Измерение параметров первичных пьезоэлектрических преобразователей систем управления

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

УДК 621.389/621.3713/621.376.32

Е. А. Ломтев, А. А. Мельников,

А. В. Пушкарева, А. В. Светлов, Б. В. Цыпин

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЕРВИЧНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются первичные пьезоэлектрические преобразователи. Предметом исследования являются способы измерения параметров первичных пьезоэлектрических преобразователей. Цель работы - измерение параметров первичных пьезоэлектрических преобразователей как в составе систем управления, так и в процессе их изготовления.

Материалы и методы. Для проведения измерения на электроды пьезоэлемента первичного преобразователя подаются прямоугольные импульсы со скважностью два, частота следования которых близка к частоте собственных колебаний пьезоэлемента. После окончания действия импульсов частота, амплитуда и скорость затухания возникающих собственных колебаний пьезоэлемента сравниваются с известными предельно допустимыми значениями. По результатам сравнения принимается решение о состоянии первичного преобразователя и в случае неисправности могут быть выработаны рекомендации по определению причин неисправности.

Результаты. Обосновано использование сигнала возбуждения в виде меандра. Приведена структурная схема прибора для измерения параметров, а также типовые осциллограммы напряжения реакции исправного и неисправного первичного преобразователя после снятия сигнала возбуждения.

Выводы. Прибор может использоваться также у производителей первичных пьезоэлектрических преобразователей. В последнем случае возможно документирование и хранение результатов всех испытаний пьезоэлемента от момента его изготовления, на последующих стадиях технологического процесса изготовления первичного преобразователя и в процессе его эксплуатации на объекте. Полученная статистика позволит оценить долговременную стабильность первичного преобразователя и обеспечит получение большого объема информации для разработчиков.

Ключевые слова: первичный преобразователь информации, пьезоэлемент, система управления, измерение параметров.

E. A. Lomtev, A. A. Mel'nikov,

A. V. Pushkareva, A. V. Svetlov, B. V. Tsypin

MEASUREMENT OF PARAMETERS OF PRIMARY PIEZOELECTRIC CONVERTERS OF CONTROL SYSTEMS

Abstract.

Background. The research deals with primary piezoelectric converters. The research subject is the ways of measuring parameters of primary piezoelectric converters. The purpose of the research is to measure parameters of primary piezoelectric converters both in control systems and during production thereof.

Materials and methods. In order to execute measurements, rectangular impulses with porosity of two, the sequence frequency of which is close to the frequency of

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 95

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

piezoelectric element’s own fluctuations, are supplied to the electrodes of a piezoelectric element of a primary converter. After the impact by impulses the frequency, amplitude and rate of damping of generated own piezoelectric element’s fluctuations are compared with known maximum permissible values. The decision on primary converter’s condition is made in accordance with the comparison results, and in case of malfunction there can be developed recommendations on detecting the causes of defects.

Results. The article substantiates the use of a meander-shaped excitation signal and provides a block diagram of a device for measuring parameters and standard oscillograms of reaction voltage of operable and faulty primary converters after removal of an excitation signal.

Conclusions. The device can also be used by manufacturers of primary piezoelectric converters. In the latter case it is possible to document and store the results of all tests of a piezoelectric element from the moment of its manufacturing to the following stages of technological process of primary converter production and during its operation. The obtained statistics will allow to estimate long-term stability of a primary converter and to provide acquisition of high volume of information for developers.

Key words: primary converter of information, piezoelectric element, control system, measurement of parameters.

Преимущества пьезоэлектрических первичных преобразователей (I IIIII) информации, такие как низкая себестоимость, простота в изготовлении, широкий диапазон рабочих частот, прочность конструкции, компактность, возможность измерения быстропеременных величин, высокая разрешающая способность, привели к значительному увеличению объемов рынка 1ПП1 с 2007 г. Одновременно с ростом объемов рынка идет стремительное повышение требований к техническим характеристикам III , в том числе их надежности. Для удовлетворения этих требований необходимо, с одной стороны, обеспечить контроль параметров III на протяжении их жизненного цикла, начиная с процесса изготовления и заканчивая эксплуатацией на объекте, а с другой стороны, предоставить разработчикам 1ПП1 статистику изменения его состояния на всех этапах существования.

