СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASUREMENT OF HYDROACOUSTIC PIEZOELECTRIC CONVERTER PARAMETRES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров гидроакустических пьезоэлектрических преобразователей, входящих в состав гидролокаторов, систем гидроакустической связи, телеметрии, комплексов гидроакустического телеуправления, при их настройке и регулировке. Основу пьезоэлектрического преобразователя составляет пьзоэлемент, жестко связаный с герметичным металлическим корпусом. Пьзоэлемент выполняется либо в виде единого монолитного блока необходимого размера [Л1, рис 6., 3a], либо в виде наборного пакета из более мелких пьезоэлементов [Л1, рис 6.1, 6.2]. Гидроакустический пьезоэлектрический преобразователь может работать в двух режимах:
- режим приема гидроакустических сигналов, когда внешняя гидроакустическая волна создает в корпусе преобразователя, помещенном в воду, и, соответственно, в пьезоэлементе волны упругих деформаций, вследствие чего на электрических выводах пьезоэлемента будет генерироваться электрическое напряжение, воспроизводящее внешний акустический сигнал;
- режим излучения гидроакустических сигналов, когда электрический сигнал, подведенный к выводам пьезоэлемента, создает в нем упругие деформации. Эти деформации заставляют вибрировать корпус преобразователя, который будучи помещенным в воду, будет являться источником гидроакустической волны.
Оптимальное использование пьезопреобразователя требует его согласования с сопрягаемыми электронными устройствами. Для этого необходимо знать его основные эксплуатационные параметры, к которым относятся: значения резонансных частот и значения импеданса на резонансных частотах. Рассмотрим эти параметры, используя эквивалентную электрическую схему пьезоэлемента, приведенную на фиг.1, где обозначено:
0
C - статическая емкость между электродами пьезоэлемента;
1
1
L, C - динамические параметры, характеризующие тип электромеханических колебаний пьезоэлемента;
R1 - сопротивление потерь в материале пьезоэлемента.
p
1
i
a
1
1
0
1
0
p
a
K
K
1
1
12
1/2
Резонанс в такой схеме возможен на двух частотах последовательный резонанс на частоте f=2π/(LC), когда импеданс схемы, как двухполюсника, чисто активный и имеет минимум, равный в первом приближении R1; параллельный резонанс на частоте f=2π/(LCC/C+C), когда импеданс схемы также активный, но имеет максимум, равный QR1, где Q - добротность параллельного контура. Частоты f и f называют частотами резонанса и антирезонанса, соответственно [Л2, с.58]. На графике фиг.2 приведена зависимость импеданса Z эквивалентной схемы от частоты в виде сплошной линии. Резонансные частоты пьезопреобразователя в целом ниже резонансных частот используемого пьезоэлемента за счет инерции вибрирующего корпуса, зависящей от его массы, и выражается дополнительной последовательной индуктивностью L в правой ветви эквивалентной электрической схемы, а потери механической энергии в корпусе и других деталях конструкции - дополнительным активным сопротивлением R - там же. По устоявшейся терминологии частоту f последовательного резонанса пьезопреобразователя называют частотой механического резонанса, а частоту f параллельного резонанса - частотой электромеханического резонанса. Зависимость импеданса пьезопреобразователя от частоты изображена на фиг.2. пунктирной линией. Оптимальным режимом пьезопреобразователя, работающего на излучение, является равенство частоты подводимого электрического сигнала частоте механического резонанса преобразователя, когда нагрузка усилителя мощности, питающего пьезопреобразователь, будет чисто активной и минимальной величины. В этом случае легко выполняется согласование выходного сопротивления усилителя мощности сигнала с входным импедансом пьезопреобразователя, заданная мощность излучения обеспечивается при минимальном напряжении сигнала с выхода усилителя, а в цепи, соединяющей гидрофон с усилителем, будет отсутствовать циркулирующая реактивная мощность, что минимизирует потери энергии. Частота излучения, как правило, бывает заданной и пьезопреобразователь конструктивно разрабатывается так, чтобы частота его механического резонанса была близкой заданной частоте излучения. Предварительная настройка на частоту механического резонанса достигается выбором размеров пьезоэлемента и марки пьезокерамики, конструкцией и размерами корпуса. Точная настройка осуществляется установкой дополнительных, предусмотренных конструкцией, накладок разной массы на пьезоэлементы (это эквивалентно изменению индуктивности эквивалентной схемы) с контролем полученного результата. Кроме того, необходимо знать численное значение импеданса пьезопреобразователя при механическом резонансе, чтобы определить требуемое значение сигнала с усилителя для заданной излучаемой мощности.
При работе на прием с целью обеспечения режима максимальной чувствительности как отношения электрического напряжения на выводах пьезопреобразователя к создавшему его акустическому давлению, импеданс должен быть большим.
Оптимальным в данном случае является состояние электромеханического резонанса (см. фиг.2), когда частота входного сигнала равна частоте антирезонанса. Значение импеданса пьезопреобразователя в режиме электромеханического резонанса определяет технические требования к параметрам входных каскадов приемного устройства.
