CC BY
65
Секция акустики и медицинской техники
УДК 620.179.16
А.М. Гаврилов, В.Ю. Медведев, АЖ. Батрин
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА
ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ
Измерение частотных характеристик электрического импеданса (ЧХЭИ) пьезоэлементов и пьезопреобразователей является одним из наиболее простых и доступных методов определения их электрофизических, технических и эксплуатационных параметров [1-4], поскольку позволяют уйти от трудоемких акустических [5, 6] и статических измерений [7]. К настоящему времени разработаны методики проведения измерений с использованием парка стандартных [1, 4] и специально разработанных приборов [2, 8], методы расчета параметров и эквивалентных схем
( ) [2,4] -
меренным ЧХЭИ [1, 3, 7].
Наиболее полную и объективную информацию о свойствах пьезоэлемента позволяют получить измеренные в широкой полосе ЧХЭИ, поскольку использование метода резонанса-антирезонанса часто затруднено рядом причин. Это - необходимость использования в расчетах полуволновой частоты вместо антирезонансной, определяемой по максимуму активной составляющей ЧХЭИ, а не по максимуму модуля ЧХЭИ; трудность, а иногда и невозможность отсчета частот экстремумов модуля импеданса из-за расщепления основного резонанса на ряд локальных [1]. Причинами такого поведения ЧХЭИ являются паразитные моды колебаний, возни-
- , боковых поверхностей и гармоники радиальных резонансов.
Измерения ЧХЭИ с использованием мостов полной проводимости [1, 3] малопроизводительны, измерители импеданса с непосредственным отсчетом [2] , [2, 8] имеют ограниченный частотный диапазон, сложны в устройстве и эксплуатации, не позволяют использовать полученные результаты для дальнейшей работы в рамках существующих программных пакетов. Последнее требование позволяет свести многие трудоемкие процедуры к стандартным операциям, например построение , -, .
Разработанная установка представляет собой программно-управляемый вычислительный комплекс и позволяет получать частотные зависимости модуля, фазы, активной и реактивной составляющих импеданса и проводимости пьезоэлементов и преобразователей из единого массива первичных данных путем дальнейшей их обработки средствами математических пакетов МаШса^ Ма^аЬ, Мар1е и др. В основу ее работы положены рекомендации и методика измерений, изложенные в [4] и реализуемые с использованием промышленных измерительных приборов.
В установку входят набор стандартных приборов (генератор Г3-112, частотомер 43-63/1, фазометр Ф2-34, вольтметры В3-41 и В3-56, осциллограф С1-83) и узел сопряжения (УС) этих приборов с ЭВМ, через который осуществляется организация непрерывного автоматизированного цикла измерений (рисунок). Состав приборов в зависимости от решаемой задачи и возможностей пользователя может меняться при условии, что измерители частоты и фазы имеют цифровой выход.
Структурная схема измерительной установки
УС организует работу установки, выполняя функции дешифрации поступающих с ЭВМ двоичных команд, поразрядного чтения двоично-десятичного кода с цифровых выходов частотомера и фазометра и передачи его на шину цифрового ввода платы РСЬ818Ь, сжатия динамического диапазона аналогового сигнала с измерительного резистора К1ВМ (при большой добротности пьезоэлемента он может меняться в пределах 60 дБ), включения и выключения электропривода, обеспечивающего перестройку частоты генератора.
Постоянные напряжения с выходов вольтметров преобразуются в цифровой код специализированной платой ввода-вывода РСЬ818Ь, содержащей 16 коммутируемых аналоговых входов (два из них использованы для преобразования постоян-
), 24-
- (12- 12- ). -
- -ство сопряжения (УС) и приема данных с цифровых приборов (частотомера и фа).
УС содержит две 4-р^рядных шины: шину ввода, по которой принимаются 4- , ,
которой передаются значения каждой декады на шину ввода платы РСЬ818Ь.
Синусоидальный сигнал с генератора Г3-112 через делитель напряжения (ЯГ1, Я]2), понижающий выходное сопротивления генератора (Кп = 10Я12), поступает на измерительную ячейку, состоящую из Лдам, устройства установки пьезоэлемента с фиксированной силой прижима контактов и пьезоэлемента. ЧХЭИ вычислялись по известным выражениям [2], связывающим измеренные величины напряжений на входе измерительной ячейки и измерительном резисторе, разность фаз этих напряжений и частоту сигнала.
Алгоритм работы установки представляет собой повторяющиеся циклы установки адресов и считывания по этим адресам двоичных кодов, соответствующих каждому десятичному разряду измеренного значения частоты и фазы. Управляющая программа через плату РСЬ818Ь устанавливает на цифровых входах УС последовательно нарастающие двоичные коды. Дешифратор адреса УС в соответствии с принятым кодом устанавливает на шине вывода двоичный код опрашивае-.
