Стенд для контроля электрофизических параметров пьезоэлементов

Назначение

Стенд для контроля электрофизических параметров пьезоэлементов (стенд КЭПП) предназначен для контроля совокупности электрофизических параметров пьезоэлементов в процессе производства: частоты резонанса и антирезонанса, емкости на низкой частоте, тангенса угла диэлектрических потерь, сопротивления на частоте резонанса.

Контроль параметров пьезоэлементов осуществляется в двух режимах:

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

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

Описание

Принцип измерений, реализованный в стенде КЭПП, показан на рисунке 1.

Рисунок 1.U0 - опорное напряжение, U - падение напряжения на пьезоэлементе, R0 -

резистор, Z - комплексный импеданс пьезоэлемента или преобразователя.

В стенде КЭПП реализован цифровой способ измерений, позволяющий возбуждать пьезоэлемент широкополосным сигналом, спектр которого охватывает заданную область частот. В качестве такого сигнала в стенде КЭПП используется сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

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). 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 U0(®) и U(®) на частотах

f [k 1 = kFd/N, k = 0,« , N/ 2

d . Значения комплексной проводимости в полосе частот от 0 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.

Стенд КЭПП (рисунок 2) является изделием настольного типа и состоит из блока измерительного, управляющей ЭВМ (персональный компьютер IBM PC Pentium IV в настольном виде или ноутбук) и устройства паспортизации (принтер). Управляющая ЭВМ с операционной системой Windows имеет специальное программное обеспечение, реализующие функции управления работой стенда КЭПП, обработки результатов измерений, отображения измеренной и обработанной информации, ведения баз данных для контролируемых

пьезоэлементов.

Рисунок 2 - Стенд КЭПП

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 стенда КЭПП входит набор эквивалентов пьезоэлементов и RC цепей, четырехполюсник для измерения АЧХ.

На задней панели измерительного блока расположены разъемы для питания стенда КЭПП и для подключения его к персональному компьютеру. На задней панели расположены винты крепления задней крышки для пломбирования стенда КЭПП (рисунок 3).

Рисунок 3 - Панель задняя блока измерительного. Схема пломбировки.

1 - Технические требования по ГОСТ 18680-73. Пломбировать замазкой уплотнительной У-20 ТУ 38-105357-85.

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) стенда КЭПП состоит из кода программы. ПО является устанавливаемым дистрибутивом ПО (файл Setup_Full_StendKEPP.exe), который предустанавливается при поставке стенда КЭПП. ПО стенда КЭПП исполняется на процессоре управляющей ПЭВМ. ПО стенда КЭПП рассматривается как метрологически значимое.

ПО стенда КЭПП, 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).

аблица 1

Уровень защиты ПО стенда КЭПП соответствует уровню «С».

В кодах 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 -1-10’7

Диапазон измерения тангенса угла диэлектрических потерь                                                         240-3 - 1-10-1

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

Пределы допускаемой основной относительной погрешности

установки частоты, %

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения частоты резонанса, %

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения частоты антирезонанса, %

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности

измерения электрической емкости на частоте 1000 Гц, пФ:                ±(1 пФ+540-3^ Сизм)

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности

измерения тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 1000 Гц, %:

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения сопротивления на частоте резонанса, %

Рассчитываемые параметры:

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения относительной диэлектрической проницаемости, %

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения коэффициента электромеханической связи, %

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения поперечного пьезомодуля, %

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения механической добротности, %

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения скорости звука, %