ТЕСТЕР ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Предлагаемая полезная модель относится к технике измерения с помощью пьезоэлектрических датчиков и может использоваться для контроля исправности и диагностирования пьезоэлектрических датчиков в процессе изготовления и эксплуатации.
Известны устройства для проверки пьезоэлектрических датчиков [1, 2]. Их общим недостатком являются низкие функциональные возможности, обусловленные тем, что контроль производится по принципу «исправен/не исправен», форма реакции датчика на тестовое воздействие недоступна оператору для наблюдения и не предусмотрены средства долговременного хранения результатов тестирования.
Наиболее близким по технической сущности является система виброконтроля [3]. Система виброконтроля содержит датчик вибрации с входом для подачи на него тестового напряжения, блок измерения и контроля, двухполюсный переключатель, соединенный с органом управления, источник тестового напряжения, элемент сравнения, источник образцового сигнала и индикатор неисправности датчика вибрации.
Недостатками данного устройства так же являются низкие функциональные возможности, обусловленные тем, что контроль производится по принципу «исправен/не исправен», форма реакции датчика на тестовое воздействие недоступна оператору для наблюдения и не предусмотрены средства долговременного хранения результатов тестирования.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение функциональных возможностей контроля исправности пьезоэлектрических датчиков и их диагностирования в процессе производства и эксплуатации за счет введения дополнительных элементов и связей между ними.
Это достигается тем, что в тестер для контроля и диагностирования пьезоэлектрических датчиков, содержащий переключатель, к перекидному контакту которого подключается контролируемый пьезоэлектрический датчик, а нормально замкнутый контакт соединен с источником тестового сигнала, элемент сравнения, соединенный по выходу с первым информационным входом графического индикатора, и орган управления согласно полезной модели введены узел управления, аналого-цифровой преобразователь, цифровой анализатор спектра и карта памяти, выходы которой соединены с управляющим входом источника тестового сигнала, одним их входов элемента сравнения и вторым информационным входом графического индикатора, причем выход органа управления подключен к управляющему входу узла управления, выходы которого соединены с управляющими входами переключателя, графического индикатора и карты памяти, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с нормально разомкнутым контактом переключателя, а выход подключен к входу цифрового анализатора спектра, второму входу элемента сравнения, первому информационному входу карты памяти и третьему информационному входу графического индикатора, выход элемента сравнения дополнительно соединен с вторым информационным входом карты памяти, а выход цифрового анализатора спектра подключен к четвертому информационному входу графического индикатора и третьему информационному входу карты памяти.
Структурная схема тестера для контроля и диагностирования пьезоэлектрических датчиков представлена на фиг. 1 Она содержит орган управления 1, узел управления 2, переключатель 3, источник тестового сигнала 4, аналого-цифровой преобразователь 5, цифровой анализатор спектра 6, элемент сравнения 7, карту памяти 8 и графический индикатор 9. Все элементы, входящие в состав схемы тестера для контроля и диагностирования пьезоэлектрических датчиков, могут быть реализованы в виде отдельных функциональных узлов. Узел управления 2, переключатель 3, источник тестового сигнала 4, аналого-цифровой преобразователь 5, цифровой анализатор спектра 6 и элемент сравнения 7 могут быть реализованы программно в составе микроконтроллера 10.
Орган управления 1 подключен к управляющему входу узла управления 2, выходы которого соединены с управляющими входами переключателя 3, карты памяти 8 и графического индикатора 9. Нормально замкнутый контакт переключателя 3 соединен с выходом источника тестового сигнала 4, а нормально разомкнутый контакт - с входом аналого-цифрового преобразователя 5. Выход аналого-цифрового преобразователя 5 подключен к входу цифрового анализатора спектра 6, одному из входов элемента сравнения 7, одному из информационных входов карты памяти 8 и одному из информационных входов графического индикатора 9. Остальные информационные входы графического индикатора 9 соединены, соответственно, с выходами цифрового спектрального анализатора 6, элемента сравнения 7, карты памяти 8 и узла управления 2. Остальные информационные входы карты памяти 8 подключены, соответственно, к выходам цифрового анализатора спектра 6, элемента сравнения 7, и узла управления 2.
