автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Развитие пьезоэлектрического приборостроения на основе новых информационно-измерительных и технологических методов

3731

На правах рукописи

Земляков Виктор Леонидович

РАЗВИТИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре «Информационных и измерительных технологий» Южного федерального университета

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Панин Анатолий Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор, Гориш Анатолий Васильевич

доктор технических наук, профессор, Колганов Сергей Константинович

доктор физико-математических наук Соловьев Аркадий Николаевич

ОАО НИИ Физических измерений

Защита состоится « » <Р У^ 2

2010 г. в

часов на

заседании диссертационного Совета ДМ850.001.01 при Московской академии рынка труда и информационных технологий (ГОУ ВПО «МАРТИТ») по адресу: 121351, г. Москва, ул. Молодогвардейская, 46, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской академии рынка труда и информационных технологий.

Автореферат разослан

2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор

Чересов Ю.И.

российская государственная 3

библиотека j __2010__

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пьезоэлектрическое приборостроение - это одно из современных направлений приборостроения, в котором элементная база включает пьезокерамические элементы (ПКЭ) - тела простой геометрической формы, изготовленные из пьезокерамических материалов. На основе ПКЭ изготавливают пьезопреобразователи и различные средства, широко применяемые в науке и технике - радиоэлектронике, виброметрии, гидроакустике и ультразвуковой технике и т. д.

В настоящее время в пьезоэлектрическом приборостроении, как для исследовательских целей, так и для решения практических задач, связанных с диагностикой ПКЭ и пьезопреобразователей, широко применяют одни и те же методы испытаний в динамическом режиме. Для реализации этих методов используют характерные точки на частотной характеристике проводимости в области резонанса.

Большой вклад в развитие этих методов внесли как отечественные, так и зарубежные ученые. Среди них Акопьян В. А., Ганопольский В. В., Доля В. К., Иванов H. М., Крамаров О. П., Крамаров Ю. А., Милославский Ю. К., Парфенов Б. Г., Петин Г. П., Прудько Н. И., Пугачев С. И., Тимошенко С. П., Eernisse Е., Hollang R., Mason W., Martin G., Smits J. и ряд других.

Наиболее распространенными методами, реализующими динамический режим измерений, являются метод «резонанса-антирезонанса» и GBW-метод, являющийся развитием метода круговых диаграмм для комплексной проводимости. Перечисленные методы используют для определения большого числа важных параметров, таких как пьезомодуль и коэффициент электромеханической связи пьезокерамического материала, коэффициент электромеханической трансформации и эффективный коэффициент электромеханической связи ПКЭ и пьезопреобразователя как пьезорезонатора и т. д.

Метод «резонанса-антирезонанса» регламентирован стандартами и требует, например, для определения пьезомодуля первичных измерений в трех частотных областях: область низких частот (100 Гц или 1 кГц), область частот механического резонанса ПКЭ, область частот электромеханического резонанса (антирезоианса). Как правило, измеряют частотную зависимость модуля проводимости, далее по ней находят характерные точки (максимальное и минимальное значение) и определяют исходные данные, по которым проводится расчет по формулам, полученным путем

решения электромеханической задачи. Применение ОВ\У-метода для определения пьезомодуля связано с измерением частотной зависимости активной составляющей проводимости, определением по характерным точкам ширины резонансной кривой на уровне половинной мощности (0,5 от максимального значения) и проводимости на частоте резонанса с последующими расчетами по определенным формулам.

Учитывая, что количество методов испытаний ПКЭ и пьезопреоб-разователей в динамическом режиме ограничено, возможность выбора эффективного метода в зависимости от специфики конкретной задачи отсутствует.

Перенос исследовательских методов в область диагностики приводит к тому, что процедура испытаний становится неэффективной, а средства измерений сложны в реализации, не достаточно быстродействующие и не позволяют автоматически сразу после измерений формировать на выходе электрический сигнал, амплитуда которого была бы пропорциональна, например, величине пьезомодуля, что позволит автоматически управлять исполнительными устройствами разбраковки.

Кроме этого, сами по себе методы в!^ и «резонанса-антирезонанса» не свободны от ряда недостатков. Так, СВ\У-метод требует определения резонансного промежутка, т. е. небольшой разности двух больших значений частот: при этом погрешность определения этих значений частот переносится на погрешность определения небольшого резонансного промежутка, что приводит к большой погрешности определения результата, когда этот метод реализуется в автоматизированных средствах при измерениях проводимости в ряде дискретных точек. В случае применения метода «резонанса-антирезонанса» отсутствует возможность учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью. Кроме этого, отсутствует возможность исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи, когда затруднена локализация частоты антирезонанса.

Существующие методы оценки параметров и отбора качественных ПКЭ и пьезопреобразователей при их производстве и различных видах испытаний не всегда позволяют изготавливать изделия пьезоэлектрического приборостроения с высокими техническими характеристиками.

Таким образом, актуальной является научная проблема, заключающаяся в необходимости разработать новые научно обоснованные

технические и технологические решения путем создания многообразия информационно-измерительных и технологических методов определения параметров пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей, одни из которых будут устранять недостатки известных методов, другие станут основой создания нового поколения автоматизированных средств измерений, эффективно решающих практические задачи в пьезоэлектрическом приборостроении. Однако для решения указанной научной проблемы необходим новый научно-методический аппарат.

Представленные в диссертации результаты позволяют создать новый научно-методический аппарат путем разработки новых методов определения и контроля параметров пьезокерамического материала, ПКЭ и пьезопреобразователей, которые могут быть реализованы как на существующей в настоящее время аппаратуре, так и, более эффективно при диагностике, средствами измерений нового поколения.

Применение результатов диссертационной работы позволит реализовать новую технологию диагностики, отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что существенно повысит основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Объектом исследований являются пьезокерамические элементы и пьезопреобразователи.

Предмет исследования составляют информационно-измерительные и технологические методы, применяемые в пьезоэлектрическом приборостроении.

Цель диссертационной работы заключается в развитии и создании новых информационно-измерительных и технологических методов, а также разработке нового поколения автоматизированных и быстродействующих измерительных средств, применяемых в пьезоэлектрическом приборостроении.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Сформировать новый подход к определению пьезомодуля.

2. Разработать новые информационно-измерительные и технологические методы в пьезоэлектрическом приборостроении.

3. Провести экспериментальные исследования и сравнительный анализ новых методов.

4. Разработать научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств реализации новых методов.

При проведении исследований использовались методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей в применении к ПКЭ, методы теории измерений, программный пакет МаЙаЬ+БтиНпк для компьютерного моделирования технологических и информационно-измерительных процессов.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:

Корректностью постановок задач и применением математических методов их решения.

Непротиворечивостью предлагаемых решений известным результатам, полученным другими способами.

Проверкой соответствия данных, полученных на математических моделях, реально наблюдаемым экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулирован новый подход к определению пьезомодуля, отличающийся тем, что модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезо-модулем пьезокерамнческого материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ: любой метод определения емкости или индуктивности динамической ветви эквивалентной электрической схемы ПКЭ является методом определения пьезомодуля.

2. Разработаны две группы информационно-измерительных и технологических методов, позволяющих определять основные параметры пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей:

• методы первой группы представляют собой дальнейшее развитие известных методов, основанных на поиске характерных точек на измеренной частотной характеристике проводимости: - метод, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности (0,7 от максимального значения), отличающийся тем, что не требует для своей реализации значения частоты антирезонанса и позволяет определять, например, пьезомодуль пьезокерамнческого материала по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса;

- метод, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, отличающийся тем, что позволяет учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью;

- метод, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ПКЭ и ее производной, отличающийся тем, что позволяет определять параметры только по амплитудным измерениям;

• методы второй группы отличаются тем, что не требуют поиска характерных точек и основаны на новых алгоритмах обработки частотных и временных характеристик ПКЭ:

- метод, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ и позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации;

- метод, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей в начале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации.

