RU2584719C1 - Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements - Google Patents
Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring 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
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 (
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
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=φ0-φ1 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
где i2= -1 - мнимая единица. Номинал нагрузочного сопротивления r0 выбирают из условия примерного равенства амплитуд напряжений на резисторе и ПЭ, т.е.
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
- 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
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
- вычисляют значения комплексной проводимости ПЭ по формуле:- calculate the values of the complex conductivity of PE by the formula:
- 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 , 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 , 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 и обоих сигналов, вычисляют и запоминают множество значений комплексной проводимости 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 and of both signals, calculate and store many complex conductivity values 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 Т1=Т0-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>Qmax/ƒ0, 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
Фиг. 7. Частотная зависимость реактивной составляющей измеренной комплексной проводимости
Фиг. 8. Частотная зависимость модуля измеренной комплексной проводимости
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
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
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
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 Т1=Т0-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>Qmax/ƒ0, 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
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:
Характерные частотные зависимости активной составляющей
6. Сформированные массивы значений комплексной проводимости
где С0,
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
6. Формируют матрицу
7. Формируют вектор
8. Формируют матрицу
9. Формируют вектор
10. Находят трехмерный вектор х, решая систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными
11. Вычисляют вектор
12. Определяют новое значение переменной с:12. Determine the new value of the variable with:
13. Вычисляют новые значения массива
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
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 ƒ0=ƒ1=F его начальной и конечной частот. Значение проводимости
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
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.
5. RU 2499234, 6 МПК G01H 13/00, G01H 1/06, опубл. 20.11.013.5.
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.
Claims (2)
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)
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 |
-
2014
- 2014-12-03 RU RU2014148835/28A patent/RU2584719C1/en active
Patent Citations (3)
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)
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 | |
US20120007583A1 (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 | |
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 | |
US9664649B2 (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 | |
RU2734902C1 (en) | Method of measuring input and mutual resistance of antennas in frequency band | |
RU2584719C1 (en) | Digital method of measuring parameters of piezoelectric elements | |
CN108896654A (en) | Energy consumption fact measurement method based on piezoelectric sound wave resonant transducer | |
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 | |
Carli et al. | A smart low-cost QCM-D based on lightweight frequency domain processing | |
RU2733093C1 (en) | Method of measuring distributed parameters of physical and mechanical quantities | |
US7545155B2 (en) | Parallel AC measurement method | |
Dimogianopoulos et al. | Application of thin-film contact-free magneto-elastic sensors and stochastic nonlinear modeling to system damage diagnosis | |
RU2289143C2 (en) | Method of combined testing of three-phase winding of electrical machine |