Способ определения пьезомодулей — SU 1800406 (original) (raw)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при испытаниях пьезокерамических материалов и пьезоэлементов.Наиболее близким к заявляемому является способ определения пьезомодулей в динамическом режиме 2, при котором воздействуют на пьезокерамический элемент переменным электрическим напряжением в области резонанса, измеряют частоты резонанса и антирезонанса пьезокерамического элемента по максимальному и минимальному значениям модуля проводимости, по которым определяют соответствующие коэффициенты электромеханической связи, измеряют геометрические размеры пьезоэлемента и его емкость на низких частотах, по которым определяют величину относительной диэлектрической проницаемости, определяют также компоненты упругой податливости, а пьезомодули определяют по формуле б ц = к 4 гБГ,где б; - пьезомодуль;К; - коэффициент электромеханическойсвязи материала; К 1 ( Л), д1 - К 2 Ь 2 Ь 1 р - частота резонанса, 1 а - частота антирезонанса,Кзз = т 9(2 - ,); 2 ЛА К Л,(3)(4) К 15 2 Ь Л 1 а - 1 р е; = ео 11,3 (с/Яэ) Ст,(5) е - диэлектрическая проницаемость; ео = 8,84 10 Ф/м;с - расстояние между электродами; Яэ - площадь электродов;Ст - емкость пьезоэлемента на низких частотах;Я; - компонента упругой податливости,Для измерения частот резонанса и антирезонанса используется схема, приведенная на фиг.1.Способ-прототип имеет сложную процедуру реализации по следующим причинам. Измеряют и частоту резонанса, и частоту антирезонанса, при этом необходимо приизмерении каждой из этих частот подбиратьвеличину резистора Вз, установленного по 5 следовательно с пьезоэлементом для четкойлокализации резонансов. На фиг.2 и 3 дляпримера приведены частотные зависимостимодуля проводимости при измерении частот резонанса и антирезонанса (при разных10 значениях резистора йз (фиг.1), установленного последовательно с пьезоэлементом).При измерении частоты антирезонансанеобходим специальный генератор с оченьмаленькими нелинейными искажениями.15 Это связано с тем, что, как указано в книге:Пьезокерамические преобразователи.Справочник/Под ред, С,И,Пугачева, Л,: Судостроение, 1984, с,142, пьезокерамический пьезоэлемент является узкополосным20 режекторным фильтром в районе антирезонансной частоты и составляющая напряжения на резисторе Йз от прохождениявысших гармоник соизмерима с составляющей напряжения на основной гармонике.25 При измерениях частоты антирезонанса необходимо специально компенсироватьпаразитные емкости, в частности емкостьдержателя образца (пьезоэлемента), так какэта емкость подключается параллельно ем 30 кости пьезоэлемента, что приводит к дополнительной погрешности определениячастоты антирезонанса (см 1), с,51,76 - 77).В случае наличия вблизи основного резонанса пьезоэлемента дополнительных ре 35 зонансов (фиг.4) применениеспособа-прототипа становится затруднительным, поскольку нельзя по результатамизмерений определить частоту антирезонанса. Для определения 1 а в таких случаях40 применяют довольно сложные алгоритмыобработки частотной зависимости методами оптимизации либо определяют приближенно, что существенно сказывается наточности определения пьезомодуля,45 Помимо измерений в резонансной области необходимо проводить также измерения на частотах много ниже резонанса дляопределения С и е либо применять специальные приборы для измерения С и опрет50деления яД .Из изложенного выше видно, что упростить способ определения пьезомодуляможно, если отказаться от измерений часто 55 ты антирезонанса и величины диэлектрической проницаемости,Цель изобретения - упрощение способаопределения пьезомодулей.