CC BY
63
Уникальные свойства таких материалов (низкая диэлектрическая проницаемость, высокая скорость звука, низкий удельный вес, достаточно высокие пьезоконстанты, бесконечная анизотропия пьезохарактеристик, высокая пьезочувствительность и устойчивость поляризованного состояния в широком интервале температур) делают их незаменимыми при конструировании медицинской диагностической аппаратуры, а также в силовых ультразвуковых системах медицинского назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыбянец А.Н., Резниченко Л.А. Пористые и композиционные материалы на основе ниобатных пьезокерамик // Сб-к статей и тез. докл. Междунар. симпозиума "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" (ODPO-2001). Россия. Сочи. 2001. С.289-299.
УДК 620.179.16
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ И ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
А.М. Гаврилов, В.Ю. Медведев, А.К. Батрин
Таганрогский государственный радиотехнический университет, 347922, Россия, г. Таганрог, пер. Шевченко, 2, каф. ЭГА и МТ, тел. 371-795, e-mail: esa@,tsure.ru
Необходимость проведения измерений частотных характеристик электрического импеданса (ЧХЭИ) пьезоэлементов и пьезопреобразователей, используемых в медицинских диагностических и контрольно-измерительных приборах, привела к разработке ряда установок [1-3], параметры и принцип работы которых существенно отличаются.
Многообразие используемых подходов к решению задачи автоматизации таких измерений объясняется отсутствием промышленных приборов, позволяющих получать весь набор ЧХЭИ. Без средств получения такой информации невозможно судить об основных параметрах пьезопреобразователей, объективно контролировать технологию их изготовления и обеспечить технические характеристики изготавливаемой ультразвуковой медицинской аппаратуры.
При построении описываемого программно-управляемого вычислительного комплекса в основу положены следующие условия:
- использование в качестве первичных измерителей напряжения, частоты и фазы серийных отечественных приборов;
- аналогово-цифровое преобразование измеряемых величин на базе промышленных отечественных приборов;
- организация и методика измерений согласно требованиям ГОСТа [4];
- обработка получаемых результатов в среде общедоступных математических пакетов (MathCad, MathLab, Maple и др.), вывод и документирование окончательных результатов с использованием персональной ЭВМ.
Такой подход позволил проводить все необходимые измерения с помощью доступных измерительных приборов, имеющих метрологическую аттестацию, исключить или существенно ослабить влияние на результаты измерений дополнительно изготавливаемых блоков и узлов, использовать общепринятую методику измерений и расчета ЧХЭИ, а также - получать и обрабатывать исследуемые характеристики в виде обычного электронного документа.
В установку вошли серийные приборы (генератор Г3-112, частотомер Ч3-63/1, фазометр Ф2-34, вольтметры В3-41, В3-56 и В7-34А, осциллограф С1-83) и узел сопряжения (УС) этих приборов с ЭВМ, рис.1. В зависимости от решаемой задачи и возможностей пользователя набор приборов может меняться при условии наличия цифрового выхода у измерителей частоты и фазы.
УС осуществляет организацию непрерывного автоматизированного цикла измерений через выполнение функций дешифрации поступающих с ЭВМ двоичных команд, поразрядного чтения двоично-десятичного кода с цифровых выходов частотомера и фазометра и передачи его на порт ввода ЭВМ, сжатие динамического диапазона аналогового сигнала, снимаемого с измерительного резистора RИЗМ (в случае большой добротности пьезоэлементов), включение и выключение электропривода, обеспечивающего перестройку частоты генератора.
Рис. 1.
Структурная схема измерительной установки
Синусоидальный сигнал с генератора Г3-112 через делитель напряжения ^п, Rг2), понижающий выходное сопротивления генератора ^г1 = 10Rг2), поступает на измерительную ячейку, состоящую из
измерительного сопротивления К и устройства установки пьезоэлемента с фиксированной силой прижима. '■Частотомер Ч3-63/1 преобразует текущую частоту в цифровой двоично-десятичный код. Напряжения со входа измерительной ячейки и с вольтметрами В3-56 и В3-41
преобразуются в постоянные уровни, которые через аналоговый коммутатор поочередно подключаются к вольтметру В7-34А, в котором преобразуются в двоично-десятичный код. Фазометр Ф2-34 подключен к входу и выходу измерительной ячейки, преобразуя разность фаз в двоично-десятичный код. Цифровые выходы фазометра, частотомера и вольтметра через четырехразрядный мультиплексор и буферный элемент подключаются к стандартному LPT порту ЭВМ. Дешифратор команд управляет работой мультиплексора и управляющей логики. Подключение дешифратора команд к порту ЭВМ осуществляется через буферную схему. Управляющая логика формирует управляющие сигналы для аналогового коммутатора, управляемого делителя напряжения и электропривода.
