RU2584719C1 - Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements - Google Patents

Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements Download PDF

Info

Publication number
RU2584719C1
RU2584719C1 RU2014148835/28A RU2014148835A RU2584719C1 RU 2584719 C1 RU2584719 C1 RU 2584719C1 RU 2014148835/28 A RU2014148835/28 A RU 2014148835/28A RU 2014148835 A RU2014148835 A RU 2014148835A RU 2584719 C1 RU2584719 C1 RU 2584719C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signal
measuring
digital
piezoelectric element
Prior art date
Application number
RU2014148835/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Владимирович Кондаков
Николай Макарович Иванов
Юлий Константинович Милославский
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Priority to RU2014148835/28A priority Critical patent/RU2584719C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2584719C1 publication Critical patent/RU2584719C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment. Peculiarity of claimed digital method of measuring parameters of piezoelectric elements is that drive signal has a pulse duration T1 = T0-τ, where τ is duration of pause between end of signal with linear frequency modulation and end of detection of digital signals, while reception of digital signals is T0, determining resonance frequency ƒr, antiresonance frequency ƒa and Q of piezoelectric element, and value of parallel capacitance C0 from received plurality of complex conductivity values by its fractional rational approximation frequency dependence of complex conductivity canonical equivalent circuit in resonant frequency interval.
EFFECT: high accuracy of measuring complex conductivity piezoelectric element.
2 cl, 10 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения частотной характеристики комплексной проводимости, частот резонанса и антирезонанса, добротности, а также параллельной емкости в резонансном промежутке частот и на частоте, много меньшей частоты основного резонанса. Изобретение может быть использовано при испытаниях и контроле пьезоэлектрических элементов (ПЭ), а также для определения электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов.The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the frequency response of complex conductivity, resonance and antiresonance frequencies, quality factor, as well as parallel capacitance in the resonance frequency range and at a frequency much lower than the fundamental resonance frequency. The invention can be used in testing and control of piezoelectric elements (PE), as well as for determining the electrophysical parameters of piezoelectric materials.

Уровень техникиState of the art

Задача оперативного измерения характеристик пьезоэлектрических элементов и пьезопреобразователей и контроля их параметров в динамическом режиме актуальна как на стадиях разработки и производства, так и в период эксплуатации. Применяемые для этих целей системы, основанные на стандартных измерительных приборах, обладают низкой производительностью. Кроме того, из-за своих массогабаритных характеристик они непригодны для контроля характеристик преобразователей на подвижных носителях в процессе их испытаний и при проведении регламентных работ.The task of operational measurement of the characteristics of piezoelectric elements and piezoelectric transducers and control of their parameters in a dynamic mode is relevant both at the stages of development and production, and during operation. The systems used for these purposes, based on standard measuring instruments, have low productivity. In addition, due to their weight and size characteristics, they are unsuitable for monitoring the characteristics of converters on mobile carriers during their testing and during routine maintenance.

Известен способ определения электрофизических параметров пьезоэлектрического материала (Отраслевой стандарт OCT II 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. - М.: Электростандарт. 1987. С 49) /1/, согласно которому определяют частоты резонанса и антирезонанса ПЭ определенных формы и размеров путем измерения напряжения на вспомогательном нагрузочном резисторе, соединенном с ПЭ последовательно. Измерительная схема содержит генератор синусоидальных сигналов, резистивный делитель, ПЭ, нагрузочный резистор, вольтметр.There is a method of determining the electrophysical parameters of a piezoelectric material (Industry standard OCT II 0444-87. Piezoceramic materials. Technical conditions. - M .: Elektrostandart. 1987. C 49) / 1 /, according to which the resonance and antiresonance frequencies of PE of a certain shape and size are determined by voltage measurements on an auxiliary load resistor connected to PE in series. The measuring circuit contains a sinusoidal signal generator, resistive divider, PE, load resistor, voltmeter.

Плавно изменяя частоту генератора, частоты резонанса и антирезонанса определяют соответственно по максимуму и минимуму показаний вольтметра.By smoothly changing the frequency of the generator, the resonance and antiresonance frequencies are determined respectively by the maximum and minimum voltmeter readings.

Недостатком способа является низкая точность, высокая трудоемкость и продолжительность измерений.The disadvantage of this method is the low accuracy, high complexity and duration of measurements.

Из уровня техники также известны средства для контроля параметров пьезопреобразователей.Means for monitoring the parameters of piezoelectric transducers are also known from the prior art.

Устройство для измерения импеданса многослойного пьезоэлектрического актюатора, расположенного в механической системе (WO 2012149649 (А1), МПК F02M 51/00; G01R 27/02; G01R 31/00, 2012-11-08) /2/, содержит генератор сигнала, который формирует сигнал напряжения с частотой, большей, чем резонансная частота пьезоэлектрического привода, датчик напряжения, датчик тока и компьютер. Пьезоэлектрический актюатор механически реагирует на сигналы тока и напряжения. Компьютер соединен с датчиком напряжения и датчиком тока и запрограммирован для вычисления значения импеданса по измеренным значениям напряжения и тока.A device for measuring the impedance of a multilayer piezoelectric actuator located in a mechanical system (WO 2012149649 (A1), IPC F02M 51/00; G01R 27/02; G01R 31/00, 2012-11-08) / 2 /, contains a signal generator that generates a voltage signal with a frequency greater than the resonant frequency of the piezoelectric drive, a voltage sensor, a current sensor and a computer. The piezoelectric actuator mechanically responds to current and voltage signals. The computer is connected to a voltage sensor and a current sensor and is programmed to calculate the impedance value from the measured voltage and current values.

Известна автоматическая измерительная система для контроля пьезоэлектрических материалов (TW 200933163(A), МПК G01R 27/02, G01R 27/28, 2009-08-01) /3/, основанная на амплитудно-фазовом способе измерения параметров резонансной частоты, антирезонансной частоты, электромеханических характеристик. Измерительная система содержит управляющий компьютер, функциональный генератор, пьезоэлектрический элемент, плату сбора данных и дисплей.Known automatic measuring system for monitoring piezoelectric materials (TW 200933163 (A), IPC G01R 27/02, G01R 27/28, 2009-08-01) / 3 /, based on the amplitude-phase method of measuring the parameters of the resonant frequency, antiresonance frequency, electromechanical characteristics. The measuring system comprises a control computer, a functional generator, a piezoelectric element, a data acquisition board, and a display.

Система мониторинга структурной целостности объектов (Structural integrity monitoring system including wireless electromechanical impedance measurement US 6768312 6 МПК G01N 29/09; G01N 29/12; кл. US 324/525; 324/509, 2004-07-27) /4/ содержит пьезоэлектрический датчик, к которому последовательно подключен резистор. Система для определения структурного состояния объекта включает: пьезоэлектрический датчик, который выполнен с возможностью крепления на объекте контроля; резистивный элемент, соединенный последовательно с пьезоэлектрическим датчиком; формирователь сигнала, измеритель падения напряжения на датчике; передатчик, который передает обработанный сигнал; и дистанционно расположенный интерфейс, который принимает переданный сигнал и выдает выходной сигнал сопротивления датчика на основе обработанного сигнала и заключение о структурном состоянии контролируемого объекта. Основной недостаток способа заключается в физической и математической некорректности метода определения импеданса.System for monitoring the structural integrity of objects (Structural integrity monitoring system including wireless electromechanical impedance measurement US 6768312 6 IPC G01N 29/09; G01N 29/12; CL US 324/525; 324/509, 2004-07-27) / 4 / contains a piezoelectric sensor to which a resistor is connected in series. A system for determining the structural state of an object includes: a piezoelectric sensor, which is configured to be mounted on a test object; a resistive element connected in series with the piezoelectric sensor; signal shaper, voltage drop meter at the sensor; a transmitter that transmits the processed signal; and a remotely located interface that receives the transmitted signal and provides an output of the sensor resistance based on the processed signal and a conclusion about the structural state of the monitored object. The main disadvantage of this method is the physical and mathematical incorrectness of the method of determining the impedance.

