RU2466368C1 - Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) - Google Patents
Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2466368C1 RU2466368C1 RU2011113018/28A RU2011113018A RU2466368C1 RU 2466368 C1 RU2466368 C1 RU 2466368C1 RU 2011113018/28 A RU2011113018/28 A RU 2011113018/28A RU 2011113018 A RU2011113018 A RU 2011113018A RU 2466368 C1 RU2466368 C1 RU 2466368C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transducer
- pressure transducer
- response
- frequency
- dynamic characteristics
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборостроении при разработке и изготовлении современных датчиков давления.The invention relates to instrumentation and can be used in instrumentation in the development and manufacture of modern pressure sensors.
Одним из основных параметров, характеризующих любой измерительный преобразователь, является его динамическая характеристика. Динамическая характеристика определяет реакцию на изменение внешних условий и, таким образом, играет ключевую роль при измерении быстротекущих процессов. Динамическая характеристика датчика определяет так называемую «динамическую составляющую погрешности», которая при определенных условиях может в разы превышать нормируемую «статическую» компоненту. Информация о динамической характеристике датчика дает возможность учитывать реакцию датчика на изменение внешних условий и в случае необходимости компенсировать динамическую составляющую погрешности. Этим, как правило, определяется интерес исследователей к поиску методов определения динамической характеристики преобразователя.One of the main parameters characterizing any measuring transducer is its dynamic characteristic. The dynamic characteristic determines the response to changing external conditions and, thus, plays a key role in the measurement of fast-moving processes. The dynamic characteristic of the sensor determines the so-called “dynamic component of the error”, which under certain conditions can be several times greater than the normalized “static” component. Information on the dynamic characteristic of the sensor makes it possible to take into account the response of the sensor to changing external conditions and, if necessary, compensate for the dynamic component of the error. This, as a rule, determines the interest of researchers in the search for methods for determining the dynamic characteristics of the transducer.
В то же время, если преобразователь представить в виде электромеханической системы, то его динамическую характеристику в частотной области можно описать набором собственных частот (характеристических параметров). При возникновении неисправности сенсора (разрыв сварного шва, истончение мембраны и др.) эти параметры изменятся. Разработав методику выделения этих параметров из собственного сигнала сенсора и контролируя их значения, можно оценить состояние сенсора. Следовательно, отклонения в динамической характеристике могут служить критерием исправности датчика и основанием для решения о возможности его дальнейшего использования.At the same time, if the converter is presented in the form of an electromechanical system, then its dynamic characteristic in the frequency domain can be described by a set of eigenfrequencies (characteristic parameters). In the event of a sensor malfunction (rupture of the weld, thinning of the membrane, etc.), these parameters will change. Having developed a technique for extracting these parameters from the sensor’s own signal and controlling their values, we can evaluate the state of the sensor. Therefore, deviations in the dynamic characteristic can serve as a criterion for the health of the sensor and the basis for deciding on the possibility of its further use.
В настоящее время известны различные способы определения динамических характеристик механических конструкций, которые предполагают как теоретическую, так и практическую оценку значений частот собственных колебаний исследуемых механических систем. Однако эти способы не дают необходимого результата применительно к тензометрическим преобразователям давления, так как не указывается способ возбуждения собственных колебаний конструкции преобразователя, а также не учитывается ее электромеханический характер. Кроме того, данные способы не предлагают использование внешнего воздействия с контролируемыми параметрами, что не дает возможности исключить влияние спектра входного воздействия или частотных характеристик преобразователей входного сигнала на выходной сигнал исследуемой системы, по которому в данном случае определяют ее динамические характеристики.Currently, various methods are known for determining the dynamic characteristics of mechanical structures, which involve both theoretical and practical estimates of the frequencies of natural vibrations of the studied mechanical systems. However, these methods do not give the necessary result with respect to strain gauge pressure transducers, since the method of excitation of natural vibrations of the transducer structure is not indicated, and its electromechanical nature is not taken into account either. In addition, these methods do not offer the use of external influence with controlled parameters, which does not make it possible to exclude the influence of the input exposure spectrum or the frequency characteristics of the input signal converters on the output signal of the system under study, which in this case determines its dynamic characteristics.
Особенностью определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления является электромеханический характер исследуемой системы и, следовательно, возможность использования собственного выходного сигнала преобразователя для оценки его частотных характеристик. Таким образом, специально подобранное внешнее механическое воздействие будет возбуждать собственные колебания конструкции преобразователя, частоты которых должны будут присутствовать в спектре его выходного сигнала.A feature of determining the dynamic characteristics of a strain gauge pressure transducer is the electromechanical nature of the system under study and, therefore, the ability to use the transmitter’s own output signal to evaluate its frequency characteristics. Thus, a specially selected external mechanical action will excite natural vibrations of the converter design, the frequencies of which will be present in the spectrum of its output signal.
