DE3833234C2 - Verfahren zum Kalibrieren oder Prüfen eines piezokeramischen Wandlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren oder Prüfen eines piezokeramischen Wandlers, der nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ausgebildet ist und als Sender, Empfänger, Hydrophon oder Schallmeßeinrichtung verwendet werden kann.

Bekannt ist seit langem, daß an den Grenzflächen bestimmter Kristalle bei Deformation elektrische Ladung entsteht. Bei Anlegen von Spannung deformiert der Kristall. Diese beiden Effekte machen sich piezokeramische Wandler als Schall­ empfänger oder Schallsender zunutze.

Piezoelektrische Wandler sind mit metallisierten Elektroden versehen, über welche einerseits die Piezoelektrizität in Form von elektrischer Ladung von bestimmten polykristallinen Werkstoffen, hervorgerufen durch mechanische Deformation infolge Zug oder Druck, abgegriffen und andererseits die mechanische Deformation in Form von Zug oder Druck, hervor­ gerufen durch Einspeisung von elektrischer Energie, bewirkt wird.

Für die Kalibrierung von Schallmeßeinrichtungen, die mit piezoelektrischen Wandlern arbeiten, ergaben sich bisher Schwierigkeiten dadurch, daß piezoelektrische Wandler nur im zusammengebauten Zustand betreibbar sind. Die Bewertung des Empfangsübertragungsmaßes z.B. bei Unterwasserschall­ messungen, mit sogenannten Hydrophonen, ist nur durch Dif­ ferenzbildung zu Meßnormalen möglich. Die Dimensionierung und Anpassung eines Ladungsverstärkers an den piezokerami­ schen Wandler ist nach dieser Methode mühsam, da der Sensor durch keine andere Labor-Signalquelle ersetzt werden kann.

Es ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels dessen Hilfe der Nachweis der be­ nutzten piezoelektrischen Eigenschaften erbracht und in Form von Parametern für die Spezifikation, z.B. bei Hydrophonen zur Verfügung gestellt werden. Dabei soll die Ermittlung der jeweiligen Kenngrößen mit geringem, wirtschaftlichen Prüf­ aufwand sowohl während der Entwicklungsphase, der Herstel­ lungs- und Fertigungsphase, der Qualifikationsphase und der Einsatz- oder Nutzungsphase sichergestellt sein.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patent­ anspruch angegebene Verfahren gelöst.

In der Zeichnung sind unterschiedliche Wandlergeometrien als Beispiele, wie sie für das erfindungs­ gemäße Verfahren geeignet sind, sowie Schaltbilder von Meßauf­ bauten für den Einsatz dieses Verfahrens dargestellt; sie sind in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines piezokeramischen Wandlers in Zylinderscheiben­ geometrie,

Fig. 2 einen piezokeramischen Wandler in Zylinderloch­ scheibengeometrie,

Fig. 3 bis 8 in Perspektive weitere Ausführungen mit Kugelkalottengeometrie,

Fig. 9 einen beispielsweisen Meßaufbau unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Schaltbild und

Fig. 10 einen weiteren beispielsweisen Aufbau einer Meßeinrichtung unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Paarig­ keits-Parameter von zwei Hydrophonen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten piezoelektrischen Wandler ist mit 1 ein Körper zylinder­ scheibenförmiger Geometrie aus Piezokeramik bezeichnet, dessen beide Stirnseiten 2 und 3 als Elektrode dienende, metallisierte elektrisch leitende Schichten 4 und 5 auf­ nehmen.

Hierbei ist eine der elektrisch leitenden Schichten in elektrisch (galvanisch) voneinander getrennte Segmente 4a und 4b unterteilt auf ein und dem­ selben, aus Piezokeramik bestehenden, homogenen Körper 1 aufgebracht. Das Elektrodensegment 4a stellt hier eine Sende­ elektrode und das Segment 4b eine Empfangselektrode dar. Die elektrisch leitende Schicht 5 bedeckt die zweite Stirn­ seite des Körpers 1 und dient als gemeinsame Gegenelektrode.