3. Разработаны научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении, которые:

- не требуют проведения измерений в характерных точках частотных характеристик и определения небольшой разности частот (резонансных промежутков) для двух больших значений частоты;

- позволяют получить результат за промежуток времени менее 1 сек.;

- автоматически сразу после измерений формируют на выходе электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна контролируемому параметру пьезокерамического материала, ПКЭ или пьезопреобразователя, что позволяет автоматически выполнять их разбраковку.

Теоретическая значимость работы заключается в формировании многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении и создании условий для дальнейших разработок благодаря возможности использовать хорошо разработанный аппарат теории линейных электрических цепей для определения параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ и пьезо-преобразователей.

Практическая ценность работы обусловливается следующим:

• Формированием экспериментально апробированного многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении, каждый из которых эффективен при решении конкретной практической задачи.

В том числе:

- метода, позволяющего при измерениях модуля проводимости ПКЭ или пьезопреобразователя проводить диагностику, когда нельзя пренебречь механическими потерями;

- метода, позволяющего при измерениях модуля проводимости ПКЭ или пьезопреобразователя проводить диагностику при отсутствии возможности измерить частоту антирезонанса;

- метода, позволяющего при измерениях активной составляющей проводимости ПКЭ и пьезопреобразователя проводить диагностику только по амплитудным измерениям;

- методов экспресс-диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей, которые не требуют поиска характерных точек, и, тем не менее, сразу после измереиий позволяют получить количественную информацию о значении контролируемого параметра.

• Внедрением в производство автоматизированных средств измерений для диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей нового поколения.

• Повышением производительности при испытаниях больших партий ПКЭ и пьезопреобразователей за счет увеличения быстродействия средств измерений.

• Возможностью реализовать новую технологию диагностики, отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что, в свою очередь, позволит существенно повысить основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в разработки НКТБ «Пьезоприбор» - одной из ведущих организаций в России в области пьезоэлектрического приборостроения: в комплекс «Лиман-Пьезо» (68.70.00.00.000), в аппаратуру «Цензурка-М» (68.86.00.00.000), в автомат для измерения параметров и паспортизации пьезоэлементов и преобразователей «Пьезо-1», а также внедрены в учебный процесс факультета высоких технологий Южного федерального университета, реализующего магистерскую подготовку по программе «Пьезоэлектрическое приборостроение»: дисциплина «Измерительные технологии в пьезоэлектрическом приборостроении».

Новые научные результаты и положения, разработанные автором лично и выносимые для публичной защиты:

1. Новый подход к определению пьезомодуля, в соответствии с которым модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезомодулем пьезоке-рамического материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ.

2. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности, позволяющий определять пьезомодуль по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса.

3. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, позволяющий учитывать механические потери в пьезокерамическом материале.

4. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ПКЭ и ее производной, позволяющий определять пьезомодуль только по амплитудным измерениям.

5. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ, не требующий поиска характерных точек на частотной характеристике и позволяющий автоматически сразу после измерений получать электрический сигнал постоянного уровня, пропорциональный величине квадрата пьезомодуля.

6. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей в начале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать импульс тока, амплитуда которого пропорциональна величине квадрата пьезомодуля.

7. Научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции стран СНГ «Проблемы метрологии гидрофизических измерений» (Москва, 1992), Международной научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Ростов н/Д, 1999), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» (Ростов н/Д, 2006), Международной научно-практической конференция «Инновационные процессы в пьезоэлектрическом приборостроении» (Анапа, 2008), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (Таганрог, 2009), Восьмой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в монографии, 23 статьях в журналах и научно-технических сборниках (в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ), 4 патентах РФ, 6 тезисах докладов на Международных и Всероссийских конференциях, учебно-методическом пособии с грифом УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники. Список 35 работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 156 наименований.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность, новизна, научная и практическая значимость диссертационной работы, сформулированы цель работы и задачи исследований, перечислены научные результаты, выносимые на защиту, и кратко раскрыто содержание диссертации.

В первой главе проводится анализ информационно-измерительных и технологических методов, применяемых в пьезоэлектрическом приборостроении.

Рассматривается общая характеристика пьезокерамических материалов и ПКЭ, этапы их производства, параметры, используемые для оценки поляризационных свойств и качества пьезокерамического материала и изготовленных образцов ПКЭ. Отмечено, что традиционно исследование пьезокерамических материалов проводится путем решения электромеханической задачи.

В большинстве своих применений ПКЭ и пьезопреобразователи на их основе являются пьезорезонаторами и, как пьезорезонаторы, характеризуются определенными свойствами и набором параметров. Поэтому в первой главе рассмотрено часто используемое их представление в области резонанса электромеханической и электрической эквивалентными схемами.

Подробно рассмотрены методы и средства измерений, применяемые в настоящее время для определения параметров и диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей как по частотным характеристикам, так и при импульсном воздействии.

В завершении главы формулируется проблема, связанная с отсутствием многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении, что не дает возможности выбора метода, эффективного в конкретной практической задаче. Ее суть состоит в следующем.

С одной стороны, для определения и контроля параметров пьезокерамического материала, ПКЭ и пьезопреобразователей при серийном выпуске и различных видах их испытаний требуются средства измерений, отличающиеся простотой и высокой скоростью измерений. Однако в настоящее время для этих целей используют, например, частотные измерения и основанные на них методы «резонанса-антирезонанса» или СВ\У, опираясь на которые не удается обеспечить вышеуказанные требования, поскольку реализация этих методов предполагает три этапа:

- первый этап - первичные измерения;

- второй этап - поиск характерных точек на измеренных частотных характеристиках и определение значений каких-то величин в этих характерных точках;

- третий этап - проведение расчетов по формулам, связывающим пьезомодуль или коэффициент электромеханической связи и значения величин в этих характерных точках.

С другой стороны, методы «резонанса-антирезонанса» и вВ\У имеют ряд недостатков.

В случае применения метода «резонанса-антирезонанса»:

- отсутствует возможность учитывать механические потери в пьезо-керамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразова-тели с невысокой добротностью;

- отсутствует возможность исследовать ПКЭ и пьезопреобразова-тели, когда затруднена локализация частоты антирезонанса,

- процедура первичных измерений является трудоемкой, поскольку необходимо проводить, в частности для определения пьезомо-дуля, три вида измерений: в области частот механического резонанса, в области частот антирезонанса и на частотах много ниже резонанса. Причем при измерении резонансных частот необходимо в каждом из этих измерений отдельно подбирать величину добавочного резистора, установленного последовательно с ПКЭ, для четкой локализации резонансов.

В случае применения СВ\¥-метода необходимо определять резонансный промежуток, т. е. небольшую разность двух больших значений частот: при этом погрешность определения этих значений частот переносится на погрешность определения небольшого резонансного промежутка, что приводит к большой погрешности определения результата.

Перечисленные недостатки исправить в рамках традиционного подхода основанного на решении электромеханической задачи не представляется возможным. Необходим новый научно-методический аппарат, опирающийся на новые алгоритмы реализации.

