RU2308688C1 - Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей - Google Patents
Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2308688C1 RU2308688C1 RU2006111036/28A RU2006111036A RU2308688C1 RU 2308688 C1 RU2308688 C1 RU 2308688C1 RU 2006111036/28 A RU2006111036/28 A RU 2006111036/28A RU 2006111036 A RU2006111036 A RU 2006111036A RU 2308688 C1 RU2308688 C1 RU 2308688C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- value
- capacitance
- piezo
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, в балансировочных станках, динамометрах, акселерометрах и других приборах и оборудовании. Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона стабильной работы оборудования и приборов, снабженных пьезоэлектрическими датчиками, улучшение метрологических характеристик и упрощение работы пользователя. Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей заключается в том, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения. При этом процесс нормализации производится устройством нормализации в течение всего времени эксплуатации оборудования или прибора. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, в балансировочных станках, динамометрах, акселерометрах и других приборах и оборудовании.
Широко известны пьезоэлектрические преобразователи, например, см. книги:
1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф. - м.н. В.М.Матвеева, - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с, с.396-421 [1].
2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-е переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 576 с. с ил., с.272-288 [2].
3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hüthig, 1993, 346 с., с.47-64 [3].
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на измерении электрического заряда Q, возникающего при приложении, например, внешней силы F к пьезокерамической пластине. При этом электрический заряд Q, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, пропорционален величине приложенной силы F.
Q=d·F
где d - пьезоэлектрический коэффициент (пьезомодуль), измеряемый в Кл/Н.
Известны два метода обработки сигналов от пьезоэлектрических преобразователей:
- первый метод - усиление напряжения;
- второй метод - усиление величины заряда Q.
Также известно, что пьезоэлектрические преобразователи используются широко в различных устройствах, которые эксплуатируются в довольно широком температурном диапазоне. Например, характеристики пьезоэлектрического коэффициента d (пьезомодуля) в зависимости от температуры для пьезоэлектрического материала ЦТБС-3: при изменении температуры от +20°С до +60°С (соответственно от 293°К до 333°К) значение пьезомодуля изменяется от 175 до 205 единиц, то-есть более чем на 16%.
А для материала PIC 155, например, при изменении температуры от +20°С до +60°С значение пьезомодуля изменяется более чем на 22%.
Такой разброс значений пьезомодуля в зависимости от температуры среды является в некоторых приборах просто недопустимым, например в балансировочных станках, которые относятся к высокоточному измерительному оборудованию. А в конструкции этих станков используются пьезоэлектрические преобразователи в качестве различных датчиков.
Таким образом, использование пьезоэлектрических преобразователей с низким значением относительного коэффициента изменения пьезомодуля в зависимости от температуры не всегда экономически целесообразно. То-есть для повышения стабильности пьезомодуля необходимо использовать дорогостоящие комплектующие элементы и принимать сложные схемные решения.
Пьезокерамические материалы с низким относительным коэффициентом изменения пьезомодуля от температуры имеют меньшее значение пьезомодуля, а в ценовом соотношении намного дороже, и к тому же для получения заданного значения пьезомодуля требуется соединять ряд пластин параллельно, что также ведет к значительным материальным затратам.
Например, для стабильного функционирования балансировочного станка с высокой точностью балансировки необходимо предусматривать в его конструкции устройства, гарантирующие поддержание постоянной температуры пьезоэлектрических преобразователей (датчиков). Или в противном случае пользователь станка обязан периодически производить калибровку этих датчиков через определенный промежуток времени. А это, в свою очередь, существенно снижает производительность труда.
Целью предлагаемого изобретения является за счет нового технического решения существенно расширить температурный диапазон стабильной работы оборудования и приборов, снабженных пьезоэлектрическими преобразователями-датчиками, улучшение их метрологических характеристик, а также упрощение работы пользователя на таком оборудовании.
Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом.
Для этого предлагается способ нормализации зарядочувствительной характеристики электрических преобразователей, то-есть пьезоэлектрический модуль d пересчитывают как функцию d(t) от температуры t или приближают отклонения характеристик силы, момента, ускорения к нулю при определенной калибровочной температуре tk, то-есть
где t1...t2 - заданный температурный диапазон работы пьезоэлектрического преобразователя;
Fk(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочной силе Fk и при температуре t;
Fk(tk) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочной силе Fk и при температуре tk;
Мk(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном моменте Mk и при температуре t;
Мk(tк) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном моменте Мк и при температуре tк;
ак(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном ускорении ак и при температуре t;
ак(tк) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном ускорении ак и при температуре tк.
