Способ определения пьезомодулей

 

Изобретение может быть использовано при испытаниях пьезокерамических материалов и элементов. Сущность изобретения: прямоугольный пьезоэлемент подвергают воздействию электрического напряжения с переменной частотой, измеряют частоту механического резонанса пьезоэлемента,определяют его геометрические размеры и компоненты упругой податливости, измеряют сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса и значения частот , соответствующих величине проводимости на уровне 3 дБ от максимального значения, определяют ширину резонансной кривой на этом уровне, а пьезомодуль определяют по формуле: т/2 dij (jrV8)-Cjj (Aw/CfJJb R) , где uJp - частота механического резонанса; R - сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса; Ашширина резонансной кривой на уровне 3 дБ; Су - константа способа, зависящая от возбуждаемой моды колебаний и геометрических размеров пьезоэлемента. 6 ил., 2 табл. со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 29/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

), mSm

1 й)

/ /а ГХ

ЯО Ы4

g iver 6 (21) 4920611/21 (22) 19.03,91 (46) 07,03.93. Бюл, М 9 (71) Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете (72) В.Л.Земляков (56) 1. OCT 11 0444 — 87. Материалы пьезокерамические, технические условия, Электростандарт, 1987, с.61 — 63, 86-87, 2. Смажевская Е.Г., Фельдман Н,Б. Пьезоэлектрическая керамика, M., 1971, с.136—

140. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЬЕЗОМОДУЛ ЕЙ (57) Изобретение может быть использовано при испытаниях пьезокерамических материалов и элементов. Сущность изобретения: прямоугольный пьезоэлемент подвергают воздействию электрического

„„5U „„1 800406 А1 напряжения с переменной частотой, измеряют частоту механического резонанса пьезоэлемента, определяют его геометрические размеры и компоненты упругой податливости, измеряют сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса и значения частот, соответствующих величине проводимости на уровне 3 дБ от максимального значения, определяют ширину резонансной кривой на этом уровне, а пьезомодуль определяют по формуле:

1/г бц =((лг/8) Сц (b,м/(Pp R) ) где аР— частота механического резонанса;

R — сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса, Лв — ширина резонансной кривой на уровне 3 дБ; С вЂ” константа способа, зависящая от возбуждаемой моды колебаний и геометрических размеров пьезоэлемента. 6 ил., 2 табл. рс ! !

i@)

С)

С>

1800406

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, Ilo 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

d;j = K;j qT g E где (jij — пьезомодуль;

K j — коэффициент электромеханической связи материала; к 1 (Л 1).

К 1 2Ь" 2 fj

fp — частота резонанса, f> — частота антирезонанса, (3) (4) к15 г

1+ — 8 Р

:,.г г г (5) Ejj = Ео 11,3 (t/Яэ) Ст е — диэлектрическая проницаемость; о = 8,84 10 Ф/м;

t — расстояние между электродами;

Sý — площадь электродов;

Ст — емкость пьезоэлемента на низких частотах;

Sjj — 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 при измерении каждой из этих частот подбирать величину резистора Вз, установленного по5 следовательно с пьезоэлементом для четкой локализации резонансов. На фиг.2 и 3 для примера приведены частотные зависимости модуля проводимости при измерении частот резонанса и антирезонанса (при разных

10 значениях резистора Яз (фиг.1), установленного посл едовател ьно с и ьезоэл е ментом).

При измерении частоты антирезонанса необходим специальный генератор с очень маленькими 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 узкополосным

20 режекторным фильтром в районе антирезонансной частоты и составляющая напряжения на резисторе Вз от прохождения высших гармоник соизмерима с составляющей напряжения на основной гармонике.

25 При измерениях частоты антирезонанса необходимо специально компенсировать паразитные емкости, в частности емкость держателя образца (пьезоэлемента), так как эта емкость подключается параллельно ем30 кости пьезоэлемента, что приводит к дополнительной погрешности определения частоты антирезонанса (см (1), с,51,76 — 77).

В случае наличия вблизи основного резонанса пьезоэлемента дополнительных ре35 зонансов (фиг.4) применение способа-прототипа становится затруднительным, поскольку нельзя по результатам измерений определить частоту антирезонанса. Для определения f> в таких случаях

40 применяют довольно сложные алгоритмы обработки частотной зависимости методами оптимизации либо определяют приближенно, что существенно сказывается на точности определения пьезомодуля, 45 Помимо измерений в резонансной области необходимо проводить также измерения на частотах много ниже резонанса для определения С и@ либо применять специальные приборы для измерения С и опрет

50 деления я .