Известен способ определения добротности пьезоэлемента (RU 2499234, 6 МПК G01H 13/00, G01H 1/06) /5/, согласно которому возбуждают колебания пьезоэлемента в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование. На частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют частоту, соответствующую максимальному значению производной, и измеряют значение производной на частоте максимума. На частотной характеристике активной составляющей проводимости измеряют значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной и по формуле вычисляют добротность.There is a method of determining the quality factor of a piezoelectric element (RU 2499234, 6 IPC G01H 13/00, G01H 1/06) / 5 /, according to which oscillations of the piezoelectric element in the resonance region are excited by exposing it to an electric sinusoidal voltage with a variable frequency, at the same time, the active component of conductivity and perform its differentiation. On the frequency response of the derivative of the active component of the conductivity, measure the frequency corresponding to the maximum value of the derivative, and measure the value of the derivative at the maximum frequency. On the frequency response of the active component of conductivity, the value of the active component of conductivity is measured at the frequency of the maximum derivative and the quality factor is calculated by the formula.

Однако дифференцирование активной составляющей проводимости при наличии шумов и помех приводит к увеличению погрешности измерений, так как любые помехи дифференцируются вместе с сигналом. Кроме того, использование информации об активной составляющей проводимости на одной частоте снижает повторяемость результатов.However, the differentiation of the active component of the conductivity in the presence of noise and interference leads to an increase in measurement error, since any interference is differentiated with the signal. In addition, the use of information on the active component of conductivity at a single frequency reduces the repeatability of the results.

Наиболее информативным является амплитудно-фазовый способ измерения частотной характеристики комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ )

Figure 00000001
. Частотная зависимость полной (комплексной) проводимости пьезоэлемента Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000002
, измеренная в достаточно широкой области частот, охватывающей резонансный промежуток, содержит полную информацию о механической колебательной системе ПЭ и его электрических свойствах на данной моде колебаний. Она используется для определения основных параметров ПЭ, таких, как резонансная ƒr и антирезонансная ƒа частоты, механическая добротность Q, эффективный коэффициент электромеханической связи (/1/, стр. 74-75).The most informative is the amplitude-phase method of measuring the frequency response of complex conductivity Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000001
. Frequency dependence of the total (complex) conductivity of a piezoelectric element Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000002
, measured in a fairly wide frequency range, covering the resonance gap, contains complete information about the mechanical vibrational system of PE and its electrical properties in this mode of vibration. It is used to determine the main parameters of PE, such as resonant ƒ r and antiresonance ƒ a frequencies, mechanical Q factor, effective coefficient of electromechanical coupling (/ 1 /, pp. 74-75).

В амплитудно-фазовом способе использована схема, содержащая генератор синусоидальных сигналов, частотомер, фазометр и вольтметр. Гармонический сигнал u0(t)=A0cos(2πƒt+φ0) с частотой ƒ и известной амплитудой A0 с выхода генератора подают на последовательно соединенные резистор с известной величиной сопротивления r0 и образец ПЭ, возбуждая тем самым вынужденные механические колебания ПЭ на частоте приложенного напряжения. Измерительный сигнал u(t)=A1cos(2πƒ+φ1) регистрируют в точке соединения образца с резистором и измеряют разность фаз φ=φ01 фазометром и амплитуду сигнала А1 вольтметром. Измерение частотной характеристики комплексной проводимости ПЭ проводят на каждой отдельно установленной частоте синусоидального сигнала, которая контролируется частотомером. При этом значение комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ )

Figure 00000003
на заданной частоте ƒ определяют по формуле:In the amplitude-phase method, a circuit containing a sinusoidal signal generator, a frequency meter, a phase meter and a voltmeter is used. Harmonic signal u 0 (t) = A 0 cos (2πƒt + φ 0) with a frequency of ƒ and known amplitude A 0 from the oscillator output is fed to the series connected resistor with a known resistance value r 0 and the pattern PE, exciting thereby forced mechanical PE fluctuations at the frequency of the applied voltage. The measuring signal u (t) = A 1 cos (2πƒ + φ 1 ) is recorded at the junction of the sample with the resistor and the phase difference φ = φ 01 is measured with a phase meter and the signal amplitude A 1 with a voltmeter. The frequency response of the complex conductivity of the PE is measured at each individually set frequency of the sinusoidal signal, which is controlled by a frequency meter. The value of complex conductivity Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000003
at a given frequency ƒ is determined by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где i2= -1 - мнимая единица. Номинал нагрузочного сопротивления r0 выбирают из условия примерного равенства амплитуд напряжений на резисторе и ПЭ, т.е. r 0 | Y ˙ ( ƒ ) | 1

Figure 00000005
. Однако это условие невыполнимо в широком диапазоне частот, полностью включающем резонансный промежуток ПЭ.where i 2 = -1 is the imaginary unit. The nominal load resistance r 0 is selected from the condition of the approximate equality of the amplitudes of the voltages across the resistor and PE, i.e. r 0 | Y ˙ ( ƒ ) | - one
Figure 00000005
. However, this condition is not feasible in a wide frequency range that completely includes the resonance gap of PE.

Недостатки амплитудно-фазового способа заключаются в следующем:The disadvantages of the amplitude-phase method are as follows:

- погрешность установки частоты, а также измерения амплитуд и разности фаз определяется временем возбуждения ПЭ, и для ее уменьшения приходится увеличивать время измерения на каждой частоте, а с ним и- the error in setting the frequency, as well as measuring the amplitudes and phase difference, is determined by the time of excitation of the PE, and to reduce it, it is necessary to increase the measurement time at each frequency, and with it

время измерения в целом, что может оказаться неприемлемым в условиях выходного или входного контроля ПЭ;the measurement time as a whole, which may be unacceptable in the conditions of output or input control of PE;

