RU223423U1

RU223423U1 - Измеритель частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя

Info

Publication number: RU223423U1
Application number: RU2023122278U
Authority: RU
Inventors: Александр Федорович Вялушкин; Роман Николаевич Малаханов; Даниил Андреевич Казаков
Original assignee: Публичное акционерное общество "Техприбор"
Filing date: 2023-08-25
Publication date: 2024-02-15

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для дистанционного измерения параметров пьезоэлектрических вибропреобразователей без механического возбуждения их колебаний. Предлагаемый измеритель содержит электроемкостный мост, в состав которого входят исследуемый вибропреобразователь, постоянные конденсаторы и решающий усилитель, включенный в дифференциальном режиме. Выход решающего усилителя соединен с детектором, подключенным к аналоговому входу АЦП, цифровой выход которого соединен со входом вычислителя, формирующего импульсное возбуждающее напряжение, поступающее в импульсный усилитель и, с его выхода, - на диагональ питания электроемкостного моста. Частота установочного резонанса исследуемого вибропреобразователя определяется в вычислителе по значению сигнала разбаланса на выходе решающего усилителя при установленной частоте импульсного возбуждающего напряжения. Техническим результатом полезной модели является расширение частотного диапазона исследуемых пьезоэлектрических вибропреобразователей при сохранении точности измерения.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к электро-измерительной технике и может быть использована для дистанционного измерения параметров пьезоэлектрических вибропреобразователей без механического возбуждения их колебаний.

Известен способ возбуждения колебаний пьезоэлектрического вибропреобразователя без механического возбуждения его колебаний (патент RU 2150708, опубликован 10.06.2000, бюл. №16), заключающийся в подаче на преобразователь постоянного напряжения с последующим замыканием его выводов. Недостатком этого способа является низкая точность измерения установочного резонанса вследствие существенного влияния на его частоту неконтролируемого остаточного напряжения.

Указанный недостаток частично устранен в наиболее близком к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату устройству для определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрических датчиков (патент RU 2176383, опубликован 27.11.2001, бюл. №33), принятому за ближайший аналог (прототип). Устройство предназначено для определения частоты установочного резонанса датчика без механического возбуждения его колебаний и содержит электроемкостный мост, плечами которого служат постоянный и балансировочный конденсаторы, пьезокерамический конденсатор и исследуемый пьезоэлектрический датчик, подсоединенный к мосту через электросоединитель. Одна из диагоналей моста подключена к выходу генератора напряжения переменной частоты, а другая - ко входу регистратора. Известное устройство позволяет измерить частоту установочного резонанса пьезоэлектрических датчиков с достаточной точностью, которая достигается, в основном, за счет идентичности импульсов исследуемого датчика и пьезокерамического конденсатора, установленного в соседнем с ним плече моста, что дает возможность практически полностью скомпенсировать статический импеданс датчика и устранить его влияние на погрешность измерения. Однако указанная компенсация эффективна только при частоте возбуждающего напряжения, близкой к частоте установочного резонанса пьезоэлектрического конденсатора. При отклонении от нее на ±5 Гц погрешность измерения существенно возрастает, а при отклонении до 10 Гц достигает ±2%, что существенно сужает частотный диапазон известного устройства.

Задачей полезной модели и ее техническим результатом является расширение частотного диапазона исследуемых пьезоэлектрических вибропреобразователей (датчиков) при сохранении точности измерений частоты их установочных резонансов.

Указанная задача решается за счет использования электроемкостного моста, в одном из плеч которого установлен электросоединитель для подключения исследуемого пьезоэлектрического вибропреобразователя, а другими плечами которого служат постоянные конденсаторы и решающий усилитель в дифференциальном режиме. Использование плеча с решающим усилителем, обладающим весьма низкой частотной зависимостью, позволяет существенно расширить частотный диапазон предлагаемого измерителя по сравнению с прототипом.

