использование: для контроля добротности пьезорезонагоров. Сущность: возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование, на частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют значение производной на частоте максимума, измеряют частоту максимума производной от активной составляющей проводимости и значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, после чего вычисляют величину добротности в соответствии с определенным математическим выражением. Технический результат: повышение производительности контроля пьезорезонаторов и обеспечение контроля добротности пьезорезонаторов посредством устройства без элементов памяти. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматической проверки соответствия добротности пьезорезонаторов требованиям технических условий при их серийном производстве.

Известен способ оценки добротности пьезорезонатора описанный в [ОСТ 110444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. М.: Электростандарт, 1987, стр.89], который заключается в том, что находится частота резонанса ωр и ширина резонансной кривой Δω=ω21. Частоты ω1, ω2 находятся по измерениям активной составляющей проводимости на уровне 0,5 от максимального значения.

Известен также способ определения добротности [Патент РФ 2059209 МПК G01H 3/12 Способ измерения добротности объекта и устройство для его осуществления / Дороднов Е.И., Ерыхов Б.П. - Опубл. 27.04.1996], который заключается в том, что осуществляется дифференцирование амплитудно-частотной характеристики по частоте и определяются частоты максимума ωmax и минимума ωmin производной. Далее эти частоты отождествляются с частотами ω1, ω2 и по ним рассчитывается добротность.

Недостатками этих способов является невысокая скорость измерений и необходимость проводить расчет добротности по трем различным значениям частот, что реализуется только в устройствах с элементами памяти.

Ближайшим аналогом (прототип) предлагаемого технического решения является способ и устройство определения добротности [Земляков В.Л., Ключников С.Н. Определение параметров пьезокерамических элементов по амплитудным измерениям. // Измерительная техника, 2010, №3, с.38-40].

В соответствии с этим способом выполняют следующую последовательность действий: Возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование. На частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости фиксируют частоту, соответствующую максимальному значению производной и измеряют значение производной на частоте максимума. На частотной характеристике активной составляющей проводимости, измеряют частоту механического резонанса, соответствующую максимальному значению и значение активной составляющей проводимости на частоте максимума. Вычисление величины добротности осуществляют в соответствии с выражением

Q м = π 4 ω р G | ( ω m a x ) G ( ω р ) .

Значение механической добротности определяется только по амплитудным измерениям: измеряется максимальное значение активной составляющей проводимости и максимальное значение ее производной.

Устройство для реализации этого способа содержит генератор качающейся частоты (ГКЧ), усилитель мощности, синхронный детектор, токовый резистор, ПКЭ, дифференциатор, элементы памяти, делитель. Выход синусоидального сигнала ГКЧ через усилитель мощности нагружен на цепочку из последовательно включенных резистора и ПКЭ, один вход синхронного детектора подключен к выходу усилителя мощности, другой - к ПКЭ, к выходу синхронного детектора подключен вход дифференциатора.

Недостаткам прототипа является невысокая скорость измерений, необходимость проводить расчет добротности по двум результатам измерений на разных частотах: измеряется максимальное значение активной составляющей проводимости на частоте механического резонанса и максимальное значение производной от активной составляющей проводимости на частоте, соответствующей точке перегиба на графике активной составляющей проводимости, что реализуется только в устройствах с элементами памяти, отсутствие возможности сформировать сразу после измерений электрический сигнал, соответствующий добротности контролируемого образца.

Заявляемый в качестве изобретения способ и устройство для его осуществления, позволяют повысить производительность контроля пьезорезонаторов и реализовать данный способ в устройствах без элементов памяти.

Технический результат достигается тем, что измерения проводятся только на одной частоте и на выходе сразу после измерений автоматически формируется электрический сигнал, соответствующий добротности контролируемого образца. Не требуются элементы памяти для временного хранения результатов измерений на разных частотах.

В соответствии с предлагаемым способом выполняют следующую последовательность действий: Возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование. На частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют частоту, соответствующую максимальному значению производной и измеряют значение производной на частоте максимума. На частотной характеристике активной составляющей проводимости измеряют значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной. Вычисление величины добротности осуществляют в соответствии с выражением

Q м = 0 , 5 8 ω m a x G | ( ω m a x ) G ( ω m a x ) ,

где ωmax - частота максимума производной от активной составляющей проводимости, G|max) - значение производной от активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, G(ωmax) - значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной.

