CC BY
57
2013, № 3 (5j
15
УДК 658.562
А. Г. Дмитриенко, А. В. Блинов, А. А. Мельников, Б. В. Цыпин
ТЕСТЕР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ПРОТЯЖЕНИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
A. G. Dmitrienko, A. V. Blinov, A. A. Mel'nikov, B. V. Tsypin
TESTER FOR PIEZOELECTRIC GAGES CONTROL OVER A PERIOD OF A LIFE CYCLE
Аннотация. Рассмотрен тестер для контроля пьезоэлектрических датчиков на протяжении их жизненного цикла. Работа тестера основана на использовании обратного пьезоэффекта. Приведены функциональная схема тестера и его основные технические характеристики.
Abstract. Tester for piezoelectric gages control over a period of a life cycle is presented. Operation of the given tester is based on the usage of inverse piezoeffect. Tester functional block diagram and its basic technical specifications have been given.
Ключевые слова: пьезоэлектрический датчик, обратный пьезоэффект, контроль исправности, контроль на объекте.
Key words: piezoelectric gage, inverse piezoeffect, built-in test, in-situ monitoring.
Контроль пьезоэлектрических датчиков на протяжении их жизненного цикла, начиная от стадии изготовления чувствительного элемента и заканчивая работой на объекте, является актуальной задачей. Для ее решения предназначен тестер С-101, функциональная схема которого приведена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема тестера С-101
В состав тестера входят:
- генератор импульсов возбуждения, подключенный через размыкающий ключ к электродам датчика;
- предварительный дифференциальный усилитель, необходимый для согласования уровня напряжения реакции пьезоэлемента с динамическим диапазоном АЦП;
- микроконтроллер, в котором осуществляется обработка цифрового массива данных с АЦП, определяются частота, амплитуда и время затухания свободных колебаний напряжения реакции пьезоэлемента, сравнение их с предельно допустимыми значениями, выработка сигналов «Исправен» или «Неисправен» и управление индикатором;
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
- индикатор, с помощью которого устанавливается режим контроля (тип и номер датчика, время проведения испытаний и номер эксперимента) и отображаются в графическом виде результаты экспериментов по контролю датчика, частота и время затухания напряжения реакции датчика и результаты «Исправен» или «Неисправен»;
- карта энергонезависимой памяти, предназначенная для хранения результатов экспериментов по контролю датчика, значений параметров напряжения возбуждения в зависимости от типа датчика и диапазонов допустимых значений параметров напряжения реакции пьезоэлемента.
Принцип работы тестера основан на использовании обратного пьезоэффекта при возбуждении резонансной системы пьезоэлемента электрическими колебаниями и оценки параметров свободных колебаний пьезорезонатора [1].
Предварительно, на этапе записи рабочей программы в микроконтроллер, в карту памяти вносятся диапазоны допустимых значений параметров свободных колебаний пьезоэлемента (резонансной частоты, постоянной времени затухания и максимальной амплитуды) для каждого типа датчика на различных этапах его жизненного цикла и текущие значения времени и даты.
При использовании тестера по назначению оператор выбирает тип датчика из числа хранящихся в памяти и задает его номер и этап его жизненного цикла (рис. 2).
Рис. 2. Вид экрана тестера при установке типа датчика
16
В процессе контроля генератор возбуждения формирует пачки прямоугольных импульсов. Частота следования импульсов возрастает от пачки к пачке в пределах диапазона допустимых значений резонансной частоты датчика. После окончания каждой из пачек ключ (см. рис. 1) размыкается, и на электродах пьезоэлемента появляется затухающее напряжение, вызванное его свободными колебаниями. После усиления напряжение свободных колебаний оцифровывается бортовым АЦП микроконтроллера. В микроконтроллере осуществляются оценка амплитуды свободных колебаний и фиксация частоты возбуждения, при которой амплитуда колебаний максимальна. Это значение частоты соответствует резонансу. Напряжение свободных колебаний при возбуждении на резонансной частоте записывается в карту памяти. Одновременно производятся оценка постоянной времени затухания свободных колебаний и допусковый контроль частоты, амплитуды и постоянной времени затухания. Свободные колебания записываются и хранятся в карте памяти с указанием времени и даты испытаний. Результат допускового контроля отображается на индикаторе. В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены виды экрана индикатора при отображении свободных колебаний исправного и неисправного датчиков.
а) б)
Рис. 3. Отображение свободных колебаний на индикаторе: а - исправный датчик; б - неисправный датчик
20ХЗ,№3(5)
Для обеспечения возможности контроля исправности датчиков, допустимые значения параметров свободных колебаний которых не внесены в карту памяти, предусмотрен режим «Тип датчика неизвестен». В этом случае определение частоты собственных колебаний производится во всем рабочем диапазоне тестера от 0,1 до 100 кГц, а допусковая оценка значений параметров колебаний не осуществляется.
Внешний вид макетного образца тестера С-101 показан на рис. 4.
Система контроля пьезоэлектрических датчиков
+ уопнйлъ -
г і Н
уровень Выбор тест
Рис. 4. Внешний вид тестера С-101
Тестер питается от одного аккумулятора с напряжением 3,3 В. Зарядка аккумулятора может производиться от источника постоянного или переменного напряжения от 4 до 30 В, в том числе и от ПЭВМ через И8Б-порт. Энергонезависимая память позволяет хранить и воспроизводить 500 результатов испытаний.
Включение тестера производится нажатием кнопки «Выбор», после чего появляется экран задания типа датчика (см. рис. 1). «Засыпание» тестера происходит автоматически, если в течение одной минуты не производится никаких действий по программе и не нажимается ни одна кнопка.
Получение и документирование сведений о важнейших параметрах пьезоэлемента позволяют оценить влияние технологических операций, следующих за изготовлением чувствительного элемента, влияние хранения, транспортировки и установки на объекте на работоспособность датчика и выработать рекомендации по совершенствованию его конструкции и способам установки на объекте контроля.
Список литературы
1. Пат. 2176396. Российская Федерация. Способ дистанционного периодического контроля коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра / Субботин М. И. // Бюллетень изобретений. - 2001. - № 33.
Дмитриенко Алексей Геннадьевич
кандидат технических наук, генеральный директор, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: niifi@sura.ru
Dmitrienko Aleksey Gennad'evich
candidate of technical sciences, director general,
Scientific-research Institute of physical measurements
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Блинов Александр Вячеславович
кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научной работе, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: niifi@sura.ru
Blinov Aleksandr Vyacheslavovich
candidate of technical sciences, deputy general director for scientific activity, Scientific-research Institute of physical measurements
Мельников Анатолий Аркадьевич
инженер,
Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: niifi@sura.ru
Mel'nikov Anatoliy Arkad'evich
engineer,
Scientific-research Institute of physical measurements
Цыпин Борис Вульфович
доктор технических наук, профессор кафедры информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: cypin@yandex.ru
Tsypin Boris Vul'fovich
doctor of technical sciences, professor of sub-department of information and measuring equipment, Penza State University
18
УДК 658.562 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.
