Введение к работе
Актуальность работы. В акустике для излучения и приема волн в водной среде широко используются электроакустические преобразователи (ЭАП). Основу построения большинства ЭАП составляют пьезокерамические элементы (ПКЭ) - тела различной геометрической формы, изготовленные из диэлектрика, обладающего пьезоэлектрическими свойствами.
Потребность в контроле качества больших партий ЭАП и ПКЭ возникает на предприятиях-изготовителях ультразвуковой техники, а также во время эксплуатации ЭАП в составе различных систем, например, многоэлементных гидроакустических антенных решеток. При этом, основными требованиями к устройствам контроля должны быть простота изготовления, невысокая стоимость, эффективность и быстродействие.
В настоящее время для контроля ЭАП и ПКЭ используются те же методы, которые используются для исследовательских целей: метод «резонанса-антирезонанса» и GBW-метод. Эти методы требуют проведения измерений частотных характеристик проводимости, определения характерных точек (например, частот резонанса и антирезонанса) по ряду измеренных значений в определенной области, измерения значений частот и проводимостей в характерных точках и проведения последующих расчетов. Только после этого формируется сигнал, несущий информацию о величине контролируемого параметра.
Большой вклад в развитие таких методов и средств измерения и контроля параметров ПКЭ и ЭАП внесли такие ученые как: Акопьян В.А., Доля В.К., Иванов Н.М., Земляков В.Л., Крамаров Ю.А., Милославский Ю.К., Парфенов Б.Г., Прудько Н.И., Пугачев СИ. Eernisse Е., Hollang R., Martin G., Smits J. и ряд других.
Однако применение исследовательских методов при оперативном контроле ЭАП и ПКЭ приводит к тому, что процедура испытаний занимает значительное время и не удается после измерений без дополнительных расчетов формировать электрический сигнал с амплитудой, пропорциональной каким-то параметрам ЭАП или ПКЭ, что не позволяет автоматически управлять их разбраковкой.
Таким образом, актуальной является задача разработки метода экспресс-контроля ЭАП и ПКЭ, который бы отличался высоким быстродействием и мог бы быть реализован устройствами с невысокой стоимостью изготовления, обеспечивающими автоматически после измерений формирование сигнала с амплитудой, пропорциональной контролируемому параметру.
Представленные в диссертации результаты позволяют решить сформулированную задачу, что дает возможность сократить время контроля ЭАП и ПКЭ по сравнению с известными методами и создавать аппаратуру, в которой электрический сигнал, несущий информацию о величине контролируемого параметра, будет формироваться автоматически после измерений.
Объектом исследований являются электроакустические
пьезокерамические преобразователи и пьезокерамические элементы.
Предмет исследования составляют методы определения добротности ЭАП и ПКЭ, пьезомодуля пьезоматериала, коэффициента электромеханической трансформации, алгоритмы работы измерительных средств для контроля параметров ПКЭ и ЭАП.
Цель диссертационной работы заключается в разработке метода и средств экспресс-контроля ЭАП и ПКЭ по результатам измерений на одной характерной частоте.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
вывести аналитические выражения для определения добротности ЭАП и ПКЭ, пьезомодуля пьезоматериала и коэффициента электромеханической трансформации по значениям частотной характеристики активной составляющей проводимости и ее производной на одной характерной частоте;
разработать метод, позволяющий по результатам измерений на одной характерной частоте контролировать параметры ЭАП и ПКЭ;
разработать структурные схемы и алгоритм работы средств измерений реализующих метод;
—провести экспериментальные исследования разработанного метода.