Таким образом, основные эксплуатационные параметры пьезопреобразователя, требующие контроля на стадиях его изготовления и периодической поверки, это частоты механического и электромеханического резонансов и импеданс на этих частотах.
Известно устройство для контроля параметров пьезопреобразователя по заявке на изобретение RU№2000119380, в котором через пьезопреобразователь пропускают тестовый сигнал и измеряют параметры отклика пьезопреобразователя на подаваемый тестовый сигнал.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа измерения параметров пьезоэлектрического преобразователя и устройства для его осуществления может служить установка для измерения резонансных и антирезонансных частот пьезокерамических элементов [Л2, с.27], структурная схема которой приведена на фиг.3.
Данная установка работает следующим образом: при измерении резонансной частоты на испытуемый пьезоэлемент с генератора G подается синусоидальный сигнал заданной амплитуды и с частотой, соответствующей области вероятного нахождения резонансных частот пьезоэлемента. Напряжение контролируют вольтметром PV1, а частоту - частотомером PVE. К контактам стенда PI XS8, XS9 подсоединяют нагрузочный резистор Rн, с сопротивлением порядка нескольких сотен Ом.
Напряжение на Rн контролируют вольтметром PV2. Один вход фазометра Р2 подсоединяют к нагрузочному резистору, а второй к выводу пьезоэлемента, соединенному с генератором. Плавно изменяя частоту генератора G, добиваются максимального отклонения стрелки вольтметра PV2 и нуля фазы по показаниям фазометра Р2. Нулю фазы будет соответствовать резонансная частота пьезоэлемента, которую измеряют частотомером PVE. По показаниям вольтметров PV1 и PV2 и известному значению Rн рассчитывается значение импеданса пьезоэлемента на резонансной частоте. При измерении антирезонансной частоты к контактам стенда XS8, XS9 подсоединяют нагрузочный резистор Rн с сопротивлением порядка нескольких десятков кОм.
a
Плавно изменяя частоту генератора G, добиваются минимального отклонения стрелки вольтметра PV2 и нуля фазы по показаниям фазометра Р2. Нулю фазы будет соответствовать антирезонансная частота пьезоэлемента f, которую измеряют частотомером PVE. По показаниям вольтметров PV1 и PV2 и известному значению Rн рассчитывается значение импеданса пьезоэлемента на антирезонансной частоте.
Недостатком такого способа измерения параметров пьезоэлемента является ручной метод измерения и связанная с ним большая трудоемкость, что увеличивает вероятность субъективных ошибок при снятии показаний измерительных приборов и их обработке, соответственно, устройство для реализации такого способа, требует наличия большого числа измерительных приборов разных типов.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание автоматизированного способа измерения эксплуатационных параметров гидроакустических пьезоэлектрических преобразователей, позволяющего ускорить процесс измерения и повысить точность измеряемых параметров, упростить схему устройства для его реализации и увеличить надежность ее эксплуатации.
Указанная задача решается тем, что в способе измерения параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя путем воздействия на него тестового синусоидального сигнала с заданной амплитудой и в заданном частотном диапазоне, измерения параметров отклика пьезоэлектрического преобразователя на подаваемый тестовый сигнал, по значениям которых определяют частоты механического и электромеханического резонансов и импеданс пьезоэлектрического преобразователя на этих частотах, тестовый сигнал формируют из линейно нарастающей цифровой последовательности с последующим преобразованием цифровой последовательности в аналоговый сигнал с линейно нарастающей в заданном диапазоне частотой, с возможностью программного управления параметрами аналогового сигнала, преобразования параметров (тока и напряжения) отклика пьезоэлектрического преобразователя на подаваемый тестовый сигнал в цифровую форму с временным разделением измерительных каналов тока и напряжения, вычисления и вывода на индикатор амплитудно-частотной характеристики частот механического и электромеханического резонансов и значения импеданса пьезоэлектрического преобразователя в точках резонанса.
Для реализации данного способа в измерителе параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя, содержащего источник (формирователь) синусоидальных сигналов, подключенный через усилитель мощности к испытуемому преобразователю, формирователь синусоидальных сигналов выполнен в виде устройства прямого цифрового синтеза и дополнительно введены измерительный резистивный шунт, подключенный между усилителем мощности и испытуемым пьезоэлектрическим преобразователем, два аналого-цифровых преобразователя, выходы которых через интерфейс связи соединены с персональным компьютером, а вход первого аналого-цифрового преобразователя через делитель напряжения подключен к выходу усилителя мощности, цифровой сигнальный процессор двунаправленной шиной данных соединен с устройством прямого цифрового синтеза, выходом аналого-цифровых преобразователей и с интерфейсом связи персонального компьютера, вход второго аналого-цифрового преобразователя подключен к испытуемому преобразователю и резистивному шунту, а первый, второй и третий выходы цифрового сигнального процессора соединены соответственно с управляющими входами обоих аналого-цифровых преобразователей и устройства прямого цифрового синтеза.
На фиг.4 представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя (далее пьезопреобразователь), где обозначено: 1 - испытуемый пьезопреобразователь; 2 - измерительный резистивный шунт; 3 - делитель напряжения; 4 - усилитель мощности синусоидальных сигналов; 5, 6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 7 - устройство прямого цифрового синтеза (УПЦС); 8 - цифровой сигнальный процессор (ЦСП); 9 - интерфейс связи; 10 - персональный компьютер.
Способ измерения параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя осуществляют следующим образом: формируют линейно нарастающую цифровую последовательность; преобразуют ее в тестовый аналоговый сигнал с заданной амплитудой и линейно нарастающей частотой в заданном диапазоне частот и возможностью программного управления аналоговым сигналом; подают тестовый сигнал на измеряемый (испытуемый) пьезопреобразователь; измеряют параметры отклика (тока и напряжения) пьезопреобразователя на подаваемый тестовый сигнал, по значениям которых и по заданному алгоритму сигнальный процессор автоматически определяет частоты механического и электромеханического резонансов, импеданс пьезопреобразователя на этих частотах, амплитудно-частотную характеристику.
Измеритель параметров пьезопреобразователя содержит устройство прямого цифрового синтеза 7, подключенное через усилитель мощности 4 и через включенный последовательно с пьезопреобразователем 1 измерительный шунт 2 к испытуемому преобразователю 1. АЦП 5 и 6 соединены своими выходами через интерфейс связи 9 с персональным компьютером 10, а вход АЦП 5 через делитель напряжения 3 подключен к выходу усилителя мощности 4. ЦСП 8 двунаправленной шиной данных соединен с УПЦС 7 и выходами АЦП 5 и 6, вход АЦП 6 подключен к пьезопреобразователю 1 и измерительному резистивному шунту 2. Первый, второй и третий выходы ЦСП соединены соответственно с управляющими входами АЦП 5 и 6 и УПЦС 7.
Сопротивление резистивного измерительного шунта 2 выбирается много меньшим, чем сопротивление пьезопреобразователя во всем исследуемом диапазоне частот, с тем, чтобы влияние шунта на точность проводимых измерений была минимальной.
Элементная база устройства, реализующего предлагаемый способ, состоит из доступных, серийно выпускаемых элементов. Усилитель мощности синусоидальных сигналов 4 может быть выполнен на стандартной микросхеме усилителя класса D, например, TDA8924 фирмы Philips; АЦП 5 и 6 могут быть выполнены на микросхемах AD775 фирмы Analog Devices; УПЦС 7 может быть выполнено на микросхеме AD9831 фирмы Analog Devices; в качестве ЦСП 8 могут быть использованы микроконтроллеры серии MSP430.
Устройство работает под управлением ЦСП 8, запрограммированного под формирование синусоидального сигнала для питания пьезопреобразователя, обработку цифровых данных о напряжении и токе, расчет амплитудно-частотной характеристики, вычисление частот механического и электромеханического резонансов и импеданса в точках резонанса. Задание значений питающего напряжения и рабочего диапазона частот осуществляется с клавиатуры персонального компьютера 10. Индикация результатов измерения осуществляется монитором компьютера 10, двухсторонняя связь устройства с компьютером производится через интерфейс связи 9. ЦСП 8 формирует линейно нарастающую цифровую последовательность, которая в УПЦС 7 преобразуется в аналоговый синусоидальный сигнал, с линейно нарастающей частотой в заданном диапазоне. Этот сигнал усиливается до необходимого значения усилителем мощности 4 и поступает на испытуемый пьезопреобразователь 1. Уровень этого сигнала можно регулировать программно, путем изменения опорного напряжения ЦАП, формирующего аналоговый сигнал и входящего в состав УПЦС 7. Напряжение на шунте 2, которое пропорционально току, через пьезопреобразователь 1 с помощью АЦП 6 преобразуется в цифровую форму, выводится на шину данных процессора 8 и заносится в его внутреннюю память. Напряжение с выхода усилителя 4, практически равное напряжению на пьезопреобразователе, делится с помощью делителя 3 и подается на вход АЦП 5, где также преобразуется в цифровую форму и выводится на шину данных процессора 8.
Формирование тактового сигнала на АЦП 5 и АЦП 6 и съем цифровых данных осуществляются процессором 8 с чередованием, чем обеспечивается временное разделение измерительных каналов тока и напряжения. В результате проведенной операции в памяти сигнального процессора 8 оказываются два массива цифровых данных, выражающих значение напряжения на пьезопреобразователе и зависимость тока через него от частоты. Сигнальный процессор 8 по заданному алгоритму производит обработку этих данных и все необходимые вычисления.
На экран монитора персонального компьютера 10 выводятся: амплитудно-частотная ^ характеристика пьезопреобразователя, в виде кривой зависимости тока от частоты при конкретном значении напряжения на нем; численные значения экстремумов амплитудно-частотной характеристики, т.е. частот механического и электромеханического резонансов; значения импеданса в точках резонанса.
Предложенное устройство позволяет осуществлять непосредственное измерение параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя в автоматическом режиме, осуществляя их контроль с высокой точностью на стадии изготовления, регулировки, а также в рабочих условиях, что отвечает требованиям современного аналитического приборостроения.
Литература
1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л., «Судостроение», 1988.
2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. М., Техносфера, 2006.