Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к радиофизическим измерениям и может быть использовано для измерения электрофизических параметров пьезоэлементов в технологии их изготовления. Сущность изобретения: возбуждение пьезоэлемента осуществляется электрическим сигналом белого шума, выделяют периодический сигнал-реакцию пьезоэлемента на возбуждающий сигнал, измеряют его частоту.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2026563
Класс(ы) патента: G01R29/22
Номер заявки: 5016530/21
Дата подачи заявки: 10.12.1991
Дата публикации: 09.01.1995
Заявитель(и): Зинченко В.Н.; Криков И.Ю.; Мешкова Л.В.
Автор(ы): Зинченко В.Н.; Криков И.Ю.; Мешкова Л.В.
Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт "Элпа"
Описание изобретения: Изобретение относится к радиофизическим измерениям и может быть использовано для измерения электрофизических параметров пьезоэлементов (п.э.).
Известен способ измерения параметров п.э., заключающийся в возбуждении его электрическим сигналом переменного тока, изменении частоты возбуждающего сигнала, измерении параметров электрического сигнала - реакции п.з. на возбуждающий сигнал, определении по максимуму и минимуму сигнала - реакции резонансной (fr) и антирезонансной faчастот п.э. по формуле:
Qн , где Δf - полоса частот, измеряемая на уровне 3 дБ от экстремального значения сигнала-реакции определяют нагруженную добротность (Qн)п.э. на fr,a (добротность с учетом влияния на ее величину элементов измерительной схемы [1] . Основными недостатками способа являются большая трудоемкость при низком быстродействии. При автоматизации процесса измерения, например с помощью автомата АСР-1М, время измерения fr или faна одном п.э. более 6 с. При ручном измерении fr или fa это время превышает 10 с. Основную часть времени измерения занимает процесс измерения частоты возбуждающего сигнала с целью настройки на fr,a. Время счета частотомера обычно находится в пределах 1,0-0,1 с и пренебрежимо мало.
Известен также способ измерения fr с целью ее контроля при определении усталостной прочности пьезопреобразователей, заключающийся в возбуждении п. э. электрическим сигналом белого шума в полосе частот, определяемой шириной резонансного пика п. э., выделении периодического сигнала-реакции п.э. на возбуждающий сигнал (сигнала, отфильтрованного п.э. из возбуждающего сигнала), измерении частоты сигнала-реакции.
При таком способе измерения п.э. сам выделяет сигнал на частоте frиз спектра белого шума, т.е. осуществляется процесс фильтрации. Время установления такого процесса можно оценить величиной , что на практике много меньше 0,01 с при fr ≈ 500 кГц и, следовательно, предельное быстродействие процесса измерения определяется временем счета частотомера.
Основными недостатками известного способа являются:
узкий диапазон частот, в котором могут быть измерены fr различных п.э., определяемый величиной fr/Qн (шириной резонансного пика), и для частот fr ≈ 500 кГц на практике не превышающей единиц кГц;
велик разброс результатов измерения fr ввиду нестабильности формы и амплитуды сигнала-реакции п.э., что снижает точность измерения до неудовлетворительной;
не предусмотрено измерение fa и Qн, что сужает возможности способа.
Целью изобретения является:
расширение диапазона измеряемых частот до границ, определяемых famaxиfrmin, причем
f-f = Δf 0,1(f+f)
при одновременном достижении предельного быстродействия процесса измерения;
повышение точности измерения при достижении предельного быстродействия; расширение возможностей способа с целью измерения fa и Qн.