Необходимость определения технического состояния 1ПП1 в составе систем управления обусловлена тем, что основные повреждения, приводящие к неисправностям III и влекущие за собой серьезные последствия, главным образом наносятся преобразователям в процессе установки их на объекте, транспортировки, а также длительного хранения [1].

Основной задачей при разработке прибора для измерения параметров III явился выбор способа, обеспечивающего наиболее простую реализацию оценки параметров 1ПП1 на уровне «годен / не годен», а также контроля ключевых параметров III в процессе эксплуатации.

!ринцип измерения параметров 1ПП1 основан на использовании обратного пьезоэффекта [2, 3]. Если на электроды пьезоэлемента подать постоянное напряжение, то после его быстрого отключения в пьезоэлементе возникают затухающие механические колебания. На электродах датчика появляются переменные заряды, амплитуда и частота изменения которых определяются свободными затухающими механическими колебаниями пьезоэлемента -«напряжение реакции» 1ПП1 на сигнал возбуждения. Напряжение реакции

96

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

пьезоэлемента имеет вид затухающей синусоиды (рис. 1). В общем случае при наличии нескольких резонансов оно представляет собой сумму нескольких экспоненциально затухающих синусоид с частотами, совпадающими с частотами резонансов.

t

Рис. 1. Реакция ППП на напряжение возбуждения

Напряжение реакции на частоте главного резонанса пьезоэлемента в ППП может быть описано выражением [4, 5]:

ир (t) = Uо e-at sin rnat = UokQMe-at sin rnat,

rc +1

где Uo - амплитуда напряжения реакции, зависящая как от амплитуды возбуждающих импульсов, так и от параметров пьезоэлемента; ^м - механическая добротность; rc - емкостное отношение, равное отношению межэлектродной емкости пьезоэлемента к динамической емкости; а - коэффициент затухания, зависящий от добротности пьезоэлемента в составе датчика; ke -эффективный коэффициент электромеханической связи; юа - частота электромеханического резонанса.

Анализ параметров напряжения реакции позволяет оценить параметры ППП. Так, отношение амплитуды возбуждающих импульсов Uв к амплитуде напряжения реакции Uo практически равно фактору качества (параллельной добротности), являющейся оценкой эффективности пьезоэлемента [6]:

M = — = — •

U0 rc

Добротность пьезоэлемента также можно определить по коэффициенту затухания напряжения реакции а. Для этого необходимо измерить мгновенные значения напряжения реакции в два момента времени ti и t2, отстоящие друг от друга на целое число n периодов синусоиды напряжения реакции. Коэффициент затухания может быть определен из выражения, позволяющего рассчитать добротность:

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 97

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

2 пи

u(tl) = eant = eQM

u

отсюда

Qm

ln

пи

u(tl) '

u

Также оценка добротности может быть получена исходя из времени затухания напряжения реакции. Для этого достаточно посчитать число периодов синусоиды напряжения реакции до момента, когда его амплитуда станет меньше 0,05 Uq .

Частота синусоиды напряжения реакции соответствует частоте электромеханического резонанса пьезоэлемента.

Прибор для оценки параметров является вторичным по отношению к собственно ППП, поэтому при его разработке ставилась задача максимально возможного уменьшения стоимости за счет упрощения технических решений [7]. Для диагностирования достаточно выявить только деградацию свойств ППП на протяжении жизненного цикла [8], поэтому задача получения действительных значений параметров ППП не решалась, требовалась только долговременная стабильность получаемых результатов и их однозначная корреляция с параметрами ППП.

Функциональная схема прибора для оценки параметров ППП приведена на рис. 2 [9]. Ядром является микроконтроллер PIC24HJ256GP502, который использован для формирования напряжения возбуждения, оцифровки напряжения реакции и анализа в цифровом виде его параметров.