Необходимо сформировать многообразие информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении, которое позволило бы осуществлять выбор метода, эффективного для конкретной практической задачи. Например, нужны методы, позволяющие расширить возможности метода «резонанса-антирсзонанса», методы, в которых отсутствует необходимость в определении резонансных (частотных)

промежутков или методы, не требующие проведения дополнительной обработки результатов первичных измерений. Последние позволят создать новое поколение эффективных автоматизированных средств, которые в результате проведения только первичных измерений сразу автоматически будут формировать на выходе электрический сигнал, амплитуда которого будет пропорциональна определяемому параметру, и сразу автоматически этим сигналом будет осуществляться управление исполнительными устройствами разбраковки ПКЭ или пьезопреобразователей.

Вторая глава посвящена разработке многообразия новых информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении.

Предложен новый подход к определению пьезомодуля, позволяющий сформулировать, с одной стороны, аналоги уже известных методов (применяемые в них расчетные формулы можно рассматривать как частный случай нового подхода) и методы, представляющие собой развитие известных методов, с другой стороны - новые методы, позволяющие создавать простые и быстродействующие средства диагностики ПКЭ по величине пьезомодуля. Рассмотрено применение этих методов для определения и контроля параметров ПКЭ и пьезопреобразователей как пьезорезонаторов.

Суть нового подхода состоит в следующем. Возьмем за основу (приведенную в справочнике Пьезокерамические преобразователи / под.

ред. С. И. Пугачева. Л: Судостроение, 1984.) связь пьезомодуля с коэффициентом электромеханической трансформации пе. Этот коэффициент используется, когда реальный ПКЭ на определенной моде колебаний заменяется эквивалентной электромеханической схемой с сосредоточенными параметрами (рис. 1, а), содержащей трансформатор, связывающий механическую и электрическую стороны.

Приведенная к электрической стороне эквивалентная схема ПКЭ

2 2 показана на рис. 1, б. Емкость С = сэпе, индуктивность Ь=тэ/пе и

активное сопротивление /?=гмп/«^ характеризуют динамические свойства ПКЭ и поэтому называют дииамическими. Частоты резонанса и аити-резонанса определяются соответственно формулами:

1 :п

Рис. 1. Эквивалентные электромеханическая и электрическая схемы ПКЭ

К параметрам, связанным с эквивалентной электрической схемой ПКЭ относят эффективный коэффициент электромеханической связи кс, являющийся обобщенной характеристикой ПКЭ для произвольной моды колебаний как пьезорезонатора и фактор качества М:

с

1

Сп+С с1

К.+1

2 2 со-со„

а р

м =■

1

й)рЯС0

, (2)

где Ст - емкость на низкой частоте, гс = С0 /С - емкостное отношение, <2М = - механическая добротность.

Учитывая связь параметров эквивалентной электрической схемы ПКЭ с коэффициентом электромеханической трансформации, в частности, с динамической индуктивностью и емкостью, в диссертации получена формула:

1

= Д7С'

(3)

где Д/ - некоторая константа, зависящая от геометрии и размеров ПКЭ, а

СЕ

также компонент упругой податливости пьезокерамического материала .

Например, для стержня и столбика соответственно выражения для Ду поперечной и продольной мод колебаний имеют вид:

Л-2 /

;г2 /

где Г - толщина, IV - ширина, I - длина.

Для тонкого кольца и шайбы константы Рц соответственно будут иметь вид:

йк сЕ ош __I_СЕ

Р31 ~ „/п,—Г~Ръ\~-5-о-

где Я - внешний радиус, г - внутренний радиус, и> - ширина кольца, I -толщина шайбы.

Учитывая тот факт, что при определении пьезомодуля на образцах ПКЭ в форме диска в расчетные формулы должен входить коэффициент Пуассона сг, в диссертации представлены приближенные формулы для определения планарного коэффициента электромеханической связи кр и

константы не требующие значения а \

(4)

/? 1,88——---- (5)

7ГГ2 р{2тгг/р)2

где Гиг- соответственно толщина и радиус диска.

Методическая погрешность форму (4) и (5) не превышает 2%. Возможна запись констант и для образцов ПКЭ другой формы. Как следует из (3), для ПКЭ заданной формы и размеров можно определить пьезомодуль материала, если измерить каким-либо методом один из динамических параметров {Ь или С) его эквивалентной электрической схемы. Это создает условия для разработки большого числа методов определения пьезомодуля благодаря хорошо разработанной теории линейных электрических цепей.

Соотношения, используемые и в ОВ\У-методе, и в методе «резонанса-антирезонанса» являются частным случаем формулы (3). С учетом соотношений (1), (2) ниже показан пример преобразований известных формул метода «резонанса-аитирезоианса», имеющихся, например, в указанном выше справочнике, для ПКЭ в виде стержня (мода колебаний СИ/). Использованы обозначения: j - коэффициент электромеханической

Т

связи пьсзоксрамичсского материала, - диэлектрическом проницаемость.

^31 -^31(е33^ц)

кЪ\ _ 7Г (Од

1-4

(п

2 ШР У

0 2 2 , 2 * Ыа-Ыр

31 ~ й 2 8 соа

к2 ~—к 8 8 Ст

£33= — С1 /УУ

^

8 Ли

В связи с выше изложенным, в диссертации подробно рассмотрен вопрос определения параметров элементов эквивалентной электрической схемы. Приведем некоторые результаты.

Определение параметров эквивалентной электрической схемы по известным значениям параметров ПКЭ

Если измеряется модуль проводимости ПКЭ в области резонанса и антирезонанса, а также его емкость на низкой частоте, то

1

0)7,

со;с

(6)

При измерении активной составляющей проводимости ПКЭ производная от активной составляющей проводимости на частоте максимума

имеет вид:

а добротность

G\CO ) = —-—м

^ v^max/

_K(0pG\(0m ах)

Как видно из (7) значение механической добротности определяется только по амплитудным измерениям: измеряется максимальное значение активной составляющей проводимости и максимальное значение ее производной.

Для определения Си L используются формулы

apRQu сОрС

Определение параметров эквивалентной электрической схемы по измерениям модуля проводимости

Если значения модуля проводимости измерялись только в области частот механического резонанса, то при маленьких механических потерях (добротность ПКЭ более 100), как отмечено в ОСТ 11 0444-87 Материалы пьезокерамические п. 6.1, добротность ПКЭ определяется по ширине резонансной кривой на уровне половинной мощности A coY (уровень 0,7 от максимального значения модуля проводимости). Тогда

= (9)

co2pR Ай)у

Если измерены частоты максимума и минимума модуля проводимости со т и со „ , сами значения модуля проводимости на этих частотах |У/Л| и |F„ |, а также емкость ПКЭ на низкой частоте, то используются известные расчетные соотношения (Martin G. Е. Determination of equivalent-circuit constants of piezoelectric resonator of moderately low Q by absolute-admittance measurements. // JASA. 1954. № 3. P. 413-420):

М =

^пу V2

Ч|Уп1 ©т;

1

Г = 0 =

+ ■

'Ш

1У„1

IК I ^

У

/ Л1/2

1+Л

М'

с

со„

О),

-1

'/и У

1/2 '

С=Ст/(гс+1), Ь = \/(си2рС).

