RU2730127C1 - Способ неразрушающего контроля пьезопакетов - Google Patents
Способ неразрушающего контроля пьезопакетов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730127C1 RU2730127C1 RU2019141028A RU2019141028A RU2730127C1 RU 2730127 C1 RU2730127 C1 RU 2730127C1 RU 2019141028 A RU2019141028 A RU 2019141028A RU 2019141028 A RU2019141028 A RU 2019141028A RU 2730127 C1 RU2730127 C1 RU 2730127C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- piezo
- value
- package
- piezoelectric
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R29/00—Monitoring arrangements; Testing arrangements
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Otolaryngology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам неразрушающего контроля пьезопакетов и оценке качества склейки их составных частей. Способ заключается в подаче на вход пьезопакета напряжения переменной частоты и измерении силы тока. При этом частоту тока изменяют в диапазоне расположения первого обертона пьезоэлемента , где Δƒмакс=ƒa-ƒрез - максимальное значение разности частот антирезонанса ƒа и резонанса ƒрез пьезоэлементов, и - нижняя и верхняя частоты радиального резонанса, измеряют активную Gp и реактивную Вр составляющие отношения силы тока к напряжению с шагом по частоте не более 1 кГц, определяют по АЧХ активной составляющей проводимости ширину полосы частот , где и - верхняя и нижняя частоты, а по АЧХ реактивной составляющей проводимости - знак этой величины и судят об удовлетворительном качестве пьезопакета по выполнению двух условий: неравенства и наличия смены положительного знака величины Вр на отрицательное значение. Технический результат - устранение трудностей достоверной интерпретации результатов контроля. 1 табл., 5 ил.
Description
Изобретение относится к технологии изготовления пьезокерамических секционированных преобразователей и пьезоактюаторов, а именно к способам неразрушающего контроля пьезопакетов и оценке качества склейки их составных частей - пьезоэлементов, электродов и изоляторов, и может найти применение в процессе производства и ремонта гидроакустической аппаратуры или в электроакустических приборах и системах контроля исправности оборудования.
Известно, что пьезопакеты из отдельных пьезоэлементов являются составными частями гидроакустических преобразователей и пьезоактюаторов. В них обычно используются пьезоэлементы в виде колец, между которыми размещаются металлические электроды и посредством них кольца соединяются электрически параллельно, иногда на торцах пакета устанавливаются изоляторы из радиокерамики.
С целью повышения динамической прочности и ресурса все детали пьезопакета для создания акустического контакта склеиваются друг с другом по соприкасающимся плоскостям. До проведения склейки принимают меры по очистке границ деталей от загрязнений и достижения максимальной адгезии (сцепления).
В настоящее время основные трудности, возникающие при обеспечении прочностных характеристик пьезопакетов, связаны с отступлениями от технологического процесса, которые приводят к дефектам клеевого соединения в виде воздушных прослоек и несплошности.
Поскольку монолитность клеевого соединения обеспечивает передачу механических усилий от одного пьезоэлемента к другому, оставшаяся без клея поверхность отражает ультразвуковые волны, не передает механические напряжения смежным деталям и снижает тем самым коэффициент электромеханической трансформации пьезопакета, что приводит к уменьшению чувствительности устройств в режимах излучения и приема.
При этом расширяется полоса частот амплитудно-частотной характеристики на резонансе по причине роста внутренних механических потерь, и как следствие, падает добротность и коэффициент полезного действия колебательных систем. Кроме ухудшения электроакустических характеристик, уменьшается механическая прочность пьезопакета на разрыв за счет образования на неоднородностях концентраторов напряжений при армировании пьезопакетов в акустических устройствах, что важно для получения мощного ультразвука.
Качество склейки и наличие дефектов нередко, при отработке технологии проверяется прямыми испытаниями на прочность с последующим визуальным контролем мест разрыва. Выборочный разрушающий контроль на разрывной машине приводит к невозвратным потерям и расходу материальных ресурсов. Следует учитывать также то, что результаты такого контроля носят вероятностный характер, поскольку конкретный, целый образец проверке не подвергается.