Рис. 2. Функциональная схема прибора для оценки параметров ППП

98

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Для возбуждения колебаний пьезоэлемента использована пачка из четырех прямоугольных импульсов со скважностью два, частота следования которых близка к частоте собственных колебаний пьезоэлемента. Количество импульсов возбуждения выбрано из соображений достижения достаточного для измерения амплитуды напряжения реакции при сравнительно небольшой амплитуде сигнала возбуждения, т.е. использован эффект «раскачивания» пьезоэлемента на резонансной частоте. Напряжение реакции при этом имеет вид затухающих колебаний на собственной резонансной частоте ППП. Возможно появление амплитудной модуляции напряжения реакции с частотой биений, равной разности частот сигнала возбуждения и собственной резонансной частоты ППП.

Для оценки исправности ППП используются полученные с помощью прибора статистические данные о частоте электромеханического резонанса юа, фактора качества M и механической добротности <2м для каждого типа ППП, имеющиеся у изготовителя, записанные и хранящиеся в карте памяти. При необходимости пользователь прибора может ввести в карту памяти и свои данные. Все данные датируются, в карту памяти вносятся тип и шестизначный номер ППП.

Частота электромеханического резонанса юа оценивается по периоду колебаний напряжения реакции. Для оценки фактора качества используется значение амплитуды U0 напряжения реакции, механическая добротность Qu определяется по времени затухания переходного процесса.

Проверка ППП начинается с задания с помощью кнопок управления даты и времени испытаний. Затем с помощью меню задаются тип и номер ППП, после чего включают режим тестирования. Значения параметров напряжения реакции сравниваются с предельно допустимыми, хранящимися в карте памяти. На экране индикатора прибора отображаются тип и номер ППП, результат тестирования (исправен / не исправен), значение резонансной частоты и фактора качества в относительных единицах. Результат тестирования также дополнительно индицируется режимом мигания подсветки экрана. По желанию оператора на индикатор могут быть вызваны осциллограмма и спектрограмма напряжения реакции. Они отображаются по кадрам и целиком занимают шесть кадров (страницы от «0» до «5»). При этом на экране отображается также область анализа спектра, место которой на напряжении реакции может изменяться оператором.

Оператор по желанию может также вызвать на экран индикатора спектрограмму напряжения реакции, которая позволяет опытному оператору, например разработчику, диагностировать возможную причину неисправности [10]. Форма напряжения реакции исправного ППП соответствует изображенной на рис. 1. Вид экрана индикатора при проверке неисправного ППП и спектрограмма напряжения реакции для исправного ППП приведены на рис. 3 и 4.

На экране (рис. 3) отображаются зона анализа спектра и ее протяженность в миллисекундах «0,32mS», номер кадра «0» и частота напряжения возбуждения «40 kHz».

На экране (рис. 4) отображаются частота электромеханического резонанса исправного ППП «33kHz», значение фактора качества «259», номер кадра «5» и частота напряжения возбуждения «30.0 kHz».

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 99

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Рис. 3. Вид экрана индикатора при контроле неисправного ППП

ГЗЗкГц 259 I ИМИ 30.OkHz

Рис. 4. Вид экрана прибора при просмотре спектрограммы реакции исправного ППП

Для обеспечения возможности контроля исправности ППП, допустимые значения параметров напряжения реакции которых не внесены в карту памяти, предусмотрен режим «Тип ППП не известен». В этом случае определение частоты собственных колебаний производится во всем рабочем диапазоне от 0,1 до 200 кГц, а допусковая оценка значений параметров колебаний не осуществляется. Все полученные данные можно записать в карту памяти с привязкой к дате и времени испытаний. Сохраненные в карте памяти результаты можно вывести на экран графического индикатора или на персональный компьютер.

Прибор может быть с успехом использован производителями ППП для анализа эволюций на протяжении жизненного цикла параметров ППП, начиная от этапа изготовления пьезоэлемента, сборки ППП и заканчивая его эксплуатацией в составе информационно-измерительной или управляющей систем. Получение и документирование сведений о важнейших параметрах пьезоэлемента позволяет оценить влияние технологических операций, следующих за изготовлением чувствительного элемента, хранения, транспортировки и установки на объекте и выработать рекомендации по совершенствованию его конструкции и способов установки на объекте.