(Ю)

Определение параметров эквивалентной электрической схемы по измерениям активной составляющей проводимости

При измерении частотной характеристики активной составляющей проводимости, как указано в упоминавшемся справочнике, для расчета параметров эквивалентной электрической схемы ПКЭ используется ширина резонансной кривой активной составляющей проводимости на уровне половинной мощности (0,5 от максимального значения) А ¿а :

А со #

С =—-—, Ь =

со; я

Ай)

(И)

Если дополнительно к активной составляющей проводимости еще определяется и ее производная, то параметры элементов эквивалентной электрической схемы рассчитывают только по амплитудным измерениям, например, динамическая емкость определяется формулой:

С =

4 О'г(сор)

*о>;С\а>а

)

(12)

Другой возможный метод определения параметров элементов эквивалентной схемы ПКЭ основан на интегрировании частотной зависимости активной составляющей проводимости в области частот механического резонанса. В диссертации показано, что

I = *¡G{a)d<o=~. (13)

о 2 L

Из (13) следует

C=f £=f 7 ■ 04)

n ú)p 2 1

Реально измерения активной составляющей проводимости осуществляется в конечном интервале частот от т 1 до о)2- Если брать

МО ~

частоты <й\ и а)2 из условия (¿У]й>2) = а диапазон измерении

будет в 4 - 5 раз превышать ширину резонансной кривой активной составляющей проводимости на уровне 0,5 от максимального значения, то интеграл будет определяться формулой:

1 =

( 2 Ай) ^ а>2

1 + - х \G{co)d(o. (15)

Я&2-Щ) щ

Определение параметров эквивалентной электрической схемы ПКЭ по переходному процессу при импульсном воздействии

В диссертационной работе форма переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом с амплитудой 1/0 рассматривается как амплитудно-модулированный сигнал со стопроцентной модуляцией: несущее колебание частоты сор модулируется по амплитуде импульсом экспоненциальной формы. Показано, что динамическая индуктивность эквивалентной электрической схемы ПКЭ определяется по скорости изменения тока по огибающей в начале переходного процесса:

L~U0

í dm \

t=0,

(16)

Во второй главе также приведены результаты компьютерного моделирования новых методов определения параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ.

Приведем компьютерную модель измерительной схемы импульсного метода, построенную при помощи БипиНпк (рис. 2) и показания мониторов (рис. 3).

8сорв4 Бсоре5

Рис. 2. Компьютерная модель для реализации импульсного метода

а) Монитор - Бсоре 1

в) Монитор - Б соре5

б) Монитор - БсореЗ

г) Монитор - Бсоре8

Рис. 3. Показания мониторов

45529135988

Очевидно, что, используя аппарат теории линейных электрических цепей, можно предложить и другие варианты определения динамической емкости или индуктивности по результатам измерений частотных или временных характеристик ПКЭ, т. е. можно предложить большое количество методов определения пьезомодуля.

Опираясь на приведенные выше соотношения (6) - (16) для определения параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ, можно записать следующие формулы для определения пьезомодуля:

, С\со1-сй2Л

<tj=P4 \ * > 07)

со„

а

08)

сopR

(19)

(20)

гс+1 , 4 G2(a>„)

dfj =Pij~ 2 , Р , (21)

Я Q}pG\QJmax)

(22)

я 0 <4

Соотношения (17) - (22) применяются при измерении частотной характеристики проводимости.

При возбуждении ПКЭ радиоимпульсом с частотой синусоидального заполнения, совпадающей с частотой механического резонанса, величина квадрата пьезомодуля пропорциональна скорости уменьшения тока в начале переходного процесса при закороченных электродах и определяется формулой:

djj =

2 71 Рч 1 / dm \

К ио \ dt 1=0 J

(23)

Формулы (17) - (23) позволяют сформулировать две группы методов определения пьезомодуля. Рассмотрим их подробно.

Первая группа методов базируется на формулах (17) - (21).

Формула (17) аналогична применяемой в методе «резонанса-антирезонанса», а формула, аналогичная (18), применяется в ОВ\У-методе. Это подтверждает факт согласованности результатов, получаемых либо путем решения электромеханической задачи, либо путем привлечения эквивалентной электрической схемы для установления связи между пьезомодулем и частотными характеристиками ПКЭ.

Формулы (19), (21), (22) позволяют сформулировать методы, представляющие собой дальнейшее развитие известных методов.

Опираясь на формулу (19), можно сформулировать метод определения пьезомодуля, при котором в ПКЭ известных геометрических размеров возбуждают одномерные линейные моды колебаний путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, измеряют частоту механического резонанса ПКЭ, сопротивление на этой частоте, а также значения частот, соответствующих величине модуля проводимости на уровне 0,7 от максимального значения, определяют ширину резонансной кривой на этом уровне, а пьезомодуль определяют по формуле (19). Согласно этому методу, все измерения проводятся по модулю проводимости в области механического резонанса ПКЭ. Простота реализации является его основным достоинством, а сам метод расширяет возможности метода «резонанса-антирезонанса» для тех ПКЭ, у которых по каким-либо причинам невозможно измерение частоты антирезонанса или емкости ПКЭ на низкой частоте.

Рассмотренный метод, как и метод «резонанса-антирезонанса», не учитывает механические потери в пьезокерамическом материале, т. е. применим только для ПКЭ с высокой добротностью. Учесть механические потери и расширить возможности применения метода «резонанса-антирезонанса» для ПКЭ с невысокой добротностью позволит метод, опирающийся на формулу (20). Для реализации метода, необходимо вначале выполнить те же первичные измерения, что и в методе «резонанса-антирезонанса», затем измерить сами значения модуля проводимости на частотах максимума и минимума,

определить емкостное отношение по формулам (10), а пьезомодуль по формуле (20).

Опираясь на формулу (21), можно сформулировать метод определения пьезомодуля, отличающийся от СВ\У-метода тем, что вместо определения резонансного промежутка находят максимальные значения активной составляющей проводимости и ее производной, т. е. проводят только амплитудные измерения.

Вторая группа методов позволяет создавать простые и быстродействующие устройства для диагностики пьезокерамических элементов и различных видов контроля пьезомодуля.

Опираясь на формулу (22), можно сформулировать следующий метод определения пьезомодуля: возбуждают одномерные моды колебаний в ПКЭ известных размеров путем воздействия на него электрическим напряжением с переменной частотой, измеряют площадь под кривой активной составляющей проводимости (интеграл), по которой определяют пьезомодуль.

В результате применения метода за одно качание частоты в области механического резонанса ПКЭ формируется напряжение постоянного уровня, равное площади под кривой активной составляющей проводимости и пропорциональное квадрату пьезомодуля. Это напряжение позволяет автоматически управлять исполнительными механизмами для разбраковки ПКЭ.

Наиболее быстродействующий метод определения пьезомодуля можно сформулировать опираясь на формулу (23).

Возбуждают в ПКЭ механические колебания путем подачи на его электроды радиоимпульса известной амплитуды с прямоугольной огибающей и частотой заполнения, равной частоте механического резонанса ПКЭ на определенной моде колебаний. В момент окончания радиоимпульса замыкают электроды и регистрируют возникающий переходной процесс. Выделяют огибающую переходного процесса. Измеряют по этой огибающей скорость изменения тока в начале переходного процесса, а пьезомодуль определяют по формуле (23).

Сводная таблица методов определения пьезомодуля в динамическом режиме приведена на рис. 4.

Представленные результаты позволяют при известной емкости ПКЭ на низкой частоте определять коэффициент электромеханической связи пьезокерамического материала ПКЭ.

Коэффициент электромеханической трансформации определяется формулами:

что позволяет составить таблицу методов определения параметров ПКЭ как пьезорезонаторов аналогичную приведенной на рис. 4.

При известной емкости ПКЭ на низкой частоте приведенные формулы позволяют определять эффективный коэффициент электромеханической связи.

Третья глава содержит обширный экспериментальный материал, собранный для образцов ПКЭ из различных пьезокерамических материалов с различной геометрической формой.