Предлагаемая полезная модель отличается от прототипа тем, что в ее состав дополнительно введены следующие элементы: вычислитель, импульсный усилитель, решающий усилитель, детектор, АЦП и входящие в состав вычислителя формирователь, модуль управления и модуль сравнения, каждый из которых содержит ячейку памяти и микропроцессор, а также тем, что в ячейки памяти элементов вычислителя загружены данные, необходимые и достаточные для реализации процедуры измерения установочного резонанса.

Известные и дополнительно введенные элементы предлагаемой полезной модели имеют следующие связи и соединения. Выход формирователя, одновременно служащий входом вычислителя, соединен со входом импульсного усилителя, подключенного к диагонали питания электроемкостного моста, содержащего постоянные конденсаторы, электросоединитель пьезоэлектрического вибропреобразователя, установочные резисторы и решающий усилитель в дифференциальном режиме, выход которого подключен к детектору, соединенному с аналоговым входом АЦП, цифровой выход которого соединен со входом вычислителя.

Устройство и работа предлагаемого измерителя поясняются фигурой, на которой представлена его структурная схема и введены словесные обозначения: 1 - формирователь, 2 - вычислитель, 3 - импульсный усилитель, 4 - электроемкостный мост, 5 - постоянные конденсаторы, 6 - установочные резисторы, 7 - электросоединитель, 8 - решающий усилитель, 9 - детектор, 10 - АЦП, 11 - модуль сравнения, 12 - модуль управления, 13 - ячейка памяти и 14 - микропроцессор формирователя 1, 15 - ячейка памяти и 16 - микропроцессор модуля управления 12, 17 - ячейка памяти и 18- микропроцессор модуля сравнения 11.

Выход формирователя 1, входящего в состав вычислителя 2, соединен со входом импульсного усилителя 3, подключенного к диагонали электроемкостного моста 4, содержащего постоянные конденсаторы 5, установочные резисторы 6, электросоединитель 7 и решающий усилитель 8, выход которого соединен со входом детектора 9, подключенного к АЦП 10, соединенного с модулем сравнения 11, входящим в состав вычислителя 2; модуль сравнения 11 и формирователь 1 соединены каждый отдельной двунаправленной связью с модулем управления 12, входящим в состав вычислителя 2 и снабженным информационным выходом.

Предложенный измеритель работает следующим образом.

Для измерения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя, электросоединитель 7 которого включен в плечо электроемкостного моста 4, исследуемый вибропреобразователь подключается к электроемкостному мосту через электросоединитель 7, после чего в формирователе 1 вычислителя 2 формируется напряжение возбуждения в виде следующих одна за другой последовательностей прямоугольных импульсов с изменением частоты следования импульсов в каждой последовательности от значения до значения с шагом дискретности , причем частота следования импульсов первой последовательности равна второй и так далее до последней последовательности, которая имеет частоту следования импульсов . Необходимые данные для формирования прямоугольных импульсов и их последовательностей: значения индекса n, частоты , и шага дискретности загружены в ячейку памяти 13 формирователя 1. Сформированное с использованием этих данных в микропроцессоре 14 напряжение возбуждения подается на вход импульсного усилителя 3 и, после усиления в нем, поступает на диагональ питания электроемкостного моста 4, в котором вырабатывается сигнал разбаланса в виде амплитуды переменного напряжения на выходе решающего усилителя 8, работающего в дифференциальном режиме, которое зависит от частоты установочного резонанса исследуемого пьезоэлектрического вибропреобразователя. При этом режим работы решающего усилителя устанавливается с помощью подбора параметров установочных резисторов 6.

