Измерительно-вычислительный комплекс для определения импеданса пьезоэлектрических преобразователей

Измерительно-вычислительный комплекс для определения импеданса.

УДК 534.641

А.В. Егоров, И.В. Овчинников, И.А. Жуков Измерительно-вычислительный комплекс для определения импеданса пьезоэлектрических преобразователей

Ключевые слова: импеданс, пьезоэлектрический преобразователь, пьезокерамический датчик, измерительно-вычислительный комплекс.

Key words: impedance, piezoelectric transducer, pie-

zoceramic sensor, measuring and computing complex.

Для контроля и прогнозирования состояния ответственных объектов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях, широко применяются пьезоэлектрические преобразователи. Они имеют хорошие эксплуатационные параметры, широкие динамические и частотные диапазоны, малые размеры [1]. Используемые в датчиках пьезоэлектрические элементы обладают резонансными свойствами, которые определяются не только материалом пьезокерамики, но и зависят от ее формы и размеров. Для эффективной работы датчика в качестве излучателя или приемника необходимо также учитывать условия прохождения ультразвуковых волн по его волноводам на соответствующих частотах. Поэтому определение параметров пьезоэлементов является актуальной задачей. Большинство характеристик можно получить из зависимости их полного импеданса от частоты. В настоящей работе разработан измерительно-вычислительный комплекс для определения импеданса пьезоэлектрических преобразователей в заданном частотном диапазоне.

Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса для измерения импеданса пьезоэлектрических преобразователей представлена на рисунке 1. Мгновенное значение пилообразного напряжения, вырабатываемого устройством 1, задавало частоту гармонического сигнала генератора качающей частоты 2, выход которого подключался к согласующему сопротивлению R1 и измерительной цепи, состоящей из пьезоэлектрического преобразователя 3 и стандартного сопротивления R2. Мгновенные значения напряжений в контрольных точках кт 1 и кт 2 измерительной цепи регистрировались аналого-цифровыми преобразователями 4 и 5 соответственно, соединенными с каналом связи 6, обеспечивающим передачу измерительной информации в управляющую ЭВМ. Аналого-цифровой преобразователь 7 фиксировал значения пилообразного напряжения и использовался для выделения частотного диапазона, в котором определялись параметры датчика. Программное обеспечение, необходимое для работы измерительно-вычислительного комплекса, было создано в программной среде LabVIEW и позволяло оперативно обрабатывать результаты измерений.

7

Рис. 1. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса для определения импеданса пьезоэлектрических преобразователей

При обработке полученных результатов зарегистрированный массив данных разбивался на небольшие выборки фиксированной длины. Их размер определялся по двум критериям. С одной стороны, внутри каждой выборки частота гармонического сигнала в пределах погрешности оставалась неизменной. Это накладывало определенные ограничения на их максимальный размер. С другой стороны, количество экспериментальных точек было достаточным, чтобы надежно аппроксимировать результаты измерений функциональной зависимостью вида щ () = UІ08т(ю? + р), где г - номер контрольной точки измерительной цепи; иг0 - амплитуда сигнала; ю - циклическая частота; р - начальная фаза. Параметры иг0 , ю и р определялись по экспериментальным данным с применением метода наименьших квадратов. Импеданс X пьезоэлектрического преобразователя на частоте ю рассчитывали в рамках соответствующей выборки по формуле

X = Я2* 1^0 - 2 (р-р ) + 1.

Уи 20 и 20

Для проверки работоспособности измерительно-вычислительного комплекса были проведены тестовые испытания для двух акустико-эмиссионных датчиков: широкополосного датчика вТ-300 и резонансного типа, построенного на основе пьезокерамики ЦТС-19. Результаты измерений приведены на рисунке 2 в виде кривых, при этом случайная погрешность измерений не превышала 2%. Экспериментальными точками отмечены значения,

ФИЗИКА

Рис. 2. Зависимость импеданса пьезоэлектрических преобразователей от частоты: а - широкополосный датчик вТ-300; б - резонансный датчик

полученные с погрешностью 5% на установке, состоящей из генератора стандартных сигналов ГЗ-112, милливольтметра переменного тока В3-38 и измерителя разности фаз Ф2-34. Видно, что результаты измерений, полученные на разных установках, совпадают. Анализируя зависимость полного импеданса датчика вТ-300 от частоты (рис. 2а), следует отметить, что он имеет явно выраженные максимумы в частотных диапазонах 70-100 и 580-720 кГц. Поэтому вероятность возбуждения датчика, работающего в качестве приемника акустического излучения, на этих частотах при импульсном воздействии достаточно велика. Это было подтверждено при проведении акустико-эмиссионных испытаний

с применением вТ-300 [2-4], поскольку в спектральном составе сигнала доминировали именно эти частотные составляющие.

На зависимости X (/) для резонансного датчика (рис. 2б) отчетливо проявляются частоты резонанса

/р (импеданс минимален) и антирезонанса /а (импеданс максимален) пьезоэлектрического резонатора. В частности, наиболее выраженными являются комбинации /р = 177 и /а = 186 кГц. В заданном частотном диапазоне для резонансного датчика на основе эквивалентной схемы рассчитывались дополнительные характеристики [5], а именно: динамические индуктивность, емкость и сопротивление, а также статическая емкость пьезоэлектрического резонатора.

Разработанный измерительно-вычислительный комплекс позволил повысить качество измерений, сократить время проведения эксперимента при исследовании характеристик пьезоэлектрических преобразователей. Он может быть использован для определения индивидуальных особенностей пьезоэлементов, требуемых в процессе разработки эффективных акустических датчиков, работающих в различных частотных диапазонах.

Библиографический список

1. Шарапов, В.М. Пьезоэлектрические датчики / В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова; под ред. В.М. Шарапова. - М., 2006.

2. Егоров, А.В. Применение метода акустической

эмиссии к исследованию деформационного поведения структурно-неоднородных материалов: монография /

А.В. Егоров, В.В. Поляков. - Барнаул, 2008.

3. Поляков, В.В. Применение метода акустической эмиссии для исследования разрушения порошковых ме-

таллов / В.В. Поляков, А.В. Егоров // Порошковая металлургия. - 2007. - №30.

4. Егоров, А.В. Двухчастотный анализ сигналов акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении алюминиевых сплавов / А.В. Егоров, С.И. Матвеев // Известия АлтГУ. - 2009. - №1.

5. ГОСТ 18669-73. Резонаторы пьезоэлектрические. -М., 1979.