Испытания проводились на аппаратуре «Цензурка-М» производства НКТБ «Пьсзоприбор», которая является универсальным средством измерения, прошедшим испытания на присвоение типа средства измерений. На экран монитора после проведения измерений выводятся частотные характеристики проводимости, результаты измерений в характерных точках, в частности, значения частот резонанса и антирезонанса, измеренных по значениям модуля проводимости в точках максимума и минимума. В аппаратуре «Цензурка-М» заложена возможность определения значений частоты механического резонанса, добротности, ширины резонансной кривой для активной составляющей проводимости, а также определение параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ и пьезопреобразователей путем решения оптимизационной задачи для активной составляющей проводимости.

Приведем результаты исследований по определению пьезомодуля материала на образце ПКЭ в виде стержня: на рис. 5 линия 1 соответствует модулю проводимости, линия 2 и линия 3 - активная и реактивная составляющие соответственно. Данные табл. 1 приведены в системе единиц СИ.

200

п2с =тэ — \С{а))йсо, к о

иереи*

Сй, н* Ь,нГн Полоса, кГп 0.120 753.846 0.134

ю

Рис. 5. Вид экрана монитора ИВК «Цензурка-М» после проведения измерений

Результаты испытаний

Таблица 1

Известные методы

Метод «резонанса-антирезонанса»

*31 = я /а

1-^3. 2fp

Г П Iа /, Л

Р /

—

^31 =^31^зТз5п)1/2. ^31 =0,114, г3т3 =18,12-10"9, =15,07-10"12,

¿32, =0,114 18,12 -Ю-9 15,07 -10~12 =31267-10"24, с!31 = 176,8-10~12

ОВ\У-метод

л.,

2 = 9,4-90-10"3 -7300-15,07-15,07-10 . . .

л-24

<31

8-8

¿31 =170,7 -10~12

Новые методы

Константа методов:

ж1 г „в 3,14 • 3,14-9,4-15,07-10~12

8-8-90-10

-3

= 2,42-10

-10

Метод определения пьезомодуля по динамической емкости

4 = /?3С, С = 2,42 • Ю"10 • 120 • 10"12 = 29040 • 10"24, |</3| = 170,4 • 10

\-12

Аналог GBW-мeтoдa .3

^ = 42-10-^ М8-Ц34-10» = 28858-

(6,28-16,76-103)2 -637

¿з, =169,9-10

-12

Окончание табл. 1

Аналог метода «резонанса-антирезонанса»

р>_

л-10

= 2,42- 10~1и -1388-10"12 • 0,093=31238-10

л-24

СОп

с1м =176,7-10

-12

Метод определения пьезомодуля по частотам максимума и минимума модуля проводимости и самим значениям модуля проводимости на этих частотах

Со С

Г„ = —-

1 +

м-

1/2

\2

, с=сТ/(гс+\), 4=^31

1

-1

М=10,гс= 10,2, Й =2,42- Ю-10 • 1388-10~12/(10,2+1)=2999010~24,

¿31 =173,2-Ю-12

Метод определения пьезомодуля по щирине резонансной кривой модуля проводимости на уровне 0,7 от максимального значения

4 = Ръ\К\^т = 2,42-Ю"10 • 1,58■ Ю-3 б'28'0'138'1^ = 30244

со:

(6,28-16,754-103)2

=173,91-10

-12

Далее на рис. 6 показан пример определения площади под кривой на графике активной составляющей проводимости. Учитывая, что кривая практически симметрична, потеря площади слева от максимума компенсируется излишком площади справа от максимума.

На рис. 7 показана кривая, описывающая поведение производной от активной составляющей проводимости в области своего максимума. Она построена путем определения разности значений между двумя соседними точками на кривой активной составляющей проводимости (рис. 6).

16,4 16.5 16,6 16.7 16,8 16,9 17 17,1 £ крц

Рис. 6. Определение площади под кривой активной составляющей

проводимости

Рис. 7. Производная от активной составляющей проводимости в области своего максимума

Площадь

/ = (г +. 5 . 2я = (1 + -Н-Й121) • 0,298 • 6,28 = 2,07,

Ч жшг-ых' \ 3,14 0,8 / ' '

2 1 2 2,07

С = - — = —-—-— = 119 рР,

3,14 (6,28 • 16,76-10 )

¿31 = С = 2.42 - Ю-10 -119- Ю-'2 =28798 -10"24,

¿/31 = 169,7 -10"12

Производная

= ^Утах) 16,759-15,05

" 4 С (0)р) 1,582

4 = А1-'-= 2,42 • 10"10-1—-= 28877 • 10-24,

а„И(2м 6,28 • 16,759 • 10 -637-125

¿31 = 169,9 10"12

Все экспериментальные результаты, приведенные в третьей главе, соответствуют теоретически ожидаемым.

Четвертая глава посвящена средствам измерений, применяемым в пьезоэлектрическом приборостроении.

Рассмотрены измерительно-вычислительные комплексы, разработанные в НКТБ «Пьезоприбор», а также автоматизированные средства измерений, не требующие применения ЭВМ.

Сформулированы научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений, которые:

- не требуют проведения измерений в характерных точках частотных характеристик и определения небольшой разности частот (резонансных промежутков) для двух больших значений частоты;

- позволяют получить результат за промежуток времени менее 1 сек.;

- автоматически сразу после измерений формируют на выходе электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна контролируемому параметру пьезокерамического материала, ПКЭ или

пьезопреобразователя, что позволяет автоматически выполнять их разбраковку.

Представлено, например, устройство для контроля пьезокерамических элементов, содержащее генератор качающейся частоты (ГКЧ), усилитель мощности, токовый резистор, синхронный детектор и индикатор амплитудно-частотных характеристик (ИАЧХ), интегратор, блок управления интегратором и индикатор величины пьезомодуля. В этом устройстве выход синусоидального напряжения ГКЧ подключен ко входу усилителя мощности, выход усилителя мощности подключен к первому входу синхронного детектора и к цепочке из последовательно соединенных пьезокерамического элемента и резистора, к точке соединения пьезо-керамического элемента и резистора подключен второй вход синхронного детектора, выход синхронного детектора подключен к входам интегратора и ИАЧХ, выход интегратора подключен ко входу индикатора величины пьезомодуля, вход блока управления индикатором подключен к выходу пилообразного напряжения ГКЧ, а его выход - к управляющему входу интегратора.

Основным параметром, измеряемым в области частот механического резонанса ПКЭ, является частотная характеристика активной составляющей проводимости С?(£У), которая выделяется с помощью фазового (синхронного) детектора.

Процедура измерений С7(£У) понятна из структурной схемы устройства приведенной на рис. 8, где использованы обозначения: 1 - усилитель мощности, 2 - синхронный детектор, 3 - блок дополнительных резисторов, 4 - ПКЭ, 5 - интегратор, 6 - блок управления интегратором.

На выходе синхронного детектора с помощью ИАЧХ регистрируется частотная характеристика активной составляющей проводимости. К моменту завершения сканирования частоты на выходе интегратора появляется сигнал постоянного уровня, соответствующий интегралу от кривой активной составляющей проводимости в заданном диапазоне частот (соответствующий площади под кривой активной составляющей проводимости). Этот сигнал пропорционален квадрату величины пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации и используется для управления исполнительными механизмами, обеспечивающими разбраковку ПКЭ.

Рис. 8. Структурная схема прибора для контроля величины пьезомодуля

Структурная схема устройства для контроля величины пьезомодуля при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом показана на рис. 9.

Выход генератора синусоидальных сигналов (1) подключен к входу частотомера (2) и через электронный ключ (3) подключен к входу усилителя мощности (4), выполняющему роль буфера. Выход усилителя мощности подключен к цепочке, состоящей из последовательно включенных ПКЭ (5) и токового резистора (6). К точке соединения ПКЭ и токового резистора подключен вход амплитудного детектора (10), выход которого подключен к входу дифференциатора (11). Выход дифференциатора через электронный ключ (12) подключен к блоку регистрации (8). Формирователь импульсов управления (9) подключен к электронным ключам (3) и (12).