Достигается это тем, что предложен способ измерения параметров п.э., заключающийся в возбуждении п.э. электрическим сигналом белого шума, выделенным и усиленным в полосе частот, ограниченной famaxиfrmin, выделяют периодический сигнал-реакцию п.э. на возбуждающий сигнал в окрестности экстремума его спектральной плотности, усиливают его в полосе частот, формируют из усиленного сигнала измеряемый периодический сигнал постоянной формы и амплитуды, например, путем его преобразования в прямоугольные импульсы, устанавливают режимы возбуждения п.э. и снятия сигнала-реакции, соответствующие процессу измерения fr или fa, измеряют частоту f измеряемого сигнала, ее среднеквадратическое отклонение σ2fза время измерения τ и по результатам измерения f в зависимости от установленного режима судят об fr и fa, а по величинам σf и τ судят о величине Qн на частоте fr,a, например, по формуле
Qн ~
Кроме того, поставленная цель достигается тем, что формирование измеряемого сигнала осуществляют путем преобразования сигнала-реакции в периодический сигнал постоянной формы и амплитуды с периодом, равным периоду сигнала-реакции (экстремума его спектра), с помощью его усиления ограничения (диодное ограничение, триггер Шмидта и др.) или путем синхронизации генератора периодического сигнала усиленным сигналом-реакции п.э.
Сущность изобретения заключается в следующем:
при подаче на п.э. сигнала белого шума из спектра последнего "вырезается" вследствие фильтрации квазисинусоидальный сигнал, спектр которого ограничен шириной резонансного пика п.э. (σf). При измерении частоты такого отфильтрованного сигнала за время измерения τ получим
fизмер. ≈ fr,a ± = fr,a ± σf ≈ fr,a
Из этой формулы легко получить
σ2f где = σf откуда
Qн Выбор и установка режима возбуждения п.э. и снятия сигнала-реакции дают возможность измерять fr или fa. При наблюдении тока через п.э. в зависимости от частоты по его max и min можно судить об fr или faсоответственно, а по max и min напряжения на п.э. можно судить об fa или fr соответственно [1].
При реализации способа с использованием анализатора спектра эти частоты могут быть найдены одновременно в любом из этих случаев.
Если же сигнал-реакцию подают на частотомер, то возникает необходимость осуществлять коммутацию упомянутых режимов наблюдения, позволяющую по max тока через п.э. судить об fr, а по max напряжения на п.э. судить об fa. При этом для уменьшения влияния нестабильности амплитуды и формы сигнала-реакции п.э. необходимо осуществить его дополнительное формирование в измеряемый частотомером сигнал, например его преобразование в периодический сигнал постоянной амплитуды и формы путем серии последовательных усилений и диодных ограничений или с помощью триггера Шмидта или другим способом. Формирование измеряемого сигнала может быть осуществлено также с помощью синхронизации усиленным сигналом-реакцией п.э. генератора периодических сигналов постоянной формы и амплитуды.
Изобретение опробовано на предприятии. Для этого были использованы п.э. в виде дисков, возбуждаемые на основном обертоне радиального типа колебаний. При этом frmin была не менее 420 кГц,famax не более 500 кГц. Для проведения контрольных измерений были использованы измерительные схемы и методики, описанные в [1].
Для проведения измерений с помощью изобретения вместо генератора синусоидальных сигналов был использован генератор белого шума с полосой генерации, ограниченной условием
fгр·1,2 = ± Δf , причем
Δf = f-f 0,1 (f+f). Реально величина Δ f составила около 70 кГц. Такое ограничение полосы генерации вызвано взаимоисключающими требованиями. С одной стороны, сужение полосы до минимума позволяет при одной и той же мощности генератора увеличить ее спектральную плотность в области измеряемой частоты, что и достигается в [2], но при этом измеряемые частоты различных п.э. неизбежно окажутся вне полосы и измерение станет невозможным. С другой стороны, расширение полосы позволяет охватить все измеряемые частоты, но при этом неизбежно уменьшение спектральной плотности мощности возбуждаемого сигнала в области измеряемых частот, что ведет к ослаблению реакции п.э., делая невозможным измерение его частоты. Кроме того, при этом неизбежно возбуждение п.э. на других обертонах и типах колебаний, что еще более усугубляет процесс измерения.
