SU1394169A1 - Способ контрол качества пьезоэлектрических преобразователей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к виброизмерительной технике и может быть использовано, например, дл  автоматической проверки соответстви  акселерометров требовани м технических условий при их серийном выпуске. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей - достигаетс  за счет определени  чувствительности - пьезоэлектрического преобразовател . Устройство, реализуннцее способ, содержит генератор 1 синусоидальных сигналов , соединенный с частотомером 2 и через ключ 3 с усилителем мощности 4. К выходу усилител  подключены последовательно соединенные пьезо- преобразователь 5 и резистор 6. На чертеже также показаны коммутатор 7, измерительный блок 8 и блок 9 управлени . Способ предусматривает выполнение дев ти измерительных операций, а качество контролируемого преобразовател  определ ют по расчетной математической формуле, приведенной в описании изобретени . 4 ил. § (Л

Description

ел, со

4ik

Oi СО

C 3i/2j

113

Изобретение относитс  к виброизмерительной технике и может быть использовано , в частности, дл  автоматической проверки соответстви  акселерометров требовани м технических условий при их серийном и массовом выпуске.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет определени  чувствительности пьезо- электрического преобразовател .

На фиг.1 приведено устройство, реализующее способ,- на фиг.2 - механическа  схема виброприемника, состо щего из основани , пьезоэлемента и инерционного элемента; на фиг.З - эквийалентна  электромеханическа  схема виброприемника; на фиг.4 - эквивалентна  электрическа  схема виброприемника (акселерометра) дл  случа  подачи на его вход электричес

кого напр жени  U(t)U..

(pt

+ ip ) и отсутстви  Возбуждени  на его механическом входе.

Устройство (фиг; 1) содержит гене-- ратор 1 синусоидальных сигналов, соединенный с частотомером 2 и через КЛЮЧ 3 с усилителем 4 мощности, к вы I ходу которого подключены последова- 1тельно соединенные пьезопреобразова- Iтель 5 и резистор 6, коммутатор 7, измерительный блок 8 и блок 9 управлени  .

Сущность способа заключаетс  в слдующем .

Рассмотрим виброприемник, состо щий из основани , пьезоэлемента и инерционного элемента. Известно,что перечисленные узлы могут ,быть представлены в виде эффективных масс m,m (основани  и инерционной.соответственно ) , упругости К и сопротивлни  потерь г. В прин тых обозначени х механическа  схема виброприемника показана на фиг.2 (а - ускорение, действующее на вход виброприемника) Запишем уравнени  электромеханического преобразовани  дл  пьезоэлемента , выбрав в качестве переменньпс напр жение U на его электрической стороне и скорость V сох (со - частота , X - изменение размера пьезоэлемента ) на механической стороне:

j

CflU

+ Nv;

+ г) V, (1) где I - ток на электрической стороне i

NU .(--.

/-1

F - сила на механическом входе, Г емкость пьезоэлемента (акселерометра ) при V 0; аффективна  гибкость пьезоэлемента J ,,

Мп коэффициент электромеханического преобразовани . При возбуждении на частоте о) виброприемника со стороны основани  ускорением а и силой F дл  пьезоэлемента выполн ютс  следующие граничные услови :

а - а, 5

F

F ,(2)

где

г - ускорение инерционной массы .

Из уравнений (1) с учетом (2) получаем систему уравнений, описывающую виброприемник как электромеханический четырехполюсник, на механическом и электрическом

действуют F ветственно:

и а,, и

NU

Ш

а - )

I

jwc.u + N S-Sr,

Ввод  идеальньп электромеханический трансформатор с коэффициентом трансформации N,, получаем эквивалентную электромеханическую схему виброприемника , приведенную на фиг.З, где прин ты следующие обозначени :

С. R гАГ,- Ц L m./N -,

где Сд, R, L,Lj, - электрические аналоги соответствующих механических величин С, г, m,tnp.

Из анализа эквивалентной схемы следует, что дл  коэффициента преоб- раэовани  (чувствительности) X (оо1 виброприемника справедливо соотношение

частота виброприемника при

его возбуждении с механической стороны.

Рабочий диапазон частот о) пьезо- , акселерометров, как правило, выбираетс  из услови  0) сОо . В этом случае

(C

.-Cj)

(5)

Таким образом, дл  определени  чувствительности А пьезоакселеромет- ров известной конструкции (т const)

необходимо измерение величин С

1

и N. Последнее возможно в результате того, что на электрический вход акселерометра подаетс  напр жение вида U(t) Ucos (сОр t + if ), а механический вход не подвергаетс  воз- булотению. Эквивалентна  схема дл  этого случа  представлена на фиг.4.

Пусть в момент времени t О возбуждение прекращаетс  и переключатель П переводитс  в положение 2.

Ток через сопротивление Rg(Rg«-)

Up L,

определ етс  соотношением

tf l(t) l6cos(c0pt +(p)e-°% (6)

где f CO /29 - декремент затухани ; 9 - механическа  добротность преобразовател  Ig у - начальна  амплитуда

и фаза свободных затухающих колебаний.

В силу услови  непрерывности (ра- венстве токов в цепи R,C,L в момент отключени  и в начальный момент свободных колебаний) имеем

С O.Kt) -(c6sы,t)e (7) Или при 1„-U/R,

Таким образом, измер   амплитуду тока через сопротивление R сразу после отключени  возбуждаюп(его напр  жени , можно определить величину R:

R У- .(8)

0

Принима  во внимание, что

JjL

б e(,)Ni

получаем соотношение, определ ющее коэффициент трансформации:

N ,E™ZiZ. (10) 1ке(т,-ьт„)

.Использу  дл  Q выражение 9 l/CJpRCa, получаем

О

10

С. 1/(Ор R0.

(to

15

20

В соответствии с законом Кирхгофа ток I, протекающий на входе виброприемника при его возбзткдении, представл ет собой сумму тока через емкость Сд и тока в цепи R,L,C, т.е.

U-J(WpC) ,.

1

(12)

Последнее соотношение с учетом (S) позвол ет определить С.

с. иБ7

(13)

Решив совместно (5), (9), (10), (13) получаем

:i4)

где К

: 112в1 5 г1Шг 1 т„

40 45

0

55

Посто нна  -К, вход ща  в формулу (14), зависит только от величин т и т, которые в услови х серийного производства у всех акселерометров равны. Это позвол ет, однократно измерив К на одном из акселерометров , например, с помощью вибростенда путем пр мого измерени  у и последующего вычислени  К из уравнени  (14), использовать зту величину в качестве посто нной дл  всей последующей партии.

Способ осуществл ют следующим образом .

Возбуждают пьезопреобразователь 5 радиоимпульсом с пр моугольной огибающей . Дл  этого по команде с блока 9 управлени  включают генератор 1 и ключ 3. Измер ют амплитуду радиоимпульса и. Дл  этого подают на вход блока 8 сигнал с выхода усилител  4 через коммутатор 7. Затем обрывают радиоимпульс в момент, соответствующий равенству нулю напр жени  на преобразователе (с| с1Г/2) . Дл  этого, по комацде с блока 9 измен ют длительнрсть радиоимпульса и фиксируют с по- мрщью блока 8 фазу напр жени  на преобразователе . При выполнении услови  CJ « /2 (переход напр жени  через 0) блок 9 вьщает сигнал, запирающий 3, и возбуждение преобразовател  прекращаетс .

Далее устанавливают частоту за- г:олнени  радиоимпульса сЭр . Дл  этого на вход блока 8 через коммутатор 7 ггодают сигнал с резистора 6 (RB i 1/03pC), прбпорцйональньй току короткого замыкани . В блоке 8 прово- Аитс  определение амплитуды тока IQ начале переходного процесса. По ко- нанде с блока 9 в генераторе 1 про- 1сходит изменение частоты генерируемых колебани , и процедура измере- ди  величины 1, повтор етс . В мо- чент, когда зафиксирован максимум 1о, изменение частоты сигнала в генераторе 1 прекращаетс . I Дл  измерени  частоты сОрСИгнал с частотомера 2 подаетс  в блок 8.За- |Тем измер ют амплитуду тока 1 (Протекающего через преобразователь во врем  действи  радиоимпульсов, и амп- |литуду.тока начале переходного процесса, возникающего после прекра- щени  действи  радиоимпульса, i Дл  определени  механической доб- ротности преобразовател  б с помощью блока 8 измер ют скорость затухани  переходного процесса.

Значение посто нной способа К дл  партии испытуеьфгх преобразователей измер етс  заранее и заноситс  в пам ть блока 8. ,

Claims (1)

1. В соответствии с формулой (14) определ ют чувствительность /р преобразовател  и делают вывод о его качестве . Формула изобретени 

   Способ контрол  качества пьезо-

   электрических преобразователей, сог

   ласно которому в преобразователе возбуждают механические колебани  путем подачи на его электроды радиоимпульса с пр моугольной огибающей и частотой заполнени , равной частоте его механического резонанса, и измер ют параметры возникающего переходного процесса, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей за счет определени  чувствительности пьезоэлектрического преобразовател , измер ют амплитуду тока возбуждени , возбуждение прерывают в момент равенства нулю мгновенного значени  напр жени  на электродах преобразовател  , электроды замыкают и измер ют амплитуду тока в начале переходного процесса путем измерени  падени  напр жени  на сопротивлении К 1/ЫрХ X Сд , где сОр - частота механического резонанса, статическа  емкость резонатора, измер ют величину механической добротности, а о качестве преобразовател  суд т по величине чувствительности , определ емой по формуле

   К

   1

   - :ж-ти - амплитуда напр жени  радиоимпульса возбуждени ; 1 - амплитуда тока возбуждени 

   преобразовател ; Ig - амплитуда тока в начале

   переходного процесса; 9 - механическа  добротность,

   К 1 JSai-HJiLSi

   m.

   дд

   45

   где тй - масса основани ;

   т - инерционна  масса преобразовател .

   r.H С г

   0-1, г-IIи

   ПГ т

   i/cos()

   Цзиг2

   г

   /770

   и

   I I

   фиг.з

   Cf

   0