Известны способы определения динамических характеристик различных механических конструкций и устройств, основанных на возбуждении в системе собственных колебаний с последующей регистрацией и анализом отклика системы.Known methods for determining the dynamic characteristics of various mechanical structures and devices based on the excitation in the system of natural vibrations with subsequent registration and analysis of the response of the system.
Определение динамических характеристик моментомеров (RU 2180101 С2, G01L 25/00, заявл. 07.03.2000, опубл. 27.02.2002) проводят путем приложения импульсного механического воздействия к нагружающему моментомер элементу - вращающемуся валу путем его нагрузки и последующей мгновенной разгрузки посредством разрушения разрушаемого элемента и одновременной регистрации реакции моментомера. Для этого разгоняют вал до заданной скорости, а нагружение вала осуществляют путем приложения к нему силы натяжения намотанной на установленный на валу шкив гибкой связи.The determination of the dynamic characteristics of the momentometers (RU 2180101 C2, G01L 25/00, application form 07.03.2000, publ. 02.27.2002) is carried out by applying pulsed mechanical action to the load moment of the element - the rotating shaft by means of its load and subsequent instantaneous unloading by destroying the destructible element and simultaneously recording the reaction of the momentomer. To do this, accelerate the shaft to a predetermined speed, and loading the shaft is carried out by applying to it a tension force wound on a flexible coupling pulley mounted on the shaft.
В способе экспериментального определения амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик качаний ротора синхронного генератора в рабочем режиме (RU 2233455 С2, G01R 31/34, Н02K 15/00, Н02K 19/16, заявл. 15.03.2002, опубл. 27.07.2004) амплитуду и фазу качания вращающегося ротора определяют хронометрическим способом. Устанавливают генератор тестовых воздействий на фиксированный период знакопеременных тестовых напряжений, подключают генератор тестовых воздействий к обмотке возбуждения ротора генератора, измеряют последовательность интервалов времени между двумя ближайшими моментами регистрации, определяют при этом периоде тестовых воздействий амплитуду и сдвиг фазы основной гармоники качаний ротора относительно фазы основной гармоники тестового воздействия на его фиксированном периоде по определенным формулам. С применением полученных результатов расчета амплитуды и фазы угла качания ротора рассчитывают частотные характеристики синхронного генератора.In the method of experimental determination of the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the oscillations of the rotor of the synchronous generator in the operating mode (RU 2233455 C2, G01R 31/34, Н02K 15/00, Н02K 19/16, announced March 15, 2002, published on July 27, 2004 ) the amplitude and phase of the swing of the rotating rotor is determined chronometrically. The generator of test actions for a fixed period of alternating test voltages is installed, the test actions generator is connected to the excitation winding of the generator rotor, the sequence of time intervals between the two nearest recording moments is measured, the amplitude and phase shift of the fundamental harmonic of the rotor swings relative to the phase of the fundamental harmonic of the test impacts on its fixed period according to certain formulas. Using the results of calculating the amplitude and phase of the swing angle of the rotor, the frequency characteristics of the synchronous generator are calculated.
Известен также способ определения собственных частот бака (RU 2367920 C1, G01M 7/00, заявл. 09.01.2008, опубл. 20.09.2009), который включает в себя предварительное определение нижних собственных частот сильфона и корпуса бака, вибрационное нагружение исследуемого бака по методу качающейся частоты и широкополосной случайной вибрации, определение в исследуемом диапазоне максимальной нерезонансной частоты, проводение ударного нагружения бака импульсом с длительностью, эквивалентной этой частоте. В результате по анализу амплитудно-частотных характеристик, спектральной плотности виброускорений и ударного спектра ускорений делают заключение о значениях собственных частот бака и об их изменении при нагружении.There is also a method of determining the eigenfrequencies of the tank (RU 2367920 C1, G01M 7/00, declared. 09.01.2008, published. 09.20.2009), which includes a preliminary determination of the lower eigenfrequencies of the bellows and the tank body, vibration loading of the tank under study according to the method oscillating frequency and broadband random vibration, determination of the maximum non-resonant frequency in the studied range, conducting shock loading of the tank with a pulse with a duration equivalent to this frequency. As a result, based on the analysis of the amplitude-frequency characteristics, spectral density of vibration accelerations and the shock spectrum of accelerations, a conclusion is made about the values of the eigenfrequencies of the tank and about their change during loading.