Работает тестер для контроля и диагностирования пьезоэлектрических датчиков следующим образом. Предварительно в карту памяти записывают типы контролируемых датчиков и для каждого типа диапазон допустимых значений параметров выходного сигнала (амплитуды выходного напряжения, его частоты и постоянной времени затухания) для каждого из этапов изготовления и эксплуатации датчика. Эти данные могут быть получены в результате предварительных испытаний датчиков и в том числе проведенных с помощью тестера для контроля и диагностирования пьезоэлектрических датчиков.
При контроле пьезоэлемент датчика подключается к перекидному контакту переключателя 3. По сигналу органа управления 1 узел управления 2 выдает на экран графического индикатора 9 меню, с помощью которого по командам органа управления 1 осуществляют выбор типа контролируемого датчика. Так же выбирают или задают его порядковый номер и этап изготовления или эксплуатации. После окончания выбора по сигналу органа управления 1 узел управления 2 дает сигнал карте памяти 8. По этому сигналу карта памяти 8 задает частоту переменного напряжения, вырабатываемого источником тестового сигнала 4, и выдает на входы элемента сравнения 7 и графического индикатора 9 предельно допустимые значения контролируемых параметров.
Под действием переменного напряжения источника тестового сигнала 4, частота которого равна номинальному значению собственной резонансной частоты пьезоэлемента, возникают механические колебания пьезоэлемента. После окончания тестового сигнала на обкладках пьезоэлемента вследствие пьезоэффекта появляется затухающее переменное напряжение, частота которого равна собственной резонансной частоты колебаний пьезоэлемента. Это напряжение оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя 5 и значения его параметров сопоставляются в элементе сравнения 7 с предельно допустимыми значениями. В результате элемент сравнения 7 вырабатывает по каждому параметру сигнал «исправен/не исправен». Оцифрованное напряжение реакции датчика на тестовый сигнал и результат сопоставления его параметров с предельно допустимыми значениями передаются на графический индикатор 9 и в карту памяти 8, где могут по команде органа управления 1 быть записаны в память с привязкой к дате и времени испытаний.
На экране графического индикатора 9 отображаются осциллограмма напряжения реакции датчика, значения его параметров, предельно допустимые значения параметров и результат оценки исправности. По желанию оператора по команде органа управления 1 на экран графического индикатора 9 так же может быть выведен спектр напряжения реакции датчика. Спектр дает дополнительную информацию для диагностирования возможных причин неисправности [4] и также может быть записан в карту памяти 8.
При контроле датчиков нового типа по команде органа управления 1 выбирается режим испытаний, в котором происходит несколько циклов подачи тестового сигнала с последовательно изменяющейся частотой. Фиксируются в карте памяти 8 параметры реакции датчика с максимальной амплитудой, которые соответствуют возбуждению пьезоэлемента датчика на собственной резонансной частоте.
Для анализа поведения на протяжении жизненного цикла испытываемых датчиков сохраненные в карте памяти результаты могут быть по команде органа управления 1 выведены последовательно на экран графического индикатора 9 или на персональный компьютер.
Таким образом, введение узла управления, аналого-цифрового преобразователя, цифрового анализатора спектра и карты памяти и новых связей позволяет существенно расширить функциональные возможности тестера для контроля и диагностирования пьезоэлектрических датчиков за счет дополнительной возможности визуального анализа реакции датчика на тестовый сигнал и ее спектра, а также анализа поведения на протяжении жизненного цикла испытываемых датчиков начиная от этапа изготовления пьезоэлемент, сборки датчика и кончая его эксплуатацией на объекте.
Использованные источники
1. RU патент №535478, A1, G01L 27/00. Устройство для проверки пьезоэлектрических датчиков. Опубл.: 15.11.1976 г.
2. RU патент на полезную модель №128321, G01H 17/00. Система контроля пьезоэлектрических датчиков. Опубл.: 20.05.2013 г. Бюл. №14.
3. RU патент №2226676, C1, G01H 17/00. Система виброконтроля. Опубл.: 10.04.2004 г.
4. Бушуев О.Ю., Семенов А.С., Чернявский А.О. Исследование динамических характеристик тензометрического преобразователя давления с целью диагностики его состояния. // Датчики и системы. 2011 г. №4. С 21-24