Аппаратура для контроля параметров пьезоэлементов Цензурка-МА

Назначение

Аппаратура «Цензурка-МА» предназначена для оперативного измерения, в процессе производства параметров пьезоэлементов и пьезопреобразователей: частоты резонанса и антирезонанса, сопротивления на частоте резонанса, емкости на низкой частоте, тангенса угла диэлектрических потерь.

Измерение параметров пьезоэлементов осуществляется в двух режимах:

- динамическом режиме (контроль параметров в резонансной области частот);

- квазистатическом режиме (контроль параметров на частоте 1000 Гц).

Описание

Схема измерений, реализованная в аппаратуре «Цензурка-МА», показана на рисунке 1.

U0 - опорное напряжение, U - падение напряжения на пьезоэлементе, R0 - резистор, Z -комплексный импеданс пьезоэлемента или преобразователя.

Рисунок 1.

В аппаратуре реализован цифровой способ измерений, позволяющий возбуждать пьезоэлемент или преобразователь широкополосным сигналом, спектр которого охватывает заданную область частот. В качестве такого сигнала в аппаратуре «Цензурка -МА» используется сигнал с линейной частотной модуляцией.

ЛЧМ сигнал формируется в ЭВМ программно в виде массива длиной N Напряжения U0(t) и U(t) подаются на вход двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а полученные таким образом отсчеты - через буферное запоминающее устройство в управляющую ЭВМ, где подвергаются дискретному преобразованию Фурье с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. В результате получаются два комплексных массива длиной N/2 каждый, соответствующие значениям Uo(®) и U(o) на частотах f[k] =kFd/N, k = 0,- ,N/2. Значения комплексной проводимости в полосе частот от o до Fd/2 рассчитываются с использованием измеренных величин.

Принцип работы при квазистатических измерениях на низкой частоте 1000 Гц аналогичен, только в качестве АЦП используется 16-ти разрядный АЦП (относительно медленно действующий), который подключается к измерительному резистору Ro с помощью коммутатора входов (на рисунке не показан).

Для расчета требуемых параметров преобразователя используется многоконтурная эквивалентная схема, динамическая часть которой состоит из нескольких соединенных параллельно RLC-цепочек. Количество контуров эквивалентной схемы определяется по числу максимумов активной составляющей проводимости в заданной полосе частот.

Аппаратура «Цензурка-МА»(рисунок 2) является аппаратурой настольного типа и состоит из блока измерительного, управляющей ЭВМ (персональный компьютер IBM PC Pentium IV в настольном виде или ноутбук) и печатающего устройства. Управляющая ЭВМ с операционной системой Windows имеет специальное программное обеспечение, реализующие функции управления работой аппаратуры, обработки результатов измерений, отображения измеренной и обработанной информации, ведения баз данных для контролируемых пьезоэлементов.

Рисунок 2 - Аппаратура «Цензурка-МА»

Блок измерительный представляет собой закрытый металлический корпус с органами управления и индикации на лицевой панели, где так же расположен разъем для подключения пьезоэлементов. В состав аппаратуры входит набор эквивалентов и RC цепей, четырехполюсник для измерения АЧХ.

На задней панели измерительного блока расположены разъемы для питания аппаратуры «Цензурка-МА» и для подключения ее к персональному компьютеру. На задней панели расположены винты крепления задней крышки для пломбирования аппаратуры «Цензур-ка-МА» (рисунок 3).

1 - Технические требования по ГОСТ 18680-73. Пломбировать замазкой уплотнительной У-20 ТУ 38-105357-85. Рисунок 3 - Панель задняя блока измерительного - схема пломбировки

Программное обеспечение (ПО) аппаратуры «Цензурка-МА» состоит из кода программы. ПО является устанавливаемым дистрибутивом ПО (файл SetupCMA_ver.1.2.2.exe), который предустанавливается при поставке аппаратуры. ПО аппаратуры исполняется на процессоре управляющей ПЭВМ. ПО аппаратуры рассматривается как метрологически значимое.

ПО аппаратуры “Цензурка-МА”, предназначено для решения следующих основных задач:

- расчет комплексной проводимости пьезоэлемента;

- расчет эквивалентных и электрофизических параметров;

- взаимодействие с оператором, отображение и сохранение результатов измерений, в том числе в графическом виде, отбраковка пьезоэлементов по установленным критериям;

- накопление в базе данных результатов измерений, формирование, отображение и сохранение отчетов о результатах измерений, в том числе гистограммных, получение их твердой копии.

Коды программы не могут быть модифицированы простыми программными средствами (защита на уровне структуры двоичного файла при его компиляции в среде разработки).

Таблица 1

В соответствии с разделом 6.6 МИ 3286-2010 уровень защиты ПО аппаратуры соответствует уровню «С».

В коде ПО присутствует процедура контроля за контрольной суммой исполняемого файла. При запуске ПО аппаратуры происходит проверка текущей контрольной суммы кода программы с записанной контрольной суммой. В случае отличия этих контрольных сумм программа аппаратуры останавливается и на экран выводится сообщение об ошибке проверки контрольной суммы. Метрологически значимая часть ПО аппаратуры и измеренные данные достаточно защищены с помощью специальных средств защиты от преднамеренных и не преднамеренных изменений.

Технические характеристики

Диапазон рабочих частот, кГц                                    1 - 500

Диапазон измерения электрической емкости, Ф                     240-11 - -10’7

Диапазон измерения тангенса угла диэлектрических потерь         2-10-3 - •IO-1

Диапазон измерения сопротивления на частоте резонанса, Ом       10 - 5-103

Пределы относительной погрешности установки частоты, %

Пределы относительной погрешности измерения частоты резонанса, % ±0,2 Пределы относительной погрешности измерения

частоты антирезонанса, %

Пределы относительной погрешности измерения электрической емкости на частоте 1000 Гц:

для диапазона 240-11 Ф - 10-10 Ф, %

для диапазона 10-10 Ф - 10-7 Ф, %

Пределы относительной погрешности измерения тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 1000Гц: для диапазона 240-3 - 340-2, %

для диапазона 340-2 - -10’1, %

Пределы относительной погрешности измерения сопротивления на частоте резонанса, %

Рассчитываемые параметры:

Пределы относительной погрешности измерения относительной диэлектрической проницаемости в диапазоне 3-102 - 3-103, %

Пределы относительной погрешности измерения относительного резонансного промежутка в диапазоне 0,04 - 0,4, %

Пределы относительной погрешности измерения коэффициента электромеханической связи в диапазоне 0,25 - 0,8, %

Пределы относительной погрешности измерения пьезомодуля

в динамическом режиме в диапазоне 30 - 600 пКл/Н, %

Пределы относительной погрешности измерения механической добротности в диапазоне 50 - 800, %

Пределы относительной погрешности измерения скорости звука в диапазоне 2,5403 - 5-103 м/с, %