С помощью генератора синусоидальных сигналов, частотомера и электронного ключа формируется прямоугольный радиоимпульс с частотой синусоидального заполнения, соответствующей частоте механического резонанса ПКЭ. Этот импульс воздействует на ПКЭ, а на токовом

резисторе формируется импульс тока, состоящий из двух частей: ток при воздействии радиоимпульсом и ток в переходном процессе. Далее, этот импульс тока подается на амплитудный детектор и затем на дифференциатор. Стоящий после дифференциатора электронный ключ, выделяет импульс, соответствующий скорости изменения тока по огибающей в начале переходного процесса.

Рис. 9. Устройство для контроля пьезомодуля при импульсном возбуждении ПКЭ

Амплитуда этого импульса пропорциональна квадрату величины пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации и используется для управления исполнительными механизмами, обеспечивающими разбраковку ПКЭ.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе сформулирован новый подход к определению пьезомодуля, в соответствии с которым модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезомодулем пьезокерамического материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ: любой метод определения емкости или индуктивности динамической ветви эквивалентной электрической схемы ПКЭ является методом определения пьезомодуля. Этот подход создает условия для разработки большого числа методов определения пьезомодуля материала и других параметров ПКЭ и пьезопреобра-зователей благодаря возможности использовать хорошо разработанный аппарат теории линейных электрических цепей для определения параметров элементов динамической ветви эквивалентной электрической схемы ПКЭ.

2. Разработаны и экспериментально апробированы две группы информационно-измерительных и технологических методов, позволяющих определять основные параметры пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей:

• методы первой группы представляют собой дальнейшее развитие известных методов, основанных на поиске характерных точек на измеренной частотной характеристике проводимости:

- метод, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности (0,7 от максимального значения), отличающийся тем, что не требует для своей реализации значения частоты антирезоианса и позволяет определять, например, пьезомодуль пьезокерамического материала по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса;

- метод, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, отличающийся тем, что позволяет учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью;

- метод, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ПКЭ и ее производной, отличающийся тем, что позволяет определять параметры только по амплитудным измерениям;

• методы второй группы отличаются тем, что не требуют поиска характерных точек и основаны на новых алгоритмах обработки частотных и временных характеристик ПКЭ:

- метод, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ и позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации;

- метод, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей в начале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации.

3. Разработаны научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении, которые:

- не требуют проведения измерений в характерных точках частотных характеристик и определения небольшой разности частот (резонансных промежутков) для двух больших значений частоты;

- позволяют получить результат за промежуток времени менее 1 сек.;

- автоматически после измерений формируют на выходе электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна контролируемому параметру пьезокерамического материала, ПКЭ или пьезопреоб-разователя, что позволяет автоматически выполнять их разбраковку.

Представленные результаты обеспечивают внедрение в производство автоматизированных средств измерений для диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей нового поколения, повышение производительности при испытаниях больших партий ПКЭ и пьезопреобразователей за счет увеличения быстродействия средств измерений и возможность реализовать новую технологию отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что позволит существенно повысить основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Таким образом, в диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения в области пьезоэлектрического приборостроения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

4. НАУЧНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Земляков В. Л., Никешин С. Г. Определение коэффициента усиления акустической антенны по давлению из измерений в зоне Френеля // Акуст. журн. 1983. № 5. С. 615-618.

2. Земляков В. В., Земляков В. Л. Новый подход к измерению пьезо-модуля пьезокерамических материалов в динамическом режиме // Измерительная техника. 2002. № 4. С. 52-55.

3. Земляков В. Л. Определение параметров пьезокерамических материалов на образцах элементов в форме диска // Измерительная техника. 2003. № 12. С. 52-53.

4. Земляков В. Л. Измерение пьезомодуля при импульсном возбуждении пьезокерамических элементов // Измерительная техника. 2006. № 10. С. 71-72.

5. Земляков В. Л., Ключников С. Н., Кулинич А. И. Определение пьезомодуля пьезокерамических материалов на образцах элементов в форме диска // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 2. С. 212-215.

6. Земляков В. Л. Измерение пьезомодуля по активной составляющей проводимости пьезокерамического элемента // Измерительная техника. 2009. № 8. С. 64-66.

7. Земляков В. Л. Определение пьезомодуля на образцах пьезокерамических элементов с невысокой добротностью // Метрология (приложение к журналу Измерительная техника). 2010. № 1. С. 30-33.

8. Земляков В. Л. Компьютерное моделирование измерительных средств для контроля пьезомодуля // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Технические науки. 2010. № 1. С. 42-44.

9. Земляков В. Л. Простой метод определения пьезмодуля // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. № 2. С. 147-151.

10. Земляков В. Л., Ключников С. Н. Определение параметров пьезокерамических элементов по амплитудным измерениям // Измерительная техника. 2010. № 3. С. 38-40.

11 .Земляков В. Л. Методы определения и контроля параметров пьезоэлектрических резонаторов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. №5. С. 66-70.

Патенты РФ:

12. Патент РФ 1394169 МПК вОШ 29/22. Способ контроля качества пьезоэлектрических преобразователей / В. К. Доля, В. П. Дунаевский, В. Л. Земляков - Опубл. 07.05.1988. Бюл. № 17.

13. Патент РФ 1648175 МПК Н03Н 3/02. Способ определения пьезомо-дулей / В. Л. Земляков - Опубл. 28.02.1994. Бюл. № 8.

14. Патент РФ 1800406 МПК вОШ 29/22. Способ определения пьезо-модулей. / В. Л. Земляков - Опубл. 07.03.1993. Бюл. № 9.

15. Патент РФ 2029445. МПК Н041* 29/00. Устройство для контроля пьезокерамических элементов / В. Л. Земляков - Опубл. 20.02.1995. Бюл. № 5.

Монографии:

16. Земляков В. Л. Методы и средства измерений в пьезоэлектрическом приборостроении: монография. Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009.180 с. (Пьезоэлектрическое приборостроение. Т. 5).

Тезисы докладов на Международных и Всероссийских конференциях

17. Доля В. К., Земляков В. Л., Милославский 10. К. Современные автоматизированные средства измерения и контроля параметров пьезо-элементов, электроакустических пьезопреобразователей и антенных решеток // Сборник трудов научно-технической конференции стран СНГ «Проблемы метрологии гидрофизических измерений». Москва. 1992. С. 36.

18. Земляков В. Л., Иванов Н. М„ Милославский Ю. К. Системный подход к созданию автоматизированных измерительных комплексов по контролю параметров изделий пьезотехники. // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». Т. 2. Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, 1999. С. 73-80.

19. Земляков В. Л. О дискретности записи частотной характеристики проводимости пьезоэлементов. // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». Ростов н/Д: Изд-во ООО «ЦВВР», 2006. С. 160-162.

20. Земляков В. Л. Прибор для измерения и контроля пьезомодуля в динамическом режиме. // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». Ростов н/Д: Изд-во ООО «ЦВВР», 2006. С. 150-154.

21. Земляков В. Л. О создании магистерской программы «Пьезоэлектрическое приборостроение» // Сборник трудов VI Международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». Ростов н/Д: Изд-во РГПУ, 2008. С. 287-290.

22. Земляков В. Л., Ключников С. Н., Кулинич А. И. Современные методы и приборы автоматизированного измерения пьезомодуля // Сборник трудов восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». СПб: изд-во Политехнического университета, 2009. С. 144-145.

Статьи в прочих изданиях:

23. Доля В. К., Земляков В. Л„ Милославский Ю. К. Контроль параметров и испытание акустических преобразователей и систем с помощью комплексов на базе микро-ЭВМ. // Сборник статей Акустические средства и методы освоения океана. Владивосток: изд-во ДВГУ, 1981. С. 67 - 71.

24. Земляков В. Л., Землякова Н. В. Использование систем формирования изображений для дефектоскопии электроакустических преобразователей антенных решеток. // Сборник статей Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1985. Вып. 5. С. 82-85.

25. Земляков В. Л. О контроле электроакустического КПД пьезопреоб-разователя. // Сборник статей Прикладная акустика. Таганрог: изд-во ТРТИ, 1987. С. 86-92.

26. Доля В. К., Земляков В. Л. Определение параметров эквивалентной схемы пьезопреобразователей при импульсном возбуждении. // Сборник статей Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1987. Вып. 6. С. 89-93.

27. Земляков В. Л. К расчету коэффициента нелинейности в пьезоэлектрических резонаторах // Сборник статей Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1987. Вып. 6. С. 81-85.

28. Земляков В. Л. Метод определения параметров элементов эквивалентных схем пьезопреобразователей. // Сборник статей Акустические антенны и преобразователи. Владивосток: изд-во ДВГУ, 1988. С. 56-62.

29. Зелшяков В. Л. О контроле параметров преобразователей акустических антенн. // Сборник статей Пьезоэлектрические материалы и

преобразователи. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1988. Вып. 7. С. 101-104.

30. Земляков В. Л., Краспер М. Г., Милославский Ю. К. Реализация на базе ЭВМ комплекса для испытаний и настройки акустических преобразователей и антенн. // Сборник статей Акустические средства исследования океана. Владивосток: изд-во ДВГУ, 1989. С. 106-112.

31. Земляков В. Л. О влиянии случайных ошибок возбуждения на поле антенны в зоне Френеля. // Сборник статей Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1989. Вып. 8. С. 103-106.

32. Земляков В. Л., Милославский Ю. К. О контроле параметров пьезоэлектрического преобразователя-излучателя. // Сборник статей Пьезоэлектрические материалы и преобразователи. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1989. Вып. 8. С. 136-142.

33. Земляков В. Л., Краспер М Г. Простой измерительно-вычислительный комплекс для измерения электрических параметров пьезопреобразователей // Сборник статей Пьезоэлектрические и родственные материалы: Физика. Технология. Применение в приборах. Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, 1991. С. 183-187.

34. Доля В. К., Земляков В. Л. Контроль параметров пьезопреобразователей в составе измерительных трактов. // Сборник статей Пьезоэлектрические и родственные материалы: Физика. Технология. Применение в приборах. Ростов н/Д: изд-во Рост, ун-та, 1991. С. 128-134.

Учебно-методические труды:

35. Земляков В. Л. Измерительные технологии в пьезоэлектрическом приборостроении: учебное пособие с грифом УМО. Ростов н/Д: Изд-во ООО «ЦВВР», 2008.112 с.

Подписано в печать 15.04,2010 г. Формат 60x84 1/1а. Усл. печ. л 2,13. Тираж 100 экз. Заказ № 1035.

Типография Южного федерального университета 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 200/1, тел (863) 247-80-51.

о

2008177002

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ.

1.1. Общая характеристика пьезокерамических материалов, ПЕСЭ и пьезопреобразователей.

1.2. Измерение параметров ПКЭ.

1.2.1. Измерение параметров ПКЭ по частотной характеристике проводимости в области резонанса

1.2.2. Измерение параметров ПКЭ при импульсном воздействии.

1.3. Измерение параметров пьезокерамического материала.

1.4. Диагностика ПКЭ и пьезопреобразователей.

Выводы.

ГЛАВА 2. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ.

2.1. Новый подход к определению пьезомодуля в динамическом режиме.

2.2. Определение параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ.

2.3. Новые методы определения пьезомодуля.

2.4. Новые методы определения параметров ПКЭ и пьезопреобразователей как пьезорезонаторов.

Выводы.

ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ОБРАЗЦАХ ПКЭ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

3.1. Определение пьезомодуля пьезокерамических материалов на различных образцах ПКЭ.

3.2. Проверка идентичности ПКЭ.

Выводы.

ГЛАВА 4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПКЭ И ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1. Измерительно-вычислительные комплексы для измерения и контроля параметров ПКЭ и пьезопреобразователей.

4.2. Научно-технические предложения по созданию нового поколения измерительных средств в пьезоэлектрическом приборостроении.

Выводы.

Актуальность работы. Пьезоэлектрическое приборостроение - это одно из современных направлений приборостроения, в котором элементная база включает пьезокерамические элементы (ГЖЭ) — тела простой геометрической формы, изготовленные из пьезокерамических материалов. На основе ПКЭ изготавливают пьезопреобразователи и различные средства, широко применяемые в науке и технике — радиоэлектронике, виброметрии, гидроакустике и ультразвуковой технике и т. д.

В настоящее время в пьезоэлектрическом приборостроении, как для исследовательских целей, так и для решения практических задач, связанных с диагностикой ГЖЭ и пьезопреобразователей, широко применяют одни и те же методы испытаний в динамическом режиме. Для реализации этих методов используют характерные точки на частотной характеристике проводимости в области резонанса и расчетные формулы, полученные путем решения электромеханической задачи.

Большой вклад в развитие этих методов внесли как отечественные, так и зарубежные ученые. Среди них Акопьян В. А., Ганопольский В. В., Доля В. К., Иванов H. М., Крамаров О. П., Крамаров Ю. А., Милославский Ю. К., Парфенов Б. Г., Петин Г. П., Прудько Н. И., Пугачев С. И., Тимошенко С. П., Eernisse Е., Hollang R., Mason W., Martin G., Smits J. и ряд других.

Наиболее распространенными методами, реализующими динамический режим измерений, являются метод «резонанса-антирезонанса» и GBW— метод, являющийся развитием метода круговых диаграмм для комплексной проводимости. Перечисленные методы используют для определения важных параметров, таких как пьезомодуль и коэффициент электромеханической связи пьезокерамического материала, коэффициент электромеханической трансформации и эффективный коэффициент электромеханической связи ГЖЭ и пьезопреобразователя как пьезорезонатора и т. д.

Метод «резонанса-антирезонанса» регламентирован стандартами и требует, н апример, для определения пьезомодуля пе рвичных измерений в трех частотных областях: область низких частот (100 Гц или 1 кГц), область частот механического резонанса ПКЭ, область частот электромеханического резонанса (антирезонанса). Как правило, измеряют частотную зависимость модуля проводимости, далее по ней находят характерные точки (максимальное и минимальное значение) и определяют исходные данные, по которым проводится расчет. Применение ОВ\¥ метода связано с измерением частотной зависимости активной составляющей проводимости, определением по характерным точкам ширины резонансной кривой на уровне половинной мощности (0,5 от максимального значения) и проводимости на частоте резонанса с последующими расчетами по определенным формулам.

Учитывая, что количество методов испытаний ПКЭ и пьезопреоб-разователей в динамическом режиме ограничено, возможность выбора эффективного метода в зависимости от специфики конкретной задачи отсутствует.

Перенос исследовательских методов в область диагностики приводит к тому, что процедура испытаний становится неэффективной, а средства измерений сложны в реализации, недостаточно быстродействующие и не позволяют автоматически сразу после измерений формировать на выходе электрический сигнал, амплитуда которого была бы пропорциональна, например, величине пьезомодуля, что позволит автоматически управлять исполнительными устройствами разбраковки.