Из изложенного выше видно, что упростить способ определения пьезомодуля можно, если отказаться от измерений часто55 ты антирезонанса и величины диэлектрической проницаемости.

Цель изобретения — упрощение способа определения пьезомодулей.

Цель достигается тем, что по способу определения пьезомодулей, по которому

1800406 возбуждают 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 формуле

1/г с ц =((8) C,ö )) ° (6) где бц — величина пьезомодулей; вр — частота механического резонанса, вр =2л 1р, R — сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса;

Лв- ширина резонансной кривой на уровне 3 дБ;

Сц — константа способа, определяемая из соотношений

Сз1 = Sfl т/IW для поперечной моды колебаний, Сзз = $зз l/tW для продольной моды колебаний, С15 = S55 t/lW Для СДвиговой мОДы колебаний, гдЕ S11, $ЗЗ, $55 — ксмпснЕнты упругсй податливости;

t, W,! — толщина, ширина и длина пьезокерамического элемента.

В 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.

Ка к из вестн о (см. П ьезо керамические 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,, R— соответственно динамическая емкость, индуктивность и сопротивление). Значения С, L, R связаны с соответствующими механическими параметрами пьезоэлемента через квадрат коэффициента электромеханической трансформации nl, Нап ример, L=m /nl,ãpe п1Э вЂ” эквивалентная масса пьезоэлемента, для прямоугольного параллелепипеда равная m3 = m/8, где m — масса пьезоэлемента (см. упоминавшийся справочник, табл,6 на стр,70).

B отличие от способа-прототипа, который базируется на связи пьезомодуля с ко1ð эффициентом электромеханической связи, воспользуемся зависимостью величины коэффициента электромеханической трансформации ni от величины пьезомодуля (см, там же, табл.2.6 на стр.70):

15 W da1

ni = для поперечной моды коле$11 (7) баний, Wt бзз

20 и(= для продольной моды коле$зз баний, (8) Wl Ф5

ni = — — для сдвиговой моды колеба25 $( ний, (9) OM = — ф —; (Справочник, с.31) (10) и L

4р Ом = --, (ОСТ 110444 — 87, с.89) (11) вр где Лв — 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 в1 и вг, на которых уровень проводимости соответствует 3 дБ от максимального значения, и определяют ширину резонансной кривсй ЛВ =Вг -m1, Из формул (10) и (11) следует, что (12) L m3 m R т.е. г mЛв

8 R (13) Таким образом, для определения пьезомодулей необходимо знать геометрические

30 размеры пьезоэлемента, компоненты упругой податливости и соответствующий коэффициент электромеханической трансформации.

Воспользуемся известными соотношениями для механической добротности OM .

1800406 (14) d33=

Используя формулы (7) — (9), получим соответственно

Е2 1 ВДВ

d31 = ((S11 ) — - — ) R

1/2

d33 = ((33 ) (g) 8 В, (15) г т 2 п1 Д,д 1/г

С115 = ((Я55) (Д ) 8 R ) (16) Используя выражения (см. ОСТ 110444—

87, с.57) m= p IWt, где р — плотность пьезокерамического материала, S

2, где D — резонансный

О(2 О )2 размер, получим

d31= (t Л2ДЩ 1/2 Р ДШ 1/2 (IW 8 2 ) (8 31 2 ) ° (17) 1 ДСд 1/2 2 Д, 1/г

=(ЫЗ вЂ” -„-- — ) = (— СЗЗ ) tWugR 8 г (18) о15 = т д2 Дсд 1/2 д2 д,„1/г

=(% — — ) = — C15 ) IW8gR 8 ф (19) Таким образом, для того, чтобы определить пьезомодуль, необходимо и достаточно измерить геометрические размеры пьезоэлемента, частоту механического резонанса, компоненты упругой податливости, сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса, а также определить ширину резонансной кривой на уровне 3 дБ от максимального значения и определить пьезомодуль по формулам (17) — (19).

Основное отличие предлагаемого способа от способа-прототипа, позволяющее упростить измерение пьезомодуля, заключается в том, что все измерения проводятся в узкой частотной области в районе механического резонанса.

Измерения ширины резонансной кривой Ди) осуществляются проще, чем измерения резонансного промежутка f> — fp, так как нет необходимости подбирать величину резистора R3, установленного последовательно с пьезоэлементом, для локализации

55 частоты антирезонанса; нет необходимости в специальном генераторе с очень малыми нелинейными искажениями; нет необходимости специально компенсировать паразитные емкости, в частности емкость держателя образца; нет необходимости применять сложную обработку измеренной зависимости проводимости, если в области антирезонанса имеется дополнительный ("паразитный") резонанс, обусловленный низкочастотными модами колебаний; нет необходимости проводить дополнительные измерения на частотах много ниже резонанса с целью определения емкости и относительной диэлектрической проницаемости.

Таким образом, цель изобретения упростить способ определения пьезомодуля— достигнута, На фиг.1 изображена структурная схема аппаратуры для измерения частот резонанса и антирезонанса; на фиг.2 — частотная зависимость модуля проводимости в области резонанса; на фиг.3 — частотная зависимость модуля проводимости в области антирезонанса; на фиг. 4 — частотная зависимость модуля проводимости при наличии вблизи основного резонанса дополнительного; на фиг.5 — эквивалентная электрическая схема пьезоэлемента в области резонанса, Предлагаемый способ определения пьезомодулей может быть реализован с использованием набора обычных стандартных приборов, связанных между собой по структурной схеме, приведенной, например, в ОСТ 110444 — 87.

Использование предлагаемого способа позволяет упростить измерение пьезомодулей, сократить время измерений и повысить производительность труда.

Пример конкретной реализации способа приведен в акте испытаний.

Цель испытаний; проверка способа определения пьезомодуля, заявленного в качестве изобретения, путем сравнения результатов on ределения п ьезомодуля, полученных заявляемым способом и способомh рототи пом.

Объект испытаний: брусок из пьезокерамического материала ЦТБС вЂ” 3 с поперечным пьезоэффектом, Размеры бруска: длина! = 34 мм ширина W = 7 мм толщина t = 6 мм масса m = 10,2 г, Используемые приборы и оборудование: стенд для испытаний пьезоэлементов методом резонанса-антирезонанса по ОСТ

110444-87.

Порядок и методика испытаний.

1800406

Способ-прототип

Таблица1

$11,—

Е М Н

1 0-13

f,, кгц бз,-„-;

Кз1

fa, КГЦ

Йз еоо

52,362

718

105

1986

0,27

54,132

Таблица 2

Заявленный способ

Af, кГц

Sll,— м

1 0-13

f>, кГц

Ур, m S m

fp, кГц

fz, кГц

52,362

105

0,25

52.464

52,214

Провести измерение пьезомодуля испытуемого пьезоэлемента в соответствии с

ОСТ 110444 †.

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 пьезокерамического элемента, определяют компоненты его упругой податливости и геометрические размеры, отличающийся тем, что, с целью упрощения, измеряют сопро5 тивление пьезокерамического элемента на частоте механического резонанса, значение частот, соответствующих величине проводимости на уровне 3 дБ от максимального значения, определяют ширину резонансной

10 кривой на этом уровне, а величину d > пьезомодуля определяют по формуле

Ac0)

8,ф R где вр — частота механического резонанса;

R — сопротивление пьезоэлемента на частоте механического резонанса;

Ьсо — ширина резонансной кривой на уровне 3 дБ;

С 1 — константа способа, определяемая из соотношений:

Сз1 = 311 т/!Р/ — для поперечной моды

Е колебаний;

Сзз = S33 1/iw — для продольной моды

Е колебаний;

С15 = 55ь t/IW — для сдвиговой моды

Е колебаний;

S11,S33,S55 KOMllOHeHTbl упругой податливости;

1, W,! — толщина, ширина и длина пьезокерамического элемента соответственно, 1800406

ГЪ

1- частотомер; 2- генератор синусоидальных сигналов;

3- коммутатор; 4- вольтметр, R подбирается отдельно при измерении 5 и при измерении/, з р

Фиг.< . Фиг,3

Фиг. 4

1800406

Фиг, б

25

35

45

Составитель В,Земляков

Техред M.Ìîðãåíòàë 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-35, Раушская наб., 4/5