через шину ввода платы РСЬ818Ь.
АЦП РСЬ818Ь конструктивно состоит из основной платы (цифровой ввод/вывод, АЦП/фШ), устанавливаемой в системную ША-шину «материнской» платы ЭВМ и соединенной с нею кабелем дополнительной платы. Управление функциями платы РСЬ818Ь и УС осуществляется программой из ЭВМ. Требования к быстродействию ЭВМ минимальны, поскольку быстродействие установки определяется возможностями измерительных приборов (в нашем случае ограничивалось фазометром). Например, в данной установке использовался 1ВМ 80486БХ2.
Шаг дискретизации по частоте выбирается программой из условия, что изменение измеряемой разности фаз за один шаг не должно превысить 0,4 град. Привязка величины шага, а следовательно, и частоты выборок к скорости изменения фазо-частотной характеристики импеданса [9] позволяет исключить пропуски высокодобротных резонансов и достоверно измерять участки ЧХЭИ с большой кру.
Частотный диапазон измерений определяется параметрами измерительных приборов (в нашем случае - вольтметра В3-41) и составляет 20 Гц-5 МГц.
Минимальное значение измеряемого сопротивления определяется сопротивлением измерительного резистора, погрешностями вольтметров и допустимой погрешностью измерения сопротивления. В случае ЯИзм = 5 Ом, 4 = ±5% и Зи = ±2,5% его величина составила 5 Ом.
Максимальное значение измеряемого сопротивления ограничено динамическим диапазоном постоянного выходного напряжения вольтметра в пределах измерительного диапазона (20 дБ) и сопротивлением Ятм. Введение программноуправляемых делителей на входе вольтметра с целью сжатия динамического диапазона измеряемого напряжения позволяет расширить диапазон измеряемых сопротивлений, в нашем случае - до 5 кОм.
Точность получаемых на установке результатов определяется погрешностями используемых измерительных приборов и АЦП, влиянием паразитных емкостей и сопротивлений (соединительных кабелей, приборов). Для оценки общей погрешности проводилось сравнение рассчитанных и измеренных в диапазоне частот 8503 000 кГ ц ЧХЭИ сложного ЖС-конту ра, соответствующего эквивалентной схеме пьезоэлемента [2] с параметрами Я1 = 51,3 Ом; Ь1 = 6,28 мкГ; С1 = 3,28 нФ, С0=1,095 нФ, Я0 = Максимальное расхождение полученных зависимостей не 3% .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Несмашный Е.В., Розанов М.М., Яблоник Л.М. Измерение электроакустических параметров пьезопластин, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии // Дефектоскопия. 1973. №3. С.64-70.
2. Пьезокерамические преобразователи: Справочник/ ВБ. Ганопольский, Б А. Касаткин и др. Л.: Судостроение, 1984. 256 с.
3. . . , -
зуемых в искателях дефектоскопов // Дефектоскопия. №5. С.32-35.
4. 12370-80. . .
5. . ., . .
упругих постоянных пьезоматериалов // Зав. лаб. 1971. № 12. С.1460-1463.
6. . ., . . -
керамики // Дефектоскопия. 1980. № 7. С.52-576.
7. Глозман КА. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972.
8. Пет пн ОМ., Крамаров Ю.А., Петин ГМ. Установка для измерения адмитансно-
//
преобразователи. Ростов-на-Дону, 1977. С.22-25.
9. Ловягин В.А. К вопросу об определении эквивалентных параметров добротных пьезо-
//
техника. Киев, 1970. № 5. С.38-42.
УДК 534.222.2
В.А. Воронин, Д.В. Косырев
ЛУЧЕВАЯ КАРТИНА АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ
Задача оценки влияния нелинейности среды на картину поля в неоднородной среде возникает при рассмотрении характеристик приемных параметрических антенн, работающих в подводном звуковом канале. Для направленного приема низкочастотных волн требуются большие базы параметрических приемных антенн, а, , -емной антенне. Поскольку на практике в параметрических антеннах часто используют фазовую обработку сигналов накачки, решение будем искать в виде уравнения эйконала [1]. Для решения задачи воспользуемся неоднородным волновым , [2]
1 д2 p £ д2 p2
ар = --—гг, (1)
с дt c р0 дt
где р - давление акустической волны, c = c( x, у, z ) - скорость звука в однородной среде, р0 - плотность среды, £ - параметр нелинейности среды.
Проводя процедуры вывода уравнения эйконала [3], получим выражение которое от уравнения эйконала отличается множителем при коэффициенте преломления п(*, у, 2 ) = ^- . Этот множитель показывает влияние нелинейно-
с( X, у, 2 )
сти среды на фазовые фронты распространяющейся волны (волны накачки в пара-