Устройство для реализации этого способа содержит генератор качающейся частоты (ГКЧ) (1), усилитель мощности (2), синхронный детектор (3), токовый резистор (4), ПКЭ (5), дифференциатор (3), делитель (7), индикатор величины добротности (8). Выход синусоидального сигнала ГКЧ через усилитель мощности нагружен на цепочку из последовательно включенных резистора и ПКЭ, один вход синхронного детектора подключен к выходу усилителя мощности, другой - к ПКЭ, к выходу синхронного детектора подключены вход дифференциатора и один из входов делителя, второй вход делителя подключен к выходу дифференциатора, выход делителя подключен к индикатору величины добротности. Выход индикатора величины добротности подключен ко входу ГКЧ.

Сущность изобретения поясняется чертежами: Фиг.1 - эквивалентная электрическая схема ПКЭ, Фиг.2 - типовой вид частотной характеристики активной составляющей проводимости, Фиг.3 - производная от активной составляющей проводимости пьезорезонатора в области резонанса, Фиг.4 - зависимость от частоты отношения производной к активной составляющей проводимости, Фиг.5 - устройство для контроля добротности пьезорезонаторов, Фиг.6 - временные диаграммы сигналов в характерных точках схемы устройства для контроля добротности пьезорезонаторов.

Определение добротности ПКЭ обусловлено тем, что в области резонанса он заменяется эквивалентной электрической схемой [Пьезокерамические преобразователи: Справочник / под ред. С.И. Пугачева. Л.: Судостроение, 1984. с.69-73], представленной на фиг.1.

Емкость С, индуктивность L и активное сопротивление R характеризуют динамические свойства ПКЭ.

Частотная характеристика активной составляющей проводимости ПКЭ определяется формулой

G ( ω ) = R R 2 + ( ω L 1 / ω C ) 2 = 1 R ( 1 + ν 2 ( ω ) Q м 2 ) , ( 1 )

где ν(ω)=ω/ωpp/ω, QмpL/R=1/ωр RC - механическая добротность. Частота максимума соответствует частоте механического резонанса ПКЭ ω р = 1 L C .

Нормированное на максимум значения активной составляющей проводимости приведено на фиг.2.

На фиг.3 приведен вид производной от активной составляющей проводимости пьезорезонатора в области резонанса.

Учитывая, что график активной составляющей проводимости фиг.2 имеет точку перегиба на частоте ωmax, выполним некоторые преобразования, опираясь на формулу (1).

Введем обозначение

( ω ω р ) ( ω 1 ω р ) = x . ( 2 )

Как уже отмечалось, частота ω1 находится по измерениям активной составляющей проводимости на уровне 0,5 от максимального значения.

Определим вторую производную от функции вида 1/(1+х2) и приравняем ее к нулю. В результате получим

( 1 1 + x 2 ) | | = 2 + 6 x 2 ( 1 + x 2 ) 3 = 0 .

Из последнего выражения следует, что x = 1 / 3 , следовательно

( ω m a x ω р ) ( ω 1 ω р ) = 1 3 . ( 3 )

Используя формулы (1), (3) определим зависимость между значением активной составляющей проводимости на частоте резонанса и значением этой проводимости на частоте максимума производной

G ( ω m a x ) = 1 R ( 1 + ( ( ω m a x ω р ) ( ω 1 ω р ) ) 2 ) = 3 4 G ( ω р ) .

Кроме этого, определим относительную погрешность, возникающую при замене частоты резонанса на частоту максимума производной от активной составляющей проводимости. Такая замена происходит при переходе от расчетной формулы прототипа к расчетной формуле предлагаемого изобретения. Используя (3), запишем

( ω m a x ω р ) ω р = 1 Q м 3 .

Учитывая высокую добротность пьезорезонаторов из стандартных пьезоматериалов, можно полагать, что относительная погрешность, возникающая при замене в формуле (2) частоты резонанса на частоту максимума производной от активной составляющей проводимости не будет превышать 1%.

Тогда выражение (1) для добротности будет иметь вид

Q м = 0 , 5 8 ω m a x G | ( ω m a x ) G ( ω m a x ) ( 4 )

На фиг.4 приведена зависимость отношения производной к активной составляющей проводимости от линейной частоты f=2π/ω полученная в результате компьютерного моделирования для эквивалентной электрической схемы с параметрами: С0=10 нФ, С=1 нФ, L=1 мГн, R=5 Ом. Максимум отношения равен G|/G=0,0023 1/Гц и наблюдается на частоте fmax=158800 Гц, а добротность Qм=0,58·158800·0,0023=211, что соответствует относительной погрешности 5,5%.