Durch das Anlegen eines Wechselspannungssignals an die Sende- und gemeinsame Elektrode entsteht ein elektrisches Wechselfeld, das den piezokeramischen Wandler in seiner Polarisationsrichtung Z zur mechanischen Wechseldeformation anregt.

Dabei entstehen mechanische Spannungen in allen drei Achsen. Die dadurch generierte elektrische Ladung wird über der Empfangs- und gemeinsamen Elektrode 5 in Form eines Wechsel­ spannungs-Ausgangssignals abgegriffen.

Dabei besteht die mathematische Beziehung

Uin_≈=Uout_≈ · K

wobei K den Reziprozitätsfaktor darstellt.

Im folgenden soll unter dem Ausdruck "Segmentierung" bzw. unter dem Ausdruck "Segment" die Unterteilung der elektrisch leitenden Beschichtung des piezoelektrischen Trägerkörpers 1 in galvanisch elektrisch voneinander getrennte Abschnitte verstanden werden. Die piezoelektrischen Wandler sind aus­ schließlich mit metallisierten Schichten versehen, die hier mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind.

Gemäß Fig. 2 ist die Segmentierung an einem aus Piezo­ keramik gebildeten zylinderlochscheibenförmigen Körper 1a dargestellt. Dabei trägt die zylinderförmige Bohrungsfläche zwei elektrisch getrennte, leitende Schichten 8 und 9 als Elektroden. Die elektrisch leitende Beschichtung 10 auf der Umfangsfläche des Zylinderscheibenkörpers stellt die gemein­ same Gegenelektrode der mit 8 und 9 bezeichneten Elektroden dar.

Bei den Wandlern der Fig. 3 bis 8 sind als piezoelektrische Körper kugelförmige Halbschalen 13, 14 vor­ gesehen.

Die äußere und innere Schalenfläche 15 bzw. 16 der Halb­ schalen 13 bzw. 14 ist beschichtet mit elektrisch leitenden, metallischen Auflagen, wobei die Aufbringung der Beschich­ tung in bekannter Weise bewirkt wurde.

Fig. 3 zeigt einen piezoelek­ trischen Wandler aus Piezokeramik mit Halbkugelgeometrie ohne Segmentierung als Ausgangsform für die nachfolgend dargestellten Wandlerbeispiele; bei diesem Wandler ist eine quantitative Funktionsprüfung nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren nicht möglich.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist hier die elektrisch leitende Beschichtung gemäß der Erfindung in elektrisch voneinander getrennte Segmente unterteilt. Die Halbschale 13 bildet hierbei insgesamt einen piezoelektri­ schen Wandler. Den zweiten Wandler bildet die Halbschale 14. Bei der Ausbildung des Wandlers nach Fig. 4 ist eine der Halbschalen mit einer zentralen Bohrung 20 versehen und auf der Innenseite eine elektrisch leitende Beschich­ tung aufgebracht. Die elektrisch leitende Beschichtung der Schaleninnenseite ist segmentiert in einen zur Bohrung 20 konzentrischen Innenbereich 23 und einen dazu konzentrischen Außenbereich 21.

Hierbei kann nach dem Reziprozitätsgesetz der Wandler ent­ sprechend als Sender oder als Empfänger, sowohl getrennt oder als Sender und Empfänger gleichzeitig betrieben werden.

In den Fig. 5 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele für segmentierte, elektrisch leitende Beschichtungen zur Bildung von Elektroden mit Sende- und/oder Empfangseigenschaften, die gleichzeitig auf einer Piezokeramik benutzt werden. Es sind dabei Dreifach-, Fünffach-, Siebenfach- und Neun- fach-Segmentierungen vorgesehen. Eine Einschränkung der Segmentierung auf die in der Zeichnung angegebene Anzahl von Segmenten ist nicht gegeben.

In Fig. 9 ist ein Meßaufbau zur Ermittlung des Reziprozi­ tätsverhaltens eines piezoelektrischen Wandlers während der Entwicklungs- oder Fertigungsphase dargestellt.