Предлагаемый способ характеризуется тем, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат(ы) этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения.
То-есть необходимо определить новое значение функции d(t), аргументом которой является температура t. Так как аргумент функции d(t) неизвестен, то его значение рассчитывают из функции c(t).
А так как емкость пьезоэлектрического преобразователя С определяют в результате измерения на первом этапе, то внутреннюю температуру t пьезоэлектрического преобразователя определяют в зависимости от емкости С.
И с учетом найденного значения температуры уменьшают или увеличивают значение пьезомодуля, то-есть фактически нормализуют (производят перерасчет) значения силы или изгиба или ускорения в зависимости от температуры.
При этом процесс нормализации производится устройством нормализации в течение всего времени эксплуатации оборудования или прибора.
Близкого аналога предлагаемому способу нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей в доступной научно-технической и патентной информации не обнаружено.
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, то-есть схема преобразования силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе, в цифровой код.
На фиг.2 - то же, но измерительная цепь вынесена за ключ управления, который имеет два положения.
Устройства преобразования по фиг.1 и 2 содержат следующие узлы. К пьезоэлектрическому преобразователю 1, обладающему собственной емкость СП и сопротивлением RП, подключена измерительная цепь 2, состоящая из резистора и конденсатора, которая предназначена для расширения частотного диапазона измерения.
Через ключ управления 3 подключен измеритель емкости 4, который измеряет суммарную емкость: пьезоэлектрического преобразователя 1, емкость Кабеля, емкость конденсатора измерительной цепи 2 и входящую емкость повторителя напряжения 5 с большим входным сопротивлением.
К выходу повторителя напряжения 5 подсоединен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, выход которого соединен со входом нормализатора характеристики 7, выполняющего функции нормализации d[t(c)], другой вход которого подключен к выходу измерителя емкости 4.
Нормализатор характеристики 7 выполнен программно, на выходе которого получается (вычисляется) действительное значение сигнала в виде цифрового кода, уже приведенного значения силы или изгиба или ускорения.
Преобразователь по схеме на фиг.2 отличается от преобразователя по схеме на фиг.1 тем, что использован ключ управления 8 на два положения и измеритель цепи 2 вынесен к входу повторителя напряжения 5.
Предлагаемый способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя осуществляют посредством устройства преобразователя по схеме на фиг.1 следующим образом.
Устройство преобразователя переводят в режим измерения емкости пьезоэлектрического преобразователя 1. Для этого, например, балансировочный станок останавливают, то-есть, чтобы электрический сигнал с выходов пьезоэлектрического преобразователя не поступал на вход схемы по фиг.1.
Далее, включают ключ управления 3 (фиг.1) и производят измерение емкостей: пьезоэлектрического преобразователя 1 (СП); кабеля - монтажной емкости (СК); конденсатора измерительной цепи 2 (СИЦ); входной емкости повторителя напряжения 5 (СВХ).
Общая измеренная емкость устройства преобразователя СХ по фиг.1 является суммой перечисленных емкостей:
СХ=СП+СК+СИЦ+СВХ
Так СК, СИЦ, СВХ известны, а СХ может быть вычислена на первом этапе измерения емкости пьезоэлектрического преобразователя 1, то из данной приведенной выше формулы вычисляем искомое значение емкости СП пьезоэлектрического преобразователя 1.
Далее, это значение СП вводится в нормализатор характеристики 7 (фиг.1). А затем отсоединяют ключ управления 3 и, например, балансировочный станок готов к работе.
Сам нормализатор характеристики 7 выполнен программным способом. Дополнительно в него вводится информация о значении пьезомодуля при заданной температуре и емкости пьезоэлектрического преобразователя СП также при заданной температуре, а также значения функции зависимости абсолютного или относительного изменения значения пьезомодуля от температуры.
Перечисленные характеристики имеют конкретные значения и указаны в паспортных данных для каждого вида пьезоэлектрического преобразователя. Например, в простейшем случае характеристика нормализатора 7 будет иметь следующий вид:
где КП - характеристика нормализатора 7;
t=f(c);
t - пересчитанное значение температуры в зависимости от емкости С пьезоэлектрического преобразователя;
Uвх.н - "входное напряжение" нормализатора характеристики 7 (код);
Uвых.н - "выходное напряжение" нормализатора характеристики 7 (код);
Функционирование устройства преобразователя по фиг.2 аналогично работе устройства по фиг.1 за исключением того, что общая измеренная емкость СХ преобразователя и пьезоэлектрического преобразователя равна сумме емкости пьезоэлектрического преобразователя 1 СП и емкости кабеля СК, то-есть
СХ=СП+СК
и это конструктивная особенность преобразователя по фиг.2.