Выполненные в работе исследования базируются на методах математического анализа, теории электрических цепей, теории измерений, используют программную среду разработки Matlab+Simulink для проведения моделирования и графическую среду разработки N1 Lab VIEW для создания программно-аппаратного комплекса и экспериментального исследования разработанного метода.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы
обеспечивается корректностью использования математического аппарата,
методов компьютерного моделирования, непротиворечивостью
экспериментальных результатов, получаемых разработанным методом, с результатами известных методов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлено, что добротность ЭАП и ПКЭ, пьезомодуль пьезоматериала и коэффициент электромеханической трансформации можно контролировать по результатам измерений амплитудно-частотных характеристик на одной характерной частоте, что достигается за счет одновременного анализа активной составляющей проводимости и ее производной;
разработан метод экспресс-контроля параметров ЭАП и ПКЭ, для реализации которого требуются измерения максимального значения производной от активной составляющей проводимости, а также измерения значения этой проводимости на частоте максимума производной, отличающийся тем, что он позволяет контролировать параметры ЭАП и ПКЭ по результатам измерений на одной характерной частоте - частоте максимума производной, и автоматически сразу после измерений получать величину контролируемого параметра;
установлены зависимости погрешности определения параметров ЭАП и ПКЭ от шага дискретизации по частоте при измерениях активной составляющей проводимости в дискретных точках в области резонанса;
получены аналитические выражения для определения пьезомодуля пьезоматериала на образцах ПКЭ в форме диска по измерениям на одной характерной частоте, отличающиеся тем, что в них отсутствуют значения коэффициента Пуассона и наименьшего положительного корня частотного уравнения (уравнения Бесселя);
Теоретическая значимость работы заключается в дальнейшем развитии методов и средств измерений и контроля в пьезоэлектрическом приборостроении.
Практическая ценность работы обусловливается следующим:
разработкой экспериментально апробированного метода экспресс-контроля ЭАП и ПКЭ по результатам измерений на одной характерной частоте, позволяющего автоматически после измерений получать количественную информацию о значении контролируемого параметра, что дает существенный выигрыш во времени по сравнению с известными методами, особенно при контроле больших партий ЭАП и ПКЭ;
определением зависимостей погрешности определения параметров ЭАП и ПКЭ от шага дискретизации по частоте при измерениях активной составляющей проводимости в дискретных точках в области резонанса;
удобными аналитическими выражениями для определения пьезомодуля пьезоматериала на образцах ПКЭ в форме диска, в которых отсутствуют коэффициент Пуассона, что позволит определять пьезомодуль только по измерениям в области основного резонанса, без измерений частоты гармоники.
разработкой структуры и алгоритма работы автоматизированных средств для контроля ЭАП и ПКЭ, которые сразу после измерений формируют электрический сигнал, соответствующий контролируемому параметру.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в НКТБ «Пьезоприбор» - одной из ведущих организаций в России в области пьезоэлектрического приборостроения, а также внедрены в учебный процесс факультета высоких технологий Южного федерального университета, реализующего магистерскую подготовку по программе «Пьезоэлектрическое приборостроение».
Новые научные результаты и положения, выносимые для публичной защиты:
аналитические выражения для определения добротности ЭАП и ПКЭ, пьезомодуля пьезоматериала и коэффициент электромеханической трансформации по значениям частотной характеристики активной составляющей проводимости и ее производной на одной характерной частоте;
метод экспресс-контроля параметров ЭАП и ПКЭ, для реализации которого требуются измерения максимального значения производной от активной составляющей проводимости, а также измерения значения этой проводимости на частоте максимума производной, отличающийся тем, что он позволяет контролировать параметры ЭАП и ПКЭ по результатам измерений на одной характерной частоте - частоте максимума производной, и автоматически после измерений получать величину контролируемого параметра;
результаты исследований зависимости погрешности определения добротности от шага дискретизации по частоте при измерениях активной составляющей проводимости в дискретных точках в области резонанса ЭАП и ПКЭ;
- Аналитические выражения для определения пьезомодуля пьезоматериала на ПКЭ в форме диска по измерениям на одной характерной частоте только в области основного резонанса.
Соответствие паспорту специальности. Диссертация выполнена в соответствии с паспортом специальности 01.04.06 Акустика. Апробация работы
Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VI международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» (г. Анапа, 2008); Восьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2010»: (г. Анапа, 2010); Десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010); Международная научно-техническая конференция «Датчики и системы - 2011» (г. Новороссийск, п. Абрау-Дюрсо, 2011); 16 - международном молодежном форуме «Перспективы развития телекоммуникационных и информационно-измерительных технологий» (г. Харьков, 2012), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г. Ростов н/Д, 2012 г.); Международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г. Анапа, 2013).
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 17 печатных работ, в которых автору принадлежит 4,1 печатных листа, в том числе 7 статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенный ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы (96 источника) и приложений, содержит 118 страниц текста, включающего 24 таблицы и 37 рисунков.
Похожие диссертации на Разработка метода и средств экспресс-контроля электроакустических пьезокерамических преобразователей