Прибор (рис. 5) питается от одного аккумулятора с напряжением 3,6 В. Зарядка аккумулятора может производиться в составе прибора от источника постоянного или переменного напряжения от 4 до 220 В, в том числе и от ПЭВМ через USB-порт. Энергонезависимая память позволяет хранить и воспроизводить 500 результатов испытаний.

100

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

уроЬень Выбор тест

V

Рис. 5. Внешний вид прибора для оценки параметров ППП

Включение прибора производится нажатием кнопки «Выбор», после

чего появляется экран задания типа ППП. «Засыпание» прибора происходит

автоматически, если в течение одной минуты не производится никаких действий по программе и не нажимается ни одна кнопка.

Список литературы

1. Дмитриенко, А. Г. Контроль пьезоэлектрических датчиков на протяжении жизненного цикла / А. Г. Дмитриенко, А. В. Блинов, Б. В. Цыпин // Новые технологии : материалы Всерос. конф. - М. : РАН, 2013. - Т. 2. - С. 154-158.

2. Авторское свидетельство 535478 Российская Федерация. Устройство для проверки пьезоэлектрических датчиков / Воробжанский В. В., Чайка Ю. А. - заявл. 03.02.1975 ; опубл. 15.11.1976. - Бюл. № 42.

3. Патент № 2176396 Российская Федерация. Способ дистанционного периодического контроля коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра / Субботин М. И. - заявл. 05.10.2000 ; опубл. 24.11.02. - Бюл. № 33.

4. Земляков, В. Л. Методы и средства измерений в пьезоэлектрическом приборостроении : моногр. Т. 5. Пьезоэлектрическое приборостроение / В. Л. Земляков. -Ростов н/Д : Изд-во ЮФУ, 2009. - 180 с.

5. Zemlyakov, V. L. Methods for Determination of the Piezoelectric Coefficient of Piezoceramic Materials in Terms of Parameters of an Equivalent Circuit of a Piezoelement / V. L. Zemlyakov // Piezoelectrics and Related Materials: Investigations and Applications, 2012. - 2nd Quarter. - New York, 2012. - Р. 117-142.

6. Группа предприятий Пьезо. - URL: http://www.oaopiezo.com (дата обращения: 18.02.2015).

7. Дмитриенко, А. Г. Тестер для контроля пьезоэлектрических датчиков на протяжении жизненного цикла / А. Г. Дмитриенко, А. В. Блинов, А. А. Мельников, Б. В. Цыпин // Измерение, мониторинг, управление, контроль. - 2013. -№ 3 (5). - С. 15-18.

8. Цыпин, Б. В. Методы и измерительные преобразователи для контроля и диагностики электронной аппаратуры при производстве : дис. ... д-ра техн. наук / Цыпин Б. В. - Пенза, 2002.

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 101

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

9. Патент 128321 Российская Федерация. Система контроля пьезоэлектрических датчиков / Цыпин Б. В., Дмитриенко А. Г., Блинов А. В., Шамраков А. Л., Мельников А. А., Брилевич Е. В. ; заявитель и патентообладатель ООО «Научноисследовательский ин-т физич. измерений» ; опубл. 20.05.2013. - Бюл. № 14.

10. Бушуев, О. Ю. Исследование динамических характеристик тензометрического преобразователя давления с целью диагностики его состояния / О. Ю. Бушуев, А. С. Семенов, А. О. Чернявский // Датчики и системы. - 2010. - № 4.

References

1. Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Tsypin B. V. Novye tekhnologii: materialy Vseros. konf. [New technologies: proceedings of the All-Russian conference]. Moscow: RAN, 2013, vol. 2, pp. 154-158.

2. Avtorskoe svidetel'stvo 535478 Rossiyskaya Federatsiya. Ustroystvo dlya proverki p'e-zoelektricheskikh datchikov [Certificate of authorship 535478 Russian Federation. Device for piezoelectric sensor testing]. Vorobzhanskiy V. V., Chayka Yu. A., appl. 03.02.1975; publ. 15.11.1976, bull. no. 42.

3. Patent 2176396 Rossiyskaya Federatsiya. Sposob distantsionnogo periodicheskogo kontrolya koeffitsienta preobrazovaniya p'ezoelektricheskogo akselerometra [Patent 2176396 Russian Federation. Method of distant periodic check of coversion coefficient of piezoelectric accelerometer]. Subbotin M. I., appl. 05.10.2000; publ. 24.11.02., bull. no. 33.

4. Zemlyakov V. L. Metody i sredstva izmereniy v p'ezoelektricheskom priborostroenii: monogr. T. 5. P'ezoelektricheskoe priborostroenie [Methods and means of measurement in piezoelectric instrument engineering: monograph. Vol. 5. Piezoelectric instrument engineering]. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2009, 180 p.

5. Zemlyakov V. L. Piezoelectrics and Related Materials: Investigations and Applications, 2012. 2nd Quarter. New York, 2012, pp. 117-142.

6. Gruppa predpriyatiy P'ezo. [Group of companies Piezo]. Available at: http://www.oaopiezo.com (accessed 18.02.2015).

7. Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Mel'nikov A. A., Tsypin B. V. Izmerenie, monitoring, upravlenie, kontrol' [Measurement, monitoring, control, check]. 2013, no. 3 (5), pp. 15-18.

8. Tsypin B. V. Metody i izmeritel'nye preobrazovateli dlya kontrolya i diagnostiki el-ektronnoy apparatury pri proizvodstve: dis. d-ra tekhn. nauk [Methods and measuring converters for monitoring and examination of electronic devices in production: dissertation to apply for the degree of the doctor of engineering sciences]. Penza, 2002.

9. Patent 128321 Rossiyskaya Federatsiya. Sistema kontrolya p'ezoelektricheskikh datchikov [Patent 128321 Russian Federation. Monitoring system for piezoelectric sensors]. Tsypin B. V., Dmitrienko A. G., Blinov A. V., Shamrakov A. L., Mel'nikov A. A., Brilevich E. V.; zayavitel' i patentoobladatel' OOO «Nauchno-issledovatel'skiy in-t fizich. izmereniy»; publ. 20.05.2013., bull. no. 14.

10. Bushuev O. Yu., Semenov A. S., Chernyavskiy A. O. Datchiki i sistemy [Sensors and systems]. 2010, no. 4.

Ломтев Евгений Александрович доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет

E-mail: iit@pnzgu.ru

Lomtev Evgeniy Aleksandrovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of information-measuring technology and metrology, Penza State University (40 Krasnayа street,

Penza, Russia)

102

University proceedings. Volga region

№ 3 (35), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Мельников Анатолий Аркадьевич

ведущий инженер, кафедра электроэнергетики и электротехники, Пензенский государственный университет

E-mail: eltech@pnzgu.ru

Пушкарева Анастасия Валерьевна кандидат технических наук, доцент, кафедра ракетно-космического и авиационного приборостроения, Пензенский государственный университет

E-mail: a.v.push89@gmail.com

Светлов Анатолий Вильевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: rtech@pnzgu.ru

Цыпин Борис Вульфович

доктор технических наук, профессор, кафедра ракетно-космического и авиационного приборостроения, Пензенский государственный университет

E-mail: cypin@yandex.ru

Mel'nikov Anatoliy Arkad'evich Leading engineer, sub-department of electrical power engineering and electrical technology, Penza State University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

Pushkareva Anastasiya Valer'evna

Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of space-rocket and aircraft instrument engineering,

Penza State University

Svetlov Anatoliy Vl'evich

Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of radio engineering and radio electronic system, Penza State University (40 Krasnayа street,

Penza, Russia)

Tsypin Boris Vul'fovich

Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of space-rocket and aircraft instrument engineering, Penza State University

УДК 621.389/621.3713/621.376.32

Измерение параметров первичных пьезоэлектрических преобразователей систем управления / Е. А. Ломтев, А. А. Мельников, А. В. Пушкарева, А. В. Светлов, Б. В. Цыпин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 3 (35). - С. 95-103.

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 103