- модуль проводимости ПЭ в резонансном промежутке изменяется в широких пределах (до 2-3 порядков), что требует индивидуального подбора сопротивления r0 на различных частотах, а применение резистора с фиксированным номиналом снижает точность измерений.- PE conduction module in the resonance interval varies within a wide range (up to 2-3 orders of magnitude), which requires an individual selection of the resistance r 0 on different frequencies and use a resistor with a fixed nominal value reduces the accuracy of measurements.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретении является цифровой способ измерения параметров пьезокерамических элементов и пьезоматериалов (Н.М. Иванов, В.Л. Земляков, Ю.К. Милославский. Новые средства измерения параметров пьезокерамических элементов и пьезоматериалов. Инженерный вестник Дона. №3. 2013) /7/, принимаемый за прототип настоящего изобретения. Функциональная схема аппаратуры для реализации способа-прототипа (фиг. 1) содержит компьютер и подключенное к нему оперативное запоминающее устройство ОЗУ1, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, фильтр нижних частот ФНЧ, измерительный четырехполюсник, содержащий последовательно соединенные резистор и ПЭ, двухканальный аналого-цифровой преобразователь АЦП1 и АЦП2, выполненный по схеме с общим задающим генератором, и буферное оперативное запоминающее устройство ОЗУ2, соединенное с компьютером. Аналоговая обработка сигналов сведена к операциям аналоговой фильтрации и усиления сигналов. Операции способа-прототипа состоят в следующем:The closest in technical essence to the claimed invention is a digital method for measuring the parameters of piezoceramic elements and piezoelectric materials (N.M. Ivanov, V.L. Zemlyakov, Yu.K. Miloslavsky. New means of measuring the parameters of piezoceramic elements and piezoelectric materials. Engineering Journal of the Don. No. 3. 2013) / 7 /, taken as a prototype of the present invention. The functional diagram of the equipment for implementing the prototype method (Fig. 1) contains a computer and RAM 1 connected to it, a digital-to-analog converter, a digital-to-analog converter, a low-pass filter, a low-pass filter, a four-terminal measuring device containing a resistor and a PE connected in series, and a two-channel analog-to-digital converter ADC1 and ADC2, made according to the scheme with a common master oscillator, and a buffer RAM memory RAM2 connected to a computer. Analog signal processing is reduced to analog filtering and signal amplification operations. The operations of the prototype method are as follows:

- формируют в ЭВМ выборку значений цифрового импульсного сигнала возбуждения sn объемом N, n∈[0, N-1], по формуле- form in the computer a sample of the values of the digital pulse excitation signal s n of volume N, n∈ [0, N-1], according to the formula

Figure 00000006
Figure 00000006

где А - амплитуда цифрового сигнала, Fd - частота дискретизации, ƒ0 и ƒ1 - заданные минимальная и максимальная границы частотного диапазона, в котором выполняются измерения; преобразуют значения цифрового импульсного сигнала возбуждения sn в аналоговый импульсный сигнал возбуждения с напряжением u0(t), мгновенная частота которого линейно возрастает от ƒ0 до ƒ1 в течение длительности импульса. Напряжение u0(t) подают на измерительный четырехполюсник, содержащий последовательно соединенные резистор и ПЭ;where A is the amplitude of the digital signal, F d is the sampling frequency, ƒ 0 and ƒ 1 are the specified minimum and maximum boundaries of the frequency range in which measurements are performed; convert the values of the digital pulse excitation signal s n into an analog pulse excitation signal with voltage u 0 (t), the instantaneous frequency of which increases linearly from ƒ 0 to ƒ 1 during the pulse duration. The voltage u 0 (t) is supplied to the measuring four-terminal network containing a resistor and PE connected in series;

- подают напряжение u0(t) вместе с измерительным напряжением u1(t), снимаемым в точке соединения резистора и ПЭ, на вход двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), и далее через буферное запоминающее устройство, в управляющую ЭВМ, где они подвергаются дискретному преобразованию Фурье, в результате чего получаются два комплексных массива длиной 1+N/2 каждый, соответствующие значениям U ˙ 0 ( ƒ )

Figure 00000007
и U ˙ ( ƒ )
Figure 00000008
на частотах ƒk=kFd/N, k∈[0, N/2];- supply voltage u 0 (t) together with the measuring voltage u 1 (t), taken at the point of connection of the resistor and PE, to the input of a two-channel analog-to-digital converter (ADC), and then through a buffer storage device to the host computer, where they undergo a discrete Fourier transform, resulting in two complex arrays of length 1 + N / 2 each, corresponding to the values U ˙ 0 ( ƒ )
Figure 00000007
and U ˙ ( ƒ )
Figure 00000008
at frequencies ƒ k = kF d / N, k∈ [0, N / 2];

- вычисляют значения комплексной проводимости ПЭ по формуле:- calculate the values of the complex conductivity of PE by the formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

- определяют по результатам измерений емкость на низкой частоте, частоты резонанса и антирезонанса как частоты максимума и минимума модуля проводимости, ширину резонансной кривой на уровне половинной мощности и добротность ПЭ как отношение частоты резонанса к этой ширине.- determine from the measurement results the capacitance at a low frequency, the resonance frequency and antiresonance as the frequencies of the maximum and minimum of the conductivity modulus, the width of the resonance curve at half power and the quality factor of PE as the ratio of the resonance frequency to this width.

Недостатки способа-прототипа заключаются в следующем:The disadvantages of the prototype method are as follows:

- использование во всем резонансном промежутке единственного нагрузочного резистора, обусловленное импульсным характером возбуждающего сигнала, и, как следствие, низкая точность определения частоты антирезонанса и добротности;- the use of a single load resistor in the entire resonance gap, due to the pulsed nature of the exciting signal, and, as a result, low accuracy in determining the frequency of antiresonance and quality factor;

- равенство длительности регистрации измерительного сигнала и длительности импульса возбуждающего сигнала, которое не позволяет регистрировать отклик ПЭ после завершения возбуждающего сигнала.- the equality of the duration of registration of the measuring signal and the pulse duration of the exciting signal, which does not allow to record the response of PE after the completion of the exciting signal.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения комплексной проводимости ПЭ за счет введения паузы между моментом завершения возбуждающего импульсного сигнала и моментом завершения регистрации измерительного сигнала, а также повышение точности определения частот резонанса, антирезонанса и добротности пьезоэлемета путем дробно-рациональной аппроксимации зависимости

Figure 00000010
, которая использует всю совокупность измеренных значений комплексной проводимости ПЭ.The technical result of the present invention is to increase the accuracy of measuring the complex conductivity of PE by introducing a pause between the moment of completion of the exciting pulse signal and the moment of completion of registration of the measuring signal, as well as improving the accuracy of determining the resonance frequencies, antiresonance and quality factor of the piezoelectric element by fractional rational approximation of the dependence
Figure 00000010
, which uses the entire set of measured values of the complex conductivity of PE.

Технический результат достигается тем, что цифровой способ измерения параметров пьезоэлектрических элементов включает воздействие сигналом возбуждения u0(t) на пьезоэлемент, соединенный последовательно с резистором, имеющим заданное сопротивление r0, регистрацию измерительного сигнала u(t) в точке соединения пьезоэлемента с резистором, формирование в ЭВМ заданного числа N значений цифрового импульсного сигнала возбуждения с линейной частотной модуляцией, мгновенная частота которого изменяется от ƒ0 до ƒ1, где ƒ0 и ƒ1 - минимальная и максимальная частоты диапазона, в котором выполняются измерения, охватывающего резонансный промежуток для заданной моды колебаний пьезоэлемента, сформированный цифровой импульсный сигнал преобразуют в аналоговый импульсный сигнал возбуждения u0(t), синхронно преобразуют сигнал возбуждения u0(t) и измерительный сигнал u(t) в цифровую форму, восстанавливают и запоминают комплексные дискретные спектры

Figure 00000011
и
Figure 00000012
обоих сигналов, вычисляют и запоминают множество значений комплексной проводимости
Figure 00000013
пьезоэлемента на каждой дискретной частоте ƒ в пределах изменения частоты возбуждающего сигнала.The technical result is achieved by the fact that the digital method of measuring the parameters of the piezoelectric elements includes the action of the excitation signal u 0 (t) on the piezoelectric element connected in series with a resistor having a given resistance r 0 , registration of the measuring signal u (t) at the junction of the piezoelectric element with the resistor, formation a computer a predetermined number N of digital values pulsed excitation signal with linear frequency modulation, the instantaneous frequency of which varies from 0 to ƒ ƒ 1, wherein ƒ ƒ 0 and 1 - the minimum and m ksimalnaya frequency range in which the measurements are performed covering a resonance interval for a predetermined fashion piezoelectric element formed by a digital pulse signal of the vibration is converted into an analog pulse excitation signal u 0 (t), synchronously convert excitation signal u 0 (t) and the measurement signal u (t) to digital form, restore and store complex discrete spectra
Figure 00000011
and
Figure 00000012
of both signals, calculate and store many complex conductivity values
Figure 00000013
a piezoelectric element at each discrete frequency ƒ within the limits of the frequency variation of the exciting signal.

Согласно изобретению импульсный сигнал возбуждения имеет длительность Т10-τ, где τ - длительность паузы между окончанием сигнала с линейной частотной модуляцией и моментом окончания регистрации цифровых сигналов, при этом время регистрации цифровых сигналов равно Т0, определяют частоту резонанса ƒr, частоту антирезонанса ƒa и добротность Q пьезоэлемента, а также значение параллельной емкости С0 из полученного множества значений комплексной проводимости путем его дробно-рациональной аппроксимации частотной зависимостью комплексной проводимости канонической эквивалентной схемы в резонансном промежутке частот.According to the invention, the pulse excitation signal has a duration of T 1 = T 0 -τ, where τ is the pause time between the end of the linear frequency modulated signal and the moment of registration of digital signals, the time of registration of digital signals is T 0 , the resonance frequency ƒ r , antiresonance frequency ƒ a piezoelectric element, and the quality factor Q, and the value of the parallel capacitance C 0 of the resulting set by it a rational approximation of the frequency dependence of complex conductivity values complex th canonical conduction equivalent circuit in a resonance frequency interval.

Другое отличие состоит в том, что длительность паузы для регистрации полного отклика пьезоэлемента на импульсный сигнал возбуждения выбирают из условия τ>Qmax0, где Qmax - верхний предел измерения добротности.Another difference is that the pause duration for recording the complete response of the piezoelectric element to the pulsed excitation signal is chosen from the condition τ> Q max / ƒ 0 , where Q max is the upper limit of the Q factor.

Введение паузы между моментом завершения возбуждающего импульсного сигнала и моментом завершения регистрации измерительного сигнала позволяет регистрировать свободные колебания ПЭ, что повышает точность измерения комплексной проводимости. Повышение точности определения частот резонанса и антирезонанса, а также добротности пьезоэлемента достигается применением АЦП с числом разрядов не менее 14 и определением этих частот из параметров канонической эквивалентной схемы ПЭ, которые находят по всем измеренным значениям комплексной проводимости путем их дробно-рациональной аппроксимации, а не по значениям модуля или составляющих проводимости в отдельных частотных позициях, как в способе-прототипе.The introduction of a pause between the moment of completion of the exciting pulse signal and the moment of completion of the registration of the measuring signal allows the registration of free vibrations of PE, which increases the accuracy of complex conductivity measurements. Improving the accuracy of determining resonance and antiresonance frequencies, as well as the quality factor of a piezoelectric element, is achieved by using an ADC with a number of discharges of at least 14 and determining these frequencies from the parameters of the canonical equivalent PE circuit, which are found from all measured values of the complex conductivity by their fractional rational approximation, and not by the values of the module or conductivity components in separate frequency positions, as in the prototype method.

Перечень чертежейList of drawings

Фиг. 1. Функциональная схема формирования и регистрации возбуждающего u0(t) и измерительного u(t).FIG. 1. Functional diagram of the formation and registration of the exciting u 0 (t) and measuring u (t).

Фиг. 2. Блок-схема операций цифрового способа измерения параметров пьезоэлектрических элементов.FIG. 2. The block diagram of the operations of the digital method for measuring the parameters of piezoelectric elements.

Фиг. 3. Форма возбуждающего импульсного сигнала u0(t) с линейной частотной модуляцией.FIG. 3. The shape of the exciting pulse signal u 0 (t) with linear frequency modulation.

Фиг. 4. Осциллограмма сигнала измерительного напряжения u(t).FIG. 4. The waveform of the signal of the measuring voltage u (t).

Фиг. 5. Амплитудные дискретные спектры сигналов возбуждающего u0(t) (1) и измерительного u(t) (2) напряжений.FIG. 5. The amplitude discrete spectra of the signals of the exciting u 0 (t) (1) and measuring u (t) (2) voltages.

Фиг. 6. Частотная зависимость активной составляющей измеренной комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ )

Figure 00000014
.FIG. 6. Frequency dependence of the active component of the measured complex conductivity Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000014
.

Фиг. 7. Частотная зависимость реактивной составляющей измеренной комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ )

Figure 00000015
.FIG. 7. The frequency dependence of the reactive component of the measured complex conductivity Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000015
.

Фиг. 8. Частотная зависимость модуля измеренной комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ )

Figure 00000016
.FIG. 8. The frequency dependence of the measured complex conductivity module Y ˙ ( ƒ )
Figure 00000016
.

Фиг. 9. Каноническая эквивалентная схема пьезоэлемента, используемая для определения частоты резонанса, частоты антирезонанса, добротности и параллельной емкости в резонансном промежутке частот.FIG. 9. The canonical equivalent piezoelectric circuit used to determine the resonance frequency, antiresonance frequency, quality factor and parallel capacitance in the resonant frequency range.

Фиг. 10. Экранная форма результатов измерения модуля | Y ˙ ( ƒ ) |

Figure 00000017
(1), активной Re ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000018
(2) и реактивной Im ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000019
(3) составляющих комплексной проводимости и результаты их обработки.FIG. 10. Screen form of module measurement results | Y ˙ ( ƒ ) |
Figure 00000017
(1) active Re ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000018
(2) and reactive Im ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000019
(3) components of complex conductivity and the results of their processing.

Операции способа поясняются блок-схемой (фиг. 2). Формирование требуемого количества значений N цифрового импульсного сигнал возбуждения выполняется в ЭВМ (блок 1). В блоке 2 цифровой сигнал преобразуется в аналоговый импульсный сигнал возбуждения u0(t) длительностью T0=NΔt, где Δt - период дискретизации, с помощью цифро-аналогового преобразователя и фильтра нижних частот. Аналоговый импульсный сигнал возбуждения u0(t) подается на измерительный четырехполюсник, а измерительное напряжение u(t) регистрируется в точке соединения резистора и ПЭ. В блоке 3 сигнал возбуждения u0(t) и измерительный сигнал u(t) синхронно преобразуются в цифровые сигналы. В блоке 4 цифровые сигналы подвергаются дискретному преобразованию Фурье с использованием алгоритма БПФ, в результате чего восстанавливаются комплексные дискретные спектры U ˙ 0 ( ƒ )

Figure 00000020
и U ˙ ( ƒ )
Figure 00000021
обоих цифровых сигналов. В блоке 5 вычисляются значения комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ j )
Figure 00000022
ПЭ на каждой дискретной частоте ƒj, которая попадает в полосу частот возбуждающего сигнала. Для определения параметров ПЭ в блоке 6 выполняется процедура дробно-рациональной аппроксимации множества значений комплексной проводимости Y ˙ ( ƒ j )
Figure 00000023
частотной зависимостью проводимости канонической эквивалентной схемы (фиг. 9), которая содержит соединенные параллельно емкость С0 и последовательную резонансную RLC-цепочку (колебательный контур). В блоке 7 по результатам процедуры дробно-рациональной аппроксимации восстанавливаются частота резонанса ƒr, частота антирезонанса ƒa, добротность Q и параллельная емкость С0.The operation of the method is illustrated by a flowchart (Fig. 2). The formation of the required number of N values of the digital pulse excitation signal is performed in a computer (block 1). In block 2, the digital signal is converted into an analog pulse excitation signal u 0 (t) of duration T 0 = NΔt, where Δt is the sampling period using a digital-to-analog converter and a low-pass filter. An analog pulse excitation signal u 0 (t) is supplied to the measuring four-terminal network, and the measuring voltage u (t) is recorded at the connection point of the resistor and PE. In block 3, the excitation signal u 0 (t) and the measuring signal u (t) are synchronously converted to digital signals. In block 4, digital signals undergo a discrete Fourier transform using the FFT algorithm, resulting in the restoration of complex discrete spectra U ˙ 0 ( ƒ )
Figure 00000020
and U ˙ ( ƒ )
Figure 00000021
both digital signals. In block 5, the complex conductivity values are calculated Y ˙ ( ƒ j )
Figure 00000022
PE at each discrete frequency ƒ j , which falls into the frequency band of the exciting signal. To determine the parameters of PE in block 6, the procedure of fractional rational approximation of the set of values of complex conductivity Y ˙ ( ƒ j )
Figure 00000023
the frequency dependence of the conductivity of the canonical equivalent circuit (Fig. 9), which contains a capacitance C 0 connected in parallel and a series resonant RLC chain (oscillatory circuit). In block 7, according to the results of the fractional rational approximation procedure, the resonance frequency ƒ r , antiresonance frequency ƒ a , Q factor Q, and parallel capacitance C 0 are restored.

Операции способа выполняются следующим образом.The operations of the method are performed as follows.

1. Формируют в ЭВМ выборку значений цифрового импульсного сигнала возбуждения sn объемом N, n∈[0, N-1], по формуле1. Form in a computer a sample of the values of the digital pulse excitation signal s n of volume N, n∈ [0, N-1], according to the formula

Figure 00000024
Figure 00000024

где А - амплитуда цифрового сигнала, Δt - период дискретизации, ƒ0 и ƒ1 - минимальная и максимальная границы частотного диапазона, в котором выполняются измерения, θ(t) - ступенчатая функция Хэвисайда, равная нулю при t<0, и единице в противном случае. Импульсный сигнал возбуждения имеет общую длительность T0=NΔt, которая совпадает с длительностью регистрации измерительного сигнала и сигнала возбуждения. Длительность сигнала возбуждения, в течение которой мгновенная частота сигнала пробегает значения от ƒ0 до ƒ1, равна Т10-τ, где τ - длительность паузы, в течение которой напряжение сигнала возбуждения равно нулю. Пауза вводится для регистрации сигнала отклика ПЭ после прекращения подачи возбуждающего напряжения, т.е. отклика свободных колебаний ПЭ.where A is the amplitude of the digital signal, Δt is the sampling period, ƒ 0 and ƒ 1 are the minimum and maximum boundaries of the frequency range in which measurements are performed, θ (t) is the Heaviside step function, equal to zero for t <0, and unity otherwise case. The pulse excitation signal has a total duration T 0 = NΔt, which coincides with the duration of the registration of the measuring signal and the excitation signal. The duration of the excitation signal, during which the instantaneous frequency of the signal runs from ƒ 0 to ƒ 1 , is T 1 = T 0 -τ, where τ is the pause duration during which the voltage of the excitation signal is zero. A pause is entered to register the PE response signal after the supply of the exciting voltage is stopped, i.e. response of free vibrations of PE.

Длительность паузы выбирают из условия τ>Qmax0, где Qmax - верхний предел измерения добротности, для обеспечения регистрации полного отклика пьезоэлемента на импульсный сигнал возбуждения. При этом амплитуда сигнала отклика свободных колебаний ПЭ убывает не менее чем в еπ ≈ 23 раза.The pause duration is selected from the condition τ> Q max / ƒ 0 , where Q max is the upper limit of the Q factor measurement, to ensure registration of the complete response of the piezoelectric element to the pulse excitation signal. In this case, the amplitude of the response signal of free vibrations of PE decreases no less than e π ≈ 23 times.

2. Преобразуют значения цифрового импульсного сигнала возбуждения sn в аналоговый импульсный сигнал возбуждения с напряжением u0(t), длительность которого равна Т0, мгновенная частота линейно возрастает от ƒ0 до ƒ1 за промежуток времени длительностью Т1, а в пределах паузы амплитуда возбуждающего сигнала равна нулю. Напряжение u0(t) подают на измерительный четырехполюсник, содержащий последовательно соединенные резистор и ПЭ. Форма возбуждающего импульсного сигнала u0(t) с линейной частотной модуляцией показана на фиг. 3.2. Convert the values of the digital pulse excitation signal s n into an analog pulse excitation signal with voltage u 0 (t), the duration of which is T 0 , the instantaneous frequency increases linearly from ƒ 0 to ƒ 1 over a period of time of duration T 1 , and within a pause the amplitude of the exciting signal is zero. Voltage u 0 (t) is fed to the measuring quadripole, comprising serially connected resistor and PE. The shape of the exciting pulse signal u 0 (t) with linear frequency modulation is shown in FIG. 3.

3. Преобразуют напряжение u0(t) и измерительное напряжение u(t), которое регистрируют в точке соединения резистора и ПЭ, в отсчеты цифрового импульсного сигнала возбуждения U0(nΔt) и отсчеты цифрового измерительного сигнала U(nΔt) с помощью двухканального АЦП, каналы которого работают строго синхронно от единого задающего генератора. Осциллограмма сигнала измерительного напряжения u(t) приведена на фиг. 4. Провал на фиг. 4 соответствует прохождению мгновенной частотой импульсного сигнала возбуждения окрестности частоты резонанса ПЭ. На осциллограмме видны также затухающие колебания ПЭ после прекращения воздействия возбуждающего напряжения.3. Convert the voltage u 0 (t) and the measuring voltage u (t), which is recorded at the connection point of the resistor and PE, into samples of a digital pulse excitation signal U 0 (nΔt) and samples of a digital measuring signal U (nΔt) using a two-channel ADC whose channels operate strictly synchronously from a single master oscillator. The waveform of the signal of the measuring voltage u (t) is shown in FIG. 4. The failure in FIG. 4 corresponds to the passage of the instantaneous frequency of the pulse excitation signal in the vicinity of the resonance frequency of the PE. The oscillogram also shows damped oscillations of the PE after the termination of the excitation voltage.

4. Преобразуют цифровые сигнал возбуждения U0(nΔt) и измерительный сигнал U(nΔt) в отсчеты сигналов комплексных дискретных спектров U ˙ 0 ( ƒ k )

Figure 00000025
, U ˙ ( ƒ k )
Figure 00000026
, ƒk=k/(NΔt), k∈[0, N/2]. Для этого используют алгоритм БПФ. Число отсчетов N задают, исходя из требуемого разрешения Δƒ=1/(NΔt) дискретного Фурье-анализа по частоте. Амплитудные дискретные спектры | U ˙ 0 ( ƒ k ) |
Figure 00000027
и | U ˙ ( ƒ k ) |
Figure 00000028
представлены на фиг. 5, из которой следует, что сигнал u0(t) имеет близкий к равномерному спектр в заданном диапазоне частот (ƒ0, ƒ1), за пределами которого его значения малы, а спектр сигнала u(t) имеет глубокий провал на частоте резонанса.4. Convert the digital excitation signal U 0 (nΔt) and the measuring signal U (nΔt) into samples of signals of complex discrete spectra U ˙ 0 ( ƒ k )
Figure 00000025
, U ˙ ( ƒ k )
Figure 00000026
, ƒ k = k / (NΔt), k∈ [0, N / 2]. To do this, use the FFT algorithm. The number of samples N is set based on the required resolution Δƒ = 1 / (NΔt) of the discrete Fourier analysis in frequency. Amplitude Discrete Spectra | U ˙ 0 ( ƒ k ) |
Figure 00000027
and | U ˙ ( ƒ k ) |
Figure 00000028
presented in FIG. 5, from which it follows that the signal u 0 (t) is close to a uniform spectrum in a predetermined frequency range (ƒ 0, ƒ 1), beyond which its value is small, and the spectrum of u (t) signal has a deep notch at the resonance frequency .

5. Вычисляют значения комплексной проводимости ПЭ на частотах ƒj, попадающих в интервал (ƒ0, ƒ1), по формуле:5. Calculate the values of the complex conductivity of PE at frequencies ƒ j, falling within the interval (ƒ 0, ƒ 1), according to the formula:

Figure 00000029
Figure 00000029

Характерные частотные зависимости активной составляющей Re ( Y ˙ ( ƒ ) )

Figure 00000030
, реактивной составляющей Im ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000031
и модуля | Y ˙ ( ƒ ) |
Figure 00000032
комплексной проводимости иллюстрируются фиг. 6, 7, 8 соответственно.Characteristic frequency dependences of the active component Re ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000030
reactive component Im ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000031
and module | Y ˙ ( ƒ ) |
Figure 00000032
complex conductivity are illustrated in FIG. 6, 7, 8, respectively.

6. Сформированные массивы значений комплексной проводимости Y ˙ j = Y ˙ ( ƒ j )

Figure 00000033
и частот ƒj поступают в блок дробно-рациональной аппроксимации измеренных значений Y ˙ j
Figure 00000034
частотной зависимостью комплексной проводимости канонической эквивалентной схемы Y ˙ 0 ( ƒ )
Figure 00000035
(фиг. 9), которая состоит из соединенных параллельно емкости С0 и последовательной резонансной RLC-цепочки. Этой эквивалентной схемой ПЭ описывается в резонансном промежутке частот (Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник. Под ред. П.Е. Кандыбы и П.Г. Позднякова. - М.: Радио и связь. 1992. С 42) /8/. Комплексная проводимость канонической эквивалентной схемы Y ˙ 0 ( ƒ )
Figure 00000036
вычисляется по формуле:6. Formed arrays of complex conductivity values Y ˙ j = Y ˙ ( ƒ j )
Figure 00000033
and frequencies ƒ j enter the fractional rational approximation block of the measured values Y ˙ j
Figure 00000034
frequency dependence of the complex conductivity of the canonical equivalent circuit Y ˙ 0 ( ƒ )
Figure 00000035
(Fig. 9), which consists of a capacitance C 0 connected in parallel and a series resonant RLC chain. This equivalent circuit describes the PE in the resonant frequency range (Piezoelectric resonators. Handbook. Edited by PE Kandyba and PG Pozdnyakov. - M .: Radio and communications. 1992. With 42) / 8 /. Complex conductivity of the canonical equivalent circuit Y ˙ 0 ( ƒ )
Figure 00000036
calculated by the formula:

Figure 00000037
Figure 00000037

где С0, ƒ r 2 = 2 π ( L C ) 1

Figure 00000038
,
Figure 00000039
, Q = R 1 L / C
Figure 00000040
- соответственно параллельная емкость, частоты резонанса и антирезонанса, добротность канонической эквивалентной схемы, R, C, L - эквивалентные параметры (соответственно активное сопротивление, емкость и индуктивность) динамической ветви канонической эквивалентной схемы. Задачу дробно-рациональной аппроксимации решают методом итерированного веса (Н.Н. Калиткин. Численные методы. - М.: Наука. 1978. С 64) /9/. Для определения частот ƒr, ƒa, добротности Q и параллельной емкости С0 выполняют, согласно методу итерированного веса, следующие действия.where C 0 , ƒ r 2 = 2 π ( L C ) - one
Figure 00000038
,
Figure 00000039
, Q = R - one L / C
Figure 00000040
- respectively, parallel capacitance, resonance and antiresonance frequencies, quality factor of the canonical equivalent circuit, R, C, L - equivalent parameters (respectively, resistance, capacitance and inductance) of the dynamic branch of the canonical equivalent circuit. The problem of fractional rational approximation is solved by the iterated weight method (NN Kalitkin. Numerical methods. - M .: Nauka. 1978. P 64) / 9 /. To determine the frequencies ƒ r , ƒ a , the quality factor Q and the parallel capacitance C 0 , the following actions are performed according to the iterated weight method.

1. Задают значение переменной с и полагают с1=с.1. Set the value of the variable c and assume c 1 = c.

2. Задают малые (~10-5÷10-8) числа ε1 и ε2.2. Define small (~ 10 -5 ÷ 10 -8 ) numbers ε 1 and ε 2 .

3. Задают значения массива ρj=1.3. Set the values of the array ρ j = 1.

4. Задают значения вектора ξ: ξ0=0, ξ1=0, ξ2=0.4. Set the values of the vector ξ: ξ 0 = 0, ξ 1 = 0, ξ 2 = 0.

5. Вычисляют массив значений y ˙ j = 2 π i ƒ j c

Figure 00000041
.5. Calculate the array of values y ˙ j = 2 π i ƒ j c
Figure 00000041
.

6. Формируют матрицу A ˙

Figure 00000042
с элементами6. Form the matrix A ˙
Figure 00000042
with elements

Figure 00000043
Figure 00000043

7. Формируют вектор b ˙

Figure 00000044
с элементами b j = ρ j ƒ j 2 ( Y ˙ j y ˙ j )
Figure 00000045
.7. Vector form b ˙
Figure 00000044
with elements b j = ρ j ƒ j 2 ( Y ˙ j - y ˙ j )
Figure 00000045
.

8. Формируют матрицу Re ( A ˙ H A ˙ )

Figure 00000046
, где знак (·)H обозначает эрмитово сопряжение.8. Form the matrix Re ( A ˙ H A ˙ )
Figure 00000046
, where the sign (·) H denotes Hermitian conjugation.

9. Формируют вектор Re ( A ˙ H b ˙ )

Figure 00000047
.9. Form a vector Re ( A ˙ H b ˙ )
Figure 00000047
.

10. Находят трехмерный вектор х, решая систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными Re ( A ˙ H A ˙ ) x = Re ( A ˙ H b ˙ )

Figure 00000048
. 10. Find a three-dimensional vector x, solving a system of three linear equations with three unknowns Re ( A ˙ H A ˙ ) x = Re ( A ˙ H b ˙ )
Figure 00000048
.

11. Вычисляют вектор F ˙

Figure 00000049
с компонентами11. Calculate the vector F ˙
Figure 00000049
with components

Figure 00000050
Figure 00000050

12. Определяют новое значение переменной с:12. Determine the new value of the variable with:

Figure 00000051
Figure 00000051

13. Вычисляют новые значения массива ρ j = | ƒ j 2 i ƒ j x 0 x 2 | 1

Figure 00000052
.13. Calculate the new array values ρ j = | ƒ j 2 - i ƒ j x 0 - x 2 | - one
Figure 00000052
.

14. Проверяют условия |х-ξ|/|х|>ε1 и |с-с1|/с>ε2.14. Check the conditions | x-ξ | / | x |> ε 1 and | s-s 1 | / s> ε 2 .

15. Полагают с1=с, ξ=х и возвращаются к п. 5, если условия выполняются.15. Assume with 1 = c, ξ = x and return to step 5 if the conditions are met.

16. Завершают процесс, считая результат достигнутым, если условия не выполняются.16. Complete the process, considering the result achieved if the conditions are not met.

17. Определяют частоту резонанса ƒ r = x 2

Figure 00000053
, частоту антирезонанса
Figure 00000054
, добротность Q = x 2 / x 0
Figure 00000055
и параллельную емкость С0=с в резонансном промежутке частот.17. Determine the resonance frequency ƒ r = x 2
Figure 00000053
frequency of antiresonance
Figure 00000054
, quality factor Q = x 2 / x 0
Figure 00000055
and a parallel capacitance C 0 = c in the resonant frequency span.

Начальное значение переменной с находят из дополнительных измерений параллельной емкости С на низкой частоте при возбуждении ПЭ отрезком гармонического сигнала, которые также выполняют заявляемым способом, поскольку радиоимпульс является частным случаем сигнала с линейной частотной модуляцией при совпадающих значениях ƒ01=F его начальной и конечной частот. Значение проводимости Y ˙ ( F )

Figure 00000056
на частоте заполнения радиоимпульса F определяют по формуле (5), а параллельную емкость на низкой частоте рассчитывают по формуле C = Im ( Y ˙ ( F ) ) / 2 π F
Figure 00000057
и полагают c=ηC, где η∈[0.7, 1].The initial value of the variable c is found from additional measurements of the parallel capacitance C at a low frequency when the PE is excited by a segment of a harmonic signal, which is also performed by the claimed method, since the radio pulse is a special case of a signal with linear frequency modulation with the matching values ƒ 0 = ƒ 1 = F of its initial and final frequencies. Conductivity value Y ˙ ( F )
Figure 00000056
at the filling frequency of the radio pulse F is determined by the formula (5), and the parallel capacitance at a low frequency is calculated by the formula C = Im ( Y ˙ ( F ) ) / 2 π F
Figure 00000057
and put c = ηC, where η∈ [0.7, 1].

Таким образом, повышение точности измерения параметров ПЭ достигается за счет использования цифрового способа определения комплексной проводимости при возбуждением ПЭ импульсным сигналом с линейной частотной модуляцией, длительность которого меньше длительности регистрации измерительного сигнала и сигнала возбуждения. Измеренная частотная зависимость комплексной проводимости используется для извлечения из всех ее отсчетов частот резонанса, антирезонанса и добротности ПЭ методом дробно-рациональной аппроксимации, в отличие от прототипа, в котором длительности возбуждения ПЭ и регистрации измерительного сигнала совпадают, а характеристические частоты и добротность определяются по отдельным значениям модуля комплексной проводимости.Thus, an increase in the accuracy of measuring the parameters of PE is achieved through the use of a digital method for determining the complex conductivity upon excitation of PE by a pulse signal with linear frequency modulation, the duration of which is less than the duration of the registration of the measuring signal and the excitation signal. The measured frequency dependence of the complex conductivity is used to extract resonance, antiresonance, and Q factors from all its samples by the method of fractional rational approximation, in contrast to the prototype, in which the duration of the excitation of the PE and the registration of the measuring signal are the same, and the characteristic frequencies and Q factor are determined by separate values integrated conductivity module.

Заявляемый способ реализован в автоматизированном измерительном комплексе, который размещается в корпусе типа чемодана и состоит из измерительного блока и персональной ЭВМ. Пример экранной формы с результатами измерений модуля | Y ˙ ( ƒ ) |

Figure 00000058
, активной Re ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000059
и реактивной Im ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000060
составляющих комплексной проводимости и результаты их обработки представлен на фиг. 10. Экспериментальный образец измерительного комплекса успешно прошел испытания.The inventive method is implemented in an automated measuring complex, which is located in a case-type case and consists of a measuring unit and a personal computer. An example of a screen with the measurement results of the module | Y ˙ ( ƒ ) |
Figure 00000058
active Re ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000059
and reactive Im ( Y ˙ ( ƒ ) )
Figure 00000060
components of complex conductivity and the results of their processing are presented in FIG. 10. The experimental sample of the measuring complex has been successfully tested.

Источники информацииInformation sources

1. Отраслевой стандарт OCT II 0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия. - М.: Электростандарт, 1987.1. Industry standard OCT II 0444-87. Piezoceramic materials. Technical conditions - M .: Elektrostandart, 1987.

2. WO 2012149649 (А1), МПК F02M 51/00; G01R 27/02; G01R 31/00, 2012-11-08.2. WO 2012149649 (A1), IPC F02M 51/00; G01R 27/02; G01R 31/00, 2012-11-08.

3. TW 200933163 (А), МПК G01R 27/02, G01R 27/28, 2009-08-01.3. TW 200933163 (A), IPC G01R 27/02, G01R 27/28, 2009-08-01.

4. US 6768312, 6 МПК G01N 29/09; G01N 29/12; кл. US 324/525; 324/509, 2004-07-27.4. US 6768312, 6 IPC G01N 29/09; G01N 29/12; class US 324/525; 324/509, 2004-07-27.

5. RU 2499234, 6 МПК G01H 13/00, G01H 1/06, опубл. 20.11.013.5. RU 2499234, 6 IPC G01H 13/00, G01H 1/06, publ. 11/20/013.

6. Пьезокерамические преобразователи. Справочник. Под ред. С.И. Пугачева. - Л.: Судостроение. 1984. С 144-147.6. Piezoceramic transducers. Directory. Ed. S.I. Pugacheva. - L .: Shipbuilding. 1984. C 144-147.

7. Н.М. Иванов, В.Л. Земляков, Ю.К. Милославский. Новые средства измерения параметров пьезокерамических элементов и пьезоматериалов. Инженерный вестник Дона. Т. 26. №3. 2013 - прототип.7. N.M. Ivanov, V.L. Zemlyakov, Yu.K. Miloslavsky. New means of measuring the parameters of piezoceramic elements and piezomaterials. Engineering Herald of the Don. T. 26. No. 3. 2013 is a prototype.

8. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник. Под ред. П.Е. Кандыбы и П.Г. Позднякова. - М.: Радио и связь. 1992. С 42.8. Piezoelectric resonators. Directory. Ed. P.E. Kandyba and P.G. Pozdnyakova. - M .: Radio and communication. 1992.S. 42.

9. Н.Н. Калиткин. Численные методы. - М.: Наука, 1978. С 64.9. N.N. Kalitkin. Numerical methods. - M .: Nauka, 1978.C 64.

Claims (2)

1. Цифровой способ измерения параметров пьезоэлектрических элементов, включающий воздействие сигналом возбуждения u0(t) на пьезоэлемент, соединенный последовательно с резистором, имеющим заданное сопротивление r0, регистрацию измерительного сигнала u(t) в точке соединения пьезоэлемента с резистором, формирование в ЭВМ заданного числа N значений цифрового импульсного сигнала возбуждения с линейной частотной модуляцией, мгновенная частота которого изменяется от ƒ0 до ƒ1, где ƒ0 и ƒ1 - минимальная и максимальная частоты диапазона, в котором выполняются измерения, охватывающего резонансный промежуток для заданной моды колебаний пьезоэлемента, сформированный цифровой импульсный сигнал преобразуют в аналоговый импульсный сигнал возбуждения u0(t), синхронно преобразуют сигнал возбуждения u0(t) и измерительный сигнал u(t) в цифровую форму, восстанавливают и запоминают комплексные дискретные спектры
Figure 00000061
и
Figure 00000062
обоих сигналов, вычисляют и запоминают множество значений комплексной проводимости
Figure 00000063
пьезоэлемента на каждой дискретной частоте ƒ в пределах изменения частоты возбуждающего сигнала, отличающийся тем, что импульсный сигнал возбуждения имеет длительность T10-τ, где τ - длительность паузы между окончанием сигнала с линейной частотной модуляцией и моментом окончания регистрации цифровых сигналов, при этом время регистрации цифровых сигналов равно Т0, определяют частоту резонанса ƒr, частоту антирезонанса ƒa и добротность Q пьезоэлемента, а также значение параллельной емкости С0 из полученного множества значений комплексной проводимости путем его дробно-рациональной аппроксимации частотной зависимостью комплексной проводимости канонической эквивалентной схемы в резонансном промежутке частот.
1. A digital method for measuring the parameters of piezoelectric elements, including the action of the excitation signal u 0 (t) on the piezoelectric element connected in series with a resistor having a given resistance r 0 , registration of the measuring signal u (t) at the point of connection of the piezoelectric element with a resistor, the formation of a specified the number N of values of a digital pulse excitation signal with linear frequency modulation, the instantaneous frequency of which varies from ƒ 0 to ƒ 1 , where ƒ 0 and ƒ 1 are the minimum and maximum frequencies of the range in which m measurements are performed, covering a resonance interval for a predetermined fashion piezoelement oscillations generated digital pulse signal is converted into an analog pulse excitation signal u 0 (t), synchronously convert excitation signal u 0 (t) and the measurement signal u (t) in digital form, is reduced and remember complex discrete spectra
Figure 00000061
and
Figure 00000062
of both signals, calculate and store many complex conductivity values
Figure 00000063
a piezoelectric element at each discrete frequency ƒ within the frequency range of the exciting signal, characterized in that the pulse excitation signal has a duration T 1 = T 0 -τ, where τ is the pause time between the end of the linear frequency modulated signal and the moment the digital signals are recorded, at this time, the registration of digital signals is equal to T 0 , the resonance frequency ƒ r , the antiresonance frequency пь a and the Q factor of the piezoelectric element, as well as the value of the parallel capacitance C 0 from the obtained set of complex values are determined xn conductivity by its fractional rational approximation by the frequency dependence of the complex conductivity of the canonical equivalent circuit in the resonant frequency range.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для регистрации полного отклика пьезоэлемента на импульсный сигнал возбуждения длительность паузы выбирают из условия τ>Qmax0, где Qmax - верхний предел измерения добротности. 2. A method according to claim 1, characterized in that for recording a full response pulse on the piezoelectric element drive signal pause duration is chosen from the condition τ> Q max / ƒ 0, where Q max -. Q upper limit of measurement.
RU2014148835/28A 2014-12-03 2014-12-03 Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements RU2584719C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148835/28A RU2584719C1 (en) 2014-12-03 2014-12-03 Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148835/28A RU2584719C1 (en) 2014-12-03 2014-12-03 Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2584719C1 true RU2584719C1 (en) 2016-05-20

Family

ID=56012260

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014148835/28A RU2584719C1 (en) 2014-12-03 2014-12-03 Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2584719C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200933163A (en) * 2008-01-18 2009-08-01 I-Chien Hsu The automatic measurement system of admittance feature for piezoelectric material
WO2012149649A1 (en) * 2011-05-05 2012-11-08 The University Of British Columbia Apparatus and method for in situ impedance measurement of a piezoelectric actuator
RU2499234C1 (en) * 2012-05-11 2013-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Method of controlling quality factor of piezoelectric resonators and apparatus for realising said method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200933163A (en) * 2008-01-18 2009-08-01 I-Chien Hsu The automatic measurement system of admittance feature for piezoelectric material
WO2012149649A1 (en) * 2011-05-05 2012-11-08 The University Of British Columbia Apparatus and method for in situ impedance measurement of a piezoelectric actuator
RU2499234C1 (en) * 2012-05-11 2013-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Method of controlling quality factor of piezoelectric resonators and apparatus for realising said method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Н.М. ИВАНОВ и др. "Новые средства измерения параметров пьезокерамических элементов и пьезоматериалов". Инженерный вестник Дона, N 3 (26), том 26, 2013, всего - 10 страниц. Пьезокерамические преобразователи. Методы измерения и расчет параметров. Справочник под ред. С.И. ПУГАЧЕВА. Ленинград: Судостроение, 1984, 256 стр. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10001457B2 (en) Performance curve generation for non-destructive testing sensors
AU2010271044B2 (en) Determining the resonance parameters for mechanical oscillators
Budoya et al. A comparative study of impedance measurement techniques for structural health monitoring applications
US8854030B2 (en) Method and device for frequency response measurement
RU121070U1 (en) VIBRODIAGNOSTIC STAND FOR ELASTIC MACHINE SYSTEM
US20080288184A1 (en) Automatic Signal Collection and Analysis for Piezoelectric Wafer Active Sensor
Pasadas et al. Defect classification with SVM and wideband excitation in multilayer aluminum plates
CN109580721A (en) A kind of pulse eddy current detection method and detection device of ferromagnetic metallic material conductivity
CN106768757A (en) Shake table ultralow frequency sine sweep signal amplitude recognition methods based on variable sampling rate sampling
CN105841907A (en) Modal testing method, modal testing device and modal testing system of micro latticed shell structure
CN107991536B (en) Temperature correction method and equipment for frequency domain dielectric response test
EP3084417B1 (en) Structural health monitoring system employing electromechanical impedance technology
Lewis et al. Cost-effective broad-band electrical impedance spectroscopy measurement circuit and signal analysis for piezo-materials and ultrasound transducers
CN204008099U (en) Damping clad plate damping capacity proving installation
CN204719133U (en) A kind of Piezoelectric Impedance measuring equipment for monitoring structural health conditions
RU2584719C1 (en) Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements
CN108896654A (en) Energy consumption fact measurement method based on piezoelectric sound wave resonant transducer
RU2734902C1 (en) Method of measuring input and mutual resistance of antennas in frequency band
JP4551035B2 (en) Conductor thickness measuring device
CN101553710A (en) Multi-point, multi-parameter data acquisition for multi-layer ceramic capacitor testing
Osvath et al. Comment and discussion on digital processing of PD pulses
Saar et al. Chirp-based piezo-impedance measurement
Pasadas et al. Eddy current testing of cracks using multi-frequency and noise excitation
RU121065U1 (en) DEVICE FOR RESEARCHING THE DYNAMICS OF AN ELASTIC MACHINE SYSTEM
RU2733093C1 (en) Method of measuring distributed parameters of physical and mechanical quantities