ЧХЭИ вычисляются по известным выражениям [2], связывающим измеренные величины напряжений, разность фаз между ними и частоту сигнала.
Алгоритм работы установки представляет собой повторяющиеся циклы установки адресов и считывания по ним двоичных кодов, соответствующих отдельно взятому десятичному разряду измеряемого значения частоты, фазы или напряжения. Управляющая программа через LPT порт устанавливает на цифровых входах УС последовательно нарастающие двоичные коды. Дешифратор адреса УС подключает к LPT порту соответствующие входы мультиплексора. Установившийся на входах LPT порта двоичный код считывается в память ЭВМ.
Требования к быстродействию ЭВМ минимальны, поскольку быстродействие установки определяется возможностями измерительных приборов (в нашем случае ограничивалось фазометром).
Шаг дискретизации частоты выбирается программой по заранее установленному условию, например, изменение измеряемой разности фаз за один шаг не должно превысить 0,40. Привязка величины шага и частоты выборок к скорости изменения фазо-частотной характеристики импеданса позволила исключить пропуски высокодобротных резонансов и участков ЧХЭИ с большой крутизной.
Частотный диапазон измерений определяется параметрами измерительных приборов, в нашем случае - вольтметра В3-41, и составил 20 Гц - 5 МГц.
Минимальное значение измеряемого сопротивления определяется сопротивлением измерительного резистора, погрешностями вольтметров и допустимой погрешностью измерения сопротивления. В случае R^m = 5 Ом, SR = ±5% и 8и=±2.5% его величина составила 5 Ом. Максимальная величина измеряемого сопротивления ограничена динамическим диапазоном выходного напряжения вольтметра в пределах измерительного диапазона (20 дБ) и сопротивлением RmM. Сжатие динамического диапазона измеряемого напряжения благодаря введению программно-управляемых делителей на входе вольтметра позволило расширить диапазон измеряемых сопротивлений (в нашем случае - до 5 кОм).
В основу метода измерений ЧХЭИ положены измерения напряжений на входе UG и выходе (на измерительном резисторе UR) измерительной ячейки, а также разности фаз р между ними [2, 4].
Источники погрешностей, возникающих при проведении измерений ЧХЭИ с помощью описываемой автоматизированной установки, можно разделить на несколько групп:
1. - сбой в работе цифровых приборов и УС, возникающий из-за воздействия внешних импульсных помех;
2. - погрешности измерительных приборов;
3. - влияние емкости кабелей, входного сопротивления измерительных приборов и т.д.
Случайные сбои (на тысячу измеренных точек приходится в среднем до 3 сбоев) и сопровождающие их выбросы в получаемых результатах устранены на программном уровне, основываясь на предположении, что измеряемые ЧХЭИ являются непрерывными. Для этого при считывании нового значения напряжения (фазы) вычисляется его отклонение от предыдущего измеренного значения, и в случае превышения им заранее определенного значения управляющая программа осуществляет дополнительный уточняющий цикл измерений..
Важным фактором, определяющим точность измерений ЧХЭИ в широкой полосе частот является неравномерность АЧХ измерительных вольтметров и ФЧХ фазометра.
Несмотря на то, что максимальная погрешность аналоговых вольтметров (В3-56 и В3-41) оговаривается в их технической документации, в общем случае их АЧХ является индивидуальной характеристикой, как и ФЧХ фазометра. Поэтому получение необходимой точности экспериментальных ЧХЭИ возможно только в случае учета АЧХ и ФЧХ измерительных приборов .
Для определения АЧХ и ФЧХ используемых измерительных приборов были проведены измерения частотных характеристик эталонного четырехполюсника, рис.2.
Наиболее простой вид схема четырехполюсника принимает при Я1 = 0 и Я2 = ж. Результаты измерений частотных характеристик приборов в полосе частот 85-5000 кГц приведены на рис.3:
1. - на рис.3-а сплошные линии соответствуют экспериментально полученным АЧХ вольтметров (В3-56 - кривая 1, В3-41 - кривая 2); пунктиром показана аппроксимация кривых 1 и 2 полиномом третьей степени (кривые 1’ и 2’, соответственно), используемая в последующих вычислениях ЧХЭИ;
2. - на рис.3-б сплошной линией (кривая 1) показана экспериментальная ФЧХ фазометра, пунктиром - ее кубическая аппроксимация (кривая
3. - на рис.3-в сплошная линия соответствует экспериментально
полученной (кривая 1) функции (/), пунктирная - ее
аппроксимации (кривая 1’).
Учет индивидуальных характеристик измерительных приборов при пересчете измеренных напряжений в ЧХЭИ осуществляется согласно выражению:
и,
о
К1
К2 ик
Рис. 2.
Схема эталонного четырехполюсника
где
рк(/) = Ц/; и'я(/), и’а(/) и рк(/) -
показания измерительных
вольтметров и фазометра, соответственно, измеренные согласно рис.2.
Из приведенных на рис.3 зависимостей следует, что в некоторых частотных интервалах погрешность измерений напряжения может превысить 5%. При этом возможна ситуация, когда отношение измеренных напряжений и'а /и'К превысит единицу, что в случае игнорирования частотных характеристик приборов приводит к результатам при вычислении ЧХЭИ, лишенным физического смысла, например - к отрицательному активному сопротивлению.
Частота, кГц
Частота, кГц
и
а). АЧХ измерительных вольтметров
Ри (/)
Частота, кГц
в). функция р (/)
б). суммарная ФЧХ фазометра и измерительной ячейки
Рис.3.
Частотные характеристики измерительных приборов установки
Для оценки общей погрешности измерительной установки проведено сравнение рассчитанных и измеренных в диапазоне частот 850-3000 кГц ЧХЭИ сложного ЛЬС-контура, соответствующего эквивалентной схеме пьезоэлемента [2] с параметрами Я = 51 Ом; Ь1 = 6,28 мкГн; С1 = 1095 пФ, С0 = 3,24 нФ, Я0 = = да, рис. 4.
Рис. 4. Эквивалентная схема пьезоэлемента
На рис.5 приведены частотные зависимости параметров элементов контура, рассчитанные по измеренному на данной установке их импедансу: кривая 1 - , кривая 2 - , кривая 3 - С;, кривая 4 - С0. Максимальная
погрешность измерения импеданса каждого элемента соответственно равна:
дЪ = 2.3%, дЯ, = 1.3%, дС1 =дС0 = 1.5%.
10
Ю х10, Ом L, мкГ н
С, нФ 1
2
3
4
500
1000
2500
3000
Рис. 5. Частотные зависимости параметров эталонного КЬС-контура
1500 2000
Частота, кГ ц
На рис.6 приведены рассчитанные с использованием данных рис.5 (пунктир) и измеренные (сплошная линия) на описанной установке ЧХЭИ сложного Л£С-контура в диапазоне частот 850-3000 кГц. Наблюдаемое расхождение полученных зависимостей для многих практических задач можно считать удовлетворительным, хотя его можно уменьшить увеличением точности аппроксимации экспериментальных зависимостей на рис.3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петин О.П., Крамаров Ю.А., Петин Г.П. Установка для измерения адмитансно-частотных характеристик пьезопреобразователей. - В сб.: Пьезокерамические материалы и преобразователи. Ростов-на-Дону, изд. РГУ, 1977, с. 22-25.
2. Пьезокерамические преобразователи: Справочник/ В.В.
Ганопольский, Б.А. Касаткин и др. - Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.
3. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизированная установка для измерения частотных характеристик электрического импеданса пьезоэлементов. - Сб. трудов ТРТУ, Таганрог, 2002. - 5 с.
4. ГОСТ 12370-80. Материалы пьезокерамические. Методы испытаний.
8
6
4
2
0
а). модуль импеданса б). модуль проводимости
в). активная часть импеданса г). активная часть проводимости
д). реактивная часть импеданса е). реактивная часть проводимости