Hierbei ist mit 30 ein Verstärker bezeichnet, der an ein hier nicht dargestelltes Hydrophon zur Unterwasser-Schall­ messung unter Verwendung eines auf piezoelektrischer Basis arbeitenden Wandlers 31 mit einem Sendesegment 32 und einem Empfangssegment 33, wie z.B. in einer Ausbildung gemäß Fig. 4 bezeichnet.

Ferner schließt an das Sendesegment 32 des Wandlers 31 die Sendesignalleitung 34 und an das Empfangssegment 33 die Empfangssignalleitung 35 an. Während die Sendesignalleitung 34 an ein Speicher-Oszilloskop 38 anschließt, ist die Empfangssignalleitung 35 an den Hydrophon-Verstärker 30 und gleichzeitig an das Analyse-System 39 gelegt.

Die Sendesignalleitung 34 führt außer zum Speicher-Oszil­ loskop 38 zu einem Funktionsgenerator 36 und zum Analyse- System 39.

Das Sendesegment 32 des Wandlers 31 wird mit dem Sendesignal beaufschlagt und wandelt dieses in Körperschall um. Das Empfangssegment empfängt ein vom Körperschall gewandel­ tes Empfangssignal.

Der in Fig. 9 gezeigte Meßaufbau dient zur Ermittelung der Kenngrößen während der Entwicklungs- oder Fertigungsphase. Die dargestellte Betriebs- und Prüfmethode eignet sich be­ sonders gut zur Ermittlung von bestimmten Hydrophon-Kenn­ größen, da störende Übertragungsschalldruck-Beeinflussungen, wie sie bei der Luftschallrohr- oder Wassertank- oder Pistofonmethode auftreten können, ausgeschlossen werden können.

Die in Fig. 9 aufgezeigte Prüf- und Meßmethode geht haupt­ sächlich von der physikalischen Kenntnis aus, daß das Rezi­ prozitätsverhalten im Kleinspannungssignalbereich und in bestimmten Frequenzbereichen linear ist, das heißt die elektrische Feldstärke und die Deformation verhalten sich proportional zueinander.

Der Meßaufbau gemäß dem Anwendungsbeispiel nach Fig. 10 dient zur Ermittlung der Paarigkeit (Gleichlauf) von zwei Hydrophonen, nach der synchronen Reziprozitätsmethode. Die beiden Hydrophone sind hier mit A bzw. B bezeichnet. Entsprechend der Erfindung enthält jedes der Hydrophone A bzw. B zwei piezoelektrische Wandler A1 bzw. B1 mit je einem Empfangssegment B2 bzw. A2 und einem Sendesegment B3 bzw. A3. Die beiden Hydrophone A bzw. B sind über die Empfangssignalleitung 50′ bzw. 50 und die Sendesignallei­ tung 51′ bzw. 51 über einen Funktionsgenerator 54 mittels der Übertragungsleitungen 52′ bzw. 52 aneinander angeschlos­ sen. Die Empfangssignalleitungen 50 führen zu einem Analyse­ system 53, das mit einem Grafikplotter anschließt. Die Empfangssignalleitungen 50′ bzw. 50 führen jeweils zum Empfangssegment B2 bzw. A2 und die Sendesignalleitungen 51′ bzw. 51 zum Sendesegment B3 bzw. A3 des piezoelektrischen Wandlers A1 bzw. B1.

Claims (1)

1. Verfahren zum Kalibrieren oder Prüfen eines piezoke­ ramischen Wandlers, bestehend aus einem Keramikkörper (1a), der auf der einen Seite eine gemeinsame Elek­ trode (5) und auf der anderen Seite mindestens zwei galvanisch voneinander getrennte Elektroden (4a, 4b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Sendesignal auf eine der beiden voneinander getrenn­ ten Elektroden (4a) gegeben wird, daß als Empfangs­ signal das dadurch an der zweiten getrennten Elek­ trode (4b) vom Körperschall erzeugte elektrische Signal abgegriffen wird und daß die beiden elektrischen Signale miteinander verglichen werden.