Известны способы контроля без разрушения в процессе производства составных частей преобразователей, включая пьезопакеты, которые даны в книге «Подводные электроакустические преобразователи». (Расчет и проектирование): Справочник / В.В. Богородский, Л.А. Зубарев, Е.А. Корепин, В.И. Якушев. - Л., Судостроение, 1983, стр. 22-27, рис. 1, 7 и 1.11. При контроле электрических параметров и входных сопротивлений на активные элементы подаются электрические напряжения постоянного и переменного вида с последующим анализом результатов в соответствии с документацией. В этом случае используются существующие корреляционные связи между параметрами и качеством склейки, которые устанавливаются путем многофакторных экспериментов.
Наиболее близким способом к изобретению является способ проверки, описанный в книге авторов: А.Г. Рабинович, Л.А. Рубанов «Технология производства гидроакустической аппаратуры» - Л., Судостроение, 1973, стр. 117, принятый за прототип. В нем проверка активных элементов осуществляется возбуждением в них напряжений растяжения-сжатия, меняющихся по симметричному циклу при резонансных колебаниях системы. Механические напряжения, возникающие при подаче на активный элемент электрического напряжения переменной частоты, контролируются по току, протекающему через устройство.
К числу недостатков наиболее близких аналогов и прототипа относится факт возбуждения пьезопакетов и преобразователей на их основе. при неразрушающем контроле на частотах, близких к рабочему частотному диапазону устройств, в которых применяются пьезопакеты. При этом частоты ƒ в диапазоне от нескольких десятков кГц до 100 кГц располагаются вблизи областей связанных колебаний, так как ввиду наличия соизмеримых продольных и поперечных размеров деталей пьезопакета возникают комбинационные резонансы. В основном пьезоэлементы и пьезопакеты возбуждаются также на радиальной моде, а после склейки пьезопакета колебания отдельных пьезоэлементов демпфируются, и вклад радиального резонанса в протекающий ток теряется среди комбинационных колебаний, что приводит к трудностям достоверной интерпретации результатов контроля.
Техническая проблема, решаемая при помощи настоящего изобретения, заключается в создании способа неразрушающего контроля пьезопакетов, лишенного указанных выше недостатков.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5.
На фиг. 1 показана конструктивная схема параллельного соединения пьезоэлементов в пьезопакете посредством электродов, соединенных с выводами для подачи на вход электрического напряжения U. Пьезоэлементы пронумерованы от 1 до n, а электроды в виде латунных лепестков размещены между ними (изоляторы на торцах пьезопакета не показаны).
На фиг. 2 и фиг. 3 представлены амплитудно-частотные характеристики активной составляющей входной проводимости Gp(ƒ) и эквивалентной емкости входной проводимости Ср(ƒ) монолитного пьезопакета, а на фиг. 4 и фиг. 5 - немонолитного. На амплитудно-частотной характеристике активной составляющей входной проводимости Gp(ƒ) монолитного пьезопакета - фиг. 2 - виден узкополосный резонанс, подобный по форме «δ-функции», а на амплитудно-частотной характеристике эквивалентной емкости входной проводимости Ср(ƒ) - фиг. 3 - имеет место однократный переход знака этой величины из области положительных значений в отрицательные. Здесь и далее следует иметь в виду прямую пропорциональную зависимость эквивалентной емкости Ср и входной проводимости Вр:Вр=ωСр=2π/Ср, где ω - круговая (циклическая) частота.
На фиг. 4 и фиг. 5 даны амплитудно-частотные характеристики активной составляющей входной проводимости Gp(ƒ) и эквивалентной емкости входной проводимости Ср(ƒ) немонолитного пьезопакета, без обертонов. Вместо них имеют место множественные колебания на границах неоднородностей склейки. Сравнивая величины активной составляющей проводимости монолитного образца (фиг. 2) в максимуме - более 140 мСм (сопротивление 7 Ом) и немонолитного образца (фиг. 4) - 1,5-2,0 мСм (сопротивление 50-66 Ом), можно сделать вывод о значительных потерях в немонолитном образце.
Технический результат заключается в возможности использования для определения качества склейки пьезопакетов и их монолитности неразрушающего контроля при напряжении не более нескольких вольт, что открывает возможность сохранить продукцию и вести оперативный контроль качества сборки в опытном и серийном производстве.
В предлагаемом способе границы изменения частоты переменного тока и другие признаки определяются, исходя из соображений, основанных на физических закономерностях колебательных процессов:
1) Поскольку при качественной приклейке пьезоэлементов к металлическому электроду резонансная частота радиальных колебаний отдельных пьезоэлементов демпфируется, предлагается вести измерения в диапазоне нахождения частот первого обертона ƒ01 радиальных колебаний. В данном случае обертоном считается продольное колебание вдоль оси пьезоэлемента, возникающее благодаря упругим свойствам пьзокерамики, как отклик продольной составляющей колебания на существование еще одной степени свободы - радиального резонанса поперечного типа, определяемого через коэффициент Пуассона.
Расчет местонахождения этого диапазона по частоте при значении коэффициента Пуассона σ=0,24÷0,40 можно провести по таблицам соответствия, которые даны в книге авторов: Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. «Пьезоэлектрические датчики», (М., Техносфера, 2006. - стр. 29), а также в упраздненном ныне стандарте ГОСТ 12370-72. Для различных пьезокерамических материалов границы диапазона приблизительно в 2,56÷2,67 5 раза превышает частоту основного радиального резонанса. После округления до 1-го знака после запятой получаем значения коэффициента пересчета от 2,5 до 2,7, которые внесены в формулу изобретения.
2) На частотах обертонов, превышающих примерно в три раза значения радиальных колебаний, можно наблюдать изменение тока через пьезопакет при размере неоднородностей, соизмеримых с толщиной клеевого слоя и занимающие часть площади плоской поверхности пьезоэлемента.
3) Величина ширины полосы частот пьезопакета на обертоне для качественных образцов не должна превышать расчетного значения, определяемого через параметр основного радиального резонанса - ширину полосы частот, которая определяется совокупностью резонансов всех пьезоэлементов, входящих в пакет. Согласно опытным данным, ширина полосы частот одного пьезоэлемента составляет 1 кГц. При равномерном распределении частоты отдельных пьезоэлементов могут находиться в диапазоне от верхней до нижней резонансной частоты. Если в пьезопакете имеется 12 шт. пьезоэлементов и каждый имеет свою резонансную частоту, то ширина полосы может быть равной частному от деления разности предельных значений резонансных частот на среднее значение коэффициента пересчета - 2,6.
Таким образом, используя наличие в амплитудно-частотной характеристике изолированного колебательного контура на частоте обертона, а также его особенности, можно контролировать качество склейки пьезопакета.
Указанный технический результат достигается путем измерения и анализа формы амплитудно-частотной характеристики активной составляющей и эквивалентной емкости входной проводимости с помощью приборов типа измерителя иммитанса Е7-20, при. этом прибор измеряет фактически реактивную составляющую входной проводимости Вр, а выводит на печать графики эквивалентной емкости Ср, приведенные на фиг. 3 и фиг. 5. Для сокращения времени контроля измерения амплитудно-частотных характеристик проводятся с шагом не более 1 кГц, что является вполне допустимым в диапазоне частот 300-500 кГц, когда шаг по частоте меньше рабочих частот на 2 порядка.
Остановимся подробнее на результатах выбора контрольного диапазона частот на примере пьезопакетов двух вариантов - №1 и №2 с общим числом пьезоэлементов - 12 шт., внутренним диаметром отверстия - 5,1 мм, наружным диаметром - 14 мм и 9 мм, а также высотой каждого пакета 13,6 мм и 13 мм соответственно. В таблице в первых трех колонках приведены технические требования к частотам радиального резонанса и значениям резонансного промежутка. Расчет нижней и верхней границ диапазона частот проводился по формулам:
При этом для расчета ƒверх во внимание принят тот факт, что частоты антирезонанса, которые определяют поведение эквивалентной емкости, находятся выше резонансных частот. Экспериментальные значения диапазона нахождения изолированного обертона располагаются в расчетных пределах, а полоса частот вычислялась, исходя из соотношения
Из данных таблицы видно, что расчетные и экспериментальные данные по границам частотного диапазона согласуются друг с другом.
Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе, включающем подачу электрического напряжения переменной частоты на вход пьезопакета, возбуждение механических напряжений растяжения-сжатия и измерение силы тока, протекающего через пьезопакет, частоту переменного тока изменяют в диапазоне расположения первого обертона пьезоэлементов:
где: Δƒмакс=ƒa-ƒрез - максимальное значение разности частот антирезонанса ƒа и резонанса ƒрез пьезоэлементов на основном радиальном резонансе;
измеряют активную Gp и реактивную Вр составляющие отношения силы тока к напряжению с шагом по частоте не более 1 кГц, определяют по амплитудно-частотной характеристике активной составляющей проводимости ширину полосы частот
где и - верхняя и нижняя частоты, на которых значение активной составляющей входной проводимости находится на уровне 0,5 от максимального значения,
а по амплитудно-частотной характеристике реактивной составляющей проводимости - знак этой величины и судят об удовлетворительном качестве пьезопакета по выполнению двух условий: неравенства и наличия смены положительного знака величины Вр на отрицательное значение.
Партия из 100 пьезопакетов двух вариантов по 50 шт. согласно таблице была изготовлена и проверена предложенным способом. Проверка пьезопакетов без обертонных резонансов, проведенная испытанием на разрыв, показала значения усилия разрушения от 14 кГс до 63 кГс, что ниже требований документации - 90 кГс и более. Пьезопакеты, значения параметров которых удовлетворяют условиям проведения предложенного способа неразрушающего контроля, имели усилия при разрыве от 100 до 250 кГс.
Claims (7)
- Способ неразрушающего контроля пьезопакетов, заключающийся в подаче на вход пьезопакета электрического напряжения переменной частоты, возбуждении механических напряжений растяжения-сжатия и измерении силы тока, протекающего через пьезопакет, отличающийся тем, что частоту переменного тока изменяют в диапазоне расположения первого обертона пьезоэлемента
- где Δƒмакс=ƒа-ƒрез - максимальное значение разности частот антирезонанса ƒа и резонанса ƒрез пьезоэлементов на основном радиальном резонансе;
- и - нижняя и верхняя частоты основного радиального резонанса пьезоэлементов, измеряют активную Gp и реактивную Вр составляющие отношения силы тока к напряжению с шагом по частоте не более 1 кГц, определяют по амплитудно-частотной характеристике активной составляющей проводимости ширину полосы частот
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141028A RU2730127C1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Способ неразрушающего контроля пьезопакетов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141028A RU2730127C1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Способ неразрушающего контроля пьезопакетов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2730127C1 true RU2730127C1 (ru) | 2020-08-17 |
Family
ID=72086360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019141028A RU2730127C1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Способ неразрушающего контроля пьезопакетов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2730127C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD247083A1 (de) * | 1986-03-03 | 1987-06-24 | Hermsdorf Keramik Veb | Bewertungsanordnung fuer piezoelektrische koerper |
SU1465825A1 (ru) * | 1986-11-25 | 1989-03-15 | Предприятие П/Я В-8941 | Способ определени параметров пьезоэлемента |
SU1583850A1 (ru) * | 1987-09-17 | 1990-08-07 | Предприятие П/Я В-8941 | Способ определени частоты антирезонанса (резонанса) пьезоэлемента |
SU1732298A1 (ru) * | 1989-09-04 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт "Элпа" | Способ определени добротности пьезокерамического элемента |
SU1742749A1 (ru) * | 1989-09-04 | 1992-06-23 | Научно-исследовательский институт "Элпа" | Способ определени добротности колебани раст жени -сжати по толщине пьезокерамического элемента |
US7042228B2 (en) * | 2001-04-27 | 2006-05-09 | Oceana Sensor Technologies, Inc. | Transducer in-situ testing apparatus and method |
-
2019
- 2019-12-12 RU RU2019141028A patent/RU2730127C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD247083A1 (de) * | 1986-03-03 | 1987-06-24 | Hermsdorf Keramik Veb | Bewertungsanordnung fuer piezoelektrische koerper |
SU1465825A1 (ru) * | 1986-11-25 | 1989-03-15 | Предприятие П/Я В-8941 | Способ определени параметров пьезоэлемента |
SU1583850A1 (ru) * | 1987-09-17 | 1990-08-07 | Предприятие П/Я В-8941 | Способ определени частоты антирезонанса (резонанса) пьезоэлемента |
SU1732298A1 (ru) * | 1989-09-04 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт "Элпа" | Способ определени добротности пьезокерамического элемента |
SU1742749A1 (ru) * | 1989-09-04 | 1992-06-23 | Научно-исследовательский институт "Элпа" | Способ определени добротности колебани раст жени -сжати по толщине пьезокерамического элемента |
US7042228B2 (en) * | 2001-04-27 | 2006-05-09 | Oceana Sensor Technologies, Inc. | Transducer in-situ testing apparatus and method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10809310B2 (en) | Nonlinear acoustic resonance spectroscopy (NARS) for determining physical conditions of batteries | |
US6595058B2 (en) | Method and apparatus for determining dynamic response of microstructure by using pulsed broad bandwidth ultrasonic transducer as BAW hammer | |
CN107478728B (zh) | 一种复合绝缘子的无损检测方法 | |
JP5140724B2 (ja) | 水晶振動子及びこれを使用した測定方法 | |
US8286492B2 (en) | Mode decomposition of sound waves using amplitude matching | |
WO2023074627A1 (ja) | コンデンサの検査方法及びそれに用いる検査装置 | |
RU2730127C1 (ru) | Способ неразрушающего контроля пьезопакетов | |
Jiang et al. | Determining the optimal pre-tightening force of a sandwich transducer by measuring resonance resistance | |
JP2019536014A (ja) | センサ内蔵の連結要素 | |
CN210572081U (zh) | 基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置 | |
RU2524743C2 (ru) | Способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации | |
US20070272002A1 (en) | Sensor | |
JP2001272319A (ja) | 疲労損傷予知装置及びその方法 | |
CN109085203B (zh) | 一种材料动态剪切模量的测量方法及其测量装置 | |
JP5225284B2 (ja) | 電気機械変換素子の電気機械特性検査方法 | |
US8667845B2 (en) | Device and method for detecting elements in a fluid environment | |
RU2245543C2 (ru) | Способ контроля дефектности изделия | |
Karlash | Phase-frequency characteristics of the longitudinal and transverse vibrations of planar piezoceramic transformers | |
JP2014081313A (ja) | 超音波粘度計用圧電センサ振動子、及びこれを用いた超音波粘度計 | |
Zhao et al. | A new impedance based sensitivity model of piezoelectric resonant cantilever sensor | |
JPH02232558A (ja) | アコースチック・エミッションセンサー | |
JP2007171065A (ja) | 広帯域周波数特性測定装置 | |
SU1265601A1 (ru) | Способ контрол качества акустического контакта пьезопреобразовател при дефектоскопии изделий и устройство дл его осуществлени (его варианты) | |
RU1788602C (ru) | Способ испытани пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей | |
SU1753626A1 (ru) | Способ неразрушающего контрол пьезокерамического преобразовател |