Сигнал разбаланса подается на вход детектора 9 и, после выпрямления в нем, поступает на аналоговый вход АЦП 10, где преобразуется в цифровую форму и передается в модуль сравнения 11 вычислителя 2. В микропроцессоре 18 модуля сравнения 11 значение U_i, поступившего постоянного напряжения, соответствующего текущей i-той последовательности прямоугольных импульсов, сравнивается с напряжением U_i-1, предшествующей (i-1)-ой последовательности вплоть до выполнения неравенства

U_i - уровень постоянного напряжения в конце текущей i-той последовательности прямоугольных импульсов,

U_i-1 - уровень постоянного напряжения в конце предшествующей (i-1)-ой последовательности прямоугольных импульсов, а

i=0, 1, …n - индекс последовательности.

При этом значения постоянного напряжения вычисляются по формуле

a_i - цифровой код дискретного уровня аналогового сигнала в конце i-ой последовательности прямоугольных импульсов,

U_on - опорное напряжение АЦП 10, а

N - количество разрядов АЦП 10.

Значение коэффициента при напряжении U_i-1 равное 1,5, необходимое для осуществления в микропроцессоре 18 модуля сравнения 11 алгебраической операции (1) загружено в ячейку памяти 17.

В ту же ячейку памяти 17 загружены значения величин U_on и N, необходимые для осуществления в микропроцессоре 18 алгебраической операции (2).

В момент выполнения неравенства (1) в модуле сравнения 11 формируется и передается по двусторонней линии связи в модуль управления 12 соответствующий сигнал, в результате которого в микропроцессоре 16 модуля управления 12 в соответствии с загруженной в его ячейку памяти 15 информацией, формируется и передается по двусторонней линии связи в формирователь 1 команда останова. При этом по двусторонней линии связи из формирователя 1 в модуль управления 12 передается значение частоты текущей i-ой последовательности прямоугольных импульсов, вырабатываемой формирователем 1 в момент выполнения неравенства (1). Полученное значение частоты является искомой частотой установочного резонанса исследуемого пьезоэлектрического преобразователя. Эта частота фиксируется в ячейке памяти 15 модуля управления 12 и с его информационного выхода передается во внешние системы, например, на монитор или принтер.

Экспериментальное подтверждение расширения частоты диапазона предлагаемого измерителя производилось на испытательной базе ПАО «Техприбор». Испытания показали, что значения частоты установочных резонансов исследуемых вибропреобразователей, измеренные в диапазонах 20…30 кГц, 30…40 кГц и 40…50 кГц определяются предлагаемой полезной моделью с практически одинаковой погрешностью, не превосходящей 1%, что подтверждает существенное расширение ее частотного диапазона по сравнению с прототипом. Для оценки точности измерения предлагаемым измерителем были использованы вибропреобразователи типа МВ-04-1 №101344, и №341342, МВ-06-1 №421027. Измерения проводились при возбуждении вибропреобразователей последовательностями прямоугольных импульсов с частотой от до с шагом дискретности 100 Гц. Измеренные значения частоты установочных резонансов вибропреобразователей составили для МВ-04-1 №101344 - 30,4 кГц, для МВ-04-1 №341342 - 34,5 кГц, для МВ-06-1 №421027 - 31,1 кГц, что соответствует значениям, измеренным на эталонном вибростенде.

Таким образом, в предложенной полезной модели поставленная задача успешно решена.

Claims

Измеритель частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя, в состав которого входят электроемкостный мост, содержащий конденсатор постоянной емкости и электросоединитель исследуемого пьезоэлектрического вибропреобразователя, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введены второй конденсатор постоянной емкости, вычислитель, импульсный усилитель, решающий усилитель, детектор, АЦП и установочные резисторы, причем вычислитель содержит модуль управления, модуль сравнения и формирователь, в состав каждого из которых входят ячейка памяти и микропроцессор, выход вычислителя соединен с импульсным усилителем, подключенным к электроемкостному мосту, содержащему решающий усилитель, соединенный своим выходом со входом детектора, подключенным к АЦП, цифровой выход которого соединен со входом вычислителя, причем в ячейки памяти элементов вычислителя загружены данные, необходимые и достаточные для реализации процедуры измерения установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя.