Elektronika 2012-08 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

mi energetycznymi przetwornika drgającego w powietrzu są stratycieplne pochodzące od tarcia wewnętrznego cząstek drgającegoprzetwornika i upływności elektrycznej. Wartości impedancji charakterystykisymulacyjnej w punktach rezonansowych praktyczniezależą od gęstości próbkowania.Z pomiarów charakterystyki impedancji wyznaczono wartościczęstotliwości rezonansowych drgań osiowych,f p= 454 000±69 Hz – częstotliwość rezonansu równoległego,f s= 419 695±86 Hz – częstotliwość rezonansu szeregowego.Na podstawie pomierzonych wielkości oraz wyprowadzonychzależności wyznaczono wybrane stałe materiałowe, które porównanoz wartościami katalogowymi. Wyniki obliczeń przedstawionow tabeli.Stałe materiałowe. Material constantsSta apiezoelektryczna ,materiał owaT33S33Ec 33Dc 33e 33h 33v zWarto wyznaczona Warto katalogowa±20%kt0,416±0,001 0,48Z tabeli wynika, iż wyznaczone wartości mieszczą się w zakresierozrzutu technologicznego podawanego przez producenta,niemniej różnice w wartościach parametrów są znaczne. Zbadanaceramika charakteryzuje się gorszymi parametrami od wartościkatalogowych, o czym świadczy mniejsza wartość współczynnikasprzężenia elektromechanicznego k toraz stałych piezoelektrycznyche 33i h 33. Otrzymane parametry zostały wprowadzone do modelu,z którego wyznaczono charakterystykę modułu impedancji,którą porównano z charakterystyką uzyskaną eksperymentalnie.Wyniki symulacji przedstawiono na rys. 5.Z rys. 5 wynika, że charakterystyki modułu impedancji uzyskanez modelu dla wartości parametrów wyznaczonych oraz z pomiaróww okolicy rezonansu drgań osiowych w dużym stopniupokrywają się. Wnioskować stąd można, iż przedstawiony modelmatematyczny poprawnie charakteryzuje przetwornik piezoelektrycznyw okolicy częstotliwości rezonansowych drgań osiowych.Uwagi dotyczące wyznaczania błędówpomiarowychBłędy pomiaru wartości masy przetwornika oraz pojemnościwejściowej są równe błędom systematycznym użytej aparatury,których wartości zostały podane przez producenta. Zastosowanaaparatura to:● wielofunkcyjny multimetr – firmy ESCORT, model EDM-89S● waga – firmy OHAUS, model PA4102 CM/1Pomiary geometrii przetwornika dokonano dokładną suwmiarką(do 10 µm) z wyświetlaczem LCD. Z powodu dość dużejprzypadkowości wyników pomiaru uzależnionej od miejsca przyłożeniasuwmiarki oraz siły docisku, błąd wyznaczono stosującmetody statystyczne. W tym celu dla każdej wartości mierzonejzebrano 10 próbek. Błąd i wartość średnią wyznaczono stosującrozkład prostokątny.Pomiar częstotliwości rezonansowej wykonano przy użyciuopracowanego w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym wirtualnegoprzyrządu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk częstotliwościowychukładów drgających, który został opisany w [2].W przypadku pomiarów impedancji przetworników piezoceramicznychbłąd przypadkowy wynikający z punktu zamocowaniaprzetwornika w uchwycie pomiarowym jest znacznie większy niżbłąd systematyczny. Do wyznaczenia błędu pomiarowego zastosowanowięc metody statystyczne. W tym celu zmierzono 10wartości częstotliwości rezonansowych przy różnych ułożeniachprzetwornika piezoceramicznego w uchwycie pomiarowym. Średnibłąd pomiaru wyznaczono z poniższego wzoru,n2 ∑ i1( − )∆ ==x xix(15)n−1gdzie x – wielkość mierzona, w naszym przypadku to f si f p.Błędy wyznaczenia stałych materiałowych będących funkcjamiwyżej opisanych parametrów, wyznaczono stosując metodę różniczkizupełnej.Uwagi i wnioski końcoweW niniejszej pracy zbadano i zweryfikowano możliwości estymacjiwartości stałych materiałowych na podstawie zależności wyprowadzonychz modelu drgań osiowych. Uzyskane wyniki mieściłysię w przewidywanym zakresie wartości, a model z dobrą dokładnościąodwzorowywał kształt charakterystyki impedancyjnejprzetwornika. Wątpliwości może budzić wpływ innych modówrezonansowych na wyniki pomiaru dla modu drgań osiowych.Jak wynika z przedstawionych charakterystyk, wokół modu drgańosiowych występują mody innych drgań, które wpływają na wynikipomiaru. W celu zbadania wpływu innych modów drgań należyopracować model obejmujący także inne typy drgań, w szczególnościdrgania promieniowe. Poniesie to za sobą możliwośćwyznaczania wartości stałych materiałowych nie tylko w kierunkuosiowym x3, ale także w kierunkach x1 i x2.Praca zrealizowana w ramach projektu badawczego nr. 6018/B/T02/2011/40 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.Rys. 5. Charakterystyka modułu impedancji badanej piezoceramikiSonoxP8 uzyskanej w wyniku pomiaru i symulacji modelu drgańosiowych dla parametrów wyznaczonychFig. 5. Measured and simulated absolute impedance characteristic ofexamined SonoxP8 piezoceramic for estimated parameters18Literatura[1] Matauschek J.: Technika Ultradźwięków. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1961.[2] Kluk P., Prystupiuk P.: Wirtualny przyrząd pomiarowy do wyznaczaniacharakterystyk częstotliwościowych układów drgających zgrzewarekultradźwiękowych. Elektronika, nr 12/2008.[3] Milewski A. i in.: Identyfikacja parametryczna ultradźwiękowychprzetworników piezoelektrycznych. Elektronika nr 9, 2011.[4] Milewski A., Kluk P., Kogut P.: Automatycznie sterowanyultradźwiękowy generator mocy. Elektronika nr 9, 2011.[5] Milewski A., W. Kardyś W., Kogut P.: Physical properties and theirsinfluence on the piezoelectric ultrasonic transducers mathematicalmodels. 41st Winter School on Wave and Quantum Acoustics.[6] Milewski A., W. Kardyś W., Kogut P.: Optimization of ultrasonic system’sReal Power output. 41st Winter School on Wave and QuantumAcoustics.Elektronika 8/2012