Приведенная выше величина полосы определена экспериментально как оптимальная для конкретной используемой измерительной установки.
Первая серия экспериментальных измерений осуществлялась на п.э. с fr= 425,2 кГц и fa=454,0 кГц, измеренных обычным способом с помощью методики и измерительной схемы, описанных в [1]. При замене генератора синусоидальных сигналов на генератор белого шума по max и спектральных составляющих тока через п.э., как его сигнала-реакции, эти частоты составляли fr=425,3 кГц и fa= 454,0 кГц соответственно. Величины min и max тока фиксировались с помощью селективного вольтметра В6-10, как аналога анализатора спектра.
Вторая серия измерений осуществлялась на п.э. с fr=431,6 кГц и fa=451,8 кГц, измеренных обычным способом. Время измерения каждой из этих частот даже с использованием автоматизации при этом достигало 5 с и более (в ручном режиме около 20 с). При использовании генератора белого шума с последующими сериями усиления и диодного ограничения сигнала-реакции и измерения частоты, сформированного таким образом измеряемого сигнала, эти частоты составили fr=431,3 кГц и fa=452,1 кГц соответственно. Время измерения определялось временем счета частотомера и установки п.э. в держатель и не превышало 0,5 с (при времени счета 0,1 с). Среднеквадратическое отклонение σ2f составило 0,138 кГц и 0,152 кГц соответственно и позволило оценить величину Qн на этих частотах как Qн≈ 270 и Qн ≈216. Эти величины отличались не более, чем на 30% от Qн, измеренной по методике [1], основанной на измерении полосы на уровне 3 дБ от экстремального значения сигнала. При измерении fr и faосуществлялась коммутация режимов измерения на max тока через п.э. (fr) и max напряжения на нем (fa).
Третья серия измерений заключалась в подаче сигнала-реакции после его усиления на вход синхронного генератора, используемого в качестве формирователя измеряемого сигнала с последующим измерением частоты генерации. Результаты измерения fr (около 465 кГц) совпали с результатами измерений, полученными в соответствии с [1] до 50 кГц.
Использование предлагаемого способа по сравнению с существующим обеспечивает следующие преимущества:
существенно расширяет диапазон измеряемых частот (ориентировочно на 2 порядка);
повышает точность измерения (не менее чем на порядок);
обеспечивает возможность наряду с измерением fr измерять величину fa и оценивать величину Qн;
при этом достигается максимальное быстродействие процесса измерения, что делает способ эффективным как для ручного режима измерения, так и для автоматического.
Формула изобретения: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА, заключающийся в возбуждении пьезоэлемента электрическим сигналом белого шума, выделении периодического сигнала-реакции пьезоэлемента на возбуждающий сигнал, измерении его частоты, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых частот до граничных frmin и famax, при этом повышения точности измерения и расширения возможностей способа при увеличении быстродействия процесса измерения, пьезоэлемент возбуждают сигналом белого шума, выделенным и усиленным в полосе частот, ограниченной выделяют периодический сигнал-реакцию пьезоэлемента на возбуждающий сигнал в окрестности экстремума его спектральной плотности и усиливают его в полосе частот, формируют из усиленного сигнала периодический сигнал постоянной формы и амплитуды с периодом, равным периоду усиленного сигнала, устанавливают режимы возбуждения пьезоэлемента и регистрации его сигнала-реакции, соответствующие измерению резонансной fr или антирезонансной fa частот, измеряют частоту f измеряемого сигнала, ее среднеквадратическое отклонение σ2f за время измерения τ и по результатам измерения частоты в зависимости от выбранного режима определяют fr или fa, а нагруженную добротность Qн определяют по формуле

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование измеряемого сигнала осуществляют путем преобразования с помощью ограничения амплитуды усиленного сигнала-реакции пьезоэлемента.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование измеряемого сигнала осуществляют путем синхронизации генератора периодического сигнала усиленным сигналом-реакцией пьезоэлемента.