Так как значение емкости СП значительно больше значения емкости СК(СП≫СК), то значением емкости кабеля СК можно пренебречь, то-есть устройство измерения емкости по фиг.2 фактически сразу измеряет значение емкости пьезоэлектрического преобразователя 1.
Если значения d(t) или c(t) неизвестны, то калибровку преобразователя по фиг.1 можно производить по следующей схеме:
1. устанавливают температуру пьезоэлектрического преобразователя 1, допустим t1, измеряют значение емкости пьезоэлектрического преобразователя 1 С1 при заданной температуре;
2. прикладывают к пьезоэлектрическому преобразователю калибровочное значение силы, момента или ускорения, получая на выходе АЦП 6 значение "напряжения" U1;
3. устанавливают температуру пьезоэлектрического преобразователя 1, равную t2, и аналогичным образом получают значения C2 и U2.
При нормальной работе преобразователя по фиг.1 нормализация зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя 1 в простейшем случае может быть выражена в виде формулы:
где КП - характеристика нормализатора 7;
U1 - значение "напряжения" на выходе АЦП 6 при приложении к пьезоэлектрическому преобразователю 1 калибровочного значения силы, момента или ускорения;
ΔU=U2-U1;
ΔC=C2-C1
С - емкость пьезоэлектрического преобразователя 1, измеренная до начала цикла работы преобразователя по фиг.1 или 2.
Предлагаемый способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей позволяет расширить температурный диапазон работы пьезоэлектрических преобразователей и более точно измерять фактические значения контролируемых величин на различных видах оборудования, в которых используются пьезоэлектрические преобразователи (датчики).
Литература
1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф. - м.н. В.М.Матвеева. - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с., с.396-421.
2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-е переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 575 с. с ил., с.272-288.
3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hüthig, 1993, 346 с., с.47-64.
Claims (1)
- Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей, характеризующийся тем, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат(ы) этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы, или изгиба, или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006111036/28A RU2308688C1 (ru) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006111036/28A RU2308688C1 (ru) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2308688C1 true RU2308688C1 (ru) | 2007-10-20 |
Family
ID=38925396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006111036/28A RU2308688C1 (ru) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2308688C1 (ru) |
-
2006
- 2006-04-05 RU RU2006111036/28A patent/RU2308688C1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2936286B2 (ja) | 精密容量性トランスデューサ回路と方法 | |
| CN110572157B (zh) | 一种i/f变换电路板的温度补偿方法 | |
| CN108398142A (zh) | 用于电阻传感器结构的偏置和读出的方法和电路 | |
| CN104969473A (zh) | 传感器信号处理装置及传感器装置 | |
| CN112269065B (zh) | 一种双激励的高精度绝对阻抗测量方法 | |
| Mochizuki et al. | A high-accuracy high-speed signal processing circuit of differential-capacitance transducers | |
| Georgakopoulou et al. | A capacitive-to-digital converter with automatic range adaptation for readout instrumentation | |
| Philip et al. | Design and analysis of a dual-slope inductance-to-digital converter for differential reluctance sensors | |
| CN103063321B (zh) | 一种铂电阻测温装置及其测温方法 | |
| van der Goes et al. | A simple accurate bridge-transducer interface with continuous autocalibration | |
| RU2308688C1 (ru) | Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей | |
| Schäfer | The Ultra-Precision Instrument DMP41–First Experiences & Appropriate Filter settings | |
| Wilson et al. | Test and measurement: know it all | |
| Gaikwad et al. | Design and development of novel weighing scale system | |
| CN102538650A (zh) | 一种纳米级微小位移测量装置 | |
| RU2400711C1 (ru) | Тензометрический измерительный преобразователь | |
| CN114111550A (zh) | 基于电压积分翻转电容法的微位移测量装置及方法 | |
| CN206670832U (zh) | 一种提升温度测量精准度的装置 | |
| RU61869U1 (ru) | Преобразователь электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя, в цифровой код (варианты) | |
| RU2308727C1 (ru) | Устройство для измерения электрической емкости | |
| Li et al. | Research on the Detecting Technology of Tiny Capacitance | |
| RU2731033C1 (ru) | Тензопреобразователь давления мостового типа | |
| Sarkar et al. | Low Value Capacitance Measurement System with Adjustable Lead Capacitance Compensation | |
| RU223423U1 (ru) | Измеритель частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя | |
| Petrellis et al. | Capacitive sensor estimation based on self-configurable reference capacitance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140406 |