Опираясь на формулу (4) можно сформулировать способ контроля добротности, который заключается в следующем.

Возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой с одновременным выделением активной составляющей проводимости и ее дифференцированием, измеряют частоту, соответствующую максимальному значению производной от активной составляющей проводимости, максимальное значение этой производной, значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, а вычисление величины добротности осуществляют в соответствии с выражением (4).

Описанный способ позволяет повысить производительность контроля добротности пьезорезонаторов за счет измерений только на одной частоте.

Для реализации способа используется устройство, приведенное на фиг.5, которое содержит генератор качающейся частоты (ГКЧ) (1), усилитель мощности (2), синхронный детектор (3), токовый резистор (4), ПКЭ (5), дифференциатор (3), делитель (7), индикатор величины добротности (8).

Усилитель мощности на выходе ГКЧ играет роль буфера, разделяющего источник сигнала и цепочку из последовательно включенных токового резистора и ПКЭ. Синхронный детектор формирует на своем выходе активную составляющую проводимости. Дифференциатор позволяет сформировать производную от активной составляющей проводимости. На выходе делителя формируется итоговый электрический сигнал, соответствующий отношению производной к активной составляющей проводимости. Этот сигнал несет информацию о добротности ПКЭ и управляет работой индикатора величины добротности.

Выход синусоидального сигнала ГКЧ через усилитель мощности нагружен на цепочку из последовательно включенных резистора и ПКЭ, один вход синхронного детектора подключен к выходу усилителя мощности, другой - к ПКЭ, к выходу синхронного детектора подключены вход дифференциатора и один из входов делителя, второй вход делителя подключен к выходу дифференциатора, выход делителя подключен к индикатору величины добротности. Выход индикатора величины добротности подключен ко входу ГКЧ.

Работа устройства при контроле добротности происходит следующим образом. После подключения ПКЭ между резистором и "земляным" проводом устанавливают на ГКЧ время качания частоты и границы частотного диапазона, в которых находится область резонанса ПКЭ. Включают качание частоты на выходе ГКЧ. На выходе синхронного детектора формируется частотная характеристика активной составляющей проводимости, типовой вид которой приведен на фиг.2. Одновременно на выходе дифференциатора формируется производная от активной составляющей проводимости, типовой вид которой приведен на фиг.3. Одновременно на выходе делителя формируется электрический сигнал, равный отношению производной к активной составляющей проводимости, который поступает на вход индикатора величины добротности. По мере возрастания частоты синусоидального сигнала с ГКЧ, возрастает амплитуда сигнала на выходе делителя, как это показано на фиг.4. При достижении максимального значения сигнала на выходе делителя индикатор величины добротности фиксирует это значение и отключает качание частоты.

Временные диаграммы сигналов в характерных точках (а-d) схемы устройства для контроля добротности пьезорезонаторов показаны на фиг.6. Таким образом, если вначале установить между резистором и "земляным" проводом пьезорезонатор с известной добротностью (эталонный) и провести измерения с помощью предлагаемого устройства, то на индикаторе величины добротности будет сигнал вида IЭ=ЭQМЭ, где Э - некоторая константа, зависящая от параметров электронных узлов, входящих в состав устройства.

Если теперь настроить индикатор величины добротности так, что IЭ=100%, то при последующей установке и измерениях испытуемого пьезорезонатора, однотипного с эталонным, то есть имеющего ту же форму и размеры, показания индикатора величины добротности будут

I = Э Q м = I Э Q М Э Q М = Q М Q М Э 1 0 0 % .

То есть, на индикаторе величины добротности будет сигнал, показывающий, какую долю в процентах составляет добротность испытуемого пьезорезонатора от добротности эталонного образца, что и позволяет проводить контроль пьезорезонаторов по величине добротности.

Описанное устройство позволяет автоматизировать процесс измерений и обеспечить возможность автоматически формировать на выходе электрический сигнал, соответствующий добротности контролируемого образца. Этот сигнал управляет устройством разбраковки пьезорезонаторов при их серийном производстве.

