Устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей

 

" а»

f пг ГФн не,.т ь .о„иц;е,, < в(ьу

63131 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27.09,76 (21) 2405694/18-10 с присоединением заявки М

М„КЛ.2 .Н 04 R 29/00

Госудгфствеииый комитет

СССР по делам изобретений и открытиЯ (23) Приоритет—

Опубликовано 150579 Бюллетень Ио1 8

Дата опубликования описания 1 05.79

УДК 534.232 (088. 8) (72) Автор изобретения.В.М.Тимофеев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЦХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения диапа эона рабочих частот различных, в том числе закрепленных на объектах, пьезоэлектрических измерительных . преобразователей вибрационных и ударных ускорений.

Известны устройства для измерения амплитудно-частотных характеристик преобразователей, содержащие дополнительную пьеэопластину, устанавливаемую на объекте и служащую для возбуждения преобразователя (1 ) ..

Известно также устройство, включающее в себя дополнительный эталонный преобразователь и электронную измерительную схему (2) .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей, содержащее включенные последовательно генератор электрических импульсов 25 возбуждения, схему селекции сигнала реакции, а также анализатор спектра (3) .

Недостатком известного устройства. является малая точность измерений за счет погрешностей, вызванных отличием возбуждающего импульса от дельта-функции.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном устройстве между .схемой селекции сигнала реакции и анализатором спектра включена корректирующая цепь, выполненная в виде делителя с последовательно соединенными частотно-независимым плечом, образованным резистором, и частотно-зависимым плечом, образованным последовательной цепью из резистора и параллельного колебательного контура с шунтирующим резистором, при этом вход частотно-независимого плеча подключен к выходу схемы селекции сигнала реакции, а выход — к входу анализатора спектра.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из генератора

1 электрических импульсов возбуждения, схемы селекции 2 сигнала реакции, корректирующей цепи, содержащей резистор 3 частотно-независимого плеча, резистор 4 частотно-зависимого плеча, параллельный кол .бдительный

663131 неъ

3 контур 5, шунтирующий резистор 6 и . анализатор спектра 7. Исследуемый преобразователь 8 "подключен к выходу генератора 1 и входу схемы селекции 2. устройство работает следующим образом.

Импульс возбуждения от генератора

1 подается на рабочие пьезоэлементы исследуемого преобразователя 8. фа счет обратного пьезоэлектрического эффекта.на пьезоэлементах вознйкает импульс механического усилия, при- lO водящий в колебательное движение элементы конструкции преобразователя.

Еслй преобразователь закреплен на объекте, в колебательное движение приводится и прилегающий к поверх- д5 ности закрепления преобразователя участок объекта. Эти колебания будут продолжаться некоторое время после

-окончания действия импульса возбуждения и за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрический сигнал (сигнал реакции) . Поскольку вход схемы селекции 2 подключен одновременно к выходу генератора

1.и преобразователя 8, на нем будут иметь место два сигнала: импульс возбуждения и следующий после его окбнчания сигнал реакции преобразователя ° ,Схема селекции 2 выделяет сигнал ре.акции, который поступает на корректирующую цепь (элементы 3,4,5 и 6) и далее на анализатор спектра 7.

Погрешность определения амплитудно-частотной характеристики йссле (уемой системы при возбуждЕний видеоим-пульсом определяется по формуле: 35

3 ()-5(Q7 (7 где Й (uu) — амплитудйый спектр импульса возбуждения;

S(0) — значение амплитудного спек тра на н:.левой частоте.

Для системы с конечн6й полосой пропускания (0;bug всегда мсжно подобрать параметры импульса возбужде- ния таким образом, что погрешность 45

d не превысит какого-либо наперед заданного значения. С уменьшением длительности этого импульса (при условии сохранения его амплитуды и фор мы) его амплитудный спектр Я(Щ, сос- 50

Редоточенный в интервале (0;mg, становится более равномерным, и погреш ность Ьуменьшается, однако при этом уменьшается не тблько полная энергия импульса, но и отноше-" ние энергии, распределенной 8 полосе (0;(Lg, к полной энергии импульсов.

Это влечет за собой уменьшение дейст.вующей энергии возбуждения.и, как .следствие, уменьшение чувствйтельности. Номинальные значения элементов корректирующей цепи определяются по формулам: добротность колебательного контура

4 где S (Gable ) — значение амплитудного спектра импульса возбуждения на частоте перегиба 00{ < огибающей его главного лепестка; резонан=ная частота контура

ПС ш = — 1lc. (3)

o g-p, 64

s (значение йндуктивнэсти контура Ь может быть получено по резонансной частоте <ыо, если задаться значением емкости С); значение шунтирующего контур сопротивления

" —, ом (4)

CI

4с/L, значение сопротивления резистора включенного последовательно с контуром в частотно-зависимое плечо .("" CQ-1) 4(В"((В 1.-(С7 (5) значение сопротивления резистора, частотно-независимого плеча

10Q tб) При введении в измерительный тракт корректирующей цепи амплитудно-частотная характеристика преобразовате" ля (как и любой другой системы) не . будет отличаться от действительной, если для коэффициента передачи этой цепи будет выполняться условие;

K (uu ). 5(uu7 =cong< . (7) Этб условие должно выполняться для любой из полосы частот преобразователя, в том числе и для нулевой, . поскольку значение низшей рабочей частоты преобразователя вибрационныХ или ударных ускорений близко к нулю (едйницы или десятки герц) .Фазовая характеристика 3 (о4 корректирующей цецепи должна быть или равна нулю или линейна в пол6се 1(0;u08).

Постоянной величиной в правой части равенства (7) является произведение К(0) SI(0), определяющее масштаб

-амплитудно-частотной характеристики по оси амплитуд. Здесь К(0) — зйачение коэффйциента передачи корректирующей цепи на нулевой частоте(по постоянному току) .

Отсюда:

Б(о)

K(uu)- K(b7 +(uo>

Для прямоугольного импульса можно йаписать:

UUC

K {up) = K Co 7

2МН вЂ” 7(663131

Функция К(uu) обращается в бесконечность на частотах обращения в нуль амплитудного спектра импульса возбуждения. По этой причине коррек,ция целесообразна только до некоторой граничной частоты 0Ut-р, на которой спад главного лепестка спектра 5 не превесходйт.какого-либо наперед заданного значения. Характерной точкой огибающей главного лепестка амплитудного спектра является точка ее перегиба. Для прямоугольного импульса 10 длительностью 6 частота точки перегиба огибающей его спектра )пс равна:

&21

uJ пс

15

Отношение S (О) /S (а) ) для импульс ов люб ой дли т ель н ос ти и ампли туды будет постоянным, а энергия, сосредоточенная в интервале (О; mac) будет составлять около 8ОЪ от полйой энергии импульса и эта доля также не будет зависеть от его длительности и амплитуды (это вытекает из теоремы подобия спектров ).

Частота точки перегиба выбрана в. качестве реперной(т.е. 0urp (а

1. 25

Таким образом:

»m н(о)= 3os я

РЯ

>>В ИСЗ 1 +Я

) Ищ членом

LU можн о прен еб речь, 1 поскольку величина г значительно

30;меньше любого из сопротивлений кор;:ректирующей цепи.

;Таким образомг

>can s Взад я

ЯЬаВФЯНЕЭ Зие,ъ пс где — (f5()(с - энергия, сосредотог Г о ченная в интервале 35

U ïñ )

OO у(8() )с)ц - полная энергия импульр са.

Частотная характеристика коэффициента передачи корректирующей цепи 40

Н(uu), элементы которой рассчитаны по,формулам (2) .... (6), с достаточ- но высокой степенью точности до частоты Шпсаппроксимирует функцию К(Ш)

Формулы (2)... (6) получены, ис- 45 ходя из следующих требований: частота первого перегиба (юп„частотной характеристики коэффициента передачи корректирующей цепи должна быть равна частоте перегиба огибаю- 5р @ей главного лепестка спектра ии коэффициент передачи цепи на частоте (N, должен быть равен:

S(o7

Н(оэ„ 7= Н(о) (пс угол наклона частотной характеристики коэффициента передачи цепи

:на частоте UU@ должен быть равен углу наклона функции К(а) на частоте оЗпс т.е. должно выполняться равенство:

На частоте ю„с

Формула - из обретени я устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей, содержащее включенные последовательно генератор электрических импульсов возбуждения и схему селекции сигнала бО,(пс

2 (о) =г,7Э=сопз1; ) fg(u)f duu= (®пс

QQ 2

=.о,8 ) fs(uu) сии, о н(сц)7оз на„„: кtuu> Iø=ю„

Добротность кбнтура, включенного в частотно-завиСимое плечо делителя не будет зависеть от длительности" импульса возбуждения Г, а его частота и значения остальных элементов, образующих корректирующую цепь, зависят от длительности импульса.

Частота перегиба UD@ частотной характеристики коэффициента передачи корректирующей цепи совпадает с частотой перегиба резонансной характеристик контура. Совпадают и их резонансные частоты.

Коэффициент передачи корректирующей цепи выражается формулой: г я,„+ juo frÿ я +р

ЬЕ Р1Яш 3ш t hCRø+)øÑ Rø

9(juu) = г и + juugg я +я:+ неъ заВ +я +)utah+(u< Св + ц, гя

Lll ш Ш где r — активное сопротивление катушки индуктивности.

На нулевой частоте

H(uu )=, Ф

2,73 я Э(В 2,7Эя g g

273R Эязав неь неэ (оскольку R много больше .величины нез

2,732

Применение корректирующей цепИ позволяет не только уменьшить погрешность Д, но и открывает путь к более полному использованию энергии импульса возбуждения. С этой целью длительность импульсаФследует выбирать так, чтобы частота перегиба Ш с огибающей его спектра была бы равна значению верхней частоты преоб (азователя <И .

В качестве верхней частоты (И можно принять значение верхней собственной частоты 0И

Составитель В,Литвинов

Техред Н; Бабурка Корректор М. Пожо Редактор ЛЛибер

Тираж 774 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5

3 аказ 2729/61

Филиал ППП Патент, т.Уноорон, ул.Проектнаи,а

Ю т i, /f" ттт у, . т айсже .а Ълизатор спектра, у" ф 6 Д е"., е с я тем, что, ф повышения точности измерений, р между схемой селекции сигнала реак, ции и анализатором спектра включена корректирующая цепь, выполненная в в в виде делителя с последовательно ссе-5 диненными частотно-независимым плечом, образованным резистором, и частотно-зависимым ттлечом, образованным последовательной цепью из резистора и параллельного колебательного конту- 10 ра с шунтирующим резистором, при этом вход частотно-независимого плеча под131 8 ключен к выходу схемы селекции сиг нала реакции, а выход — к входу ана/ лизатора спектра.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Акцептованная заявка ФРГ

Р 1108478, кл.42 К 46/06, 1962.

2. Авторское свидетельство

Р 50513 1, кл.Н 04 R 17/00, 1974.

3. Тимофеев B.M. Приборы для дистанционного контроля пьезоэлектрических преобразователей. Журнал Приборы и техника эксперимента 9 5, 1973,с.50.