RU2176383C2

RU2176383C2 - Device for determining montage resonance frequency in piezo-electric transducers

Info

Publication number: RU2176383C2
Application number: RU2000100459/28A
Authority: RU
Inventors: М.И. Субботин
Original assignee: Научно-производственное объединение измерительной техники
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2001-11-27

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: device has alternating frequency voltage generator, capacitor bridge with socket for connecting transducer, balancing members and recorder unit. Bridge shoulder adjacent to the transducer is manufactured as capacitor from piezo-ceramic material having no resonance properties in the frequency band of interest. EFFECT: larger set of transducers treated without applying mechanical excitation; high accuracy of operation. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении параметров средств измерения вибрации и родственных с ней механических величин. The invention relates to measuring technique and can be used in determining the parameters of vibration measuring instruments and related mechanical quantities.

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. An important parameter of the sensors is the frequency of the installation resonance (hereinafter referred to as the frequency of UR), which determines its operating frequency range and is necessarily controlled during periodic calibration of the sensor. Difficulties arise in this case if the frequency of the SD is several tens of kilohertz and goes beyond the boundaries of the frequency range of common vibration stands. To determine the frequency of the SD of a piezoelectric sensor, the reversibility of its transducer can be used, i.e. the relationship of electrical and mechanical properties, which is characterized by the presence of two components of the capacitance - static, not related to piezoelectric properties, and dynamic, depending on the piezoelectric properties and mechanical state of the transducer. Since the latter changes when passing through resonance, the capacitance also changes, and this change is used through resonance, the capacitance also changes, and this change is used to determine the frequency of the SD without mechanical excitation of the sensor oscillations. To do this, include the sensor in a circuit powered by an electric generator with a variable frequency and sensitive to the capacitance of the sensor, and register the dependence of the output signal of the circuit on the frequency.

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. A device for determining the resonant frequencies of samples from piezoelectric materials, the main part of which is a four-terminal device made of resistors, which includes the studied sample as a communication element [1]. At the resonant frequency of the sample, the output voltage of the four-terminal network is maximum, which is used to determine it.

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. The disadvantage of this device when used with sensors is due to the influence of the mechanical quality factor of the test object on the ratio of dynamic and static capacities, which decreases with the quality factor. As a result, the frequency dependence of the output signal has a clear maximum at a quality factor of 200 or more. Since the quality factor of a typical sensor is of the order of 30, the maximum is blurry, and the SD count is inaccurate.

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. The closest in technical essence to the claimed is a device containing a capacitive bridge with balancing elements, in one of the shoulders of which is included the investigated sensor [2]. The bridge is balanced at a frequency that is obviously lower than the expected frequency of the SD. Since the static capacitance is compensated, the sensitivity of the circuit to a change in dynamic capacitance is increased. This makes it possible to count the frequency of the maximum output signal more clearly in comparison with the analog device.

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. However, this device also has a drawback that is significant in the study of the most common sensors with a ceramic piezoelectric transducer. It is due to the fact that the dielectric properties of ceramics, which are ferroelectrics, are more complicated than ordinary dielectrics and are described in the frequency domain by complex permeability (see I. Zheludev Osnovy senetoelektrichestva, Moscow: Atomizdat, 1973). As a result, the bridge with the piezoelectric sensor cannot be completely balanced by changing the capacitance of the comparison arm. The introduction of phase-shifting elements, similar to bridges with a constant operating frequency, leads to the appearance of false extremes at the desired frequency dependence. As a result, work with the device is compelled to be carried out with an incomplete balance of the bridge, which makes it difficult or almost impossible to determine the frequency of the SD of ceramic sensors with a low conversion coefficient.

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. The expected technical result of the use of the inventive device is the expansion of the range of sensors for which it is possible to determine the frequency of SD without mechanical excitation, and increase the accuracy of this operation. The result is achieved in that in a device containing a voltage generator with a variable frequency, a capacitive bridge with a connector for connecting the sensor and balancing elements and a recorder, the bridge arm adjacent to the sensor is made in the form of a capacitor made of piezoelectric material that does not have resonances in the studied frequency band .

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).The essence of the claimed device is illustrated in FIG. 1, 2, on which are presented:
in FIG. 1 - electrical diagram of the device, where indicated: 1 - voltage generator with variable frequency; 2 - capacitive bridge as a whole; 3 - balancing element; 4 - connector for connecting the sensor; 5 - registrar; 6 - investigated piezoelectric sensor; 7 - piezoceramic capacitor;
in FIG. 2 - frequency dependence of the output signal of the claimed device, obtained by studying the ABC 134-04 sensor (curve 1) in comparison with the same dependences obtained on the analog device (curve 2) and the prototype device (curve 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.The circuit of FIG. 1 does not require explanation, as well as the functioning of the claimed device. The latter has only one feature - due to the identity of the impedances of the sensor and the adjacent shoulder, the condition of the balance of the bridge, i.e. the equality of the products of the impedances of the opposite arms is performed more accurately and in a wider frequency band. This makes it possible to almost completely compensate for the static impedance of the sensor and thereby increase the sensitivity of the bridge to changes in dynamic capacitance. The result is illustrated in FIG. 2, the curves on which are obtained using a oscillating frequency generator. It can be seen that the maximum on curve 1, corresponding to the claimed device, is much more distinct than on curves 2 and 3. It should be noted that the ABC 134-04 sensor is medium-sensitive - its conversion coefficient is 1 mV • s ² / m. For sensors with lower sensitivity, curve 2 had no noticeable extrema at all.

Отсчет частоты УР можно производить или по максимуму выходного сигнала, или по 90-градусному сдвигу фаз выходного сигнала и напряжения генератора. The UR frequency can be counted either by the maximum of the output signal, or by a 90-degree phase shift of the output signal and the generator voltage.

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. A piezoceramic capacitor can be made either from a polarized piezoelectric element, or from a polarized thickness in a symmetrical holder, ensuring the absence of resonant frequencies below several hundred kilohertz. The latter is even preferable.

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. The sensitivity of the inventive device, combined with a frequency range of up to 200 kHz, made it possible to confidently determine the frequency of the UR of such low-sensitivity sensors as a high-temperature accelerometer ABC 059 with a bismuth titanate converter; pressure pulsation sensor W 308; shock accelerometer 8309 from Bruhl &Kjерr; as well as a quartz accelerometer 8305 of the same company.

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. In addition, it should be noted that the device operates reliably at a supply voltage of the bridge (10-15) V and allows you to comply with safety requirements and ensure explosion protection when working in real conditions of operation of the sensors, i.e. without removing from the object.

Заявляемое устройство повысит точность определения частоты УР пьезоэлектрических датчиков при их производстве и эксплуатации. The inventive device will increase the accuracy of determining the frequency of the SD piezoelectric sensors during their production and operation.

Источники информации
1. ГОСТ 12370-80. Материалы пьезоэлектрические. Методы испытаний.Sources of information
1. GOST 12370-80. Piezoelectric materials. Test methods.

2. Субботин М. И. Импеданс пьезодатчика как источник информации о его свойствах. - В сб. Вибрационная техника изд. МДНТП, М., 1988 (прототип). 2. Subbotin M. I. Impedance of a piezoelectric sensor as a source of information about its properties. - On Sat Vibration technology ed. MDNTP, M., 1988 (prototype).

Claims

A device for determining the frequency of the installation resonance of piezoelectric sensors, containing a voltage generator with a variable frequency, a capacitive bridge with a connector for connecting the sensor and balancing elements, and a registrar, characterized in that the bridge arm adjacent to the sensor is made in the form of a capacitor made of piezoceramic material that does not have resonances in the studied frequency band.