1. Способ контроля добротности пьезорезонаторов, заключающийся в том, что возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование, на частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют значение производной на частоте максимума, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности контроля пьезорезонаторов и реализации способа в устройствах без элементов памяти, измеряют частоту максимума производной от активной составляющей проводимости, и значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, а вычисление величины добротности осуществляют в соответствии с выражением
Q м = 0 , 5 8 ω m a x G | ( ω m a x ) G ( ω m a x ) ,
где ωmax - частота максимума производной от активной составляющей проводимости,
G|max) - значение производной от активной составляющей проводимости на частоте максимума производной,
G(ωmax) - значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной.

2. Устройство для контроля добротности пьезорезонаторов, содержащее генератор качающейся частоты (ГКЧ), усилитель мощности, синхронный детектор, токовый резистор, ПКЭ, дифференциатор, делитель, индикатор величины добротности, причем выход синусоидального сигнала ГКЧ через усилитель мощности нагружен на цепочку из последовательно включенных резистора и ПКЭ, один вход синхронного детектора подключен к выходу усилителя мощности, другой - к ПКЭ, к выходу синхронного детектора подключен вход дифференциатора, выход делителя подключен к индикатору величины добротности, один из входов делителя подключен к выходу синхронного детектора, второй вход делителя подключен к выходу дифференциатора, выход индикатора величины добротности подключен ко входу ГКЧ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при прочностной аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики осевых турбомашин в авиации и энергомашиностроении.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для оценки акустики объемных помещений. .

Изобретение относится к авиадвигателестроению и может быть использовано при диагностике колебаний вращающихся лопаток ротора турбомашин. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для контроля механических параметров строительных конструкций и настройки низкочастотных резонансных контуров.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения частоты колебаний мультикантилевера. .

Изобретение относится к прогнозированию характеристик собственных частот в подсистеме трубок, включающей закрытые кожухом сильфонные компоненты. .

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для определения положения центра масс статически неопределимых многоопорных объектов энерго-, тяжелого и транспортного машиностроения, например крупногабаритных энергоблоков атомных электростанций.

Изобретение относится к способу и устройству для определения параметров газожидкостного потока в трубопроводе и может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров.

Изобретение относится к виброизмерительной технике. .

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к изготовлению маломощных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.
Изобретение относится к передатчикам параметра процесса, преимущественно, чтобы управлять или наблюдать за производственными процессами. .

Изобретение относится к способу измерения энергии квантовой нелокальности частиц, совершающих инфинитное движение. .

Изобретение относится к механической обработке, а именно к устройствам тестирования обкаточных инструментов станка, предназначенного для обкатывания по меньшей мере одной цилиндрической шейки коленчатого вала и содержащего по меньшей мере один ролик, предназначенный для качения в обкатываемой зоне цилиндрической шейки, а также прижимной диск, выполненный с возможностью надавливания на указанный ролик, и два опорных диска, поддерживающих цилиндрическую шейку противоположно ролику.

Изобретение относится к определению уровня кокса или побочных продуктов коксования в барабане установки для коксования, а также к бесконтактным системам распознавания сигнатуры, в которых используются акселерометры и математические алгоритмы определения сигнатур.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу измерения артериального давления и устройству для его осуществления. .

Изобретение касается устройства для измерения вибраций подшипников для турбомашины и турбомашины, которая снабжена устройством для измерения вибрации подшипников. Заявленная группа устройств содержит устройство для измерения вибраций подшипников для турбомашины (1), в котором с помощью по меньшей мере одной распорки (4) концентрически удерживаются друг относительно друга на расстоянии наружный корпус (3) и внутренний корпус (2), в котором расположен корпус (6) подшипника, который доступен со стороны наружного корпуса (3) через проходящее радиально сквозное отверстие (7) в распорке (4), при этом устройство снабжено стержнем (8), у которого имеется внутренний продольный конец (9) и отвернутый от внутреннего продольного конца (9) наружный продольный конец (10), помещенным в сквозное отверстие (7) и внутренним продольным концом (9) прикрепленным к корпусу (6) подшипника, а также на наружном продольном конце (10) по меньшей мере одним сенсором (13) вибраций, а также турбомашину со встроенным вышеуказанным устройством для измерения вибраций подшипников. Технический результат, достигаемый от реализации заявленной группы изобретений, заключается в упрощении конструкции при одновременном повышении надежности. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх