Определитель полярности пьезоэлектрических преобразователей

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для определения полярности выводов одиночных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) и ПЭП, входящих в состав многоэлементных антенных решеток, а также для определения полярности напряжения в электрических цепях. В определитель полярности, содержащий источник опорного напряжения, два компаратора, две схемы управления, два элемента памяти, два индикатора и кнопку сброса, дополнительно введены второй источник опорного напряжения, формирующий опорное напряжение, превышающее опорное напряжение, формируемое первым источником опорного напряжения, третий и четвертый компараторы, третья и четвертая схемы управления элементами памяти, третий и четвертый элементы памяти, третий и четвертый индикаторы полярности. Достигаемый технический результат - повышение функциональных возможностей определителя полярности ПЭП. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для определения полярности выводов одиночных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) и ПЭП, входящих в состав многоэлементных антенных решеток, а также для определения полярности напряжения в электрических цепях.

Используемые в гидроакустике многоэлементные антенные решетки при сборке и монтаже требуют четкого определения полярности входящих в них пьезоэлектрических преобразователей, так как противофазное включение одного преобразователя или группы преобразователей может привести к изменению характеристики направленности антенны.

Известна [1] схема измерения и определения полярности при помощи осциллографа. Выводы ПЭП подключают - один ко входу осциллографа, а второй к его корпусу, производят механическое воздействие на приемоизлучающую поверхность ПЭП и определяют полярность первой полуволны, генерируемой ПЭП э.д.с. на экране осциллографа, при этом полярность первой полуволны однозначно определяет полярность выводов ПЭП. Способ неудобен своей громоздкостью, необходимостью визуально четко определить первую полуволну при скоротечности процесса и не сохраняет результаты измерений.

Наиболее близким по структуре аналогом к заявленному изобретению, выбранным за прототип, является определитель полярности пьезоэлектрических преобразователей, описанный в [2].

Определитель полярности содержит источник опорного напряжения, два компаратора, две схемы управления, два элемента памяти, два индикатора и кнопку сброса.

Недостатком прототипа является:

- отсутствие возможности оценки уровня чувствительности ПЭП в режиме приема. При сборке сложных антенных устройств, состоящих из множества элементарных ПЭП, соединенных параллельно, или последовательно, или параллельно-последовательно, возможны ошибки при монтаже, которые понижают чувствительность ПЭП;

- отсутствие возможности определения момента готовности информации и снятия достоверной информации с индикаторов. При обмере большого количества ПЭП в многоэлементных антеннах оператору приходится выполнять много монотонных измерений вручную и при этом внимательно следить за показаниями на индикаторах ОП. В этом случае быстро наступает утомляемость, снижается внимание и возможны ошибки. Отсутствие какого-либо сигнала о моменте готовности информации и снятия достоверной информации с индикаторов определителя полярности заставляет оператора (сборщика, монтажника) все время контролировать визуально показания индикаторов.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей определителя полярности пьезоэлектрических преобразователей и улучшение потребительских свойств.

Техническими результатами, обеспечивающими решение этой задачи, являются возможность определения уровня чувствительности ПЭП при определении полярности и получение сигнала готовности системы к следующим измерениям.

Первый технический результат достигается за счет того, что в определитель полярности, содержащий источник опорного напряжения, два компаратора, две схемы управления, два элемента памяти, два индикатора и кнопку сброса, дополнительно введены второй источник, формирующий опорное напряжение, большее по величине, чем опорное напряжение, формируемое первым источником опорного напряжения, третий и четвертый компараторы, третья и четвертая схемы управления, третий и четвертый элементы памяти, третий и четвертый индикаторы полярности.

Такое схемотехническое построение позволяет оценить амплитуду отклика на механическое воздействие при определении полярности и, следовательно, оценить величину чувствительности ПЭП.

Для снижения утомляемости оператора дополнительно в определитель полярности могут быть введены схема ИЛИ и генератор звукового сигнала. Сигнал звукового генератора уведомляет оператора о появлении на индикаторе новой достоверной информации.

Сущность изобретения раскрыта на фиг.1 и 2. При этом на фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого определителя, на фиг.2 - временная диаграмма работы определителя полярности, поясняющая его работу.

На функциональной схеме заявляемого определителя полярности (ОП), (фиг.1) приняты следующие обозначения:

1 - первый источник опорного напряжения (отрицательного и положительного);

2 - первый компаратор (положительного напряжения);

3 - второй компаратор (отрицательного напряжения);

4 - первая схема управления элементом памяти (положительной полярности);

5 - вторая схема управления элементом памяти (отрицательной полярности);

6 - первый элемент памяти (положительной полярности);

7 - второй элемент памяти (отрицательной полярности);

8 - первый индикатор (положительной полярности);

9 - второй индикатор (отрицательной полярности);

10 - кнопка сброса;

11 - второй источник опорного напряжения (отрицательного и положительного);

12 - третий компаратор (положительного напряжения);

13 - третья схема управления элементом памяти (положительной полярности);

14 - третий элемент памяти (положительной полярности);

15 - третий индикатор (положительной полярности);

16 - четвертый компаратор (отрицательного напряжения);

17 - четвертая схема управления элементом памяти (отрицательной полярности);

18 - четвертый элемент памяти (отрицательной полярности);

19 - четвертый индикатор (отрицательной полярности);

20 - схема управления генератором звукового сигнала (схема ИЛИ);

21 - генератор звукового сигнала.

Источники опорного напряжения 1 и 11 выполнены по стандартной схеме включения на микросхеме AD688.

Компараторы 2, 3, 12 и 16 выполнены на микросхеме КР1401СА1.

Схемы управления 4, 5, 13 и 17 представляют собой логический элемент "И" и выполнены на микросхеме КР1554ЛИ1.

Элементы памяти 6, 7, 14 и 18 представляют собой триггер "D" типа, в котором используются информационный, тактовый входы и вход сброса в ноль "R" и прямой и инверсный выходы. Они выполнены на микросхеме КР1554 ТМ2.

Индикаторы 8, 9, 15 и 19 выполнены на индикаторах 3Л341Б.

Кнопка сброса 10 выполнена кнопкой, работающей на замыкание без фиксации.

Генератор звукового сигнала выполнен на микросхеме SMB-17 фирмы "Sonitron".

На фиг.2 приведена временнáя диаграмма работы ОП, поясняющая его работу.

Определитель полярности работает следующим образом.

Вход ОП (линия U_BX на схеме фиг.1) подключают к одному из входов ПЭП, второй вход которого соединен с шиной OV. Для сброса предыдущих показаний на индикаторах 8, 9 и 15, 19 необходимо нажать кнопку сброса 10. Напряжение низкого уровня "Лог. 0", поступающее на вход индикаторов 8, 9, 15 и 19, устанавливает их в исходное состояние.

Для определения полярности ПЭП необходимо произвести кратковременное нормированное механическое воздействие на приемоизлучающую поверхность ПЭП (слегка ударить по ней), что вызовет внутри ПЭП механические затухающие колебания, и преобразователь будет генерировать на своих выходах затухающую синусоидальную ЭДС на собственной резонансной частоте, при этом амплитуда первой полуволны будет пропорциональна произведению чувствительности ПЭП (мкВ/Па) на величину давления (Па), полученного в результате кратковременного нормированного механического воздействие на приемоизлучающую поверхность ПЭП. На вход ОП поступает затухающее синусоидальное колебание, полярность первой полуволны которого необходимо определить. Рассмотрим случай, когда к входу ОП подключен положительный вывод ПЭП. Входное напряжение U_BX поступает на прямой вход первого компаратора 2 и третьего компаратора 12 и на инверсный вход второго компаратора 3 и четвертого компаратора 16. На другие входы компараторов поступают опорные напряжения: положительной полярности U_ОП1 ⁺ на инверсный вход первого компаратора 2 и отрицательной полярности U_ОП1 ^- на прямой вход второго компаратора 3 от первого источника опорного напряжения 1, положительной полярности U_ОП2 ⁺ на инверсный вход третьего компаратора 12 и отрицательной полярности U_ОП2 ^- на прямой вход четвертого компаратора 16 от второго источника опорного напряжения 11. Теперь ОП будет сравнивать напряжение на входе U_BX, генерируемое ПЭП, с пороговыми напряжениями, причем U_ОП2 ⁺>U_ОП1 ⁺, |U_ОП2-|>|U_ОП1-|, U_ОП2 ⁺=|U_ОП2-|, U_ОП1 ⁺=|U_ОП1-|.

В исходном состоянии на вторые входы схем управления памяти 4,13 с инверсного выхода второго элемента памяти 7 подан сигнал "Лог. 1", разрешающий прохождение сигналов с выходов компараторов 2 и 12, а на вторые входы схем управления памяти 5, 17 с инверсного выхода первого элемента памяти 6 подан сигнал "Лог. 1", разрешающий прохождение сигналов с выходов компараторов 3 и 16.

В случае, если U_BX превышает не только U_ОП1+, но и U_ОП2+ (рассмотрим случай для положительной полуволны), то на входе компаратора 12, как и на выходе компаратора 2, будут присутствовать сигналы уровнем "Лог.1" - K₁+ и К₂+ (см. фиг.2), которые через схемы управления памяти 4 и 13 (логические элементы D) поступают на тактовые входы элементов памяти 6 и 14 (D-триггеры) и устанавливают на их прямых выходах напряжение "Лог. 1"; при этом с инверсного выхода первого элемента памяти 6 сигнал с уровнем "Лог. 0" запрещает прохождение сигналов с выходов второго компаратора 3 и четвертого компаратора 16 на схемы управления памяти 5 и 17.

Сигнал "Лог. 1" с выхода первого элемента памяти 6 и третьего элемента памяти 14 заставляет индицировать индикаторы положительной полярности 8 и 15. Для получения звукового сигнала о получении данных измерения уровня входного сигнала ОП сигнал со второго (инверсного) выхода элемента памяти 6 (или 7, в зависимости от полярности первой полуволны измеренного напряжения) поступает на схему ИЛИ 20 и включает генератор звукового сигнала 21. Элементы памяти 6 и 14 сохраняют на своих прямых выходах уровень "Лог. 1" до нажатия кнопки сброса 10. После нажатия кнопки сброса 10 происходит отключение звукового генератора 21. При обратном подключении выводов ПЭП к ОП все процессы в работе ОП повторяются, но при этом работают блоки 3, 16, 5, 17, 7, 18, 9, 19.

Известно, что ПЭП имеют разброс по чувствительности в режиме приема вследствие технологии изготовления и свойств пьезокерамики, также ПЭП одного типа из-за условий размещения на носителе могут иметь различные длины кабелей и как следствие различную чувствительность в режиме приема, поэтому при нормированном механическом воздействии на приемоизлучающую поверхность ПЭП для оценки чувствительность ПЭП в режиме приема опорное напряжение U_ОП1 определяется минимальным уровнем чувствительности ПЭП в режиме приема, а опорное напряжение U_ОП2 определяется средним или максимальным уровнем чувствительность ПЭП в режиме приема. При выполнении условий выбора опорных напряжений U_ОП1, U_ОП2 индикация первого индикатора полярности 8 (9 - для отрицательной первой полуволны) свидетельствует о том, что чувствительности ПЭП в режиме выше минимального уровня, а индикация первого и второго индикатора полярности 8 и 15 (9 и 19 - для отрицательной первой полуволны) свидетельствует о том, что чувствительности ПЭП в режиме выше среднего или максимального уровня.

Для удобства и однозначности восприятия информации индикаторы располагаются сверху вниз в следующей последовательности: 15, 8, 9, 19.

Заявленный определитель полярности имеет небольшие размеры и вес, низкое автономное напряжение питания - все это обеспечивает возможность мобильного использования ОП в жестких условиях эксплуатации и на судостроительных заводах.

Благодаря элементам памяти, индикации, звуковой сигнализации и возможности перезапуска и повторного измерения позволяет быстро и легко определить полярность включения ПЭП и оценить его чувствительность в многоэлементной антенной решетке при сборке, монтаже ПЭП и при любых условиях эксплуатации на корабле и подводной лодке, а также снизить утомляемость оператора и повысить достоверность результатов его работы.

Источники информации

1. РД Р 9122-73. Блоки и преобразователи пьезокерамические. Методы измерений электромеханических параметров.

2. Патент РФ №2242017.

1. Определитель полярности пьезоэлектрических преобразователей, содержащий первый источник опорного напряжения, один выход которого соединен с инверсным входом первого компаратора и второй выход с прямым входом второго компаратора, а прямой вход первого компаратора и инверсный вход второго компаратора объединены и являются его сигнальным входом, причем выход первого компаратора подключен к одному входу первой схемы управления, а ко второму ее входу подключен инверсный выход второго элемента памяти, выход второго компаратора подключен к одному из входов второй схемы управления, а ко второму ее входу подключен инверсный выход первого элемента памяти, выходы схем управления элементами памяти соединены с тактовыми входами соответствующих элементов памяти, прямые выходы обоих элементов памяти соединены со входами соответствующих индикаторов, а кнопка сброса одним из контактов соединена с объединенными входами сброса первого и второго элементов памяти, а другой ее контакт заземлен, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй источник опорного напряжения, формирующий опорное напряжение, превышающее опорное напряжение, формируемое первым источником опорного напряжения, третий и четвертый компараторы, третья и четвертая схемы управления элементами памяти, третий и четвертый элементы памяти, третий и четвертый индикаторы, причем первый выход второго источника опорного напряжения соединен с инверсным входом третьего компаратора и его второй выход с прямым входом четвертого компаратора, а прямой вход третьего компаратора и инверсный вход четвертого компаратора объединены с сигнальным входом первого и второго компараторов, выход третьего компаратора подключен к одному входу третьей схемы управления, а ко второму ее входу подключен инверсный выход второго элемента памяти, выход четвертого компаратора подключен к одному из входов четвертой схемы управления, а ко второму ее входу подключен инверсный выход первого элемента памяти, выходы третьей и четвертой схем управления элементами памяти соединены с тактовыми входами соответствующих элементов памяти, прямые выходы третьего и четвертого элементов памяти соединены с входами соответствующих индикаторов, а входы сброса третьего и четвертого элементов памяти соединены с объединенными входами сброса первого и второго элементов памяти.

2. Определитель полярности по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введены схема ИЛИ и генератор звукового сигнала, причем один вход схемы ИЛИ соединен с инверсным выходом первого элемента памяти, а другой вход соединен с инверсным выходом второго элемента памяти, а выход схемы ИЛИ соединен со входом генератора звукового сигнала.