Цель достигается тем, что по способуопределения пьезомодулей, по которомувозбуждают одномерные линейные моды колебаний в прямоугольном пьезокерамическом элементе путем воздействия на него электрическим напряжением с переменной частотой, измеряют частоту механического резонанса пьезокерамического элемента, определяют компоненты упругой податливости и геометрические размеры пьезоэлемента, также измеряют сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса, значения частот, соответствующих проводимости на уровне 3 дБ от максимальной величины, и определяют ширину резонансной кривой на этом уровне, а пьезомодули определяют по формуле1/гб =1(8)С 1 , (6)где б - величина пьезомодулей;вр - частота механического резонанса, вр =2 л 1 р,Й - сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса;Лв- ширина резонансной кривой на уровне 3 дБ;С - константа способа, определяемая из соотношенийСз 1= Ъ с/Ю для поперечной моды колебаний,Сзз = Язз /сЮ для продольной моды колебаний,С 15 = 555 С/Ю Для СДвиговой мОДы колебаний,гДЕ 311, ЯЗЗ, 355 - ксмпснЕнты УпРУгсй податливости;с, Ю,- толщина, ширина и длина пьезокерамического элементаВ предлагаемом способе все измерения проводятся только в области частот механического резонанса, а измерения частоты антирезонанса и диэлектрической проницаемости отсутствуют.Покажем, что предлагаемая совокупность операций (существенных признаков) позволяет достичь цели.Как известно (см. Пьезокерамические преобразователи. Справочник,/Под ред. С.И,Пугачева. Л.: Судостроение, 1984, с,72), пьезоэлемент вблизи любого ярковыраженного резонанса описывается в виде эквивалентной электрической схемы с сосредоточенными параметрами. Эта схема приведена на фиг.5 (использованы обозначения: С - статическая емкость, С, , В - соответственно динамическая емкость, индуктивность и сопротивление). Значения С, , Й связаны с соответствующими механическими параметрами пьезоэлемента черезквадрат коэффициента электромеханической трансформации и, Например,: - п 1 э/и,где п 1 э - эквивалентная масса пьезоэлемента, для прямоугольного параллелепипеда равная вз = п 1/8, где в - массапьезоэлемента (см. упоминавшийся справочник, табл,6 на стр,70),В отличие от способа-прототипа, который базируется на связи пьезомодуля с ко 10 эффициентом электромеханической связи,воспользуемся зависимостью величины коэффициента электромеханической трансформации и От величины пьезомодуля (см,там же, табл.2.6 на стр.70):15 И/ бз 1и= для поперечной моды коле- яб баний,(7) О/с бзз20 и= для продольной моды коле 5 збаний, (8) 9/ б 15и = -- для сдвиговой моды колеба с Я 5ний, (9) Ом = -- , (Справочник, с.31) (10)йь40 Ом = , (ОСТ 110444 - 87, с.89) (11)вр где Ьв - ширина резонансной кривой на уровне 3 дБ, которая определяется по измерениям модуля проводимости в области резонанса, для чего измеряют максимальное значение проводимости и соответствующее ему значение вр, затем измеряют частоты в 1 и вг, на которых уровень проводимости соответствует 3 дБ от максимального значения, и определяют ширину резонансной кривсй ЛВ =аг -В 1,Из формул (10) и (11) следует, что(13) Таким образом для определения пьезомодулей необходимо знать геометрические 30 размеры пьезоэлемента, компоненты упругойподатливости и соответствующий коэффициент электромеханической трансформации.Воспользуемся известными соотношениями для механической добротности О м .35частоты антирезонанса; нет необходимостив специальном генераторе с очень малыминелинейными искажениями; нет необходимости специал ьно компенсировать паразит 5 ные емкости, в частности емкостьдержателя образца; нет необходимостиприменять сложную обработку измереннойзависимости проводимости, если в областиантирезонанса имеется дополнительный10 ("паразитный") резонанс, обусловленныйнизкочастотными модами колебаний; нетнеобходимости проводить дополнительныеизмерения на частотах много ниже резонана с целью определения емкости и относиельной диэлектрической проницаемости.Таким образом, цель изобретения упростить способ определения пьеэомодуля -достигнута,На фиг.1 изображена структурная схема20 аппаратуры для измерения частот резонанса и антирезонанса; на фиг.2 - частотнаязависимость модуля проводимости в области резонанса; на фиг.3 - частотная зависимость модуля проводимости в области25 антирезонанса; на фиг, 4 - частотная зависимость модуля проводимости при наличиивблизи основного резонанса дополнительного; на фиг.5 - эквивалентная электрическая схема пьезоэлемента в области30 резонанса,Предлагаемый способ определенияпьезомодулей может быть реализован с использованием набора обычных стандартных приборов, связанных между собой по35 структурной схеме, приведенной, например, в ОСТ 110444 - 87.Использование предла пособапозволяет упростить измер зомодулей, сократить время изме выситьпроизводительность труда.Пример конкретной реализации способа приведен в акте испытаний.Цель испытаний; проверка способа определения пьезомодуля, заявленногозобретения, путем сравнов определения пьезомодуля, полаявляемым способом и способом(14) в Лм8зонансныи рэзме получ 31=с л 2 ЛщЮ 8,р) л 2 Л 1/=(бз, ) ЧЧ 8 4 гаемого с ение пье рений и по Таким образом, для того, чтобы определить пьезомодуль, необходимо и достаточноизмерить геометрические размеры пьезоэлемента, частоту механического резонанса,компоненты упругой податливости, сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса, а также определитьширину резонансной кривой на уровне 3 дБот максимального значения и определитьпьезомодуль по формулам (17) - (19),Основное отличие предлагаемогособа от способа-прототипа, позволяющееупростить измерение пьезомодуля, заклю Очается в том, что все измерения проводятся8 узкой частотной области в районе механического резонанса,Измерения ширины резонансной кривой Ли осуществляются проще, чем измерения резонансного промежутка 1, - 1 р, таккак нет необходимости подбирать величинурезистора Йз, установленного последовательно с пьезоэлементом, для локализации в каения 5 честве ирезультат ученных 3 и рототи по споусо ым ето 44 - 87.орядок и ме ика испытаний. Используя формулы (7) - (9), получимсоответственно Используя выражения (см. Ос.57) в= р 1 Ж, где р - плотнамического материала,Объект испытаний: бр к из пьезокеического материала ЦТБСс поперечпьезоэффектом,Размеры бруска: длина 1= 34 ммширина Я = 7 ммтолщина т = 6 мммасса в = 10,2 г,Используемые приборы и оборудовастенд для испытаний пьезоэлементовдом резонанса-антирезонанса по ОСТт 1 кГц Ур,п 13 в 1 Р, кГц 12, кГц 52,362 105 0,25 52.464 52,214 Провести измерение пьезомодуля испытуемого пьезоэлемента в соответствии с О СТ 110444 - 87.Определить пьезомодуль предлагаемым способом, для чего измерить частоту максимума модуля проводимости и значение проводимости на этой частоте, измерить частоты, соответствующие значениям модуля проводимости на уровне 3 дБ от максимального значения и определить ширину резонансной кривой, определить пьезомодуль по приведенной в описании изобретения формуле.Результаты испытаний приведены в табл.1 и 2, а также на фиг.б,Сравнение результатов определения пьезомодуля заявленным способом и способом-прототипом показывает, что заявленный способ и способ-прототип дают близкие, с погрешностью 1,7; результаты. Однако заявленный способ проще, поэтому является более предпочтительным,Формула изобретения Способ определения пьезомодулей, при котором возбуждают одномерные линейные моды колебаний в прямоугольном пьезоэлектрическом элементе путем воздействия на него электрическим напряжением с переменной частотой, измеряют частоту механического резонанса пьезокебз = Кз 1 ЪЯ ф = 117 10- 1 гК рамического элемента, определяют компоненты его упругой податливости и геометрические размеры, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью упрощения, измеряют сопро тивление пьезокерамического элемента начастоте механического резонанса, значениечастот, соответствующих величине проводимости на уровне 3 дБ от максимальногозначения, определяют ширину резонансной 10 кривой на этом уровне, а величину 01 пьезомодуля определяют по формулеб =( - Сг )8 12 ргде вр - частота механического резонанса;В - сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса;Ьв - ширина резонансной кривой науровне 3 дБ;С 1 - константа способа, определяемаяиз соотношений:Сз 1 = 311 ОЮ - для поперечной модыЕколебаний;Сзз = Язз 1 ЙЮ - для продольной модыЕ25 колебаний;С 15 = 555 т/Ю - для сдвиговой мОдыЕколебаний;311 5 зз,355 - компоненты упругой податливости;30 1, Я, - толщина, ширина и длина пьезокерамического элемента соответственно,1800406 Фиг. б 20 25 30 35 40 45 50 Составитель В,ЗемляковТехред М.Моргентал Корректор П. Гереши Редактор Т.Иванова Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1163 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5