Кроме этого, сами по себе методы и «резонанса-антирезонанса» не свободны от ряда недостатков. Так ОВЛУ'-метод требует определения резонансного промежутка, т. :е. небольшой разности двух больших значений частот: при этом погрешность определения этих значений частот переносится на погрешность определения небольшого резонансного промежутка, что приводит к большой погрешности определения результата, когда этот метод реализуется в автоматизированных средствах при измерениях проводимости в ряде дискретных точек. В случае применения метода «резонанса-антирезонанса» отсутствует возможность учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью. Кроме этого, отсутствует возможность исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи, когда затруднена локализация частоты антирезонанса.

Существующие методы оценки параметров и отбора качественных ПКЭ и пьезопреобразователей при их производстве и различных видах испытаний не всегда позволяют изготавливать изделия пьезоэлектрического приборостроения с высокими техническими характеристиками.

Таким образом, актуальной является научная проблема, заключающаяся в необходимости разработать новые научно обоснованные технические и технологические решения путем создания многообразия информационно-измерительных и технологических методов определения параметров пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей, одни из которых будут устранять недостатки известных методов, другие станут основой создания нового поколения автоматизированных средств измерений, эффективно решающих практические задачи в пьезоэлектрическом приборостроении. Однако для решения указанной научной проблемы необходим новый научно-методический аппарат.

Представленные в диссертации результаты позволяют решить указанную научную проблему, создать новый научно-методический аппарат путем разработки новых методов определения и контроля параметров пьезоке-рамического материала, ПКЭ и пьезопреобразователей, которые могут быть реализованы как на существующей в настоящее время аппаратуре, так и, более эффективно при диагностике, новыми средствами измерений.

Применение результатов диссертационной работы позволит реализовать новую технологию диагностики, отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что позволит существенно повысить основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Объектом исследований являются пьезокерамические элементы и пьезопреобразователи.

Предмет исследования составляют информационно-измерительные и технологические методы, применяемые в пьезоэлектрическом приборостроении для различных испытаний пьезокерамических элементов и пьезопреобразователей.

Цель диссертационной работы заключается в развитии и создании новых информационно-измерительных и технологических методов, а также разработке нового поколения автоматизированных и быстродействующих измерительных средств, применяемых в пьезоэлектрическом приборостроении.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Сформировать новый подход к определению пьезомодуля.

2. Разработать новые информационно-измерительные и технологические методы в пьезоэлектрическом приборостроении.

3. Провести ' экспериментальные исследования и сравнительный анализ новых методов.

4. Разработать научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств реализации новых методов.

При проведении исследований использовались методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей в применении к ПКЭ, методы теории измерений, программный пакет МаИаЬ + БтиНпк для компьютерного моделирования технологических и информационно-измерительных процессов.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:

Корректностью постановок задач и применением математических методов их решения.

Непротиворечивостью предлагаемых решений известным результатам, полученных другими способами.

Проверкой соответствия данных, полученных на математических моделях, реально наблюдаемым экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулирован новый подход к определению пьезомодуля, отличающийся тем, что модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезомодулем пьезокерамического материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ: любой метод определения емкости или индуктивности динамической ветви эквивалентной электрической схемы ПКЭ является методом определения пьезомодуля.

2. Разработаны две группы информационно-измерительных и технологических методов, позволяющих определять основные параметры пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей:

• методы первой группы представляют собой дальнейшее развитие известных методов, основанных на поиске характерных точек на измеренной частотной характеристике проводимости:

- метод, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности (0,7 от максимального значения), отличающийся тем, что не требует для своей реализации значения частоты антирезонанса и позволяет определять, например, пьезомодуль пьезокерамического материала по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса;

- метод, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, отличающийся тем, что позволяет учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью;

- метод, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ПКЭ и ее производной, отличающийся тем, что позволяет определять параметры только по амплитудным измерениям;

• методы второй группы отличаются тем, что не требуют поиска характерных точек и основаны на новых алгоритмах обработки частотных и временных характеристик ПКЭ:

- метод, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ и позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации;

- метод, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей вначале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации.

Разработаны научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении, которые: не требуют проведения измерений в характерных точках частотных характеристик и определения небольшой разности частот (резонансных промежутков) для двух больших значений частоты; позволяют получить результат за промежуток времени менее 1 сек.; автоматически сразу после измерений формируют на выходе электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна контролируемому параметру пьезокерамического материала, ПКЭ или пьезопреобразователя, что позволяет автоматически выполнять их разбраковку.

Теоретическая значимость работы заключается в формировании многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении и создании условий для дальнейших разработок благодаря возможности использовать хорошо разработанный аппарат теории линейных электрических цепей для определения параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ и пьезопреобразова-телей.

Практическая ценность работы обусловливается следующим:

• Формированием экспериментально апробированного многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении, каждый из которых эффективен при решении конкретной практической задачи.

В том числе:

- метода, позволяющего при измерениях модуля проводимости ПКЭ или пьезопреобразователя проводить диагностику, когда нельзя пренебречь механическими потерями;

- метода, позволяющего при измерениях модуля проводимости ПКЭ или пьезопреобразователя проводить диагностику при отсутствии возможности измерить частоту антирезонанса;

- метода, позволяющего при измерениях активной составляющей проводимости ПКЭ и пьезопреобразователя проводить диагностику только по амплитудным измерениям;

- методов экспресс-диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей, которые не требуют поиска характерных точек, и, тем не менее, сразу после измерений позволяют получить количественную информацию о значении контролируемого параметра.

• Внедрением в производство автоматизированных средств измерений для диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей нового поколения.

• Повышением производительности при испытаниях больших партий ПКЭ и пьезопреобразователей за счет увеличения быстродействия средств измерений.

• Возможностью реализовать новую технологию диагностики, отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что, в свою очередь, позволит существенно повысить основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в разработки НКТБ «Пьезоприбор» - одной из ведущих организаций в России в области пьезоэлектрического приборостроения: в комплекс «Лиман-Пьезо» (68.70.00.00.000), в аппаратуру «Цензурка-М» (68.86.00.00.000), в автомат для измерения параметров и паспортизации пьезоэлементов и преобразователей «Пьезо-1», а также внедрены в учебный процесс факультета высоких технологий Южного федерального университета, реализующего магистерскую подготовку по программе «Пьезоэлектрическое приборостроение»: дисциплина «Измерительные технологии в пьезоэлектрическом приборостроении».

Новые научные результаты и положения, разработанные автором лично и выносимые для публичной защиты:

1. Новый подход к определению пьезомодуля, в соответствии с которым модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезомодулем пьезокерами-ческого материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ.

2. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности, позволяющий определять пьезо-модуль по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса.

3. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, позволяющий учитывать механические потери в пьезокерамическом материале.

4. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ГПСЭ и ее производной, позволяющий определять пьезомодуль только по амплитудным измерениям.

5. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ, не требующий поиска характерных точек на частотной характеристике и позволяющий автоматически сразу после измерений получать электрический сигнал постоянного уровня, пропорциональный величине квадрата пьезомодуля.

6. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей вначале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать импульс тока, амплитуда которого пропорциональна величине квадрата пьезомодуля.

7. Научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции стран СНГ «Проблемы метрологии гидрофизических измерений» (Москва, 1992), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Ростов н/Д, 1999), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» (Ростов н/Д, 2006), Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в пьезоэлектрическом приборостроении» (Анапа, 2008), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (Таганрог, 2009), Восьмой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в монографии, 23 статьях в журналах и научно-технических сборниках (в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ), 4 патентах РФ, 6 тезисах докладов на Международных и Всероссийских конференциях, учебно-методическом пособии с грифом УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 156 наименований.