Помимо указанных известен способ измерения динамических характеристик компенсационного акселерометра (SU 1839835 А1, G01P 21/00, заявл. 15.04.1981, опубл. 10.08.2005), сущность которого заключается в следующем. С источника калиброванных по амплитуде и частоте электрических сигналов через гальваническую развязку в датчик силы чувствительного элемента подают сигналы. По отношению амплитуд выходных сигналов датчика смещения чувствительного элемента и формирователя сигнала аналоговой обратной связи к амплитуде этого сигнала определяют динамические характеристики акселерометра.In addition to the above, a method is known for measuring the dynamic characteristics of a compensation accelerometer (SU 1839835 A1, G01P 21/00, decl. 04/15/1981, publ. 10.08.2005), the essence of which is as follows. From a source of electrical signals calibrated in amplitude and frequency, signals are fed through a galvanic isolation to the sensor of the force of the sensing element. The dynamic characteristics of the accelerometer are determined by the ratio of the amplitudes of the output signals of the displacement sensor of the sensitive element and the analog feedback driver to the amplitude of this signal.
Предложенные способы применяются для определения динамических характеристик систем различного функционального назначения и отличаются типом выбранного метода возбуждения собственных колебаний, а также способами обработки сигналов. Общим для этих способов является то, что они не предлагают способ учета спектра используемого внешнего воздействия, то есть не исключается влияние этого спектра на выходной сигнал исследуемой системы. В предложенных способах, как правило, под определением динамических характеристик подразумевается определение значений собственных частот без определения их амплитудного соотношения в выходном сигнале. Кроме того, не учитывается, что датчики, используемые для регистрации колебаний, обладают определенными частотными характеристиками и также могут влиять на результат исследования.The proposed methods are used to determine the dynamic characteristics of systems of various functional purposes and differ in the type of method chosen for the excitation of natural vibrations, as well as in signal processing methods. Common to these methods is that they do not offer a way of taking into account the spectrum of the external influence used, that is, the influence of this spectrum on the output signal of the system under study is not ruled out. In the proposed methods, as a rule, the definition of dynamic characteristics means the determination of the eigenfrequencies without determining their amplitude ratio in the output signal. In addition, it is not taken into account that the sensors used to detect oscillations have certain frequency characteristics and can also affect the result of the study.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ определения динамических характеристик механической системы (RU 2292026 С1, G01M 17/00, заявл. 30.05.2005, опубл. 20.01.2007), который заключается в том, что в системе возбуждают свободные затухающие колебания, регистрируют отклик системы, строят амплитудно-временную зависимость отклика системы, по которой определяют собственные частоты системы. Собственные частоты системы определяют по пикам построенного амплитудного спектра Фурье отклика системы. Недостатком способа является то, что он не учитывает спектр возбуждающего воздействия, частотные характеристики устройств, через которые проходит возбуждающий импульс, а также не позволяет определить взаимное соотношение между собой спектральных компонент в выходном сигнале.Closest to the claimed solution is a method for determining the dynamic characteristics of a mechanical system (RU 2292026 C1, G01M 17/00, application. May 30, 2005, published January 20, 2007), which consists in the fact that free damped oscillations are excited in the system, and the response is recorded systems, build the amplitude-time dependence of the response of the system, which determine the eigenfrequencies of the system. The eigenfrequencies of the system are determined by the peaks of the constructed amplitude Fourier spectrum of the response of the system. The disadvantage of this method is that it does not take into account the spectrum of the exciting effect, the frequency characteristics of the devices through which the exciting pulse passes, and also does not allow to determine the mutual relationship between the spectral components in the output signal.
В основу данного изобретения положена техническая задача, заключающаяся в определении динамических характеристик тензометрического преобразователя давления, повышении точности экспериментального определения частот собственных колебаний конструкции преобразователя, расширении области применения акустоэлектрических пьезокерамических преобразователей.The basis of this invention is a technical problem, which consists in determining the dynamic characteristics of a strain gauge pressure transducer, improving the accuracy of experimental determination of the frequencies of natural vibrations of the transducer design, expanding the scope of acoustoelectric piezoceramic transducers.
Для решения поставленной технической задачи предложены два варианта определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления.To solve the technical problem, two options are proposed for determining the dynamic characteristics of a strain gauge pressure transducer.
Указанная задача достигается тем, что по первому варианту возбуждают собственные колебания конструкции преобразователя, записывают сигналы на входе и выходе системы, записанные сигналы обрабатывают, определяется их спектральный состав и эта информация используется для оценки частотной характеристики тензометрического преобразователя давления по формулам. Возбуждение собственных колебаний конструкции тензометрического преобразователя производится путем воздействия на его чувствительную мембрану ультразвуковым импульсом давления, получаемым при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем.This task is achieved by the fact that, according to the first embodiment, they excite their own vibrations of the transducer design, record signals at the input and output of the system, process the recorded signals, determine their spectral composition, and this information is used to estimate the frequency response of the strain gauge pressure transducer using the formulas. The natural vibrations of the strain gauge transducer are excited by applying an ultrasonic pressure pulse to its sensitive membrane, obtained by converting a controlled electrical signal to an acoustoelectric piezoelectric transducer.
Известно, что выходной сигнал системы может быть представлен как свертка входного сигнала и импульсной характеристики системы. В частотной области это соотношение преобразуется в произведение Фурье-образов:It is known that the output signal of the system can be represented as a convolution of the input signal and the impulse response of the system. In the frequency domain, this ratio is converted into a product of Fourier images:
где Y(f), H(f), X(f) - Фурье-образы выходного сигнала, импульсной характеристики системы и входного сигнала соответственно.where Y (f), H (f), X (f) are the Fourier transforms of the output signal, the impulse response of the system, and the input signal, respectively.
Из выражения (1) выводится следующее соотношение:From the expression (1) the following relation is derived:
где Gxx(f) и Gyy(f) - спектральные плотности входного и выходного сигнала соответственно, Н(f) - искомая частотная характеристика.where G xx (f) and G yy (f) are the spectral densities of the input and output signals, respectively, N (f) is the desired frequency response.
В данном случае в качестве входного сигнала системы выступает контролируемый электрический сигнал, в качестве выходного сигнала системы - сигнал с тензометрического моста преобразователя давления. Таким образом, по формуле (2) можно определить частотную характеристику системы.In this case, a controlled electrical signal acts as an input to the system, and a signal from the strain gauge bridge of the pressure transducer acts as the output of the system. Thus, by the formula (2), it is possible to determine the frequency response of the system.
Указанная задача достигается также тем, что возбуждают собственные колебания конструкции преобразователя, регистрируют отклик системы в выходном сигнале преобразователя, строят амплитудно-временную зависимость отклика, по которой определяют собственные частоты преобразователя, согласно изобретению для возбуждения собственных колебаний конструкции используют ультразвуковой импульс, получаемый при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем, причем поочередно используют два пьезокерамических преобразователя разной конструкции. Действуют ультразвуковым импульсом давления, полученным при помощи преобразования контролируемого электрического сигнала первым акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем, на второй пьезокерамический преобразователь, который в данном случае служит приемником сигнала, и регистрируют его отклик. Собственные частоты определяют по максимумам частотной характеристики тензометрического преобразователя давления, полученной при помощи решения системы уравнений.This task is also achieved by exciting the natural vibrations of the transducer design, registering the response of the system in the output signal of the transducer, constructing the amplitude-time dependence of the response by which the natural frequencies of the transducer are determined. According to the invention, an ultrasonic pulse obtained by converting is used to excite the natural vibrations of the structure controlled electrical signal by an acoustoelectric piezoelectric transducer, edno use two different piezoceramic transducer structure. The ultrasonic pressure pulse obtained by converting the controlled electrical signal by the first acoustoelectric piezoceramic transducer to the second piezoelectric transducer, which in this case serves as a receiver of the signal, is operated and its response is recorded. Natural frequencies are determined by the maxima of the frequency response of the strain gauge pressure transducer obtained by solving the system of equations.
Таким образом, в случае, когда входной электрический сигнал не действует непосредственно на исследуемую конструкцию, а преобразуется некоторым устройством, частотными свойствами которого нельзя пренебречь, частотные характеристики элементов возникающей каскадной системы необходимо представить в следующем виде:Thus, in the case when the input electrical signal does not directly affect the structure under study, but is converted by some device, the frequency properties of which cannot be neglected, the frequency characteristics of the elements of the emerging cascade system must be presented in the following form:
где H(f) - частотная характеристика преобразователя сигнала (в частности, акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя (ультразвукового излучателя)), W(f) - искомая частотная характеристика тензометрического преобразователя давления.where H (f) is the frequency response of the signal transducer (in particular, an acoustoelectric piezoelectric ceramic transducer (ultrasonic emitter)), W (f) is the desired frequency response of the strain gauge pressure transducer.
В этом случае используют два ультразвуковых пьезокерамических излучателя разной формы, передаточные функции которых отличаются. При поочередном проведении измерений выходного сигнала с разными типами излучателей получаются два независимых уравнения:In this case, two ultrasonic piezoceramic emitters of different shapes are used, the transfer functions of which differ. When taking measurements of the output signal with different types of emitters in turn, two independent equations are obtained:
иand
где H1(f), H2(f) - частотные характеристики акустоэлектрических пьезокерамических преобразователей (ультразвуковых излучателей), G1xx(f), G1yy(f), G2xx(f), G2yy(f) - спектральные плотности входного и выходного сигналов при одном и при другом излучателе.where H 1 (f), H 2 (f) are the frequency characteristics of acoustoelectric piezoceramic transducers (ultrasonic emitters), G 1xx (f), G 1yy (f), G 2xx (f), G 2yy (f) are the spectral densities of the input and output signals with one and with another emitter.
Так как пьезокерамический излучатель может быть использован также в качестве приемника сигнала, то можно получить еще одно уравнение:Since the piezoceramic emitter can also be used as a signal receiver, one can obtain another equation:
Пренебрегая частотными характеристиками среды и предполагая условия получения уравнений (4), (5) и (6) одинаковыми, можно записать систему трех уравнений с тремя неизвестными, решая которую получают оценку частотной характеристики преобразователя:Neglecting the frequency characteristics of the medium and assuming the conditions for obtaining equations (4), (5) and (6) to be the same, we can write a system of three equations with three unknowns, solving which we obtain an estimate of the frequency response of the converter:
Для получения более надежных оценок частотной характеристики результаты усредняют по ансамблю независимых измерений.To obtain more reliable estimates of the frequency response, the results are averaged over an ensemble of independent measurements.
Для получения максимально достоверных результатов определения динамической характеристики преобразователя давления в качестве входного электрического сигнала необходимо выбирать сигнал, максимально приближенный к дельта-импульсу. В частности, таким сигналом может стать прямоугольный импульс, длительность которого определяется исследуемым диапазоном частот, то есть не превышает значение величины, обратной к значению максимальной частоты рассматриваемого диапазона.To obtain the most reliable results of determining the dynamic characteristics of the pressure transducer, it is necessary to select a signal that is as close as possible to the delta pulse as an input electrical signal. In particular, a rectangular pulse can become such a signal, the duration of which is determined by the studied frequency range, that is, does not exceed the value of the inverse of the maximum frequency of the considered range.
Изобретение поясняется следующими чертежами, где:The invention is illustrated by the following drawings, where:
На фиг.1 приведен вид заданного входного электрического сигнала системы (t - время);Figure 1 shows a view of a given input electrical signal of the system (t is the time);
на фиг.2 приведен спектр заданного входного сигнала;figure 2 shows the spectrum of a given input signal;
на фиг.3 приведен зарегистрированный отклик системы в выходном сигнале преобразователя давления;figure 3 shows the recorded response of the system in the output signal of the pressure transducer;
на фиг.4 приведен усредненный спектр Фурье отклика системы;figure 4 shows the average Fourier spectrum of the response of the system;
на фиг.5 приведена частотная характеристика преобразователя давления, полученная при помощи решения уравнения (2), в котором не учтено влияние свойств ультразвукового излучателя;figure 5 shows the frequency response of the pressure transducer obtained by solving equation (2), which does not take into account the influence of the properties of the ultrasonic emitter;
на фиг.6 приведена частотная характеристика преобразователя давления типа А, полученная при помощи решения системы уравнений (4)-(6), в которой учтено влияние свойств ультразвукового излучателя;figure 6 shows the frequency response of the pressure transducer type A, obtained by solving the system of equations (4) - (6), which takes into account the influence of the properties of the ultrasonic emitter;
на фиг.7 приведена частотная характеристика преобразователя давления типа В, полученная при помощи решения системы уравнений (4)-(6);figure 7 shows the frequency response of the pressure transducer type B, obtained by solving the system of equations (4) - (6);
на фиг.8 приведены наложенные друг на друга частотные характеристики преобразователей давления типа А и В, полученные при помощи решения системы уравнений (4)-(6).Fig. 8 shows the frequency characteristics of type A and B pressure transmitters superimposed on top of each other, obtained by solving the system of equations (4) - (6).
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
При помощи генератора электрического сигнала заданной формы подают на электроды акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя входной сигнал системы, например прямоугольный импульс (фиг.1), спектр которого известен (фиг.2). Электрический сигнал преобразуется в ультразвуковой импульс, который действует на мембрану преобразователя давления и возбуждает собственные колебания его конструкции. Записывают выходной сигнал преобразователя, выделяют в нем отклик (фиг.3) на действие импульса и определяют его амплитудный спектр (фиг.4) одним из методов спектрального анализа, например с помощью преобразования Фурье. По спектрам входного и выходного сигналам системы определяют частотную характеристику преобразователя давления (фиг.5).Using the generator of an electric signal of a given shape, the input signal of the system, for example, a rectangular pulse (figure 1), the spectrum of which is known (figure 2), is fed to the electrodes of the acoustoelectric piezoelectric ceramic transducer. The electrical signal is converted into an ultrasonic pulse, which acts on the membrane of the pressure transducer and excites its own vibrations of its design. The output signal of the converter is recorded, the response (Fig. 3) to the pulse action is isolated in it, and its amplitude spectrum (Fig. 4) is determined by one of the methods of spectral analysis, for example, using the Fourier transform. The spectra of the input and output signals of the system determine the frequency response of the pressure transducer (figure 5).
Для того чтобы учесть частотные свойства ультразвукового излучателя, используют два акустоэлектрических пьезокерамических преобразователя различной конструкции. Данный способ реализуется следующим образом.In order to take into account the frequency properties of the ultrasonic emitter, two acoustoelectric piezoelectric transducers of various designs are used. This method is implemented as follows.
Сначала входной электрический сигнал системы подают на электроды первого акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя. Записывают выходной сигнал преобразователя давления, выделяют в нем отклик на действие импульса и определяют его амплитудный спектр. Далее входной электрический сигнал системы подают на электроды второго акустоэлектрического пьезокерамического преобразователя и также получают спектр отклика исследуемого преобразователя давления. Затем один из ультразвуковых излучателей помещают на место преобразователя давления так, что излучатель становится приемником сигнала, действуют на него ультразвуковым импульсом, регистрируют его отклик и вычисляют спектр отклика. Таким образом, используя полученные данные, решают систему уравнений (4)-(6) и получают частотную характеристику преобразователя давления (фиг.6-8).First, the input electrical signal of the system is supplied to the electrodes of the first acoustoelectric piezoceramic transducer. The output signal of the pressure transducer is recorded, the response to the action of the pulse is isolated in it, and its amplitude spectrum is determined. Next, the input electrical signal of the system is supplied to the electrodes of the second acoustoelectric piezoceramic transducer and the response spectrum of the pressure transducer under study is also obtained. Then one of the ultrasonic emitters is placed in place of the pressure transducer so that the emitter becomes a signal receiver, act on it with an ultrasonic pulse, record its response and calculate the response spectrum. Thus, using the data obtained, solve the system of equations (4) - (6) and obtain the frequency response of the pressure transducer (Fig.6-8).
Возможность промышленной реализации изобретения иллюстрируется следующим примером.The possibility of industrial implementation of the invention is illustrated by the following example.
ПримерExample
На фиг.3 приведен отклик тензометрического преобразователя давления на действие ультразвукового импульса, регистрируемый в выходном сигнале преобразователя.Figure 3 shows the response of the strain gauge pressure transducer to the action of an ultrasonic pulse, recorded in the output signal of the transducer.
Ультразвуковой импульс, действующий на мембрану, получали путем преобразования акустоэлектрическим пьезокерамическим преобразователем прямоугольного электрического импульса длительностью примерно 10 мкс (фиг.1). Период следования импульсов выбирали, исходя из двух условий: необходимость затухания отклика датчика до начала следующего импульса и возможность регистрации отклика записывающей аппаратурой. Длительность отклика составила не более 5 мс (фиг.3).An ultrasonic pulse acting on the membrane was obtained by converting an acoustoelectric piezoelectric transducer of a rectangular electric pulse with a duration of about 10 μs (Fig. 1). The pulse repetition period was chosen based on two conditions: the need for attenuation of the sensor response before the start of the next pulse and the possibility of recording the response by recording equipment. The response duration was not more than 5 ms (Fig. 3).
При помощи осциллографа записывали входной и выходной сигналы системы, которые обрабатывали на ЭВМ при помощи быстрого преобразования Фурье. Подстановкой полученных спектров в уравнение (2) определили частотную характеристику тензометрического преобразователя давления (фиг.5).Using an oscilloscope, the input and output signals of the system were recorded, which were processed on a computer using a fast Fourier transform. By substituting the obtained spectra in equation (2), the frequency response of the strain gauge pressure transducer was determined (Fig. 5).
Для того чтобы учесть неизвестные свойства ультразвукового излучателя, которые могут вносить искажения в результат, использовали два акустоэлектрических пьезокерамических преобразователя, один из которых был использован в качестве приемника сигнала для получения уравнения (6). В результате получили частотные характеристики преобразователей давления с учетом влияния излучателя (фиг.6 и 7). Таким образом были получены частотные характеристики двух преобразователей различной конструкции (типа А и В). На фиг.8 они для сравнения приведены на одном рисунке. Графики частотных характеристик, представленные на рисунках, имеют четко выраженные максимумы, положение которых может быть численно определено. При этом для разных конструкций преобразователей получается свой спектр, что хорошо согласуется с теоретическими предположениями и дает возможность идентифицировать датчики в соответствии с их динамическими характеристиками.In order to take into account the unknown properties of the ultrasonic emitter, which can introduce distortions into the result, we used two acoustoelectric piezoceramic transducers, one of which was used as a signal receiver to obtain equation (6). As a result, we obtained the frequency characteristics of the pressure transducers taking into account the influence of the emitter (Fig.6 and 7). Thus, the frequency characteristics of two converters of different designs (type A and B) were obtained. On Fig they are for comparison shown in one figure. The graphs of the frequency characteristics presented in the figures have distinct maxima, the position of which can be determined numerically. At the same time, for different designs of converters, a different spectrum is obtained, which is in good agreement with theoretical assumptions and makes it possible to identify sensors in accordance with their dynamic characteristics.
Предлагаемый способ определения динамических характеристик тензометрического преобразователя давления может применяться при изготовлении датчиков давления для повышения их качества на этапе производства, а также при разработке методов диагностики состояния датчиков давления, основанных на анализе их частотных характеристик.The proposed method for determining the dynamic characteristics of a strain gauge pressure transducer can be used in the manufacture of pressure sensors to improve their quality at the production stage, as well as in the development of methods for diagnosing the state of pressure sensors based on the analysis of their frequency characteristics.
Claims (3)
где Gxx(f) - спектральная плотность входного процесса,
Gyy(f) - спектральная плотность выходного процесса,
H(f) - искомая частотная характеристика тензометрического преобразователя давления.1. A method for determining the dynamic characteristics of a strain gauge pressure transducer, namely, that they excite their own vibrations of the transducer design, record the response of the system in the output signal of the transducer, build the amplitude-time dependence of the response by which they determine the eigenfrequencies of the transducer, characterized in that for excitation of their own design vibrations use an ultrasonic pulse obtained by converting a controlled electrical signal to acoustics electric piezoceramic converter and the natural frequencies is determined from the maxima of the frequency response of the pressure transducer strain obtained by solving the equation:
where G xx (f) is the spectral density of the input process,
G yy (f) is the spectral density of the output process,
H (f) is the desired frequency response of the strain gauge pressure transducer.
где W(f) - искомая частотная характеристика тензометрического преобразователя давления,
H1(f), Н2(f) - частотные характеристики акустоэлектрических пьезокерамических преобразователей,
G1xx(f), G2xx(f), G3хх(f) - спектральные плотности соответствующего входного процесса,
G1yy(f), G2yy(f), G3yy(f) - спектральные плотности соответствующего выходного процесса.2. A method for determining the dynamic characteristics of a strain gauge pressure transducer, namely, that they excite their own vibrations of the transducer design, record the response of the system in the output signal of the transducer, build the amplitude-time dependence of the response by which they determine the eigenfrequencies of the transducer, characterized in that for excitation of their own design vibrations use an ultrasonic pulse obtained by converting a controlled electrical signal to acoustics electric piezoceramic transducer alternately using two piezoelectric transducers, and the natural frequencies is determined from the maxima of the frequency response of the pressure transducer strain obtained by solving the system of equations:
where W (f) is the desired frequency response of the strain gauge pressure transducer,
H 1 (f), H 2 (f) - frequency characteristics of acoustoelectric piezoelectric transducers,
G 1xx (f), G 2xx (f), G 3xx (f) are the spectral densities of the corresponding input process,
G 1yy (f), G 2yy (f), G 3yy (f) are the spectral densities of the corresponding output process.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011113018/28A RU2466368C1 (en) | 2011-04-04 | 2011-04-04 | Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011113018/28A RU2466368C1 (en) | 2011-04-04 | 2011-04-04 | Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2466368C1 true RU2466368C1 (en) | 2012-11-10 |
Family
ID=47322358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011113018/28A RU2466368C1 (en) | 2011-04-04 | 2011-04-04 | Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2466368C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580381C1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Method of measuring vibration loads on aircraft engine |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU663131A1 (en) * | 1976-09-27 | 1979-05-15 | Предприятие П/Я Р-6762 | Device for measuring amplitude-frequency characteristics of piezoelectric transducers |
| CN85108333A (en) * | 1985-11-18 | 1987-06-03 | 焦国全 | Dynamic performance testing system for tension, pressure and weighting transducers |
| SU1362918A1 (en) * | 1985-12-04 | 1987-12-30 | Предприятие П/Я В-2504 | Device for calibrating strain gauge transducers of deformations in dynamic mode |
| RU2142141C1 (en) * | 1997-11-04 | 1999-11-27 | Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" | Method determining transfer function of measurement system |
| CN101358894A (en) * | 2008-08-26 | 2009-02-04 | 中北大学 | Traceable calibration method and calibration device for dynamic characteristic of big pressure sensor |
-
2011
- 2011-04-04 RU RU2011113018/28A patent/RU2466368C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU663131A1 (en) * | 1976-09-27 | 1979-05-15 | Предприятие П/Я Р-6762 | Device for measuring amplitude-frequency characteristics of piezoelectric transducers |
| CN85108333A (en) * | 1985-11-18 | 1987-06-03 | 焦国全 | Dynamic performance testing system for tension, pressure and weighting transducers |
| SU1362918A1 (en) * | 1985-12-04 | 1987-12-30 | Предприятие П/Я В-2504 | Device for calibrating strain gauge transducers of deformations in dynamic mode |
| RU2142141C1 (en) * | 1997-11-04 | 1999-11-27 | Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" | Method determining transfer function of measurement system |
| CN101358894A (en) * | 2008-08-26 | 2009-02-04 | 中北大学 | Traceable calibration method and calibration device for dynamic characteristic of big pressure sensor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580381C1 (en) * | 2015-03-11 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Method of measuring vibration loads on aircraft engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TW201833578A (en) | Nonlinear acoustic resonance spectroscopy (nars) for determining physical conditions of batteries | |
| US9403671B2 (en) | Calibration of MEMS sensor | |
| JPH10253339A (en) | Method and apparatus for measurement by utilizing sound wave | |
| US11982648B2 (en) | Active waveguide excitation and compensation | |
| Feeney et al. | High-frequency measurement of ultrasound using flexural ultrasonic transducers | |
| EP3853575B1 (en) | Signal processing | |
| KR101030325B1 (en) | Apparatus for measuring natural frequency of dynamic damper | |
| Knapp et al. | Measurement of shock events by means of strain gauges and accelerometers | |
| RU2524743C2 (en) | Method for calibration of piezoelectric vibration transducer on operation site without dismantlement | |
| RU2466368C1 (en) | Method of determining dynamic characteristics of tensometric pressure transducer (versions) | |
| Budoya et al. | Sensitivity enhancement of piezoelectric transducers for impedance-based damage detection via a negative capacitance interface | |
| CN109579976A (en) | A kind of piezoelectric acceleration transducer sensitivity coefficient method of calibration | |
| JP6581462B2 (en) | Ultrasonic inspection equipment | |
| RU2619812C1 (en) | Method of non-destructive testing of hidden defects in technically complex structural element which is not accessible and device for its implementation | |
| Auerswald et al. | MEMS acoustic emission sensor with mechanical noise rejection | |
| RU2354932C2 (en) | Resonance method of ultrasonic thickness measurement | |
| CN108802195B (en) | Test device and method for measuring transverse wave velocity of core sample | |
| RU2292026C1 (en) | Method of determining dynamical characteristics of mechanical system | |
| CN103635956A (en) | Method and appparatus for actively damping an acoustic transducer | |
| RU2640956C1 (en) | Device of ultrasonic controlling state of products | |
| Wang et al. | Consistency of surface pulse and reciprocity calibration of piezoelectric AE sensors | |
| RU2297640C2 (en) | Method of measurement of electric pulse parameters | |
| SU1753626A1 (en) | Method of nondestructive testing of piezoceramic converter | |
| JP2009250938A (en) | Leak inspection apparatus for electronic components and leak inspection technique of electronic component | |
| SU1553909A1 (en) | Graduating device for acceleration piezoelectric transducer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130405 |